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LCD投影机、DLP投影机及LCOS投影机原理介绍及对比

LCD投影机、DLP投影机及LCOS投影机原理介绍及对比
LCD投影机、DLP投影机及LCOS投影机原理介绍及对比

LCD投影机、DLP投影机及LCOS投影机原理介绍及对比

根据投影机成像器件核心技术的不同,可以分为CRT(阴极射线管投影机Crystal Ray Tube)、LCD(液晶投影机Liquid Crystal Display)、LCOS(反射式液晶投影机Liquid Crystal on Silicon)和DLP(数字光学处理器投影机Digital Light Processor)四种主要类型。CRT 和LCD 投影机采用透射式投射方式,DLP 和LCOS 投影机采用反射式投射方式。

CRT(Cathode Ray Tube)技术作为投影技术领域的先驱,在20 世纪末的投影市场占据重要的地位,早期的投影机几乎都是采用CRT 投影技术。CRT作为一种技术最成熟的产品,其宽广的色域是其它几种投影机所无法媲美的!但是由于CRT 投影机的显示和发光亮度均由CRT 来完成,亮度和分辨率的矛盾成为制约CRT技术在投影机市场进一步发展的主要因素。另外,CRT 投影机由红、绿、蓝三枪分别显示,安装调试过程非常复杂。所以现在的投影机市场,LCD、DLP、LCOS等新技术早已取代了CRT技术的投影机。

一、LCD(Liquid Crystal Display)投影机

LCD技术是在1968 年出现的,按照液晶板的片数,LCD 投影机分为单片LCD投影机和三片LCD投影机。

单片LCD投影机

原理是将LCD面板的背光部分拆去,然后使用大功率的背光源通过聚光镜照射到LCD面板上,由于LCD面板是透光的,画面就会被照射出去,通过前面的聚焦镜及镜头打到屏幕上而成像。这个原理与教学用的那种投影仪非常相似,普通的投影机使用的均是这一原理。

三片LCD投影机

使用三片液晶板,分别作为红、绿、蓝三原色的成像部件,每一片液晶板上都具有屏幕图像像素点。首先光线通过滤光片,滤掉红外线和紫外线这样的不可见光,红外线和紫外线对LCD片有一定的损害作用。透过两片多镜头镜片将光线均匀化,并将灯源产生的圆锥形光校正为和投影图像近似的矩形光线。在两片镜子之间的棱镜用来将光线预先极性化,较之没有该棱镜的不对称光箱,它可以减少光线的损失。光线下一步被分光镜分为红、绿、蓝三原色并被分别反射到相应的液晶片上。在到达液晶片之前光线还需要透过一个凸透镜和偏振片,凸透镜的作用是将光线集中,偏振片则进一步将光线极性化,使得光线振动方向一致,可以被液晶片控制。最后光线经过液晶片,通过电路板驱动,液晶片上的各像素点有序开闭,产生了图像,并通过每原色光的调校产生了丰富的色彩。最后三路光线最终汇聚在一起由镜头投射出去。LCD 技术,采用三片显示技术,红、绿、

蓝三色分别成像,颜色还原性好,性能稳定,图像层次感好。

三片LCD显示原理

LCD的优点

首先在画面颜色上,现在主流的LCD投影机都为三片机,采用红、绿、蓝三原色独立的LCD板。这就可以分别地调整每个彩色通道的亮度和对比度,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 投影机比用相同瓦数光源灯的DLP投影机有更高的ANSI流明光输出,在高亮度竞争中,LCD 依然占着优势;最后是其价格较为便宜。

LCD的缺点

LCD投影机明显缺点是黑色层次表现太差,对比度不是很高。LCD投影机表现的黑色,看起来总是灰蒙蒙的,阴影部分就显得昏暗而毫无细节。这点非常不适合播放电影一类的视频,对于文字到是与DLP投影机差别不是很大。第二个缺点是LCD投影机打出的画面看得见像素结构,观众好像是经过窗格子在观看画面。SVGA(800×600)格式的LCD投影机,不管屏幕图像的尺寸大小如何,都能看得清楚像素格子,除非用分辨率更高的产品。

现在LCD开始使用起了微透镜阵列(MLA),可以提高XGA格式的LCD 板的传输效率,柔化像素格子,使像素格子细微而不明显,且对图像的锐利程度不会带来任何影响。它能使LCD的像素结构感觉可以减少到几乎与DLP投影机一样,但还是有点差距。

二、DLP(Digital Light Processing)投影机

DLP技术是由美国德州仪器的Larry Hornbeck博士所研发成功的。Larry Hornbeck博士从1977年开始从事运用反射用以控制光线投射的原理研究,并于1987年将DMD研究成功。

DLP投影系统的核心是DMD(DigitalMicromirror Device)数字微镜设备芯片。DMD 芯片是一种复杂的光开关器件,DMD 是一块通常有多达130 万个铰接安装的微镜组成的矩形阵列,每个微镜比头发丝的1/5 还小,一个微镜对应一个像素。DMD 面上的微镜安装在极小的绞链上,在DLP投影系统中,微镜向光源倾斜时,光反射到镜头上,相当于光开关的“开”状态。当微镜向光源反方向倾斜时,光反射不到镜头上,相当于光开关的“关”状态。这就在输入DMD 的数字化数字图像信号决定每个微镜的“开”和“关”,微镜每秒“开”或“关”几千次。当微镜“开”的次数比“关”的次数多时,反射得到的是一个有灰度级的亮像素,反之,反射得到的是一个有灰度级的较暗像素。这样,DLP投影系统中的微镜能产生的像素就有1024 级的灰度等级,将输入DMD 的视频或图形信号转换成高清晰度的、高灰度等级的图像。当DLP 投影系统的白光透过彩轮到达DMD 表面时,DMD 表面获得的是红、绿、蓝三色光,单片DLP 投影系统可产生1670 种色彩。三片式系统则可产生35 万亿种色彩。每个微镜的“开”和“关”状态是根据三基色调整的。例如,一个负责投影一个紫色像素的微镜只向投影屏幕反射红、蓝光,由于视觉暂留现象,我们眼睛看到的不是快速交替红、蓝的光,而是混合效果紫色光。

根据DLP 投影机中使用DMD 芯片的数量,分为单片(使用一片DMD 芯片)、三片(使用三片DMD 芯片)DLP 投影机。一般的DLP投影机只有一个DMD成像部件,三片式DLP投影系统可实现非常高的图像质量或非常高的亮度,但成本较高,所以现在市场上绝大部分的DLP投影机都是单片DMD 芯片的。

DMD上的两个微镜

DLP投影机原理

DLP投影机优点

从技术角度来看,DLP投影机主要具有原生对比度高、机器小型化、光路采用封闭式三大特点。由于DMD芯片采用的是机械式工作方式,镜片的移动可控性更高,原生对比度较高就在意料之中了。DLP投影机采用的是反射式原理,实现高开口率更为简单,相同配置的产品DLP光路系统更小,机器当然可以做到更小。另外,DMD芯片采用的是半导体结构,在高温下运作镜片也不易发生太大的变化,所以DLP投影机采用封闭式光路,降低了灰尘进入了概率。

DLP投影机缺点

DLP投影机的色彩效果依靠色轮和DMD芯片运动息息相关,单芯片DLP 投影系统采用的反射式结构,特别是在中低端产品中,单芯片DLP投影系统在图像颜色的还原上比采用三原色混合LCD投影机稍逊一筹,色彩不够鲜艳生动。

三、LCOS (Liquid Crystal on Silicon) 投影机

LCOS 属于新型的反射式micro LCD 投影技术,它采用涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片,用先进工艺磨平后镀上铝当作反射镜,形成CMOS基板,然后将CMOS基板与含有透明电极之上的玻璃基板相贴合,再注入液晶封装而成。LCOS 将控制电路放置于显示装置的后面,可以提高透光率,从而达到更大的光输出和更高的分辨率。LCOS 也可视为LCD 的一种,传统的LCD 是做在玻璃基板上,LCOS 则是做在硅晶圆片上。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 则采用反射式投射,光利用效率可达40%以上,而且它的最大优势是可利用目前广泛使用、便宜的CMOS 制作技术来生产,毋需额外的投资,并可随半导体制程快速的微细化,

逐步提高解析度。LCOS 面板的结构有些类似TFT LCD,一样是在上下二层基板中间分布Spacer加以隔绝后,再填充液晶于基板间形成光阀,藉由电路的开关以推动液晶分子的旋转,以决定画面的明与暗。LCOS 面板的上基板是ITO 导电玻璃,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质是单晶硅,因此拥有良好的电子移动率,而且单晶硅可形成较细的线路,因此与现有的LCD 及DLP 投影面板相比较,LCOS 是一种很容易达到高解析度的新型投影技术。

单片式LCOS投影机

光学引擎是以快速旋转的色轮将白光形成循序的红、蓝、绿光,并将三原色光与驱动程式产生的红、蓝、绿画面,同步形成分色影像,再藉由人眼视觉暂留的特性,最后在人脑产生彩色的投影画面。

最大优点就是因为面板数仅需一片,加上分光、合光的系统架构比较简单,因此在成本上较具竞争优势,而且光学引擎的空间也相对较小。然而目前在技术上面临一些困难,以Color Wheel而言,白光经偏极化后的光源仅为先前的1/3,亮度明显降低;此外,由于LCOS面板得在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像,因此面板反应速度的要求更高,使得生产的难度也相形提高。

三片式LCOS投影机

三片式是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后,再分别将光束投射入三片LCOS面板,将投射出的三色影像经过合光系统加以结合形成彩色影像。

三片式LCOS投影机原理图




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