３ＬＣＤ、ＬＣＯＳ、单/3片式DLP成象原理及优缺点比较

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LCD背投显示原理及优缺点

　　LCD背投是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用了液晶的电光效应，通过加在液晶单元两端的电压大小来控制液晶分子的偏转方向，从而控制光线通过液晶单元的透过率，以产生不同灰度层次及色彩的图像。现代液晶背投大都采用3片式LCD面板。三片式LCD背投是用三块液晶面板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。光源发射出来的白色光经过镜头组后会聚到双色镜组，双色镜是在镜片上镀上多层光学膜，使某些波长的光被反射，而其余的被透射。红、绿、蓝三色光被双色镜组分离出来后投射到对应的液晶面板上，三种颜色的光在透过各自的液晶面板时，其光强被调制，然后在合光棱镜中聚合在一起，由投影镜头投射到投影幕上形成一幅生动的全彩色图像，如图1所示。三片式LCD投影机比单片式LCD投影机具有更好的图像质量和更高的亮度。


　LCD背投的光源是专用大功率灯泡，主要有超高压水银灯和金属卤化物灯，发光能力远远高于利用荧光发光的CRT投影管，但由于此类灯泡的寿命只有几千小时到不到两万小时，而价格却从一千元到几千元，所以有较高的使用成本。且大功率灯泡存在散热问题，开机的预热和关机后的散热都需要时间。此外由于光线在穿过chip的过程当中，很大一部分都被HTPS面板逐层给吸收了，所以最终透过面板的光线不足20%。又因为HTPS的控制电压的继电器必须做在每两个像素之间，所以这无形中大大占据了面板表面的有效光利用面积。直接的后果就是严重影响了开口率，开口率低直接导致对比度无法达到理想的效果。同时像素之间的“晶体管”装置直接影响了像素的间隔距离，无法使得相邻的两个像素点之间的“点距”更微小，所以HTPS的像素效应在各种固定像素投影技术中是最明显的。

另外一个缺点是，由于光源是直接位于液晶板的后方，让光线直接穿透面板来成像，所以风扇很难同时给面板及光源散热，所以一般的HTPS投影机的风扇只负责给光源散热，而面板则很难受到“主动散热方式”的照顾。由于HTPS面板的配向膜（液晶层和玻璃之间的平滑填充物）通常是有机材料提取，所以其分子结构在高温下显得异常活泼，其结果就是在持续高热下很容易被氧化。配向膜被氧化后的结果直接导致图像发黄甚至变绿，偏色现象严重。而我们平时说的HTPS面板的老化，其有机配向膜就是罪魁祸首。另外HTPS面板的液晶单元的排列方式是水平的，在不加电压的情况下无法“全黑”（完全不透光），所以其片上对比度很难突破2000 : 1。

2002年，美国德州仪器购买了美国市面上的2款DLP和5款液晶投影，委托第三方实验室MCSL作寿命测评。MCSL实验室连续7天24小时不间断播放，最终测试结果为：液晶背投持续播放一段时间后，画面会开始偏绿，蓝色逐渐消失，这是液晶面板不可避免的老化现象，而DLP则没有出现任何老化；液晶背投的液晶面板会受温度影响，存在响应速度慢、拖尾以及视角窄等问题，这也是在DLP光显上不会出现的；液晶背投的画质远不及DLP细腻，“网格”较明显；DLP光显电视高达50年的DMD芯片寿命，更是液晶背投遥不可及的。国际消费类电子巨头三星及松下/LG等已宣布停产液晶背投，全面投入到DLP光显电视的生产。 （一般来说，该技术已无多大的发展潜力，和CRT背投一样属于淘汰技术）


LCoS背投显示原理及优缺点

　　LCoS面板的结构类似于TFT LCD，一样是由电压的大小来控制液晶分子的旋转角度，以决定画面的明暗程度。LCoS面板与LCD的不同处在于下基板的材料是单晶硅，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，LCoS比较容易做到高清晰度。同时LCoS面板利用的是反射光，在下基板的单晶硅上镀有一层铝反射镜，使作为控制开关用的薄膜晶体管(TFT)位于光路之外，光利用率大幅提高，避免了LCD投影要在亮度和清晰度间平衡的问题。LCoS光学引擎目前以三片式为主，如下图所示。


将图3和图1进行简单比较后可以发现，两系统结构基本一样，只是LCoS投影系统增加了多组偏振分光镜，这是由于LCoS面板为反射显示方式，需要在分光合光系统中利用偏振分光镜(Polarization Beam Spliter；PBS)，将入射LCoS面板的光束与反射后的光束分开。PBS是由两个45度等腰直角棱镜底边粘合而成的棱镜，当偏振光入射PBS时，PBS会反射入射光的S偏振光(偏振方向垂直入射线)，并且让P偏振光(偏振方向平行入射线)通过。简单来说，上图所示的LCoS投影系统的工作原理如下，由光源所发出的白色自然光经过偏振光转换器(PBS阵列，可以将P偏振光转化成S偏振光以提高光利用率)后，转换成S偏振光，再经由双色镜(Dichroic Mirror)组后分成红、绿、蓝三色光，此三色光分别通过各自的PBS后，会反射S偏振光进入LCoS面板，当某象素显示为暗态时，其对应的液晶单元处于关态，入射于LCoS面板的S偏光将被反射回来，无法进入合光棱镜，而当某象素显示为亮态时，对应液晶单元将入射的S偏振光改变成P偏振光，使其能穿透偏振分光镜，并由合光棱镜将红、绿、蓝三原色的光信号合并成彩色图像后再投射出去。

　　LCOS技术的缺点在于黑白对比不佳、三片式LCoS光学引擎体积较大而最为复杂，且由于必须在偏振光状态下工作，所以对光路中各器件的安装精度要求特别高，如任何的偏斜都可以引起偏振态变化产生漏光，从而影响对比度和光效，且位置偏移在投影过程中有可能被放大，产生对应象素的分离，影响显示效果。目前LCoS量产技术也尚未成熟，零件供货上还不稳定。
      
      同时LCOS和3LCD的响应时间长，无法象DLP推出单片式系统，造成成本较高，而且和3LCD一样存在配向膜老化的问题，日系厂家在2001/02曾试探性推出过LCOS背投产品，但因产品缺陷全部招回


DLP背投显示原理及优缺点
     
       DLP投影机是一种反射型投影机，使用DMD（Digital Micromirror Device）数字微镜片器件作为成像源板。一个DMD单元有50~100万片微镜片聚集在CMOS硅基板上。一片微镜片表示一个象素，变换速率为1000次/秒，或更快。每一镜片的尺寸为14μm×14μm（或16μm×16μm），为便于调节其方向与角度，在其下方均设有类似铰链作用的转动装置。微镜片的转动受控于来自CMOS RAM的数字驱动信号。当数字信号被写入SRAM时，静电会激活地址电极、镜片和轭板（YOKE）以促使铰链装置转动。一旦接收到相应信号，镜片倾斜10°，从而使入射光的反射方向改变。处于投影状态的微镜片被示为“开”，并随来自SRAM的数字信号而倾斜+10°；如显微镜片处于非投影状态，则被示为“关”，并倾斜-10°。与此同时，“开”状态下被反射出去的入射光通过投影透镜将影像投影到屏幕上；而“关”状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收（因此DMD的光学引擎不需要象LCOS/SXRD那样需要多组偏振镜将入射光和反射光分离）

        简而言之，DMD的工作原理就是借助微镜装置反射需要的光，同时通过光吸收器吸收不需要的光来实现影像的投影，而其光照方向则是借助静电作用，通过控制微镜片角度来实现的。
　　
       单片式DLP投影系统包括：一个光源、一个颜色滤波系统(色轮)、一个冷却系统、及投影光学元件(DMD—数字微镜器件)，见图2。DMD是DLP背投的关键部件，可被简单描述成为一个半导体光开关。几十万到几百万个微小的方形镜片，被建造在静态随机存取存储器(SRAM)上方的铰链结构上而组成DMD。每一个镜片可以通断一个象素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜，+10度为“开”。-10度为“关”，当镜片不工作时，它们处于0度的“停泊”状态。
单片式DLP背投电视系统示意图
于成本方面的考虑，DLP背投电视一般采用单片式结构，通过一个旋转色轮，将每个电视帧分成红、绿、蓝三个时间段(或更多个时间段)分别成像，利用人眼的视觉暂留效应，合成出一幅完整的彩色图像。在每个时间段内，通过对每一个镜片下的存储单元按行列进行寻址，DMD 阵列上的每个镜片被以静电方式倾斜为开或关态，镜片可以在一秒钟内开关5000次，这样通过脉宽调制技术，可以控制每个象素处于“开”态的总时间长度，从而实现了不同灰度等级和颜色的再现。

　　以上这些特色为DLP背投带来了许多优势，如DMD的强反射表面通过消除光路上的障碍以及将更多的光线反射到屏幕上，而最大化地利用了投影机的光源，使其亮度优于LCD背投；简单轻巧的光学系统为DLP技术带来另一项优势：投影电视内的光线管理要比三片面板架构更简单，这能为它带来更黑的黑色，使其获得了高于2000：1的投影电视最高对比度。DLP的微反射镜能以每秒5,000 次速度开关，其微秒级的速度远超过LCD像素毫秒级的开关速度，LCD技术中常见的拖尾和重影现象不会在DLP技术中看到。

　　但DLP背投同样存在灯泡寿命问题；同时旋转色轮彩色实现方式会带来所谓“彩虹效应”，即当眼睛快速移过画面时，会感到暗背景下的明亮图像是由红、绿、蓝三色条构成，也就是所谓的“彩虹效应”，当然目前通过加快色轮的转动速度和新的多色色轮已基本解决了这个问题。


三片DLP背投。

　　
　　在三片DMD式投影机系统，光是通过一个色彩滤镜被分成红、绿、蓝三色光的。为了重现红、绿、蓝三色，波波三棱镜会将光分别分配给三片DMD，反射在DMD上的光借助色彩三棱镜再重新聚焦在一起，并通过透镜被投影到屏幕上。由于每一片DMD仅承担一种颜色的反射，因此相对单片式DLP系统而言，光在三片式DLP系统获得了更有效的使用。在该系统，光源的亮度越高，那么投影到屏幕上的影像画面也就越明亮。此类投影机的亮度可高达10000流明，这是人类历史上最完美的显象方式之一。



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