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拿什么享受高清之流行投影显示技术点评
2005年4月20日 11:2  来源:IT168
     背投影电视机是现代电视技术、光学技术和新材料技术结合的产物,目前主要采用的技术有CRT(Cathode Ray Tube:阴极射线管)、LCD(Liquid Crystal Display:液晶显示元件)、DLP(Digital Light Processor:数字光处理器,熟称数字光显)和LCoS(Liquid Crystal on Silicon:硅基液晶)四大类型。CRT和LCD投影机采用透射式投射方式,DLP和LCoS采用反射式投射方式,后面三种又称为微显示技术。下面我们来分别介绍:

   CRT背投成像原理及优缺点

  CRT背投工作原理与普通CRT电视机一样,发光源和成像均为CRT,只是通过一些光路设计,将成像在几英寸投影管上的图像放大投射到几十英寸的屏幕上。因此,CRT背投具有CRT技术成像的所有优点和缺点。即CRT背投对比度好、色彩饱和度佳、对信号的兼容性强,且技术十分成熟。但CRT背投毕竟是由成像面上荧光粉发光后再投影到屏幕上的,当有效扫描电子数增加到饱和状态时,再增加电子数,荧光粉发光量也增加不了多少。

  因此,与其它类型的背投电视机相比,CRT投影机在亮度方面要低得多,这一直是困绕CRT背投的主要因素。为克服亮度不足问题,CRT背投在光路设计上有意将投射光的方向集中到了屏幕中心正前方的某个位置,这就引起了观看位置受局限的问题。同样为了增加亮度,CRT背投采用红、绿、蓝三色投影管分别成像,最后在投影屏幕上叠加形成彩色图像,因此其汇聚调整比较麻烦。此外在清晰度上CRT背投也很难达到1080线,但由于其低廉的价格,在低端市场上还会占有一席之地。

  LCD背投显示原理及优缺点

  LCD背投是液晶显示技术和投影技术相结合的产物,它利用了液晶的电光效应,通过加在液晶单元两端的电压大小来控制液晶分子的偏转方向,从而控制光线通过液晶单元的透过率,以产生不同灰度层次及色彩的图像。现代液晶背投大都采用3片式LCD面板。三片式LCD背投是用三块液晶面板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。光源发射出来的白色光经过镜头组后会聚到双色镜组,双色镜是在镜片上镀上多层光学膜,使某些波长的光被反射,而其余的被透射。红、绿、蓝三色光被双色镜组分离出来后投射到对应的液晶面板上,三种颜色的光在透过各自的液晶面板时,其光强被调制,然后在合光棱镜中聚合在一起,由投影镜头投射到投影幕上形成一幅生动的全彩色图像,如图1所示。三片式LCD投影机比单片式LCD投影机具有更好的图像质量和更高的亮度。

  LCD背投的光源是专用大功率灯泡,主要有超高压水银灯和金属卤化物灯,发光能力远远高于利用荧光发光的CRT投影管,但由于此类灯泡的寿命只有几千小时到不到两万小时,而价格却从一千元到几千元,所以有较高的使用成本。且大功率灯泡存在散热问题,开机的预热和关机后的散热都需要时间。此外集成在每个像素下的薄膜晶体管(TFT)挡住了一部分光线的通过,所以LCD背投要在亮度和清晰度两方面做平衡,结果使其亮度比不过DLP,清晰度不如LCoS。 

    DLP背投显示原理及优缺点

  DLP投影系统包括:一个光源、一个颜色滤波系统(色轮)、一个冷却系统、及投影光学元件(DMD—数字微镜器件),见图2。DMD是DLP背投的关键部件,可被简单描述成为一个半导体光开关。几十万到几百万个微小的方形镜片,被建造在静态随机存取存储器(SRAM)上方的铰链结构上而组成DMD。每一个镜片可以通断一个象素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜,+10度为“开”。-10度为“关”,当镜片不工作时,它们处于0度的“停泊”状态。

  出于成本方面的考虑,DLP背投电视一般采用单片式结构,通过一个旋转色轮,将每个电视帧分成红、绿、蓝三个时间段(或更多个时间段)分别成像,利用人眼的视觉暂留效应,合成出一幅完整的彩色图像。在每个时间段内,通过对每一个镜片下的存储单元按行列进行寻址,DMD 阵列上的每个镜片被以静电方式倾斜为开或关态,镜片可以在一秒钟内开关5000次,这样通过脉宽调制技术,可以控制每个象素处于“开”态的总时间长度,从而实现了不同灰度等级和颜色的再现。

  以上这些特色为DLP背投带来了许多优势,如DMD的强反射表面通过消除光路上的障碍以及将更多的光线反射到屏幕上,而最大化地利用了投影机的光源,使其亮度优于LCD背投;简单轻巧的光学系统为DLP技术带来另一项优势:投影电视内的光线管理要比三片面板架构更简单,这能为它带来更黑的黑色,使其获得了高于2000:1的投影电视最高对比度。DLP的微反射镜能以每秒5,000 次速度开关,其微秒级的速度远超过LCD像素毫秒级的开关速度,LCD技术中常见的拖尾和重影现象不会在DLP技术中看到。

  但DLP背投同样存在灯泡寿命问题;同时旋转色轮彩色实现方式会带来所谓“彩虹效应”,即当眼睛快速移过画面时,会感到暗背景下的明亮图像是由红、绿、蓝三色条构成,当然如果不是特别留意的话是感觉不到的;此外采用数字式的脉宽调制方法实现灰度等级控制有可能带来一些数字噪声。 

  LCoS背投显示原理及优缺点

  LCoS面板的结构类似于TFT LCD,一样是由电压的大小来控制液晶分子的旋转角度,以决定画面的明暗程度。LCoS面板与LCD的不同处在于下基板的材料是单晶硅,因此拥有良好的电子移动率,而且单晶硅可形成较细的线路,因此与现有的LCD及DLP投影面板相比,LCoS比较容易做到高清晰度。同时LCoS面板利用的是反射光,在下基板的单晶硅上镀有一层铝反射镜,使作为控制开关用的薄膜晶体管(TFT)位于光路之外,光利用率大幅提高,避免了LCD投影要在亮度和清晰度间平衡的问题。LCoS光学引擎目前以三片式为主,如图3所示。 

  将进行简单比较后可以发现,两系统结构基本一样,只是LCoS投影系统增加了多组偏振分光镜,这是由于LCoS面板为反射显示方式,需要在分光合光系统中利用偏振分光镜(Polarization Beam Spliter;PBS),将入射LCoS面板的光束与反射后的光束分开。PBS是由两个45度等腰直角棱镜底边粘合而成的棱镜,当偏振光入射PBS时,PBS会反射入射光的S偏振光(偏振方向垂直入射线),并且让P偏振光(偏振方向平行入射线)通过。简单来说,图3所示的LCoS投影系统的工作原理如下,由光源所发出的白色自然光经过偏振光转换器(PBS阵列,可以将P偏振光转化成S偏振光以提高光利用率)后,转换成S偏振光,再经由双色镜(Dichroic Mirror)组后分成红、绿、蓝三色光,此三色光分别通过各自的PBS后,会反射S偏振光进入LCoS面板,当某象素显示为暗态时,其对应的液晶单元处于关态,入射于LCoS面板的S偏光将被反射回来,无法进入合光棱镜,而当某象素显示为亮态时,对应液晶单元将入射的S偏振光改变成P偏振光,使其能穿透偏振分光镜,并由合光棱镜将红、绿、蓝三原色的光信号合并成彩色图像后再投射出去。

   与LCD、DLP投影技术相比,LCoS投影技术具有高清晰度、高亮度、及低成本潜力,为投影技术的明日之星。但LCoS也有许多技术问题有待克服,比如:黑白对比不佳、三片式LCoS光学引擎体积较大,且由于必须在偏振光状态下工作,所以对光路中各器件的安装精度要求特别高,如任何的偏斜都可以引起偏振态变化产生漏光,从而影响对比度和光效,且位置偏移在投影过程中有可能被放大,产生对应象素的分离,影响显示效果。目前LCoS量产技术也尚未成熟,零件供货上还不稳定。 


 
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