CRT、LCOS、DLP、LCD四種顯示技術(shù)深度解析 


今天，我們來了解一下CRT、LCOS、DLP、LCD四種顯示技術(shù)。綜觀現(xiàn)在的投影機(jī)，從芯片的工作原理上無非就是CRT、LCD、DLP、LCOS這幾種。CRT作為一種技術(shù)最成熟的產(chǎn)品，其寬廣的色域是其它幾種投影機(jī)所無法媲美的，但其無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)導(dǎo)致其價(jià)格昂貴、笨重的體積、煩瑣的調(diào)整使其擺脫不了“廉頗老亦”的結(jié)局。目前在商業(yè)及家用市場(chǎng)，基本上被LCD、DLP投影機(jī)這兩種投影機(jī)所瓜分。


一 、CRT


( Crystal Ray Tube) 投影技術(shù)


CRT(陰極射線管投影機(jī) Cathode Ray Tube)技為投影術(shù)作技術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)，在 20 世紀(jì)末的投影市場(chǎng)占據(jù)重要的地位，早期的投影機(jī)幾乎都是采用 CRT 投影技術(shù)。CRT 作為一種技術(shù)最成熟的產(chǎn)品，其寬廣的色域是其它幾種投影機(jī)所無法媲美的！但是由于CRT 投影機(jī)的顯示和發(fā)光亮度均由 CRT 來完成，亮度和分辨率的矛盾成為制約CRT 技術(shù)在投影機(jī)市場(chǎng)進(jìn)一步發(fā)展的主要因素。另外，CRT 投影機(jī)由紅、綠、藍(lán)三槍分別顯示，安裝調(diào)試過程非常復(fù)雜。所以現(xiàn)在的投影機(jī)市場(chǎng)，LCD、DLP、LCOS 等新技術(shù)早已取代了 CRT 技術(shù)的投影機(jī)。


二、LCD


(Liquid Crystal Display)投影技術(shù)


LCD 技術(shù)是在 1968 年出現(xiàn)的，按照液晶板的片數(shù)，LCD 投影機(jī)分為單片LCD 投影機(jī)和三片 LCD 投影機(jī)。


1) 單片 LCD 投影機(jī)


原理是將 LCD 面板的背光部分拆去，然后使用大功率的背光源通過聚光鏡照射到 LCD 面板上，由于 LCD 面板是透光的，畫面就會(huì)被照射出去，通過前面的聚焦鏡及鏡頭打到屏幕上而成像。這個(gè)原理與教學(xué)用的那種投影儀非常相似，普通的投影機(jī)使用的均是這一原理。


2) 三片 LCD 投影機(jī)


使用三片液晶板，分別作為紅、綠、藍(lán)三原色的成像部件，每一片液晶板上都具有屏幕圖像像素點(diǎn)。首先光線通過濾光片，濾掉紅外線和紫外線這樣的不可見光，紅外線和紫外線對(duì) LCD 片有一定的損害作用。透過兩片多鏡頭鏡片將光線均勻化，并將燈源產(chǎn)生的圓錐形光校正為和投影圖像近似的矩形光線。在兩片鏡子之間的棱鏡用來將光線預(yù)先極性化，較之沒有該棱鏡的不對(duì)稱光箱，它可以減少光線的損失。光線下一步被分光鏡分為紅、綠、藍(lán)三原色并被分別反射到相應(yīng)的液晶片上。在到達(dá)液晶片之前光線還需要透過一個(gè)凸透鏡和偏振片，凸透鏡的作用是將光線集中，偏振片則進(jìn)一步將光線極性化，使得光線振動(dòng)方向一致，可以被液晶片控制。最后光線經(jīng)過液晶片，通過電路板驅(qū)動(dòng)，液晶片上的各像素點(diǎn)有序開閉，產(chǎn)生了圖像，并通過每原色光的調(diào)校產(chǎn)生了豐富的色彩。最后三路光線最終匯聚在一起由鏡頭投射出去。LCD 技術(shù)，采用三片顯示技術(shù)，紅、綠、藍(lán)三色分別成像，顏色還原性好，性能穩(wěn)定，圖像層次感好。


△ 超高壓汞燈光源 — 三片 LCD 顯示原理


3) LCD 的優(yōu)點(diǎn)


首先在畫面顏色上，現(xiàn)在主流的 LCD 投影機(jī)都為三片機(jī)，采用紅、綠、藍(lán)三原色獨(dú)立的 LCD 板。這就可以分別地調(diào)整每個(gè)彩色通道的亮度和對(duì)比度，投影效果非常好，能得到高度保真的色彩；其次其光效率高。LCD 投影機(jī)比用相同瓦數(shù)光源燈的 DLP 投影機(jī)有更高的 ANSI 流明光輸出，在高亮度競(jìng)爭(zhēng)中，LCD依然占著優(yōu)勢(shì)；最后是其價(jià)格較為便宜。


4) LCD 的 不足


LCD 投影機(jī)明顯缺點(diǎn)是黑色層次表現(xiàn)太差，對(duì)比度不是很高。LCD 投影機(jī)表現(xiàn)的黑色，看起來總是灰蒙蒙的，陰影部分就顯得昏暗而毫無細(xì)節(jié)。這點(diǎn)非常不適合播放電影一類的視頻，對(duì)于文字到是與 DLP 投影機(jī)差別不是很大。第二個(gè)缺點(diǎn)是 LCD 投影機(jī)打出的畫面看得見像素結(jié)構(gòu)，觀眾好像是經(jīng)過窗格子在觀看畫面。SVGA（800×600）格式的 LCD 投影機(jī)，不管屏幕圖像的尺寸大小如何，都能看得清楚像素格子，除非用分辨率更高的產(chǎn)品。現(xiàn)在 LCD 開始使用起了微透鏡陣列（MLA），可以提高 XGA 格式的 LCD板的傳輸效率，柔化像素格子，使像素格子細(xì)微而不明顯，且對(duì)圖像的銳利程度不會(huì)帶來任何影響。它能使 LCD 的像素結(jié)構(gòu)感覺可以減少到幾乎與 DLP 投影機(jī)一樣，但還是有點(diǎn)差距。


三、DLP


(Digital Light Processing) 投影技術(shù)


DLP 技術(shù)是由美國德州儀器的 Larry Hornbeck 博士所研發(fā)成功的。LarryHornbeck 博士從 1977 年開始從事運(yùn)用反射用以控制光線投射的原理研究，并于1987 年將 DMD 研究成功。


DLP投影系統(tǒng)的核心是DMD(DigitalMicromirror Device)數(shù)字微鏡設(shè)備芯片。DMD 芯片是一種復(fù)雜的光開關(guān)器件，DMD 是一塊通常有多達(dá) 130 萬個(gè)鉸接安裝的微鏡組成的矩形陣列，每個(gè)微鏡比頭發(fā)絲的 1/5 還小，一個(gè)微鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。DMD 面上的微鏡安裝在極小的絞鏈上，在 DLP 投影系統(tǒng)中，微鏡向光源傾斜時(shí)，光反射到鏡頭上，相當(dāng)于光開關(guān)的“開”狀態(tài)。當(dāng)微鏡向光源反方向傾斜時(shí)，光反射不到鏡頭上，相當(dāng)于光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。這就在輸入 DMD 的數(shù)字化數(shù)字圖像信號(hào)決定每個(gè)微鏡的“開”和“關(guān)”，微鏡每秒“開”或“關(guān)”幾千次。當(dāng)微鏡“開”的次數(shù)比“關(guān)”的次數(shù)多時(shí)，反射得到的是一個(gè)有灰度級(jí)的亮像素，反之，反射得到的是一個(gè)有灰度級(jí)的較暗像素。這樣，DLP 投影系統(tǒng)中的微鏡能產(chǎn)生的像素就有 1024 級(jí)的灰度等級(jí)，將輸入 DMD 的視頻或圖形信號(hào)轉(zhuǎn)換成高清晰度的、高灰度等級(jí)的圖像。


△ DMD 上的兩個(gè)微鏡


根據(jù)DLP 投影機(jī)中使用DMD 芯片的數(shù)量，分為單片(使用一片DMD 芯片)、三片(使用三片 DMD 芯片)DLP 投影機(jī)。


1) 單片 DLP 投影機(jī)


單片 DLP 投影儀內(nèi)部只安裝一片 DMD 芯片，其光源可采用金屬鹵素?zé)?、高壓汞燈所發(fā)出的白光或新光源（如 LED 燈）發(fā)出的 REG 三色。


采用白光光源的單片 DLP 投影機(jī)通過在光源與 DMD 之間安裝一個(gè)色輪產(chǎn)生 REG 三色。色輪通常被分為四個(gè)區(qū)域：紅區(qū)、綠區(qū)、藍(lán)區(qū)和一個(gè)用來增加亮度的透明區(qū)域。由于透明區(qū)域會(huì)減弱色彩的飽和度，所以在某些型號(hào)的投影儀中可能會(huì)被禁用或者干脆省略掉。DMD 芯片與色輪的轉(zhuǎn)動(dòng)保持同步，這樣，當(dāng)色輪中藍(lán)色部分位于光源前面的時(shí)候，DMD 就顯示畫面中藍(lán)色的部分。紅色和綠色的情況也非常類似。紅、綠、藍(lán)三種畫面按照順序以非常高的速度被投射出來，因此觀察者就能看見合成的“全彩色”畫面了。在早期的型號(hào)中，每顯示一幀畫面，色輪只旋轉(zhuǎn)一周。后期的型號(hào)中，色輪按照幀速率的兩到三倍旋轉(zhuǎn)，其中也有一些型號(hào)同時(shí)將色輪上的顏色區(qū)域重復(fù)兩次，這意味著紅綠藍(lán)三色序列圖像將在一幀之中重復(fù)六次。


△ 超高壓汞燈光源 — 單片 DLP 投影機(jī)原理


△ RGB-LED 光源 — 單片 DLP 投影機(jī)原理


RGB 三色 LED 投影機(jī)，則是采用了紅綠藍(lán)色基色的 LED 發(fā)光管作為投影機(jī)的光源，這種三基色光源與微型的 DLP 光機(jī)相結(jié)合，取消了色輪的設(shè)計(jì)，色彩通過電路對(duì) LED 發(fā)光管進(jìn)行控制，通過三基色混合達(dá)到產(chǎn)生色彩的目的，投射射到 DMD 芯片后反射到幕布。


三基色 LED 投影機(jī)，是現(xiàn)在市面上最常見，技術(shù)也較為領(lǐng)先的 LED 投影機(jī)產(chǎn)品，其主要優(yōu)勢(shì)是通過三色的混合，色彩表現(xiàn)力強(qiáng)，芯片控制 LED 發(fā)光，畫面對(duì)比較度高，最高可以達(dá)到 100000:1 的水平。亮度較高，最高亮度可以達(dá)到800 流明左右，完全可以滿足家庭高清影院的觀看需求。


2) 三片DLP投影機(jī)


三片 DLP 投影儀內(nèi)部安裝三片 DMD 芯片，光源發(fā)出的光被棱鏡分離成三路，這三路光線經(jīng)過濾光分別成為紅、綠、藍(lán)三種顏色，然后分別照射到相應(yīng)的DMD 芯片上。最后，三束經(jīng)過 DMD 芯片調(diào)制的光線借助棱鏡再重新合并成一路光線，并通過鏡頭投射到屏幕上。三片 DLP 系統(tǒng)能夠顯示 35 萬億種顏色，相比之下，單片 DLP 系統(tǒng)卻只能夠顯示 1670 萬種顏色。


一般的 DLP 投影機(jī)只有一個(gè) DMD 成像部件，三片式 DLP 投影系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)非常高的圖像質(zhì)量或非常高的亮度，但成本較高，所以現(xiàn)在市場(chǎng)上絕大部分的DLP 投影機(jī)都是單片 DMD 芯片的。


3) DLP投影機(jī)優(yōu)點(diǎn)


從技術(shù)角度來看，DLP 投影機(jī)主要具有原生對(duì)比度高、機(jī)器小型化、光路采用封閉式三大特點(diǎn)。由于 DMD 芯片采用的是機(jī)械式工作方式，鏡片的移動(dòng)可控性更高，原生對(duì)比度較高就在意料之中了。DLP 投影機(jī)采用的是反射式原理，實(shí)現(xiàn)高開口率更為簡(jiǎn)單，相同配置的產(chǎn)品 DLP 光路系統(tǒng)更小，機(jī)器當(dāng)然可以做到更小。另外，DMD 芯片采用的是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在高溫下運(yùn)作鏡片也不易發(fā)生太大的變化，所以 DLP 投影機(jī)采用封閉式光路，降低了灰塵進(jìn)入了概率。


4) DLP投影機(jī)不足


DLP 投影機(jī)不足只有一個(gè)，即“彩虹效應(yīng)”，具體表現(xiàn)是使用白色光源的投影機(jī)色彩被簡(jiǎn)單地分離出明顯的紅、綠和藍(lán)三種單色，看起來像雨后彩虹一樣。這是由于用一個(gè)旋轉(zhuǎn)色輪來調(diào)制圖像色彩而產(chǎn)生的，同時(shí)因?yàn)橛行┤说囊曈X系統(tǒng)特別靈敏，能察覺出一種彩色轉(zhuǎn)換到另一種彩色的過程，而不是像大多數(shù)人那樣靠視覺暫留現(xiàn)象把幾種單色混合成新的色彩。除了某些用戶能把色彩分離出來，還有些用戶可能因?yàn)樯实难杆僮兓?，而產(chǎn)生眼睛脹痛和頭痛的情況。但要是采用 LED 三色光源，則不存在這種問題，它們?cè)谖锢斫Y(jié)構(gòu)上就是把三個(gè)固定的紅、綠、藍(lán)圖像疊加而成。


四、LCOS


(Liquid Crystal on Silicon) 投影技術(shù)


LCOS 屬于新型的反射式 micro LCD 投影技術(shù)，它采用涂有液晶硅的CMOS集成電路芯片作為反射式 LCD 的基片，用先進(jìn)工藝磨平后鍍上鋁當(dāng)作反射鏡形成 CMOS 基板，然后將 CMOS 基板與含有透明電極之上的玻璃基板相貼合，再注入液晶封裝而成。LCOS 將控制電路放置于顯示裝置的后面，可以提高透光率，從而達(dá)到更大的光輸出和更高的分辨率。LCOS 也可視為 LCD 的一種，傳統(tǒng)的 LCD 是做在玻璃基板上，LCOS 則是做在硅晶圓片上。前者通常用穿透式投射的方式，光利用效率低，解析度不易提高；LCOS 則采用反射式投射，光利用效率可達(dá) 40%以上，而且它的最大優(yōu)勢(shì)是可利用目前廣泛使用、便宜的CMOS 制作技術(shù)來生產(chǎn)，毋需額外的投資，并可隨半導(dǎo)體制程快速的微細(xì)化，逐步提高解析度。LCOS 面板的結(jié)構(gòu)有些類似 TFT LCD，一樣是在上下二層基板中間分布 Spacer 加以隔絕后，再填充液晶于基板間形成光閥，藉由電路的開關(guān)以推動(dòng)液晶分子的旋轉(zhuǎn)，以決定畫面的明與暗。LCOS 面板的上基板是 ITO 導(dǎo)電玻璃，下基板是涂有液晶硅的 CMOS 基板，LCOS 面板最大的特色在于下基板的材質(zhì)是單晶硅，因此擁有良好的電子移動(dòng)率，而且單晶硅可形成較細(xì)的線路，因此與現(xiàn)有的 LCD 及 DLP 投影面板相比較，LCOS 是一種很容易達(dá)到高解析度的新型投影技術(shù)。


1) 單片式LCOS投影機(jī)


光學(xué)引擎是以快速旋轉(zhuǎn)的色輪將白光形成循序的紅、藍(lán)、綠光，并將三原色光與驅(qū)動(dòng)程式產(chǎn)生的紅、藍(lán)、綠畫面，同步形成分色影像，再藉由人眼視覺暫留的特性，最后在人腦產(chǎn)生彩色的投影畫面。最大優(yōu)點(diǎn)就是因?yàn)槊姘鍞?shù)僅需一片，加上分光、合光的系統(tǒng)架構(gòu)比較簡(jiǎn)單，因此在成本上較具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且光學(xué)引擎的空間也相對(duì)較小。然而目前在技術(shù)上面臨一些困難，以 Color Wheel 而言，白光經(jīng)偏極化后的光源僅為先前的 1/3，亮度明顯降低；此外，由于 LCOS 面板得在紅、藍(lán)、綠畫面快速的切換下合成影像，因此面板反應(yīng)速度的要求更高，使得生產(chǎn)的難度也相形提高。


2) 三片式LCOS投影機(jī)


三片式是將光源經(jīng)分光棱鏡將光束分為紅、藍(lán)、綠光后，再分別將光束投射入三片 LCOS 面板，將投射出的三色影像經(jīng)過合光系統(tǒng)加以結(jié)合形成彩色影像。


△ 超高壓汞燈光源 — 三片式 LCOS 投影機(jī) 原理圖


3) LCOS投影機(jī)優(yōu)點(diǎn)


LCOS 投影技術(shù)最大的特色在于其面板的下基板采用矽晶圓 CMOS 基板，由于下基板的材質(zhì)是單晶矽，擁有良好的電子移動(dòng)率，而且單晶矽可形成較細(xì)的線路，因此比較容易達(dá)成高解析度的面板；其次，LCOS 為反射式技術(shù)，不會(huì)像HTPS LCD 光學(xué)引擎會(huì)因?yàn)楣饩€穿透面板而大幅降低光利用率，因此光利率率可提高至 40%，與穿透式的 HTPS LCD 的 3%相較，可減少耗電，并可產(chǎn)生較高的亮度；最后其成本較低。LCOS 光學(xué)引擎因?yàn)楫a(chǎn)品零件簡(jiǎn)單，因此具有低成本的優(yōu)勢(shì)。


4) LCOS投影機(jī)不足


LCOS 技術(shù)本身，仍有許多技術(shù)問題有待克服，例如：黑白對(duì)比不佳、三片式 LCOS 光學(xué)引擎體積較大。雖然 LCOS 擁有一些技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，不過目前在市場(chǎng)上 LCOS 投影機(jī)仍占少數(shù)，主要問題在于量產(chǎn)技術(shù)尚未克服，零件供貨上仍不穩(wěn)定，因此 LCOS 仍需以時(shí)日才能成為投影機(jī)的主流技術(shù)。


05四種投影元件的性能對(duì)比


注 1：主要取決于投影機(jī)所采用的光源，如對(duì)于 DLP 技術(shù)，傳統(tǒng)光源的色域較窄，但是如才用 LED 光源，其色域?qū)⒋蟠髷U(kuò)展。


注 2：因沒有相關(guān)方面的資料介紹，所以該參數(shù)為類比于 LCD 的參數(shù)。


注 3：CRT 沒有開孔率這一參數(shù)，該參數(shù)為比照后三者的類比參數(shù)。


注 4：分辨率這一參數(shù)是在相同技術(shù)條件、生產(chǎn)工藝成熟的情況下的產(chǎn)品。


注 5：易損件這一項(xiàng)參數(shù)的列舉是針對(duì)不同芯片相對(duì)于其它的元件出現(xiàn)故障的幾率而列舉的，并非該元件就是特別容易損壞的(或該元件在機(jī)器使用壽命終止前肯定要損壞的!)


注 6：色輪電機(jī)僅在單片及兩片 DLP 機(jī)中存在，三片 DLP 投影機(jī)中無此元件，RGB 三原色獨(dú)立發(fā)光的單片 DLP 投影機(jī)已經(jīng)不再使用色輪。`


CRT、LCOS、DLP、LCD四種顯示技術(shù)，你明白了嗎？