Lcos微型投影机简析陈铭 20090706LCOS作为一种微型显示技术，在90年代末就已经出现，随着技术的成熟、工艺的逐步完善，已逐渐与DLP、LCD两大显示技术在投影市场上形成分庭抗礼之势。

LCOS的结构是在单晶硅上生长电晶体，利用半导体集成制作驱动面板(又称为CMOS－LCD)，然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并在上面镀铝膜电极作为反射镜，形成CMOS有源点阵基板，然后将CMOS基板与含有ITO透明电极的上玻璃基板贴合，再注入液晶，进行封装。

像素电极同时也作为反射镜，像素的尺寸一般可以做的很小约为7～20μm，开口率高达96％。

结构见图1（摘自网络）图1利用单片LCOS器件进行投影机开发大致可分为两大类：一是利用RGB色光作为光源，利用单色LCOS较高的场刷新率特点，采用时序方式将一场信号分解为R场、G场、B场分别显示，然后利用人眼的视觉暂留特性进行时间混色，形成一副完整的彩色图像；二是利用白光作为光源，采用单片CF-LCOS作为成像器件直接成像为彩色图像。

CF-LCOS技术以台湾的HIMAX为代表，其技术特点是在单色LCOS芯片上，加上印刷有红、绿、蓝滤色单元的CF膜，然后将该CF膜和LCOS的液晶成像单元严格对准。

这样，原来LCOS面板上的一个物理像素就变成了对应的一个基色点，由3个相邻的R、G、B基色点组合成一个完整的显示像素。

当白光照射进来的时候，由驱动电路控制，把图像对应的R、G、B点阵信息分别送到相应的物理显示像素上，并根据该像素的灰度等级，控制液晶分子旋转，对白光进行光阀开关控制，被控制的白光透过物理像素对应的彩色滤色片单元后，形成彩色的图像。

CF-LCOS面板由于采用了和传统TFT-LCD相似的成像原理，故使用起来非常简单。

只需要单片面板+白光光源就能生成彩色图像，其相对于时序方式具有以下优点：1、在光路设计上远比时序方式简单，也完全没有时序方式光路设计不当带来的白场色彩不均匀现象；2、由于采用R、G、B滤色片进行空间混色，因此图像全场刷新率在90HZ（CF-LCOS要求的最低刷新率）以上，显示的图像平滑细腻、画面稳定、无闪烁感。

而时序方式由于采用将每一场信号分解为R、G、B三色场的方式来进行时间混色，在观看实际画面的时候，难以避免的会出现类似于单DLP+色轮方式投影机的彩虹现象；3、在面板驱动电路的设计上，由于CF-LCOS采用和传统的TFT-LCD相似的成像原理，所以两者在驱动电路的原理上相近，只不过需注意的是由于CF-LCOS要求的刷新率达到90HZ以上，因此需要采用具有场频倍频功能的驱动方案。

4、在LED驱动电路的设计上由于只需要考虑给大功率白光LED的恒流驱动，因此相对时序方式要简单一些。

时序方式不仅要考虑R、G、B三路色管的高速PWM调制恒流驱动，而且还需充分考虑三色管的电流平衡、由于大功率R、G、B色管的衰老各不相同，所以长时间使用后很难避免色彩的失真现象。

因此需要在设计之初就充分考虑LED的散热、可靠性等因素；5、在对LED的选型上，由于CF-LCOS采用工作在持续恒流状态下的大功率白光LED，因此此类管子可供选择的余地比较大，而时序方式则要求三色LED管工作在高速PWM开关调制的恒流状态下，因此在进行LED选型时，既要考虑3只色管的发光效率，光学特性，又要充分考虑该LED的高速开关损耗，因为损耗越大，一方面会导致发热严重，影响LED寿命；另一方面由于时序方式采用三色分场显示，时间混色的方式形成彩色图像，如果开关特性不好，可能会带来显示效果的劣化，严重时甚至可能影响色彩的正确显示；6、在光源散热上，由于CF-LCOS只需要考虑对一只大功率白光LED散热，因此散热设计难度要低于对三只R、G、B – LED的散热设计；虽然CF-CLOS具有上述有点，但是其劣势也是十分明显的：1、首先是光学利用率，由于CF-LCOS是采用在LCOS面板上覆盖CF膜的方式来形成彩色图像，尽管LCOS本身的反射率很高，但是经过CF膜后，其光学通过率大大下降，而时序方式是使用一张单色的LCOS 直接反射色光，因此能充分利用LCOS高反射率的特性来提高整个光机的光学利用率；2、在显示色彩和图像对比度等效果上，CF方式和时序方式更是没法比。

CF-LCOS的色域只有35%NTSC左右，而且随着其色饱和度的增加，对光线反射率必然会大幅下降，影响最终的光输出。

而时序方式的色彩可以完全由3只色管来决定，其色域达到并超过100%NTSC都并不是不可能的事情；3、在功耗上，虽然白光LED具有比较高的能效，可惜经过在CF-LCOS的CF膜上损耗后，其整个光机的最终能效会明显低于时序光机，因此在最终输出亮度相同的情况下，时序光机的整机功率可以明显低于CF-LCOS光机；4、在图像分辨率上，由于CF-LCOS是将单色LCOS面板利用CF膜分隔成R、G、B显示点阵，最终是每3个物理像素点形成一个显示像素。

而时序方式采用空间混色，其面板一个物理像素就对应一个显示像素。

因此相同面积的显示面板，CF-LCOS的分辨率会明显低于时序方式。

由于目前我公司开发生产的两款LCOS投影产品都是白光LED + CF-LOCS架构。

因此我们重点阐述一下白光LED + CF-LCOS产品技术中的要点。

一、整机架构：以白光LED + CF-LCOS为架构开发的投影产品中，整个系统一般分为如下部分（见图2）：图2二、各部分模块简述：1、光机：一个光机的典型内部结构见图3（摘自互联网）图3上述光学结构中，可分为照明部分和成像部分A 照明部分。

●由上图中“21”大功率白光LED发出混合白光（P+S），●经过上图中“22”收集后，再经过“23”和“24”筛选和折射，P光穿透，S光折射。

●被折射的S光到上图中“25”上（CF-LCOS）成像B 成像部分●通过CF-LCOS产生的彩色图象经过镜头组“27”投射到屏幕。

为保证成像质量，CF-LCOS的成像面和投影镜头“27”的焦平面重合是至关重要的。

最终，前段的照明系统经由CF-LCOS成像后，穿过投影镜头“27”，到屏幕。

目前四川维优公司使用的光机主要有两种：·一种是IMD的640X480，配置单只3W白光LED光源，用于coolby产品。

该光机特点亮度较低，均匀性不好，不过使用简单（单只LED散热比较好处理），成本便宜；·另一种是红蝶的H11光机，该光机配置800X600的CF-LCOS，一只6管芯的大功率白光LED，用于coolux-1产品。

该光机亮度适中（在具体应用的时候进行了加功率处理），均匀性较好，不过价格相对较贵，由于大功率散热不好处理，同时该光机的LED封装比较特殊，它内部6个管芯每两个并联封装为一路，共为三路，并且这三路全部共阳。

见图4。

图4且LED热层是直接和LED阳极连通，故导致LED散热器带电，因此针对此LED的封装特点，在恒流驱动电路设计，以及散热、系统架构设计和生产中均应特别小心。

2、LED驱动部分：由于微型CF-LCOS光机一般都采用大功率白光LED来作为光源。

其要求工作在可靠的恒流状态，视使用的LED不同、内部LED的连接方式不同，而需加载不同的电流。

因此设计一个可靠的大功率恒流源来给LED供电是必要的。

在设计LED恒流源的时候，需要重点考虑光机中LED的电气特性、连接方式等，如果是电池供电，还要考虑外部输入电压变动范围；恒流源效率、恒流源PWM调整范围。

有些带电池供电的机器需要能工作在低亮度模式，以便延长电池使用时间，因此还要考虑该恒流源能比较方便地调整电流，要具有使能端，便于利用MCU开关恒流源。

以四川维优的两款机器coolby和coolux为例：·coolby中的LED驱动设计由于要考虑采用电池供电，而电池为一节锂聚合物电池，平台电压为3.7V，充满电为4.2V左右，放电结束限制在3.3V左右。

考虑电池充电的需求，因此整机的外部电源适配器选用5V电压。

在进行LED驱动设计时，需要充分考虑适配器供电电压5V，电池供电电压3.3V~4.2V，其驱动电路供电范围为：3.3V~5V，而所驱动的为一只3W的LED，该LED的正向电压一般在3.2~4V变化，所需最大恒流电流为1A。

所以选择LED驱动时考虑选择能工作在boost-buck模式、最大电流1.5A的方案。

另外还需综合考虑电池使用时间和驱动电路效率、整机大小等因素。

因为驱动电路的开关频率越高，其外围可使用更小封装的电感、电容等器件，可节省体积，但是越高开关频率，其开关损耗越大，效率越低，将会带来电池使用时间的减少。

最后综合考虑后，选择凌力尔特公司的LTC3454来作为驱动。

·coolux中，由于LED是每路两只并联，再加上需要做加功率设计，每只灯的电流要加到1A左右，因此在每一路的恒流设计中，需要至少2A的电流，为保证可靠性，故应选择外置MOS管型的驱动方案。

同时要兼顾PWM调光功能、驱动电路使能功能等，最后选定RICHTEK公司的RT8451驱动方案。

在具体设计过程中发现由于3路LED阳极是直接并联的，而3路恒流驱动又不是工作在同步开关方式，因此导致12V电源上干扰很大，更关键的是由于LED的阳极和热层相连，因此这些干扰信号直接通过散热器的热管向外辐射，影响其他电路的正常工作，严重时MCU甚至不能正常工作。

最后经过对驱动电路方案的重新优化设计，解决了由LED驱动电路带来的这些干扰问题。

3、信号处理部分：CF-LCOS的信号处理部分可简单分为前端信号处理，和后端LCOS驱动两部分。

在不同的设计方案中，有不同的电路形式。

不过需要注意的一点共同点是：HIMAX的CF-LCOS面板需要120HZ（最少90HZ以上）的刷新率，才能获得稳定的图像。

由于他们的LCOS面板内部液晶分子在正负半周倒相的过程中，不能保证每次正半周和负半周均获得完全一致的灰阶电平，故如果整个画面刷新率不高的话，前后两幅全场画面灰阶有轻微变化，人眼就会察觉出来闪烁现象。

要避免闪烁感，只能将刷新率提到最低90HZ以上，这时由于人眼的视觉暂留效应，就不会察觉出来闪烁了。

就coolby和coolux的具体信号处理部分简述如下：·coolby由于考虑低成本，故采用一个通用的视频decoder芯片TVP5150来作为前端信号处理，将模拟的PAL/NTSC制式复合视频信号转换为ITU-601格式的数字化视频信号，送到后端的HX7805。

HX7805是一个专用帧频倍频IC，它能将接收到的50/60 HZ的ITU-601格式的数字视频信号倍频到100/120HZ，并将数据格式转化为LCOS面板能够接收的带DE同步的，24BIT RGB数字视频信号，实现图像在LCOS上的正常显示。