現(xiàn)在主流智能投影儀產(chǎn)品按照技術(shù)分類，主要分為3類：3LCD、LCOS、DLP。其中，3LCD是日系品牌愛普生、索尼為代表傳統(tǒng)投影儀所應(yīng)用的液晶透射技術(shù)方案；LCOS是基于LCD技術(shù)改進(jìn)的液晶反射技術(shù)方案，目前使用還非常少；DLP方案是基于TI公司的DLP芯片的機械反光陣列方案，已經(jīng)被越來越多產(chǎn)品采用，基本已經(jīng)成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)。我們將對不同技術(shù)方案進(jìn)行介紹和分析。
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2017-5-21 15:43 上傳
3LCD技術(shù)
1.1. 技術(shù)背景及來源
3片式HTPS LCD液晶板，簡稱3LCD，誕生于1987年。3LCD投影機的核心技術(shù)主要掌握在愛普生和索尼這兩家公司的手中，但是由于索尼不出售3LCD的相關(guān)技術(shù)，所以市面上除了索尼之外其他的所有3LCD液晶投影機的芯片均由愛普生提供。
目前采用3LCD技術(shù)的投影機品牌主要有愛普生、索尼、三洋、日立、三菱、松下、NEC、夏普等日系廠商。
1.2. 技術(shù)原理
3LCD背投是用三塊液晶面板分別作為紅、綠、藍(lán)三色光的控制層。光源發(fā)射出來的白色光經(jīng)過鏡頭組后會聚到雙色鏡組，雙色鏡是在鏡片上鍍上多層光學(xué)膜，使某些波長的光被反射，而其余的被透射。紅、綠、藍(lán)三色光被雙色鏡組分離出來后投射到對應(yīng)的液晶面板上，三種顏色的光在透過各自的液晶面板時，其光強被調(diào)制，然后在合光棱鏡中聚合在一起，由投影鏡頭投射到投影幕上形成一幅生動的全彩色圖像。利用了液晶的電光效應(yīng)，通過加在液晶單元兩端的電壓大小來控制液晶分子的偏轉(zhuǎn)方向，從而控制光線通過液晶單元的透過率，以產(chǎn)生不同灰度層次及色彩的圖像?？偨Y(jié)來說：
顏色控制方面——使用分色鏡對白光光源進(jìn)行RGB分離，再通過不同灰度的三色組合，形成各種顏色。
像素控制方面——每個HTPS都含有上百萬的液態(tài)晶體，每個晶體對應(yīng)一個像素點，可以獨立的控制光線進(jìn)出，形成獨立像素圖案。
灰度控制方面——液態(tài)晶體可被配置為開、關(guān)、或部分關(guān)閉的狀態(tài)來允許光線透過。不同的開啟狀態(tài)影響光線通過量，從而改變每個像素點的灰度。
整個3LCD光機組成部件包括：高壓泵燈，積分器照明系統(tǒng)和偏光轉(zhuǎn)環(huán)元件，分色鏡，液晶面板，棱鏡和投射透鏡/防塵玻璃等部分，各部分主要功能大概如下：
1、高壓泵燈：提供白色光源，其工作壓力設(shè)定在200大氣壓以上, 光源尺寸向直徑方向收縮, 在實用的光源燈電壓下可以實現(xiàn)短弧光化, 因此接近于點光源, 便于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。
2、積分器照明系統(tǒng)和偏光轉(zhuǎn)環(huán)元件：通過"第1透鏡陣列", "第2透鏡陣列", 將從光源燈發(fā)出的光線明亮地照射到屏幕的各個邊角，并且將從光源燈發(fā)出的光中橫波變?yōu)榭v波, 從而使盡量多的光線通過后續(xù)HTPS組件。采用該技術(shù)后, 亮度提高了約1.5倍。
3、分色鏡：將從光源燈發(fā)出的光分離成紅, 綠, 藍(lán)三原色，它是在基礎(chǔ)玻璃板上涂刷一層能夠反射特定波長范圍的薄膜后形成的。普通3LCD投影機中使用了2塊這種反射鏡，分別完成從白光到紅光和藍(lán)綠光，以及從藍(lán)綠光到藍(lán)光和綠光的分光步驟。
4、3LCD液晶材料選擇HTPS，全稱是High Temperature Poly-Silicon (高溫聚硅), 它是有源矩陣驅(qū)動方式的透過型LCD。HTPS具有小型, 高精細(xì), 高對比度, 驅(qū)動器可內(nèi)置等特點，其主要用途是投影機用燈泡。
5、棱鏡：分色棱鏡能夠?qū)⒓t, 綠, 藍(lán)三原色在各自的LCD(HTPS)上繪制相應(yīng)的RGB圖像,重新合成為彩色圖像。為了實現(xiàn)此功能, 棱鏡通過4根三角柱組合, 形成長方體狀。
6、投射透鏡/防塵玻璃：為防止劃傷TFT基板和附著污物而粘貼在屏面上的玻璃。
1.3. 技術(shù)特點
3LCD技術(shù)有優(yōu)點包括：
1、色彩還原度較為精準(zhǔn)：3LCD技術(shù)基于色彩的空間混合還原，使得色彩更為逼真。其三片HTPS分別負(fù)責(zé)視頻信號的紅、綠、藍(lán)三個分量，3LCD技術(shù)的成像和色彩還原的特點是先將三原色同時進(jìn)行充分的空間混合，再投射出不同色彩的圖像。
2、技術(shù)成熟度較好：3LCD技術(shù)推出至今已經(jīng)接近30年，各產(chǎn)品均經(jīng)過長期應(yīng)用、優(yōu)化，性能比較穩(wěn)定。
3LCD技術(shù)有缺點包括：
1、原聲對比度低：因為HTPS采用透射式光路，開口率最高也僅為75%，光線經(jīng)過之時有一定的損耗，利用程度不高，因此產(chǎn)生黑色畫面不夠黑的現(xiàn)象，畫面的對比度自然便偏低了。
2、防塵及液晶使用壽命問題：HTPS是采用高溫多晶硅組成的，這種高分子液晶材料長期在高溫下以及塵埃環(huán)境下工作有老化的過程。為了解決高溫，需要引入風(fēng)扇散熱，從而無法實現(xiàn)密封環(huán)境，因此液晶無可避免的將發(fā)生畫面效果降低和壽命老化。
3、產(chǎn)品體積較大：受限于HTPS通過率不足，HTPS芯片不能做的很小，光路系統(tǒng)的體積難以縮小，投影機整體體積、重量都相對較大。
1.4. 技術(shù)發(fā)展趨勢
3LCD最急需解決的問題在于液晶透光率和防塵老化問題，這是3LCD技術(shù)努力革新的方向。從未來的發(fā)展來看，3LCD還將在高亮度、小型化、提升面板壽命和圖像刷新頻率上繼續(xù)努力，這也是3LCD一直努力的方向。從長期的發(fā)展來看，3LCD投影機還將會繼續(xù)在開口率、材料選用方面努力。只有提高了開口率，才能將光機做的更小，迎來更廣闊的市場空間。也只有改善HTPS是材料，才能解決液晶面板老化，需要防塵罩的尷尬。
LCOS技術(shù)
2.1. 技術(shù)背景及來源
LCOS技術(shù)是“硅基液晶”（Liquid Crystal on Silicon）技術(shù)的縮寫名稱，屬于新型的反射式micro LCD投影技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在矽晶圓上長電晶體，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動面板(又稱為CMOS -LCD)，是基于此前LCD技術(shù)的升級。
首批成型產(chǎn)品是由Aurora Systems公司于2000年開發(fā)出的，也有相當(dāng)多公司后續(xù)跟進(jìn)。但由于成本過高問題一直沒解決，最近幾年沒有太大的發(fā)展，僅有幾家高端投影機廠商使用。在家用投影儀市場上，索尼、JVC、LG等會采用LCOS技術(shù)。
2.2. 技術(shù)原理
LCOS可視為LCD的一種，但傳統(tǒng)的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS則是長在矽晶圓上。LCOS結(jié)構(gòu)是在矽晶圓上長電晶體，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動面板(又稱為CMOS -LCD)，然后在電晶體上透過研磨技術(shù)磨平，并鍍上鋁當(dāng)作反射鏡，形成CMOS基板，然后將CMOS基板與含有透明電極之上玻璃基板貼合，再抽入液晶，進(jìn)行封裝測試。
LCOS利用CMOS半導(dǎo)體制程，將電路及平面的反射鏡做在非常平滑的硅芯片上做為基礎(chǔ)，然后再于此一平面的硅基上涂布LCD，并將液晶著床于硅芯片之上，然后再覆上一片非常薄的玻璃。實際應(yīng)用時，是把光線由外部投射至芯片之上，再由芯片上面那層LCD的明暗變化來決定要反射多少的光線出去，而此一反射率之變化則是受到影像訊號的調(diào)制；因此，只要把影像訊號加諸于硅芯片，經(jīng)由芯片反射出來的光線就會隨著視訊產(chǎn)生變化，再經(jīng)由透鏡投射至銀幕。
LCOS投影技術(shù)分為單片式和三片式兩種。三片式的LCOS成像系統(tǒng)，首先將投影機燈泡發(fā)出的白色光線，通過分光系統(tǒng)系統(tǒng)分成紅綠藍(lán)三原色的光線，然后，每一個原色光線照射到一塊反射式的LCOS芯片上，系統(tǒng)通過控制LCOS面板上液晶分子的狀態(tài)來改變該塊芯片每個像素點反射光線的強弱，最后經(jīng)過LCOS反射的光線通過必要的光學(xué)折射匯聚成一束光線，經(jīng)過投影機鏡頭照射到屏幕上，形成彩色的圖像。
不論從顏色控制、像素控制還是灰度控制，LCOS技術(shù)與3LCD技術(shù)幾乎都相當(dāng)，主要不同點在于3LCD采用液晶投射方案，而LCOS采用液晶反射方案。
2.3. 技術(shù)特點
LCOS技術(shù)有優(yōu)點包括：
1、視覺效果好：運用LCOS技術(shù)，光利用效率明顯提升，因此顯著具備色彩鮮艷、灰度優(yōu)秀、黑色深沉、畫面明亮、網(wǎng)格化情況較少等優(yōu)點。
2、體積小型化：隨著LCOS大幅提升光利用效率，投影分辨率得到改善，硅芯片無需為透光率設(shè)計的過大，從而能夠大幅縮小光機體積。
LCOS技術(shù)有缺點包括：
1、加工工藝復(fù)雜，良率過低：由于LCOS在開發(fā)中涉及整個元件的設(shè)計、制造到光學(xué)系統(tǒng)的整合，有較高的技術(shù)門檻。且每個業(yè)者所開發(fā)的LCOS，各有專用的ASIC、光學(xué)引擎等，零組件和生產(chǎn)各自為陣，無法標(biāo)準(zhǔn)化，目前加工良率仍然過低。
2、成本高昂：大量元件無法標(biāo)準(zhǔn)化，因此很難達(dá)到量產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，加上良率難以提升，整體成本過高。
2.4. 技術(shù)發(fā)展趨勢
LCOS技術(shù)的優(yōu)點在于色彩飽和度、對比度、亮度、分辨率等非常高。但這樣的畫質(zhì)和色彩表現(xiàn)，通常需要復(fù)雜的工藝和高成本作為支撐。因此各公司將提升良率降低成本作為最主要的發(fā)展方向。
DLP技術(shù)
3.1. 技術(shù)背景及來源
DLP的全稱是Digital Light Processing，中文意思為“數(shù)字光學(xué)處理技術(shù)”。DLP投影機的核心元器件DMD，全稱為DigitalMicromirror Device，中文意思為“數(shù)據(jù)微鏡裝置”，通過控制從而鏡片的開啟和偏轉(zhuǎn)達(dá)到顯示圖像的目的。
DLP技術(shù)是由美國德州儀器的Larry Hornbeck博士所研發(fā)成功的。Larry Hornbeck博士于1987年將DMD研究成功，到了1993年這種以DMD為核心的光學(xué)系統(tǒng)才被命名為DLP。最早的DMD芯片使用的是模擬技術(shù)驅(qū)動，反射面是采用一種柔性材料，在當(dāng)時被稱為“變形鏡器件Deformable Mirror De-vice”。10年之后，Hornbeck博士正式以數(shù)字控制技術(shù)取代模擬技術(shù)，開發(fā)出了新一代DMD器件，并將名稱改為“數(shù)碼微鏡器件(Digital Micromirror Device)”。1993年DLP投影機開始研發(fā)，1996年DLP產(chǎn)品才上市，而國內(nèi)的DLP投影機正式進(jìn)入市場銷售則是1999年之后的事情了。
作為DLP技術(shù)的擁有者，德州儀器并不生產(chǎn)投影機等終端產(chǎn)品，而僅僅為廠商提供DMD芯片和視頻處理芯片，這在一定程度上保證了DLP投影機市場的競爭的公平性。目前世界上非日系投影機品牌大多采用DLP技術(shù)，在日系品牌中包括三菱、日立、夏普等品牌中DLP投影機也占據(jù)了較為重要的位置。
3.2. 技術(shù)原理
與LCD顯示方式類似，DLP技術(shù)也分為單芯片DLP和三芯片DLP，三芯片方案色彩對比度和明亮度顯著優(yōu)于單芯片方案，但成本過高，多應(yīng)用于特殊場景。目前，單芯片DLP方案應(yīng)用較多。
DLP方案中核心部件為DMD芯片和色輪。
1、DMD芯片
DMD是DLP方案中最核心的組件，該器件是一種雙穩(wěn)態(tài)空間光調(diào)制器，由一個按功能安裝在CMOS存儲單元微鏡陣列組成。通過把數(shù)據(jù)裝入位于微鏡下方存儲單元來獨立控制微鏡，以引導(dǎo)反射光并把一個視頻數(shù)據(jù)像素空間映射到顯示器的一個像素。
DMD是一種整合的微機電上層結(jié)構(gòu)電路單元，利用COMS SRAM記憶晶胞所制成。DMD上層結(jié)構(gòu)的制造是從完整CMOS內(nèi)存電路開始，再透過光罩層的使用，制造出鋁金屬層和硬化光阻層交替的上層結(jié)構(gòu)，鋁金屬層包括地址電極、絞鏈(hinge)、軛(yoke)和反射鏡，硬化光阻層做為犧牲層(sacrificiallayer)，用來形成兩個空氣間隙。鋁金屬經(jīng)過濺鍍沉積及等離子蝕刻處理，犧牲層則經(jīng)過等離子去灰(plasma—ashed)處理，制造出層間的空氣間隙。
如果從技術(shù)角度來看，DMD芯片的構(gòu)造包括了電子電路、機械和光學(xué)三個方面。其中電子電路部分為控制電路，機械部分為控制鏡片轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)部分，光學(xué)器件部分便是指鏡片部分。當(dāng)DMD正常工作的時候，光線經(jīng)過DMD芯片，DMD表面布滿了體積微小的可轉(zhuǎn)動鏡片便會通過轉(zhuǎn)動來反射光線，每個鏡片的旋轉(zhuǎn)都是由電路來控制的。每個鏡子一次旋轉(zhuǎn)只反射一種顏色，高頻旋轉(zhuǎn)之下形成視覺暫留效應(yīng)，觀眾實際感知快速閃動的三原色光混合的顏色。
2、色輪（COLOR WHEEL）
它在DLP投影機中的作用是色彩的分離和處理，色輪通過高速旋轉(zhuǎn)將復(fù)合光過濾成紅、綠、藍(lán)三原色光。
色輪的表面是非常薄的金屬層，這層金屬層采用的是真空鍍膜技術(shù)，鍍膜的厚度根據(jù)紅綠藍(lán)三色的光譜波長相對應(yīng)。白色光通過金屬鍍膜層時，所對應(yīng)的光譜波長的色彩將透過色輪，其它色彩則被阻擋和吸收，從而完成對白色光的分離和過濾?？偨Y(jié)來說：
顏色控制方面——使用高速轉(zhuǎn)動的色輪分別將光源光線變成RGB或者其他色域基色，再通過時間維度混合，利用人眼視覺暫留效應(yīng)，形成各種顏色效果。
像素控制方面——DMD微鏡陣列每一個微鏡對應(yīng)一個像素點，可以獨立的控制光線進(jìn)出，形成獨立像素圖案。
灰度控制方面——DMD微鏡“0N”狀態(tài)的反射鏡看起來非常明亮，“0FF”狀態(tài)的反射鏡看起來很黑暗，利用二位脈沖寬度調(diào)變可以得到灰階效果。
可以說，整個DLP方案都是基于TI公司的設(shè)計，雖然色輪及其他部件都有其他供應(yīng)商，但核心DMD芯片目前只掌握在TI手中。
3.3. 技術(shù)特點
DLP技術(shù)優(yōu)點包括：
1、畫面原生對比度高：DMD芯片采用的是機械式工作方式，鏡片的移動可控性更高，原生對比度較高。
2、體積小型化：DLP投影機采用的是反射式原理，實現(xiàn)高開口率更為簡單，相同配置的產(chǎn)品DLP光路系統(tǒng)更小，整個設(shè)備體積可以做到更小。
3、光路采用封閉式：DMD芯片采用的是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在高溫下運作鏡片也不易發(fā)生太大的變化，所以DLP投影機采用封閉式光路，降低了灰塵進(jìn)入了概率。
4、性價比高：單DLP芯片方案整體成本約160美元，年出貨量400萬片，幾乎占領(lǐng)了除了愛普生、索尼等品牌以外全部的投影市場。
DLP技術(shù)有缺點包括：
1、色彩效果低、可能有彩虹效應(yīng)：單芯片DLP投影系統(tǒng)采用的反射式結(jié)構(gòu)，特別是在中低端產(chǎn)品中，單芯片DLP投影系統(tǒng)在圖像顏色的還原上比采用三原色混合LCD投影機稍遜一籌，色彩不夠鮮艷生動。此外，低速色輪還可能造成紅綠藍(lán)拖影的彩虹效應(yīng)。
2、老型號芯片分辨率低，新芯片支持4K但價格較高：受限于機械加工精度，DMD芯片過去最高只能實現(xiàn)1K分辨率。TI近年來大力投入支持4K的新產(chǎn)品，2016年發(fā)布DLP660TE產(chǎn)品，目前已經(jīng)穩(wěn)定供貨，但售價高于普通DLP芯片80%左右。
3.4. 技術(shù)發(fā)展趨勢
DLP技術(shù)進(jìn)一步將通過推進(jìn)3DLP方案改善色彩效果，增強對4K高清支持能力，同時還需要兼顧成本，以保持性價比優(yōu)勢。
此外，TI公司在DLP領(lǐng)域內(nèi)絕對壟斷地位，對于產(chǎn)業(yè)長期發(fā)展是不利的。豐厚的利潤將吸引更多半導(dǎo)體公司進(jìn)入到DLP領(lǐng)域，增加供應(yīng)商的多樣性。
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2017-5-21 15:43 上傳
投影技術(shù)三種路線對比和市場趨勢
整體對比來看，目前主流的三種投影技術(shù)體系，各自都有一定的優(yōu)點和不足，我們進(jìn)行對比分析。DLP方案從技術(shù)能力和性價比方面都占據(jù)較大優(yōu)勢，加上市場推廣成功，爭取到了產(chǎn)業(yè)鏈大部分廠商的支持。我們判斷，未來投影技術(shù)方案將成為DLP方案一家獨大的局面。
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2017-5-21 15:51 上傳
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