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投稿指南Robert L.Melcher（Brillian (光辉) 公司， 美国阿瑞桑纳州坦培市，AZ 85281）
摘 要：LCoS 微显背投有许多光学构件, 它们提供照明、色彩管理、偏振控制，和制成大屏幕视频显示所需的放大倍率。
关键词：LCoS 微显；高清晰电视；背投中图分类号：TN141.8 文献标识:B
LCoS for Rear-Projection HDTV
Robert L.Melcher(Brillian Corp.,
Abstract:For LCoS-microdisplay rear projectors,there are many optical architectures
That provide illumination,color management,polarization control,and the magnification
required to make a large video display.
Keywords: LCoS-microdisplay;HDTV; rear projectors
硅基液晶（LCOS ）微显技术提供了高质量、高分辨率的图像，并以其大屏幕高清晰电视，向用户展示了令人激动的前景。这些显示器采用了两种主导技术— 硅基技术和液晶显示（LCD）技术，并将这两项技术与先进的光学组件、系统设计和制造业结合在一起。
本文将评论几种新型的光学组件、结构和仪器，它们从微显获得图像，并把该图像放大，比如放大到大屏幕电视的大小。讨论将只局限于采用红、绿、蓝各一片的三片式LCOS屏结构。
1 器件与电子学
LCoS器件目前现有的象素尺寸每边小于10µm，象素密度超过200万象素，并且利用了一些液晶电光模式。小的象素尺寸是使 器件能够实现低成本、高分辨率的关键因素。三五系统(Three-Five System)公司和先进数字光学(Advanced Digital Optics)公司，最近展示了一台高亮度、高对比度的50英寸电视，它采用了三五系统的对角线为0.5英寸的XGA LCoS微显。小的屏幕尺寸允许光学组件更小，整个系统成本更低。
驱动高分辨率LCoS器件的电子电路的成本会极大地增加系统费用，因此，大多数解决性价比的方案需要采用专用集成电路（ASIC）向器件提供适当的视频信号和时序信号。通常ASIC中嵌有图像处理算法，可提供? 校正、颜色均衡和其它功能，以实现LCoS技术的高质量图像显示。
2 光学组件
LCoS微显的一个重要特征是小巧，并且能提供很高分辨率的高质量图像。然而，这种小巧器件的有效光照射需要一个弧光极短的光源。所幸的是，制灯厂家认识到了LCoS技术的潜力，已开发出了长寿命的短弧光灯。这些灯是具有附加发光元素的超高压(UHP)水银弧光灯，或是金属卤素弧光灯。稳定性、寿命和光谱成分是评定此类灯的要素。
LCoS器件的均匀照射是实现图像一致性的基点。典型的灯输出由一个抛物面镜或椭球面镜汇集，输出的光随后被棒状集束器或复眼透镜汇集，以提供一束合适的均匀光。集束器还可使光束的形状符合LCoS屏的尺寸及幅形比。
LCoS 显示基于控制光的偏振方向。EPSON 公司和其它的公司研制了将“错误的”偏振转变为“正确的”偏振的灵巧方案，能够实现光通量的增强。这些典型方案是，发送非偏振光束穿过偏振分光器(PBS) 或PBS 阵列，PBS 将两束正交的偏振光分开，在半波片的帮助下，将一种偏振方向转变为另一种偏振方向。增加的光通量取决于屏的辐射和有效f 数，典型的光通量的增加范围从10% 到60% 。
大多数LcoS 器件的光学设计中利用了PBS 。在有效f 数低的情况下，斜射光（skew ray） 会引起严重去偏，导致系统的对比度(CR) 降低。系统的CR 可由(n/NA)2近似给出，n 是PBS 玻璃的折射系数，NA 是系统的数值孔径，CR 一般为有效f 数两倍的倒数。在LCoS 和PBS 之间插入一个四分之一波片(QWP) 来校正斜射光的去偏效应，对比度可极大地增加。另外，QWP 方向常常被轻微地旋转以补偿LCoS 屏的某些残留延迟。在有些系统中，也用单独的延迟片来实现此目的。
ColorLink 开发了一条“彩色选择滤光膜”生产线，该滤光膜由多层延迟膜叠成。这些组件提供偏振控制和彩色管理，并可设计成能补偿与传统PBS 相关的斜射光去偏效应。
Moxtek 开发了一种薄膜金属丝格栅偏振片(WGP) ，被广泛用作多晶硅及LCoS 投影的预偏器（pre-polarizer）。在高光通量情况下, WGP 与更传统的聚合物偏振片相比，其可靠性更令人满意。在有些光学结构中，WGP 也是替代PBS 的关键件。WGP 没有与传统PBS 相关的斜射光去偏问题。
背投电视(RPTV) 的一个关键组件是背投屏幕，它通常由两个元件组成。第一个元件是菲涅尔透镜，它把来自投影透镜的发散光转变为平行光，其指向与第二个屏幕元件垂直。这第二个元件起一些有时相互矛盾的作用，它必须将光散射到观众眼睛所及的区域，这常常由双凸透镜阵结合散射材料来实现。
屏幕增益是屏幕光散射方向性的一个量度。通常，低增益屏幕会更好一些。然而在需要足够亮度图像的情况下，则要求屏幕有更高的增益。典型的屏幕增益范围是2～6 倍。
屏幕的散射必须不降低图像的分辨率，但必须消灭屏幕的斑点。斑点起因于投影光的残留相干性，在高放大倍数高有效f 数系统中，斑点是最讨厌的。屏幕也必须提供一些对室内环境光的抑制，这常常由黑色条纹或黑色点阵与双凸透镜或微球透镜相结合的屏幕来实现。随着LCoS 及其它微显技术的发展，屏幕产业已给背投电视及其它应用提供了适合的屏幕。
3 光学结构
一些独特的结构已经开发成功。每一种都有其支持者，每一种也有其优点和缺点。
3.1 飞利浦棱镜
许多视频摄像机采用三片电荷耦合器件(CCD) 和一组三片共轭棱镜组合，将三基色分开并直射至三片CCD 上( 图1) 。最初把它用于LCoS 投影，IBM 公司研制了基于飞利浦棱镜和一个PBS 相耦合的一台LCoS 显示样机。它需要有偏振和彩色的双路控制，同时，还要对低有效f 数系统有斜射光补偿。尽管在一些公司和学院的实验室做了大量的设计和样品，但与更多最近研制的产品相比，没有达到有竞争力的性能水平，也没有达到产品级。
3.2 三个PBS 加X 形正六面体棱镜
第一台商用前投影机由IBM 、Nikon 和JVC 设计（图2）。使用分色镜分开三色光，每色光由单独的PBS 传输给相应的LCoS 屏。斜射光由PBS 和屏之间的QWP 校正。反射图像在一个X 形正六面体棱镜中被合成为一幅全彩的图像，然后投射到投影透镜组。这种设计概念简单，允许每种基色通道单独优化。日本一家主要的消费电子公司最近发布的最新的LCoS 背投电视产品使用了这种设计。
该基本设计被研究的其它形式是消除或减小斜射光的去偏效应。其中一些是高光通量低有效f 数的设计；而另一些设计完全不用QWP 。
3.3 三个PBS 加三片透镜
Prokia 公司的一台背投电视中，把三个PBS 改成使用三个独立的投影透镜，代替了X 形正六面体棱镜( 图3) 。在这种情况下，三色图像重新组合出现在背投屏幕上，与标准的三枪CRT 的背投工作方式类似。这种系统的优点是淘汰了X 形正六面体棱镜，使用了更简单的投影透镜。虽然有三片透镜而不是一个X 形正六面体棱镜，但是每片透镜的光谱要求更窄，后焦距更短。使用这种设计方法的LCoS 背投电视已被发布。
3.4 彩色方块及相关结构
一种紧凑而有效的彩色管理系统是由ColorLink 开发的彩色方块（ColorQuad）( 图4) 。这种设计利用4 个PBS 和5 片偏振选择滤色膜( 彩色选择滤光膜) 组成一个单元。滤色膜和PBS 将彩色分开，分别投射至各个对应的LCoS 屏上，在它们进入投影透镜前再重组图像。这种系统已用于RCA 公司的L50000
值得注意的是，方块设计和三个PBS 加X 形正六面体棱镜设计均使用了四个光学棱镜。世界上许多公司开发了一些与方块类似的结构，这些结构包括不同的方块形状、一个或多个分色方块或分色镜替代PBS 、不同的偏振选择滤色膜等等。Hitachi 公司的CP-SX5500W 及JVC 公司的 DLASX21 投影机，均基于有关方块的LCoS 结构形式。
3.5 偏轴照射
在前面引用的结构中，所有的PBS 都是用来从反射图像分开入射光的。S-影象（S-Vision ）和现在的极光系统（Aurora System ）开发了一种设计方法，用这种方法，光斜着照射到LCoS 屏。因此入射光和反射图像没有PBS 也能分开。这种简化设计的倾斜光照，导致许多倾斜角出现，使得彩色的分离和复合变复杂，需要一个更完善的投影透镜。这种偏轴投影机的可用性，已被Aurora System 和China Display 发布。
4 展望未来
令人感兴趣的多媒体投影机和大屏幕HDTV 的LCoS 技术，引起了光学组件和结构方面的较大改革。这些改革不仅将LCoS 显示器的性能推向更高亮度、更高对比度，而且也促使系统成本降至消费者可接受的水平。我们可以看到，基于LCoS 器件及与之相关的电子学和光学系统组成的高质量、适中价位的显示器，将具有充满活力且成功的前景。
