LCoS/D-ILA-Projektor

Das Grundprinzip der Steuerung der einzelnen Pixel ist bei LCD-basierten Projektoren und LCoS-Projektoren identisch. In beiden Technologien muss polarisiertes Licht verwendet werden, dessen Polarisationsebene in der modulierenden Flüssigkristallschicht entsprechend dem gewünschten Helligkeitswert des Pixels gesteuert wird. Ähnlich wie bei LCD erfolgt die Drehung der Flüssigkristallmoleküle durch Anlegen elektrischer Spannung zwischen zwei Elektroden. Waren bei der LCD-Technik noch beide Elektroden in durchlässige Glasebenen integriert, ist bei der LCoS-Technik eine der beiden eine reflektierende Zellelektrode.

Für LCoS-Projektoren wurde ein sehr intelligenter Bestandteil geschaffen, der großen Einfluss auf die Qualität der Projektion hat - der "Polarization Beam Splitter", kurz PBS. Er muss als eine Art Spezialspiegel angesehen werden, der das eingehende Licht der Lampe in bestimmter Weise polarisiert und auf das Panel lenkt. Das folgende Bild zeigt den Aufbau eines LCoS Panels mit vorgesetzter PBS.

Grundprinzip eines Polarization Beam Splitters anhand der 1-Chip-Technik

Dieses eingehende polarisierte Licht wird nun von einem LCoS Panel in jedem Bildpunkt "bearbeitet". Bearbeitet heißt dabei, dass je nach Bildinformation die Helligkeit des Pixels angepasst wird. Dies geschieht - wie bereits aus der LCD-Technik bekannt - mit Hilfe der Drehung der Flüssigkristallmoleküle. Das Besondere an der LCoS-Technik ist, dass das Licht die Flüssigkristallschicht zwei mal durchlaufen muss. Das Licht dringt durch die Glasfläche mit Gegenelektrode in die Modulationsschicht (dort, wo sich die Moleküle des Flüssigkristalls ausrichten), wird auf der anderen Seite von hochreflektierenden Aluspiegeln zurückgeworfen und muss zurück durch die Modulationsschicht. Wurde ein Bildpunkt nicht bearbeitet (verlässt das Licht also das LCoS Panel exakt mit der selben Stärke, wie es eingetroffen ist), so wird der Lichtstrahl vom PBS zurück in die Projektionslampe projiziert. Mit anderen Worten: ein komplett schwarzes zu projizierendes Bild ist in der LCoS Technologie deshalb schwarz, weil der PBS das Licht vor der Optik zurücklenkt und somit kein Licht zur Leinwand gelangt. Folgende zwei Darstellungen sollen den Unterschied zwischen bearbeitetem Bildpunkt und nicht bearbeitetem Bildpunkt verdeutlichen.

PBS reflektiert unbearbeiteten Bildpunkt zurück zur Projektorlampe

PBS lässt bearbeiteten Bildpunkt in Richtung Leinwand passieren

Zwischen diesen beiden "Extremstellungen" gibt es stufenlos viele Zwischenstellungen, die von der Spannung zwischen den Elektroden bestimmt werden. Je nach Position gelangt mehr oder weniger Licht durch die Polarisationsteiler. So entstehen die verschiedenen Helligkeiten bei einem LCoS Projektor.

In der LCoS Technologie werden Panels auch häufig als LCoS-Chips bezeichnet. Im Folgenden wird ein solcher etwas näher betrachtet.

Aufbau eines LCoS-Chips

Wie bereits erörtert, muss das Licht die Flüssigkristallschicht zwei mal durchlaufen, da die Aluspiegel das Licht reflektieren. Die LC-Schicht muss dabei wesentlich dünner sein, als beim transmissiven LCD. Mit winzig kleinen Distanzhaltern in den Ecken jeder Zelle sorgen die meisten Hersteller dafür, dass die Modulationsschicht über die gesamte Chipfläche gleichmäßig dick bleibt. Unterschiedliche Abstände könnten zu ungleichmäßiger Farb- und Helligkeitsverteilung führen. Die Distanzhalter werden im lithographischen Verfahren aufgebaut und sind aufgrund ihrer geringen Abmessungen und der exakten Positionierung in den Ecken auf der Leinwand nicht mehr sichtbar. Durch diesen Aufbau können die einzelnen Pixel wesentlich näher zusammenrücken als bei der-LCD Technologie, wo die Adressleiterbahnen mit durchleuchtet werden. Fast unvorstellbar erscheinen die Werte um die es dabei geht: Der Abstand zwischen Glas- und Reflektionsschicht beträgt etwa 2 Mikrometer (= 2 tausendstel Millimeter). Die einzelnen hochreflektierenden Aluspiegel sind 14 x 14 Mikrometer groß und ein Nachbarspiegel ist etwa 1 Mikrometer entfernt.

Bei LCoS Chips bieten die Rückflächen der winzigen Aluspiegel Platz für die Ansteuertransistoren. Es muss allerdings durch eine Isolationsschicht (Streulichtblocker) dafür gesorgt werden, dass die lichtempfindliche Elektronik im Dunklen bleibt. Prinzipiell können auf der Siliziumfläche neben den Ansteuertransistoren und Ladekondensatoren auch noch weitere elektronische Schaltkreise untergebracht werden. Somit ist es möglich hohe Auflösungen bei bei hoher Integrationsdichte zu fertigen. Sony sowie auch JVC stehen bereits mit echten HDTV-Auflösungen (1920 x 1080) am Markt.

Normalerweise kommen beim LCoS-Projektor 3 Chips zum Einsatz - für jede Farbe ein eigener Chip. So wie bei LCD Geräten sorgt ein Prisma für die gleichzeitige deckungsgleiche Zusammenführung der drei Farblichter vor der Optik. Die 3-Chip-Technik liefert zwar ein qualitativ höherwertiges Bild, erfordert allerdings eine hohe Präzision bei der Fertigung, welche zudem sehr kostenintensiv ist.

3-Chip-Technik mit drei PBSs

Philips sowie auch andere Hersteller setzen darüberhinaus auch auf die 1-Chip-Technik. Größter Unterschied besteht dabei klarerweise in der Erzeugung der 3 Grundfarben. Dazu dient das sogenannte "Scrolling-Colour-Prinzip", welches Rot, Grün und Blau in jeweils drei Streifen blitzschnell über das Panel rollen lässt - ähnlich zur Farbrad-Methode. Einzelne Pixel des Chips öffnen sich, wenn die benötigte Farbe an der Reihe ist. Das Licht wird dann gespiegelt und durch die Projektionslinse auf die Leinwand gestrahlt. Der Vorteil bei der 1-Chip-Technik besteht darin, dass die aufwendige Justierung mehrerer Chips enfällt und somit eine kostengünstigere Fertigung möglich ist.

LCoS stellt kein patentiertes Produkt einer Firma dar - wie es beispielsweise bei DLP von Texas Instruments der Fall ist. Dadurch arbeiten bereites mehrere Hersteller mit der Fertigung von LCoS Projektoren - und im Speziellen mit der Entwicklung der Chips. Klarerweise gibt es von Hersteller zu Hersteller Abweichungen - das Grundprinzip bleibt allerdings gleich.

JVC nennt das LCoS-Prinzip D-ILA ("Direct Drive Image Light Amplifier"). Der größte Unterschied liegt dabei in der Dicke der Flüssigkristallschicht.

Colorado Microdisplay nennt ihre Entwicklung DNLCoS ("Dynamic Nematic Liquid Crystal on Silicon"). Das Unternehmen spezialisiert sich jedoch auf Display- und nicht auf Projektionstechnik.

Three-Five Systems bietet mehrere LCoS Panesl von SVGA bis SXGA an.

Siliscape hat in mit Kooperation mit Three-Five Systems das sogenannte OptiScape 3430 und 2420 entwickelt. Mit Hilfe der patentierten Anordnung von Vergrößerungslinsen, Planspiegel und Hohlspiegel ist eine Panel-Diagonale von lediglich 10 mm möglich. Die einzelnen Zellen sind unvorstellbare 11 Mikrometer groß.

Weitere Entwicklungen werden von Micro Displays Corp., Spatialight, Aurora Systems und einigen anderen verfolgt.

Weitere Informationen: http://www.hcinema.de/dila.pdf