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单片、三片DLP与LCD投影机的比较
2019-08-06 19:02 浏览次数:
现今的投影市场,按照主流技术来分,可以分为DLP投影机和LCD投影机。其中,DLP投影机中最常用的又分为单片DLP和三片DLP投影机。由于LCD技术已为大家所熟知,下面我们主要对DLP投影技术与DLP投影机进行介绍。(杭州耳晟科技有限公司)

一 . DLP技术简介(杭州耳晟科技有限公司)
DLPTM技术是一种先进的、采用光学半导体产生数字式多光源显示的解决方案。它是非常可靠的全数字显示技术,能在各类产品(如投影机)中提供令人满意的优质图像效果。同时,这一解决方案也是被全球众多电子企业所采用的成熟的独立技术。(杭州耳晟科技有限公司)

DLPTM技术已被广泛用于满足各种追求视觉图像优异质量的需求。这一技术能够使图像达到很高的保真度,给出清晰、明亮、色彩逼真的画面。(杭州耳晟科技有限公司)
DLP(Digital Light Processing)指数字光处理技术,这种技术要先把影像信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(Digital Micro mirror Device)。(杭州耳晟科技有限公司)

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200万个微镜,每个微镜的大小仅相当于头发丝的五分之一,一个微镜对应一个像素。(杭州耳晟科技有限公司)

DMD芯片的微镜用微型铰链固定,每一个镜片可以通断一个像素的光。铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜,+10度为“开”,-10度为“关”。如图1-3所示:当镜片不工作时,它们处于0度“停泊”状态。开关次数每秒可达几千次。根据应用的需要,一个DLP系统可以接收数字或模拟信号。模拟信号可在DLP的或原设备生产厂家(OEM)的前端处理中转换为数字信号,任何隔行视频信号通过内插处理被转换成一个全图形帧视频信号。从此,信号通过DLP视频处理变成先进的红、绿、蓝(RGB)数据,先进的RGB数据然后格式化为全部二进制数据的平面。一旦视频或图形信号在一种数字格式下,就被送入DMD。信息的每一个像素按照1:1的比例被直接映射在它自己的镜片上,提供精确的数字控制,如果信号是640×480像素,器件中央的640×480镜片采取动作。这一区域中的其它镜片将简单的被置于“关”的位置。(杭州耳晟科技有限公司)

当微镜频繁接通关闭时,镜片反射浅灰色像素;呈常闭状态的微镜反射深灰像素。通过这种方法,DLP投影系统中的微镜可反射1024像素的灰色阴影,将输入DLP芯片的视频或图像信号转换成层次丰富的灰度图像。(杭州耳晟科技有限公司)

通过多种配置,DLP可以满足一个广泛的、不同种类的市场和需要。每一种DLP系统都可实现优秀的投影质量,单片DLP系统可提供诱人的性能价格比,三片DLP系统可提供最高亮度的性能,能显示高达几千流明以上的亮度。下面解释单片和三片DLP系统如何用来投影显示图像。(杭州耳晟科技有限公司)

2.1 单片DLP投影机(杭州耳晟科技有限公司)

顾名思义,单片DLP投影机就是只使用一片DMD芯片的投影机,单片DLP投影机主要依靠色轮来对色彩进行分离和处理,下面介绍色轮及其相关技术。
一般来说,色轮是由红,绿,蓝,白等分色滤光片的组合,可将透过的白光进行分色,并且通过告诉马达使其转动,然后顺序分出不同单色光于指定的光路上,最后经由其它光机元件合成并投射出全彩影像。

从物理结构来看,色轮的表面为很薄的金属层,金属层采用真空膜镀技术,镀膜厚度根据红、绿、蓝三色的光谱波长相对应,白色光通过金属镀膜层时,所对应的光谱波长的色彩将透过色轮,其它色彩则被阻挡和吸收,从而完成对白色光的分离和过滤。

在单片DMD投影系统中,输入信号被转化为RGB数据,数据按顺序写入DMD的SRAM,白光光源通过聚焦透镜聚焦在色轮上,通过色轮的光线然后成像在DMD的表面。当色轮旋转时,红、绿、蓝光顺序地射在DMD上。色轮和视频图像是顺序进行的,所以当红光射到DMD上时,镜片按照红色信息应该显示的位置和强度倾斜到“开”,绿色和蓝色光及视频信号亦是如此工作。人体视觉系统集中红、绿、蓝信息并看到一个全彩色图像。但实际上我们所看到的彩色图像是通过对人眼进行视觉上的欺骗来达到的,芯片以肉眼无法跟上的高速转动,打出一片又一片的红,绿,蓝光斑,利用残留在视觉上的颜色进行叠加来实现色彩的再现。

由于单片DMD投影机色轮在同一时间内一次只能处理一种颜色,因此会带来部分的亮度损失,同时,由于不同颜色光的光谱波长的固有特性存在着差别,从而会产生色彩还原的不同,画面色彩往往表现出红色不够鲜艳。因此,如何使投影机既具有足够的显示亮度,同时又能充分的保证色彩的真实还原,是每个投影机厂家在产品设计中的一个关键的问题,而其中一个最重要的因素,就是色轮技术的设计解决方案。

几种不同色轮技术

以下是目前常用的几种DLP色轮技术:(杭州耳晟科技有限公司)
1. 三段色轮 RGB
由红R、绿G、蓝B三段色组成,不同厂家的产品,其红、绿、蓝的开口角度的设计各不相同,一般来说,红色开口角度较大,这样可以弥补图像红色的不足。采用该色轮技术的前提条件是投影机光机部分具有比较足够的光亮度,否则可能会带来图像的亮度问题,同时,使用三段色轮技术的色彩还原性相对来说比较好。

2. 四段色轮 RGBW
由红R、绿G、蓝B、白W四段色组成,加白段色的目的主要是为了进一步提高投影机亮度,一般可比三段色轮提高20%左右。但同时,这种色轮技术也会带来投影机的色彩还原不够的问题,使图像色彩失真,降低了画质。另外,在设计中,可以将脉冲信号同步锁定在W段中,脉冲宽度与W段宽度对应,可以一定程度上减少画面的闪烁现象。该技术主要应用在会议室、

教学用投影机。
3.六段色轮RGBRGB
由于DLP技术越来越广泛的应用在具有巨大市场潜力的家庭影院投影和背投电视,因此,人们对DLP的色彩体现和播放连续动态视频画面效果提出了更高的要求。
六段色轮是由RGBRGB共6段颜色组成的色轮,随着色轮转速相应提高(180HZ)和单位时间内处理画面更多,因此,这种设计有效地减少了运动图像和边缘的彩虹效应,视频动态效果更好,图像的色彩更丰富、更艳丽。但由于六色分段分隔较多,集光柱通过各色段之间时光损耗也较多,因此,投影机的光亮度往往比较低,因此,也有少数投影机厂家开始设计采用7段色轮RGBRGBW技术,以提高投影机亮度和减少画面的闪烁。该技术主要用于针对家用消费和视频要求较高的应用。

4.增益型色轮SCR
SCR(Sequential Color Recapture)也称连续色彩补偿技术,其基本原理与以上色轮技术相似,不同之处在于色轮表面采用阿基米德原理螺旋状光学镀膜,集光柱(光通道)采用特殊的增益技术,可以补偿部分反射光,使系统亮度有较大提高(约40%)。但该色轮的处理技术相对较复杂,目前只有少数投影机厂家在产品中采用。

2.2 三片DLP投影机
三片DLP投影机的色彩实现方法是将白光通过棱镜系统分成三原色。这种方法使用三个DMD芯片,每个DMD对应于一种原色。通过三片DMD,对整个16.7毫秒的电视场,来自每一原色的光可直接连续地投射到它自己的DMD上。结果是更多的光线到达屏幕,给出一个更亮的投影图像,除了已增加的亮度,可使用更高字节的颜色。因为光线在整个电视场直接投到每个DMD上,使每种颜色10比特灰度等级成为可能。这种高效的三片投影系统将被用在大屏幕和高亮度应用领域,可提供最好的图像色彩精确度。

三.投影技术之间的对比
3.1 投影技术之间的比较——LCD对DLP
LCD与DLP技术之间的优劣一直被广为争论,我们从以下几个方面做些分析。

A.稳定性(杭州耳晟科技有限公司)
在画面上两者一直各自拥有自身的优势,但在长期的稳定性上DLP则拥有极大的优势。DLP投影机可以支持7×24小时的持续稳定使用,条件是能定期更换灯泡等耗材。所以DLP投影机可以完美应用于控制室及某些需要持续使用的特定场合。而LCD投影机则不适于持续长期的使用。
DLP投影机能拥有这么好的稳定性,在于其系统成功地完成了一系列规定的、环境的及操作的测试。选择已证明可靠的标准元件来组成用于驱动DMD的数字电路。对于照明和投影透镜,无明显的可靠性降低的现象。绝大部分可靠性测试集中在DMD上,因为它依赖于移动铰链结构。(杭州耳晟科技有限公司)为测试铰链失灵,大约100个不同的DMD被用于模拟一年的操作。一些DMD已经被测试了超过1G次循环,相当于20年的操作。在这些测试以后检查这些器件,发现在任何器件上均无铰链折断现象。(杭州耳晟科技有限公司)
DMD已通过所有标准半导体合格测试。它还通过了模拟DMD实际操作环境条件的障碍测试,包括热冲击、温度循环、耐潮湿、机械冲击,振动及加速实验。基于数千小时的寿命及环境测试,DMD和DLP系统表现出极强的安全稳定性。(杭州耳晟科技有限公司)

B.画面(杭州耳晟科技有限公司)
DLP的数字性质可以获得具有精确数字灰度等级的精细的图像质量以及颜色再现,同时DLP的黑白对比极其敏锐,能细腻表现黑阶色调。DLP以反射式DMD为基础,不需要偏振光;并且因为每个视频或图像帧是由数字产生,每种颜色8位到10位的灰度等级,精确的数字图像可以一次又一次地重新再现。同时由于采用了金属反射的方式,各像素性能上的差别小,整个画面亮度均匀性高。再加上光开关的高速切换,画面无拖尾现象,可以展现流畅的画面。(杭州耳晟科技有限公司)
LCD即使处于明亮的环境下也能得到很明亮的图像。宽广的色域也使得图像中的颜色都能被如实的再生出来,得到自然的画面。由于色彩是由三片LCD板再生出来,所以没有颜色闪动,这样的再生画面也比较容易被人眼接受。LCD的图像色彩饱和度好,色彩层次丰富,在显示比较亮的图像时效果要好于DLP,而DLP在显示一些暗部场景时更加清晰。(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)
因为DMD是一种反射器件,它有超过60%的光效率,使得DLP系统比LCD投影显示更有效率。这一效率是反射率、填充因子、衍射效率和实际镜片“开”时间产生的结果。(杭州耳晟科技有限公司)
而LCD依赖于偏振,所以其中一个偏振光没有用。这意味着50%的灯光甚至从来不进入LCD,因为这些光被偏振片滤掉了。剩下的光被LCD单元中的晶体管、门、以及信号源的线所阻挡。除了这些光损失外,液晶材料本身吸收了一部分光,结果是只有一少部分入射光透过LCD面板照到屏幕上。最近,LCD在光学孔径和光传输上有经验上的进展,但它的性能仍然有局限,因为它们依赖于偏振光。(杭州耳晟科技有限公司)

由于DLP投影机打到镜头上的光全部经过DMD振片的反射,光的温度比起依靠透射的LCD要低很多,长时间地使用也不会产生高热,不会产生对镜头的磨损与长时间使用带来的图像变色问题。这也是DLP可以持续长期稳定使用而LCD不行的原因之一。(杭州耳晟科技有限公司)

D.无缝图像优势(杭州耳晟科技有限公司)
DMD上的小方镜面积为16um平方,每个间隔1um,给出大于90%的填充因子。换言之,90%的像素/镜片面积可以有效地反射光而形成投影图像。整个阵列保持了像素尺寸及间隔的均匀性,并且不依赖于分辨率。越高的DMD填充因子给予出越高的可见分辨率,这样,加上逐行扫描,创造出真实自然的活生生的投影图像。(杭州耳晟科技有限公司)

E. 噪音(杭州耳晟科技有限公司)
技术发展至今天,我们已经拥有了数字捕捉、编辑、广播、接收数字信息的能力,不过必须先把它转换成模拟信号后才能显示。信号每次由数字转换为模拟(D/A)或从模拟转换为数字(A/D),信号噪音都会进入数据通道,转换越少噪声越低,并且当(A/D)、(D/A)转换器减少时成本也随之降低。由于DLP固有的数字性质能使噪声消失,因为DLP具有完成数字视频底层结构的最后环节的能力,并且为开发数字可视通信环境提供了一个平台,DLP技术提供了一个可以达到的显示数字信号的投影方法,这样就完成了全数字底层结构,具有最少的信号噪音。(杭州耳晟科技有限公司)

3.2 单片DLP与三片DLP的比较(杭州耳晟科技有限公司)
三片DLP投影机与单片DLP投影机最大的区别在于不使用色轮而是用分光棱镜把白光分为三原色分别由三个DMD芯片处理,然后再将颜色混合后投出。三片DLP投影机的色域很广,1024的灰度级别,三种原色叠加最多可以得到10亿种色,色彩逼真,细腻,还原度高。单片投影机产生色彩是依靠色轮高速的旋转,一般三色色轮将三种基色轮流照射到屏幕上,虽然依据色彩残留在人眼的叠加能够得到彩色图像,但是颜色不够丰富,色域不够广,都是它的缺陷。为了弥补这种缺陷,现在推出的多色色轮,如6色色轮,在三原色的基础上还加入了黄、粉、青等颜色,但是增加的颜色占据了原有的三原色的色轮段,这样的结构虽然增加了色彩表现的均匀度,但是整体上的颜色表现力是被降低了的。还有一种在色轮中加入了白色色轮,可以增加亮度,但是画面色彩的表现力方面与三片DLP相比依然不足。(杭州耳晟科技有限公司)
下面两幅图分别是单片DLP投影机和三片DLP投影机显示同一幅图的结果,可以明显看出由三片DLP投影机显示的第一幅图颜色很饱满、充实,色彩还原度和真实度明显好于第二幅。(杭州耳晟科技有限公司)
维护和保养方面单片DLP投影机除了定期更换灯泡以外还需要定期更换色轮,它的色轮由于高速的旋转产生高热,造成了自身严重的损耗,加快自身老化速度,而色轮一旦老化,转速变慢,原本单位时间内能通过色轮的面积变小,使得投影出的图像有缺色的情况,严重影响图像质量,这时候就需要更换色轮。而三片DLP投影机则不需要更换色轮,在维护保养时只需要定期更换灯泡即可。(杭州耳晟科技有限公司)

四.总结(杭州耳晟科技有限公司)
在投影机的选择上,LCD与DLP技术各有所长,不同的领域有不同的选择,而在DLP的内部比较中,三片DLP投影机明显好于单片DLP投影机,但是单片DLP投影机的高性价比却是三片还没有达到的。所以同样在投影机的选型上,适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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