全面系统阐述投影机最新技术及其趋势

作者:xunijunshi    发布时间03月13日    浏览量:3

    数年来,LCD和DLP技术的竞争和越来越广泛的用户需求使得投影机的性能不断提高,同时,光源技术和其他附属技术的进展也为投影机技术的进步提供了强有力的保障。本期前沿技术栏目将带领您走入投影机技术的世界,领略技术进步给投影机带来的革命性变化。

    投影技术可能是最古老的现代显示技术之一,它发源于19世纪早期,并随着19世纪末20世纪初电影的发明和流行得以迅速推广。现代电子投影机的工作原理是将光源的光线分成几种基本颜色,再投射到图像显示元件上产生影像,经过合成和透镜投射为放大的图像。当投影机技术发展到今天,CRT投影已成为历史,LCD(液晶显示)和DLP(数字光学投影)技术则各擅胜场;同时,光源技术和其他相关技术的发展也使得投影技术的发展如虎添翼。下面我们将介绍投影机的一些最新技术。
全面系统阐述投影机最新技术及其趋势
LCD技术不断完善

    目前投影机用的液晶显示元件几乎都是高温多晶硅(HTPS)面板,它具有体积小、分辨率高和透光性好等特点。传统的LCD投影技术的优势是色彩比较鲜艳,但也存在光的利用效率较差,亮度和对比度不高,画面有颗粒感和液晶分子长期在强光照射下易老化等问题。随着技术的进步,这些问题逐步得到了解决。

光圈的应用

    使用随画面亮度调节进光量的光圈机构(Iris)可以使对比度获得大幅度的提高。以三洋电机的LP-Z4投影机为例,它为了提高对比度,使用了双光圈。一个是设置于光源与透镜之间的遮蔽板,也称“投影灯光圈(Lamp Iris)”,可在对场景全像素的亮度柱状图进行计算后,根据计算结果调节遮蔽板的张开程度,还可以切换显示影像信号的Gamma特性;另一个是配备在透镜区域的“透镜光圈(Lens Iris)”,可以根据面向影像视听的预设模式和用户自行设定的模式,在100%~约60%的范围内调节光量,透镜光圈的大小不与场景亮度连动。借助双光圈,LP-Z4能够实现7000:1的对比度。索尼2005年11月20日开始发售的VPL-HS60的标称对比度更高达10000:1,它通过安装在液晶面板周围的“High Contrast Plat(高对比度装置)”,减小了液晶面板的光泄漏,抑制了黑色漂移,再与索尼的“Advanced Iris(先进光圈)”配合,就能够实现超高的对比度。

液晶面板的改进

    通过光圈提高对比度会造成亮度上的一定损失,对液晶面板的结构进行改进可以同时提高亮度、对比度等主要画质指标。以精工爱普生为例,2003年和2004年,精工爱普生发布了D4和D5两代液晶面板技术,并广泛应用在目前上市的很多产品中。D4面板通过微透镜阵列技术、微组装技术、平滑技术和光屏蔽技术等一系列新技术,实现了性能的飞跃。D5面板则更进一步,对比度提高到750:1的水平,开口率增加20%以上。到了2005年5月,精工爱普生又发布了C2 Fine(Crystal Clear Fine,全透明清晰)技术,使用该技术的液晶面板配向膜中使用了无机材料,让无机材料的分子沿垂直方向层叠,层叠的无机材料在垂直方向上具有各向异性,受到各向异性的影响,在配向膜上的液晶分子可以呈垂直排列。这种制造方法能够以不足1纳米的精度控制配向膜的厚度,比使用有机配向薄膜更能实现液晶分子在面板内均匀排列,成膜和配向可以同时进行。此外,精工爱普生还将原有的TN液晶改为VA(垂直配向)模式,VA模式显示黑色时不加电压,黑色更加纯正。这些方法结合使得投影机用液晶面板的暗处对比度高达10000:1,图像显示效果更出色,开口率也有望获得进一步提高。无独有偶,索尼在2005年2月也宣布了利用了LCOS面板配向膜技术开发的HTPS面板用无机配向膜技术,能够抑制配向膜随投影机光源的照射而出现的老化现象,将面板的耐光性能提高到原来的4倍。此外,这一技术还可省去会产生废屑的研磨工序。同时,通过在驱动方式上采用每半帧施加一次电压的半帧反转驱动技术,抑制了液晶分子因线电压差而产生的定向紊乱现象。采用半帧反转驱动技术和高精细加工技术,将像素中心间隔由过去的12.5微米缩小到了11.5微米,可以使亮度提高10%,对比度提高5倍。使用这两种新技术的液晶面板都将于2005年底到2006年年初投入生产。

    精工爱普生还在2005年4月开始供货使用喷墨技术形成配向膜的TN液晶面板。喷墨技术成膜的优点是能够保证膜厚度的均匀性,减少成膜缺陷和简化生产设备。喷墨技术成膜使用低粘度墨水,并且通过墨滴数目控制成膜,可以将膜厚度误差控制在±2%,这比传统的Flexo印刷法的±4%~5%提高了很多。均匀的成膜使液晶面板的画质得到提高,画面更加平滑。
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DLP技术发展迅速

    DLP投影技术使用DMD元件(Digital Micromirror Device,数字微镜器件)成像,采用DMD元件的DLP投影机可以是三块DMD芯片分别反射RGB三色的三片式,也可以是使用一块DMD芯片反射所有色光的单片式。目前大量生产的是单片式DLP投影机,需要靠高速旋转的色轮滤色,产生不同的单色光,再合成为彩色图像。单片DLP投影机结构比较紧凑,便于小型化;光利用效率高,亮度和对比度容易提高;DMD元件的寿命极长,几乎没有老化问题的困扰。但由于采用色轮,容易产生色彩分离,这也被称为彩虹效应,此外,色彩饱和度不好也是单片式DLP投影机的常见问题。

DLP技术的发展和改进

    DMD元件的改进主要围绕提高微镜的精细度、增大微镜的偏转角度、减少杂光影响和降低单片DMD元件的成本等方面进行。微镜的面积不断减小,间距也变得更窄,像素变得更精细;微镜的偏转角度也由±10o提升到了±12o,使得DLP投影的灰阶表现更好;2004年推出的“Dark Metal 3”技术则使用吸光材料吸收通过微镜间隙的杂光,使对比度进一步提高;组件的制程也不断提升,成本则不断下降。同时,色轮技术也在不断进步,多段式色轮、SCR色轮等技术纷纷出台,色彩段数更多,转速也逐渐提升,使得彩虹效应大大减轻。

极致色彩技术和高清DMD元件的诞生

    进入2005年,DLP投影技术依然保持着快速发展的势头,主要的突破点是色彩的进步和产品分辨率的提升。2005年6月,TI发布了“极致色彩(Brilliant Color)”技术,在色轮上除了红、绿、蓝三种原色以外,又加入了黄色、紫红色和青色,让色彩更加逼真鲜明,并改进了处理方式,能够提高中间色调的亮度50%以上。配用的成像处理芯片DDP3020则内置了2D图像重点修正和画中画功能,并且可以编程,让不同的制造商发挥自己的特色。虽然此前各厂商已经开发了不少添加色彩的色轮,但极致色彩技术允许厂商自行调整六种原色的比例,灵活度更大,更为不具备色轮设计实力的厂商提供了方便。

     在分辨率的提升方面,继2004年推出220万像素(2048×1024)的DLP Cinema芯片后,2005年9月TI更推出了满足1080P要求的单片式和三片式DMD元件,预计2006年将有几十种产品上市。1080P DMD元件除了分辨率提高以外,其他性能都和HD2+ DarkChip3基本相当。单片式1080P DMD元件的尺寸为0.95英寸,与去年发布的DLP Cinema芯片(分辨率2048×1024,1.2英寸)相比,微镜单元的尺寸和微镜间隙进一步缩小,目前还不清楚TI对微镜单元的结构是否进行了改进,但这一尺寸已经达到了高端民用市场能够接受的成本标准。在亮度和对比度方面,DLP投影技术拥有一定的优势。三片式DLP投影机早已实现25000ANSI流明的亮度,明基等公司开发的产品中也已经出现了亮度达到9000ANSI流明的单片式DLP产品。此外,日本台达在2005年10月展出了能够实现12000:1对比度的DLP背投仪,预计达到这一指标的前投式投影机也将在不久之后面世。

LCOS投影技术抢占高端

     LCOS(硅上液晶)技术是一种利用反射型液晶元件成像的技术,仍然使用垂直配向模式的液晶作为光阀,液晶部分的下层有一层反射光线的薄膜,能够反射70%以上的光线,开口率高达90%以上。LCOS投影技术既拥有LCD投影色彩鲜艳的优点,又拥有反射式投影光线利用率高,亮度和对比度较高的长处,被人们寄予厚望,但是由于生产成本始终很难降低,LCOS投影机在面向主流市场的推广中一直遇到成本问题的困扰。目前已经投入商业化应用的主要是JVC的D-ILA技术和索尼的SXRD技术,主要用于高端产品。几年来,通过采用无机配向膜,使液晶的配向更规整;取消间隙子,使光线利用率更高以及减小液晶层厚度,使得响应速度更快等技术革新手段,采用LCOS技术的投影机性能已经相当出色。

面向影院、专业和高端家庭应用

     2004年9月,JVC发布了面向高端影院应用的“4KX2K”标准的投影机,分辨率高达4096×2048。它采用了1.7英寸D-ILA面板,像素中心间距为9.5微米,间隔尺寸0.35微米,反射率达到78%。索尼于2005年9月正式上市的SRX-110和SRX-105也是符合“4KX2K”标准的产品,它们采用的SXRD面板为1.55英寸,像素中心间距为8.5微米,亮度分别为10000ANSI流明和5000ANSI流明,响应时间也低至5毫秒,目前采用HTPS面板的LCD投影机和DLP投影机还没有同类指标的产品。此外,JVC还推出了达到QXGA分辨率(2048×1536)的产品D-ILA QX1,使用1.3英寸D-ILA面板,对比度达到7000:1。

     面向1080P规格的数字高清应用方面,LCOS投影机也已经有不少产品面世,性能持续提高,成本不断下降。比较有代表性的产品是索尼于2005年12月发售的VPL-VW100,这款投影机采用了索尼开发的0.61英寸SXRD面板,通过改进前一代产品的反射膜,实现了5000:1的对比度、74%的反射率,过去的产品则分别是3000:1和65%。它的像素中心间距为7微米,比上代产品减小了22%,由于像素间距变小,因此还重新设计了液晶驱动元件,响应时间也下降到惊人的2.5毫秒。高对比度的面板与索尼的先进光圈配合,可以达到15000:1的标称对比度。这款高性能的投影机发售价格大约为10000美元,有相当强的竞争力。
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光源技术大放异彩

    光源技术的发展对投影机的发展至关重要。投影机使用的主要光源是金属卤素灯、超高压汞灯等,近年来一些高端产品也开始采用氙灯,此外,LED(发光二极管)和激光等新型光源也开始崭露头角。

超高压汞灯不断改良

    超高压汞灯的优点是亮度高,寿命较长,发热量较小,是目前综合性能最佳的投影机光源。但由于传统的超高压汞灯发射冷光,在短波长的区段发射强度较高,波长较长的红色段强度较低,因此对色彩要求高的产品使用超高压汞灯时需要使用滤镜进行颜色补偿;此外,如何进一步提高亮度,减少能耗也是超高压汞灯需要解决的问题。飞利浦的高效率技术通过产生1毫米的短电弧和提高20%汞蒸气压力的方法,使亮度提高了15%~30%,同时光谱特性获得了很大改善,尺寸也更紧凑。2005年,飞利浦又推出了UHP VIDI技术。采用VIDI技术的超高压汞灯能够根据投影的场景产生两种脉冲光,即暗脉冲和亮脉冲。对于暗场景,暗脉冲能够产生更好的图像质量;亮脉冲则使普通场景的亮度更高,超高压汞灯的寿命也得到了进一步提高。采用这一技术的产品将在2006年上市。

     反射结构的改进也能够提高超高压汞灯的光效率。飞利浦的背镜技术通过在灯泡的内壁上镀一层分光镀膜,使得不能被投射罩反射的一部分发射光反射回来,并被投射罩作为可用光投射出去。这一技术可以使同等功率下的投影机亮度提高20%,并使投射罩的尺寸减小50%,配用的驱动电路输出激励电压仅需2.5千伏,适合在2磅以下的轻型投影机上使用,富可视的LP120就采用了这种超高压汞灯。精工爱普生的E-TROL技术则与飞利浦的背镜技术类似,不同的是灯泡中的分光镀膜被一个小型的反射罩所取代,照射不到投射罩上的光线被小型反射罩反射到投射罩上进行二次反射。与该公司老式投影灯相比,亮度效率最大提高了20%。精工爱普生采用这种光源的三款产品已经于2005年下旬上市,其中使用135瓦光源的EMP-S3投影亮度可达1600ANSI流明。

氙灯进入高端机型

      氙灯作为光源的优点是可以产生非常平滑的连续光谱,而超高压汞灯的光谱中则有非常尖锐的峰刺;此外,氙灯光源的色温值大约在6500K,超高压汞灯的色温值在8000K左右,前者的色温值是适合人眼的最佳色温值,因此使用氙灯能够得到色彩更丰富、质量更高的影像。氙灯的另外一个优点是可以承受多次快速的开关切换,而这种热冲击对超高压汞灯而言是致命的。氙灯的预热时间也比超高压汞灯短得多,在60秒以内就能够达到稳定,而超高压汞灯输出亮度达到稳定值需要大约2分钟左右。另外,氙灯比超高压汞灯更加环保。氙灯的缺点是寿命不够长,使用成本较高,因此只用在少量高端产品中。
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LED和激光崭露头角

     随着技术的进步,研究人员开始探讨其他光源作为投影机光源的可行性。进入2005年以来,已经有不少厂商制造出了使用LED光源的投影机,它们的亮度和尺寸纪录也不断刷新。LED作为投影机光源可以采用两种方案,其一是分别采用红、绿、蓝三种颜色的LED作为光源,另一种是直接采用白光LED作为光源。LED光源的优点是寿命很长,可以不用考虑更换的成本;耗电量极低,整机耗电量也只有十几瓦;可以频繁开关,这样就使投影机省去了色轮或滤色镜等部件,利于投影机小型化和低成本化。虽然目前LED光源亮度还不够高,但在便携式投影机中应用无疑具有非常诱人的前景。2005年6月,欧司朗介绍了热变电阻仅4K/W的LED模块“OSTAR”。前投型和背投型投影机使用的光源均已成为该LED模块的应用目标。OSTAR模块是在陶瓷底板上设置4个1毫米见方的大尺寸LED芯片后,再将这种陶瓷底板与个别元件封装于印刷电路板制作的。4个LED芯片中有两个是绿色LED芯片,红色和蓝色LED芯片各1个。如果将使用24~36个LED芯片的OSTAR模块用于背投仪的光源,在50英寸的画面尺寸条件下可以得到500cd/m2的画面亮度,能够配合DMD和LCOS等反射型面板使用。除了LED以外,激光也是一种新型的投影机光源。由于激光的单色性非常好,因此可以得到色彩范围很宽的图像,目前佳能和日本信号都已经展出了使用激光作为光源的试制产品。使用LED和激光作为光源,能够制造具有很强便携性的掌上投影机,这无疑是未来的技术热点之一。

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附属技术更加多样

     除了对图像显示元件和光源不断改进以外,厂商也不断推出新技术使得投影机更加人性化,满足不同用户群的要求,这些附属技术主要包括自动化功能、集成化设计和更新的散热功能等等。

     自动化功能一般通过投影机内部的控制芯片完成,包括自动调节投影角度、自动梯形校正、画面大幅度移动、自动聚焦、自动搜索信号、自动像素调整等功能,这些功能使普通用户使用投影机更加方便。自动调节投影角度功能可以记忆投影机升起的角度,在开机后自动将投影机调整到预定的位置;自动梯形校正功能可以保证投影机在不同的位置都能够投射出 标准的矩形,这两项功能特别受商务用户的欢迎。画面大幅度移动功能则成为家用投影机必备的功能,通过自动调节镜头,可以使画面上下或左右移动一个画面以上的距离,令投影机的安装位置更灵活。

     集成化设计可以使投影机拥有更多功能:集成无线网卡可以摆脱信号线的束缚;集成读卡器和USB接口可以使投影机直接投射便携式存储设备的内容;集成DVD/HD DVD驱动器、重低音和环绕音效和HDMI接口可以令投影机集多种家庭影院功能于一身。随着主要元件的尺寸不断减小,还将会出现集成更多功能的投影机。
散热功能的改进可以令投影机使用状态更加安静,还能够实现即关即走的功能。为了达到静音效果,2004年以来很多产品都使用了大尺寸低噪音风扇,并且改进风道设计;某些产品如松下的几款高端机型则使用了液冷系统,直接对DMD元件冷却,除了达到静音效果以外,还可以保证投影机连续长时间运转。即关即走功能的实现则可以通过几种方式:一是使用大容量的电容,在关机后一段时间持续放电供风扇运转;一是使用充电电池在关机后对风扇供电;更直接的方法是使用高能效比的光源(如爱普生的E-TROL超高压汞灯),再通过优化散热设计,使得关机后光源能够迅速冷却,并且能阻隔关机后光源积累的热量。

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高清应用将成热点

     符合1080P的数字高清显示无疑是未来几年竞争最激烈的领域之一,目前三种投影技术都已经开发出了符合1080P的产品。虽然高清投影的普及还为时尚早,但针对1080P以及数字家庭的应用无疑将为投影机的发展带来契机。需要说明的是,能够商业化的高清投影并非仅仅是分辨率达到1920×1080这样简单,在亮度、对比度、色彩以及成本等方面还要有更多进步,而这一切在2005年才达到初步成熟。
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     早在2003年,精工爱普生就已经推出了基于D4面板技术的1080P HTPS面板L3D13U,尺寸为1.3英寸,对比度500:1,不过在成本上不能满足大规模生产的需要;2004年发布的L3D09U将面板尺寸降到0.9英寸,成本大幅度降低,可以量产供货,对比度达到600:1。到了2005年5月C2 Fine技术出现以后,采用D5技术制造的0.9英寸1080P面板对比度已经能够达到10000:1,无论在性能上还是成本上都能够被高端市场所接受,这种面板将在2006年年初量产。在2005年的一些展会中,3LCD组织成员也展出了面向家用市场的1080P投影机,如富士通的LPF-D711WB。

      LCOS技术的代表厂商索尼和JVC在2003年前后推出了世界上最早的1080P规格投影机,这就是索尼的Qualia 004-R1和JVC的DLA-HD2K,不过240万日元的售价和缺乏高清信号源显然影响了它们的销路。直到2005年12月,索尼发售的使用0.61英寸SXRD元件的VPL-VW100和Victor/JVC发布的使用0.8英寸D-ILA元件的DLA-HD11系列才使成本大幅度降低,性能也进一步增强。随着生产工艺的改进,LCOS元件的成本将进一步降低,加上在影像播放方面的优势,LCOS技术可能在高清家庭影院市场中取得一定份额。

      2005年9月,TI也宣布推出满足1080P要求的单片式和三片式DMD元件。2005年12月,Projection Design生产的基于单片式1080P DMD元件的Action! Model Three 1080在中国进行了演示,这款投影机采用双灯光源,能够达到2500ANSI流明亮度,7000:1的对比度,其他厂商的产品也将在2006年年初陆续上市。
为了满足家庭影院的要求,色彩处理芯片也在不断进步。目前主流的投影机能够显示8bit色彩,即224种颜色,但不少 720P规格的家庭影院投影机已经能够显示10bit色彩,如三洋的LP-Z4,科视的DW6K和三菱电机的LVP-HC3000等,12bit甚至14bit色彩处理芯片也已经开始在高端产品中应用。高色深的色彩处理芯片能够处理更多的色彩,并改善亮度和对比度随着投影机性能的不断提高,不均匀性越来越明显的问题。

掌上投影不是梦想

      随着LED和激光光源在投影机上投入使用,投影机的体积发生了革命性的变化。2005年1月,TI公司展出了由三菱电机试制的一款使用LED光源的小型DLP投影机,重量只有400克,可以放在手掌上。这款产品使用了红、绿、蓝三色LED和800×600分辨率的DMD元件,但没有使用色轮。由于LED光源可以快速频繁开关,因此只需要通过快速切换三种LED的开关状态就可以起到色轮的作用。这款产品预计售价为599美元。随后,三菱电机也发布了采用0.55英寸DMD元件的LED投影机,耗电量为17瓦,自重450克。搭配一块重320克的锂离子电池,可以实现大约2小时30分的播放时间。除此之外,东芝等厂商也开发出了采用LED光源的DLP投影机。东芝的TDP-FF1A将在2006年1月上市,主机重量为565克,搭配200克的锂离子电池和专用投影屏幕。三星的Pocket Imager连锂电池的重量为907克,亮度为35ANSI流明。

     精工爱普生在2005年9月推出了采用LED光源的LCD投影机,它仍然采用3LCD的配置方式,重量大约为500克。2005年11月,三洋电机又推出了使用单板透过式LCD面板的LED光源投影机。它采用了1.5 英寸带彩色滤色片的单片LCD面板,像素数大约为11万,使用的光源为红、绿、蓝LED各2个,总功率为18瓦,产品亮度达到12ANSI流明。

     佳能等厂商则开发了使用模拟式MEMS微镜和激光光源的掌上型投影机。与DMD元件不同,这种MEMS微镜可以实现单镜片对应多个像素,能够有效降低元件的成本。为了达到30帧/秒的刷新速度,需要在以15Hz的频率振动微镜的同时,以8Hz的频率使微镜亮灭进行扫描,因此MEMS微镜需要与数MHz~数十MHz频率的高频半导体激光器配合使用。佳能于2005年10月展示的投影机采用了红、绿、蓝三色激光器,利用MEMS镜片反射进行投影,可以达到800×600的分辨率,色彩范围更能够达到NTSC比114%。日本信号在2005年11月展出的投影元件则能够实现320×240的分辨率。

     这些采用新光源和成像方式的产品将为投影机的应用开拓更新、更广大的随身领域市场。存储技术的进步将使得几十GB的信息轻松存储在一英寸大小的存储媒介中,配合超便携投影技术,就可以在旅途中、野营里随时随地实现欣赏大尺寸的节目。当投影元件的尺寸进一步缩小之后,投影机甚至可以配备在手机上,实现即拍即播和播放网络节目的功能。
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