只为出“色”——LCD和DLP两种投影技术

如果你是电影爱好者,你会组建自己的家庭影院吗?要知道,投影机是影院系统的一个重要环节,这是我们再熟悉不过的器材。由于科技的进步和日新月异,家庭影院领域中的视频设备必将剑指更高分辨率、更高亮度和更加惊艳的成像画面。目前,包括投影机在内的所有彩色显示设备都是围绕人类视觉系统如何感知颜色的核心观察构建的。也就是说,我们只需要采用RGB三原色(红、蓝、绿)就能产生人眼可以看到的每一种颜色,将这三种原色按正确的比例混合即可。

从上世纪50 年代彩色投影机诞生至今,投影技术几经更迭,从最早的 CRT 技术,到 LCD 与 DLP 技术在 80-90年代相继问世,以及 LCoS 技术入局,投影技术日趋成熟。经过几十年发展,目前在家用投影机市场中,LCD和DLP两种技术占据主流地位。从投影技术分类上看,LCD投影机采用透射式投影技术,目前最为成熟;DLP投影机采用反射式投影技术,是现在高速发展的投影技术。以上两种原理不同的投影技术都各有优势和特点,多年来,多年来 LCD 与 DLP 技术都在不断发展进化。

LCD投影技术

据悉,LCD 技术最早出现于1968年,按照液晶板的片数,LCD投影机分为单片LCD 投影仪和三片LCD 投影仪。早期的LCD投影都是单LCD,在一块LCD面板上处理R、G、B三种色彩的图像,并合成为一投射到荧幕上。这种LCD投影机造价低,但成像质量、色彩饱和度、亮度都不是很好,画面泛白严重。不过随着光源、液晶屏技术的提升,单片式LCD投影的亮度也可以达到800CVIA,白天也可以获得出色画面效果。单片LCD 投影机的工作原理是将LCD面板的背光部分拆去,然后使用大功率的背光源通过聚光镜照射到LCD面板上,由于LCD面板是透光的,画面就会被照射出去,通过前面的聚焦镜及镜头打到屏幕上而成像。这个原理与教学用的那种投影机非常相似,普通的投影机使用的均是这一原理。

而三片LCD 投影方面,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。最后三路光线最终汇聚在一起由镜头投射出去。

DLP投影技术

DLP是“Digital Light Processing”的缩写,即为数字光处理,这是一项使用在投影仪和背投电视中的显像技术。DLP技术最早是由德州仪器开发的。它至今仍然是此项技术的主要供应商。德国德累斯顿Fraunhofer学院(The Fraunhofer Institute of Dresden)也生产有着特殊用途的数字光处理器,并把它称作空间光调节器(Spatial Light Modulators,SLM)。例如,瑞典Micronic激光系统公司(Micronic Laser Systems of Sweden)就在其开发的Sigma印版硅模板刻印机中,利用Fraunhofer生产的空间光调节器来生成远紫外线图像。

DLP投影机中,图像是由DMD(Digital Micromirror Device,数字微镜器件)产生的。DMD是在半导体芯片上布置一个由微镜片(精密、微型的反射镜)所组成的矩阵,每一个微镜片控制投影画面中的一个像素。微镜片的数量与投影画面的分辨率相符,800×600、1024×768、1280×720和1920 x 1080(HDTV)是一些常见的DMD的尺寸。这些微镜片在数字驱动信号的控制下能够迅速改变角度,一旦接收到相应信号,微镜片就会倾斜10°,从而使入射光的反射方向改变。处于投影状态的微镜片被示为“开”,并随数字信号而倾斜+10°;如果微镜片处于非投影状态,则被示为“关”,并倾斜-10°。与此同时,“开”状态下被反射出去的入射光通过投影透镜将影像投影到屏幕上;而“关”状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。

本质上来说,微镜片的角度只有两种状态:“开”和“关”。微镜片在两种状态间切换的频率是可以变化的,这使得DMD反射出的光线呈现出黑(微镜片处于“关”状态)与白(微镜片处于“开”状态)之间的各种灰度。DLP投影仪主要通过两种方法来产生彩色图像,这两种方法分别被用在单片DLP投影仪和三片DLP投影仪中。

单片 DLP 投影仪内部只安装一片DMD芯片,其光源可采用金属卤素灯、高压汞灯所发出的白光或新光源(如 LED 灯)发出的REG三色。采用白光光源的单片 DLP 投影仪通过在光源与 DMD 之间安装一个色轮产生 REG 三色。色轮通常被分为四个区域:红区、绿区、蓝区和一个用来增加亮度的透明区域。由于透明区域会减弱色彩的饱和度,所以在某些型号的投影仪中可能会被禁用或者干脆省略掉。DMD 芯片与色轮的转动保持同步,当色轮中蓝色部分位于光源前面的时候,DMD 就显示画面中蓝色的部分。红色和绿色的情况也非常类似。红、绿、蓝三种画面按照顺序以非常高的速度被投射出来,因此就能看见合成的“全彩色”画面。

三片 DLP 投影仪内部安装三片 DMD 芯片,光源发出的光被棱镜分离成三路,这三路光线经过滤光分别成为红、绿、蓝三种颜色,然后分别照射到相应的DMD 芯片上。最后,三束经过 DMD 芯片调制的光线借助棱镜再重新合并成一路光线,并通过镜头投射到屏幕上。三片 DLP 系统能够显示 35 万亿种颜色,相比之下,单片 DLP 系统却只能够显示 1670 万种颜色。一般的 DLP 投影仪只有一个 DMD 成像部件,三片式 DLP 投影系统可实现非常高的图像质量或非常高的亮度,但成本较高,所以现在市场上绝大部分的DLP 投影机都是单片 DMD 芯片的。

LCD和DLP的一些对比

色彩能力

LCD投影机的特点就在于图像色彩饱和度好,色彩层次丰富,但文本边缘大都有阴影和毛边。在显示动态视频图像方面,LCD投影机显示彩色图像时更加清晰,色彩更加生动,而DLP投影机在色彩上稍有损色,色彩饱和度不够好,色彩表现不够生动。

对比度

DLP投影机的优点就在于对比度高,黑白图像清晰,暗部层次丰富,细节表现丰富;在表现黑白文本时黑色黝黑纯正,文本清晰。因为技术的不同,所以LCD技术在能强烈表现对比度、暗部画面情况下就有一定的差距。

色彩分离能力

LCD投影机最大的好处是红、绿、蓝三原色是由3片分离的液晶板完成的,可以对每一种颜色的亮度和对比度进行单独控制,并且三色光几乎可以同时到达屏幕,因此可以真实重现各种颜色。而单片DLP投影机色彩分离是由一个分色轮实现的,三色光使用同一微镜调制反射,因此三色光分时到达屏幕,由于受分色轮转速和微镜偏转速度的限制,色彩重现方面较LCD投影机有一定差距。在显示动态视频图像时,由于图像刷新速度比较快,每一种颜色的调制速度要求也比较高,LCD技术会比DLP技术更加具有优势。

像素能力

LCD投影机的液晶板每一个像素点上都要有一个被称作光开关的晶体管,晶体管部分不能透过光,并且由于此晶体管的存在,像素点之间要有一定的间隙。而DLP投影机由于控制晶体管在微镜的背面,不会对光形成阻隔,微镜之间的间隙也可以做得非常小。

专注工程领域或更可发挥DLP优势

作为目前两种主流投影技术,在家用领域方面LCD的优势较为明显,而DLP的长处在工程领域会得以发挥。首先在显示效果层面,DLP技术所采用的微镜相比LCD而言像素间隙更小,排列更紧密,因此DLP技术的像素填充数更高,生成的画质更流畅,达到的原始分辨率也更高。而且还杜绝了LCD技术的纱门效应(Screen Door Effect),也就是近距离观看能看到像素周围存在细线或边界的问题。其次,防尘密闭层面:DLP 技术采用密封DMD芯片,冷却过程在每个成像器的背面完成,不会对光路造成阻碍。这意味着DLP技术不受冷却空气和灰尘颗粒的影响。而LCD技术对灰尘积聚较为敏感,需要定期更换或清洁空气过滤器。最后,画质持久层面,由于LCD面板对光线极为敏感,长时间使用后,亮度和色彩均匀性都会降低,影响投影质量。而DLP采用微机械结构,不会随时间发生变化或褪色,因此能够长期维持图像均匀性、色彩准确性和光输出。