背投电视技术

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
作者: atom002@sohu.com 摘 要:背投显示技术正处于蓬勃发展时期,本文介绍了背投显示技术的基本光路原理,以及当前技术背景下,几种主要背投电视技术的应用和发展前景。并且对笔者所从事的LCOS背投领域做一下重点介绍。 关键词:背投技术、液晶显示、数字光处理、硅基液晶 1、 背投显示技术 背投(Rear Projector)的定义是相对于传统的前投(Front Projector)而言的。二者的主要区别在于图像光线的来源方式。前投系统中,观察者和投影机位于反射屏幕的同一侧,投影机投射出的光线照射到屏幕后,再经过反射到达观察者;而背投系统中,观察者和投影机位于显示屏幕的两侧,从投影机发出的光线照射到半透明的显示屏幕上,部分透过后形成图像,所以观察者看到的是透射出来的光,其原理如图1: 图1:背投原理图 通常人们提到的多媒体投影机主要是指前投影机,与它们相比背投影的优势在于背投系统中投影机和屏幕是一个整体,用户使用时无需进行光学调整,像使用普通电视机一样简单。此外背投系统中光学投影机封闭在一个箱体内,投射到屏幕上的光线不会受到外界光线影响,因此在较暗或较亮的环境下都可以完好地显示图像。正是基于这些原理产生了背投电视,由于采用的不同的投影机种类,背投技术可以分为CRT(阴极射线管)、LCD(液晶)、LCOS(硅基液晶)、DLP(数字光处理)等几种。到目前为止,CRT背投电视的技术最为成熟,生产规模较大,性价比高,依然是国内背投电视市场的主流产品。但CRT背投是靠荧光粉发光,很难提升亮度,容易使显像管老化,时间长了,画面会变暗,清晰度降低。鉴于此,随着其他三种技术的逐渐成熟,市场必将重新分割,谁将占据未来市场的主流呢?下面我将分别介绍一下LCD、DLP 、LCOS三种背投电视投影技术。 2、 LCD背投技术 LCD(Liquid Crystal Display)背投的成像方式为穿透式,成像器件为液晶板,是一种被动式的投影方式。它利用外光源(金属卤素灯或UHP灯),因此只要提高灯泡的功率就可以提升亮度。它利用比较成熟的液晶投影技术,色彩还原性好,亮度和对比度都优于CRT背投。随着技术的不断发展,目前困扰业界的灯泡寿命问题,也将得到较好的解决。目前LCD背投没有成为市场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,它的开机预热和关机后散热都需要时间,不能做到CRT背投那样随开随关。 LCD 投影机按照液晶板的片数分为三片式和单片式。目前,三片式投影机是液晶板投影机的主要机种,其原理示意图如下: 三片式LCD板投影机原理是光学系统把光源发射的强光通过分光镜形成R、G、B三束光,分别透射过R、G、B三色液晶板;控制信号源经过A/D转换调制后,加到液晶板上,通过控制液晶单元的开启、闭合,从而控制R、G、B三色光路的通断,然后三色光经过合色光路,在合色棱镜中汇聚,最后经透镜投射后,在屏幕上形成彩色图像。 3、 DLP背投技术 DLP(Digital Light Processing)指数字光处理技术,这种技术要先把影像讯号经过数字处理后再投影出来,其投影显示质量很好。与LCD背投的透射式成像不同,DLP为反射方式。其系统核心是TI(德州仪器)公司开发的数字微镜器件—DMD(Digital Micro mirror Device),DMD是显示数字可视信息的最终环节,它是在CMOS的标准半导体制程上,加上一个可调变反射面的旋转机构形成的器件。通常DMD 芯片有约130万个铰接安装的微镜,一个微镜对应一个像素。DLP背投的原理是用一个积分器(Integrator)将光源均匀化,通过一个有色彩三原色的色环(Color Wheel),将光分成R、G、B三色,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。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。其灰度等级由每秒钟光开关,开关次数比来决定。因此采用同步信号的方法,处理数字旋转镜片的电信号,将连续光转为灰阶,配合R、G、B三种颜色而将色彩表现出来,最后投影成像,便可以产生高品质、高灰度等级的图像。 目前DLP的投影机主要有单片DMD机、双片DMD机和三片DMD机。根据各自不同的特点,有着不同的应用。其中单片式主要应用在便携式投影产品,双片式应用于大型拼接显示墙而三片式主要应用于超高亮度投影机。一般DLP背投电视有普通彩电4-5倍的清晰度,而且有着高亮度、高对比度的优势,可达到1000:1的对比度。此外,由于数字技术的采用,使图像灰度等级提高,图像噪声消失,画面质量更稳定。但是,德州仪器公司目前是全球DMD芯片的惟一制造商,造成投影机的供给领域薄弱,核心部件供应量不足,成品率较低,价格昂贵,因此在一定程度上限制着这一产品的发展,此外从长远看DLP投影技术在超高分辨率(2000线以上)方面受到制约。 4、 LCOS背投技术 LCOS(Liquid Crystal On Silicon)技术结合了半导体与LCD技术,其光学成像原理与DLP同为反射方式。与前述两种背投技术相比,优势在于高解析度、高亮度的特性,而且结构简单,成本降低潜力大。虽然在目前的背投应用方面,相对于流行的LCD技术及近期热门DLP投影技术而言,LCOS仍不能与其抗衡,短期内在这三大技术中暂时屈居第三,但是LCOS仍是相当被看好的、最具潜力的投影技术,随着其光学投影系统在重量、亮度上的不断改善,必将在背投电视市场占据显赫地位。此外,就我国高端背投彩电切入点来说,要建立自己的技术优势,LCOS技术是目前的首选。由显示面板来看,在LCD技术领域日、韩占据着相当大的优势,我国台湾地区也只是占据了部分中、低端市场,DLP技术更是由TI独家控制着其核心器件DMD。而LCOS技术尚未成熟,此时开发LCOS,将有机会摆脱在LCD、DLP投影技术上受制于人的情况,因此可以说LCOS是我国在高端彩电技术上取得领头地位的机会。目前我国台湾地区厂商在LCOS技术开发方面相当积极,联电所主导的LCOS联盟已经比较引人注目。HDTV的推广应用,必将加快LCOS产业化进程。 LCOS显示面板其中一面以CMOS芯片为基板,无法让光线直接穿过,因此采用穿透式成像方式,因此其背投光学系统和LCD背投影机便产生了区别。通常LCOS光学系统中需要利用偏极化分光镜(Polarization Beam Splitter: PBS), 将入射LCOS面板的光线与反射的光线分开。PBS是由两个45度等腰直角棱镜底边粘合的而成的棱镜,当非线性偏极化光入射PBS时,PBS会反射入射光的S偏振光(垂直入射线平面),并且让P偏振光(平行入射线平面)通过。关于LCOS光学系统技术仍在起步阶段,所以IBM、ColorQuad、Philip、Hologram等多家厂商都开发了不同的LCOS光学引擎架构。但主要可分为单片式和三片式两大类,如下: 1)、单片式 单片式LCOS Color Wheel光学引擎示意图如下,R、G、B色环快速旋转将来自光源的白光分成循序的红、绿、蓝单色光。这三原色光与驱动程序产生的红、绿、蓝画面同步,便形成分色影像。频率足够快时,由于人眼视觉暂留的特性,观察者便可以看见彩色的投影画面。单片式光学引擎占用空间相对小,仅需一片面板,系统架构比较简单,因此在成本上具竞争优势。然而目前在技术上也面临一些困难,以Color Wheel而言,白光经过偏极化后,亮度明显降低,能量仅仅剩余1/3。此外,由于LCOS面板要在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像,对面板反应速度的要求更高。目前类似的技术有:Displaytech的Field Sequential Color结构、Philip的Scrolling Color-Rotating Prism结构、以及JVC的Spatial Color –Hologram结构。 2)、三片式 三片式LCOS光学引擎是目前市场采取的主要方式。这里以笔者曾经调试的一套三片式LCOS光学引擎为例,介绍一下光路。以UHP灯泡为光源,光线首先经两重复眼透境使光线均一化,然后经过一层PBS棱镜和透镜,接下来经红、蓝、绿三色光的分光光路,再分别将光束投射入到三片LCOS面板,反射的三色影像经过合色系统形成彩色影像,投射到屏幕。此系统中,用到了4个方棱镜、4个PBS棱镜、以及两个复眼透镜、和几个反射镜。由此可见三片式LCOS光学引擎除了需要三片面板外,还需要结合多项的分色、合色光学系统,因此体积较大、成本也较高。但是可以达到较高的光学效率,LCOS投影技术中,其面板的下基板采用CMOS基板,其材质是单晶硅,拥有良好的电子移动率,而且单晶硅电路能做得很细,因此容易达到高解析度。此外,LCOS为反射式成像,不会像 LCD光学引擎因光线穿透面板而大幅降低光利用率,因此有很高的光利率,可以较少耗电产生较高的亮度。并且具备高画质的特性,因此主要是朝高阶的专业用途发展,目前,三片式光学引擎还有ColorLink采用的ColoRQuard架构、Philips的Prism架构等。 在此再简单介绍一下LCOS显示驱动的特点。LCOS显示技术中需要一块内建DRAM的图像控制芯片,主要包括脉冲时钟发生器、行驱动电路(移位寄存器和buffer)、列驱动电路(移位寄存器,buffer,锁存器)、D/A转换器和有源象素矩阵几部分。采用有源矩阵结构猪层写入数据,对于每个象素,其工作状态相当于静态驱动,这样对比度较高,几乎没有Cross-talk。而其灰度等级由所加的脉冲宽度决定。每一个象素对应一个开关,并且在驱动芯片中一般占用四层金属,其中下面两层金属用来走线,在上面实现行和列方向的驱动电路连接;上面两层金属用来做光屏蔽 和反射面电极。视频工作原理如下图:每个象素是由一个MOS管和一个存储电容组成。MOS管的宽长尺寸主要考虑馈通对电路逻辑性能的影响,存储电容(图中Cs)的容值由液晶的漏电常数和液晶自身电容值(图中Clc)决定。 驱动电压方面,采用了“逐场倒相”方式,把交互式电压加到液晶单元,防止在单方向电场作用下,液晶分子极性化,电场取向特性实效。具体操作过程是在第一场信号后,翻转数据线的脉冲波形,把正脉冲信号变为负脉冲信号,而保持扫描脉冲信号不变。对液晶及其存储电容进行充电时,为了省电我们在电路设计时选用了线性斜波的充电方式电。 驱动电路系统结构方面,有模拟和数字两种。模拟方式中列方向通过横向的移位寄存器控制与视频相连接,行方向逐行开启,象素矩阵通过垂直的移位寄存器控制与列线相连。数字方式结构中每一个象素使用一个DAC。为了解决DAC无法限制在较小的像素内问题,我们可以加入锁存电路从而每行使用一个DAC。 总的来说,CRT、LCD、DLP 、LCOS这几种背投电视技术各有优势。考虑到消费能力,CRT在未来几年内仍将占据我国背投市场的主体;LCD就技术成熟度、应用范围方面看,是最有机会首先取代CRT成为主流的技术;DLP是技术新贵,目前由展会展出情况看,声势超过了LCOS(尤其在便携式投影机方面,DLP已经形成一定的产业规模,本文主要阐述在背投电视中的应用,因此不在此详细阐述);而LCOS是最具成本优势潜力和图像质量优势的技术,随着人们对显示画面尺寸要求提升,同时追求电视画面更舒适、更清晰,LCOS将具有最大的优势。

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