CANON硅基液晶LCOS技术浅析

北京力创昕业科技发展有限公司

LCOS原理

投影机显示技术公认的有LCD、DLP、LCOS。LCOS也可视为LCD的一种，但是技术却为独立一类。LCD投影机是利用光源穿过LCD作控制显示，属于穿透式，而LCOS投影机中是利用反射的结构，光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板，属于反射式。LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板及反射层，然后再涂布液晶层后，以玻璃平板封装。不要以为仅此区别而已，反射式显示技术还可以避免LCD由于光源长时间的照射温升而导致LCD面板局部灼伤的问题。这样才能保持久的色彩保真。

LCOS微型器件把液晶层放在一个透明的薄膜晶体管（TFT）和一个硅半导体之间，而不是像LCD那样把液晶放在两片极化面板之间。这个半导体具有能够反射光线的表面。由灯泡发出的光透过一个偏振滤光器，投射到微型器件上。而液晶起着像门或阀那样的作用，控制到达反射面的光线的数量。当然一般LCOS光线投射效率高达80%，LCD通常为60%。而做得最好的CANON公司开口率已达96%。由于LCOS是长在硅晶上，集成的液晶控制电路及接口电极都可以巧妙地制作于硅基板内，位于反射面之下，甚至将散热片直接集成在组件上，见图1、图2，LCD最麻烦的问题全部解决掉了。

LCOS投影机与LCD投影机的主要结构在导光及分光合光部分的设计大同小异，只是LCOS用的是反射面板。入射光和反射光同在一个光路上，自然会产生问题。采用离轴设计，虽然避免了光路碰撞，但需要使用昂贵的非球面镜头。另一种办法，就用光的偏极化分光镜PBS（Polarization Beam Spliter；PBS）来将入射LCOS面板的光束与反射后的光束分开。也有采用偏振膜来提高对比度的方式。另外，PBS也改善了自然光源照射液晶引起的折射光效率。PBS一般都是有机材料制作。但是，像CANON新的产品系列就采用无机材料。提高了热环境下的系统稳定性，当然也增加了工艺难度和成本的投入。

基于上述LCOS投影机显示原理和基板、电路的合理设置。芯片的像素分辨率可以做得很高。0.55英寸LCOS面板都可以高效地做到SXGA+。所以你才会看到为什么会出现LCOS面板的2K、4K和8K高清电影放映机。3LCD和DLP技术目前还无法实现最高的分辨率。这也是大家充分地认识到LCOS的高分辨率技术特征。高开口率使得图像质量不会出现像LED那样“纱窗效应”。稍远距离似乎不太在意明显的背景网格，但是，图像高透亮的质感，你是永远无法拒绝的。开口率告诉我们：图像形觉质量不仅仅关注分辨率（同画面尺寸的像素间距），同样还要关注像素颗粒的占比。

市场格局

在LCOS技术研发阵营中，JVC Kenwood有着8K和消费类（民品）产品。SONY为了避免与左手专利技术的LCD市场冲撞，右手LCOS携SXRD光圈技术发力于电影和家庭影院产品。3M也是最早的研发厂家之一，目前更关注于LCOS微投影。后来者LG也在努力试水消费类市场。CANON凭借着自己多年的光学技术经验沉淀以及精密制造技术优势，直接面对专业工程及固定安装市场。总之，LCOS改变了投影行业的格局。

在3DLP和3LCD之间竞争的LCOS，如何体现自己优势的同时减少商业上的火并。各个厂家会根据自身技术特点，结合LCOS品质创新出市场具有竞争力的差异化产品。由于照相技术与投影机技术在光电原理上，只是技术反向应用的相同性。作为照相机技术行业翘楚的CANON公司，充分利用光学及机电一体化的优势，将LCOS推向了更加高端的应用领域。在基础LCOS组件研发使开口率已达96%极限的基础上，全新开发的AISYS 5.0光学系统带来真实色彩的品质享受。CANON采用在专业的广播级镜头技术，专为LCOS投影机开发的最佳高画质可换镜头。采用高分辨率、低失真度、低色差及高性能的色差功能，明亮生动地表现LCOS的完美画面。

在投影机行业采用专业广播级镜头技术的厂家少之又少。商业市场永远会为“拿来技术”的成本和获得利润做出适当的选择。有多少投影厂家会用非球面镜片（Aspherical Lens）、低色散莹石技术镜头、恒定光圈镜头？图像显示分辨率和真实色彩中，没有高分辨率及优质色彩还原镜头的贡献，不可能有高品质图像的呈现。镜头已经成为一个成像场景的独特诠释者，可对所展示图像的个别属性实现精细的光学控制。精心优选的镜头能够与所期待成像效果相匹配。拥有光学专利技术有自主研发生产，将成本压缩到对手无法竞争的地步，这些恰好是CANON公司的优势。

理论上球面镜片存在着无法将并行光线以完整的形状聚集在一个点上的问题，因此，在影像表现力方面，必然具有一定的局限性。为了解决大光圈镜头的球面像差补偿、超广角镜头的影像扭曲补偿、变焦镜头的小型化这三大问题，CANON在60年代中期开始进行非球面镜片技术的研发，确定了设计理念以及精密加工、精密测试的技术。非球面透镜的镜片从透镜中心到周边曲率作连续变化，这可以使通过镜片中心附近的光束和边缘附近的光束在同一点成像。充分利用非球面镜片的这个特性，既能够大幅度提高高规格产品的光学性能，同时又可以减少透镜片数，有利于镜头实现小型化。

CANON在生产非球面镜片时，采用独有的具有0.02微米研磨精度的批量生产加工技术。在1978年，还实现了高精度塑料成型的小光圈非球面镜片的生产。随后，推出了大光圈玻璃成型非球面镜片，并且，还确立了在球面镜片的表面形成一种紫外线硬化树脂覆膜的复制非球面技术。

所谓色散，指的是由于不同颜色的光线的折射率不同所造成的现象。相对来说，由于广角镜头的视角宽，广角入射角度变化大，所以非球面镜片在广角镜头中被大量采用。如果说广角镜头容易产生球面像差，那么长焦镜头则容易产生色散和色差。萤石这种氟化钙（CaF2）晶体具有超低的折射和散射率，伴有异常的局部散射特性，与玻璃镜片并用时能够近乎理想地修正镜头色散，令长焦镜头成像质量有了长足的提高，并减小了镜头的长度。然而，不论是天然还是人造萤石镜片，成本对于消费者来说都太高了。所以CANON又研发萤石镜片的替代品。这些由光学玻璃混合专利氧化物制造的镜片被称为超低色散镜片，有着和萤石镜片相近的光学性能和相对较低的成本。采用这些镜片的镜头具有很强的抗色散能力，成像清晰度高，色差小。

色彩亮度

我们都知道，标称值的定义是“用以标志或识别元件、器件或设备的适当近似值 ”，而GB28037-2011和ISO/IEC 21118：2005（E）定义的投影机标称参数并不能完全诠释应用的实际价值。比如我们所熟悉的“亮度”，只是“白色亮度”指标，并没有体现色彩表现的任何信息。虽然色彩表现对于投影机画质至关重要，但是，只有很少的厂商提供关于投影机色彩亮度（CLO）的信息。由国际信息显示协会（SID）管理下的国际显示计量委员会ICDM负责编写的《信息显示测量标准》当中，就说明了测量投影机CLO或色彩亮度的程序、色彩亮度的测量的方法。

CANON认为与色彩亮度相等的彩色图像亮度尤其重要。其产品投射的彩色图像亮度与全白亮度相同（使用标准变焦镜头时）。而其他公司相同等级的单芯片DLP投影机与全白亮度的亮度差40%左右（演示模式）。此时还保证了低失真率（电视失真低于0.1%）。同样，标称亮度是在最大光圈下的亮度值，从标准变焦镜头更换为其他镜头时，亮度通常会降低，但是佳能采用了先进的镜头技术，将可交换镜头之间的亮度差别大大降低到7%以内。特别是长焦变焦镜头，实现了与标准变焦镜头相同的亮度。

CANON并未就此止步，今年佳能又推出了世界首批恒定F2.8光圈的投影机——WUX450和WX520。“恒定光圈”的镜头结构比较复杂，而且成本不轻。恒定光圈变焦镜头也可称之为无级变焦镜头，其设计要求很高，镜头可调节的最大焦距决定了透镜直径。但采用大孔径的透镜又带来了像差的质量下降，为控制像差的质量，既采取高焦强又保持高质量的成像效果，在相反焦距（下端广角，上端长焦）时的像差控制要求精度很高，必须找到其最佳平衡点。这样一来，设计上所需要的光学系统变得庞大而复杂，透镜的制造成本必然大大增加。另外，调节光圈时的分辨率特性，基本的亚波长衍射现象造成的分辨率限制也仍然存在。最终结果将是镜头光圈连续缩小（光圈逐渐关闭）时图6中的黑色直线所示。分辨率会逐渐下降。在同一光圈设置下，这一情形在实际中的高清和标清镜头上表现更为突出。（镜头的对比度再现性能转换为交替黑白线条细节的精细程度的函数称之为“调制传递函数”或“MTF”。）

普通投影机，如果标注的是4，500流明，其前提条件是投影机安装在离屏幕最近的地方。因为这时候，镜头的光圈最大，光通量也最大，亮度才能达到标称值。

如果将投影机安装在最远端，镜头的光圈最小，光通量也最小，那亮度也会随之下降。通常亮度损失在30%-40%。在安装条件无限制的情况下，这种光圈的变化可能不明显。但如果条件所限，必须装在比较远的地方，那用户所得到的实际亮度，就会大打折扣。

恒定光圈的优势

CANON新款WUX450、WX520，采用的是恒定光圈，最近、最远，其亮度都可达到标称值。而其最大的优势，就是可以在会议室随意安装了。不再考虑常规的投影机尽量往前安装，以减小光损失的问题。

当然，利用恒定光圈，将投影机吊在最远端，只是这两款投影机最基础的应用。而恒定F2.8光圈，最大的应用，应该是模拟仿真等弧幕的应用场合，因为它可以提供清晰的景深。

作为普通投影机，为了追求亮度，镜头的最大光圈一般都在F1.6-1.8左右。大光圈的优势是亮度高，但劣势是焦平面太小，景深太浅。作为平面屏幕，大光圈无任何不妥；但作为弧幕的应用，则会出现无法整屏清晰聚焦问题。恒定光圈镜头，不会像浮动镜头那样，因焦距的变化而带来光圈的变化再带来景深的变化。我们可以根据环境，随意不等距地安装投影拼接系统。

如图10所示：大光圈的镜头，景深为蓝色部分，超出蓝色部分，聚焦无法清晰。而F2.8光圈，能提供近半米的景深，可适应绝大多数弧度。这对弧幕的设计者而言，将是巨大福音，因为他们不必再需要去考虑，因为弧度问题，需要将亮度提高多少来满足屏前亮度。这意味着成本的大幅度降低。

除了恒定光圈，佳能新款投影机具备“4点梯形校正”，配合F2.8光圈，在现场施工中，就可以做到“随心所欲”了。

很多情况下，因为现场环境制约，投影机可能不能垂直屏幕摆放，如果要斜着摆放，是否能调成正方形？四角的聚焦是否都能清晰？这考验的不但是投影机的性能，更会考验现场工程师的技术能力。

CANON新机型，不但可以通过四个角进行随意调整，而且因为F2.8的光圈，可在很大角度内实现整屏的清晰聚焦。这意味着，如上图所示的弧形显示将成为可能。CANON凭借着技术实力和真诚，为用户设计了追求完美有品质的产品。

试想，用一台DLP的标称参数高于CANON 50%的投影机，换上长焦镜头，安装于小光圈的位置。你的实际应用彩色亮度和MTF指标还有多少？你的性价比还剩几何？所以不要简单地看宣传单上的标称指标，要读懂隐藏在说明背后的实际内容，用智慧和技术进步掌控你的行为。