激光与硅基液晶（LCOS）技术相结合，可以获得高效率、高亮度、高分辨率、斑点少和自由焦距的微型投影仪。这种投影仪不但成本低，而且尺寸小巧，能够很容易地嵌入到手机和数码相机中。

作者：Karl M. Guttag

低像素硅基液晶（LCOS）技术和数字光处理微型显示技术，与具有独特光学特性的激光相结合应用在微型投影仪上，可以进一步缩小微型投影仪的尺寸、提高效率，同时还能获得较高的分辨率和自由焦距特性。这种微型投影仪的工作原理是通过对激光进行扩束，使其照亮微型显示器的全部像素阵列，然后实现图像的光学放大。

微型投影仪中应用激光的方式有两种：激光束控制（LBS）或用激光照亮微型显示器的空间光调制器。对于LBS而言，通常使用一个双向或两个单向反射镜扫描大约一个像素宽的激光束。在微型显示器中，一个二维阵列像素镜可以调制激光的每个像素。

低像素微显示器

LCOS是在镀有光学透明铟锡氧化物（ITO）的玻璃和互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路之间夹入液晶（LC）层形成的。在LCOS中，顶部金属层作为反射镜和电极用于控制反射镜/电极层上面的液晶，通过对金属层定义图案，可以形成单一像素。为了控制每一个像素，在每一面镜子之下，CMOS基底支持晶体管的集成以及存储和处理功能。在LCOS器件中，控制每一个像素的“镜子” 是平面的，不可以进行物理移动。通过施加一个小电场，可以使液晶改变光的偏振态，因而可以控制每个像素的强度（见图1）。

               图1：一个854 × 480像素的微显示器，宽度只有6mm。

数字光处理（DLP）也是以CMOS为基底，但是其具有微电动机械系统（MEMS）超结构，该超结构形成了一个物理倾斜的可移动的镜子。由于LCOS镜子的是不可移动的平面镜，也不需要DLP具有的可机械移动的超结构，因而LCOS技术能够在镜子之间以更小的间距制作更小的镜子。典型的LCOS技术的间距大约是DLP间距的一半，因而LCOS技术可以使小像素具有一个更高的“填充因子”（镜子面积与镜子面积加上间距面积之和的比）。高填充因子可以提高光学效率，同时消除每个像素周围由于“纱窗效应”导致的网格。

一个典型的小LCOS像素的中心到中心的间距为5.4µm，间隙宽度为0.29µm，填充因子为93％。目前DLP最小像素的中心到中心间距为7.56µm，间隙宽度为0.29µm，填充因子为90％（见图2）。因此LCOS像素单元面积只有DLP像素单元面积的一半。更小的像素单元和间距对于支持高分辨率的微型显示器至关重要。

图2：一个854 × 600的5.4µm像素的LCOS器件（左）与一个480 × 320的7.56µm像素的数码光处理器件（右）。两图图片的尺度相同。

高分辨率

就有效分辨率而言，直线像素网格的微型显示的优势超过光栅扫描LBS。对于确定的像素网格，该分辨率等于x方向和y方向的像素。但是对于LBS显示而言，有效分辨率普遍较低，这是由减少光束扫描畸变的非线性扫描、光束校准和缩放或者重采样等因素造成的。

当微型显示尺寸保持不变时，减小像素尺寸可以提高分辨率。对于LCOS而言，利用现有的CMOS工艺使其达到720P和1080P的“高清”分辨率，可以进一步减小像素尺寸。

场序彩色

为了满足微型投影显示器对尺寸和成本的要求，通常采用场序彩色（FSC），这样一系列的彩色场序列形成一幅全彩色图像。当每个色场由微型显示器成像时，相应颜色的激光打开。DLP以使用FSC著称，它采用一个响应速度快的光调制器提供丰富的、饱和的色彩。场序彩色LCOS微型显示器利用顶端玻璃和镜子之间更小的间隙，以及高速LC配方，比目前典型直观的液晶显示器（LCD）中的液晶快10～50倍。

激光与微显示器

对于激光照明微型显示器，许多人错误地认为采用激光可以实现自由焦距运行，即使用一个聚光透镜。在激光被扩束和去斑（如果需要）后，随后的激光照射在微型显示器上具有很高的f值（低发散角），因而不需要聚焦。采用激光照射，图像可以从非常短的距离被聚焦到无限远处（见图3）。

  图3：一个投影图像以一个角度倾斜显示，表明图像在激光微显示投影仪中是自由焦距。

激光也适用于更小的微型显示器，目前为了收集发光二极管（LED）发出的光，微型显示有源区域面积通常很大。对于激光而言，无论显示尺寸大小，本质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显示器的性能。

流明每瓦效率

对于微型显示投影仪，预计其最大的应用领域是电池供电的设备，这意味着显示器件和光源的效率是两个非常重要的因素。高f值的激光可以减小光学损耗，提高光收集和投影效率。

LCOS的运行以偏振态的改变为基础，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微型显示器的效率高于LED。

微型显示器的激光照明还可以使用慢开关连续波（CW）激光，相比LBS所需的高速开关激光，微型显示器通常具有节能、应用广泛和成本低廉的优势。

对于一个具有100lm、5W功率的激光LCOS投影仪，其效率目前已经超过20lm/W ^[1]。随着激光、LCOS器件和光学器件性能的改进，效率超过30 lm/W的激光微型显示系统将会在不久的将来问世。

去斑

在考虑成本以后，微型投影仪中使用激光的第二个大问题是去除由窄谱相干光引起的斑点。目前常用减少斑点的两种方法是光谱展宽和改变有效距离。通常会同时多种去斑技术，以达到更好的去斑效果。

对于二极管激光而言，常用的去斑技术是在激光驱动电路中增加高频调制，使其输出宽谱激光。这项技术目前已经应用在红光和蓝光器件中，但是对于目前以倍频激光器为基础、发展迅猛的绿光器件而言，光谱展宽技术并不适用，这是因为倍频晶体/腔只在一个频率中谐振，任何频率的改变都将导致输出光强度显著下降。

展宽激光光谱最常用的方法是将激光通过时间或空间长度变化的路径，这些路径中通常采用转动或振动的光学元件，或者电调制元件。

基于微显示器的激光投影系统

对于一个采用单一FSC系统、以微显示器为基础的激光投影仪，激光将依次打开。为了获得混杂的彩色场，可以同时打开两个或全部三个激光（见图4）。

图4：在一个典型的激光微型投影仪中，红、绿、蓝激光被引入LCOS微显示器和投影仪。

双色光束合并器用于合并红光、绿光和蓝光。合并后在光路中插入去斑器件和光束整形器件，当然具体的形式可能会不同。经过去斑和整形后，激光束通过扩束器件从典型的高斯光束被扩展成更平坦的光束，经扩展后光束照在微显示器上。

对于LCOS而言，一个分光镜将激光器发出的偏振光引入显示器。偏振分光镜反射某一偏振态的偏振光，而其他偏振态的光则可以自由通过。每个LCOS微型显示器的像素/镜/电极，通过控制该像素上的液晶改变非黑色的每个像素上的偏振光，当这些偏振光从一个给定像素的镜子反射以后，部分或全部光（取决于强度）将通过分光镜。分光镜分出的光到达投影镜头，扩展合成图像。

激光的主要好处在于投影镜头和其余的光学器件（包括微显示器）可以做得更小、更简单，但仍然具有很高的效率。激光微显示器的光学体积可小至3~4cm³。

保护眼睛

在保护眼睛方面，激光微显示系统相比LBS具有更大的优势。LBS要求激光仍然是单像素大小的光束，激光微显示系统中的激光束首先分布在面板区域，然后投影镜头进一步分散光，因而激光微显示系统降低了在任意特定点的光密度，同时达到较高的投射亮度标准，符合国际安全标准。

激光LCOS微投影仪的应用非常广泛，其最明显的应用是将微小、节能的投影仪嵌入到手机、相机、摄像机以及媒体播放器中。激光LCOS微投影仪的潜在应用包括汽车显示器和数字标牌。面向消费者的Syndiant激光微型投影仪在2009年下半年已经面世，预计在2010年底将实现批量生产。

参考文献

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