CRT、LCOS、DLP、LCD四种显示技术深度解析 


今天，我们来了解一下CRT、LCOS、DLP、LCD四种显示技术。综观现在的投影机，从芯片的工作原理上无非就是CRT、LCD、DLP、LCOS这几种。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，但其无法进行工业化生产导致其价格昂贵、笨重的体积、烦琐的调整使其摆脱不了“廉颇老亦”的结局。目前在商业及家用市场，基本上被LCD、DLP投影机这两种投影机所瓜分。


一 、CRT


( Crystal Ray Tube) 投影技术


CRT(阴极射线管投影机 Cathode Ray Tube)技为投影术作技术领域的先驱，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。


二、LCD


(Liquid Crystal Display)投影技术


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。


1) 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。


2) 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。


△ 超高压汞灯光源 — 三片 LCD 显示原理


3) 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。


4) LCD 的 不足


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。


三、DLP


(Digital Light Processing) 投影技术


DLP 技术是由美国德州仪器的 Larry Hornbeck 博士所研发成功的。LarryHornbeck 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。


△ DMD 上的两个微镜


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。


1) 单片 DLP 投影机


单片 DLP 投影仪内部只安装一片 DMD 芯片，其光源可采用金属卤素灯、高压汞灯所发出的白光或新光源（如 LED 灯）发出的 REG 三色。


采用白光光源的单片 DLP 投影机通过在光源与 DMD 之间安装一个色轮产生 REG 三色。色轮通常被分为四个区域：红区、绿区、蓝区和一个用来增加亮度的透明区域。由于透明区域会减弱色彩的饱和度，所以在某些型号的投影仪中可能会被禁用或者干脆省略掉。DMD 芯片与色轮的转动保持同步，这样，当色轮中蓝色部分位于光源前面的时候，DMD 就显示画面中蓝色的部分。红色和绿色的情况也非常类似。红、绿、蓝三种画面按照顺序以非常高的速度被投射出来，因此观察者就能看见合成的“全彩色”画面了。在早期的型号中，每显示一帧画面，色轮只旋转一周。后期的型号中，色轮按照帧速率的两到三倍旋转，其中也有一些型号同时将色轮上的颜色区域重复两次，这意味着红绿蓝三色序列图像将在一帧之中重复六次。


△ 超高压汞灯光源 — 单片 DLP 投影机原理


△ RGB-LED 光源 — 单片 DLP 投影机原理


RGB 三色 LED 投影机，则是采用了红绿蓝色基色的 LED 发光管作为投影机的光源，这种三基色光源与微型的 DLP 光机相结合，取消了色轮的设计，色彩通过电路对 LED 发光管进行控制，通过三基色混合达到产生色彩的目的，投射射到 DMD 芯片后反射到幕布。


三基色 LED 投影机，是现在市面上最常见，技术也较为领先的 LED 投影机产品，其主要优势是通过三色的混合，色彩表现力强，芯片控制 LED 发光，画面对比较度高，最高可以达到 100000:1 的水平。亮度较高，最高亮度可以达到800 流明左右，完全可以满足家庭高清影院的观看需求。


2) 三片DLP投影机


三片 DLP 投影仪内部安装三片 DMD 芯片，光源发出的光被棱镜分离成三路，这三路光线经过滤光分别成为红、绿、蓝三种颜色，然后分别照射到相应的DMD 芯片上。最后，三束经过 DMD 芯片调制的光线借助棱镜再重新合并成一路光线，并通过镜头投射到屏幕上。三片 DLP 系统能够显示 35 万亿种颜色，相比之下，单片 DLP 系统却只能够显示 1670 万种颜色。


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。


3) 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。


4) DLP投影机不足


DLP 投影机不足只有一个，即“彩虹效应”，具体表现是使用白色光源的投影机色彩被简单地分离出明显的红、绿和蓝三种单色，看起来像雨后彩虹一样。这是由于用一个旋转色轮来调制图像色彩而产生的，同时因为有些人的视觉系统特别灵敏，能察觉出一种彩色转换到另一种彩色的过程，而不是像大多数人那样靠视觉暂留现象把几种单色混合成新的色彩。除了某些用户能把色彩分离出来，还有些用户可能因为色彩的迅速变化，而产生眼睛胀痛和头痛的情况。但要是采用 LED 三色光源，则不存在这种问题，它们在物理结构上就是把三个固定的红、绿、蓝图像叠加而成。


四、LCOS


(Liquid Crystal on Silicon) 投影技术


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。


1) 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。


2) 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。


△ 超高压汞灯光源 — 三片式 LCOS 投影机 原理图


3) LCOS投影机优点


LCOS 投影技术最大的特色在于其面板的下基板采用矽晶圆 CMOS 基板，由于下基板的材质是单晶矽，拥有良好的电子移动率，而且单晶矽可形成较细的线路，因此比较容易达成高解析度的面板；其次，LCOS 为反射式技术，不会像HTPS LCD 光学引擎会因为光线穿透面板而大幅降低光利用率，因此光利率率可提高至 40%，与穿透式的 HTPS LCD 的 3%相较，可减少耗电，并可产生较高的亮度；最后其成本较低。LCOS 光学引擎因为产品零件简单，因此具有低成本的优势。


4) LCOS投影机不足


LCOS 技术本身，仍有许多技术问题有待克服，例如：黑白对比不佳、三片式 LCOS 光学引擎体积较大。虽然 LCOS 拥有一些技术上的优势，不过目前在市场上 LCOS 投影机仍占少数，主要问题在于量产技术尚未克服，零件供货上仍不稳定，因此 LCOS 仍需以时日才能成为投影机的主流技术。


05四种投影元件的性能对比


注 1：主要取决于投影机所采用的光源，如对于 DLP 技术，传统光源的色域较窄，但是如才用 LED 光源，其色域将大大扩展。


注 2：因没有相关方面的资料介绍，所以该参数为类比于 LCD 的参数。


注 3：CRT 没有开孔率这一参数，该参数为比照后三者的类比参数。


注 4：分辨率这一参数是在相同技术条件、生产工艺成熟的情况下的产品。


注 5：易损件这一项参数的列举是针对不同芯片相对于其它的元件出现故障的几率而列举的，并非该元件就是特别容易损坏的(或该元件在机器使用寿命终止前肯定要损坏的!)


注 6：色轮电机仅在单片及两片 DLP 机中存在，三片 DLP 投影机中无此元件，RGB 三原色独立发光的单片 DLP 投影机已经不再使用色轮。`


CRT、LCOS、DLP、LCD四种显示技术，你明白了吗？