- 背投顯示技術(shù)光路原理
- 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(shí)期，本文介紹了背投顯示技術(shù)的基本光路原理，以及當前技術(shù)背景下，幾種主要背投電視技術(shù)的應用和發(fā)展前景。并且對筆者所從事的LCOS背投領(lǐng)域做一下重點(diǎn)介紹。
1、背投顯示技術(shù)
背投(RearProjector)的定義是相對于傳統的前投(FrontProjector)而言的。二者的主要區別在于圖像光線(xiàn)的來(lái)源方式。前投系統中，觀(guān)察者和投影機位于反射屏幕的同一側，投影機投射出的光線(xiàn)照射到屏幕后，再經(jīng)過(guò)反射到達觀(guān)察者；而背投系統中，觀(guān)察者和投影機位于顯示屏幕的兩側，從投影機發(fā)出的光線(xiàn)照射到半透明的顯示屏幕上，部分透過(guò)后形成圖像，所以觀(guān)察者看到的是透射出來(lái)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)勢在于背投系統中投影機和屏幕是一個(gè)整體，用戶(hù)使用時(shí)無(wú)需進(jìn)行光學(xué)調整，像使用普通電視機一樣簡(jiǎn)單。此外背投系統中光學(xué)投影機封閉在一個(gè)箱體內，投射到屏幕上的光線(xiàn)不會(huì )受到外界光線(xiàn)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(lèi)，背投技術(shù)可以分為CRT(陰極射線(xiàn)管)、LCD(液晶)、LCOS(硅基液晶)、DLP(數字光處理)等幾種。到目前為止，CRT背投電視的技術(shù)最為成熟，生產(chǎn)規模較大，性?xún)r(jià)比高，依然是國內背投電視市場(chǎng)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(shí)間長(cháng)了，畫(huà)面會(huì )變暗，清晰度降低。鑒于此，隨著(zhù)其他三種技術(shù)的逐漸成熟，市場(chǎng)必將重新分割，誰(shuí)將占據未來(lái)市場(chǎng)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(dòng)式的投影方式。它利用外光源（金屬鹵素燈或UHP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(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前困擾業(yè)界的燈泡壽命問(wèn)題，也將得到較好的解決。目前LCD背投沒(méi)有成為市場(chǎng)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(kāi)機預熱和關(guān)機后散熱都需要時(shí)間，不能做到CRT背投那樣隨開(kāi)隨關(guān)。
LCD投影機按照液晶板的片數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)系統把光源發(fā)射的強光通過(guò)分光鏡形成R、G、B三束光，分別透射過(guò)R、G、B三色液晶板；控制信號源經(jīng)過(guò)A/D轉換調制后，加到液晶板上，通過(guò)控制液晶單元的開(kāi)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(guò)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）指數字光處理技術(shù)，這種技術(shù)要先把影像訊號經(jīng)過(guò)數字處理后再投影出來(lái)，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。其系統核心是TI（德州儀器）公司開(kāi)發(fā)的數字微鏡器件—DMD（DigitalMicromirrorDevice），DMD是顯示數字可視信息的最終環(huán)節，它是在CMOS的標準半導體制程上，加上一個(gè)可調變反射面的旋轉機構形成的器件。通常DMD芯片有約130萬(wàn)個(gè)鉸接安裝的微鏡，一個(gè)微鏡對應一個(gè)像素。DLP背投的原理是用一個(gè)積分器（Integrator）將光源均勻化，通過(guò)一個(gè)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(shí)，光反射到鏡頭上，相當于光開(kāi)關(guān)的“開(kāi)”狀態(tài)。微鏡向光源反方向傾斜時(shí)，光反射不到鏡頭上，相當于光開(kāi)關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。其灰度等級由每秒鐘光開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)次數比來(lái)決定。因此采用同步信號的方法，處理數字旋轉鏡片的電信號，將連續光轉為灰階，配合R、G、B三種顏色而將色彩表現出來(lái)，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。根據各自不同的特點(diǎn)，有著(zhù)不同的應用。其中單片式主要應用在便攜式投影產(chǎn)品，雙片式應用于大型拼接顯示墻而三片式主要應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(zhù)高亮度、高對比度的優(yōu)勢，可達到1000：1的對比度。此外，由于數字技術(shù)的采用，使圖像灰度等級提高，圖像噪聲消失，畫(huà)面質(zhì)量更穩定。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，核心部件供應量不足，成品率較低，價(jià)格昂貴，因此在一定程度上限制著(zhù)這一產(chǎn)品的發(fā)展,此外從長(cháng)遠看DLP投影技術(shù)在超高分辨率（2000線(xiàn)以上）方面受到制約。
4、LCOS背投技術(shù)
LCOS（LiquidCrystalOnSilicon）技術(shù)結合了半導體與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，而且結構簡(jiǎn)單，成本降低潛力大。雖然在目前的背投應用方面，相對于流行的LCD技術(shù)及近期熱門(mén)DLP投影技術(shù)而言，LCOS仍不能與其抗衡，短期內在這三大技術(shù)中暫時(shí)屈居第三，但是LCOS仍是相當被看好的、最具潛力的投影技術(shù)，隨著(zhù)其光學(xué)投影系統在重量、亮度上的不斷改善，必將在背投電視市場(chǎng)占據顯赫地位。此外，就我國高端背投彩電切入點(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(lái)看，在LCD技術(shù)領(lǐng)域日、韓占據著(zhù)相當大的優(yōu)勢，我國臺灣地區也只是占據了部分中、低端市場(chǎng)，DLP技術(shù)更是由TI獨家控制著(zhù)其核心器件DMD。而LCOS技術(shù)尚未成熟，此時(shí)開(kāi)發(fā)LCOS，將有機會(huì )擺脫在LCD、DLP投影技術(shù)上受制于人的情況，因此可以說(shuō)LCOS是我國在高端彩電技術(shù)上取得領(lǐng)頭地位的機會(huì )。目前我國臺灣地區廠(chǎng)商在LCOS技術(shù)開(kāi)發(fā)方面相當積極，聯(lián)電所主導的LCOS聯(lián)盟已經(jīng)比較引人注目。ＨＤＴＶ的推廣應用，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(wú)法讓光線(xiàn)直接穿過(guò),因此采用穿透式成像方式，因此其背投光學(xué)系統和LCD背投影機便產(chǎn)生了區別。通常LCOS光學(xué)系統中需要利用偏極化分光鏡（PolarizationBeamSplitter:PBS）,將入射LCOS面板的光線(xiàn)與反射的光線(xiàn)分開(kāi)。PBS是由兩個(gè)４５度等腰直角棱鏡底邊粘合的而成的棱鏡，當非線(xiàn)性偏極化光入射PBS時(shí)，PBS會(huì )反射入射光的Ｓ偏振光（垂直入射線(xiàn)平面），并且讓?zhuān)衅窆猓ㄆ叫腥肷渚€(xiàn)平面）通過(guò)。關(guān)于LCOS光學(xué)系統技術(shù)仍在起步階段，所以IBM、ColorQuad、Philip、Hologram等多家廠(chǎng)商都開(kāi)發(fā)了不同的LCOS光學(xué)引擎架構。但主要可分為單片式和三片式兩大類(lèi)，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)快速旋轉將來(lái)自光源的白光分成循序的紅、綠、藍單色光。這三原色光與驅動(dòng)程序產(chǎn)生的紅、綠、藍畫(huà)面同步，便形成分色影像。頻率足夠快時(shí)，由于人眼視覺(jué)暫留的特性，觀(guān)察者便可以看見(jiàn)彩色的投影畫(huà)面。單片式光學(xué)引擎占用空間相對小，僅需一片面板，系統架構比較簡(jiǎn)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(guò)偏極化后，亮度明顯降低，能量?jì)H僅剩余1/3。此外，由于LCOS面板要在紅、藍、綠畫(huà)面快速的切換下合成影像，對面板反應速度的要求更高。目前類(lèi)似的技術(shù)有：Displaytech的FieldSequentialColor結構、Philip的ScrollingColor-RotatingPrism結構、以及JVC的SpatialColor–Hologram結構。
2）、三片式
三片式LCOS光學(xué)引擎是目前市場(chǎng)采取的主要方式。這里以筆者曾經(jīng)調試的一套三片式LCOS光學(xué)引擎為例，介紹一下光路。以UHP燈泡為光源，光線(xiàn)首先經(jīng)兩重復眼透境使光線(xiàn)均一化，然后經(jīng)過(guò)一層PBS棱鏡和透鏡，接下來(lái)經(jīng)紅、藍、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(guò)合色系統形成彩色影像，投射到屏幕。此系統中，用到了4個(gè)方棱鏡、4個(gè)PBS棱鏡、以及兩個(gè)復眼透鏡、和幾個(gè)反射鏡。由此可見(jiàn)三片式LCOS光學(xué)引擎除了需要三片面板外，還需要結合多項的分色、合色光學(xué)系統，因此體積較大、成本也較高。但是可以達到較高的光學(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(dòng)率，而且單晶硅電路能做得很細，因此容易達到高解析度。此外，LCOS為反射式成像，不會(huì )像LCD光學(xué)引擎因光線(xiàn)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(huà)質(zhì)的特性，因此主要是朝高階的專(zhuān)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、Philips的Prism架構等。
在此再簡(jiǎn)單介紹一下LCOS顯示驅動(dòng)的特點(diǎn)。LCOS顯示技術(shù)中需要一塊內建DRAM的圖像控制芯片，主要包括脈沖時(shí)鐘發(fā)生器、行驅動(dòng)電路（移位寄存器和buffer）、列驅動(dòng)電路（移位寄存器，buffer，鎖存器）、D/A轉換器和有源象素矩陣幾部分。采用有源矩陣結構豬層寫(xiě)入數據，對于每個(gè)象素，其工作狀態(tài)相當于靜態(tài)驅動(dòng)，這樣對比度較高，幾乎沒(méi)有Cross-talk。而其灰度等級由所加的脈沖寬度決定。每一個(gè)象素對應一個(gè)開(kāi)關(guān)，并且在驅動(dòng)芯片中一般占用四層金屬，其中下面兩層金屬用來(lái)走線(xiàn)，在上面實(shí)現行和列方向的驅動(dòng)電路連接；上面兩層金屬用來(lái)做光屏蔽和反射面電極。視頻工作原理如下圖：每個(gè)象素是由一個(gè)MOS管和一個(gè)存儲電容組成。MOS管的寬長(cháng)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和液晶自身電容值（圖中Clc）決定。
驅動(dòng)電壓方面，采用了“逐場(chǎng)倒相”方式，把交互式電壓加到液晶單元，防止在單方向電場(chǎng)作用下，液晶分子極性化，電場(chǎng)取向特性實(shí)效。具體操作過(guò)程是在第一場(chǎng)信號后，翻轉數據線(xiàn)的脈沖波形，把正脈沖信號變?yōu)樨撁}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(shí)，為了省電我們在電路設計時(shí)選用了線(xiàn)性斜波的充電方式電。
驅動(dòng)電路系統結構方面，有模擬和數字兩種。模擬方式中列方向通過(guò)橫向的移位寄存器控制與視頻相連接，行方向逐行開(kāi)啟，象素矩陣通過(guò)垂直的移位寄存器控制與列線(xiàn)相連。數字方式結構中每一個(gè)象素使用一個(gè)DAC。為了解決DAC無(wú)法限制在較小的像素內問(wèn)題，我們可以加入鎖存電路從而每行使用一個(gè)DAC。
總的來(lái)說(shuō)，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(lái)幾年內仍將占據我國背投市場(chǎng)的主體；LCD就技術(shù)成熟度、應用范圍方面看，是最有機會(huì )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(huì )展出情況看，聲勢超過(guò)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)規模，本文主要闡述在背投電視中的應用，因此不在此詳細闡述）；而LCOS是最具成本優(yōu)勢潛力和圖像質(zhì)量?jì)?yōu)勢的技術(shù)，隨著(zhù)人們對顯示畫(huà)面尺寸要求提升，同時(shí)追求電視畫(huà)面更舒適、更清晰，LCOS將具有最大的優(yōu)勢。
