大器难成 液晶投影机结构与分析

PChome | 编辑: 陈嘉就 2011-04-17 00:00:00原创 返回原文

在《从DMD谈起 细看DLP投影机今生与发展》和《透析DLP投影机核心 DMD芯片图文介绍》两篇文章,讲述了DLP投影机结构以及其DMD芯片,在今天则简单探讨一下液晶投影机。

液晶投影机结构

在《从DMD谈起 细看DLP投影机今生与发展》和《透析DLP投影机核心 DMD芯片图文介绍》两篇文章,讲述了DLP投影机结构以及其DMD芯片,在今天则简单探讨一下液晶投影机。

这是三片式液晶投影机俯视结构图,主要由镜头、液晶面板、光学系统和光源组成(驱动电路省去),光源(UHP等)经过反射罩汇聚后射出,但是由于液晶面板只能利用特定偏光方向的光束,因此在光线射出后会先经过偏光转换器(Polarizing Converter)。

偏振化后的光线会透过分色镜(Dichroic Mirror)进行波分——首先红光将会从白光中分离出去,然后是绿光,最近仅剩下蓝光并通过反射镜(Reflection Mirror)进入液晶面板当中。三元色光产生时间虽然有延迟,但是由于这是连续的过程,对液晶面板来说可视为光线同步到达,因此不会产生彩虹效应。受到光照后,三块液晶面板产生不同原色的图像,三个单色图像最后通过十字分色棱镜(Cross Dichroic Prism)合成为一幅彩色图像,并透过镜头放大投射出去。

现在换一个角度再观察三片式液晶投影机,上图是一张立体透视图,在三片式液晶投影机内部具有3块液晶面板,纵使它们距离很近,成一个“凹”字分布在光学镜头的后方,但由于每块液晶面板拥有独立的入射光线光路,同时入射光线方向各异,要满足各块液晶面板获得充足光照,最佳的设计就是采用远心结构,否则将会面临一个非常复杂的光路设计,造成扯成本大幅度抬高。

当然,三片式液晶投影机并非不可以实现非远心结构,RGB LED光源出现是其一个新的契机。由于每块液晶面板仅需要单一原色光照,因此可以在液晶面板后方布局单一颜色LED光源和独立的光学系统(仅需对LED光线进行汇聚、偏振和均匀化即可,无需分光、折射)。同时由于每个LED光源可以独立调整输出光能,因此可以实现更广的色域、更准确的色彩还原度。

液晶投影机的问题

三片式液晶投影机采用三面板以及波分的方式实现彩色显示,甚至还能以较低的成本实现1080P全高清显示,但是亦无法实现避免自身的缺陷。

缺陷首先是来自液晶面板自身,受到液晶面板的工作原理限制,液晶投影机无法避免对比度较低、延迟较DLP略高的缺陷(液晶显示器和电视的可视角度问题反而不明显)。再次就是材料本身问题,液晶是一种有机物,无法拥有DMD芯片上的微反射镜无限寿命,长时间使用后(尤其是在高温环境中),液晶面板会老化,影响显示效果。纵使有些厂商打出了无机的宣传口后,如索尼的“BrightEra”面板(上图),但是这些面板只是把配向膜改为无机材料制作,并无本身液晶是有机物的特性,并无根本解决问题。

液晶面板另外一个问题是像素与像素之间的间隙过大,虽然从数值上看这些绝对值很小,但是当经过镜头放大到数十甚至数百寸的时候,就会形成无数碍眼的方格,降低画质(如上图所示)。

液晶面板最后一个问题就是透光率太低(也就是常说的开口率问题),如上图所示,,我们可以看见液晶像素之间有着较大间隙,会将大量光线遮挡在投影机内部并转换为热量,既降低了整机效率,还提高机器运行温度、缩短寿命。

为了解决这一问题,厂商们会不断依靠技术的进步不停的提高液晶面板的开口率,但是在某一时刻开口率总是一定的,为了进一步提高光能利用率,厂商在像素前的玻璃面板中加入一层微型镜头(Micro Lens),对入射光线进行集光在传播到像素中。

三片式液晶投影机的麻烦

液晶面板开口率低、像素间间隙大是液晶投影机固有的问题,三片式液晶投影机自然继承了这些问题,同时亦产生一些新的问题。

如上图所示,这是传统的液晶面板布局方式,以十字分色棱镜为中心,三块液晶面板相隔棱镜同等距离并以“凹”字型布局,由于十字分色棱镜的精度以及液晶面板与棱镜的空气折射率会随着温度改变而改变,导致了三幅图像无法100%重合在一起,破坏了画面效果。

不过在新的技术下,液晶面板与棱镜的距离得以缩短,进而减少空气的影响,最终图像得以高度重合。但是必须指出的是,考虑冷缩热涨的关系,液晶面板与棱镜并非百分百的零距离。

单片式液晶投影机

前文所说的都是三片式液晶投影机,那到底有无单片式液晶投影机呢?答案是肯定的。

如下图所示,这是一个单片式液晶投影机结构图,光源发光汇聚光线并进入扫描棱镜(Scanning Prism)群,扫描棱镜以时分的方式顺序产生三原色光,最后依次进入TIR棱镜中,并被液晶面板反射形成图像。若是要穿透液晶面板形成图像的话,可以在加入光源处加入偏光转换器和省去TIR棱镜。

单片式液晶投影机

虽然可以液晶投影机可以以单片液晶面板实现,但是此时出现了不少问题,首先是先光能利用率太低了,由于是采用时分方式实现彩色显示,大量的光能被浪费,并且还会产生彩虹效应;其次是液晶面板无论是反射时或是反射时光利用率都远不如DMD芯片,因此这样的设计显得意义不大。

LCoS结构

不过从DLP投影机的经验,在投影机上采用时分式彩色显示方法并不是不可接受的,前提是显示芯片效率足够高。于是LCD的衍生产物LCoS(Liquid Crystal on Silicon,液晶硅)出现了,LCoS采用反射式结构,开口率高,且直接制作在硅片上。LCoS的出现,毁灭了LCD涉足小型投影机的希望,当然,这是后话。

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