只為出「色」——LCD和DLP兩種投影技術

如果你是電影愛好者,你會組建自己的家庭影院嗎?要知道,投影機是影院系統的一個重要環節,這是我們再熟悉不過的器材。由於科技的進步和日新月異,家庭影院領域中的視頻設備必將劍指更高分辨率、更高亮度和更加驚艷的成像畫面。目前,包括投影機在內的所有彩色顯示設備都是圍繞人類視覺系統如何感知顏色的核心觀察構建的。也就是說,我們只需要採用RGB三原色(紅、藍、綠)就能產生人眼可以看到的每一種顏色,將這三種原色按正確的比例混合即可。

從上世紀50?年代彩色投影機誕生至今,投影技術幾經更迭,從最早的?CRT?技術,到?LCD?與?DLP?技術在?80-90年代相繼問世,以及?LCoS?技術入局,投影技術日趨成熟。經過幾十年發展,目前在家用投影機市場中,LCD和DLP兩種技術佔據主流地位。從投影技術分類上看,LCD投影機採用透射式投影技術,目前最為成熟;DLP投影機採用反射式投影技術,是現在高速發展的投影技術。以上兩種原理不同的投影技術都各有優勢和特點,多年來,多年來?LCD?與?DLP?技術都在不斷發展進化。

LCD投影技術

據悉,LCD?技術最早出現於1968年,按照液晶板的片數,LCD投影機分為單片LCD?投影儀和三片LCD?投影儀。早期的LCD投影都是單LCD,在一塊LCD面板上處理R、G、B三種色彩的圖像,併合成為一投射到熒幕上。這種LCD投影機造價低,但成像質量、色彩飽和度、亮度都不是很好,畫面泛白嚴重。不過隨著光源、液晶屏技術的提升,單片式LCD投影的亮度也可以達到800CVIA,白天也可以獲得出色畫面效果。單片LCD?投影機的工作原理是將LCD面板的背光部分拆去,然後使用大功率的背光源通過聚光鏡照射到LCD面板上,由於LCD面板是透光的,畫面就會被照射出去,通過前面的聚焦鏡及鏡頭打到屏幕上而成像。這個原理與教學用的那種投影機非常相似,普通的投影機使用的均是這一原理。

而三片LCD?投影方面,首先光線通過濾光片,濾掉紅外線和紫外線這樣的不可見光,紅外線和紫外線對LCD片有一定的損害作用。透過兩片多鏡頭鏡片將光線均勻化,並將UHP燈產生的圓錐形光校正為和投影圖像近似的矩形光線。在兩片鏡子之間的稜鏡用來將光線預先極性化,較之沒有該稜鏡的不對稱光箱,它可以減少光線的損失。光線下一步被分光鏡分為紅、綠、藍三原色並被分別反射到相應的液晶片上。在到達液晶片之前光線還需要透過一個凸透鏡和偏振片,凸透鏡的作用是將光線集中,偏振片則進一步將光線極性化,使得光線振動方向一致,可以被液晶片控制。最後光線經過液晶片,通過電路板驅動,液晶片上的各像素點有序開閉,產生了圖像,並通過每原色光的調校產生了豐富的色彩。最後三路光線最終匯聚在一起由鏡頭投射出去。

DLP投影技術

DLP是「Digital Light Processing」的縮寫,即為數字光處理,這是一項使用在投影儀和背投電視中的顯像技術。DLP技術最早是由德州儀器開發的。它至今仍然是此項技術的主要供應商。德國德累斯頓Fraunhofer學院(The Fraunhofer Institute of Dresden)也生產有著特殊用途的數字光處理器,並把它稱作空間光調節器(Spatial Light Modulators,SLM)。例如,瑞典Micronic激光系統公司(Micronic Laser Systems of Sweden)就在其開發的Sigma印版硅模板刻印機中,利用Fraunhofer生產的空間光調節器來生成遠紫外線圖像。

DLP投影機中,圖像是由DMD(Digital Micromirror Device,數字微鏡器件)產生的。DMD是在半導體芯片上布置一個由微鏡片(精密、微型的反射鏡)所組成的矩陣,每一個微鏡片控制投影畫面中的一個像素。微鏡片的數量與投影畫面的分辨率相符,800×600、1024×768、1280×720和1920 x 1080(HDTV)是一些常見的DMD的尺寸。這些微鏡片在數字驅動信號的控制下能夠迅速改變角度,一旦接收到相應信號,微鏡片就會傾斜10°,從而使入射光的反射方向改變。處於投影狀態的微鏡片被示為「開」,並隨數字信號而傾斜+10°;如果微鏡片處於非投影狀態,則被示為「關」,並傾斜-10°。與此同時,「開」狀態下被反射出去的入射光通過投影透鏡將影像投影到屏幕上;而「關」狀態下反射在微鏡片上的入射光被光吸收器吸收。

本質上來說,微鏡片的角度只有兩種狀態:「開」和「關」。微鏡片在兩種狀態間切換的頻率是可以變化的,這使得DMD反射出的光線呈現出黑(微鏡片處於「關」狀態)與白(微鏡片處於「開」狀態)之間的各種灰度。DLP投影儀主要通過兩種方法來產生彩色圖像,這兩種方法分別被用在單片DLP投影儀和三片DLP投影儀中。

單片?DLP?投影儀內部只安裝一片DMD芯片,其光源可採用金屬鹵素燈、高壓汞燈所發出的白光或新光源(如?LED?燈)發出的REG三色。採用白光光源的單片?DLP?投影儀通過在光源與?DMD?之間安裝一個色輪產生?REG?三色。色輪通常被分為四個區域:紅區、綠區、藍區和一個用來增加亮度的透明區域。由於透明區域會減弱色彩的飽和度,所以在某些型號的投影儀中可能會被禁用或者乾脆省略掉。DMD?芯片與色輪的轉動保持同步,當色輪中藍色部分位於光源前面的時候,DMD?就顯示畫面中藍色的部分。紅色和綠色的情況也非常類似。紅、綠、藍三種畫面按照順序以非常高的速度被投射出來,因此就能看見合成的「全彩色」畫面。

三片?DLP?投影儀內部安裝三片?DMD?芯片,光源發出的光被稜鏡分離成三路,這三路光線經過濾光分別成為紅、綠、藍三種顏色,然後分別照射到相應的DMD?芯片上。最後,三束經過?DMD?芯片調製的光線藉助稜鏡再重新合併成一路光線,並通過鏡頭投射到屏幕上。三片?DLP?系統能夠顯示?35?萬億種顏色,相比之下,單片?DLP?系統卻只能夠顯示?1670?萬種顏色。一般的?DLP?投影儀只有一個?DMD?成像部件,三片式?DLP?投影系統可實現非常高的圖像質量或非常高的亮度,但成本較高,所以現在市場上絕大部分的DLP?投影機都是單片?DMD?芯片的。

LCD和DLP的一些對比

色彩能力

LCD投影機的特點就在於圖像色彩飽和度好,色彩層次豐富,但文本邊緣大都有陰影和毛邊。在顯示動態視頻圖像方面,LCD投影機顯示彩色圖像時更加清晰,色彩更加生動,而DLP投影機在色彩上稍有損色,色彩飽和度不夠好,色彩表現不夠生動。

對比度

DLP投影機的優點就在於對比度高,黑白圖像清晰,暗部層次豐富,細節表現豐富;在表現黑白文本時黑色黝黑純正,文本清晰。因為技術的不同,所以LCD技術在能強烈表現對比度、暗部畫面情況下就有一定的差距。

色彩分離能力

LCD投影機最大的好處是紅、綠、藍三原色是由3片分離的液晶板完成的,可以對每一種顏色的亮度和對比度進行單獨控制,並且三色光幾乎可以同時到達屏幕,因此可以真實重現各種顏色。而單片DLP投影機色彩分離是由一個分色輪實現的,三色光使用同一微鏡調製反射,因此三色光分時到達屏幕,由於受分色輪轉速和微鏡偏轉速度的限制,色彩重現方面較LCD投影機有一定差距。在顯示動態視頻圖像時,由於圖像刷新速度比較快,每一種顏色的調製速度要求也比較高,LCD技術會比DLP技術更加具有優勢。

像素能力

LCD投影機的液晶板每一個像素點上都要有一個被稱作光開關的晶體管,晶體管部分不能透過光,並且由於此晶體管的存在,像素點之間要有一定的間隙。而DLP投影機由於控制晶體管在微鏡的背面,不會對光形成阻隔,微鏡之間的間隙也可以做得非常小。

專註工程領域或更可發揮DLP優勢

作為目前兩種主流投影技術,在家用領域方面LCD的優勢較為明顯,而DLP的長處在工程領域會得以發揮。首先在顯示效果層面,DLP技術所採用的微鏡相比LCD而言像素間隙更小,排列更緊密,因此DLP技術的像素填充數更高,生成的畫質更流暢,達到的原始分辨率也更高。而且還杜絕了LCD技術的紗門效應(Screen Door Effect),也就是近距離觀看能看到像素周圍存在細線或邊界的問題。其次,防塵密閉層面:DLP?技術採用密封DMD芯片,冷卻過程在每個成像器的背面完成,不會對光路造成阻礙。這意味著DLP技術不受冷卻空氣和灰塵顆粒的影響。而LCD技術對灰塵積聚較為敏感,需要定期更換或清潔空氣過濾器。最後,畫質持久層面,由於LCD面板對光線極為敏感,長時間使用後,亮度和色彩均勻性都會降低,影響投影質量。而DLP採用微機械結構,不會隨時間發生變化或褪色,因此能夠長期維持圖像均勻性、色彩準確性和光輸出。