全固态空间光调制器用来做什么？硅基液晶空间光调制技术

全固态空间光调制器用来做什么？硅基液晶空间光调制技术硅基液晶技术产业应用主流 LCOS 器件的帧频速率为60 Hz，灰阶深度为8 bit。但为了应对数字影院、近眼睛显示等应用需求，LCOS 技术正快速向＞240 Hz，10 bit-12 bit演进。基于无机垂直取向的LCOS器件的对比度性能非常优异，结合偏振补偿系统，在特定测试条件下可实现10000:1甚至更高的对比度。图1 LCOS 器件基本结构LCOS 器件的关键参数指标包括：像素分辨率、反射率、帧频速率、灰阶深度、对比度、开口率、损伤阈值等。纯相位型 LCOS 器件还需关注相位深度、相位抖动、衍射效率等参数指标。目前主流 LCOS 器件像素分辨率涵盖1K、2K和4K。通常随着像素分辨率的提升，像素尺寸也随之降低，以维持背板芯片整体面积和成本。目前，常见的像素尺寸在3.5 μm-8 μm之间。像素尺寸6 μm-8 μm LCOS器件的反射率一般在80%以上，但是当像素尺寸小于5 μm时

文 / 杨海宁，东南大学电子科学与工程学

硅基液晶空间光调制器

硅基液晶 (LCOS) 器件是由 CMOS 硅基电路背板和液晶光学元件组成的混合光电芯片。自20世纪70-80年代在英国 STL 实验室、剑桥大学和爱丁堡大学实现原理性验证后，经过四十多年的发展，LCOS 器件的像素分辨率已经从早期的8×8提升至现在的4K甚至8K，是目前最为灵活的高效率空间光场调控技术，在信息显示、光通信、激光加工、生物医学及科学研究等诸多领域实现了广泛的运用。

LCOS 器件的基本结构如图1所示。其中LCOS 硅基背板芯片上集成了上百万个像素电极。根据液晶设置不同，LCOS 器件可以分为振幅型和相位型。振幅型 LCOS 器件对入射光的空间振幅进行调制，通常应用在信息显示系统中。而相位型 LCOS 器件只对入射光的空间相位进行调制，而不影响其振幅，因此光束能量理论上不受损失，具有较高的光学能量效率，通常应用于基于全息空间光场调控原理的各类应用中。但是，纯相位型 LCOS 器件对制备工艺的要求相对较高。

图1 LCOS 器件基本结构

LCOS 器件的关键参数指标包括：像素分辨率、反射率、帧频速率、灰阶深度、对比度、开口率、损伤阈值等。纯相位型 LCOS 器件还需关注相位深度、相位抖动、衍射效率等参数指标。目前主流 LCOS 器件像素分辨率涵盖1K、2K和4K。通常随着像素分辨率的提升，像素尺寸也随之降低，以维持背板芯片整体面积和成本。

目前，常见的像素尺寸在3.5 μm-8 μm之间。像素尺寸6 μm-8 μm LCOS器件的反射率一般在80%以上，但是当像素尺寸小于5 μm时，即使像素开口率仍然＞ 90%，器件反射率仍会快速下降至70%以下。同时，相邻像素之间的串扰也会随着像素尺寸的降低而提升，影响器件的光场调控性能，限制其应用场景。

主流 LCOS 器件的帧频速率为60 Hz，灰阶深度为8 bit。但为了应对数字影院、近眼睛显示等应用需求，LCOS 技术正快速向＞240 Hz，10 bit-12 bit演进。基于无机垂直取向的LCOS器件的对比度性能非常优异，结合偏振补偿系统，在特定测试条件下可实现10000:1甚至更高的对比度。

硅基液晶技术产业应用

投影显示系统

投影显示系统是振幅型 LCOS 器件的主要应用场景之一。在基于 LED 光源的中低端投影显示系统中，由于振幅型 LCOS 器件对照明光源的偏振态敏感，因此与 DLP 技术相比，能量利用效率相对较低，导致图像亮度偏低。但是由于 DLP 技术被美国德州仪器公司垄断，DLP 投影整机生产商利润空间有限，LCOS 器件凭借其自身成本优势，仍然占据一定市场份额。

高端投影显示系统现多采用激光作为光源，在色域、亮度等方面都具有优势。而激光的线偏振特性可与 LCOS 器件实现高效匹配，因此 LCOS 激光投影显示系统的整机效率也相对较高。

近十年，受限于工艺复杂程度，DLP 器件的原生分辨率始终停滞于2K。而 LCOS 器件原生分辨率达到4K和8K，因此目前主流高端激光投影数字影院系统均采用 LCOS 技术。高端投影显示系统主要关注的 LCOS 器件参数指标包括分辨率、灰阶深度以及帧频速率。图2为日本 JVC 公司和 Sony 公司的 LCOS 数字影院/激光电视产品[1 2]。

图2 日本 JVC 公司和 Sony 公司的 LCOS 数字影院/激光电视产品

可穿戴 AR/VR

可穿戴的虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 显示技术是近几年显示技术发展的重要方向。目前，主流 AR/VR 系统中的像源器件主要采用 LCOS、Micro-OLED 和 MicroLED 技术。

在 VR 系统中，Micro-OLED 器件作为主动发光器件，可以简化系统光路设计，为目前的主流选择。但是，Micro-OLED 器件的像素间隔较大，在超高分辨率 VR 系统可能引入图像网格。而 LCOS 器件像素开口率超过90%，可以有效解决这一问题，因此有望与 Micro-OLED 技术形成竞争。

而 AR 系统对像源器件的亮度要求极高，LCOS 器件在这方面具备一定优势，已经被广泛应用于各类 AR 显示系统中，MicroLED 技术有望进一步提升亮度，但该技术尚不成熟，仍需在全彩色化、生成良率等方面实现技术突破。如图3是 Magic Leap 公司基于 LCOS 微像源的 AR产品[3]。

图3 Magic Leap 公司基于 LCOS 微像源的 AR 产品

AR/VR 系统对 LCOS 器件的体积和功耗都有十分严格的要求。面向此类应用的 LCOS 器件像素尺寸正向4 μm以下快速演进，进而用最小的芯片面积实现高分辨率图像显示。同时，驱动芯片与 LCOS 像素背板芯片的集成也进一步降低了系统的体积和功耗。另外，近眼显示系统中的图像延迟易引发观看者的眩晕，因此 AR/VR 应用对 LCOS 器件的帧频速率要求更高。

车载 HUD 抬头显示

HUD 抬头显示系统将前挡风玻璃化身为智能信息显示屏幕，可提升驾乘的安全性和娱乐性，近年来得到了广泛的普及。现有车载 HUD 抬头显示系统主要采用透射式液晶器件、LCOS 器件和 DLP 器件作为像源器件。

基于 LCOS 器件的 HUD 抬头显示系统在图像分辨率、亮度、对比度、视角范围和体积方面均具有一定优势。同时，进一步结合光路设计和算法技术，可以消除重影导致的人体眩晕感，大幅提升舒适度。振幅型和纯相位型 LCOS 器件均已被应用于车载 HUD 抬头显示系统中。基于纯相位型 LCOS 器件的车载 HUD 抬头显示系统采用全息成像原理，在光学效率方面具有一定优势。

车载应用对于 LCOS 器件的可靠性及工作温度范围要求极高，目前仍未形成相关的测试标准。图4为华为公司基于 LCOS 器件车载 HUD 抬头显示产品效果图[4]。

图4 华为公司基于 LCOS 器件车载 HUD 抬头显示产品效果图

全光通信

可重构全光交换 (OXC) 系统是现代光纤通信网络的核心组成部分，支撑了近10年网络容量的高速增长。波长选择开关（WSS）是OXC系统的核心组成部分。WSS通常具有一个输入端口和n个输出端口，可以将输入端口接收到的任意波长信道切换至任意输出端口。一个 OXC 系统通常由多个 WSS 配对级联组成，使光纤网络运营商在网络节点处可以灵活地调度各个波长信道，让光纤通信网络在波长级具有可重构性，大幅地降低了网络的传输和运营成本。

早期 WSS 可以基于纯相位型 LCOS 技术、液晶技术或者 MEMS 技术。基于 LCOS 技术的 WSS 具有高端口数目，且支持灵活栅格标准，可大幅提升全光通信网络的传输容量。因此，近年来基于 LCOS 技术的 WSS 成为业界的主流选择。WSS 系统对 LCOS 器件的反射率、衍射效率、瞬时相位抖动和可靠性有极高的要求，目前仅有少数 LCOS 厂商可以支持该应用。图5为Lumentum公司基于 LCOS 技术的 WSS 产品[5]。

图5 Lumentum公司基于 LCOS 技术的 WSS 产品

激光加工

近些年，基于皮秒和飞秒超快激光器的精密加工技术在蓝宝石、SiC 芯片等脆性材料切割中得到了广泛的应用。此类系统中通常引入光学衍射元件（DOE）将激光光束分束，有效提升切割质量。传统系统采用基于微纳加工技术的固态DOE 器件实现该功能，功能较为单一。纯相位型 LCOS 器件可以实现对激光光束的动态在线高效调控，根据不同应用场景需求，快速实现不同特性的激光分束，大幅提升超快激光加工系统的灵活性和加工质量。

超快激光加工系统对 LCOS器件的损伤阈值有较高的要求。目前，针对这一应用的 LCOS 器件在1064 nm及1550 nm等常见激光加工波段的损伤阈值可以达到200 W/cm2，并有望进一步提升。图6为Hamamatsu公司面向激光加工应用的 LCOS 产品。

图 6 Hamamatsu公司面向激光加工应用的 LCOS 产品

生物医学

在现代生物医学研究中， 广泛采用光镊（optical tweezers）技术实现对细胞或者病毒颗粒的移动。该技术的发明人Arthur Ashkin博士于2018年获得了诺贝尔物理学奖。现代光镊系统广泛采用纯相位型 LCOS 器件实现对光束的动态调控，进而灵活地移动细胞甚至更小的目标。

在光镊系统中，需要较高的光强产生皮牛顿级的牵引力，实现对目标的移动。因此，光镊系统对 LCOS 器件的损伤阈值要求也相对较高。同时，为了实现对目标的连续移动，光镊系统对 LCOS 器件的帧频速率也有一定的要求。

科研应用

科学研究也是 LCOS 器件一个重要的应用市场。得益于其空间光场调控灵活性和效率方面的优势，LCOS 器件在光学计算、量子通信、光存储、全息成像、自适应光学等科研系统中得到了广泛的应用。不同的应用场景对 LCOS 器件的性能要求的侧重点也略有差异。总体上，科研应用对 LCOS 器件的响应速度、像素分辨率、衍射角度范围、光场调控效率和质量方面要求较高。

展望

随着微电子技术和液晶材料的发展，LCOS器件的各项参数指标将在未来得到进一步的提升。同时，随着 LCOS 器件应用领域的不断拓展，各领域对 LCOS 器件性能要求的差异性也越来越明显。除了反射率、帧频速率、灰阶深度等具有共性的技术指标外，不同应用对器件像素分辨率、尺寸、衍射效率、损伤阈值等参数的要求各不相同。预期在基于振幅调制的信息显示应用领域，LCOS 器件的像素尺寸将进一步缩小，同时器件的帧频速率和灰阶深度将进一步提升。

而在基于相位调制的全光通信和激光加工等领域，LCOS器件的光学性能（反射率、衍射效率等）和损伤阈值仍有进一步提升的空间，因此器件像素尺寸的演进将相对较为缓慢。因此，未来市面上将涌现出一批针对特定应用场景定制化的 LCOS 器件。

作者简介

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杨海宁，东南大学电子科学与工程学教授，显示技术研究中心副主任，从事 LCOS 技术及在通信、信息显示等领域的研究工作。

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参考文献

1. us.jvc/projectors/

2.sonysemicon.co.jp/e/products/microdisplay/lcd/technology.html

3. magicleap

4. huawei/en/news/2021/9/huawei-ar-hud-iaa-mobility-2021

5. P.D.Colbourne S.McLaughlin C.Murley et al. Contentionless twin 8×24 WSS with low insertion loss [C]//Optical Fiber Communication C o n f e r e n c e M a r c h 1 1 - 1 5 2 0 1 8 S a n Diego California USA.[S.l.:s.n.] 2018.

6. lcos.hamamatsu/eu/en/product/search/X15223-03/index.html

7. A.Hermerschmidt S.Krüger T.Haist et al. Holographic optical tweezers with realtime hologram calculation using a phaseonly modulating LCOS-based SLM at 1064 nm[C]//Complex Light and Optical Forces II SPIE 690508 January 25 2008.