顯示技術進展Lecture12投影顯示技術課件

顯示技術進展

ProgressinDisplayTechnologyEmail：2009～2010學年第一學期投影顯示系統(tǒng)介紹所謂投影顯示技術進展3投影機示意圖顯示技術進展5投影儀目前已廣泛應用于演示和家庭影院中，它是一種用來放大顯示圖像的投影裝置。目前已經(jīng)應用于會議室演示以及在家庭中通過連接DVD影碟機等設備在大屏幕上觀看電影。在電影院，也同樣已開始取代老電影膠片的數(shù)碼影院放映機，被用作面向硬盤數(shù)字數(shù)據(jù)的銀幕。在投影儀內(nèi)部生成投影圖像的元件有3類（CRT、LCD、DLP），根據(jù)元件的使用種類和數(shù)目，產(chǎn)品的特點也各不同。顯示技術進展6基本上所有類型的投影儀都一樣。先將光線照射到圖像顯示元件上來產(chǎn)生影像，然后通過鏡頭進行投影。投影儀的圖像顯示元件包括利用透光產(chǎn)生圖像的透過型和利用反射光產(chǎn)生圖像的反射型。無論哪一種類型，都是將投影燈的光線分成紅、綠、藍三色，再產(chǎn)生各種顏色的圖像。因為元件本身只能進行單色顯示，因此就要利用3枚元件分別生成3色成分。然后再通過棱鏡將這3色圖像合成為一個圖像，最后通過鏡頭投影到屏幕上。

顯示技術進展7顯示技術進展9背投影電視的關鍵部件

1．投射管

同顯像管在普通電視機中所處的地位一樣，投影管在投影電視機中也起著非常重要的作用。投影管除了發(fā)光強度、工作壽命等指標以外，管子的發(fā)光純度也是相關色彩還原的重要指標。

2．投射鏡頭

普通電視機是靠3束電子束轟擊顯像管的三基色熒光粉成像的，而投影電視是靠三基色光束合成在特制的屏幕上成像的。當光束從光源（投射管）發(fā)出后，由于散射存在，在到達屏幕上時必然呈散射狀態(tài)，不采用相應的光電聚焦技術措施是無法觀看的。因此，所有的投影電視都無一例外地要加光學透鏡——投射鏡頭。顯示技術進展10投射鏡頭通常是一組透鏡，一般由3～7片透鏡組成，除了用來放大、聚焦光束外，另一主要作用是用它來適當?shù)匮a償、校正各種光柵的畸變失真。在投影電視中，這種鏡頭可以被大致分成兩類：一類為全玻璃型，即組成鏡頭的每片透鏡都是玻璃透鏡；另一類為混合型，即組成鏡頭的透鏡既有玻璃透鏡片，也有塑料透鏡片。目前被廣泛應用的投射鏡頭主要都是混合型的。它的優(yōu)越性在于高性能、重量輕及成本低。顯示技術進展11現(xiàn)行背投影電視的最大弱點是在垂直方向上的可視角范圍狹窄，一般在±30°左右。這是因為背投影電視的屏幕尺寸普遍較大，而投射管發(fā)射出的光總量有限，因此，為了保證整個圖像畫面具有一定的亮度，屏幕上的透鏡系統(tǒng)只能在一定的區(qū)域內(nèi)聚集光量，任何要擴大垂直觀看范圍的努力都會使整體畫面的亮度減小。所以，要增加垂直觀看視角，就必須大大地增加到達熒屏的光的總量。因此，解決這一問題的關鍵是要提高投射管的發(fā)光總量及透鏡和屏幕的有效透光率，這也是目前世界上生產(chǎn)投射管廠家和背投影電視廠家正在努力改進的地方。顯示技術進展13背投影彩電與普通彩電的成象原理不同，是在普通彩電的基礎上結合了投影技術。從其工作原理上看，接收部分的原理與普通彩電基本相同，而最大的區(qū)別在于接收電視信號后的處理上。普通彩電收到視頻信號后通過顯像管直接顯示到屏幕上，而背投影彩電接收到信號后，通過電路處理，再經(jīng)會聚電路和數(shù)字濾波電路優(yōu)化處理，將其傳輸給并排放置的紅、綠、藍3只單色投影管。3只投影管產(chǎn)生的電視圖像分別經(jīng)過透鏡放大，而經(jīng)反射鏡反射到投影屏上合成為一幅完整的大屏幕彩色圖像。顯示技術進展14普通彩電所用的顯像管尺寸和電視的尺寸是一致的，如普通的25英寸電視用25英寸的顯像管，而背投影彩電用的是3個7英寸的小管子，這3只管子分別發(fā)出紅、綠、藍3種顏色的光，它們疊加在一起投影到屏幕上，形成完整的圖像。即它的基本原理是把我們平常所說的投影機和熒幕融為一體。值得特別指出的是，背投電視的工作原理主要是用三只投影管先把光束投射在機內(nèi)鏡面上，再由鏡面反射到屏幕上成像，這一過程中全部是光的運動，而不是傳統(tǒng)電視中的電子流在運動，這也正是背投電視與普通電視本質(zhì)的區(qū)別。顯示技術進展15市場上的背投式彩電屏幕尺寸一般為41至61英寸，巨大的屏幕使電視圖像更具真實感。與普通電視機相比，背投式彩電不是利用顯像管，而是采用先進的投影光學系統(tǒng)，使電視亮度和清晰度得到極大提高，同時再配以高質(zhì)量的揚聲系統(tǒng)，營造出一種強烈的現(xiàn)場感。此外，背投式彩電采用數(shù)碼掃描方式進行信號處理，每秒播出上百幅圖像，實現(xiàn)了沒有閃爍的穩(wěn)定圖像，觀眾長時間看電視也不會感到眼睛疲勞。顯示技術進展17顯示技術進展18在現(xiàn)階段，大屏幕的背投電視大致可以包括三類：等離子電視、液晶背投電視和DLP（數(shù)字光處理）背投電視。它們都具有非常高的清晰度，尤其是等離子電視和液晶背投電視。但是，前兩種產(chǎn)品雖然都有明顯的優(yōu)勢，現(xiàn)在卻都受到成本和制造上的限制，價格方面都顯得非常昂貴，非一般消費者所能夠承擔。而現(xiàn)在DLP背投電視同傳統(tǒng)的CRT電視相比具有明顯的優(yōu)勢，在價格上則相對其它兩種產(chǎn)品而言就便宜了許多。因此，對于大多數(shù)家庭用戶而言，DLP背投電視才是合理的選擇。顯示技術進展19技術原理

DLP（DigitalLightProcessor）數(shù)字光處理器）包括數(shù)碼微鏡元件（DMD）、光源、彩色濾波器系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、照明及投射光學鏡頭。DLP投影機以DMD（DigitalMicormirrorDevice）數(shù)字微鏡作為成像器件.單片DMD由很多微鏡組成，每個微鏡對應一個像素點,DLP投影機的物理分辨率就是由微鏡的數(shù)目決定的。其工作過程如下：光源所發(fā)白光，經(jīng)分色輪著色，被分成不同時段的紅綠藍三束色光。三色光經(jīng)DMD反射成像，最后三色像分時間先后進行疊加，還原出原色投放屏幕。顯示技術進展21DLP光顯電視從顯示原理來看，應該屬于背投式彩電的一種，但是它與我們所熟悉的CRT、LCD背投不同，可以做成類似于平板電視一樣的超大屏幕和超薄結構。顯示技術進展22技術優(yōu)點：

DLP顯示板的優(yōu)點是它們有極快的響應時間。你可以在顯示一幀圖像時將獨立的像素開關很多次。它使利用一塊顯示板通過逐場過濾（field-sequential）方式產(chǎn)生真彩圖像。步驟如下：首先，綠光照射到面板上，機械鏡子進行調(diào)整來顯示圖像的綠色像素數(shù)據(jù)。然后鏡子再次為圖像的紅色和藍色的像素數(shù)據(jù)進行調(diào)整。（一些投影儀通過使用第四種白色區(qū)域來增加圖像的亮度并獲得明亮的色調(diào)。）所有這些發(fā)生得如此之快，以致人的眼睛無法察覺。循序出現(xiàn)的不同顏色的圖像在大腦中重新組合起來形成一個完整的全彩色的圖像。

顯示技術進展23對比度：

DLP數(shù)碼光顯電視在構成圖像表現(xiàn)力的三大因素（清晰度、亮度、對比度）上均有卓越表現(xiàn)，一般DLP數(shù)碼光顯電視對比度達到1500:1甚至2500:1，而等離子一般也是介乎1000:1到3000:1之間，極少數(shù)高的已經(jīng)達到5000：1以上；DLP背投圖像分辨率一般可達到1260×720，與液晶顯示屏分辨率相當，這意味著完全適應數(shù)字電視信號對電視顯像的要求。顯示技術進展25厚度：DLP數(shù)碼光顯電視可以做得很薄，和平板電視（等離子、液晶）差不多。一般CRT背投厚50CM以上，三星DLP數(shù)碼光顯電視厚度在40CM以下，目前TCL推出的TCLDLP61V6，雖然擁有61英寸的大屏幕，但由于采用了TCL—湯姆遜公司先進的光路設計，所以厚度只有普通DLP背投的1／3，機身厚度僅為17.4厘米，是目前全球最薄的背投電視。整機重量帶掛件不到59公斤，比普通34英寸彩電輕。TCLDLP61V6完全可以安裝在墻面上，因此被稱為“可以懸掛的背投”。顯示技術進展26

LCD背投技術

LCD背投的成像方式為穿透式，成像器件為液晶板，是一種被動式的投影方式。它利用外光源（金屬鹵素燈或UHP燈），因此只要提高燈泡的功率就可以提升亮度。它利用比較成熟的液晶投影技術，色彩還原性好，亮度和對比度都優(yōu)于CRT背投。隨著技術的不斷發(fā)展，目前困擾業(yè)界的燈泡壽命問題，也將得到較好的解決。目前LCD背投沒有成為市場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，它的開機預熱和關機后散熱都需要時間，不能做到CRT背投那樣隨開隨關。

顯示技術進展27利用液晶的光電效應，即液晶分子的排列在電場作用下發(fā)生變化，影響其液晶單元的透光率或反射率，從而影響它的光學性質(zhì)，產(chǎn)生具有不同灰度層次及顏色的圖像。顯示技術進展29LCOS背投技術

LCOS（LiquidCrystalOnSilicon）技術結合了半導體與LCD技術，其光學成像原理與DLP同為反射方式。與前述兩種背投技術相比，優(yōu)勢在于高解析度、高亮度的特性，而且結構簡單，成本降低潛力大。雖然在目前的背投應用方面，相對于流行的LCD技術及近期熱門DLP投影技術而言，LCOS仍不能與其抗衡，短期內(nèi)在這三大技術中暫時屈居第三，但是LCOS仍是相當被看好的、最具潛力的投影技術，隨著其光學投影系統(tǒng)在重量、亮度上的不斷改善，必將在背投電視市場占據(jù)顯赫地位。

顯示技術進展30LCOS

LCOSLCOS

（LiquidCrystalonSilicon）屬于新型的反射式microLCD投影技術，它采用涂有液晶硅的CMOS集成電路芯片作為反射式LCD的基片。用先進工藝磨平后鍍上鋁當作反射鏡，形成CMOS基板，然后將CMOS基板與含有透明電極之上的玻璃基板相貼合，再注入液晶封裝而成。LCOS將控制電路放置于顯示裝置的后面，可以提高透光率，從而達到更大的光輸出和更高的分辨率。顯示技術進展32顯示技術進展33

LCOS也可視為LCD的一種，傳統(tǒng)的LCD是做在玻璃基板上，LCOS則是做在硅晶圓上。前者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有3%左右，解析度不易提高；LCOS則采用反射式投射，光利用效率可達40%以上，而且它的最大優(yōu)勢是可利用目前廣泛使用、便宜的CMOS制作技術來生產(chǎn)，毋需額外的投資，并可隨半導體制程快速的微細化，逐步提高解析度。反觀高溫多晶硅LCD則需要單獨投資設備，而且屬于特殊制程，成本不易降低。LCOS面板的結構有些類似TFTLCD，一樣是在上下二層基板中間分布Spacer以加以隔絕后，再填充液晶于基板間形成光閥，藉由電路的開關以推動液晶分子的旋轉(zhuǎn)，以決定畫面的明與暗。LCOS面板的上基板是ITO導電玻璃，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質(zhì)是單晶硅，因此擁有良好的電子移動率，而且單晶硅可形成較細的線路，因此與現(xiàn)有的LCD及DLP投影面板相比較，LCOS是一種很容易達到高解析度的新型投影技術。

顯示技術進展34面板結構

LCOS（LiquidCrystalonSilicon）屬于新型反射式微LCD，其結構是在硅片上“生長”液晶，利用集成電路工藝制作驅(qū)動面板（又稱CMOS-LCD），經(jīng)過研磨技術磨平后鍍上鋁當反射鏡，形成CMOS基板，再將CMOS基板與含有透明電極的玻璃（ITO）極板貼合，再注入液晶，進行封裝（見圖1）。在單晶硅片上集成ＣＭＯＳ和存貯電容器的陣列，通過開孔把漏電極和像素電極連結，像素電極用鋁做成反射電極。為防止強光照射溝道，加一層金屬擋光層。另一側(cè)基板是ITO電極的玻璃板。液晶層盒厚受像素尺寸限制，一般盒厚為幾微米。

顯示技術進展35

圖１ＬＣＯＳ面板結構圖

顯示技術進展36由于LCOS技術仍在起步階段，目前并無標準制程，所以有多家廠商開發(fā)出不同的LCOS光學引擎架構，比較具有代表性的廠商有：IBM、ColorQuad、Philip、Hologram、…，而這十余種技術各有優(yōu)劣。在這些不同的技術中，可概分為三片式及單片式二大類，詳細說明如下：顯示技術進展37一：三片式光學引擎

LCOS光學引擎目前以三片式為主，三片式是將光源經(jīng)分光棱鏡將光束分為紅、藍、綠光后，再分別將光束投射入三片LCOS面板，將投射出的三色影像經(jīng)過光學系統(tǒng)會聚加以結合形成彩色影像。就Nikon設計的IBM4-Cube光學引擎架構來看，由于三片式LCOS光學引擎除了需要三片面板外，并結合多項的分光、合光系統(tǒng)，因此體積較大、成本也較高，不過由于可以達到較高的光學效率，又具備高畫質(zhì)的特性，因此主要是面向高階的專業(yè)用途發(fā)展，主要的產(chǎn)品以JVC的多款投影機為主，除此之外，三片式光學引擎還有ColorLink采用的ColoRQuard架構、Philips的Prism架構，致伸發(fā)展的Dichroic-PBS架構，及Unaxis的ColorCorner架構等等。顯示技術進展38二：單片式光學引擎

單片式ColorWheel光學引擎則是以快速旋轉(zhuǎn)的ColorSwitch將白光形成循序的紅、藍、綠光，并將三原色光與驅(qū)動程式產(chǎn)生的紅、藍、綠畫面，同步形成分色影像，再藉由人眼視覺暫留的特性，最后在人腦產(chǎn)生彩色的投影畫面。類似的技術有：Displaytech發(fā)表的FieldSequentialColor、Philip所采用的ScrollingColor-RotatingPrism架構、及JVC采用的SpatialColor–Hologram架構。

顯示技術進展39單片式的最大優(yōu)點就是因為面板數(shù)僅需一片，加上分光、合光的系統(tǒng)架構比較簡單，因此在成本上較具競爭優(yōu)勢，而且光學引擎的空間也相對較小。然而目前在技術上面臨一些困難，以ColorWheel而言，白光經(jīng)偏極化后的光源僅為先前的1/3，亮度明顯降低；此外，由于LCOS面板得在紅、藍、綠畫面快速的切換下合成影像，因此面板反應速度的要求更高，使得生產(chǎn)的難度也相形提高。顯示技術進展40與LCD、DLP投影機技術相較，LCOS投影技術具高解析度、高亮度、及低成本潛力，為投影技術的明日之星。1、高解析度

LCOS投影技術最大的特色在于其面板的下基板采用硅晶圓CMOS基板，由于下基板的材質(zhì)是單晶硅，擁有良好的電子移動率，而且單晶硅可形成較細的線路，因此比較容易生產(chǎn)出高解析度的面板。

2、高亮度

LCOS為反射式技術，不會像LCD光學引擎會因為光線穿透面板而大幅度降低光利用率，因此光利用率可提高至40%，與穿透式的LCD的3%相較，可減少耗電，并可產(chǎn)生較高的亮度。3、低成本

LCOS光學引擎因為產(chǎn)品零件簡單，因此具有低成本的優(yōu)勢，再加上臺灣廠商大舉投入，相較于由Epson,Sony供貨的LCD面板、及德儀(TI)獨家供應的DLP面板，LCOS具有成本的快速降低趨勢。顯示技術進展41顯示技術進展42

然而LCOS技術本身，仍有許多技術問題有待克服，諸如：黑白對比不佳、三片式LCOS光學引擎體積較大。雖然LCOS擁有一些技術上的優(yōu)勢，不過目前在市場上LCOS投影機仍占少數(shù)，主要問題在于量產(chǎn)技術尚未克服，零件供貨上仍不穩(wěn)定，因此LCOS仍需以時日才能成為投影機的主流技術。顯示技術進展43投影顯示系統(tǒng)技術原理

ＬＣＯＳ投影機的基本原理與ＬＣＤ投影機相似，只是ＬＣＯＳ投影機是利用ＬＣＯＳ面板來調(diào)變由光源發(fā)射出來欲投影至屏幕的光信號，當光線照射到LCOS芯片時，其反射光就受到CMOS電極和ITO電極之間電壓的調(diào)制，因此LCOS芯片實際上是一種光調(diào)制器件。利用這種特性，將圖像或數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為CMOS電極陣列的電壓，就可以實現(xiàn)反射光的成像。光源的光經(jīng)過極化和傳輸系統(tǒng)到棱鏡分光為紅綠蘭三種光并照射到LCOS芯片上被圖像調(diào)制，調(diào)制后的光線在經(jīng)光會聚系統(tǒng)合成后進入投影鏡頭并照射到屏幕上成像。

ＬＣＯＳ面板是以ＣＭＯＳ芯片為電路基板，因此無法讓光線直接穿過，其分光合光系統(tǒng)設計和ＬＣＤ投影機有些不同，通常需要在分光合光系統(tǒng)中利用偏極化分光鏡（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｅａｍＳｐｌｉｔｅｒ；ＰＢＳ），將入射ＬＣＯＳ面板的光束與反射后的光束分開。

由光源所發(fā)出的光經(jīng)由ＤｉｃｈｒｏｉｃＭｉｒｒｏｒ（雙色鏡）后分成Ｒ、Ｇ、Ｂ三色光，此三色光分別通過各自的ＰＢＳ后，會反射Ｓ偏光進入ＬＣＯＳ面板，當液晶顯示為亮態(tài)時，Ｓ偏光將改變成Ｐ偏光，最后以雙色棱鏡（ＤｉｃｈｒｏｉｃＰｒｉｓｍ）組合調(diào)變過的三道偏極光，投射至屏幕處得到影像。

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圖2LCOS成像原理圖顯示技術進展45應用領域

和透射式LCD技術相比，LCOS可以很容易地實現(xiàn)高分辨率和充分的色彩表現(xiàn)，而且可以較大地降低成本。LCOS的用途十分廣泛，大到背投彩電，小至數(shù)碼相機都可以使用它作為顯像器件。雖然LCOS看起來簡單，但要產(chǎn)品化還要有一個過程，并不是像想象的那樣容易形成產(chǎn)業(yè)。LCOS技術一經(jīng)推出便在全世界范圍內(nèi)造成極大影響，但由于制造工藝等方面原因，目前基于LCOS技術的產(chǎn)品還沒有形成大規(guī)模量產(chǎn)，只有少數(shù)廠家開發(fā)出了應用于投影機的LCOS芯片和應用LCOS技術的投影機及背投電視樣機。LCOS技術在以后大屏幕顯示應用領域里具有很大優(yōu)勢，它沒有晶元模式，且具有開放的架構和低成本的潛力。

顯示技術進展46LCOS顯示面板其中一面以ＣＭＯＳ芯片為基板，無法讓光線直接穿過,因此采用穿透式成像方式，因此其背投光學系統(tǒng)和LCD背投影機便產(chǎn)生了區(qū)別。通常LCOS光學系統(tǒng)中需要利用偏極化分光鏡（PolarizationBeamSplitter:PBS）,將入射LCOS面板的光線與反射的光線分開。PBS是由兩個４５度等腰直角棱鏡底邊粘合的而成的棱鏡，當非線性偏極化光入射PBS時，PBS會反射入射光的Ｓ偏振光（垂直入射線平面），并且讓Ｐ偏振光（平行入射線平面）通過。

顯示技術進展47單片式

單片式LCOSColorWheel光學引擎示意圖如下，