基于LCoS技术的4K SXRD数字电影放映机原理解析杨光【摘要】本文从LCOS面板结构和三片式LCOS光学引擎架构，介绍了LCOS 光学成像原理，详细解析了基于LCoS技术的4K SXRD级数字电影放映机基本工作原理，并结合数字电影的基本理论，分析了Sony SRX-R320数字放映系统的基本组成。
概述了SRX-R320数字电影服务器的组成及特点。
【关键词】LcoS SXRD SRX-R320 数字电影服务器如今，电影业正在经历由胶片向数字化发展的重要变革，在国内已有很多影院采用具有2K分辨率的数字放映机。
面对需求日益增长的电影娱乐市场，索尼推出了基于LCoS技术的4K SXRD级数字电影放映机，但是由于4K分辨率片源等原因，其普及程度远远低于采用DLP技术的2K级数字电影放映机。
为了推广4K投影技术，索尼已成立一个新的部门，为客户提供完整的数字影院服务与解决方案，而具有4K（4096×2160）分辨率与18000流明的索尼CineAlta 4K （SRX-R320）放映机将成市场的主流。
一、LCOS技术简介LCOS主要是由氙气灯发光，集光至面板，将面板的影像经反射或透射投射出影像，再经过分光、合光系统，最后将影像投射到屏幕显像。
LCOS(Liquid Crystal on Silicon)是一种全新的数码成像技术，它采用半导体CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片，CMOS芯片上涂有薄薄的一层液晶硅，控制电路置于显示装置的后面，可以提高透光率，从而实现更大的光输出和更高的分辨率。
1、LCOS面板结构：LCOS面板结构如图1-1，类似TFT LCD，是在上下二层基板中间撒布Spacer 以加以隔绝后，再填充液晶于基板间形成光阀，藉由电路的开关以推动液晶分子的旋转，以决定画面的明与暗。
LCOS面板的上基板是ITO导电玻璃，下基板是则矽晶圆CMOS基板，LCOS面板最大的特色在于下基板的材质是单晶矽，因此拥有良好的电子移动率，而且单晶矽可形成较细的线路，因此与现有的HTPS LCD 及DLP投影面板相较，LCOS是比较容易达成高解析度的投影技术。
图1-1、LOCS面板结构图2、LCOS光学引擎架构：由于LCOS技术仍在起步阶段，目前并无标准制程，所以有多家厂商开发出不同的LCOS光学引擎架构。
在这些不同的技术中，可概分为三片式及单片式二大类。
数字电影放映机采用图1-2所示的是三片式。
三片式是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后，再分别将光束投射入三片LCOS面板，将投射出的三色影像经过合光系统加以结合形成彩色影像。
就Nikon设计的IBM 4-Cube光学引擎架构来看，由于三片式LCOS光学引擎除了需要三片面板外，并结合多项的分光、合光光学系统，因此体积较大、成本也较高，不过由于可以达到较高的光学效率，又具备高画质的特性，因此主要是朝高阶的专业用途发展，主要的产品以JVC的多款投影机为主，除此之外，三片式光学引擎还有ColorLink采用的ColoRQuard架构、Philips的Prism架构，致伸发展的Dichroic-PBS架构，及Unaxis的ColorCorner架构等。
图1-2、三片式光学引擎架构2、LCOS技术成像原理。
图1-3、LCOS成像原理图LCOS成像原理如图1-3所示，其成像方式类似于三片式的LCD液晶技术，不过采用LCOS技术的投影机其光线不是穿过LCD面板，而是采用反射方式形成彩色图像。
它采用涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片。
用先进工艺磨平后镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上的玻璃基板相贴合，再注入液晶封装而成。
LCOS将控制电路放置于显示装置的后面，可以提高透光率，从而达到更大的光输出和更高的分辨率。
与其他投影技术相比，LCOS技术最大的优点是分辨率高，采用该技术的投影机产品在亮度和价格方面也有一定优势。
由于硅基板与对向基板的热膨胀系数不同，难以组装，使成品率较低、成本较高。
3、Sony 4K SXRD技术Sony公司继推出的4K SRX系列电影放映机主要特色是采用了SXRD技术，该技术主要是基于LCoS技术研发而成，其工作原理与之相同，光学结构如图1-4，主要特点如下：（1）、超薄液晶单元间隙SRX系列放映机能够实现高对比度的另外一个因素是：SXRD芯片装置小于2微米的液晶极小单元间隙。
传统的垂直排列液晶系统无法实现如此小的液晶极小单元间隙。
Sony在硅底板结构中采用了创新的平面化技术以及先进的硅片安装工艺，克服了这一难点。
SXRD 设备还采用了无“间隔”的结构。
传统的反射式液晶器件采用柱状物来保持液晶单元基面和顶部之间的恒定间隙。
这些“间隔”很容易分散和反射光线，影响了图像的对比度。
而在采用无间隔技术的SXRD设备中，这些人为因素造成的问题不复存在。
（2）、快速响应SXRD 设备中的超薄单元间隙结构同时也实现了极短的响应时间(仅为2.5毫秒，包括上升和下降时间)。
SXRD设备可以对图像的即时变化做出快速的反应，使放映机显示移动图像时更加流畅。
因此，放映机不存在运运动模糊现象，在放映快速移动物体图像时效果尤佳。
图1-4、SXRD光学结构（3）、可靠的成像装置放映机采用高功率灯泡，这引起了用户对SXRD设备可靠性的特别关注。
SXRD 成像装置的导向膜采用的是无机材料，它在大功率氙灯系统所产生的高热量和强光的环境中，有很强的抗老化和抗变形能力。
（4）、12 比特SXRD驱动SRX系列放映机采用12比特成像器驱动，可还原出非常自然的图像。
二、Sony SRX-R320数字放映系统组成Sony推出的数字电影系统的核心是SRX-R320 4K SXRD放映机和LMT-300数字电影服务器。
它严密的封闭式设计,使得LMT-300服务器可以无缝集成到SRX-R320放映机的机架中,实现极高的保密等级,满足数字电影倡导联盟(DCI)的SPB-2防篡改规则. SRX-R320放映机装有三个硅晶反射成像系统 (SXRD),可提供惊人的4096 x 2160像素 (水平 x 垂直)分辨率,是全高清电视 (1920 x 1080) 的四倍以上,对比度高达2000:1。
而且,它还可以选择4.2kW,3.0kW和2.0kW三种氙灯灯泡,以及多种可选镜头.在最宽22米宽屏幕上,SRX-R320可投射的14 ft-L的SMPTE标准亮度影像。
LMT-300数字电影服务器装有一个容量高达1TB,采用可靠的冗余磁盘阵列(RAID)系统的硬盘驱动器,能够播放DCI DCP (数字电影包) 文件,使SRX-R320放映机能够放映数字电影节目。
LMT-300还具有独特的屏幕管理系统功能,标准配置即可提供各种屏幕管理操作,如放映顺序, 与其它影院控制系统(如灯光和幕布) 进行通讯,放映机的设置和维护等等。
而且,这个放映机系统还提供选购的STM-100影院管理系统软件,影院工作人员可在一台与影院局域网连接的计算机上,对多个放映厅进行控制。
图2-1、Sony SRX-R320 4K SXRD屏幕长宽比14 ft-L是使用图2-1所示22米宽屏幕, 使用USHIO DXL-40SRXPRO4.2 kW氙灯灯泡和图2-2所示LKRL-A001变形镜头, 以及镜头更换单元, 放映 CinemaScope 图像测试的结果。
亮度等级为屏幕中央,使用100IRE白色和1.8屏幕增益,通过传输率为93%的投射窗测量的结果。
图2-2、SRX-R320变形镜头三、SRX-R320数字放映系统优势与特性在历史上, 影院系统取得的经验总是走在家庭娱乐系统的前面。
HDTV (1920水平像素)和技术的出现推动了家庭娱乐设施的发展, 并有可能在未来时间里超越电影工业。
同时,好莱坞的电影公司都已经承认,标准化的4K (4096水平像素)和2K (2048水平像素)格式将是下一代的数字电影发行和放映标准。
制作4K 电影可保护自己节目的价值,对于影院的观众来讲也具有显著的益处。
近年来, 现代化电影院中的体育馆式坐席越来越受到欢迎。
观众座位距离银幕很近,可以更真切地体会视觉感受。
但是,当放映系统提供的分辨率无法填充满整个屏幕时, 坐在前排的观众可能会看到图像的像素痕迹。
SRX-R320能够提供真正的4K输出,凭借它们的4K SXRD面板, 4K内部信号处理和可兼容4K的光学系统,可以对4K 内容进行完全的细节还原。
此外,由于SRX-R320可提供相当于2K放映机四倍的分辨率, 高清分辨率放映机所提供的2K和高清节目也可通过它们呈现更优质的画面质量。
1、2000:1的高对比度SRX-R320放映机采用了Sony独特的SXRD装置, 对比度超过2000:1。
SXRD成像装置本身的对比度达到了4000:1。
因此, SRX-R320所实现的高质量图像非常适合在对动态范围要求较高的领域使用。
SRX-R320的高对比度显示效果是通过两项关键技术实现的: "Normally Black模式" "超细液晶单元间隙"和多种高质量镜头选择，SRX-R320有6种变焦镜头可供选择. 所有的镜头都采用了大型成像电路,可将经常产生在放映机镜头上的光学虚像降低到最小,以获得最高的MTF值 (调制传递函数)。
利用这些特性, SRX-R320能够提供4K以上的分辨率, 在以4K分辨率准确地投射4K内容时,这一点非常重要。
此外,这些镜头经过特别设计, 利用Sony丰富的技术经验,将色差降至最低。
2、高亮度,高纯度的氙灯光源使用氙灯灯泡的全亮度,在宽银幕上, SRX-R320可提供14 ft-L*的高亮度; 20米的宽银幕上, SRX-R320放映机可使用4.2kW氙灯 (使用USHIODXL-40SRXPRO),投射全像素 (4096x2160) 的图像,使用100IRE白色和1.8屏幕增益测得的屏幕中央亮度也可达到14ft-L; 在17或14米的宽银幕上, SRX-R320也可通过3.0kW或2.0kW氙灯提供同样的亮度 (使用 100IRE白色和1.2屏幕增益测得的屏幕中央亮度)。
氙灯是所有电影放映机中的标准装备, 可提供纯净, 高质量的色调还原, 能够满足数字电影的高标准要求。
专门为SRX-R320设计的氙灯和可用的,其他厂商制造的氙灯,可解析出极为宽广的光谱, 因此可满足数字电影对宽色彩范围的需求。
3、多种接口SRX-R320可支持多种信号格式, 包括符合DCI规范的12比特X' Z' Y' 信号. 还可以支持10比特4:4:4 RGB以及10比特4:2:2 YPbPr信号。