当应用于数字HDTV的投影技术

应用于数字HDTV的投影技术

1 引言

数字电视是数字信号处理、大规模集成电路制造、数字压缩编码技术、音视频技术以及计算机技术等领域的多项高科技成果的结晶，它代表了未来电视的发展方向，它最突出、最直接的优点是可以给人们带来高清晰的图像和高保真的伴音，但要观众充分享受到高清晰的图像，传统的显示器件是不行的。HDTV对显示器件的要求是：能够显示多屏幕图像，无几何畸变，全平面聚焦；显示屏幕不小于100 cm；纯平面屏幕，薄型显示器，宽高比为16∶9，分辨率高于1 000线。

为什么HDTV需要大屏幕显示呢？研究表明，当观众离屏幕远于3倍图像高度时，分辨不出图像的有用细节，人们将看到无噪声和干扰、彩色重现更鲜艳的图像，所以，HDTV需要大屏幕的显示器，而目前直视型的显像管屏幕最大只能做到106 cm；此外，直视型的显示器件一般难以满足HDTV的纯平面和薄型的显示要求，因此投影机便登上了HDTV显示的舞台。

2 应用于HDTV的典型投影技术

目前，比较成熟的投影技术主要有以下4种：CRT投影技术、LCD投影技术、光阀投影技术和DLP投影技术。

2.1 CRT投影技术

CRT投影机具有CRT技术中成像的所有优点和缺点。CRT投影机分辨率高、对比度好、色彩饱和度佳、对信号的兼容性强，CRT投影机扫描式的成像特点和在分辨率、亮度、对比度、饱和度、线性、枕形、梯形等方面具有调节功能，技术已比较成熟，特别是CRT投影机在采用当前技术先进的CRT新型荫罩后，亮度有了较大提高。但是，CRT投影机毕竟是由成像面上荧光粉发光后再投影到屏幕上的，当有效扫两个生产车间钢构吊装、安装描电子数增加到饱和状态时，再增加有效电子数，荧光粉的发光量也增不了多少。因此，与其他类型的投影机相比，CRT投影机的亮度低得多，这一直是困扰CRT投影机的主要因素。CRT投影技术成熟，性价比高，应用于早期的HDTV领域。日立公司开发的基于CRT的154 cm的高清晰度投影电视，分辨率达900线，峰值亮度550 cd/m2。

最近，俄罗斯、美国和日本正在研究激光CRT(阳级射线管)投影机，传统的CRT采用直径为17.8~22.9 cm投影管,其亮度一般低于1 000 lm，而最近在莫斯科的列别捷夫物理研究所演示的5.1 cm激光CRT能达到2 000 lm的亮度，其CRT采用了外延法将荧光粉沉积于单晶体上，这种激光CRT的发光效能高达10~50 lm/W，而且光在发射中途不扩散，用一般的光学系统就可收集80%的光通量，而传统的CRT只能收集大约10%的光通量。这种激光CRT在室温下即可工作，不需要冷却系统，可要使这种激光CRT投影机商品化，还需要进行大量的研究和开发工作。

2.2 LCD投影技术

LCD液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物。液晶是介于液体和固体之间的物质，本身不发光，工作性质受温度影响很大，其工作温度为-55~+77℃。投影机利用液晶的光电效应，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的透光率或反射率，从而影响它的光学性质，产生具有不同灰度层次及颜色的靓丽图像。LCD投影机的主要成像器件是液晶板，LCD投影机的体积取决于液晶板的大小，液晶板越小，投影机的体积也就越小。根据电光效应，液晶材料可分为活性液晶和非活性液晶两类，其中活性液晶具有较高的透光性和可控制性。液晶板使用的是活性液晶，人们可通过相关控制系统来控制液晶板的亮度和颜色。与液晶显示器相同，LCD投影机采用的是扭曲向列型液晶。LCD投影机的光源是专用大功率灯泡，发光能量远远高于利用荧光发光的CRT投影机，所以LCD投影机的亮度和色彩饱和度都高于CRT投影机。LCD投影机的像元是液晶板上的液晶单元，液晶板一旦选定，分辨率就基本确定了，所以LCD投影机调节分辨率的功能要比CRT投影机差。

LCD投影机分为单片板LCD投影机和三片板LCD投影机两类。LCD单片板投影机体积小，重量轻，操作、携带极其方便，价格比较低廉，但其光源寿命短，色彩不够均匀，分辨率较低，目前单片板投影机的机型已经很少。三片板LCD投影机的原理是利用光学系统把强光通过分光镜形成RGB三束光，分别透射过RGB三色液晶板；信号源经过A/D转换、调制加到液晶板上，通过控制液晶单元的开启、闭合来控制光路的通断，RGB光最后在棱镜中汇聚，由投影镜头投射在屏幕上形成彩色图像。从图像品质上，单片机的表现要比三片机逊色不少。目对1般软包装生产厂家前，三片板投影机是液晶板投影机的主要机种。现在LCD投影机占有的市场份额约占总体市场份额的70%以上，是目前市场上占有率最高、应用最广泛的投影机。

2.3 DLV投影技术

DLV（Digital Light Valve：数码光路真空管，简称数字光阀）是一种将CRT透射式投影技术与DLP反射式投影技术结合在一起的新技术。该技术的核心是将小管径CRT作为投影机的成像面，并采用氙灯作为光源，将成像面上的图像射向投影面，因此，DLV投影机在充分利用CRT投影机的高分辨率和可调性特点的同时，还利用氙灯光源高亮度和色彩还原好的特点，通过CRT输出的光信号照射到光电转换器上，将光信号转换为持续变化的电信号；外光源产生一束强光，投射到光阀上，由内部的镜子反射，能通过光调制器改变其光学特性，紧随光阀的偏振滤光片，将滤去其他方向的光，而只允许与其光学缝隙方向一致的光通过，这个光与CRT信号相复合，投射到屏幕上。所以，DLV投影机不仅是一款分辨率、对比度、色彩饱和度很高的投影机，而且是一款亮度很高的投影机，其分辨率普遍达到1 250×1 024，最高可达到2 500×2 000，对比度一般都在250∶1以上，色彩数目普遍为24位的1 670万种。DLV投影技术适用于环境光较强、观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所，但其价格高，体积大，光阀不易维修。对追求高分辨率、高亮度、大画面的用户，光阀投影机是他们的首选。美国通用电气公司（GE公司）开发的Talalia MLV-HDTV系统就是一种比较高效地应用于HDTV的投影系统。应用于HDTV的光阀技术的进展取决于光控制材料和技术以及寻址像素用的集成电子驱动电路的技术开发。

2.4 DLP投影技术

DLP（Digital Light Processor），中文含义为数码光输处理器。DLP投影机问世于1996年，是由美国德州仪器公司研制推出的一种全数字的反射式投影技术，它是一种新兴的投影技术，它可以被称为是投影和显示信息领域中的一个新思路，这一技术的诞生，打破了传统投影机市场上多媒体液晶投影机的垄断局面。这种投影技术的突出优点为：画面均匀、明亮、清晰，色彩锐利，超低噪音，体积更小、重量更轻。DLP投影技术的核心是数字微镜装置DMD（Digital Micromirror Device），以此为光学成像器件来调制投影机中的视频信号，驱动DMD光学系统，通过投影透镜来完成数字投影显示，该技术使普通投影用户在拥有捕捉、接收、存储数字信息能力的同时，进一步实现了数字化信息显示。DLP投影机使用了反射式数字微镜后，它内部的光学成像部分的总光效率高达60%左右，这使得DLP投影机无论工作在光线充足的环境还是光线暗淡的环境，都能将更多的光线投射到投影屏幕上，因此DLP投影机比传统的模拟投影机具有更高的亮度、对比度。

根据DLP投影机中包含的DMD数字微镜的片数，可以将投影机分为单片DLP投影机、两片DLP投影机和三片DLP投影机。目前市场上出现的DLP投影机，有许多都属于单片机，这种单片DLP投影机主要适用于各种便携式投影产品中，投影机的整个机身一般小于A4纸张的面积，专为流动行政人员而设计，外壳6—12个粗的最多见一般是典雅优美的镁合金外壳。这种单片DLP投影机的体积小巧，但清晰度高、画面均匀，色彩锐利。有了这种投影机，大家要工作时，可以随时把它塞进公文包里，马上出发，直接给客户展示色彩绚丽、画面清晰的效果。两片DLP投影机与单片DLP投影机相比，多使用了一片DMD芯片，其中一片单独控制红色光，另一片控制蓝、绿色光的反射，使用高速旋转的色轮来产生全彩色的投影图像，它主要应用于大型的显示墙，适用于一些大型的娱乐场所和需要大面积显示屏幕的用户。三片DLP投影机的3片DMD芯片分别反射三原色中的一种颜色，已经不需要再使用色轮来滤光了。使用3片DMD芯片制造的投影机亮度很高，它抛弃了传统意义上的会聚，可随意变焦，调整十分便利，只是分辨率不高，不经压缩分辨率只能达到1 280×1 024，它常常用于对亮度要求非常高的特殊场合下。

目前，DLP投影系统已在多种分辨率和宽高比的系统，包括19∶9宽高比的高清晰度（1 920×1 080）HDTV系统中通过了评测，世界上已有近30个品牌的投影机选用基于DLP技术的投影产品，机型数量超过60种。DLP投影机以其更清晰、更细致、更明亮、更逼真的图像显示效果，在市场中得到越来越广泛的认可，尤其是近两年便携机市场的快速增长，更为DLP投影机的发展提供了良好的契机。

投影技术发展到现在，CRT投影技术逐渐淡出，LCD投影技术是当前市场的主流，DLP投影技术有后来居上的趋势。HDTV进一步推动了显示技术的发展，随着等离子显示器件PDP、有机EL显示器件OLED等新材料的出现和新技术的开发，未来应用于HDTV的显示技术将会有更大的突破。(end)