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單片、三片DLP與LCD投影機的比較
2019-08-06 19:02 瀏覽次數:
現今的投影市場,按照主流技術來分,可以分為DLP投影機和LCD投影機。其中,DLP投影機中最常用的又分為單片DLP和三片DLP投影機。由于LCD技術已為大家所熟知,下面我們主要對DLP投影技術與DLP投影機進行介紹。(杭州耳晟科技有限公司)

一 . DLP技術簡介(杭州耳晟科技有限公司)
DLPTM技術是一種先進的、采用光學半導體產生數字式多光源顯示的解決方案。它是非常可靠的全數字顯示技術,能在各類產品(如投影機)中提供令人滿意的優質圖像效果。同時,這一解決方案也是被全球眾多電子企業所采用的成熟的獨立技術。(杭州耳晟科技有限公司)

DLPTM技術已被廣泛用于滿足各種追求視覺圖像優異質量的需求。這一技術能夠使圖像達到很高的保真度,給出清晰、明亮、色彩逼真的畫面。(杭州耳晟科技有限公司)
DLP(Digital Light Processing)指數字光處理技術,這種技術要先把影像信號經過數字處理后再投影出來,其投影顯示質量很好。與LCD背投的透射式成像不同,DLP為反射方式,其系
統核心是TI(德州儀器)公司開發的數字微鏡器件—DMD(Digital Micro mirror Device)。(杭州耳晟科技有限公司)

DMD是顯示數字可視信息的最終環節,它是在CMOS的標準半導體制程上,加上一個可調變反射面的旋轉機構形成的器件。通常DMD芯片有約200萬個微鏡,每個微鏡的大小僅相當于頭發絲的五分之一,一個微鏡對應一個像素。(杭州耳晟科技有限公司)

DMD芯片的微鏡用微型鉸鏈固定,每一個鏡片可以通斷一個像素的光。鉸鏈結構允許鏡片在兩個狀態之間傾斜,+10度為“開”,-10度為“關”。如圖1-3所示:當鏡片不工作時,它們處于0度“停泊”狀態。開關次數每秒可達幾千次。根據應用的需要,一個DLP系統可以接收數字或模擬信號。模擬信號可在DLP的或原設備生產廠家(OEM)的前端處理中轉換為數字信號,任何隔行視頻信號通過內插處理被轉換成一個全圖形幀視頻信號。從此,信號通過DLP視頻處理變成先進的紅、綠、藍(RGB)數據,先進的RGB數據然后格式化為全部二進制數據的平面。一旦視頻或圖形信號在一種數字格式下,就被送入DMD。信息的每一個像素按照1:1的比例被直接映射在它自己的鏡片上,提供精確的數字控制,如果信號是640×480像素,器件中央的640×480鏡片采取動作。這一區域中的其它鏡片將簡單的被置于“關”的位置。(杭州耳晟科技有限公司)

當微鏡頻繁接通關閉時,鏡片反射淺灰色像素;呈常閉狀態的微鏡反射深灰像素。通過這種方法,DLP投影系統中的微鏡可反射1024像素的灰色陰影,將輸入DLP芯片的視頻或圖像信號轉換成層次豐富的灰度圖像。(杭州耳晟科技有限公司)

通過多種配置,DLP可以滿足一個廣泛的、不同種類的市場和需要。每一種DLP系統都可實現優秀的投影質量,單片DLP系統可提供誘人的性能價格比,三片DLP系統可提供最高亮度的性能,能顯示高達幾千流明以上的亮度。下面解釋單片和三片DLP系統如何用來投影顯示圖像。(杭州耳晟科技有限公司)

2.1 單片DLP投影機(杭州耳晟科技有限公司)

顧名思義,單片DLP投影機就是只使用一片DMD芯片的投影機,單片DLP投影機主要依靠色輪來對色彩進行分離和處理,下面介紹色輪及其相關技術。
一般來說,色輪是由紅,綠,藍,白等分色濾光片的組合,可將透過的白光進行分色,并且通過告訴馬達使其轉動,然后順序分出不同單色光于指定的光路上,最后經由其它光機元件合成并投射出全彩影像。

從物理結構來看,色輪的表面為很薄的金屬層,金屬層采用真空膜鍍技術,鍍膜厚度根據紅、綠、藍三色的光譜波長相對應,白色光通過金屬鍍膜層時,所對應的光譜波長的色彩將透過色輪,其它色彩則被阻擋和吸收,從而完成對白色光的分離和過濾。

在單片DMD投影系統中,輸入信號被轉化為RGB數據,數據按順序寫入DMD的SRAM,白光光源通過聚焦透鏡聚焦在色輪上,通過色輪的光線然后成像在DMD的表面。當色輪旋轉時,紅、綠、藍光順序地射在DMD上。色輪和視頻圖像是順序進行的,所以當紅光射到DMD上時,鏡片按照紅色信息應該顯示的位置和強度傾斜到“開”,綠色和藍色光及視頻信號亦是如此工作。人體視覺系統集中紅、綠、藍信息并看到一個全彩色圖像。但實際上我們所看到的彩色圖像是通過對人眼進行視覺上的欺騙來達到的,芯片以肉眼無法跟上的高速轉動,打出一片又一片的紅,綠,藍光斑,利用殘留在視覺上的顏色進行疊加來實現色彩的再現。

由于單片DMD投影機色輪在同一時間內一次只能處理一種顏色,因此會帶來部分的亮度損失,同時,由于不同顏色光的光譜波長的固有特性存在著差別,從而會產生色彩還原的不同,畫面色彩往往表現出紅色不夠鮮艷。因此,如何使投影機既具有足夠的顯示亮度,同時又能充分的保證色彩的真實還原,是每個投影機廠家在產品設計中的一個關鍵的問題,而其中一個最重要的因素,就是色輪技術的設計解決方案。

幾種不同色輪技術

以下是目前常用的幾種DLP色輪技術:(杭州耳晟科技有限公司)
1. 三段色輪 RGB
由紅R、綠G、藍B三段色組成,不同廠家的產品,其紅、綠、藍的開口角度的設計各不相同,一般來說,紅色開口角度較大,這樣可以彌補圖像紅色的不足。采用該色輪技術的前提條件是投影機光機部分具有比較足夠的光亮度,否則可能會帶來圖像的亮度問題,同時,使用三段色輪技術的色彩還原性相對來說比較好。

2. 四段色輪 RGBW
由紅R、綠G、藍B、白W四段色組成,加白段色的目的主要是為了進一步提高投影機亮度,一般可比三段色輪提高20%左右。但同時,這種色輪技術也會帶來投影機的色彩還原不夠的問題,使圖像色彩失真,降低了畫質。另外,在設計中,可以將脈沖信號同步鎖定在W段中,脈沖寬度與W段寬度對應,可以一定程度上減少畫面的閃爍現象。該技術主要應用在會議室、

教學用投影機。
3.六段色輪RGBRGB
由于DLP技術越來越廣泛的應用在具有巨大市場潛力的家庭影院投影和背投電視,因此,人們對DLP的色彩體現和播放連續動態視頻畫面效果提出了更高的要求。
六段色輪是由RGBRGB共6段顏色組成的色輪,隨著色輪轉速相應提高(180HZ)和單位時間內處理畫面更多,因此,這種設計有效地減少了運動圖像和邊緣的彩虹效應,視頻動態效果更好,圖像的色彩更豐富、更艷麗。但由于六色分段分隔較多,集光柱通過各色段之間時光損耗也較多,因此,投影機的光亮度往往比較低,因此,也有少數投影機廠家開始設計采用7段色輪RGBRGBW技術,以提高投影機亮度和減少畫面的閃爍。該技術主要用于針對家用消費和視頻要求較高的應用。

4.增益型色輪SCR
SCR(Sequential Color Recapture)也稱連續色彩補償技術,其基本原理與以上色輪技術相似,不同之處在于色輪表面采用阿基米德原理螺旋狀光學鍍膜,集光柱(光通道)采用特殊的增益技術,可以補償部分反射光,使系統亮度有較大提高(約40%)。但該色輪的處理技術相對較復雜,目前只有少數投影機廠家在產品中采用。

2.2 三片DLP投影機
三片DLP投影機的色彩實現方法是將白光通過棱鏡系統分成三原色。這種方法使用三個DMD芯片,每個DMD對應于一種原色。通過三片DMD,對整個16.7毫秒的電視場,來自每一原色的光可直接連續地投射到它自己的DMD上。結果是更多的光線到達屏幕,給出一個更亮的投影圖像,除了已增加的亮度,可使用更高字節的顏色。因為光線在整個電視場直接投到每個DMD上,使每種顏色10比特灰度等級成為可能。這種高效的三片投影系統將被用在大屏幕和高亮度應用領域,可提供最好的圖像色彩精確度。

三.投影技術之間的對比
3.1 投影技術之間的比較——LCD對DLP
LCD與DLP技術之間的優劣一直被廣為爭論,我們從以下幾個方面做些分析。

A.穩定性(杭州耳晟科技有限公司)
在畫面上兩者一直各自擁有自身的優勢,但在長期的穩定性上DLP則擁有極大的優勢。DLP投影機可以支持7×24小時的持續穩定使用,條件是能定期更換燈泡等耗材。所以DLP投影機可以完美應用于控制室及某些需要持續使用的特定場合。而LCD投影機則不適于持續長期的使用。
DLP投影機能擁有這么好的穩定性,在于其系統成功地完成了一系列規定的、環境的及操作的測試。選擇已證明可靠的標準元件來組成用于驅動DMD的數字電路。對于照明和投影透鏡,無明顯的可靠性降低的現象。絕大部分可靠性測試集中在DMD上,因為它依賴于移動鉸鏈結構。(杭州耳晟科技有限公司)為測試鉸鏈失靈,大約100個不同的DMD被用于模擬一年的操作。一些DMD已經被測試了超過1G次循環,相當于20年的操作。在這些測試以后檢查這些器件,發現在任何器件上均無鉸鏈折斷現象。(杭州耳晟科技有限公司)
DMD已通過所有標準半導體合格測試。它還通過了模擬DMD實際操作環境條件的障礙測試,包括熱沖擊、溫度循環、耐潮濕、機械沖擊,振動及加速實驗。基于數千小時的壽命及環境測試,DMD和DLP系統表現出極強的安全穩定性。(杭州耳晟科技有限公司)

B.畫面(杭州耳晟科技有限公司)
DLP的數字性質可以獲得具有精確數字灰度等級的精細的圖像質量以及顏色再現,同時DLP的黑白對比極其敏銳,能細膩表現黑階色調。DLP以反射式DMD為基礎,不需要偏振光;并且因為每個視頻或圖像幀是由數字產生,每種顏色8位到10位的灰度等級,精確的數字圖像可以一次又一次地重新再現。同時由于采用了金屬反射的方式,各像素性能上的差別小,整個畫面亮度均勻性高。再加上光開關的高速切換,畫面無拖尾現象,可以展現流暢的畫面。(杭州耳晟科技有限公司)
LCD即使處于明亮的環境下也能得到很明亮的圖像。寬廣的色域也使得圖像中的顏色都能被如實的再生出來,得到自然的畫面。由于色彩是由三片LCD板再生出來,所以沒有顏色閃動,這樣的再生畫面也比較容易被人眼接受。LCD的圖像色彩飽和度好,色彩層次豐富,在顯示比較亮的圖像時效果要好于DLP,而DLP在顯示一些暗部場景時更加清晰。(杭州耳晟科技有限公司)
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C. 光利用效率(杭州耳晟科技有限公司)
因為DMD是一種反射器件,它有超過60%的光效率,使得DLP系統比LCD投影顯示更有效率。這一效率是反射率、填充因子、衍射效率和實際鏡片“開”時間產生的結果。(杭州耳晟科技有限公司)
而LCD依賴于偏振,所以其中一個偏振光沒有用。這意味著50%的燈光甚至從來不進入LCD,因為這些光被偏振片濾掉了。剩下的光被LCD單元中的晶體管、門、以及信號源的線所阻擋。除了這些光損失外,液晶材料本身吸收了一部分光,結果是只有一少部分入射光透過LCD面板照到屏幕上。最近,LCD在光學孔徑和光傳輸上有經驗上的進展,但它的性能仍然有局限,因為它們依賴于偏振光。(杭州耳晟科技有限公司)

由于DLP投影機打到鏡頭上的光全部經過DMD振片的反射,光的溫度比起依靠透射的LCD要低很多,長時間地使用也不會產生高熱,不會產生對鏡頭的磨損與長時間使用帶來的圖像變色問題。這也是DLP可以持續長期穩定使用而LCD不行的原因之一。(杭州耳晟科技有限公司)

D.無縫圖像優勢(杭州耳晟科技有限公司)
DMD上的小方鏡面積為16um平方,每個間隔1um,給出大于90%的填充因子。換言之,90%的像素/鏡片面積可以有效地反射光而形成投影圖像。整個陣列保持了像素尺寸及間隔的均勻性,并且不依賴于分辨率。越高的DMD填充因子給予出越高的可見分辨率,這樣,加上逐行掃描,創造出真實自然的活生生的投影圖像。(杭州耳晟科技有限公司)

E. 噪音(杭州耳晟科技有限公司)
技術發展至今天,我們已經擁有了數字捕捉、編輯、廣播、接收數字信息的能力,不過必須先把它轉換成模擬信號后才能顯示。信號每次由數字轉換為模擬(D/A)或從模擬轉換為數字(A/D),信號噪音都會進入數據通道,轉換越少噪聲越低,并且當(A/D)、(D/A)轉換器減少時成本也隨之降低。由于DLP固有的數字性質能使噪聲消失,因為DLP具有完成數字視頻底層結構的最后環節的能力,并且為開發數字可視通信環境提供了一個平臺,DLP技術提供了一個可以達到的顯示數字信號的投影方法,這樣就完成了全數字底層結構,具有最少的信號噪音。(杭州耳晟科技有限公司)

3.2 單片DLP與三片DLP的比較(杭州耳晟科技有限公司)
三片DLP投影機與單片DLP投影機最大的區別在于不使用色輪而是用分光棱鏡把白光分為三原色分別由三個DMD芯片處理,然后再將顏色混合后投出。三片DLP投影機的色域很廣,1024的灰度級別,三種原色疊加最多可以得到10億種色,色彩逼真,細膩,還原度高。單片投影機產生色彩是依靠色輪高速的旋轉,一般三色色輪將三種基色輪流照射到屏幕上,雖然依據色彩殘留在人眼的疊加能夠得到彩色圖像,但是顏色不夠豐富,色域不夠廣,都是它的缺陷。為了彌補這種缺陷,現在推出的多色色輪,如6色色輪,在三原色的基礎上還加入了黃、粉、青等顏色,但是增加的顏色占據了原有的三原色的色輪段,這樣的結構雖然增加了色彩表現的均勻度,但是整體上的顏色表現力是被降低了的。還有一種在色輪中加入了白色色輪,可以增加亮度,但是畫面色彩的表現力方面與三片DLP相比依然不足。(杭州耳晟科技有限公司)
下面兩幅圖分別是單片DLP投影機和三片DLP投影機顯示同一幅圖的結果,可以明顯看出由三片DLP投影機顯示的第一幅圖顏色很飽滿、充實,色彩還原度和真實度明顯好于第二幅。(杭州耳晟科技有限公司)
維護和保養方面單片DLP投影機除了定期更換燈泡以外還需要定期更換色輪,它的色輪由于高速的旋轉產生高熱,造成了自身嚴重的損耗,加快自身老化速度,而色輪一旦老化,轉速變慢,原本單位時間內能通過色輪的面積變小,使得投影出的圖像有缺色的情況,嚴重影響圖像質量,這時候就需要更換色輪。而三片DLP投影機則不需要更換色輪,在維護保養時只需要定期更換燈泡即可。(杭州耳晟科技有限公司)

四.總結(杭州耳晟科技有限公司)
在投影機的選擇上,LCD與DLP技術各有所長,不同的領域有不同的選擇,而在DLP的內部比較中,三片DLP投影機明顯好于單片DLP投影機,但是單片DLP投影機的高性價比卻是三片還沒有達到的。所以同樣在投影機的選型上,適合自己使用的才是最好的。(杭州耳晟科技有限公司)
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