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1、显示技术进展,Progress in Display Technology,主讲：刘 琳西安邮电学院光电信息工程教研室20092010学年第一学期,投影显示系统介绍,3,显示技术进展,所谓投影,4,显示技术进展,在技術應用可分DMD、HTPS、LCoS(Liquid Crystal on Silicon)三種，DMD、HTPS技術較為成熟，LCoS面板受限於光學引擎技術不夠成熟，加上產業鏈效率不佳等因素，競爭力不足以與DMD、HTPS競爭。,5,显示技术进展,投影机示意图,6,显示技术进展,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
2、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。,7,显示技术进展,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、3色图像合成为一个图像，最后通过镜头投影到屏幕上。,8,显示技术进展,投影机分正投影和背投影两种，市场上常见的多媒体投影机主要是指正投影机。正投影是观察者和投影机位于反射屏幕的同一侧，从投影机投射出来的光照射到屏幕，观察者看到的是屏幕反射回来的光；而背投影是观察者和投影机位于屏幕的两侧，将投影机安装在机身内的底部，从投影机投射出来的光照射到半透明的屏幕时会有部分光透过观察者看到的是透射出来的光（如图）,9,显示技术进展,10,显示技术进展,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
4、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。,11,显示技术进展,投射镜头通常是一组透镜，一般由37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
5、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。,12,显示技术进展,3后投射屏背投影电视的一个突出优点是显示屏幕不受显像管的限制，可以做得很大，但屏幕大了以后，由于受光源亮度的限制（投射管的亮度有限），势必会造成屏幕整体亮度和对比度的下降，而亮度和对比度的不足，使图像的清晰度和颜色的鲜艳程度都受到影响，所以自投影电视问世以来，人们一直在为提高清晰度而努力的同时还在想方设法地提高影像的亮度和对比度。除了提高投射管的亮度之外，人们还在投射屏上进行了大量的努力，设计出了由无数透镜组成的光学屏幕，如菲涅耳透镜和双凸透镜，以保证投影电视的图像质
6、量。,13,显示技术进展,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。,14,显示技术进展,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。
7、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。,15,显示技术进展,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
8、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。,16,显示技术进展,由于采用的不同的投影机种类，背投技术可以分为CRT、PDP、LCD、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。
9、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。,17,显示技术进展,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。,18,显示技术进展,19,显示技术进展,在现阶段，大屏幕
10、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。,20,显示技术进展,DLP光显电视的核心就是DMD芯片，这个只有火柴盒大小的芯片上竟密密麻麻地排列了80万至100万面小镜子，而且每个小镜子都可以独立向正负方向翻转10度，并可以
11、每秒钟翻转5000多次。光源通过这些小镜子反射到屏幕上直接形成图像。所以DLP投影技术抛弃了传统意义上的光学会聚，可以随意改变焦点，调整起来十分方便，而且其光学路径相当简单，体积更小。因此，DLP背投电视的机身相应地就可以做得更薄。体积不再庞大，大大减小了摆放空间，能耗也随之降低很多。从价位上看，DLP中流行的单片DMD技术较之液晶显示也符合普通用户的承受能力。,21,显示技术进展,技术原理 DLP（Digital Light Processor）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（Digital Micormir
12、ror Device）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。,22,显示技术进展,DLP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。,23,显示技术进展,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
13、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。,24,显示技术进展,对高质量的投影系统，可以使用3块DLP显示板。每块板分别被被打上红色、绿色和蓝色，图像被重组为一个单一的真彩色的图像。这种技术已经被用在一些数字电影院中的大型投影设备上。DLP显示板有高分辨率
14、而且非常可靠。它们的对比度大约是多晶硅LCD投影仪的两倍，这使它们在明亮的房间中更有效。,25,显示技术进展,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 1260720，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。,26,显示技术进展,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D
15、LP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13，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”。,27,显示技术进展,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
16、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。,28,显示技术进展,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
17、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。,29,显示技术进展,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。,30,显示技术进展,LCOS背投技术LCOS（Liquid Crystal On Silicon）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
18、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。,LCOS,32,显示技术进展,LCOS,LCOS（Liquid Crystal on Silicon）属于新型的反射式micro LCD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
19、率。,33,显示技术进展,34,显示技术进展,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TFT LCD，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
20、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。,35,显示技术进展,面板结构,LCOS（Liquid Crystal on Silicon）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
21、板贴合，再注入液晶，进行封装（见图 1）。在单晶硅片上集成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。,36,显示技术进展,图 面板结构图,37,显示技术进展,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：,38,显示技术进展,
22、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IBM 4-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Dic
23、hroic-PBS架构，及Unaxis的ColorCorner架构等等。,39,显示技术进展,二：单片式光学引擎,单片式Color Wheel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Field Sequential Color、Philip所采用的Scrolling Color-Rotating Prism架构、及JVC采用的Spatial Color Hologram架构。,40,显示技术进展,单片
24、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Color Wheel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。,41,显示技术进展,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
25、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。,42,显示技术进展,43,显示技术进展,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
26、。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。,44,显示技术进展,投影显示系统技术原理,投影机的基本原理与投影机相似，只是投影机是利用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，
27、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。面板是以芯片为电路基板，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（；），将入射面板的光束与反射后的光束分开。由光源所发出的光经由（双色镜）后分成、三色光，此三色光分别通过各自的后，会反射偏光进入面板，当液晶显示为亮态时，偏光将改变成偏光，最后以双色棱镜（）组合调变过的三道偏极光，投射至屏幕处得到影像。,45,显示技术进展,图2 LCOS成像原理图,46,显示技术进展,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
28、。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。,47,显示技术进展,LCOS显示面板其中一面以芯片为基板，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LC
29、D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（Polarization Beam Splitter:PBS）,将入射LCOS面板的光线与反射的光线分开。PBS是由两个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会反射入射光的偏振光（垂直入射线平面），并且让偏振光（平行入射线平面）通过。,48,显示技术进展,单片式 单片式LCOS Color Wheel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
30、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。,49,显示技术进展,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。,50,显示技术进展,2005年可以说是平板电视年，当红小生“LCD液晶电视”和“PDP等离子电视”大战不断，再加上传统高端背投电视的大
31、幅降价以及DLP光显背投的加入，这个市场异常火爆，消费者在选购客厅大屏幕电视时基本已经放弃了传统体积庞大的CRT电视而转向这些体积小巧、外观时尚、功能强大的的平板电视。,51,显示技术进展,CRT projector,52,显示技术进展,53,显示技术进展,54,显示技术进展,55,显示技术进展,56,显示技术进展,57,显示技术进展,58,显示技术进展,59,显示技术进展,60,显示技术进展,61,显示技术进展,62,显示技术进展,63,显示技术进展,64,显示技术进展,65,显示技术进展,66,显示技术进展,67,显示技术进展,68,显示技术进展,69,显示技术进展,70,显示技术进展,71,显示技术进展,72,显示技术进展,73,显示技术进展,74,显示技术进展,75,显示技术进展,76,显示技术进展,77,显示技术进展,78,显示技术进展,79,显示技术进展,80,显示技术进展,81,显示技术进展,82,显示技术进展,83,显示技术进展,Thank You!,
