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干货:投影技术三种路线详细介绍

 
发表在 投影仪百科 2016-9-18 19:03
现在主流智能投影仪产品按照技术分类,主要分为3类:3LCD、LCOS、DLP。其中,3LCD是日系品牌爱普生、索尼为代表传统投影仪所应用的液晶透射技术方案;LCOS是基于LCD技术改进的液晶反射技术方案,目前使用还非常少;DLP方案是基于TI公司的DLP芯片的机械反光阵列方案,已经被越来越多产品采用,基本已经成为事实上的标准。我们将对不同技术方案进行介绍和分析。

干货:投影技术三种路线详细介绍

3LCD技术

2.1. 技术背景及来源


3片式HTPS LCD液晶板,简称3LCD,诞生于1987年。3LCD投影机的核心技术主要掌握在爱普生和索尼这两家公司的手中,但是由于索尼不出售3LCD的相关技术,所以市面上除了索尼之外其他的所有3LCD液晶投影机的芯片均由爱普生提供。

目前采用3LCD技术的投影机品牌主要有爱普生、索尼、三洋、日立、三菱、松下、NEC、夏普等日系厂商。

2.2. 技术原理

3LCD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。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。总结来说:

颜色控制方面——使用分色镜对白光光源进行RGB分离,再通过不同灰度的三色组合,形成各种颜色。

像素控制方面——每个HTPS都含有上百万的液态晶体,每个晶体对应一个像素点,可以独立的控制光线进出,形成独立像素图案。

灰度控制方面——液态晶体可被配置为开、关、或部分关闭的状态来允许光线透过。不同的开启状态影响光线通过量,从而改变每个像素点的灰度。

整个3LCD光机组成部件包括:高压泵灯,积分器照明系统和偏光转环元件,分色镜,液晶面板,棱镜和投射透镜/防尘玻璃等部分,各部分主要功能大概如下:

1、高压泵灯:提供白色光源,其工作压力设定在200大气压以上, 光源尺寸向直径方向收缩, 在实用的光源灯电压下可以实现短弧光化, 因此接近于点光源, 便于光学系统的设计。

2、积分器照明系统和偏光转环元件:通过"第1透镜阵列", "第2透镜阵列", 将从光源灯发出的光线明亮地照射到屏幕的各个边角,并且将从光源灯发出的光中横波变为纵波, 从而使尽量多的光线通过后续HTPS组件。采用该技术后, 亮度提高了约1.5倍。

3、分色镜:将从光源灯发出的光分离成红, 绿, 蓝三原色,它是在基础玻璃板上涂刷一层能够反射特定波长范围的薄膜后形成的。普通3LCD投影机中使用了2块这种反射镜,分别完成从白光到红光和蓝绿光,以及从蓝绿光到蓝光和绿光的分光步骤。

4、3LCD液晶材料选择HTPS,全称是High Temperature Poly-Silicon (高温聚硅), 它是有源矩阵驱动方式的透过型LCD。HTPS具有小型, 高精细, 高对比度, 驱动器可内置等特点,其主要用途是投影机用灯泡。

5、棱镜:分色棱镜能够将红, 绿, 蓝三原色在各自的LCD(HTPS)上绘制相应的RGB图像,重新合成为彩色图像。为了实现此功能, 棱镜通过4根三角柱组合, 形成长方体状。

6、投射透镜/防尘玻璃:为防止划伤TFT基板和附着污物而粘贴在屏面上的玻璃。

2.3. 技术特点

3LCD技术有优点包括:
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3LCD技术有缺点包括:

1、原声对比度低:因为HTPS采用透射式光路,开口率最高也仅为75%,光线经过之时有一定的损耗,利用程度不高,因此产生黑色画面不够黑的现象,画面的对比度自然便偏低了。

2、防尘及液晶使用寿命问题:HTPS是采用高温多晶硅组成的,这种高分子液晶材料长期在高温下以及尘埃环境下工作有老化的过程。为了解决高温,需要引入风扇散热,从而无法实现密封环境,因此液晶无可避免的将发生画面效果降低和寿命老化。

3、产品体积较大:受限于HTPS通过率不足,HTPS芯片不能做的很小,光路系统的体积难以缩小,投影机整体体积、重量都相对较大。

2.4. 技术发展趋势

3LCD最急需解决的问题在于液晶透光率和防尘老化问题,这是3LCD技术努力革新的方向。从未来的发展来看,3LCD还将在高亮度、小型化、提升面板寿命和图像刷新频率上继续努力,这也是3LCD一直努力的方向。从长期的发展来看,3LCD投影机还将会继续在开口率、材料选用方面努力。只有提高了开口率,才能将光机做的更小,迎来更广阔的市场空间。也只有改善HTPS是材料,才能解决液晶面板老化,需要防尘罩的尴尬。

LCOS技术

3.1. 技术背景及来源

LCOS技术是“硅基液晶”(Liquid Crystal on Silicon)技术的缩写名称,属于新型的反射式micro LCD投影技术,其结构是在矽晶圆上长电晶体,利用半导体制程制作驱动面板(又称为CMOS -LCD),是基于此前LCD技术的升级。

首批成型产品是由Aurora Systems公司于2000年开发出的,也有相当多公司后续跟进。但由于成本过高问题一直没解决,最近几年没有太大的发展,仅有几家高端投影机厂商使用。在家用投影仪市场上,索尼、JVC、LG等会采用LCOS技术。

3.2. 技术原理


LCOS可视为LCD的一种,但传统的LCD是做在玻璃基板上,但LCOS则是长在矽晶圆上。LCOS结构是在矽晶圆上长电晶体,利用半导体制程制作驱动面板(又称为CMOS -LCD),然后在电晶体上透过研磨技术磨平,并镀上铝当作反射镜,形成CMOS基板,然后将CMOS基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合,再抽入液晶,进行封装测试。

LCOS利用CMOS半导体制程,将电路及平面的反射镜做在非常平滑的硅芯片上做为基础,然后再于此一平面的硅基上涂布LCD,并将液晶着床于硅芯片之上,然后再覆上一片非常薄的玻璃。实际应用时,是把光线由外部投射至芯片之上,再由芯片上面那层LCD的明暗变化来决定要反射多少的光线出去,而此一反射率之变化则是受到影像讯号的调制;因此,只要把影像讯号加诸于硅芯片,经由芯片反射出来的光线就会随着视讯产生变化,再经由透镜投射至银幕。

LCOS投影技术分为单片式和三片式两种。三片式的LCOS成像系统,首先将投影机灯泡发出的白色光线,通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线,然后,每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上,系统通过控制LCOS面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱,最后经过LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线,经过投影机镜头照射到屏幕上,形成彩色的图像。

不论从颜色控制、像素控制还是灰度控制,LCOS技术与3LCD技术几乎都相当,主要不同点在于3LCD采用液晶投射方案,而LCOS采用液晶反射方案。

3.3. 技术特点

LCOS技术有优点包括:
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LCOS技术有缺点包括:


1、加工工艺复杂,良率过低:由于LCOS在开发中涉及整个元件的设计、制造到光学系统的整合,有较高的技术门槛。且每个业者所开发的LCOS,各有专用的ASIC、光学引擎等,零组件和生产各自为阵,无法标准化,目前加工良率仍然过低。

2、成本高昂:大量元件无法标准化,因此很难达到量产的经济规模,加上良率难以提升,整体成本过高。

3.4. 技术发展趋势

LCOS技术的优点在于色彩饱和度、对比度、亮度、分辨率等非常高。但这样的画质和色彩表现,通常需要复杂的工艺和高成本作为支撑。因此各公司将提升良率降低成本作为最主要的发展方向。

DLP技术

4.1. 技术背景及来源


DLP的全称是Digital Light Processing,中文意思为“数字光学处理技术”。DLP投影机的核心元器件DMD,全称为Digital Micromirror Device,中文意思为“数据微镜装置”,通过控制从而镜片的开启和偏转达到显示图像的目的。

DLP技术是由美国德州仪器的Larry Hornbeck博士所研发成功的。Larry Hornbeck博士于1987年将DMD研究成功,到了1993年这种以DMD为核心的光学系统才被命名为DLP。最早的DMD芯片使用的是模拟技术驱动,反射面是采用一种柔性材料,在当时被称为“变形镜器件Deformable Mirror De-vice”。10年之后,Hornbeck博士正式以数字控制技术取代模拟技术,开发出了新一代DMD器件,并将名称改为“数码微镜器件(Digital Micromirror Device)”。1993年DLP投影机开始研发,1996年DLP产品才上市,而国内的DLP投影机正式进入市场销售则是1999年之后的事情了。

作为DLP技术的拥有者,德州仪器并不生产投影机等终端产品,而仅仅为厂商提供DMD芯片和视频处理芯片,这在一定程度上保证了DLP投影机市场的竞争的公平性。目前世界上非日系投影机品牌大多采用DLP技术,在日系品牌中包括三菱、日立、夏普等品牌中DLP投影机也占据了较为重要的位置。

4.2. 技术原理

与LCD显示方式类似,DLP技术也分为单芯片DLP和三芯片DLP,三芯片方案色彩对比度和明亮度显著优于单芯片方案,但成本过高,多应用于特殊场景。目前,单芯片DLP方案应用较多。

DLP方案中核心部件为DMD芯片和色轮。

1、DMD芯片

DMD是DLP方案中最核心的组件,该器件是一种双稳态空间光调制器,由一个按功能安装在CMOS存储单元微镜阵列组成。通过把数据装入位于微镜下方存储单元来独立控制微镜,以引导反射光并把一个视频数据像素空间映射到显示器的一个像素。

DMD是一种整合的微机电上层结构电路单元,利用COMS SRAM记忆晶胞所制成。DMD上层结构的制造是从完整CMOS内存电路开始,再透过光罩层的使用,制造出铝金属层和硬化光阻层交替的上层结构,铝金属层包括地址电极、绞链(hinge)、轭(yoke)和反射镜,硬化光阻层做为牺牲层(sacrificiallayer),用来形成两个空气间隙。铝金属经过溅镀沉积及等离子蚀刻处理,牺牲层则经过等离子去灰(plasma—ashed)处理,制造出层间的空气间隙。

如果从技术角度来看,DMD芯片的构造包括了电子电路、机械和光学三个方面。其中电子电路部分为控制电路,机械部分为控制镜片转动的结构部分,光学器件部分便是指镜片部分。当DMD正常工作的时候,光线经过DMD芯片,DMD表面布满了体积微小的可转动镜片便会通过转动来反射光线,每个镜片的旋转都是由电路来控制的。每个镜子一次旋转只反射一种颜色,高频旋转之下形成视觉暂留效应,观众实际感知快速闪动的三原色光混合的颜色。

2、色轮(COLOR WHEEL)

它在DLP投影机中的作用是色彩的分离和处理,色轮通过高速旋转将复合光过滤成红、绿、蓝三原色光。

色轮的表面是非常薄的金属层,这层金属层采用的是真空镀膜技术,镀膜的厚度根据红绿蓝三色的光谱波长相对应。白色光通过金属镀膜层时,所对应的光谱波长的色彩将透过色轮,其它色彩则被阻挡和吸收,从而完成对白色光的分离和过滤。总结来说:

颜色控制方面——使用高速转动的色轮分别将光源光线变成RGB或者其他色域基色,再通过时间维度混合,利用人眼视觉暂留效应,形成各种颜色效果。

像素控制方面——DMD微镜阵列每一个微镜对应一个像素点,可以独立的控制光线进出,形成独立像素图案。

灰度控制方面——DMD微镜“0N”状态的反射镜看起来非常明亮,“0FF”状态的反射镜看起来很黑暗,利用二位脉冲宽度调变可以得到灰阶效果。

可以说,整个DLP方案都是基于TI公司的设计,虽然色轮及其他部件都有其他供应商,但核心DMD芯片目前只掌握在TI手中。

4.3. 技术特点

DLP技术优点包括:
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DLP技术有缺点包括:

1、色彩效果低、可能有彩虹效应: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。此外,低速色轮还可能造成红绿蓝拖影的彩虹效应。

2、老型号芯片分辨率低,新芯片支持4K但价格较高:受限于机械加工精度,DMD芯片过去最高只能实现1K分辨率。TI近年来大力投入支持4K的新产品,2016年发布DLP660TE产品,目前已经稳定供货,但售价高于普通DLP芯片80%左右。

4.4. 技术发展趋势

DLP技术进一步将通过推进3DLP方案改善色彩效果,增强对4K高清支持能力,同时还需要兼顾成本,以保持性价比优势。

此外,TI公司在DLP领域内绝对垄断地位,对于产业长期发展是不利的。丰厚的利润将吸引更多半导体公司进入到DLP领域,增加供应商的多样性。

投影技术三种路线对比和市场趋势

整体对比来看,目前主流的三种投影技术体系,各自都有一定的优点和不足,我们进行对比分析。DLP方案从技术能力和性价比方面都占据较大优势,加上市场推广成功,争取到了产业链大部分厂商的支持。我们判断,未来投影技术方案将成为DLP方案一家独大的局面。

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点评

解惑了  发表于 2018-5-11 10:11
很详细  发表于 2018-5-11 10:10


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cdixeji高级投影控 发表于 2016-10-6 20:02 显示全部楼层
未来投影技术方案将成为DLP方案一家独大的局面
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TTMM888入门级投影控 发表于 2018-9-15 00:30 投影网手机版 显示全部楼层
能不能通俗一点 就想知道家用那款好
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BIGBON高级投影控 发表于 2016-10-6 20:03 显示全部楼层
3LCD技术色彩还原度较为精准
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zhoujingli高级投影控 发表于 2016-10-6 19:58 显示全部楼层
纯干货了解下?
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CCouQPvx高级投影控 发表于 2016-10-6 20:01 显示全部楼层
不看还真的不知道的
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YiHYcCgb高级投影控 发表于 2016-10-6 20:01 显示全部楼层
DLP体积小
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LCOS视觉效果好
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2ongw发烧级投影控 发表于 2016-10-6 20:04 显示全部楼层
每种都会有不同特点
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tinlnal发烧级投影控 发表于 2016-10-6 20:05 显示全部楼层
来看看这些投影技术
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GRcSXZPy高级投影控 发表于 2016-10-6 20:05 显示全部楼层
反正就瞎买咯,来看看了解下
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