显示技术进展Lecture12投影显示技术课件

显示技术进展

ProgressinDisplayTechnologyEmail：2009～2010学年第一学期投影显示系统介绍所谓投影显示技术进展3投影机示意图显示技术进展5投影仪目前已广泛应用于演示和家庭影院中，它是一种用来放大显示图像的投影装置。目前已经应用于会议室演示以及在家庭中通过连接DVD影碟机等设备在大屏幕上观看电影。在电影院，也同样已开始取代老电影胶片的数码影院放映机，被用作面向硬盘数字数据的银幕。在投影仪内部生成投影图像的元件有3类（CRT、LCD、DLP），根据元件的使用种类和数目，产品的特点也各不同。显示技术进展6基本上所有类型的投影仪都一样。先将光线照射到图像显示元件上来产生影像，然后通过镜头进行投影。投影仪的图像显示元件包括利用透光产生图像的透过型和利用反射光产生图像的反射型。无论哪一种类型，都是将投影灯的光线分成红、绿、蓝三色，再产生各种颜色的图像。因为元件本身只能进行单色显示，因此就要利用3枚元件分别生成3色成分。然后再通过棱镜将这3色图像合成为一个图像，最后通过镜头投影到屏幕上。

显示技术进展7显示技术进展9背投影电视的关键部件

1．投射管

同显像管在普通电视机中所处的地位一样，投影管在投影电视机中也起着非常重要的作用。投影管除了发光强度、工作寿命等指标以外，管子的发光纯度也是相关色彩还原的重要指标。

2．投射镜头

普通电视机是靠3束电子束轰击显像管的三基色荧光粉成像的，而投影电视是靠三基色光束合成在特制的屏幕上成像的。当光束从光源（投射管）发出后，由于散射存在，在到达屏幕上时必然呈散射状态，不采用相应的光电聚焦技术措施是无法观看的。因此，所有的投影电视都无一例外地要加光学透镜——投射镜头。显示技术进展10投射镜头通常是一组透镜，一般由3～7片透镜组成，除了用来放大、聚焦光束外，另一主要作用是用它来适当地补偿、校正各种光栅的畸变失真。在投影电视中，这种镜头可以被大致分成两类：一类为全玻璃型，即组成镜头的每片透镜都是玻璃透镜；另一类为混合型，即组成镜头的透镜既有玻璃透镜片，也有塑料透镜片。目前被广泛应用的投射镜头主要都是混合型的。它的优越性在于高性能、重量轻及成本低。显示技术进展11现行背投影电视的最大弱点是在垂直方向上的可视角范围狭窄，一般在±30°左右。这是因为背投影电视的屏幕尺寸普遍较大，而投射管发射出的光总量有限，因此，为了保证整个图像画面具有一定的亮度，屏幕上的透镜系统只能在一定的区域内聚集光量，任何要扩大垂直观看范围的努力都会使整体画面的亮度减小。所以，要增加垂直观看视角，就必须大大地增加到达荧屏的光的总量。因此，解决这一问题的关键是要提高投射管的发光总量及透镜和屏幕的有效透光率，这也是目前世界上生产投射管厂家和背投影电视厂家正在努力改进的地方。显示技术进展13背投影彩电与普通彩电的成象原理不同，是在普通彩电的基础上结合了投影技术。从其工作原理上看，接收部分的原理与普通彩电基本相同，而最大的区别在于接收电视信号后的处理上。普通彩电收到视频信号后通过显像管直接显示到屏幕上，而背投影彩电接收到信号后，通过电路处理，再经会聚电路和数字滤波电路优化处理，将其传输给并排放置的红、绿、蓝3只单色投影管。3只投影管产生的电视图像分别经过透镜放大，而经反射镜反射到投影屏上合成为一幅完整的大屏幕彩色图像。显示技术进展14普通彩电所用的显像管尺寸和电视的尺寸是一致的，如普通的25英寸电视用25英寸的显像管，而背投影彩电用的是3个7英寸的小管子，这3只管子分别发出红、绿、蓝3种颜色的光，它们叠加在一起投影到屏幕上，形成完整的图像。即它的基本原理是把我们平常所说的投影机和荧幕融为一体。值得特别指出的是，背投电视的工作原理主要是用三只投影管先把光束投射在机内镜面上，再由镜面反射到屏幕上成像，这一过程中全部是光的运动，而不是传统电视中的电子流在运动，这也正是背投电视与普通电视本质的区别。显示技术进展15市场上的背投式彩电屏幕尺寸一般为41至61英寸，巨大的屏幕使电视图像更具真实感。与普通电视机相比，背投式彩电不是利用显像管，而是采用先进的投影光学系统，使电视亮度和清晰度得到极大提高，同时再配以高质量的扬声系统，营造出一种强烈的现场感。此外，背投式彩电采用数码扫描方式进行信号处理，每秒播出上百幅图像，实现了没有闪烁的稳定图像，观众长时间看电视也不会感到眼睛疲劳。显示技术进展17显示技术进展18在现阶段，大屏幕的背投电视大致可以包括三类：等离子电视、液晶背投电视和DLP（数字光处理）背投电视。它们都具有非常高的清晰度，尤其是等离子电视和液晶背投电视。但是，前两种产品虽然都有明显的优势，现在却都受到成本和制造上的限制，价格方面都显得非常昂贵，非一般消费者所能够承担。而现在DLP背投电视同传统的CRT电视相比具有明显的优势，在价格上则相对其它两种产品而言就便宜了许多。因此，对于大多数家庭用户而言，DLP背投电视才是合理的选择。显示技术进展19技术原理

DLP（DigitalLightProcessor）数字光处理器）包括数码微镜元件（DMD）、光源、彩色滤波器系统、冷却系统、照明及投射光学镜头。DLP投影机以DMD（DigitalMicormirrorDevice）数字微镜作为成像器件.单片DMD由很多微镜组成，每个微镜对应一个像素点,DLP投影机的物理分辨率就是由微镜的数目决定的。其工作过程如下：光源所发白光，经分色轮着色，被分成不同时段的红绿蓝三束色光。三色光经DMD反射成像，最后三色像分时间先后进行叠加，还原出原色投放屏幕。显示技术进展21DLP光显电视从显示原理来看，应该属于背投式彩电的一种，但是它与我们所熟悉的CRT、LCD背投不同，可以做成类似于平板电视一样的超大屏幕和超薄结构。显示技术进展22技术优点：

DLP显示板的优点是它们有极快的响应时间。你可以在显示一帧图像时将独立的像素开关很多次。它使利用一块显示板通过逐场过滤（field-sequential）方式产生真彩图像。步骤如下：首先，绿光照射到面板上，机械镜子进行调整来显示图像的绿色像素数据。然后镜子再次为图像的红色和蓝色的像素数据进行调整。（一些投影仪通过使用第四种白色区域来增加图像的亮度并获得明亮的色调。）所有这些发生得如此之快，以致人的眼睛无法察觉。循序出现的不同颜色的图像在大脑中重新组合起来形成一个完整的全彩色的图像。

显示技术进展23对比度：

DLP数码光显电视在构成图像表现力的三大因素（清晰度、亮度、对比度）上均有卓越表现，一般DLP数码光显电视对比度达到1500:1甚至2500:1，而等离子一般也是介乎1000:1到3000:1之间，极少数高的已经达到5000：1以上；DLP背投图像分辨率一般可达到1260×720，与液晶显示屏分辨率相当，这意味着完全适应数字电视信号对电视显像的要求。显示技术进展25厚度：DLP数码光显电视可以做得很薄，和平板电视（等离子、液晶）差不多。一般CRT背投厚50CM以上，三星DLP数码光显电视厚度在40CM以下，目前TCL推出的TCLDLP61V6，虽然拥有61英寸的大屏幕，但由于采用了TCL—汤姆逊公司先进的光路设计，所以厚度只有普通DLP背投的1／3，机身厚度仅为17.4厘米，是目前全球最薄的背投电视。整机重量带挂件不到59公斤，比普通34英寸彩电轻。TCLDLP61V6完全可以安装在墙面上，因此被称为“可以悬挂的背投”。显示技术进展26

LCD背投技术

LCD背投的成像方式为穿透式，成像器件为液晶板，是一种被动式的投影方式。它利用外光源（金属卤素灯或UHP灯），因此只要提高灯泡的功率就可以提升亮度。它利用比较成熟的液晶投影技术，色彩还原性好，亮度和对比度都优于CRT背投。随着技术的不断发展，目前困扰业界的灯泡寿命问题，也将得到较好的解决。目前LCD背投没有成为市场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，它的开机预热和关机后散热都需要时间，不能做到CRT背投那样随开随关。

显示技术进展27利用液晶的光电效应，即液晶分子的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。显示技术进展29LCOS背投技术

LCOS（LiquidCrystalOnSilicon）技术结合了半导体与LCD技术，其光学成像原理与DLP同为反射方式。与前述两种背投技术相比，优势在于高解析度、高亮度的特性，而且结构简单，成本降低潜力大。虽然在目前的背投应用方面，相对于流行的LCD技术及近期热门DLP投影技术而言，LCOS仍不能与其抗衡，短期内在这三大技术中暂时屈居第三，但是LCOS仍是相当被看好的、最具潜力的投影技术，随着其光学投影系统在重量、亮度上的不断改善，必将在背投电视市场占据显赫地位。

显示技术进展30LCOS

LCOSLCOS

（LiquidCrystalonSilicon）属于新型的反射式microLCD投影技术，它采用涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片。用先进工艺磨平后镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上的玻璃基板相贴合，再注入液晶封装而成。LCOS将控制电路放置于显示装置的后面，可以提高透光率，从而达到更大的光输出和更高的分辨率。显示技术进展32显示技术进展33

LCOS也可视为LCD的一种，传统的LCD是做在玻璃基板上，LCOS则是做在硅晶圆上。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则采用反射式投射，光利用效率可达40%以上，而且它的最大优势是可利用目前广泛使用、便宜的CMOS制作技术来生产，毋需额外的投资，并可随半导体制程快速的微细化，逐步提高解析度。反观高温多晶硅LCD则需要单独投资设备，而且属于特殊制程，成本不易降低。LCOS面板的结构有些类似TFTLCD，一样是在上下二层基板中间分布Spacer以加以隔绝后，再填充液晶于基板间形成光阀，藉由电路的开关以推动液晶分子的旋转，以决定画面的明与暗。LCOS面板的上基板是ITO导电玻璃，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质是单晶硅，因此拥有良好的电子移动率，而且单晶硅可形成较细的线路，因此与现有的LCD及DLP投影面板相比较，LCOS是一种很容易达到高解析度的新型投影技术。

显示技术进展34面板结构

LCOS（LiquidCrystalonSilicon）属于新型反射式微LCD，其结构是在硅片上“生长”液晶，利用集成电路工艺制作驱动面板（又称CMOS-LCD），经过研磨技术磨平后镀上铝当反射镜，形成CMOS基板，再将CMOS基板与含有透明电极的玻璃（ITO）极板贴合，再注入液晶，进行封装（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结，像素电极用铝做成反射电极。为防止强光照射沟道，加一层金属挡光层。另一侧基板是ITO电极的玻璃板。液晶层盒厚受像素尺寸限制，一般盒厚为几微米。

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图１ＬＣＯＳ面板结构图

显示技术进展36由于LCOS技术仍在起步阶段，目前并无标准制程，所以有多家厂商开发出不同的LCOS光学引擎架构，比较具有代表性的厂商有：IBM、ColorQuad、Philip、Hologram、…，而这十余种技术各有优劣。在这些不同的技术中，可概分为三片式及单片式二大类，详细说明如下：显示技术进展37一：三片式光学引擎

LCOS光学引擎目前以三片式为主，三片式是将光源经分光棱镜将光束分为红、蓝、绿光后，再分别将光束投射入三片LCOS面板，将投射出的三色影像经过光学系统会聚加以结合形成彩色影像。就Nikon设计的IBM4-Cube光学引擎架构来看，由于三片式LCOS光学引擎除了需要三片面板外，并结合多项的分光、合光系统，因此体积较大、成本也较高，不过由于可以达到较高的光学效率，又具备高画质的特性，因此主要是面向高阶的专业用途发展，主要的产品以JVC的多款投影机为主，除此之外，三片式光学引擎还有ColorLink采用的ColoRQuard架构、Philips的Prism架构，致伸发展的Dichroic-PBS架构，及Unaxis的ColorCorner架构等等。显示技术进展38二：单片式光学引擎

单片式ColorWheel光学引擎则是以快速旋转的ColorSwitch将白光形成循序的红、蓝、绿光，并将三原色光与驱动程式产生的红、蓝、绿画面，同步形成分色影像，再藉由人眼视觉暂留的特性，最后在人脑产生彩色的投影画面。类似的技术有：Displaytech发表的FieldSequentialColor、Philip所采用的ScrollingColor-RotatingPrism架构、及JVC采用的SpatialColor–Hologram架构。

显示技术进展39单片式的最大优点就是因为面板数仅需一片，加上分光、合光的系统架构比较简单，因此在成本上较具竞争优势，而且光学引擎的空间也相对较小。然而目前在技术上面临一些困难，以ColorWheel而言，白光经偏极化后的光源仅为先前的1/3，亮度明显降低；此外，由于LCOS面板得在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像，因此面板反应速度的要求更高，使得生产的难度也相形提高。显示技术进展40与LCD、DLP投影机技术相较，LCOS投影技术具高解析度、高亮度、及低成本潜力，为投影技术的明日之星。1、高解析度

LCOS投影技术最大的特色在于其面板的下基板采用硅晶圆CMOS基板，由于下基板的材质是单晶硅，拥有良好的电子移动率，而且单晶硅可形成较细的线路，因此比较容易生产出高解析度的面板。

2、高亮度

LCOS为反射式技术，不会像LCD光学引擎会因为光线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%，与穿透式的LCD的3%相较，可减少耗电，并可产生较高的亮度。3、低成本

LCOS光学引擎因为产品零件简单，因此具有低成本的优势，再加上台湾厂商大举投入，相较于由Epson,Sony供货的LCD面板、及德仪(TI)独家供应的DLP面板，LCOS具有成本的快速降低趋势。显示技术进展41显示技术进展42

然而LCOS技术本身，仍有许多技术问题有待克服，诸如：黑白对比不佳、三片式LCOS光学引擎体积较大。虽然LCOS拥有一些技术上的优势，不过目前在市场上LCOS投影机仍占少数，主要问题在于量产技术尚未克服，零件供货上仍不稳定，因此LCOS仍需以时日才能成为投影机的主流技术。显示技术进展43投影显示系统技术原理

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，当光线照射到LCOS芯片时，其反射光就受到CMOS电极和ITO电极之间电压的调制，因此LCOS芯片实际上是一种光调制器件。利用这种特性，将图像或数据信息转换为CMOS电极阵列的电压，就可以实现反射光的成像。光源的光经过极化和传输系统到棱镜分光为红绿兰三种光并照射到LCOS芯片上被图像调制，调制后的光线在经光会聚系统合成后进入投影镜头并照射到屏幕上成像。

ＬＣＯＳ面板是以ＣＭＯＳ芯片为电路基板，因此无法让光线直接穿过，其分光合光系统设计和ＬＣＤ投影机有些不同，通常需要在分光合光系统中利用偏极化分光镜（ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＢｅａｍＳｐｌｉｔｅｒ；ＰＢＳ），将入射ＬＣＯＳ面板的光束与反射后的光束分开。

由光源所发出的光经由ＤｉｃｈｒｏｉｃＭｉｒｒｏｒ（双色镜）后分成Ｒ、Ｇ、Ｂ三色光，此三色光分别通过各自的ＰＢＳ后，会反射Ｓ偏光进入ＬＣＯＳ面板，当液晶显示为亮态时，Ｓ偏光将改变成Ｐ偏光，最后以双色棱镜（ＤｉｃｈｒｏｉｃＰｒｉｓｍ）组合调变过的三道偏极光，投射至屏幕处得到影像。

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图2LCOS成像原理图显示技术进展45应用领域

和透射式LCD技术相比，LCOS可以很容易地实现高分辨率和充分的色彩表现，而且可以较大地降低成本。LCOS的用途十分广泛，大到背投彩电，小至数码相机都可以使用它作为显像器件。虽然LCOS看起来简单，但要产品化还要有一个过程，并不是像想象的那样容易形成产业。LCOS技术一经推出便在全世界范围内造成极大影响，但由于制造工艺等方面原因，目前基于LCOS技术的产品还没有形成大规模量产，只有少数厂家开发出了应用于投影机的LCOS芯片和应用LCOS技术的投影机及背投电视样机。LCOS技术在以后大屏幕显示应用领域里具有很大优势，它没有晶元模式，且具有开放的架构和低成本的潜力。

显示技术进展46LCOS显示面板其中一面以ＣＭＯＳ芯片为基板，无法让光线直接穿过,因此采用穿透式成像方式，因此其背投光学系统和LCD背投影机便产生了区别。通常LCOS光学系统中需要利用偏极化分光镜（PolarizationBeamSplitter:PBS）,将入射LCOS面板的光线与反射的光线分开。PBS是由两个４５度等腰直角棱镜底边粘合的而成的棱镜，当非线性偏极化光入射PBS时，PBS会反射入射光的Ｓ偏振光（垂直入射线平面），并且让Ｐ偏振光（平行入射线平面）通过。

显示技术进展47单片式

单片式LCOSColorWheel光学引擎示意图如下，