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LCOS - Liquid Crystal on Silicon

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Abb. 1.01: LCOS-Display (Canon)
Abb. 1.01: LCOS-Display von Canon [1]

LCOS (Liquid Crystal on Silicon = Flüssigkristall auf Silizium) ist eine reflektive Microdisplaytechnik, die in Videoprojektionsgeräten eingesetzt wird. Als Lichtmodulatoren eines LCOS-Displays dienen LC-Zellen auf einem Siliziumsubstrat, das mit einer hochreflektiven Oberfläche beschichtet ist. Da sich bei der LCOS-Technologie die Ansteuerung der LC-Zellen unterhalb der Zellen befindet, haben LCOS-Displays gegenüber transmissiven LCD-Projektoren einen extrem hohen Füllfaktor, was zu nahezu pixelfreien Darstellungen führt. Die hohe Reflektivität (über 90% [Quelle: Canon]) verringert ein Aufheizen des Displays durch Lichtabsorbtion. Daher können LCOS-Displays auch in Projektoren mit extrem hoher Lichtleistung eingesetzt werden.

Abb. 1.02: Strahlengang eines LCOS-Projektors
Abb. 1.02: Strahlengang eines LCOS-Projektors

Mit Displaygrößen von 0,6'' bis 1,7'' können alle Auflösungen bis zu 4k (4096 x 2160 Pixel) dargestellt werden. Da die LCOS-Technologie produktionstechnisch allerdings nur schwer zu beherrschen ist und die Ausbeute (sog. "Yield") an voll funktionsfähigen Displays niedrig ist, haben viele Halbleiterhersteller (u.a. Intel und Philips) die Entwicklung und Herstellung von LCOS-Produkten eingestellt. Zur Zeit (2012) sind hauptsächlich JVC (unter dem Produktnamen D-ILA (Direct Driven Image Light Amplifier)), Sony (unter dem Produktnamen SXRD (Silicon X-tal Reflective Display)) und  Canon  (unter dem Produktnamen XEED) mit Projektoren für professionelle und Consumer-High End-Anwendungen im Markt tätig.

2. Funktionsweise

2.1. Aufbau einer LCOS-Zelle

Die Strukturen des Lichtmodulators einer LCOS-Zelle sind dreidimensional gestaltet. Auf einem Siliziumsubstrat werden in einem CMOS-Verfahren in mehreren Schichten die Strukturen der Ansteuerung der Zelle hergestellt. Hierzu werden zeilen- und spaltenweise werden die Gates und Sources von Feldeffekt-Schalttransistoren (FET) zu einer aktiven XY-Matrix verknüpft. Jede LCOS-Zelle erhält einen FET. Am Drain eines jeden FET befindet sich eine Speicherkapazität Cst und eine reflektierende Elektrode. Die Gegenelektrode aus ITO (Indiumzinnoxid) ist transparent und befindet sich auf einer dünnen Glasscheibe. Auf den reflektierenden Elektroden auf dem Siliziumsubstrat und der transparenten Elektrode auf der Glasscheibe ist jeweils ein dünner Film aufgebracht, der die in einer dazwischen befindlichen Schicht eingebetteten Flüssigkristalle in eine vorgegebene senkrechte Orientierung (Vertical Alignment) zwingt.

Abb. 2.01: Aufbau eines LCOS-Displays
Abb. 2.01: Aufbau eines LCOS-Displays

2.2. Funktionsweise eines LCOS-Displays

Das (analoge) Videosignal wird pixelweise in Sample & Hold-Schaltungen auf den Helligkeitswert (Abb. 2.02) analysiert. Zeilenweise über einen Multiplexer gesteuert, werden die momentanen Helligkeitswerte als proportionale Gleichspannungen über die FETs in den dazugehörigen Speicherkapazitäten Cst gespeichert. Entsprechend dem Potential zwischen der an Cst angeschlossenen, reflektierenden Pixelelektrode und der transparenten Elektrode bildet sich ein elektrisches Feld aus.
Haben beide Elektroden gleiches Potential ist die LCOS-Zelle passiv. Die Flüssigkristalle im Bereich dieser Zelle verbleiben in der von den Orientierungsschichten vorgegebenen senkrechten Ausrichtung.
Mit steigendem Potential zwischen den Elektroden und der Zunahme der Feldstärke drehen sich die Flüssigkristalle in einer aktiven Zelle mehr und mehr und stellen sich nahezu senkrecht zu den Feldlinien. Mit zunehmender Neigung der Flüssigkristalle verändern sich die optischen Eigenschaften der Zelle. Licht, das die LC-Schicht durchdringt, wird in der Polarisation zunehmend um bis zu 45° gedreht. Da das einfallende Licht von der Elektrode reflektiert wird, durchläuft es die Schicht zweimal, wobei sich die Änderungen der Polarisation auf bis zu 90° addieren.

Abb. 2.02: Active Matrix-Struktur eines analogen LCOS-Displays
Abb. 2.02: Active Matrix-Struktur eines analogen LCOS-Displays

2.3. Funktionsweise der Lichtmodulation

Im Gegensatz zu transmissiven LCD-Displays, die die ungewünschten Helligkeitsanteile eines Pixels absorbieren (und in Wärme umwandeln), wird vom LCOS-Display praktisch alles einfallende Licht reflektiert. Der Unterschied zwischen den gewünschten und den nicht gewünschten Lichtanteilen ist lediglich in der Polarisation des reflektierten Licht manifestiert.
Um die gewünschten von den ungewünschten Lichtanteilen zu separieren kommt ein polarisierender Strahlteiler (PBS = Polarizing Beam Splitter) zum Einsatz. Beamsplitter bestehen aus zwei miteinander verklebten Prismen aus Kunststoff oder Glas, deren Flächen mit speziellen mehrschichtigen Filmen versehen wurden. Durch Doppelbrechung oder Interferenzeffekte in den Filmen wird ein unpolarisierter Lichtstrahl in zwei Strahlen unterschiedlicher Polarisation aufgeteilt.
Abb. 2.03 zeigt wie das Licht in einem LCOS-Projektor moduliert wird. Das unpolarisierte Licht der Bogenlampe wird vom PBS in zwei Strahlen aufgeteilt: eine P-Komponente, deren Lichtwellen parallel zur Oberfläche des PBS ausgerichtet ist und einer S-Komponente, deren Schwingung senkrecht ausgerichtet ist. Die P-Komponente (P1in) passiert den Strahlteiler direkt und verlässt ihn ungenutzt (P1out).

Abb. 2.03: Lichtmodulation mit LCOS-Zellen
Abb. 2.03: Lichtmodulation mit LCOS-Zellen

S-Lichtanteile (Sin) hingegen werden zum LCOS-Display reflektiert, durchdringen die LC-Schicht und werden von den reflektierenden Elektronen wieder in den PBS zurückgeworfen.
Wie bereits weiter oben beschrieben wurde, wird die Polarisation des auf eine inaktive LCOS-Zelle strahlende Licht nicht verändert. Im PBS wird es daher wiederum reflektiert und in den Strahlengang der Lampe zurückgeworfen (Sout). Trifft eine S-Komponente hingegen auf eine aktive LCOS-Zelle ändert sie ihre Polarisation und wird zu einer P-Welle. Diese kann wiederum den PBS direkt passieren und gelangt durch die Projektionsoptik auf die Leinwand (Pout).

2.4. Helligkeitssteuerung

Analoge Helligkeitsteuerung

Die klassische Helligkeitssteuerung mit LCOS entspricht dem Prinzip der Helligkeitsteuerung von LCD-Displays. Die augenblickliche Helligkeitsinformation eines Pixels im Videosignal wird, wie oben beschrieben, mittels einer Sample & Holdschaltung in einen proportionalen Gleichspannungswert umgewandelt und in die Speicherkapazität Cst geschrieben. Entsprechend der Höhe der Gleichspannung in der Speicherkapazität baut sich ein entsprechend starkes Feld zwischen den Elektroden aus, was zu einer Änderung der Ausrichtung der Flüssigkristalle führt. Je höher die Feldstärke, desto stärker ändert sich die Ausrichtung. Je stärker die Änderung der Ausrichtung, um so mehr ändert sich die Polarisation des die LC-Schicht durchdringenden Lichts. Je stärker die Polarisation des Lichts ist, desto besser kann es in einem LCD-Display die Polarisationsfolie durchdringen und das Pixel erscheint heller. Die ungewünschten Lichtanteile (mit geringer Polarisation) werden in den Folien mehr oder weniger stark absorbiert. In einem LCOS-Display übernimmt der PBS diese Aufgabe, indem es die ungenutzten Lichtanteile in den Strahlengang der Lampe zurückwirft.

Digitale Helligkeitssteuerung

Die digitale Helligkeitssteuerung eines LCOS-Displays entspricht dem Prinzip der Helligkeitssteuerung in einem DLP-Projektor. Die LCOS-Zelle in einem rein digitalen Projektor kennt, wie die Mikrospiegel in einem DLP-Display, nur zwei Zustände: Zelle aus -> keine Spannung zwischen den Elektroden -> keine Polarisation des Lichts und Zelle ein -> maximale Spannung Spannung zwischen den Elektroden -> maximale Polarisation des Lichts. Da die Zelle so nur eine Helligkeitsstufe erzeugen kann, muss die Helligkeit des Pixels über die Einschaltzeit der Zelle gesteuert werden. Hierzu wird die Zelle mit einer binären PWM (Pulsweitenmodulation) angesteuert.
Nachteile dieser digitalen Ansteuerung sind natürlich die gleichen wie bei Plasma-Bildschirmen und DLP-Projektoren: Begrenzung der Anzahl der Graustufen/Farben und False Contour-Effekte bei nicht optimierten Ansteuerungsalgorithmen.

2.5. Farbsteuerung

Im Wesentlichen kommen bei LCOS-Projektoren zwei Konstruktionsprinzipien zur Anwendung. Ein-Chip-Lösungen werden hauptsächlich in mobilen Geräten in Kombination mit LEDs als Lichtquellen eingesetzt. Es ist natürlich auch die Kombination mit einer Bogenlampe möglich, was sich allerdings nicht durchgesetzt hat. Für feste Installationen werden zumeist 3-Chip-Projektoren  bevorzugt.

3-Chip-LCOS-Projektoren

Abb. 2.04 zeigt das Prinzip eines 3-Chip-LCOS-Projektors. Als Lichtquelle kommen meist Entladungslampen mit kurzem (1-2mm) Lichtbogen (z.B. UHP Hochdruckquecksilberdampflampen) zum Einsatz. Ein Kaltspiegel lenkt nur die Anteile des sichtbaren Licht weiter. Das von der Lampe abgegebene Licht ist unpolarisiert. Um den Wirkungsgrad des Projektors zu optimieren soll möglichst nur Licht aus S-Wellenkomponenten in den Projektionsweg gelangen. Zur Polarisation des Lampenlichts werden daher optische Komponenten mit Mikrolinsen (Fly Eye = Fliegenauge) in den Strahlengang eingefügt. Diese Fly Eyes wirken gleichzeitig auch als Lichtintegrator, der das Licht homogen auf eine kleine Fläche verteilt.
Dichroitische Spiegel als Farbfilter zerlegen das polarisierte Lampenlicht in seine blauen und rot-grünen Anteile. Ein weiterer dichroitischer Farbfilter zerlegt den rot-grünen Strahl in seine Komponenten. Alle drei Strahlen werden nun über ein PBS auf jeweils ein LCOS-Chip gespiegelt, wo sie vom Videosignal in der Helligkeit moduliert werden. Das vom Chip reflektierte und in der Polarisation veränderte Licht passiert die PBS direkt. Alle drei Strahlen werden in einem dichroitischen Prismenset ("X-Cube") zusammengeführt und in der Projektionsoptik auf die Leinwand fokussiert.

Abb. 2.04: Prinzipieller Aufbau eines 3-Chip-LCOS-Projektors
Abb. 2.04: Prinzipieller Aufbau eines 3-Chip-LCOS-Projektors

1-Chip-LCOS-Projektoren mit LED

Mit der Verfügbarkeit von (mehr)farbigen Hochleistungsleuchtdioden (Power-LEDs) bieten sich diese als ideale Lichtquelle für Projektoren an.
Das von den LEDs erzeugte farbige Licht wird über Sammellinsen und dichroitische Prismen in einen gemeinsamen Lichtpfad vereinigt, der zu einem PBS und zum LCOS-Chip führt.  Der LCOS-Chip liefert nacheinander die Teilbilder für die drei Primärfarben. Die Trägheit der menschlichen Wahrnehmung integriert die drei einfarbigen  Teilbilder zu einem farbigen Gesamtbild.

Abb. 2.05: Prinzipieller Aufbau eines 1-Chip-LCOS-Projektors mit LEDs
Abb. 2.05: Prinzipieller Aufbau eines 1-Chip-LCOS-Projektors mit LEDs

Durch die sequentielle Ansteuerung des LCOS-Chips mit den einzelnen Farben wird ein Farbrad überflüssig. Die Synchronisation der LEDs mit dem Videosignal erfolgt aus einem Image-Prozessor.  Durch die geringe Wärmeentwicklung und kleine Bauform der LEDs lassen sich sehr kompakte Projektionsgeräte herstellen.

Abb. 2.06: LCOS-Projektor mit LED
Abb. 2.06: LCOS-Projektor mit LED von 3M [2]
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