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背投顯示技術(shù)光路原理

發(fā)布時間:2011-03-17

中心議題:
  • 背投顯示技術(shù)光路原理
解決方案:
  • LCD背投技術(shù)
  • DLP背投技術(shù)
  • LCOS背投技術(shù)

背投顯示技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展時期,本文介紹了背投顯示技術(shù)的基本光路原理,以及當(dāng)前技術(shù)背景下,幾種主要背投電視技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景。并且對筆者所從事的LCOS背投領(lǐng)域做一下重點介紹。

1、背投顯示技術(shù)

背投(RearProjector)的定義是相對于傳統(tǒng)的前投(FrontProjector)而言的。二者的主要區(qū)別在于圖像光線的來源方式。前投系統(tǒng)中,觀察者和投影機位于反射屏幕的同一側(cè),投影機投射出的光線照射到屏幕后,再經(jīng)過反射到達(dá)觀察者;而背投系統(tǒng)中,觀察者和投影機位于顯示屏幕的兩側(cè),從投影機發(fā)出的光線照射到半透明的顯示屏幕上,部分透過后形成圖像,所以觀察者看到的是透射出來的光,其原理如圖1:


圖1:背投原理圖

通常人們提到的多媒體投影機主要是指前投影機,與它們相比背投影的優(yōu)勢在于背投系統(tǒng)中投影機和屏幕是一個整體,用戶使用時無需進(jìn)行光學(xué)調(diào)整,像使用普通電視機一樣簡單。此外背投系統(tǒng)中光學(xué)投影機封閉在一個箱體內(nèi),投射到屏幕上的光線不會受到外界光線影響,因此在較暗或較亮的環(huán)境下都可以完好地顯示圖像。正是基于這些原理產(chǎn)生了背投電視,由于采用的不同的投影機種類,背投技術(shù)可以分為CRT(陰極射線管)、LCD(液晶)、LCOS(硅基液晶)、DLP(數(shù)字光處理)等幾種。到目前為止,CRT背投電視的技術(shù)最為成熟,生產(chǎn)規(guī)模較大,性價比高,依然是國內(nèi)背投電視市場的主流產(chǎn)品。但CRT背投是靠熒光粉發(fā)光,很難提升亮度,容易使顯像管老化,時間長了,畫面會變暗,清晰度降低。鑒于此,隨著其他三種技術(shù)的逐漸成熟,市場必將重新分割,誰將占據(jù)未來市場的主流呢?下面我將分別介紹一下LCD、DLP、LCOS三種背投電視投影技術(shù)。

2、LCD背投技術(shù)

LCD(LiquidCrystalDisplay)背投的成像方式為穿透式,成像器件為液晶板,是一種被動式的投影方式。它利用外光源(金屬鹵素?zé)艋騏HP燈),因此只要提高燈泡的功率就可以提升亮度。它利用比較成熟的液晶投影技術(shù),色彩還原性好,亮度和對比度都優(yōu)于CRT背投。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,目前困擾業(yè)界的燈泡壽命問題,也將得到較好的解決。目前LCD背投沒有成為市場主流的原因主要在于其高成本。此外LCD背投,限于其工作原理上的原因,它的開機預(yù)熱和關(guān)機后散熱都需要時間,不能做到CRT背投那樣隨開隨關(guān)。

LCD投影機按照液晶板的片數(shù)分為三片式和單片式。目前,三片式投影機是液晶板投影機的主要機種,其原理示意圖如下:


三片式LCD板投影機原理是光學(xué)系統(tǒng)把光源發(fā)射的強光通過分光鏡形成R、G、B三束光,分別透射過R、G、B三色液晶板;控制信號源經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換調(diào)制后,加到液晶板上,通過控制液晶單元的開啟、閉合,從而控制R、G、B三色光路的通斷,然后三色光經(jīng)過合色光路,在合色棱鏡中匯聚,最后經(jīng)透鏡投射后,在屏幕上形成彩色圖像。

3、DLP背投技術(shù)

DLP(DigitalLightProcessing)指數(shù)字光處理技術(shù),這種技術(shù)要先把影像訊號經(jīng)過數(shù)字處理后再投影出來,其投影顯示質(zhì)量很好。與LCD背投的透射式成像不同,DLP為反射方式。其系統(tǒng)核心是TI(德州儀器)公司開發(fā)的數(shù)字微鏡器件—DMD(DigitalMicromirrorDevice),DMD是顯示數(shù)字可視信息的最終環(huán)節(jié),它是在CMOS的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制程上,加上一個可調(diào)變反射面的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)形成的器件。通常DMD芯片有約130萬個鉸接安裝的微鏡,一個微鏡對應(yīng)一個像素。DLP背投的原理是用一個積分器(Integrator)將光源均勻化,通過一個有色彩三原色的色環(huán)(ColorWheel),將光分成R、G、B三色,微鏡向光源傾斜時,光反射到鏡頭上,相當(dāng)于光開關(guān)的“開”狀態(tài)。微鏡向光源反方向傾斜時,光反射不到鏡頭上,相當(dāng)于光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。其灰度等級由每秒鐘光開關(guān),開關(guān)次數(shù)比來決定。因此采用同步信號的方法,處理數(shù)字旋轉(zhuǎn)鏡片的電信號,將連續(xù)光轉(zhuǎn)為灰階,配合R、G、B三種顏色而將色彩表現(xiàn)出來,最后投影成像,便可以產(chǎn)生高品質(zhì)、高灰度等級的圖像。
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目前DLP的投影機主要有單片DMD機、雙片DMD機和三片DMD機。根據(jù)各自不同的特點,有著不同的應(yīng)用。其中單片式主要應(yīng)用在便攜式投影產(chǎn)品,雙片式應(yīng)用于大型拼接顯示墻而三片式主要應(yīng)用于超高亮度投影機。一般DLP背投電視有普通彩電4-5倍的清晰度,而且有著高亮度、高對比度的優(yōu)勢,可達(dá)到1000:1的對比度。此外,由于數(shù)字技術(shù)的采用,使圖像灰度等級提高,圖像噪聲消失,畫面質(zhì)量更穩(wěn)定。但是,德州儀器公司目前是全球DMD芯片的惟一制造商,造成投影機的供給領(lǐng)域薄弱,核心部件供應(yīng)量不足,成品率較低,價格昂貴,因此在一定程度上限制著這一產(chǎn)品的發(fā)展,此外從長遠(yuǎn)看DLP投影技術(shù)在超高分辨率(2000線以上)方面受到制約。

4、LCOS背投技術(shù)

LCOS(LiquidCrystalOnSilicon)技術(shù)結(jié)合了半導(dǎo)體與LCD技術(shù),其光學(xué)成像原理與DLP同為反射方式。與前述兩種背投技術(shù)相比,優(yōu)勢在于高解析度、高亮度的特性,而且結(jié)構(gòu)簡單,成本降低潛力大。雖然在目前的背投應(yīng)用方面,相對于流行的LCD技術(shù)及近期熱門DLP投影技術(shù)而言,LCOS仍不能與其抗衡,短期內(nèi)在這三大技術(shù)中暫時屈居第三,但是LCOS仍是相當(dāng)被看好的、最具潛力的投影技術(shù),隨著其光學(xué)投影系統(tǒng)在重量、亮度上的不斷改善,必將在背投電視市場占據(jù)顯赫地位。此外,就我國高端背投彩電切入點來說,要建立自己的技術(shù)優(yōu)勢,LCOS技術(shù)是目前的首選。由顯示面板來看,在LCD技術(shù)領(lǐng)域日、韓占據(jù)著相當(dāng)大的優(yōu)勢,我國臺灣地區(qū)也只是占據(jù)了部分中、低端市場,DLP技術(shù)更是由TI獨家控制著其核心器件DMD。而LCOS技術(shù)尚未成熟,此時開發(fā)LCOS,將有機會擺脫在LCD、DLP投影技術(shù)上受制于人的情況,因此可以說LCOS是我國在高端彩電技術(shù)上取得領(lǐng)頭地位的機會。目前我國臺灣地區(qū)廠商在LCOS技術(shù)開發(fā)方面相當(dāng)積極,聯(lián)電所主導(dǎo)的LCOS聯(lián)盟已經(jīng)比較引人注目。HDTV的推廣應(yīng)用,必將加快LCOS產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

LCOS顯示面板其中一面以CMOS芯片為基板,無法讓光線直接穿過,因此采用穿透式成像方式,因此其背投光學(xué)系統(tǒng)和LCD背投影機便產(chǎn)生了區(qū)別。通常LCOS光學(xué)系統(tǒng)中需要利用偏極化分光鏡(PolarizationBeamSplitter:PBS),將入射LCOS面板的光線與反射的光線分開。PBS是由兩個45度等腰直角棱鏡底邊粘合的而成的棱鏡,當(dāng)非線性偏極化光入射PBS時,PBS會反射入射光的S偏振光(垂直入射線平面),并且讓P偏振光(平行入射線平面)通過。關(guān)于LCOS光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)仍在起步階段,所以IBM、ColorQuad、Philip、Hologram等多家廠商都開發(fā)了不同的LCOS光學(xué)引擎架構(gòu)。但主要可分為單片式和三片式兩大類,如下:

1)、單片式

單片式LCOSColorWheel光學(xué)引擎示意圖如下,R、G、B色環(huán)快速旋轉(zhuǎn)將來自光源的白光分成循序的紅、綠、藍(lán)單色光。這三原色光與驅(qū)動程序產(chǎn)生的紅、綠、藍(lán)畫面同步,便形成分色影像。頻率足夠快時,由于人眼視覺暫留的特性,觀察者便可以看見彩色的投影畫面。單片式光學(xué)引擎占用空間相對小,僅需一片面板,系統(tǒng)架構(gòu)比較簡單,因此在成本上具競爭優(yōu)勢。然而目前在技術(shù)上也面臨一些困難,以ColorWheel而言,白光經(jīng)過偏極化后,亮度明顯降低,能量僅僅剩余1/3。此外,由于LCOS面板要在紅、藍(lán)、綠畫面快速的切換下合成影像,對面板反應(yīng)速度的要求更高。目前類似的技術(shù)有:Displaytech的FieldSequentialColor結(jié)構(gòu)、Philip的ScrollingColor-RotatingPrism結(jié)構(gòu)、以及JVC的SpatialColor–Hologram結(jié)構(gòu)。


2)、三片式

三片式LCOS光學(xué)引擎是目前市場采取的主要方式。這里以筆者曾經(jīng)調(diào)試的一套三片式LCOS光學(xué)引擎為例,介紹一下光路。以UHP燈泡為光源,光線首先經(jīng)兩重復(fù)眼透境使光線均一化,然后經(jīng)過一層PBS棱鏡和透鏡,接下來經(jīng)紅、藍(lán)、綠三色光的分光光路,再分別將光束投射入到三片LCOS面板,反射的三色影像經(jīng)過合色系統(tǒng)形成彩色影像,投射到屏幕。此系統(tǒng)中,用到了4個方棱鏡、4個PBS棱鏡、以及兩個復(fù)眼透鏡、和幾個反射鏡。由此可見三片式LCOS光學(xué)引擎除了需要三片面板外,還需要結(jié)合多項的分色、合色光學(xué)系統(tǒng),因此體積較大、成本也較高。但是可以達(dá)到較高的光學(xué)效率,LCOS投影技術(shù)中,其面板的下基板采用CMOS基板,其材質(zhì)是單晶硅,擁有良好的電子移動率,而且單晶硅電路能做得很細(xì),因此容易達(dá)到高解析度。此外,LCOS為反射式成像,不會像LCD光學(xué)引擎因光線穿透面板而大幅降低光利用率,因此有很高的光利率,可以較少耗電產(chǎn)生較高的亮度。并且具備高畫質(zhì)的特性,因此主要是朝高階的專業(yè)用途發(fā)展,目前,三片式光學(xué)引擎還有ColorLink采用的ColoRQuard架構(gòu)、Philips的Prism架構(gòu)等。

在此再簡單介紹一下LCOS顯示驅(qū)動的特點。LCOS顯示技術(shù)中需要一塊內(nèi)建DRAM的圖像控制芯片,主要包括脈沖時鐘發(fā)生器、行驅(qū)動電路(移位寄存器和buffer)、列驅(qū)動電路(移位寄存器,buffer,鎖存器)、D/A轉(zhuǎn)換器和有源象素矩陣幾部分。采用有源矩陣結(jié)構(gòu)豬層寫入數(shù)據(jù),對于每個象素,其工作狀態(tài)相當(dāng)于靜態(tài)驅(qū)動,這樣對比度較高,幾乎沒有Cross-talk。而其灰度等級由所加的脈沖寬度決定。每一個象素對應(yīng)一個開關(guān),并且在驅(qū)動芯片中一般占用四層金屬,其中下面兩層金屬用來走線,在上面實現(xiàn)行和列方向的驅(qū)動電路連接;上面兩層金屬用來做光屏蔽和反射面電極。視頻工作原理如下圖:每個象素是由一個MOS管和一個存儲電容組成。MOS管的寬長尺寸主要考慮饋通對電路邏輯性能的影響,存儲電容(圖中Cs)的容值由液晶的漏電常數(shù)和液晶自身電容值(圖中Clc)決定。


驅(qū)動電壓方面,采用了“逐場倒相”方式,把交互式電壓加到液晶單元,防止在單方向電場作用下,液晶分子極性化,電場取向特性實效。具體操作過程是在第一場信號后,翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)線的脈沖波形,把正脈沖信號變?yōu)樨?fù)脈沖信號,而保持掃描脈沖信號不變。對液晶及其存儲電容進(jìn)行充電時,為了省電我們在電路設(shè)計時選用了線性斜波的充電方式電。

驅(qū)動電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面,有模擬和數(shù)字兩種。模擬方式中列方向通過橫向的移位寄存器控制與視頻相連接,行方向逐行開啟,象素矩陣通過垂直的移位寄存器控制與列線相連。數(shù)字方式結(jié)構(gòu)中每一個象素使用一個DAC。為了解決DAC無法限制在較小的像素內(nèi)問題,我們可以加入鎖存電路從而每行使用一個DAC。

總的來說,CRT、LCD、DLP、LCOS這幾種背投電視技術(shù)各有優(yōu)勢??紤]到消費能力,CRT在未來幾年內(nèi)仍將占據(jù)我國背投市場的主體;LCD就技術(shù)成熟度、應(yīng)用范圍方面看,是最有機會首先取代CRT成為主流的技術(shù);DLP是技術(shù)新貴,目前由展會展出情況看,聲勢超過了LCOS(尤其在便攜式投影機方面,DLP已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模,本文主要闡述在背投電視中的應(yīng)用,因此不在此詳細(xì)闡述);而LCOS是最具成本優(yōu)勢潛力和圖像質(zhì)量優(yōu)勢的技術(shù),隨著人們對顯示畫面尺寸要求提升,同時追求電視畫面更舒適、更清晰,LCOS將具有最大的優(yōu)勢。
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