干货 | 深度解度投影显示技术

[导读] 最早利用的光影技术始于十七世纪一个名为阿塔纳斯珂雪耶稣会教士发明的“魔术幻灯”,后来已经变成玩具,而它的现代名字叫投影机。最初,这种技术主要用在娱乐上,利用光与影的原理将故事放在一个屏幕上讲,有点类似于唐朝的皮影戏。但是,后来随着光影技术的发展,投影机与电影、动画分离出来。

在投影机没有出现之前,我们都以幻灯机为主。其实现在的投影机也是特殊形式的幻灯机,有学者研究表明,投影机、动画、电影的发展是分不开的。

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最早利用的光影技术始于十七世纪一个名为阿塔纳斯珂雪耶稣会教士发明的“魔术幻灯”,后来已经变成玩具,而它的现代名字叫投影机。最初,这种技术主要用在娱乐上,利用光与影的原理将故事放在一个屏幕上讲,有点类似于唐朝的皮影戏。但是,后来随着光影技术的发展,投影机与电影、动画分离出来。

投影机始祖——CRT投影技术

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CRT投影机的历史可以追溯到上世纪50年代,当时主要应用在商务飞机上,进行录像带的播放。到了80年代,个人电脑的迅速发展,使得文本和数据展示的市场需求越来越大,促使了CRT投影技术的长足发展。投影技术的应用领域开始渗透到会议室、教师和剧院等。80年代中后期,随着计算机工作站和图形处理软件的广泛应用,也就相应地产生了能投影高分辨率图形和动画的图形投影机。1989年第一台LCD投影机面世,结束了投影机市场上只有CRT一种技术的局面。1994年,家用投影市场萌芽,CRT投影机相对于当时的LCD投影机技术更成熟,因此开始进入高端家庭影院。但在1996年3LCD技术推出、第一款DLP投影机横空出世,CRT投影技术便开始走下坡路,并迅速淡出人们的视线。

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LCD投影技术

说到LCD投影技术,就必定要说到爱普生。作为液晶投影机核心的液晶芯片是整个投影系统的心脏。爱普生在液晶投影机的发展历史中最重要的贡献之一就是研制成功了世界上第一块LCD投影板芯片,并于1989年制造出世界上第一台LCD投影机VJP-2000,由此开创了LCD投影机的新时代。

经由技术和产品的不断进步,液晶投影在全球数字投影机技术中的领头羊位置也保持到了今天。和后起之秀DLP和LCOS技术先比,LCD的市场份额高达55%以上。

液晶投影技术的分类

在液晶投影机的技术演进过程中,其技术种类也出现过分化。除了现在占据绝对主流的三片式高温多晶硅液晶板(HTPS)技术外,还出现过单片式的技术、液晶光阀投影机等。

单片液晶投影机的工作原理如图:

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单片式液晶投影机以普通的小屏幕液晶显示器用面板为显示核心芯片,配以必要的其他设备组成完整的工作光路,通过镜头系统提供大尺寸的现实画面,为用户展示具有震撼力的影像效果。在光路上,这种产品受制于芯片面积过大的影响体积难以缩小,光路的总光效利用率也很低,内部的光学、机械部件的工艺结构精确在0.1mm。主要光学部件的选择时,比如投影灯泡、反光碗、反光镜、投影镜头、聚焦镜、菲涅尔镜等,拥有着成熟的产业链,能够提供良好的产品体验。

液晶光阀投影机是一种历史上出现的技术形态。它本质上是利用液晶的光学开关作用改进CRT投影机的成像效果的产物。

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液晶光阀投影机采用CRT管和液晶光阀作为成像器件。是为了CRT投影机解决图像分辨率与亮度间的矛盾而生的产品。一般的光阀主要由三部分组成:光电转换器、镜子、光调制器,它是一种可控开关。通过CRT输出的光信号照射到光电转换器上,将光信号转换为持续变化的电信号,外光源产生一束强光,投射到液晶光阀上,由内部的镜子反射,通过光调制器,偏振滤光片的处理令光阀投射光线与CRT信号相复合,投射到屏幕上形成画面。

3LCD投影技术

3LCD投影技术和液晶投影机的主流技术。其市场份额占据液晶投影机市场的绝大部分,已经成为行业内的事实性标准。

3片液晶显示投影机的光路原理,由高亮度、高色温金属卤化物灯(UHE)发出的光经抛物线型灯碗反射形成平行光线,射人第一透镜阵列(单元聚光透镜组),经第二透镜阵列(偏振光转换透镜组)提高偏振光的利用率,再经过分光光路,形成三原色三束光线,分别射人R,G,B三个液晶板,然后由一体化棱镜汇聚3色光,投影镜头将3色合成图像投影在屏幕上。

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在这一投影过程中,各种光学器件和液晶面板芯片、灯泡光源各自起着各自的作用。其中光源普遍采用金属卤素灯、UHP(Ultra-High Performance,超高性能)灯和UHE灯。金屑卤素灯成本低、价格便宜,缺陷是发热量很大、半衰期很短。半衰期是指灯的亮度下降到设计亮度一半时所用的时间。为克服金属卤素灯发热量大、半衰期短的缺陷,冷光源应运而生,出现了UHP,UHE金属卤化物灯。UHP,UHE灯比起金属卤素灯发热量小得多。此外包括激光光源、LED无机发光二极管等新型光源也成为了各家企业开发新技术的焦点对象。

除了光源外,一系列的光学器件的作用也不容小视。投影过程需要的是面状的均匀平行三原色线偏振光源。而普通灯泡发出的光线则是白色的球形圆偏振光。通过一系列透镜、楞镜和滤光镜的调整,灯泡的发出的光才能成为满足投影机投影需要的光源。

在液晶投影机的成像过程中,处于核心地位的是液晶面板芯片。在实际工作中,液晶面板芯片起着光学开关的作用。芯片上每一个独立的有源矩阵控制下的像素点能够独立变化,进而控制投射过液晶半的这一点的光线的多少。通过三块液晶板对三元的分别控制,并经过最后的画面合成,就可以成为色彩丰富、明暗变化的彩色投影画面。在经过镜头的放大投射在屏幕上,消费者就可以欣赏到如同电影一般的出色大尺寸影像了。

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LCD投影技术的芯片

液晶芯片是液晶投影机最核心的部件,。它不仅是液晶投影机重要的成本构成要素,同时更是决定着整台产品的品质性能和寿命的重要组件。

LCD是Liquid Crystal Display(液晶显示)的缩写。液晶既有液体的流动性,又有晶体的光学各向异性,常称为“液态晶体”。液晶材料工作温度为一55一十77℃。液晶分子间作用力小,在电场作用下,分子排列变化,导致液晶对光的透射率和反射率变化,称为液晶的电光效应。在液晶显示技术中,正式利用这种特殊的物质性质,将液晶材料做成可以控制光线进出的开关,进而达到成像效果的。

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液晶显示板是在两玻璃基片之间充入液晶材料,并在玻璃基片表面贴线偏振片、扫描电路、薄膜晶体管(TFT)等构成的。当某一象素的行电极加上扫描电压,薄膜晶体管(TFT)导通,该液晶象素透光。玻璃基片之间的液晶单元构成一个个光开关,控制着透过液晶的光线的多少,显示出色彩明暗的变化。

在实际的产品开发中,投影机用到的液晶面板芯片要经受住背后的灯泡发出的巨大能量(主要是热量)的考验。这就决定了液晶投影机用的液晶和普通液晶显示器、液晶电视机应用的液晶,拥有着必然的区别。目前,液晶投影机采用的主要是被称为“高温多晶硅液晶板(HTPS)”的技术。

HTPS是High Temperature Poly-Silicon的缩写,翻译成中文是“高温多晶矽”的意思,一般俗称高温玻璃。它是液晶显示家族中的一支,也属于主动点矩阵(TFT)式LCD(Active Matrix LCD)。

HTPS液晶芯片最大的特性在于持续高温工作的稳定性,这位投影机产品提高整机寿命、提升产品亮度提供了基础技术平台。同时,这一技术的产品还具有色彩还原准确、视觉感舒适的等特点。目前,该技术已经成为了全球数字投影领域最重要的组成技术。

LCD投影技术的发展瓶颈和进步

作为液晶投影技术的核心,LCD芯片的进步一直是液晶投影产业发展的风向标。

在早期的LCD液晶投影机中,寿命、亮度和体积问题成为了制约产品进步的主要问题。由于液晶投影机的核心材料是高分子的液晶材料,其在高温下的老化作用很明显。同时作为液晶面板基板的玻璃,也可能由于长时间的高分烘烤而发生光学性能的变异。这两点导致,在早期的液晶投影机,特别是上世纪的时候芯片寿命不足5000小时,这使得消费者的实际使用成本大幅增加。

早期的液晶投影机产品中,液晶芯片如何实现更加精细的TFT薄膜晶体管及其控制电路成为了液晶投影芯片小型化、高开口率化的最大难题。采用三片式设计的整个光机系统,如果不能实现芯片体积的缩小,整个产品的小型化无从谈起。而一旦芯片变小,片上控制电路组件如果不能大幅简化和缩小,则导致整个芯片可用于光学开关的面积占芯片整体的比例(开口率)的下降,进而造成光利用率的下降和亮度的降低。

此外,液晶显示的另一个特性是画面的拖尾和黑色画面的黑位欠缺。液晶分子受电磁场影响的偏转需要一定的时间,同时也具有滞后性,这导致了液晶显示产品画面的拖尾现象的出现。采用透射光路的液晶投影芯片,很难做大100%阻断光线的透过,因此产生了黑色画面不够黑的现象,整体画面的对比度和暗部细节展示受到了很大的影响。

近年来随着液晶投影机技术的不断发展,以上问题已经得到了很好的克服。在液晶投影机芯片技术的进步中,追求小尺寸、高开口率、高寿命、更高的灰阶控制精度位数以及更高的画面刷新频率是最主要的内容。目前最先进的芯片能够实现,一英寸以下的1080p像素、超过50%的开口率、12位以上的精细控制以及120HZ的超高速刷新速率。这些方面的巨大进步,令LCD液晶投影机已经进步一个崭新的发展阶段。

DLP投影技术

DLP是由德州仪器公司基于其研发的数字微镜装置(Digital MicromirrorDevice,DMD),所创造的一种真正全数字反射式的投影技术。DMD是由上百万片面积10.8×10.8微米,比头发的断面还小的微镜片所组成,每个微镜片都能将光线从两个方向反射出去;当数字信号处于“ON”状态时,微镜片会旋转至+12度,若数字信号处于“OFF”状态,微镜片会旋转至-12度。

微镜片在前后急速旋转之际形成灰阶,再搭配一颗或三颗DMD芯片,即可得到栩栩如生的彩色显示效果。配有一颗DMD芯片的DLP投影系统称为”单片DLP投影系统”,经色轮过滤后的光,至少可以生成1,670万种颜色;而采用3片式的DLPCinema投影系统则可生成3,500万种颜色。目前DLP推出最新的”极致色彩”技术,甚至能创造超过200兆种颜色。

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根据DLP投影机中包含的DMD数字微镜的片数,人们又将投影机分为单片DLP投影机,两片DLP投影机和三片DLP投影机。

目前市场上出现的DLP投影机,有许多都属于单片机,这种单片DLP投影机主要适用在各种便携式投影产品中,这种投影机的整个机身一般小于A4纸张的面积,专为流动行政人员而设计,外壳一般是典雅优美的镁合金外壳,不要看这种单片DLP投影机的体积小巧,但它的功能可强大的很呢,清晰度高、画面均匀,色彩锐利,有了这种投影机,大家要工作时,可以随时把它塞进公文包里,马上出发,直接给客户展示色彩绚丽、画面清晰的效果。

两片DLP投影机与单片DLP投影机相比,多使用了一片DMD芯片,其中一片单独控制红色光,另一片控制蓝、绿色光的反射,与单片DLP投影机相同的,使用了高速旋转的色轮来产生全彩色的投影图像,它主要应用于大型的显示墙,适用于一些大型的娱乐场合和需要大面积显示屏幕的用户。

三片DLP投影机,三片DMD芯片分别反射三原色中的一种颜色,已经不需要再使用色轮来滤光了;使用三片DMD芯片制造的投影机亮度最高可达到12000ANSI流明,它抛弃了传统意义上的会聚,可随意变焦,调整十分便利;只是分辨率不高,不经压缩分辨率只能达到1280×1024这样的标准,它常常用于对亮度要求非常高的特殊场合下。

DLP投影技术特点

作为先进的数字技术,DLP具有高清晰度、高可靠性、高防尘性、高对比度、高反应速度、高便携性、高性价比的特点:

高清晰度

DLP技术的核心是数以万计的镜片组成的数字微显镜系统,每块镜片之间的距离不到1微米,可以极度缩小投影图像像素之间的距离,生成无缝的数字化图片,在任何尺寸下都可以保持良好的锐度,不会出现其它技术造成的晶格(马赛克现象),这也是采用DLP技术投影的图像总能保持水晶般清晰的原因。

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高可靠性

DLP是数字技术,数字投影技术的优势在于能完整、忠实地重复产生影像,不会受到温度、湿气或震动等因素的影响;而DLP芯片超过10万个小时的使用寿命,确保画面不会褪色。

高防尘性

对于占国内市场份额45%以上的教育用投影机来说,最关键的一项附加功能就是防尘。采用DLP技术制造的投影机,可采全封闭式的光机设计,DLP芯片和其他部件都可以受其保护,灰尘难以接触到光路核心,从而确保图像质量不会受到灰尘影响,保持如一。

高对比度

在观看影片时,影像呈现的立体感至关重要。因为人体的视觉器官是依赖对比值来辨识物体的边缘,因此具高对比值的影像看起来更加锐利。当对比度低,暗色部位即呈模糊一片,影像显得平坦且欠缺真实感。对于教学上常用到的文本教材(PowerPoint、Excel、Word形式的档案),DLP技术的高原始对比值能够清晰、锐利的呈现文字,这是其他强调动态对比度的技术无法比拟的,因为在呈现文本内容时,投影机需要的是高”原始”对比度。

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高反应速度

DLP技术的切换速度快,仅数微秒,比液晶面板以毫秒计的反应速度快了千倍之多。正因为具备如此快的响应速度,即使是赛车或球类等高速动态影像,都不会出现拖尾现象,呈现出最清晰而逼真的影像。

高便携性

应用于教育、商务、消费市场的单芯片DLP投影机只需要一块面板,而所有其它投影技术则需要三块。因此DLP的投影系统可以做得很小,重量也相应轻了许多,为创新设计留下充分的空间。目前全球已经有三星、三菱和东芝等多家厂商推出不到一磅重的DLP口袋型投影机,开启投影机应用的新纪元。

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LCOS投影技术

LCOS投影技术是2000年以后发展起来的最新投影技术,是一种新型的反射式投影技术,与穿透式LCD和DLP相比,LCOS具有利用光效率高、体积小、开口率高、制造技术较成熟等特点,它可以很容易的实现高分辨率和充分的色彩表现。LCOS技术在日后大屏幕显示应用领域具有很大优势,其没有晶元模式,且具有开放的架构和低成本的潜力。

近几年来,在LCD业界出现了许多新技术,其中较热门的技术LCOS的最大优点是解析度很高,在携带型资讯设备的应用这个优点是其他技术无法与之看齐的。

其实Lcos相对于其他的投影技术最大的区别就在于控制光线分解及合并的光路设计部分,也就是如何通过图像中像素信息去调节RGB各分量的大小(就是调制过程)。LCD和DLP调节RGB分量使用的是光透射模式,会损失很多光线。而Lcos采用的是反射技术,光损失没那么多!而且在设计上,Lcos液晶面板的开口率也比前两种大很多,这样当然会减少功耗。

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LCOS的结构是在单晶硅上生长电晶体,利用半导体集成制作驱动面板(又称为CMOS-LCD),然后在电晶体上透过研磨技术磨平,并在上面镀铝膜电极作为反射镜,形成CMOS有源点阵基板,然后将CMOS基板与含有ITO透明电极之上玻璃基板贴合,再抽入液晶,进行封装。像素电极同时也作为反射镜,像素的尺寸一般可以做的很小约为7~20μm,开口率高达96%,对于百万像素的高分辨率的基板的大小还不到一英寸。

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面板结构面板结构面板结构面板结构LCOS(Liquid Crystal on Silicon)属于新型反射式微LCD,其结构是在硅片上“生长”液晶,利用集成电路工艺制作驱动面板(又称CMOS-LCD),经过研磨技术磨平后镀上铝当反射镜,形成CMOS基板,再将CMOS基板与含有透明电极的玻璃(ITO)极板贴合,再注入液晶,进行封装(见图 1)。在单晶硅片上集成CMOS和存贮电容器的数组,通过开孔把漏电极和像素电极连结,像素电极用铝做成反射电极。为防止强光照射沟道,加一层金属挡光层。另一侧基板是ITO电极的玻璃板。液晶层盒厚受像素尺寸限制,一般盒厚为几微米。

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LCOS投影显示技术原理

LCOS投影机的基本原理与LCD投影机相似,只是LCOS投影机是利用LCOS面板来调变由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号,当光线照射到LCOS芯片时,其反射光就受到CMOS电极和ITO电极之间电压的调制,因此LCOS芯片实际上是一种光调制器件。利用这种特性,将图像或数据信息转换为CMOS电极数组的电压,就可以实现反射光的成像。光源的光经过极化和传输系统到棱镜分光为红绿兰三种光并照射到LCOS芯片上被图像调制,调制后的光线在经光会聚系统合成后进入投影镜头并照射到屏幕上成像。

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LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板,因此无法让光线直接穿过,其分光合光系统设计和LCD投影机有些不同,通常需要在分光合光系统中利用偏极化分光镜(Polarization Beam Spliter;即PBS),将入射LCOS面板的光束与反射后的光束分开。

由光源所发出的光经由Dichroic Mirror(双色镜,即是二色过滤片)后分成R、G、B三色光,此三色光分别通过各自的PBS后,会反射S偏光进入LCOS面板,当液晶显示为亮态时,S偏光将改变成P偏光,最后以双色棱镜(Dichroic Prism,即会聚透镜)组合调变过的三道偏极光,投射至屏幕处得到影像。

LCOS调试原理

LCOS投影机图像调制原理和LCD基本相同,也是以光调制来控制投影显示图像。入射光线在分光后,经过入射偏光板(PBS),将入射光变成S偏光,经LCOS板反射调制。如果液晶经外部信号调制,处于显示亮态时,S光会变成P光,经棱镜透射后,有最多的光投射到会聚透镜会聚成像。处于显示暗电平时,S光经调制,依然还是S光输出,经棱镜没有光透射到会聚透镜,图像显示为暗电平。因此,输出到会聚透镜的光的多少是由每个像素的外部信号调制决定的。

不同投影技术比较

CRT、LCD、DLP及LCOS投影芯片的参数比较

CRT、LCD、DLP及LCOS投影芯片,各有各的技术特点,以CRT投影的色域为标准,从下图可以明显看出,LCD与其衍生出来的LCOS投影芯片的色域是非常宽广的,其色域范围要远远大于CRT及DLP芯片所能表现的范围。

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作为对于色域范围敏感的应用领域,三片式LCD及LCOS投影芯片是这些领域的首选。但由于其芯片上集成了大量的TFT(ThinFilmTransistor薄膜晶体管),在生产过程中难免有损坏、失效的TFT,其一直处在导通或截止状态,不可避免的造成了影象中出现的亮点或暗点,而且,这种损坏的TFT还随着使用时间的延长而继续增多。这是目前LCD、LCOS芯片的软肋。DLP的特点是高对比度及高可靠性。

CRT、LCD、DLP及LCOS投影元件的性能对比表:

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LCD与DLP投影影像效果比较

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