LCOS投影HUD車載抬頭顯示技術及光學元件

LCOS（Liquid Crystal On Silicon）投影技術在車載領域的應用展現(xiàn)出廣闊的前景，這主要得益于其高分辨率、低功耗、長壽命以及適合集成于狹小空間內(nèi)的優(yōu)勢。

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目前，以國內(nèi)的形式來看，智能浪潮下，以車載HUD的出現(xiàn)成為當下汽車投影顯示最大的受益者，車載抬頭HUD的應用成功將速度、導航指示、警告信息等關鍵駕駛數(shù)據(jù)直接投影到擋風玻璃上，從而減少駕駛員視線離開路面的時間，由于其強大的便利性與安全性，對于消費者購買而言無疑是一個重要的亮點所在。LCOS技術由于其高分辨率、低功耗和適合集成于狹小空間內(nèi)的特點，特別適合用于AR-HUD（增強現(xiàn)實抬頭顯示），能夠?qū)Ш街甘炯^直接投射到道路上，提供實時安全警示，如碰撞預警、車道偏離警告等，顯著提升駕駛體驗。

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目前，國內(nèi)已有不少廠商在布局LCOS AR-HUD，如華為、瀚思通、華陽、廣汽、水晶光電、弗迪（比亞迪）等，這些廠商推出的產(chǎn)品大多采用了自主研發(fā)的LCOS技術，實現(xiàn)了高分辨率、高亮度、低功耗的投影效果，不僅如此，LCOS技術還可以應用于車載儀表盤和中控臺，為駕駛員提供更加清晰、細膩的信息顯示。LCOS顯示屏的高分辨率和廣視角特性，使得駕駛員在不同角度和光照條件下都能獲得良好的視覺效果。

LCOS技術及光學結(jié)構(gòu)原理

LCOS（Liquid Crystal on Silicon）投影技術采用涂有液晶硅的CMOS集成電路芯片作為反射式LCD的基片，控制電路置于顯示裝置的后面，以提高透光率，從而實現(xiàn)更大的光輸出和更高的分辨率。LCOS可視為LCD的一種，但傳統(tǒng)的LCD是做在玻璃基板上，而LCOS則是做在硅晶圓上，這使得LCOS技術能夠利用更廣泛、更便宜的CMOS制作技術來生產(chǎn)，并隨半導體制程的快速發(fā)展而不斷提高解析度。

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LCOS投影工作原理

LCOS投影技術分為單片式和三片式兩種。單片式采用了與DLP投影技術類似的時序成像方式；三片式是指使用紅綠藍三原色通過棱鏡分離再匯聚的成像方式，這種方式的成像質(zhì)量更高，目前的主流產(chǎn)品普遍采用了這種成像方式。

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單片式LCOS投影

單片式LCOS投影一般利用一個LCOS芯片，通過快速切換紅、綠、藍三原色光來形成彩色圖像。當光源發(fā)出的白光經(jīng)過分光系統(tǒng)后，形成紅、綠、藍三原色光。這些光線依次照射到單片LCOS芯片上，通過控制LCOS面板上液晶分子的狀態(tài)來改變每個像素點反射光線的強弱，由于人眼的視覺暫留效應，當三原色光快速切換時，人腦會將它們合成為彩色圖像。這種方式簡化了光學結(jié)構(gòu)，降低了成本，但在色彩表現(xiàn)和亮度上可能受到一定限制。

1.光學組成架構(gòu)

單片式LCOS投影一般由光源系統(tǒng)、顏色輪、LCOS面板、偏振分光和合廣系統(tǒng)、投影鏡頭以及其他輔助元件。 

2.光源：采用高亮度、高穩(wěn)定性的光源，如LED光源或激光光源。這些光源提供足夠的光通量，確保投影畫面的亮度和色彩飽和度。

顏色輪：這是單片式LCOS投影技術中的關鍵組件之一。顏色輪由紅、綠、藍（RGB）以及其他可能的顏色片段組成，通過快速旋轉(zhuǎn)將白光依次轉(zhuǎn)換為紅、綠、藍三原色光，并依次投射到LCOS芯片上。顏色輪的轉(zhuǎn)速和顏色片段的排列順序?qū)ν队爱嬅娴纳时憩F(xiàn)和刷新率有重要影響。

3.LCOS面板及芯片：單片式LCOS投影使用單個LCOS芯片來處理經(jīng)過顏色輪轉(zhuǎn)換后的三原色光。LCOS芯片的結(jié)構(gòu)與三片式中的類似，包括CMOS基板、液晶層和透明電極玻璃基板。通過控制液晶分子的排列狀態(tài)，LCOS芯片調(diào)制入射光的偏振狀態(tài)和相位，形成圖像。

4.偏振分光與合光系統(tǒng)

偏振分光鏡（PBS）：在某些單片式LCOS投影系統(tǒng)中，可能使用偏振分光鏡來分離入射光和反射光，提高光利用效率。然而，與三片式系統(tǒng)不同，單片式系統(tǒng)的光學路徑更為緊湊，可能不需要復雜的合光棱鏡結(jié)構(gòu)。

合光組件：雖然單片式系統(tǒng)不需要像三片式那樣將三原色光重新合成為一束光線，但可能需要一些簡單的光學組件來確保光線能夠準確地投射到LCOS芯片上，并從芯片反射后投射到屏幕上。

5.投影鏡頭：投影鏡頭組與三片式系統(tǒng)相同，單片式LCOS投影也需要投影鏡頭組來放大并投射經(jīng)過LCOS芯片調(diào)制后的光線。投影鏡頭組的設計和質(zhì)量對投影畫面的清晰度、對比度和色彩還原度有重要影響。

6.其他輔助元件：冷反射鏡、濾光片等：這些輔助元件可能用于過濾光源中的不需要成分（如紅外光），提高投影圖像的質(zhì)量。然而，在單片式系統(tǒng)中，這些元件的數(shù)量和復雜性可能相對較低。

三片式LCOS投影

三片式LCOS投影技術是指使用紅、綠、藍三原色光通過棱鏡分離后，再分別照射到三塊獨立的LCOS芯片上，最后通過合光系統(tǒng)將三塊芯片上的圖像合成為彩色圖像。這種方式類似于三片式LCD投影技術，但采用了反射式LCOS芯片。

工作原理

三片式LCOS投影通過光源發(fā)出的白光首先通過分光棱鏡被分成紅、綠、藍三原色光。這三種顏色的光線分別照射到三塊獨立的LCOS芯片上，每塊芯片只處理一種顏色的光。通過控制LCOS面板上液晶分子的狀態(tài)，改變每個像素點反射光線的強弱。經(jīng)過LCOS反射的光線再通過必要的光學折射匯聚成一束光線，最后通過投影鏡頭照射到屏幕上形成彩色的圖像。這種方式在色彩表現(xiàn)、對比度和亮度上都具有優(yōu)勢，是目前LCOS投影技術的主流發(fā)展方向。

三片式LCOS投影由光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、LCOS面板組、合光系統(tǒng)、投影鏡頭以及其他輔助元件。

1.光源系統(tǒng)：光源通常采用高亮度、高穩(wěn)定性的光源，如金屬鹵化物燈或激光光源，以提供足夠的光通量用于投影。光源發(fā)出的光需要足夠均勻和穩(wěn)定，以確保投影畫面的質(zhì)量。

2.分光系統(tǒng)：分光棱鏡（Dichroic Mirror）將光源發(fā)出的白光精確地分成紅、綠、藍三原色光。這是實現(xiàn)彩色投影的關鍵步驟，通過分光棱鏡的作用，白光被有效地分離成三個獨立的光通道。

3.LCOS面板組：三片LCOS芯片每片LCOS芯片分別對應紅、綠、藍三原色光中的一個顏色通道。LCOS芯片利用液晶與硅片的復合技術，通過控制液晶分子的排列狀態(tài)來調(diào)制入射光的偏振狀態(tài)和相位，從而實現(xiàn)圖像的顯示。

4.CMOS基板作為LCOS芯片的基底，集成了控制電路和存儲電容器，用于驅(qū)動液晶分子。CMOS基板通常采用單晶硅片制成，具有良好的電子遷移率和穩(wěn)定性。

5.液晶層：填充在CMOS基板和透明電極玻璃基板之間，用于調(diào)制入射光的偏振狀態(tài)和相位。液晶分子的排列狀態(tài)受到電場控制，從而實現(xiàn)對光線的調(diào)制。

6.透明電極玻璃基板：與CMOS基板貼合形成液晶腔，提供透明電極以施加電場控制液晶分子。

7.合光系統(tǒng)：合光棱鏡（如X棱鏡）將經(jīng)過LCOS芯片調(diào)制后的紅、綠、藍三原色光重新合成為一束彩色光線。合光棱鏡需要精確地對準和調(diào)節(jié)，以確保三原色光能夠準確地合成出高質(zhì)量的彩色圖像。

8.投影鏡頭：投影鏡頭組由多個透鏡組成，用于將合光棱鏡輸出的彩色光線放大并投射到屏幕上。投影鏡頭需要具備良好的成像質(zhì)量和較大的投影比，以滿足不同尺寸和距離的投影需求。

9.其他輔助元件

偏振分光鏡（PBS）：在某些LCOS投影系統(tǒng)中，可能還需要使用偏振分光鏡來分離和合并入射光和反射光，以提高光利用效率。

冷反射鏡：用于過濾光源中的紅外光等不需要的成分，提高投影圖像的質(zhì)量。

技術對比

LCOS投影技術在光學構(gòu)成上確實分為單片式和三片式，這兩種技術在光學構(gòu)成、工作原理以及性能表現(xiàn)上存在一些顯著的差別。

單片式LCOS投影技術

技術特點

結(jié)構(gòu)簡單：由于只使用一塊LCOS芯片，整體結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低。

時序成像：依靠顏色輪的時序旋轉(zhuǎn)來合成彩色圖像，因此色彩過渡可能存在一定的閃爍現(xiàn)象。

亮度限制：由于白光在通過顏色輪時會有部分能量損失（特別是透明區(qū)域的存在），因此單片式LCOS投影機的亮度可能受到一定限制。

三片式LCOS投影技術

技術特點

色彩表現(xiàn)優(yōu)異：由于三原色光分別由三塊獨立的LCOS芯片處理，因此色彩還原更加準確，色彩表現(xiàn)更加優(yōu)異。

高對比度：三片式LCOS投影技術通常能夠?qū)崿F(xiàn)更高的對比度，暗部細節(jié)表現(xiàn)更加豐富。

亮度高：由于沒有顏色輪造成的能量損失，三片式LCOS投影機的亮度通常更高。

成本高：由于使用了三塊LCOS芯片以及復雜的分光、合光系統(tǒng)，因此整體成本相對較高。

技術對比

綜上所述，單片式LCOS投影技術由于結(jié)構(gòu)簡單、成本較低具有優(yōu)勢，但色彩表現(xiàn)和亮度可能受到一定限制，適合入門級或便攜式投影設備，在色彩表現(xiàn)和亮度上可能不如三片式技術，而三片式LCOS投影技術則在色彩表現(xiàn)、對比度和亮度方面具有顯著優(yōu)勢，但成本較高。

三片式LCOS投影技術則以其優(yōu)異的色彩表現(xiàn)、高對比度和亮度成為高端投影設備的首選。盡管其成本較高，但隨著技術的不斷發(fā)展和產(chǎn)量的增加，成本有望逐漸降低。用戶可以根據(jù)自身需求和預算選擇適合的投影技術。