激光與硅基液晶（LCOS）技術相結合，可以獲得高效率、高亮度、高分辨率、斑點少和自由焦距的微型投影儀。這種投影儀不但成本低，而且尺寸小巧，能夠很容易地嵌入到手機和數(shù)碼相機中。

作者：Karl M. Guttag

低像素硅基液晶（LCOS）技術和數(shù)字光處理微型顯示技術，與具有獨特光學特性的激光相結合應用在微型投影儀上，可以進一步縮小微型投影儀的尺寸、提高效率，同時還能獲得較高的分辨率和自由焦距特性。這種微型投影儀的工作原理是通過對激光進行擴束，使其照亮微型顯示器的全部像素陣列，然后實現(xiàn)圖像的光學放大。

微型投影儀中應用激光的方式有兩種：激光束控制（LBS）或用激光照亮微型顯示器的空間光調制器。對于LBS而言，通常使用一個雙向或兩個單向反射鏡掃描大約一個像素寬的激光束。在微型顯示器中，一個二維陣列像素鏡可以調制激光的每個像素。

低像素微顯示器

LCOS是在鍍有光學透明銦錫氧化物（ITO）的玻璃和互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路之間夾入液晶（LC）層形成的。在LCOS中，頂部金屬層作為反射鏡和電極用于控制反射鏡/電極層上面的液晶，通過對金屬層定義圖案，可以形成單一像素。為了控制每一個像素，在每一面鏡子之下，CMOS基底支持晶體管的集成以及存儲和處理功能。在LCOS器件中，控制每一個像素的“鏡子” 是平面的，不可以進行物理移動。通過施加一個小電場，可以使液晶改變光的偏振態(tài)，因而可以控制每個像素的強度（見圖1）。

               圖1：一個854 × 480像素的微顯示器，寬度只有6mm。

數(shù)字光處理（DLP）也是以CMOS為基底，但是其具有微電動機械系統(tǒng)（MEMS）超結構，該超結構形成了一個物理傾斜的可移動的鏡子。由于LCOS鏡子的是不可移動的平面鏡，也不需要DLP具有的可機械移動的超結構，因而LCOS技術能夠在鏡子之間以更小的間距制作更小的鏡子。典型的LCOS技術的間距大約是DLP間距的一半，因而LCOS技術可以使小像素具有一個更高的“填充因子”（鏡子面積與鏡子面積加上間距面積之和的比）。高填充因子可以提高光學效率，同時消除每個像素周圍由于“紗窗效應”導致的網(wǎng)格。

一個典型的小LCOS像素的中心到中心的間距為5.4µm，間隙寬度為0.29µm，填充因子為93％。目前DLP最小像素的中心到中心間距為7.56µm，間隙寬度為0.29µm，填充因子為90％（見圖2）。因此LCOS像素單元面積只有DLP像素單元面積的一半。更小的像素單元和間距對于支持高分辨率的微型顯示器至關重要。

圖2：一個854 × 600的5.4µm像素的LCOS器件（左）與一個480 × 320的7.56µm像素的數(shù)碼光處理器件（右）。兩圖圖片的尺度相同。

高分辨率

就有效分辨率而言，直線像素網(wǎng)格的微型顯示的優(yōu)勢超過光柵掃描LBS。對于確定的像素網(wǎng)格，該分辨率等于x方向和y方向的像素。但是對于LBS顯示而言，有效分辨率普遍較低，這是由減少光束掃描畸變的非線性掃描、光束校準和縮放或者重采樣等因素造成的。

當微型顯示尺寸保持不變時，減小像素尺寸可以提高分辨率。對于LCOS而言，利用現(xiàn)有的CMOS工藝使其達到720P和1080P的“高清”分辨率，可以進一步減小像素尺寸。

場序彩色

為了滿足微型投影顯示器對尺寸和成本的要求，通常采用場序彩色（FSC），這樣一系列的彩色場序列形成一幅全彩色圖像。當每個色場由微型顯示器成像時，相應顏色的激光打開。DLP以使用FSC著稱，它采用一個響應速度快的光調制器提供豐富的、飽和的色彩。場序彩色LCOS微型顯示器利用頂端玻璃和鏡子之間更小的間隙，以及高速LC配方，比目前典型直觀的液晶顯示器（LCD）中的液晶快10～50倍。

激光與微顯示器

對于激光照明微型顯示器，許多人錯誤地認為采用激光可以實現(xiàn)自由焦距運行，即使用一個聚光透鏡。在激光被擴束和去斑（如果需要）后，隨后的激光照射在微型顯示器上具有很高的f值（低發(fā)散角），因而不需要聚焦。采用激光照射，圖像可以從非常短的距離被聚焦到無限遠處（見圖3）。

  圖3：一個投影圖像以一個角度傾斜顯示，表明圖像在激光微顯示投影儀中是自由焦距。

激光也適用于更小的微型顯示器，目前為了收集發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的光，微型顯示有源區(qū)域面積通常很大。對于激光而言，無論顯示尺寸大小，本質上所有的光都可以被收集。因此，使用激光可以提高超小像素微型顯示器的性能。

流明每瓦效率

對于微型顯示投影儀，預計其最大的應用領域是電池供電的設備，這意味著顯示器件和光源的效率是兩個非常重要的因素。高f值的激光可以減小光學損耗，提高光收集和投影效率。

LCOS的運行以偏振態(tài)的改變?yōu)榛�礎，因而需要偏振光照明。大部分激光具有很高的偏振度，因此使用LCOS微型顯示器的效率高于LED。

微型顯示器的激光照明還可以使用慢開關連續(xù)波（CW）激光，相比LBS所需的高速開關激光，微型顯示器通常具有節(jié)能、應用廣泛和成本低廉的優(yōu)勢。

對于一個具有100lm、5W功率的激光LCOS投影儀，其效率目前已經超過20lm/W ^[1]。隨著激光、LCOS器件和光學器件性能的改進，效率超過30 lm/W的激光微型顯示系統(tǒng)將會在不久的將來問世。

去斑

在考慮成本以后，微型投影儀中使用激光的第二個大問題是去除由窄譜相干光引起的斑點。目前常用減少斑點的兩種方法是光譜展寬和改變有效距離。通常會同時多種去斑技術，以達到更好的去斑效果。

對于二極管激光而言，常用的去斑技術是在激光驅動電路中增加高頻調制，使其輸出寬譜激光。這項技術目前已經應用在紅光和藍光器件中，但是對于目前以倍頻激光器為基礎、發(fā)展迅猛的綠光器件而言，光譜展寬技術并不適用，這是因為倍頻晶體/腔只在一個頻率中諧振，任何頻率的改變都將導致輸出光強度顯著下降。

展寬激光光譜最常用的方法是將激光通過時間或空間長度變化的路徑，這些路徑中通常采用轉動或振動的光學元件，或者電調制元件。

基于微顯示器的激光投影系統(tǒng)

對于一個采用單一FSC系統(tǒng)、以微顯示器為基礎的激光投影儀，激光將依次打開。為了獲得混雜的彩色場，可以同時打開兩個或全部三個激光（見圖4）。

圖4：在一個典型的激光微型投影儀中，紅、綠、藍激光被引入LCOS微顯示器和投影儀。

雙色光束合并器用于合并紅光、綠光和藍光。合并后在光路中插入去斑器件和光束整形器件，當然具體的形式可能會不同。經過去斑和整形后，激光束通過擴束器件從典型的高斯光束被擴展成更平坦的光束，經擴展后光束照在微顯示器上。

對于LCOS而言，一個分光鏡將激光器發(fā)出的偏振光引入顯示器。偏振分光鏡反射某一偏振態(tài)的偏振光，而其他偏振態(tài)的光則可以自由通過。每個LCOS微型顯示器的像素/鏡/電極，通過控制該像素上的液晶改變非黑色的每個像素上的偏振光，當這些偏振光從一個給定像素的鏡子反射以后，部分或全部光（取決于強度）將通過分光鏡。分光鏡分出的光到達投影鏡頭，擴展合成圖像。

激光的主要好處在于投影鏡頭和其余的光學器件（包括微顯示器）可以做得更小、更簡單，但仍然具有很高的效率。激光微顯示器的光學體積可小至3~4cm³。

保護眼睛

在保護眼睛方面，激光微顯示系統(tǒng)相比LBS具有更大的優(yōu)勢。LBS要求激光仍然是單像素大小的光束，激光微顯示系統(tǒng)中的激光束首先分布在面板區(qū)域，然后投影鏡頭進一步分散光，因而激光微顯示系統(tǒng)降低了在任意特定點的光密度，同時達到較高的投射亮度標準，符合國際安全標準。

激光LCOS微投影儀的應用非常廣泛，其最明顯的應用是將微小、節(jié)能的投影儀嵌入到手機、相機、攝像機以及媒體播放器中。激光LCOS微投影儀的潛在應用包括汽車顯示器和數(shù)字標牌。面向消費者的Syndiant激光微型投影儀在2009年下半年已經面世，預計在2010年底將實現(xiàn)批量生產。

參考文獻

1. T. Mizushima et al., SID 2009 Digest, p. 268 (2009)