背投電視技術(shù)

    摘  要：背投顯示技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展時期，本文介紹了背投顯示技術(shù)的基本光路原理，以及當(dāng)前技術(shù)背景下，幾種主要背投電視技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景。并且對筆者所從事的LCOS背投領(lǐng)域做一下重點介紹。

    關(guān)鍵詞：背投技術(shù)、液晶顯示、數(shù)字光處理、硅基液晶

    1、 背投顯示技術(shù)

    背投(Rear Projector)的定義是相對于傳統(tǒng)的前投(Front Projector)而言的。二者的主要區(qū)別在于圖像光線的來源方式。前投系統(tǒng)中，觀察者和投影機(jī)位于反射屏幕的同一側(cè)，投影機(jī)投射出的光線照射到屏幕后，再經(jīng)過反射到達(dá)觀察者；而背投系統(tǒng)中，觀察者和投影機(jī)位于顯示屏幕的兩側(cè)，從投影機(jī)發(fā)出的光線照射到半透明的顯示屏幕上，部分透過后形成圖像，所以觀察者看到的是透射出來的光，其原理如圖1：

    圖1：背投原理圖

    通常人們提到的多媒體投影機(jī)主要是指前投影機(jī)，與它們相比背投影的優(yōu)勢在于背投系統(tǒng)中投影機(jī)和屏幕是一個整體，用戶使用時無需進(jìn)行光學(xué)調(diào)整，像使用普通電視機(jī)一樣簡單。此外背投系統(tǒng)中光學(xué)投影機(jī)封閉在一個箱體內(nèi)，投射到屏幕上的光線不會受到外界光線影響，因此在較暗或較亮的環(huán)境下都可以完好地顯示圖像。正是基于這些原理產(chǎn)生了背投電視，由于采用的不同的投影機(jī)種類，背投技術(shù)可以分為CRT(陰極射線管)、LCD(液晶)、LCOS(硅基液晶)、DLP(數(shù)字光處理)等幾種。到目前為止，CRT背投電視的技術(shù)最為成熟，生產(chǎn)規(guī)模較大，性價比高，依然是國內(nèi)背投電視市場的主流產(chǎn)品。但CRT背投是靠熒光粉發(fā)光，很難提升亮度，容易使顯像管老化，時間長了，畫面會變暗，清晰度降低。鑒于此，隨著其他三種技術(shù)的逐漸成熟，市場必將重新分割，誰將占據(jù)未來市場的主流呢？下面我將分別介紹一下LCD、DLP 、LCOS三種背投電視投影技術(shù)。

    2、 LCD背投技術(shù)

     LCD(Liquid Crystal Display)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?zé)艋騏HP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(shù)，色彩還原性好，亮度和對比度都優(yōu)于CRT背投。隨著技術(shù)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(jī)預(yù)熱和關(guān)機(jī)后散熱都需要時間，不能做到CRT背投那樣隨開隨關(guān)。

   LCD 投影機(jī)按照液晶板的片數(shù)分為三片式和單片式。目前，三片式投影機(jī)是液晶板投影機(jī)的主要機(jī)種，其原理示意圖如下：

    三片式LCD板投影機(jī)原理是光學(xué)系統(tǒng)把光源發(fā)射的強(qiáng)光通過分光鏡形成R、G、B三束光，分別透射過R、G、B三色液晶板；控制信號源經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換調(diào)制后，加到液晶板上，通過控制液晶單元的開啟、閉合，從而控制R、G、B三色光路的通斷，然后三色光經(jīng)過合色光路，在合色棱鏡中匯聚，最后經(jīng)透鏡投射后，在屏幕上形成彩色圖像。

    3、 DLP背投技術(shù)

    DLP（Digital Light Processing）指數(shù)字光處理技術(shù)，這種技術(shù)要先把影像訊號經(jīng)過數(shù)字處理后再投影出來，其投影顯示質(zhì)量很好。與LCD背投的透射式成像不同，DLP為反射方式。其系統(tǒng)核心是TI（德州儀器）公司開發(fā)的數(shù)字微鏡器件—DMD（Digital Micro mirror Device），DMD是顯示數(shù)字可視信息的最終環(huán)節(jié)，它是在CMOS的標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制程上，加上一個可調(diào)變反射面的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)形成的器件。通常DMD 芯片有約130萬個鉸接安裝的微鏡，一個微鏡對應(yīng)一個像素。DLP背投的原理是用一個積分器（Integrator）將光源均勻化，通過一個有色彩三原色的色環(huán)（Color Wheel），將光分成R、G、B三色，微鏡向光源傾斜時，光反射到鏡頭上，相當(dāng)于光開關(guān)的“開”狀態(tài)。微鏡向光源反方向傾斜時，光反射不到鏡頭上，相當(dāng)于光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。其灰度等級由每秒鐘光開關(guān)，開關(guān)次數(shù)比來決定。因此采用同步信號的方法，處理數(shù)字旋轉(zhuǎn)鏡片的電信號，將連續(xù)光轉(zhuǎn)為灰階，配合R、G、B三種顏色而將色彩表現(xiàn)出來，最后投影成像，便可以產(chǎn)生高品質(zhì)、高灰度等級的圖像。

    目前DLP的投影機(jī)主要有單片DMD機(jī)、雙片DMD機(jī)和三片DMD機(jī)。根據(jù)各自不同的特點，有著不同的應(yīng)用。其中單片式主要應(yīng)用在便攜式投影產(chǎn)品，雙片式應(yīng)用于大型拼接顯示墻而三片式主要應(yīng)用于超高亮度投影機(jī)。一般DLP背投電視有普通彩電4-5倍的清晰度，而且有著高亮度、高對比度的優(yōu)勢，可達(dá)到1000：1的對比度。此外，由于數(shù)字技術(shù)的采用，使圖像灰度等級提高，圖像噪聲消失，畫面質(zhì)量更穩(wěn)定。但是，德州儀器公司目前是全球DMD芯片的惟一制造商，造成投影機(jī)的供給領(lǐng)域薄弱，核心部件供應(yīng)量不足，成品率較低，價格昂貴，因此在一定程度上限制著這一產(chǎn)品的發(fā)展,此外從長遠(yuǎn)看DLP投影技術(shù)在超高分辨率（2000線以上）方面受到制約。

    4、 LCOS背投技術(shù)

    LCOS（Liquid Crystal On Silicon）技術(shù)結(jié)合了半導(dǎo)體與LCD技術(shù)，其光學(xué)成像原理與DLP同為反射方式。與前述兩種背投技術(shù)相比，優(yōu)勢在于高解析度、高亮度的特性，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本降低潛力大。雖然在目前的背投應(yīng)用方面，相對于流行的LCD技術(shù)及近期熱門DLP投影技術(shù)而言，LCOS仍不能與其抗衡，短期內(nèi)在這三大技術(shù)中暫時屈居第三，但是LCOS仍是相當(dāng)被看好的、最具潛力的投影技術(shù)，隨著其光學(xué)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。此外，就我國高端背投彩電切入點來說，要建立自己的技術(shù)優(yōu)勢，LCOS技術(shù)是目前的首選。由顯示面板來看，在LCD技術(shù)領(lǐng)域日、韓占據(jù)著相當(dāng)大的優(yōu)勢，我國臺灣地區(qū)也只是占據(jù)了部分中、低端市場，DLP技術(shù)更是由TI獨(dú)家控制著其核心器件DMD。而LCOS技術(shù)尚未成熟，此時開發(fā)LCOS，將有機(jī)會擺脫在LCD、DLP投影技術(shù)上受制于人的情況，因此可以說LCOS是我國在高端彩電技術(shù)上取得領(lǐng)頭地位的機(jī)會。目前我國臺灣地區(qū)廠商在LCOS技術(shù)開發(fā)方面相當(dāng)積極，聯(lián)電所主導(dǎo)的LCOS聯(lián)盟已經(jīng)比較引人注目。ＨＤＴＶ的推廣應(yīng)用，必將加快LCOS產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

    LCOS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(xué)系統(tǒng)和LCD背投影機(jī)便產(chǎn)生了區(qū)別。通常LCOS光學(xué)系統(tǒng)中需要利用偏極化分光鏡（Polarization Beam Splitter: 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(dāng)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。關(guān)于LCOS光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)仍在起步階段，所以IBM、ColorQuad、Philip、Hologram等多家廠商都開發(fā)了不同的LCOS光學(xué)引擎架構(gòu)。但主要可分為單片式和三片式兩大類，如下：

    1）、單片式

    單片式LCOS Color Wheel光學(xué)引擎示意圖如下，R、G、B色環(huán)快速旋轉(zhuǎn)將來自光源的白光分成循序的紅、綠、藍(lán)單色光。這三原色光與驅(qū)動程序產(chǎn)生的紅、綠、藍(lán)畫面同步，便形成分色影像。頻率足夠快時，由于人眼視覺暫留的特性，觀察者便可以看見彩色的投影畫面。單片式光學(xué)引擎占用空間相對小，僅需一片面板，系統(tǒng)架構(gòu)比較簡單，因此在成本上具競爭優(yōu)勢。然而目前在技術(shù)上也面臨一些困難，以Color Wheel而言，白光經(jīng)過偏極化后，亮度明顯降低，能量僅僅剩余1/3。此外，由于LCOS面板要在紅、藍(lán)、綠畫面快速的切換下合成影像，對面板反應(yīng)速度的要求更高。目前類似的技術(shù)有：Displaytech的Field Sequential Color結(jié)構(gòu)、Philip的Scrolling Color-Rotating Prism結(jié)構(gòu)、以及JVC的Spatial Color –Hologram結(jié)構(gòu)。

    2）、三片式

    三片式LCOS光學(xué)引擎是目前市場采取的主要方式。這里以筆者曾經(jīng)調(diào)試的一套三片式LCOS光學(xué)引擎為例，介紹一下光路。以UHP燈泡為光源，光線首先經(jīng)兩重復(fù)眼透境使光線均一化，然后經(jīng)過一層PBS棱鏡和透鏡，接下來經(jīng)紅、藍(lán)、綠三色光的分光光路，再分別將光束投射入到三片LCOS面板，反射的三色影像經(jīng)過合色系統(tǒng)形成彩色影像，投射到屏幕。此系統(tǒng)中，用到了4個方棱鏡、4個PBS棱鏡、以及兩個復(fù)眼透鏡、和幾個反射鏡。由此可見三片式LCOS光學(xué)引擎除了需要三片面板外，還需要結(jié)合多項的分色、合色光學(xué)系統(tǒng)，因此體積較大、成本也較高。但是可以達(dá)到較高的光學(xué)效率，LCOS投影技術(shù)中，其面板的下基板采用CMOS基板，其材質(zhì)是單晶硅，擁有良好的電子移動率，而且單晶硅電路能做得很細(xì)，因此容易達(dá)到高解析度。此外，LCOS為反射式成像，不會像 LCD光學(xué)引擎因光線穿透面板而大幅降低光利用率，因此有很高的光利率，可以較少耗電產(chǎn)生較高的亮度。并且具備高畫質(zhì)的特性，因此主要是朝高階的專業(yè)用途發(fā)展，目前，三片式光學(xué)引擎還有ColorLink采用的ColoRQuard架構(gòu)、Philips的Prism架構(gòu)等。

    在此再簡單介紹一下LCOS顯示驅(qū)動的特點。LCOS顯示技術(shù)中需要一塊內(nèi)建DRAM的圖像控制芯片，主要包括脈沖時鐘發(fā)生器、行驅(qū)動電路（移位寄存器和buffer）、列驅(qū)動電路（移位寄存器，buffer，鎖存器）、D/A轉(zhuǎn)換器和有源象素矩陣幾部分。采用有源矩陣結(jié)構(gòu)豬層寫入數(shù)據(jù)，對于每個象素，其工作狀態(tài)相當(dāng)于靜態(tài)驅(qū)動，這樣對比度較高，幾乎沒有Cross-talk。而其灰度等級由所加的脈沖寬度決定。每一個象素對應(yīng)一個開關(guān)，并且在驅(qū)動芯片中一般占用四層金屬，其中下面兩層金屬用來走線，在上面實現(xiàn)行和列方向的驅(qū)動電路連接；上面兩層金屬用來做光屏蔽 和反射面電極。視頻工作原理如下圖：每個象素是由一個MOS管和一個存儲電容組成。MOS管的寬長尺寸主要考慮饋通對電路邏輯性能的影響，存儲電容（圖中Cs）的容值由液晶的漏電常數(shù)和液晶自身電容值（圖中Clc）決定。

    驅(qū)動電壓方面，采用了“逐場倒相”方式，把交互式電壓加到液晶單元，防止在單方向電場作用下，液晶分子極性化，電場取向特性實效。具體操作過程是在第一場信號后，翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)線的脈沖波形，把正脈沖信號變?yōu)樨?fù)脈沖信號，而保持掃描脈沖信號不變。對液晶及其存儲電容進(jìn)行充電時，為了省電我們在電路設(shè)計時選用了線性斜波的充電方式電。

    驅(qū)動電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，有模擬和數(shù)字兩種。模擬方式中列方向通過橫向的移位寄存器控制與視頻相連接，行方向逐行開啟，象素矩陣通過垂直的移位寄存器控制與列線相連。數(shù)字方式結(jié)構(gòu)中每一個象素使用一個DAC。為了解決DAC無法限制在較小的像素內(nèi)問題，我們可以加入鎖存電路從而每行使用一個DAC。
總的來說，CRT、LCD、DLP 、LCOS這幾種背投電視技術(shù)各有優(yōu)勢。考慮到消費(fèi)能力，CRT在未來幾年內(nèi)仍將占據(jù)我國背投市場的主體；LCD就技術(shù)成熟度、應(yīng)用范圍方面看，是最有機(jī)會首先取代CRT成為主流的技術(shù)；DLP是技術(shù)新貴，目前由展會展出情況看，聲勢超過了LCOS（尤其在便攜式投影機(jī)方面，DLP已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，本文主要闡述在背投電視中的應(yīng)用，因此不在此詳細(xì)闡述）；而LCOS是最具成本優(yōu)勢潛力和圖像質(zhì)量優(yōu)勢的技術(shù)，隨著人們對顯示畫面尺寸要求提升，同時追求電視畫面更舒適、更清晰，LCOS將具有最大的優(yōu)勢。