背投显示技术光路原理
中心议题：
- 背投显示技术光路原理
- LCD背投技术
- DLP背投技术
- LCOS背投技术
背投显示技术正处于蓬勃发展时期，本文介绍了背投显示技术的基本光路原理，以及当前技术背景下，几种主要背投电视技术的应用和发展前景。并且对笔者所从事的LCOS背投领域做一下重点介绍。
1、背投显示技术
背投(RearProjector)的定义是相对于传统的前投(FrontProjector)而言的。二者的主要区别在于图像光线的来源方式。前投系统中，观察者和投影机位于反射屏幕的同一侧，投影机投射出的光线照射到屏幕后，再经过反射到达观察者；而背投系统中，观察者和投影机位于显示屏幕的两侧，从投影机发出的光线照射到半透明的显示屏幕上，部分透过后形成图像，所以观察者看到的是透射出来的光，其原理如图1：
图1：背投原理图
通常人们提到的多媒体投影机主要是指前投影机，与它们相比背投影的优势在于背投系统中投影机和屏幕是一个整体，用户使用时无需进行光学调整，像使用普通电视机一样简单。此外背投系统中光学投影机封闭在一个箱体内，投射到屏幕上的光线不会受到外界光线影响，因此在较暗或较亮的环境下都可以完好地显示图像。正是基于这些原理产生了背投电视，由于采用的不同的投影机种类，背投技术可以分为CRT(阴极射线管)、LCD(液晶)、LCOS(硅基液晶)、DLP(数字光处理)等几种。到目前为止，CRT背投电视的技术最为成熟，生产规模较大，性价比高，依然是国内背投电视市场的主流产品。但CRT背投是靠荧光粉发光，很难提升亮度，容易使显像管老化，时间长了，画面会变暗，清晰度降低。鉴于此，随着其他三种技术的逐渐成熟，市场必将重新分割，谁将占据未来市场的主流呢？下面我将分别介绍一下LCD、DLP、LCOS三种背投电视投影技术。
2、LCD背投技术
LCD(LiquidCrystalDisplay)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。
LCD投影机按照液晶板的片数分为三片式和单片式。目前，三片式投影机是液晶板投影机的主要机种，其原理示意图如下：
三片式LCD板投影机原理是光学系统把光源发射的强光通过分光镜形成R、G、B三束光，分别透射过R、G、B三色液晶板；控制信号源经过A/D转换调制后，加到液晶板上，通过控制液晶单元的开启、闭合，从而控制R、G、B三色光路的通断，然后三色光经过合色光路，在合色棱镜中汇聚，最后经透镜投射后，在屏幕上形成彩色图像。
3、DLP背投技术
DLP（DigitalLightProcessing）指数字光处理技术，这种技术要先把影像讯号经过数字处理后再投影出来，其投影显示质量很好。与LCD背投的透射式成像不同，DLP为反射方式。其系统核心是TI（德州仪器）公司开发的数字微镜器件—DMD（DigitalMicromirrorDevice），DMD是显示数字可视信息的最终环节，它是在CMOS的标准半导体制程上，加上一个可调变反射面的旋转机构形成的器件。通常DMD芯片有约130万个铰接安装的微镜，一个微镜对应一个像素。DLP背投的原理是用一个积分器（Integrator）将光源均匀化，通过一个有色彩三原色的色环（ColorWheel），将光分成R、G、B三色，微镜向光源倾斜时，光反射到镜头上，相当于光开关的“开”状态。微镜向光源反方向倾斜时，光反射不到镜头上，相当于光开关的“关”状态。其灰度等级由每秒钟光开关，开关次数比来决定。因此采用同步信号的方法，处理数字旋转镜片的电信号，将连续光转为灰阶，配合R、G、B三种颜色而将色彩表现出来，最后投影成像，便可以产生高品质、高灰度等级的图像。
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目前DLP的投影机主要有单片DMD机、双片DMD机和三片DMD机。根据各自不同的特点，有着不同的应用。其中单片式主要应用在便携式投影产品，双片式应用于大型拼接显示墙而三片式主要应用于超高亮度投影机。一般DLP背投电视有普通彩电4-5倍的清晰度，而且有着高亮度、高对比度的优势，可达到1000：1的对比度。此外，由于数字技术的采用，使图像灰度等级提高，图像噪声消失，画面质量更稳定。但是，德州仪器公司目前是全球DMD芯片的惟一制造商，造成投影机的供给领域薄弱，核心部件供应量不足，成品率较低，价格昂贵，因此在一定程度上限制着这一产品的发展,此外从长远看DLP投影技术在超高分辨率（2000线以上）方面受到制约。
4、LCOS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。此外，就我国高端背投彩电切入点来说，要建立自己的技术优势，LCOS技术是目前的首选。由显示面板来看，在LCD技术领域日、韩占据着相当大的优势，我国台湾地区也只是占据了部分中、低端市场，DLP技术更是由TI独家控制着其核心器件DMD。而LCOS技术尚未成熟，此时开发LCOS，将有机会摆脱在LCD、DLP投影技术上受制于人的情况，因此可以说LCOS是我国在高端彩电技术上取得领头地位的机会。目前我国台湾地区厂商在LCOS技术开发方面相当积极，联电所主导的LCOS联盟已经比较引人注目。ＨＤＴＶ的推广应用，必将加快LCOS产业化进程。
LCOS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。关于LCOS光学系统技术仍在起步阶段，所以IBM、ColorQuad、Philip、Hologram等多家厂商都开发了不同的LCOS光学引擎架构。但主要可分为单片式和三片式两大类，如下：
1）、单片式
单片式LCOSColorWheel光学引擎示意图如下，R、G、B色环快速旋转将来自光源的白光分成循序的红、绿、蓝单色光。这三原色光与驱动程序产生的红、绿、蓝画面同步，便形成分色影像。频率足够快时，由于人眼视觉暂留的特性，观察者便可以看见彩色的投影画面。单片式光学引擎占用空间相对小，仅需一片面板，系统架构比较简单，因此在成本上具竞争优势。然而目前在技术上也面临一些困难，以ColorWheel而言，白光经过偏极化后，亮度明显降低，能量仅仅剩余1/3。此外，由于LCOS面板要在红、蓝、绿画面快速的切换下合成影像，对面板反应速度的要求更高。目前类似的技术有：Displaytech的FieldSequentialColor结构、Philip的ScrollingColor-RotatingPrism结构、以及JVC的SpatialColor–Hologram结构。
2）、三片式
三片式LCOS光学引擎是目前市场采取的主要方式。这里以笔者曾经调试的一套三片式LCOS光学引擎为例，介绍一下光路。以UHP灯泡为光源，光线首先经两重复眼透境使光线均一化，然后经过一层PBS棱镜和透镜，接下来经红、蓝、绿三色光的分光光路，再分别将光束投射入到三片LCOS面板，反射的三色影像经过合色系统形成彩色影像，投射到屏幕。此系统中，用到了4个方棱镜、4个PBS棱镜、以及两个复眼透镜、和几个反射镜。由此可见三片式LCOS光学引擎除了需要三片面板外，还需要结合多项的分色、合色光学系统，因此体积较大、成本也较高。但是可以达到较高的光学效率，LCOS投影技术中，其面板的下基板采用CMOS基板，其材质是单晶硅，拥有良好的电子移动率，而且单晶硅电路能做得很细，因此容易达到高解析度。此外，LCOS为反射式成像，不会像LCD光学引擎因光线穿透面板而大幅降低光利用率，因此有很高的光利率，可以较少耗电产生较高的亮度。并且具备高画质的特性，因此主要是朝高阶的专业用途发展，目前，三片式光学引擎还有ColorLink采用的ColoRQuard架构、Philips的Prism架构等。
在此再简单介绍一下LCOS显示驱动的特点。LCOS显示技术中需要一块内建DRAM的图像控制芯片，主要包括脉冲时钟发生器、行驱动电路（移位寄存器和buffer）、列驱动电路（移位寄存器，buffer，锁存器）、D/A转换器和有源象素矩阵几部分。采用有源矩阵结构猪层写入数据，对于每个象素，其工作状态相当于静态驱动，这样对比度较高，几乎没有Cross-talk。而其灰度等级由所加的脉冲宽度决定。每一个象素对应一个开关，并且在驱动芯片中一般占用四层金属，其中下面两层金属用来走线，在上面实现行和列方向的驱动电路连接；上面两层金属用来做光屏蔽和反射面电极。视频工作原理如下图：每个象素是由一个MOS管和一个存储电容组成。MOS管的宽长尺寸主要考虑馈通对电路逻辑性能的影响，存储电容（图中Cs）的容值由液晶的漏电常数和液晶自身电容值（图中Clc）决定。
驱动电压方面，采用了“逐场倒相”方式，把交互式电压加到液晶单元，防止在单方向电场作用下，液晶分子极性化，电场取向特性实效。具体操作过程是在第一场信号后，翻转数据线的脉冲波形，把正脉冲信号变为负脉冲信号，而保持扫描脉冲信号不变。对液晶及其存储电容进行充电时，为了省电我们在电路设计时选用了线性斜波的充电方式电。
驱动电路系统结构方面，有模拟和数字两种。模拟方式中列方向通过横向的移位寄存器控制与视频相连接，行方向逐行开启，象素矩阵通过垂直的移位寄存器控制与列线相连。数字方式结构中每一个象素使用一个DAC。为了解决DAC无法限制在较小的像素内问题，我们可以加入锁存电路从而每行使用一个DAC。
总的来说，CRT、LCD、DLP、LCOS这几种背投电视技术各有优势。考虑到消费能力，CRT在未来几年内仍将占据我国背投市场的主体；LCD就技术成熟度、应用范围方面看，是最有机会首先取代CRT成为主流的技术；DLP是技术新贵，目前由展会展出情况看，声势超过了LCOS（尤其在便携式投影机方面，DLP已经形成一定的产业规模，本文主要阐述在背投电视中的应用，因此不在此详细阐述）；而LCOS是最具成本优势潜力和图像质量优势的技术，随着人们对显示画面尺寸要求提升，同时追求电视画面更舒适、更清晰，LCOS将具有最大的优势。
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