深度解度投影顯示技術
文 | 感測器技術（WW_CGQJS）
在投影機沒有出現之前，我們都以幻燈機為主。其實現在的投影機也是特殊形式的幻燈機，有學者研究表明，投影機、動畫、電影的發展是分不開的。
最早利用的光影技術始於十七世紀一個名為阿塔納斯珂雪耶穌會教士發明的「魔術幻燈」，後來已經變成玩具，而它的現代名字叫投影機。最初，這種技術主要用在娛樂上，利用光與影的原理將故事放在一個屏幕上講，有點類似於唐朝的皮影戲。但是，後來隨著光影技術的發展，投影機與電影、動畫分離出來。
投影機始祖——CRT投影技術
CRT投影機的歷史可以追溯到上世紀50年代，當時主要應用在商務飛機上，進行錄像帶的播放。到了80年代，個人電腦的迅速發展，使得文本和數據展示的市場需求越來越大，促使了CRT投影技術的長足發展。投影技術的應用領域開始滲透到會議室、教師和劇院等。80年代中後期，隨著計算機工作站和圖形處理軟體的廣泛應用，也就相應地產生了能投影高解析度圖形和動畫的圖形投影機。1989年第一台LCD投影機面世，結束了投影機市場上只有CRT一種技術的局面。1994年，家用投影市場萌芽，CRT投影機相對於當時的LCD投影機技術更成熟，因此開始進入高端家庭影院。但在1996年3LCD技術推出、第一款DLP投影機橫空出世，CRT投影技術便開始走下坡路，並迅速淡出人們的視線。
LCD投影技術
說到LCD投影技術，就必定要說到愛普生。作為液晶投影機核心的液晶晶元是整個投影系統的心臟。愛普生在液晶投影機的發展歷史中最重要的貢獻之一就是研製成功了世界上第一塊LCD投影板晶元，並於1989年製造出世界上第一台LCD投影機VJP-2000，由此開創了LCD投影機的新時代。
經由技術和產品的不斷進步，液晶投影在全球數字投影機技術中的領頭羊位置也保持到了今天。和後起之秀DLP和LCOS技術先比，LCD的市場份額高達55%以上。
液晶投影技術的分類
在液晶投影機的技術演進過程中，其技術種類也出現過分化。除了現在佔據絕對主流的三片式高溫多晶硅液晶板(HTPS)技術外，還出現過單片式的技術、液晶光閥投影機等。
單片液晶投影機的工作原理如圖：
單片式液晶投影機以普通的小屏幕液晶顯示器用面板為顯示核心晶元，配以必要的其他設備組成完整的工作光路，通過鏡頭系統提供大尺寸的現實畫面，為用戶展示具有震撼力的影像效果。在光路上，這種產品受制於晶元面積過大的影響體積難以縮小，光路的總光效利用率也很低，內部的光學、機械部件的工藝結構精確在0.1mm。主要光學部件的選擇時，比如投影燈泡、反光碗、反光鏡、投影鏡頭、聚焦鏡、菲涅爾鏡等，擁有著成熟的產業鏈，能夠提供良好的產品體驗。
液晶光閥投影機是一種歷史上出現的技術形態。它本質上是利用液晶的光學開關作用改進CRT投影機的成像效果的產物。
液晶光閥投影機採用CRT管和液晶光閥作為成像器件。是為了CRT投影機解決圖像解析度與亮度間的矛盾而生的產品。一般的光閥主要由三部分組成：光電轉換器、鏡子、光調製器，它是一種可控開關。通過CRT輸出的光信號照射到光電轉換器上，將光信號轉換為持續變化的電信號，外光源產生一束強光，投射到液晶光閥上，由內部的鏡子反射，通過光調製器，偏振濾光片的處理令光閥投射光線與CRT信號相複合，投射到屏幕上形成畫面。
3LCD投影技術
3LCD投影技術和液晶投影機的主流技術。其市場份額佔據液晶投影機市場的絕大部分，已經成為行業內的事實性標準。
3片液晶顯示投影機的光路原理，由高亮度、高色溫金屬鹵化物燈(UHE)發出的光經拋物線型燈碗反射形成平行光線，射人第一透鏡陣列(單元聚光透鏡組)，經第二透鏡陣列(偏振光轉換透鏡組)提高偏振光的利用率，再經過分光光路，形成三原色三束光線，分別射人R，G，B三個液晶板，然後由一體化稜鏡匯聚3色光，投影鏡頭將3色合成圖像投影在屏幕上。
在這一投影過程中，各種光學器件和液晶面板晶元、燈泡光源各自起著各自的作用。其中光源普遍採用金屬鹵素燈、UHP(Ultra-High Performance，超高性能)燈和UHE燈。金屑鹵素燈成本低、價格便宜，缺陷是發熱量很大、半衰期很短。半衰期是指燈的亮度下降到設計亮度一半時所用的時間。為克服金屬鹵素燈發熱量大、半衰期短的缺陷，冷光源應運而生，出現了UHP，UHE金屬鹵化物燈。UHP，UHE燈比起金屬鹵素燈發熱量小得多。此外包括激光光源、LED無機發光二極體等新型光源也成為了各家企業開發新技術的焦點對象。
除了光源外，一系列的光學器件的作用也不容小視。投影過程需要的是面狀的均勻平行三原色線偏振光源。而普通燈泡發出的光線則是白色的球形圓偏振光。通過一系列透鏡、楞鏡和濾光鏡的調整，燈泡的發出的光才能成為滿足投影機投影需要的光源。
在液晶投影機的成像過程中，處於核心地位的是液晶面板晶元。在實際工作中，液晶面板晶元起著光學開關的作用。晶元上每一個獨立的有源矩陣控制下的像素點能夠獨立變化，進而控制投射過液晶半的這一點的光線的多少。通過三塊液晶板對三元的分別控制，並經過最後的畫面合成，就可以成為色彩豐富、明暗變化的彩色投影畫面。在經過鏡頭的放大投射在屏幕上，消費者就可以欣賞到如同電影一般的出色大尺寸影像了。
LCD投影技術的晶元
液晶晶元是液晶投影機最核心的部件，。它不僅是液晶投影機重要的成本構成要素，同時更是決定著整台產品的品質性能和壽命的重要組件。
LCD是Liquid Crystal Display(液晶顯示)的縮寫。液晶既有液體的流動性，又有晶體的光學各向異性，常稱為「液態晶體」。液晶材料工作溫度為一55一十77℃。液晶分子間作用力小，在電場作用下，分子排列變化，導致液晶對光的透射率和反射率變化，稱為液晶的電光效應。在液晶顯示技術中，正式利用這種特殊的物質性質，將液晶材料做成可以控制光線進出的開關，進而達到成像效果的。
液晶顯示板是在兩玻璃基片之間充入液晶材料，並在玻璃基片表面貼線偏振片、掃描電路、薄膜晶體管(TFT)等構成的。當某一象素的行電極加上掃描電壓，薄膜晶體管(TFT)導通，該液晶象素透光。玻璃基片之間的液晶單元構成一個個光開關，控制著透過液晶的光線的多少，顯示出色彩明暗的變化。
在實際的產品開發中，投影機用到的液晶面板晶元要經受住背後的燈泡發出的巨大能量(主要是熱量)的考驗。這就決定了液晶投影機用的液晶和普通液晶顯示器、液晶電視機應用的液晶，擁有著必然的區別。目前，液晶投影機採用的主要是被稱為「高溫多晶硅液晶板(HTPS)」的技術。
HTPS是High Temperature Poly-Silicon的縮寫，翻譯成中文是「高溫多晶矽」的意思，一般俗稱高溫玻璃。它是液晶顯示家族中的一支，也屬於主動點矩陣(TFT)式LCD(Active Matrix LCD)。
HTPS液晶晶元最大的特性在於持續高溫工作的穩定性，這位投影機產品提高整機壽命、提升產品亮度提供了基礎技術平台。同時，這一技術的產品還具有色彩還原準確、視覺感舒適的等特點。目前，該技術已經成為了全球數字投影領域最重要的組成技術。
LCD投影技術的發展瓶頸和進步
作為液晶投影技術的核心，LCD晶元的進步一直是液晶投影產業發展的風向標。
在早期的LCD液晶投影機中，壽命、亮度和體積問題成為了制約產品進步的主要問題。由於液晶投影機的核心材料是高分子的液晶材料，其在高溫下的老化作用很明顯。同時作為液晶面板基板的玻璃，也可能由於長時間的高分烘烤而發生光學性能的變異。這兩點導致，在早期的液晶投影機，特別是上世紀的時候晶元壽命不足5000小時，這使得消費者的實際使用成本大幅增加。
早期的液晶投影機產品中，液晶晶元如何實現更加精細的TFT薄膜晶體管及其控制電路成為了液晶投影晶元小型化、高開口率化的最大難題。採用三片式設計的整個光機系統，如果不能實現晶元體積的縮小，整個產品的小型化無從談起。而一旦晶元變小，片上控制電路組件如果不能大幅簡化和縮小，則導致整個晶元可用於光學開關的面積占晶元整體的比例(開口率)的下降，進而造成光利用率的下降和亮度的降低。
此外，液晶顯示的另一個特性是畫面的拖尾和黑色畫面的黑位欠缺。液晶分子受電磁場影響的偏轉需要一定的時間，同時也具有滯後性，這導致了液晶顯示產品畫面的拖尾現象的出現。採用透射光路的液晶投影晶元，很難做大100%阻斷光線的透過，因此產生了黑色畫面不夠黑的現象，整體畫面的對比度和暗部細節展示受到了很大的影響。
近年來隨著液晶投影機技術的不斷發展，以上問題已經得到了很好的克服。在液晶投影機晶元技術的進步中，追求小尺寸、高開口率、高壽命、更高的灰階控制精度位數以及更高的畫面刷新頻率是最主要的內容。目前最先進的晶元能夠實現，一英寸以下的1080p像素、超過50%的開口率、12位以上的精細控制以及120HZ的超高速刷新速率。這些方面的巨大進步，令LCD液晶投影機已經進步一個嶄新的發展階段。
DLP投影技術
DLP是由德州儀器公司基於其研發的數字微鏡裝置(Digital MicromirrorDevice，DMD)，所創造的一種真正全數字反射式的投影技術。DMD是由上百萬片面積10.8x10.8微米，比頭髮的斷面還小的微鏡片所組成，每個微鏡片都能將光線從兩個方向反射出去；當數字信號處於「ON」狀態時，微鏡片會旋轉至+12度，若數字信號處於「OFF」狀態，微鏡片會旋轉至-12度。
微鏡片在前後急速旋轉之際形成灰階，再搭配一顆或三顆DMD晶元，即可得到栩栩如生的彩色顯示效果。配有一顆DMD晶元的DLP投影系統稱為"單片DLP投影系統"，經色輪過濾後的光，至少可以生成1,670萬種顏色；而採用3片式的DLPCinema投影系統則可生成3,500萬種顏色。目前DLP推出最新的"極致色彩"技術，甚至能創造超過200兆種顏色。
根據DLP投影機中包含的DMD數字微鏡的片數，人們又將投影機分為單片DLP投影機，兩片DLP投影機和三片DLP投影機。
目前市場上出現的DLP投影機，有許多都屬於單片機，這種單片DLP投影機主要適用在各種攜帶型投影產品中，這種投影機的整個機身一般小於A4紙張的面積，專為流動行政人員而設計，外殼一般是典雅優美的鎂合金外殼，不要看這種單片DLP投影機的體積小巧，但它的功能可強大的很呢，清晰度高、畫面均勻，色彩銳利，有了這種投影機，大家要工作時，可以隨時把它塞進公文包里，馬上出發，直接給客戶展示色彩絢麗、畫面清晰的效果。
兩片DLP投影機與單片DLP投影機相比，多使用了一片DMD晶元，其中一片單獨控制紅色光，另一片控制藍、綠色光的反射，與單片DLP投影機相同的，使用了高速旋轉的色輪來產生全彩色的投影圖像，它主要應用於大型的顯示牆，適用於一些大型的娛樂場合和需要大面積顯示屏幕的用戶。
三片DLP投影機，三片DMD晶元分別反射三原色中的一種顏色，已經不需要再使用色輪來濾光了；使用三片DMD晶元製造的投影機亮度最高可達到12000ANSI流明，它拋棄了傳統意義上的會聚，可隨意變焦，調整十分便利；只是解析度不高，不經壓縮解析度只能達到1280×1024這樣的標準，它常常用於對亮度要求非常高的特殊場合下。
DLP投影技術特點
作為先進的數字技術，DLP具有高清晰度、高可靠性、高防塵性、高對比度、高反應速度、高便攜性、高性價比的特點：
高清晰度
DLP技術的核心是數以萬計的鏡片組成的數字微顯鏡系統，每塊鏡片之間的距離不到1微米，可以極度縮小投影圖像像素之間的距離，生成無縫的數字化圖片，在任何尺寸下都可以保持良好的銳度，不會出現其它技術造成的晶格(馬賽克現象)，這也是採用DLP技術投影的圖像總能保持水晶般清晰的原因。
高可靠性
DLP是數字技術，數字投影技術的優勢在於能完整、忠實地重複產生影像，不會受到溫度、濕氣或震動等因素的影響；而DLP晶元超過10萬個小時的使用壽命，確保畫面不會褪色。
高防塵性
對於佔國內市場份額45%以上的教育用投影機來說，最關鍵的一項附加功能就是防塵。採用DLP技術製造的投影機，可采全封閉式的光機設計，DLP晶元和其他部件都可以受其保護，灰塵難以接觸到光路核心，從而確保圖像質量不會受到灰塵影響，保持如一。
高對比度
在觀看影片時，影像呈現的立體感至關重要。因為人體的視覺器官是依賴對比值來辨識物體的邊緣，因此具高對比值的影像看起來更加銳利。當對比度低，暗色部位即呈模糊一片，影像顯得平坦且欠缺真實感。對於教學上常用到的文本教材(PowerPoint、Excel、Word形式的檔案)，DLP技術的高原始對比值能夠清晰、銳利的呈現文字，這是其他強調動態對比度的技術無法比擬的，因為在呈現文本內容時，投影機需要的是高"原始"對比度。
高反應速度
DLP技術的切換速度快，僅數微秒，比液晶面板以毫秒計的反應速度快了千倍之多。正因為具備如此快的響應速度，即使是賽車或球類等高速動態影像，都不會出現拖尾現象，呈現出最清晰而逼真的影像。
高便攜性
應用於教育、商務、消費市場的單晶元DLP投影機只需要一塊面板，而所有其它投影技術則需要三塊。因此DLP的投影系統可以做得很小，重量也相應輕了許多，為創新設計留下充分的空間。目前全球已經有三星、三菱和東芝等多家廠商推出不到一磅重的DLP口袋型投影機，開啟投影機應用的新紀元。
LCOS投影技術
LCOS投影技術是2000年以後發展起來的最新投影技術，是一種新型的反射式投影技術，與穿透式LCD和DLP相比，LCOS具有利用光效率高、體積小、開口率高、製造技術較成熟等特點，它可以很容易的實現高解析度和充分的色彩表現。LCOS技術在日後大屏幕顯示應用領域具有很大優勢，其沒有晶元模式，且具有開放的架構和低成本的潛力。
近幾年來，在LCD業界出現了許多新技術，其中較熱門的技術LCOS的最大優點是解析度很高，在攜帶型資訊設備的應用這個優點是其他技術無法與之看齊的。
其實Lcos相對於其他的投影技術最大的區別就在於控制光線分解及合併的光路設計部分，也就是如何通過圖像中像素信息去調節RGB各分量的大小(就是調製過程)。LCD和DLP調節RGB分量使用的是光透射模式，會損失很多光線。而Lcos採用的是反射技術，光損失沒那麼多！而且在設計上，Lcos液晶面板的開口率也比前兩種大很多，這樣當然會減少功耗。
LCOS的結構是在單晶硅上生長電晶體，利用半導體集成製作驅動面板(又稱為CMOS－LCD)，然後在電晶體上透過研磨技術磨平，並在上面鍍鋁膜電極作為反射鏡，形成CMOS有源點陣基板，然後將CMOS基板與含有ITO透明電極之上玻璃基板貼合，再抽入液晶，進行封裝。像素電極同時也作為反射鏡，像素的尺寸一般可以做的很小約為7～20μm，開口率高達96％，對於百萬像素的高解析度的基板的大小還不到一英寸。
面板結構面板結構面板結構面板結構LCOS（Liquid Crystal on Silicon）屬於新型反射式微LCD，其結構是在矽片上「生長」液晶，利用集成電路工藝製作驅動面板（又稱CMOS-LCD），經過研磨技術磨平後鍍上鋁當反射鏡，形成CMOS基板，再將CMOS基板與含有透明電極的玻璃（ITO）極板貼合，再注入液晶，進行封裝（見圖 1）。在單晶矽片上集成ＣＭＯＳ和存貯電容器的數組，通過開孔把漏電極和像素電極連結，像素電極用鋁做成反射電極。為防止強光照射溝道，加一層金屬擋光層。另一側基板是ITO電極的玻璃板。液晶層盒厚受像素尺寸限制，一般盒厚為幾微米。
LCOS投影顯示技術原理
ＬＣＯＳ投影機的基本原理與ＬＣＤ投影機相似，只是ＬＣＯＳ投影機是利用ＬＣＯＳ面板來調變由光源發射出來欲投影至屏幕的光信號，當光線照射到LCOS晶元時，其反射光就受到CMOS電極和ITO電極之間電壓的調製，因此LCOS晶元實際上是一種光調製器件。利用這種特性，將圖像或數據信息轉換為CMOS電極數組的電壓，就可以實現反射光的成像。光源的光經過極化和傳輸系統到稜鏡分光為紅綠蘭三種光並照射到LCOS晶元上被圖像調製，調製後的光線在經光會聚系統合成後進入投影鏡頭並照射到屏幕上成像。
ＬＣＯＳ面板是以ＣＭＯＳ晶元為電路基板，因此無法讓光線直接穿過，其分光合光系統設計和ＬＣＤ投影機有些不同，通常需要在分光合光系統中利用偏極化分光鏡（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｅｒ；即ＰＢＳ），將入射ＬＣＯＳ面板的光束與反射後的光束分開。
由光源所發出的光經由Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｍｉｒｒｏｒ（雙色鏡，即是二色過濾片）後分成Ｒ、Ｇ、Ｂ三色光，此三色光分別通過各自的ＰＢＳ後，會反射Ｓ偏光進入ＬＣＯＳ面板，當液晶顯示為亮態時，Ｓ偏光將改變成Ｐ偏光，最後以雙色稜鏡（Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｐｒｉｓｍ，即會聚透鏡）組合調變過的三道偏極光，投射至屏幕處得到影像。
LCOS調試原理
LCOS投影機圖像調製原理和LCD基本相同，也是以光調製來控制投影顯示圖像。入射光線在分光後，經過入射偏光板(PBS)，將入射光變成S偏光，經LCOS板反射調製。如果液晶經外部信號調製，處於顯示亮態時，S光會變成P光，經稜鏡透射後，有最多的光投射到會聚透鏡會聚成像。處於顯示暗電平時，S光經調製，依然還是S光輸出，經稜鏡沒有光透射到會聚透鏡，圖像顯示為暗電平。因此，輸出到會聚透鏡的光的多少是由每個像素的外部信號調製決定的。
不同投影技術比較
CRT、LCD、DLP及LCOS投影晶元的參數比較
CRT、LCD、DLP及LCOS投影晶元，各有各的技術特點，以CRT投影的色域為標準，從下圖可以明顯看出，LCD與其衍生出來的LCOS投影晶元的色域是非常寬廣的，其色域範圍要遠遠大於CRT及DLP晶元所能表現的範圍。
作為對於色域範圍敏感的應用領域，三片式LCD及LCOS投影晶元是這些領域的首選。但由於其晶元上集成了大量的TFT（ThinFilmTransistor薄膜晶體管），在生產過程中難免有損壞、失效的TFT，其一直處在導通或截止狀態，不可避免的造成了影象中出現的亮點或暗點，而且，這種損壞的TFT還隨著使用時間的延長而繼續增多。這是目前LCD、LCOS晶元的軟肋。DLP的特點是高對比度及高可靠性。
CRT、LCD、DLP及LCOS投影元件的性能對比表：
LCD與DLP投影影像效果比較
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