用于lcos显示系统的偏振分光器件仿真设计(编辑修改稿)

用于lcos显示系统的偏振分光器件仿真设计(编辑修改稿)内容摘要：

术、高温多晶矽液晶 (PloySi LCD)穿透式投影技术、 DMD(Digital Micromirror Device)数位光学处理 (DLP。 Digital Light Projector)反射式技术相关。 这三项技术已发展成熟，但 LCOS 则成为投影显示技术的新主流。 LCOS 市场定位在大尺寸 显示器 产品及 HMD(Head Mount Device)。 目前业 界普遍认可：在显示器市场 2039。 以下以 LCD 为主流， PDP 可应用于 3039。 6039。 产品，但价格昂贵，投影显示器适用于 3039。 60’以上的产品，具有解析度高，价格适中等优势。 LCOS 投影显示技术则是落于上述投影显示器市场；另外亦可作为直视元件，应用在 HMD 中。 省电、便宜与高解析度为 LCOS 最大优点。 LCOS 可视为 LCD 的一种，但传统的LCD 是做在玻璃基板上，但 LCOS 则是长在矽晶圆上。 和 LCOS 的相对比的产品，最常用在投影机上的高温多晶矽 LCD 为代表。 后者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有 3%左 右，解析度不易提高； LCOS 则采用反射式投射，光利用效率可达 40%以上，且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便宜的 CMOS 制程，毋需额外的投资，并可随半导体制程快速的微细化，易于提高解析度。 反观高温多晶矽 LCD 则需另投资设备，且属于特殊制程，成本不易降低。 各种技术应用比较。 LCOS 投影显示技术的发展历史 LCOS 投影技术又称硅基液晶、硅晶光技术 [7]（ Liquid Crystal on Silicon， LCOS），是一种结合半导体工艺和液晶显示器（ LCD）的新兴技术。 该技术最早出现在上世纪九十年代 末期。 其首批成型产品是由 Aurora Systems 公司于 2020 年开发出的。 该产品具有高分辨率、低价格、反射式成像的特点。 在此之后无数家企业蜂拥而至。 其中不乏今天依然活跃在 LCOS 舞台上的索尼、JVC、视创科技、中芯国际、台联电、江西鸿源数显科技、河南辉煌等企业。 但是，在早期被认为是 LCOS 技术最有力的支持者的英特尔和飞利浦两位 “巨人 ”却未能坚持到最后。 清华 大学 2020 届 毕业设计说明书 第 8 页 共 28 页 04 年飞利浦宣布退出 LCOS 产品的开发计划。 飞利浦在 LCOS 产品上主要技术方向是单片式时序成像背投电视机产品。 04 年以来液晶和等离子平板电视产品的 高速增长被认为是飞利浦放弃 LCOS 背投电视机产品开发停顿的核心因素。 此外，在这一年英特尔也宣布了停止百万像素级 LCOS 芯片的研发和供货计划。 英特尔声称，未来主要经历将放在开发两百万像素全高清级 LCOS 产品上。 英特尔这样的表态被认为是希望以LCOS 在像素密度上的优势和德州仪器 TI 的 DLP 投影技术抗争的策略。 然而， 05 年之后英特尔的 LCOS 计划 “无疾而终 ”。 失去两位巨头的 LCOS 正营在 0 05 年陷入低谷时期。 这一阶段先后有多家企业推出了 LCOS 产品的开发和生产。 令 LCOS 阵营似乎一时间面临崩溃的危险。 但是，出于对已有技术的不满和对未来产业趋势的预期，索尼、 JVC 和台湾的视窗科技却依然坚持了下来。 目前， LCOS 投影机已经成为影院投影机高端产品采用的主要技术。 得到了数家企业，例如索尼、 JVC、视创、佳能、先锋、 LG 等的支持。 目前， LCOS 技术产品呈现出良好的市场增长态势。 在投影显示技术上， DLP 技术追赶 LCD 技术用了十年的时间。 而目前 LCOS 技术也已经经过了八九年的发展期。 业内分析预计，随着 LCOS 技术的进一步成熟和产业链条的扩大， LCOS 投影显示技术正在迎来发展的春天。 LCOS 投影显示技术 的成像原理 LCOS 投影技术的成像采用反射式光路 [8]。 在早期的产品中采用过和单片式 DLP 类似的时序成像方式。 不过目前的主流产品普遍采用成像水平更高的三片式红绿蓝三元素分离在组合的成像方式。 其成像光路与高档的百万元级的 3 片式 DLP 数字电影放映机基本相同。 三片式的 LCOS 成像系统，首先将投影机灯泡发出的白色光线，通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线，然后，每一个原色光线照射到一块反射式的 LCOS 芯片上，系统通过控制 LCOS 面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱，最后经过 LCOS 反射的 光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线，经过投影机镜头照射到屏幕上，形成彩色的图像。 这种成像系统在光源光线参与成像的利用率上能够达到单片式成像系统的一倍左右。 同时因此，同样的光源和电力消耗可以产生更加明亮的最终画面。 同时，由于避免清华 大学 2020 届 毕业设计说明书 第 9 页 共 28 页 了单片式 DLP 时序成像的缺陷，三片式 LCOS 投影系统也能产生出更加饱和、丰满的色彩，并且不会出现困扰单片式 DLP 成像系统的彩虹画面问题。 三片式 LCOS 成像的投影机产品是目前最成熟的 LCOS 投影方式。 推出这种产品的厂家众多，包括索尼、 HVC、视创、佳能等著名公司均有优秀的产品。 而此前曾经被开发过的单片式 LCOS 系统已经逐渐退出投影机应用领域。 因为在单片式的时序系统中，要求 LCOS 芯片具有比三片式更快的反应速度。 二者恰恰是 LCOS 的主要竞争对手 DLP 产品的优势，同时也是 LCOS 的劣势。 飞利浦早期的 LCOS 背投显示技术就是给予单片式 LCOS 时序显示的投影产品。 该项目已经在 04 年夭折。 LCOS 投影技术的优势 LCOS 投影芯 片除了上文体提及的拥有理论上最低的成本外还具有着其它的显著优点。 和 LCD 比较， LCOS 技术仅拥有一个光学面 [9]，从而能够利用另一个平面配置驱动电路。 进 而达到驱动电路和芯片一体化的产品结构。 普通的 LCD 有大量密集的外部引线，如一个 1024768 像素点阵的 LCD 便有 2592 条外部引线，给整机装配带来了诸多不便。 LCOS 由于是将 LCD 制于单晶硅片上， LCD 的行、列引出线皆通过半导体工艺在硅片内与 IC 相连接，故留在外部的仅有数条数据控制线、时序线及电源线等。 可利用通用连接端口与前级电路相连接，颇为简便。 普通的 LCD 透光的光学结构决定了两个光学平面必须保持 “干净 ”。 这使得像素分子中间不仅要包含 LCOS 技术液晶层所需要的像素涂布的分割网格，同时还必须拥有芯片工作必须的 “电线 ”等电子设备。 这些设备占据了大量的芯片光学面积，使得芯片的开口率在早期很难突破 40%。 但是，采用单光学面工作的 LCOS 芯片则可以轻易形成超过90%的开口率。 此外，普通的 LCD 在制造过程中需在玻璃基板上进行光刻，制成像素。 通常将像素制至 已属不易，因在每个像素上还需制出一个有源器件（这些因素也影响到产品的开口率）。 但 LCOS 的像素是制在单晶硅片上，硅片采用 LSIC 的工艺进行加工。 像素密度的增大必然带来芯片体积的减少，材料费及 成本自然便会大幅度地降低。 和德州仪器的 DLP 投影技术的 DMD 芯片相比较， LCOS 技术具有工艺简单的特点。 而 采用微电子机械学的 DLP DMD 芯片不仅仅使得各种工艺难度大幅增加，同时对成本、成品率，尤其是像素密度等方面都面临着严峻的挑战。 LCOS 面临的 问 题 清华 大学 2020 届 毕业设计说明书 第 10 页 共 28 页 LCOS 应用在显示和投影系统中具有如上所述的很多优势，但是也存在这较难解决的问题。 如 LCOS 用在投影显示系统中需要利用光的偏振特性，才能实现光的调制。 对于 LED 光源，必须进行起偏处理，使得光能量有较大的损失；而对激光作为光源的显示系统， 激光本身的偏振特性可以被 LCOS 利用，但又存在激光散斑的问题。 但无论对于 LED 光源还是激光光源， LCOS 空间调制器都需要解决偏振光的转换问题，因此设计合理的、光能利用率较高的偏振转换系统是系统显示成败的关键。 清华 大学 2020 届 毕业设计说明书 第 11 页 共 28 页 4 偏振转换系统 光的偏振特性 光是一种电磁波，电磁波中的电矢量 E 就是光波的振动矢量，称作光矢量 [10]。 通常，光源发出的光波，其电矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则的取向。 在与传播方向垂直的平面内，光矢量可能有各种各样的振动状态，被称为光的偏振 态。 光的振动方向和传播方向所组成的平面称为振动面。 按照光矢量振动的不同状态，通常把光波分为自然光、部分偏振光、线偏振光（平面偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光五种形式。 如果光矢量的方向是任意的，且在各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的，这种光称为自然光。 自然光通过介质的反射、折射、吸收和散射后，光波的电矢量的振动在某个方向具有相对优势，而使其分布对传播方向不再对称。 具有这种取向特征的光，统称为偏振光。 偏振光可分为部分偏振光、线偏振光（平面偏振光 [11]）、圆偏振光和椭圆偏振光。 如果光矢量可以采取任何方向， 但不同方向的振幅不同，某一方向振动的振幅最强，而与该方向垂直的方向振动最弱，这种光为部分偏振光。 如果光矢量的振动限于某一固定方向，则这种光称为线偏振光或平面偏振光。 如果光矢量的大小和方向随时间作有规律的变化，且光矢量的末端在垂直于传播方向的平面内的轨迹是椭圆，则称为椭圆偏振光；如果是圆则称为圆偏振光。 将自然光变成偏振光的过程称为起偏，用于起偏的装置称为起偏器；鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，它所使用的装置称为检偏器。 实际上，起偏器和检偏器是可以通用的。 因为它们的工作原理是一样的，只允许一个方向的偏振光通过。 偏振分光器 透射式 LCD 显示器件、反射式硅基 LCOS 显示器件都是在偏振光 [11]下工作的。 白光光源是非偏振的自然光，不能直接照明这两种微显示器件，必须把自然光转变成偏振光。 获得偏振光的方法有很多，较好的方法是利用偏振光分光器，又称为 PBS 棱镜(polarization beam—spliter)。 PBS 棱镜是由两个直角棱镜胶合而成，成为一个立方体，并在胶合面处镀有偏振膜，它把自然光分解为 P 偏振光和 S 偏振光，如下图 所示。 清华 大学 2020 届 毕业设计说明书 第 12 页 共 28 页 图 PBS 棱镜 自然光射入 PBS 棱镜，遇到偏振 膜后一部分反射，另一部分透射 [12]。 根据物理光学原理，反射光和透射光均变为。