投影机光学成像原理图解,投影仪成像原理介绍

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-03-31 07:08:33

主流投影技术流派

1.1.1 LCD

LCD|0">LCD投影机是液晶技术、照明科技以及集成电路的发展带来的高科技产物。其关键技术是液晶板的制造。LCD投影机利用液晶的光电效应,即液晶分子地排列在电场作用下发生变化,影响其液晶单元的透光率或反射率,从而影响它的光学性质,产生具有不同灰度层次及颜色的图像。

LCD投影机的底层技术——液晶板一直只有Sony和Epson两家公司具备研发和生产能力,经过多年发展,液晶板技术日臻成熟。液晶板技术一直致力于提高性能和降低加工成本两个方面。在提高性能方面它主要是通过提高开口率来提高光效率,另外还采用微镜阵列技术来提高液晶板的透光率,降低显示图像的像素化,使图像更细腻。目前LCD投影机在亮度指标和图像精细程度方面都已经达到相当高的水平。除了高端影院产品外,在普通应用产品和低端高性能投影机产品中,LCD产品保持了对单片DLP产品的亮度领先优势。LCD投影机的生产厂家主要为日韩厂商。主要有Sony、Epson、NEC、三洋和三菱等等。LCD投影机有液晶板投影机和液晶光阀投影机两类:

三片式液晶投影机的成像原理(参见图),以某液晶投影机的光路为例: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UHP灯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。最后三道光线最终汇聚在一起由镜头投射出去。

投影机光学成像原理图解,投影仪成像原理介绍(1)

1.1.2 LCOS

  LCOS(Liquid Crystal on Silicon)属于新型的反射式 MICRO LCD投影技术,其结构是在硅片上,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,再注入液晶,进行封装测试。见图 1。在单晶硅片上集成CMOS和存贮电容器的阵列,通过开孔把漏电极和像素电极连接,像素电极用铝做成反射电极。为防止强光照射沟道,加一层金属档光层。另一侧基板是ITO电极的玻璃板。液晶层盒厚爱像素尺寸限制,一般盒厚取几微米。LC0S前投影放大倍数大,显示区内不能用控制盒厚的隔垫物,或者盒厚取小于2微米,可用隔垫物。

  LCOS投影机的基本原理与LCD投影机相似,只是LCOS投影机是利用LCOS面板来调变由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号,与LCD投影机最大的不同是LCD投影机是利用光源穿过LCD作调变,属于穿透式,而LCOS投影机中是利用反射的架构,所以光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板,属于反射式。LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板及反射层,然后再涂布液晶层后,以玻璃平板封装。

  目前LCOS市场定位在大屏幕投影显示产品及HMD(Head Mount Device)上。目前业界普遍认可:在显示器市场20“以下以LCD为主流,PDP可应用于30”- 60“产品,但价格昂贵,投影显示器适用于30”- 60“以上的产品,具有解析度高,价格适中等优势。LCOS投影显示技术则是落于上述投影显示器市场;另外亦可作为直视元件,应用在HMD中。

  LCOS可视为LCD的一种,传统的LCD是做在玻璃基板上,但LCOS则是长在硅晶圆上。和LCOS的相对比的产品,最常用在投影机上的高温多晶硅LCD为代表。后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则采用反射式投射,光利用效率可达40%以上,且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便宜的CMOS制程,毋需额外的投资,并可随半导体工艺流程快速的微细化,易于提高解析度。

1.1.3 DLP

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在投影机中应用主要是前投(也称正投)系统,和大屏幕和平板显示的背投领域属于不同的应用方式。根据DMD数量的不同,可以将DLP投影机分为单片式DLP投影机,双片式DLP投影机和三片式DLP投影机三种类型。目前市场中几乎没有双片DLP投影机的存在,三片式DLP主要应用在高端工程、影院级投影机中。

DLP技术专利为美国德州仪器(TI)公司拥有,目前DMD芯片、DMD控制器等核心部件还是由TI独家提供。经过几年的发展,目前DLP技术的应用领域在逐步扩张,其应用领域涉及数字电影、大屏幕拼接显示、前投式投影机一直到背投电视等大屏幕显示的方方面面。 DLP技术的优点有:DLP技术以反射式DMD为基础,是一种纯数字的显示方式,图像中的每一个像素点都是由数字式控制的3原色生成,每种颜色有8位到10位的灰度等级,DLP技术的这种数字特性可以获得精确数字灰度等级以及颜色再现。与透射式液晶显示LCD技术相比,投射出来的画面更加细腻;不需要偏振光,在光效率的应用上较高;此外,DLP技术投影产品投射影像的像素间距很小,形成几乎可以无缝的画面图像。正是基于以上原因,DLP投影机产品一般对比度都比较高,黑白图像清晰锐利,暗部层次丰富,细节表现丰富;在表现计算机信号黑白文本时画面精确、色彩纯正,边缘轮廓清晰。显示原理如图XX

投影机光学成像原理图解,投影仪成像原理介绍(2)

目前,DLP技术正在向着低成本、高画质的方向发展,在降低成本方面,TI公司一方面改良自己的生产加工工艺,提高DMD的良品率,另一方面完善DMD产品系列,从而适合不同层次的产品应用需求。在提高DLP投影机画面质量的技术实现上,TI发布了SCR(Sequential Color Recapture,顺序色彩重捕技术)技术用于提升投影机的亮度和色彩表现;2002年下半年,DLP投影机光路上采用六段式色轮,进一步提高了色彩和亮度。

相对于LCD液晶显示技术而言,DLP技术非常年轻。但是DLP技术的出现成功地打破了LCD液晶投影机的垄断局面,并在接下来的长时间内和3LCD技术平分秋色,各自占据半壁江山。

1.1.4 核心要素对比

主流投影技术核心要素对比

技术类别

LCOS

3LCD

DLP

核心部件

硅基液晶·棱镜组

液晶板

DMD芯片、旋转滤色片

光线

反射式

直射式

反射式

色彩表现

显示芯片供应厂商

SONY、EPSON

SONY、EPSON

TI(德州仪器)

芯片寿命

中(10万小时)

光学效率

体积

对比度

反应时间

构造

复杂

复杂

简单

机械结构

风扇

棱镜

旋转滤色片 风扇

技术成熟度

造价成本

通过前文对主流投影技术的介绍与对比,我们可以看出,DLP技术为新兴显示技术,其良品率、显示效果正在不断地迭代更新,成本下降较快,目前已成为家用智能投影产品的主流核心技术。

1.2 DLP技术市场应用

由前述内容可知,色轮和DMD芯片为DLP投影的两大核心技术之一,由于色轮技术相对成熟且成本容易控制,因此DMD芯片的选择就决定了产品的成本和显示效果。基于DMD芯片的特点,在DMD芯片的最上面由数十万片面积为14×14微米、比头发断面还小的微镜片组成,增加DMD内微镜片的数量,即可提高产品的分辨率,而不须改变微镜片的大小 (例如分辨率为1024×768的投影机DMD芯片上有786432个小镜片),这些镜面经由下面被称为“轭”的装置链接,并被“扭力铰链”控制,可以左右翻转。因此,DMD芯片的有效可用面积直接决定了投影产品的核心参数——分辨率。芯片有效可用面积一般由其对角线尺寸表示,以英寸为单位。常见的尺寸主要包括0.2、0.23、0.3、0.33、0.47、0.65、0.75、0.95,其中微型投影仪多应用前五种规格,结合目前市场上暂处于领先位置的极米和坚果的产品,对DLP技术的市场应用做简单的剖析。

品牌

型号

零售价

内部配置

投影规格

显示芯片

核数/主频

系统内存

存储容量

亮度

分辨率

大眼橙

NEW X7d

3499

0.47DMD

64位四核1.8GHz

2GB

16GB

1200ANSI

1920X1080dpi

大眼橙

X7Pro

3099

0.33DMD

64位四核1.8GHz

2GB

16GB

1400ANSI

1280x720dpi

极米

H2极光

5999

0.47DMD

64位四核

2GB

16GB

1500ANSI

1920X1080dpi

极米

H2

4099

0.47DMD

64位四核

2GB

16GB

1350ANSI

1920X1080dpi

极米

H2 Slim

3599

0.47DMD

四核1.7GHz

2GB

8GB

1100ANSI

1920X1080dpi

极米

NEW Z6X

3099

0.33DMD

64位四核

2GB

16GB

550-750ANSI

1920X1081dpi

极米

Z6

2649

0.33DMD

4核1.7GHz

2GB

8GB

500-700ANSI

1920X1080dpi

极米

CC

2649

0.3DMD

64位双核1.5GHz

1GB

16GB

350 ANSI

1280x720dpi

极米

NEW Z4Air

2349

0.3DMD

4核1GHz

1GB

16GB

300ANSI

1280x720dpi

极米

Play

2299

0.23DMD

64位四核

1GB

8GB

250ANSI

1280x720dpi

极米

Z4V

2099

0.3DMD

64位四核

1GB

8GB

500-700ANSI

1280x720dpi

坚果

X3

6299

0.47DMD

四核

2GB

16GB

1500ANSI

3840*2160dpi

坚果

J7

3999

0.47DMD

四核

2GB

16GB

光源亮度3200

1920X1080dpi

坚果

G7

2849

0.33DMD

四核

2GB

16GB

500-700ANSI

1920X1080dpi

以上产品均采用DLP技术。

通过表可以看出,DMD芯片方案是决定产品成本及售价的主要因素,系统内存及存储大小为次要因素,主流显示芯片方案为0.33和0.47,少部分低端产品选择使用0.23,DMD芯片与产品的分辨率有强相关性,绝大多数1080P产品选择0.47DMD,而720P产品则与0.33相匹配,需要注意的是,极少数0.33DMD产品通过在芯片上加入了TSP光学模组,通过高速抖动微镜,让一个微镜形成两个像素,1280*720*2计算得出获得了共184万个像素,行业内也叫“抖一抖1080P”,但其实际物理分辨率了仍为1080P,故一般称其为“准1080P”,其造价成本仍接近0.33DMD产品,但却能按照接近1080P产品的价格进行销售。

未来一段时间内,除了“抖动”的4K产品外,0.47DMD的1080P产品将依旧是市场主流,产品的区分度将主要体现在亮度、内容、存储等方面。

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