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DLP\DMD、LCD、CRT、OLED、LED、PDP的原理及区别

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2018/06/03

SATURDAY

说人之短乃护己之短,夸己之长乃忌人之长。 

——曾国藩





DLP(Digital Light Processor)数字光学处理器


DLP投影技术的核心部件是DMD芯片,除此之外,还有灯泡、光学棱镜和投射镜头等组成。

目前投影领域的光源大多采用激光光源替代,其高寿命、低衰减是最显著的特性之一,低亮度的投影机也有LED发光源,灯泡类光源主要有疝灯、金属卤素灯、高压汞灯等,目前较多的是氙灯,因为其亮度高,显色性好,但是虽然其有着这些优点,但是寿命却很短,不衰减时,其标称也才1500小时左右,因此也开始逐渐退出了市场。

目前投影机市场上光源主要分为两大类:

传统光源:传统高压汞灯或氙灯

新光源:LED光源、激光光源和混合光源,这三种新光源我们可以统称为固态光源





 实现的原理 


小时候玩过“照镜子”的游戏吗?如果玩过,那有没有玩过多人一起照镜子呢?如果每一个小朋友“照亮”一个“点”,那么一群小朋友一起就可以照亮一块区域,如下图所示:

而DMD芯片的原理就像上面的“照镜子”游戏,在芯片上布置很多面“小镜子”,一面“小镜子”负责照亮一个像素,当一副图像上其中一个像素需要“点亮”时,就让该处“小镜子”在“打开”状态,反射光源发出的“光”,从而让人看到“光”,当不需要时,就让“小镜子”偏转角度,不要把光反射出去,从而让该处看不到“光”,呈现黑色,如下所示:

当然,理解到此时,你可能会觉得,这有什么用,也就能显示如下图中间的二值图像(像素点要么亮,要么暗),别说左边的原图,就连右边的灰度图像都做不到。

此时,需要引入一个概念,人眼视觉和听觉一样,都具备“累积”的特点,简单说就是,你看到一个光点的时候,觉得它亮,其实就是在一定的时间里进入你眼睛的光子多,觉得暗,就是进入你眼睛的光子少。

这个“一定的时间限制”很重要,否则你盯着星空看一晚上,累计下来,进入你眼睛的光子也不少了,难道会觉得星星比太阳还亮了吗?

当然是不可能的。


这里扯一个闲话,人眼虽然不能长久保持,但是仪器可以啊,所以,一些摄影师为了晚上拍星星,或者延时摄影,都会固定好相机,然后调大相机曝光时间,“累积”进入相机的“光子”数量,从而增加相片中的“星星”的亮度和“轨迹”。


有了上面的概念,再结合芯片的原理想想,DMD芯片上每一个“小镜子”只负责一个像素,其每一面小镜子,在一瞬间反射出来的光子有限,因此,对人眼的亮度刺激也有限,此时,通过增加小镜子反射的时间长度,从而通过“累积”的道理,实现人眼对亮度的需求。

那么,当我们能控制“小镜子”反射的时间长度时,不就可以实现人眼对图像黑白的灰度变化了吗?

控制“小镜子”反射的时长,这一步其实更加简单,但是理解它,需要有数模转换的概念,简单说就是,将图像信号转换成数字,利用数字的大小去代表每一个像素需要显示的亮度程度,亮度越高,数字越大,然后利用矩形波中波的宽窄去表示这个数字的大小,如下:

数字越大,矩形波的宽度就越宽,这个矩形波就是控制小镜子转换“时长”的电压变化信号,例如,假设在高电平时,小镜子发生偏转,让小镜子反射光线出去,这样,“宽窄”不同的电压信号,使得小镜子偏转时间不一样,时间持续长的点,亮度高,时间持续短的点,亮度低,从而实现灰度图像的显示。

至于彩色图像的实现,原理就更加简单了,因为彩色是由三原色构成,因此,当一个像素处,利用三片DMD芯片分别显示该像素处的红色、绿色、蓝色成分,或者一片DMD轮换显示其红色、绿色、蓝色成分,利用视觉暂留效果一样可以实现彩色图像的显示。

有了上面的想法,再仔细看看DMD芯片的构造!




DMD芯片

如上图所示,为德州仪器推出0.98-DLP影院DMD芯片,整体尺寸还不到1英寸,但是这一面小芯片上却密密麻麻的分布着几十万个“镜子”,通过这些小镜子反射,把光源发出的光通过透镜,照射到屏幕上;

将芯片放大到能看清楚“小镜子”,其长相如下所示:

A:“小镜子”在工作时的状态,其中对角线的3面“小镜子”发生了偏转;

B:在“停泊”状态的“小镜子”,都没有发生偏转;

C:将B中间一块“小镜子”放大之后,取掉表面“镜子”之后的情景;


如上所述,DMD芯片可当作一个半导体光“开关”去理解,在DMD芯片上每一面“小镜子”大约14*14微米,比头发横截面还小,而每一面“小镜子”照射出来的就是一个像素,因此,不难理解,分辨率越大,“小镜子”的数量就需要越多,例如,1920*1080的高清图像就需要2073600面“小镜子”,现在发展的趋势是4K显示技术,其对应的分辨率3840*2160时,一块小小的芯片上就需要聚集8294400面“小镜子”,因此,不得不说,这是一项高精密的工程!

如上图所示,镜面经由“轭”的装置链接,并被“扭力铰链”控制,可以左右翻转,当记忆晶胞处于“ON”状态时,反射镜会旋转至+12度,反射镜就会把入射光反射进入投影镜头的透光孔,使得“0N”状态的反射镜看起来非常明亮,若记忆晶胞处于“OFF”状态,反射镜会旋转至-12度,反射镜就会把入射光反射离开投影镜头的透光孔,使得“0FF”状态的反射镜看起来很暗。

利用二位脉冲宽度调变就可以得到灰阶效果,使用固定式或旋转式彩色滤镜,再搭配一颗或三颗DMD芯片,即可得到彩色显示效果。

如上便是DLP投影中核心技术DMD芯片的原理。



Q:DMD芯片越大越好,还是越小越好?

A:当分辨率一定时,芯片越大越好,例如都是1920*1200,面积为x的芯片,经过2倍物镜,单个像素放大了一倍,而如果芯片面积为2x的芯片,经过1倍物镜就和它一样大了,而此时,后者像素没有被放大。





LCD(Liquid Crystal Display)液晶显示器

液晶显示技术主要在于液晶显示面板,其构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒

液晶是一种介于固态与液态之间的物质,其本身不发光,可通过电压改变来控制液晶分子的转动方向,因此,当借助于外光源,利用电极电压变化,达到控制偏振光出射与否,从而实现显示图像的目的。

如下图所示:

液晶分子的偏转程度决定其透光率,而夹在液晶上的电压的大小决定了其偏转程度,因此,通过控制夹在液晶上的电压大小,达到控制图像灰度变化。

因此,通过控制电压变化,可实现灰度图像实现,对于图像的色彩显示,则利用人眼视觉特性,让每一个像素由三个亚像素组成,每一个亚像素对应一种颜色,例如,当我们放大液晶显示器时,可看到液晶显示器呈现如下:

通过三个液晶亚像素发出三原色光,利用人眼特性,从而呈现出一个混合的复色光像素点,从而实现彩色图像的呈现。

液晶显示的方式主要由如下两种类型,一种为背光源,采用透射式,这种方式大多采用在室外各种液晶屏中,其亮度高,但辐射较大,另一种如下图右所示,为反射式,这种方式辐射小,但亮度较低,大多采用在室内液晶屏。

图片来自:https://wenku.baidu.com/view/8707d2d1af45b307e9719765.html


液晶显示器组成的基本构成如下图所示:

面板上面分布透明电极,下面分布信号电极,利用这两个电极之间的电压差,实现液晶偏转,背面的光源则通过CF(彩膜),实现不同色彩,由于人眼特性,从而实现彩色图像的实现。


由上所述原理,不难明白液晶投影机的成像原理,其示意如下:

先将投影机光源发出的白色复合光利用分色镜,分成RGB三原色,然后利用反射镜反射至三块LCD上,3LCD投影机中的单块LCD只负责一种颜色图像的投射情况,最后再此汇聚成复合光,实现图像的转换。

同理,如果是单块LCD,则该LCD上也分布着三种颜色的彩膜,单LCD投影机机体积小,重量轻,操作、携带方便,价格比较低廉,但其光源寿命短,色彩不够均匀,分辨率较低,目前单板投影机的机型已经很少。

液晶投影机色彩还原好,显色性优良,但是LCD的可视角度是一个让人头疼的问题,当背光源通过偏极片、液晶和取向层之后,输出的光线便具有了方向性,也就是说大多数光都是从屏幕中垂直射出来的,所以从某一个较大的角度观看液晶显示器时,便不能看到原本的颜色,甚至只能看到全白或全黑。





CRT(Cathode Ray Tube)投影技术


CRT投影技术是阴极射线管的投影技术,是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。

这种投影机把输入信号源分解成R(红)、G(绿)B(蓝)三个CRT管的荧光屏上,荧光粉在高压作用下发光系统放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。

光学系统与RT管组成投影管,通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机,由于使用内光源,也叫主动式投影方式。

CRT技术成熟,显示的图像色彩丰富,还原性好,具有丰富的几何失真调整能力;但其重要技术指标图像分辨率与亮度相互制约,直接影响CRT投影机的亮度值,到目前为止,其亮度值始终徘徊在300lm以下。

另外CRT投影机操作复杂,特别是会聚调整繁琐,机身体积大,只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所,不宜搬动。

这种技术目前已被淘汰,其原理与CRT黑白电视成像原理一样。





OLED显示器


OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO),与电力之正极相连,再加上另一个金属阴极,包成如三明治的结构。整个结构层中包括了:空穴传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。

当电力供应至适当电压时,正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合,产生光亮,依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三基色,构成基本色彩。

OLED的特性是自己发光,不像TFT LCD需要背光,因此可视度和亮度均高,其次是电压需求低且省电效率高,加上反应快、重量轻、厚度薄,构造简单,成本低等,但是,作为高端显示屏,价格上也会比液晶电视要贵。

LCD采用电压驱动,而OLED却依赖电流驱动,其亮度与电流量成正比,这也是OLED形成灰度图像的依据。



LED显示器


LED是一种半导体光源,利用高能级导带的电子跃迁到空穴所在的低能级的价带,从而辐射出光子,其发光的颜色,即光子频率,取决于半导体的导带、价带之间的能级差(与掺杂状况无关,即与本征半导体而非p/n半导体有关),其光源一般是非相干的。

LED显示屏则是由LED灯珠拼装组成的,耗电量少、亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。

显示屏面积可以根据需要由单元模块任意拼装,以其变化丰富的色彩,图案实时动态的显示模式,完美的多媒体效果,强大的视觉冲击力将信息、文字、图片、动画、视频等多种方式显示出来,成为信息传播的划时代产品。

LED显示屏的优势:

(1)使用寿命长:发光二极管的使用寿命在10万小时以上; 

(2)响应速度快:这是半导体器件共有的特点;

(3)可视距离远:led的单点直径可达52mm,可视距离500米以上;

(4)可视角度大:室内显示屏可达160度,户外的可达120度; 

(5)规格品种多:led显示屏有室内的、户外的,有单色的、双色的、全彩色的;

(6)数字化程度高:全数字化,可实现高分辨率图形方式; 

(7)亮度高:可用于户外,如交通灯、防雾灯等。并且亮度可以根据晴天和阴天或上午、下午的不同亮度需求自动灵活调节;

(8)功耗低:每平方米最大功耗不超过800W;

(9)维修方便:模块化设计,安装,维护方便,可带电维修;




PDP等离子显示器


PDP是一种利用气体放电的显示技术,其工作原理与日光灯很相似。

其结构如下图所示:


等离子的发光原理是在真空玻璃管中,注入惰性气体或水银气体,利用加电压方式,使气体产生等离子效应,放出紫外线,激发三原色(红蓝绿RGB)的发光体,不经由电子枪扫描或背光的明暗所产生的光,而是每个个体独立发光的,产生不同三原色的可见光,并利用激发时间的长短来产生不同的亮度

等离子体虽然自发光,亮度高,但驱动电压高、电路复杂、耗电大,并且图象长时间停留后, PDP的荧光物质会过热,从而导致亮度下降,而且若此时关电还会留下一个鬼影,而且等离子体会发出轻微的兹兹噪音。

目前市面上等离子显示器也越来越少了。





 投影机光源区别 

目前投影机市场上光源主要分为两大类:

传统光源:传统高压汞灯、氙灯或者金属卤素灯。

新光源:LED光源、激光光源和混合光源。


LED光源

LED光源顾名思义就是LED灯作为的光源,如前面LED屏幕中介绍,LED属于固态光源,是一种将电能转化为可见光的发光二极管,这种光源的最大特点是体积小,能耗低,寿命长,作为投影灯的LED灯正是利用它的这些优点。

LED灯的寿命可到几万小时,而传统灯源的寿命只有2000~3000小时,另外LED是全固态发光体,耐震,耐冲击,废弃物可回收,且其体积小,可随意组合,LED灯的频谱范围窄,不用滤光镜就可组合出各种色彩。

但其缺点是亮度低,造假较高,目前市面上的LED灯源的投影机大多只有两三千流明,只适合一些会议类、高教类的投影需求。


激光光源

激光光源顾名思义就是由全固态激光器(DPL)产生的激光作为投影机光源来代替传统光源。

激光光源主要分为两类,一种是以单色激光为光源;另一种是以红、绿、蓝三色激光作为光源。

与LED光源有共同之处在于寿命,激光光源的寿命标称在20000小时之后,而这个时间只是激光光源投影机亮度衰减至初始值的50%,并不是不能继续使用,因此,有一些不容易更换设备的设计工作中可以配置流明大一些的投影机,初始时不满负荷工作,等其工作一段时间,亮度衰减之后,再次调大投影机亮度,从而增加使用时间,减小更换设备带来的费用。

除此之外,激光光源无辐射,不像高压汞灯等产生红外线,紫外线等,而且激光投影机采用的激光光源为激光器阵列,里面有多个激光器,当其中一个坏掉了,也仅仅是造成亮度的轻微下降,不想传统光源中,投影机仅仅是单灯或者双灯,其中一个故障之后,造成亮度的很大降低。

另外,激光光源的亮度和色彩一致性极好,适合大面积融合,也减小了后期的维护和调整困难,并且传统光源只适合水平360°旋转安装,以及很小角度的垂直旋转,否则会大大降低投影灯的使用寿命,而激光光源则没有限制,可做任意选装。


PS:有一些电影机是采用液冷装置,具有大的出风口,这种机器也不能垂直选装安装。

激光光源的劣势是由于激光本身的特性,它具有高度相干性,因此,其散斑现象比较明显。


混合光源

混合光源其实就是充分利用上面两种光源,其中红色和蓝色采用LED发光源,绿色则利用激光光源照射至荧光物体之后反射出绿光,从而构成RGB三原色光线。

这种混合光源的投影机标称也是2万小时的寿命,而且其亮度比单纯的LED光源高,成本则比单纯激光光源设备低,因此,未来或许更多都是混合光源的设备。






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