CRT、LCOS、DLP、LCD四種顯示技術深度解析 


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


一 、CRT


( Crystal Ray Tube) 投影技術


CRT(陰極射線管投影機 Cathode Ray Tube)技為投影術作技術領域的先驅，在 20 世紀末的投影市場占據(jù)重要的地位，早期的投影機幾乎都是采用 CRT 投影技術。CRT 作為一種技術最成熟的產(chǎn)品，其寬廣的色域是其它幾種投影機所無法媲美的！但是由于CRT 投影機的顯示和發(fā)光亮度均由 CRT 來完成，亮度和分辨率的矛盾成為制約CRT 技術在投影機市場進一步發(fā)展的主要因素。另外，CRT 投影機由紅、綠、藍三槍分別顯示，安裝調試過程非常復雜。所以現(xiàn)在的投影機市場，LCD、DLP、LCOS 等新技術早已取代了 CRT 技術的投影機。


二、LCD


(Liquid Crystal Display)投影技術


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


1) 單片 LCD 投影機


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。這個原理與教學用的那種投影儀非常相似，普通的投影機使用的均是這一原理。


2) 三片 LCD 投影機


使用三片液晶板，分別作為紅、綠、藍三原色的成像部件，每一片液晶板上都具有屏幕圖像像素點。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 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先極性化，較之沒有該棱鏡的不對稱光箱，它可以減少光線的損失。光線下一步被分光鏡分為紅、綠、藍三原色并被分別反射到相應的液晶片上。在到達液晶片之前光線還需要透過一個凸透鏡和偏振片，凸透鏡的作用是將光線集中，偏振片則進一步將光線極性化，使得光線振動方向一致，可以被液晶片控制。最后光線經(jīng)過液晶片，通過電路板驅動，液晶片上的各像素點有序開閉，產(chǎn)生了圖像，并通過每原色光的調校產(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，采用三片顯示技術，紅、綠、藍三色分別成像，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


首先在畫面顏色上，現(xiàn)在主流的 LCD 投影機都為三片機，采用紅、綠、藍三原色獨立的 LCD 板。這就可以分別地調整每個彩色通道的亮度和對比度，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 投影機比用相同瓦數(shù)光源燈的 DLP 投影機有更高的 ANSI 流明光輸出，在高亮度競爭中，LCD依然占著優(yōu)勢；最后是其價格較為便宜。


4) LCD 的 不足


LCD 投影機明顯缺點是黑色層次表現(xiàn)太差，對比度不是很高。LCD 投影機表現(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節(jié)。這點非常不適合播放電影一類的視頻，對于文字到是與 DLP 投影機差別不是很大。第二個缺點是 LCD 投影機打出的畫面看得見像素結構，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，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，使像素格子細微而不明顯，且對圖像的銳利程度不會帶來任何影響。它能使 LCD 的像素結構感覺可以減少到幾乎與 DLP 投影機一樣，但還是有點差距。


三、DLP


(Digital Light Processing) 投影技術


DLP 技術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)字微鏡設備芯片。DMD 芯片是一種復雜的光開關器件，DMD 是一塊通常有多達 130 萬個鉸接安裝的微鏡組成的矩形陣列，每個微鏡比頭發(fā)絲的 1/5 還小，一個微鏡對應一個像素。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，光反射到鏡頭上，相當于光開關的“開”狀態(tài)。當微鏡向光源反方向傾斜時，光反射不到鏡頭上，相當于光開關的“關”狀態(tài)。這就在輸入 DMD 的數(shù)字化數(shù)字圖像信號決定每個微鏡的“開”和“關”，微鏡每秒“開”或“關”幾千次。當微鏡“開”的次數(shù)比“關”的次數(shù)多時，反射得到的是一個有灰度級的亮像素，反之，反射得到的是一個有灰度級的較暗像素。這樣，DLP 投影系統(tǒng)中的微鏡能產(chǎn)生的像素就有 1024 級的灰度等級，將輸入 DMD 的視頻或圖形信號轉換成高清晰度的、高灰度等級的圖像。


△ DMD 上的兩個微鏡


根據(jù)DLP 投影機中使用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。


1) 單片 DLP 投影機


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燈、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 投影機通過在光源與 DMD 之間安裝一個色輪產(chǎn)生 REG 三色。色輪通常被分為四個區(qū)域：紅區(qū)、綠區(qū)、藍區(qū)和一個用來增加亮度的透明區(qū)域。由于透明區(qū)域會減弱色彩的飽和度，所以在某些型號的投影儀中可能會被禁用或者干脆省略掉。DMD 芯片與色輪的轉動保持同步，這樣，當色輪中藍色部分位于光源前面的時候，DMD 就顯示畫面中藍色的部分。紅色和綠色的情況也非常類似。紅、綠、藍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。在早期的型號中，每顯示一幀畫面，色輪只旋轉一周。后期的型號中，色輪按照幀速率的兩到三倍旋轉，其中也有一些型號同時將色輪上的顏色區(qū)域重復兩次，這意味著紅綠藍三色序列圖像將在一幀之中重復六次。


△ 超高壓汞燈光源 — 單片 DLP 投影機原理


△ RGB-LED 光源 — 單片 DLP 投影機原理


RGB 三色 LED 投影機，則是采用了紅綠藍色基色的 LED 發(fā)光管作為投影機的光源，這種三基色光源與微型的 DLP 光機相結合，取消了色輪的設計，色彩通過電路對 LED 發(fā)光管進行控制，通過三基色混合達到產(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，是現(xiàn)在市面上最常見，技術也較為領先的 LED 投影機產(chǎn)品，其主要優(yōu)勢是通過三色的混合，色彩表現(xiàn)力強，芯片控制 LED 發(fā)光，畫面對比較度高，最高可以達到 100000:1 的水平。亮度較高，最高亮度可以達到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


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、藍三種顏色，然后分別照射到相應的DMD 芯片上。最后，三束經(jīng)過 DMD 芯片調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 投影機只有一個 DMD 成像部件，三片式 DLP 投影系統(tǒng)可實現(xiàn)非常高的圖像質量或非常高的亮度，但成本較高，所以現(xiàn)在市場上絕大部分的DLP 投影機都是單片 DMD 芯片的。


3) DLP投影機優(yōu)點


從技術角度來看，DLP 投影機主要具有原生對比度高、機器小型化、光路采用封閉式三大特點。由于 DMD 芯片采用的是機械式工作方式，鏡片的移動可控性更高，原生對比度較高就在意料之中了。DLP 投影機采用的是反射式原理，實現(xiàn)高開口率更為簡單，相同配置的產(chǎn)品 DLP 光路系統(tǒng)更小，機器當然可以做到更小。另外，DMD 芯片采用的是半導體結構，在高溫下運作鏡片也不易發(fā)生太大的變化，所以 DLP 投影機采用封閉式光路，降低了灰塵進入了概率。


4) DLP投影機不足


DLP 投影機不足只有一個，即“彩虹效應”，具體表現(xiàn)是使用白色光源的投影機色彩被簡單地分離出明顯的紅、綠和藍三種單色，看起來像雨后彩虹一樣。這是由于用一個旋轉色輪來調制圖像色彩而產(chǎn)生的，同時因為有些人的視覺系統(tǒng)特別靈敏，能察覺出一種彩色轉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，還有些用戶可能因為色彩的迅速變化，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，它們在物理結構上就是把三個固定的紅、綠、藍圖像疊加而成。


四、LCOS


(Liquid Crystal on Silicon) 投影技術


LCOS 屬于新型的反射式 micro LCD 投影技術，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，用先進工藝磨平后鍍上鋁當作反射鏡形成 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 40%以上，而且它的最大優(yōu)勢是可利用目前廣泛使用、便宜的CMOS 制作技術來生產(chǎn)，毋需額外的投資，并可隨半導體制程快速的微細化，逐步提高解析度。LCOS 面板的結構有些類似 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，藉由電路的開關以推動液晶分子的旋轉，以決定畫面的明與暗。LCOS 面板的上基板是 ITO 導電玻璃，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是單晶硅，因此擁有良好的電子移動率，而且單晶硅可形成較細的線路，因此與現(xiàn)有的 LCD 及 DLP 投影面板相比較，LCOS 是一種很容易達到高解析度的新型投影技術。


1) 單片式LCOS投影機


光學引擎是以快速旋轉的色輪將白光形成循序的紅、藍、綠光，并將三原色光與驅動程式產(chǎn)生的紅、藍、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)點就是因為面板數(shù)僅需一片，加上分光、合光的系統(tǒng)架構比較簡單，因此在成本上較具競爭優(yōu)勢，而且光學引擎的空間也相對較小。然而目前在技術上面臨一些困難，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、綠畫面快速的切換下合成影像，因此面板反應速度的要求更高，使得生產(chǎn)的難度也相形提高。


2) 三片式LCOS投影機


三片式是將光源經(jīng)分光棱鏡將光束分為紅、藍、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)加以結合形成彩色影像。


△ 超高壓汞燈光源 — 三片式 LCOS 投影機 原理圖


3) LCOS投影機優(yōu)點


LCOS 投影技術最大的特色在于其面板的下基板采用矽晶圓 CMOS 基板，由于下基板的材質是單晶矽，擁有良好的電子移動率，而且單晶矽可形成較細的線路，因此比較容易達成高解析度的面板；其次，LCOS 為反射式技術，不會像HTPS LCD 光學引擎會因為光線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 光學引擎因為產(chǎn)品零件簡單，因此具有低成本的優(yōu)勢。


4) LCOS投影機不足


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


05四種投影元件的性能對比


注 1：主要取決于投影機所采用的光源，如對于 DLP 技術，傳統(tǒng)光源的色域較窄，但是如才用 LED 光源，其色域將大大擴展。


注 2：因沒有相關方面的資料介紹，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：易損件這一項參數(shù)的列舉是針對不同芯片相對于其它的元件出現(xiàn)故障的幾率而列舉的，并非該元件就是特別容易損壞的(或該元件在機器使用壽命終止前肯定要損壞的!)


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


CRT、LCOS、DLP、LCD四種顯示技術，你明白了嗎？