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探索色彩的秘密 3LCD投影技术深度解析

2021-3-15 21:09| 发布者:小山雀| 查看:218| 评论:0|来自:蓝光高清网

摘要:LCD是Liquid Crystal Display的缩写,中文意思为液晶显示。在投影机阵营中,目前主流的液晶显示投影机均采用3片式HTPS LCD液晶板,简称3LCD,而这正是我们今天所探讨的主题。  在种类繁多,性能各异液晶面板家族中 ...
LCD是Liquid Crystal Display的缩写,中文意思为液晶显示。在投影机阵营中,目前主流的液晶显示投影机均采用3片式HTPS LCD液晶板,简称3LCD,而这正是我们今天所探讨的主题。


  在种类繁多,性能各异液晶面板家族中,HTPS仅仅是一个很小的分支而已。HTPS是High-Temperature Poly Silicon的简称,中文意思为高穿透式高温多晶硅,俗称高温玻璃。从上图中我们也可以看出,投影机使用的液晶面板和电视、电话、GPS等产品使用的液晶屏有着本质上的区别,HTPS主要应用在投影机和EVP领域中。



  从1989年爱普生推出第一款液晶投影机VJP-2000以来,3LCD技术已经走过了20年的发展历程。据有关数据显示,3LCD核心元件HTPS面板的出货量已经突破了6000万片(每款3LCD投影机均采用3片HTPS面板)。而另外一份公布的数据显示,3LCD投影机的销量已经连续11个季度领先于DLP,并且优势还在逐步扩大。在2008年度国内销售的57万台投影机中,3LCD投影机占了30万台。虽然低端市场和尖端市场表现不处于强势地位,但是3LCD投影机在主流的中端市场,特别是行业市场还占据着绝对的优势,而行业市场则占据着投影机市场采购量的60%以上。



  目前3LCD投影机的核心技术仍然掌握在爱普生和索尼这两家公司的手中,但是由于索尼不出售3LCD的相关技术,所以市面上除了索尼之外其他的所有3LCD液晶投影机的芯片均由爱普生提供。目前采用3LCD技术的投影机品牌主要有爱普生、索尼、三洋、日立、三菱、松下、NEC、夏普等,从上述描述中我们不难看出采用3LCD技术的均为日系厂商。其实包括DLP投影机的忠实簇拥者明基等台系和欧美厂商也曾推出过3LCD液晶投影机,只不过后来因为市场等原因而专注于DLP阵营,推出的3LCD液晶投影机则越来越少。

  从技术层面来讲,3LCD投影机便是“色彩”的代名词。相比单片式DLP投影机,3LCD投影机色彩饱和度更高,色彩还原也更精准。笔者先后测试过100多台投影机,毫不夸张的是,主流的3LCD液晶投影机显示的100吋画面效果完全可以媲美我们使用的22吋液晶显示器。

  当然,也有一些消费者听到3LCD投影机在技术上还有一些不足之处,例如液晶面板老化,需要防尘等等,有些消费者也因为这些声音考虑是否还坚定的选择3LCD投影机。

  那么,3LCD投影机为什么会有这些优缺点呢?这些优缺点是真实存在的吗?能否通过技术手段来进行改善现状,给用户更加满意的体验度呢?为了解答大家的疑惑,笔者前段时间将爱普生EMP-1710投影机进行了深度拆解,特别是对其核心的光学部件进行解析,希望可以找到问题的答案(拆解文章点此)。而笔者之所以选择这款投影机一是因为爱普生是3LCD液晶面板的提供商,二是因为这是爱普生和市场上最主流的商务投影机,综合来看还是很有代表性的。 在了解3LCD技术之前,我们先通过官方的一段的DEMO视频了解其大致的光路结构系统(点此看视频)。通过视频我们可以看到,投影灯泡散发的光经过分色镜被分成了红、绿、蓝三种色彩,再经过镜子折反射之后,光线集中到核心元器件HTPS之中,再经过中间的棱镜将三原色光进行混合后投射出不同颜色的图像。



  在爱普生EMP-1710投影机的拆解中我们可以看到,手电筒投射出来的白光经过分色镜被分散成了红绿蓝三原色。从技术层面上看,白光首先经过第一透镜阵列(单元聚光透镜组),然后再经过第二透镜阵列(偏振光转换透镜组)提高偏振光的利用率。然后,光线便经由分色镜形成了红绿蓝三原色三束光线。当然,三束不同色彩的光线还要经过一体化棱镜汇聚彩色光线,再经过镜头调整才显示我们最终看到的画面。那么这个HTPS如何实现这种功能的呢?其核心又是什么呢?



  在前文中我们提到了HTPS是High-Temperature Poly Silicon的简称,中文意思为高穿透式高温多晶硅。HTPS是由像素点所组成的,比如一款分辨率为1024×768的3LCD投影机的HTPS便由1024×768个像素点所组成,而每个像素点则由信号线、控制线、TFT和开口区四部分组成(关于HTPS的视频)。其中信号线负责视频信号的传输,控制线负责图像信号的驱动管理,TFT(Thin Film Transistor ,中文意思为薄膜场效应晶体管),开口区内充满了以特定方式排列的液晶分子,这些液晶分子在不同的电压下会改变排列方式,排列方式的又会改变透过像素光线的振动方向,并与偏振板相结合实现了从全黑到全白状态下不同灰阶的过渡。



  提到开口区,我们就不得不提到3LCD投影机中备受关注的“开口率”这个词。开口率是指除去每一个像素的配线部、晶体管部(通常采用黑色矩阵隐藏)后的光线通过部分的面积和每一个像素整体的面积之间的比例。开口率越高,光线通过的效率越高。在早期液晶投影机中,开发者都为低开口率所带来的“窗格”现象所头疼。举一个较为形象的比喻,一款XGA分辨率的投影机的HTPS中存在1024×768共768432个像素点,这些像素点之间之间由引线等进行了分割。不过由于HTPS非常小,将像素点控制至0.28mm内已经非常困难,原来一个1024×768像素点阵的HTPS便有2592条外部引线,引线等占据了HTPS大概一半左右的面积,而正是这些引线造成了早期的3LCD投影机“窗格”现象的发生。

  不过现在,HTPS采用了更为先进的细微加工技术,通过配线、元件部的优化设计和缩小BM部的面积来提高开口率,据爱普生最新发布的一款第七代液晶面板公布的数据显示,其开口率已经高达75%。光的通过率高了,3LCD不仅解决了“窗格”现象,还有效的提升了投影机的亮度。

  其实HTPS开口率的提升还能有效降低投影机的体积。由于光的通过率提升了,HTPS芯片便可以做的更小,而HTPS的缩小也减少了光路系统的体积,光路系统体积减少后,投影机整体体积、重量的降低也就更为简单。目前3LCD商务投影机重量已经能控制在1.5千克左右,移动办公演示也更为方便了。

3LCD投影机的色彩为什么如此出色?

  对于消费者来说,3LCD投影机最大的魅力便是——“色彩”。我们常用液晶显示器、液晶电视、手机屏幕大家都已经能够领略色彩的魅力了,隶属于同一家族的HTPS在色彩上的表现自然也毫不逊色。



  3LCD投影机之所以拥有出众的色彩,和技术上的设计是分不开的。其三片HTPS分别负责视频信号的红、绿、蓝三个分量,3LCD技术的成像和色彩还原的特点是先将三原色同时进行充分的空间混合,再投射出不同色彩的图像,又称为同时空间混合还原。3LCD投影机的每个HTPS都含有数以万计(甚至上百万)的液态晶体,可被配置为开、关、或部分关闭的状态来允许光线透过。在正常工作的时候,数以万计(甚至上百万)的液态晶体都像快门一样工作。当红绿蓝三色透过不同的HTPS面板时,液态晶体基于该时刻该像素的每种颜色需各要多少,即时地开启和闭合。这个行为对光线进行了调制,从而产生出了投射到屏幕上的图像。从用户实际感受来看,3LCD投影机的图像看上去会更清澈,噪点更少,色彩还原也更为精准。

  作为显示设备,大家最关心投影机的性能便是其画面表现力这一方面。所以说很多人正式因为色彩表现力出色这一最大的特点而决定选择3LCD投影机。

  当然,除了色彩出色之外,采用新技术的3LCD液晶投影机还具有镜头位移功能,调校更方便。虽然部分功能由于刚推出不久,采用这些技术的产品价格偏高,但是笔者认为无机面板和镜头位移等有可能是下一代3LCD的标配。

3LCD投影机为什么需要防尘?

  在20年的历史中,3LCD技术也在不断的发展,技术也已经较为成熟了,解决了其前期液晶面板易老化等问题。虽然在某些方面没有彻底改变(比如防尘),但是相关的技术也已经进行了数次换代升级,产品的性能有了大幅提升。那么,3LCD投影机为什么需要防尘呢?下面我们就来进行简单的了解。


  而在开口率低的时期,如果想增加3LCD投影机的亮度,必须要提高灯泡的功率,而我们知道,光和热量是相存相依的,灯泡的功率和亮度在提升的同时,也在一定程度上增加了热量对HTPS的损伤。HTPS是采用高温多晶硅组成的,这种高分子液晶材料长期在高温下工作有老化的过程。而作为HTPS基板的玻璃,长时间在高温下工作也容易发生光学性能的变异。为了降低HTPS的温度,减缓老化速度,3LCD液晶投影机的光学引擎均采用开放式的结构布局,通过风扇来降低芯片的温度。但是由于空气中又存在着一些悬浮的颗粒物,在散热的同时灰尘也会粘附到液晶面板上,这样不仅影响光线的通过率,还会降低芯片散热效率,从根本上影响画面效果和HTPS的寿命。

  很多早期使用3LCD投影机的消费者都会发现,在使用一段时间之后,3LCD投影机画面会偏黄,这主要是由于灰尘的影响和HTPS老化所引起的。但是由于设计原理的原因,3LCD投影机无法做到密封式光路设计,只有在防尘上做足功夫。特别是在空气质量堪忧的中国,厂商纷纷通过采用双重过滤网、褶皱型过滤网、多个过滤网等方式来降低灰尘的通过率。从实际使用体验来看,重新设计的过滤网的确降低了维护周期,也使得3LCD投影机在防尘方面更为简单,给消费者带来的工作量更低。

对比度高达20万:1的3LCD投影机

  相对于DLP投影机2000:1的对比度而言,主流的3LCD投影机对比度仅在500:1——700:1之间。对比度偏低主要是因为HTPS采用透射式光路,开口率最高也仅为75%,光线经过之时有一定的损耗,利用程度不高,因此产生黑色画面不够黑的现象,画面的对比度自然便偏低了。不过为了解决此问题,3LCD又开发了“动态光圈”这一技术,最新发布的爱普生TW4500动态对比度已经高达20万:1。除了TW4500以外,动态对比度10万:1以上的投影机也基本上被3LCD阵营所涵盖。

    在经过20年发展历程的3LCD技术已经非常成熟了,也已经能够满足大部分消费者的需求。HTPS目前已经发展到了0.74英寸C2FINE无机配向型液晶面板,这种面板在开口率、光的通过率等均大幅提升,耐热水平也有了明显提升,液晶面板的使用寿命已经可以达到上万小时,用户每天使用5小时的话也可以使用五六年之久,而五六年后投影机行业必将面临新的变革。

虽然仅仅存在了20年,但是3LCD技术已经经历了七代发展,3LCD技术已经发展的非常成熟了。但是从另外一个角度来看,3LCD也在一定程度上面临着技术的饱和。那么3LCD未来又将会朝哪些方向继续发展呢?下面笔者就和大家来做简单的展望分享。

  从未来的发展来看,3LCD还将在高亮度、小型化、提升面板寿命和图像刷新频率上继续努力,这也是3LCD这20年一直努力的方向。虽然市场份额领先,但是在LED微型机和上万流明工程投影机还需要大幅加强,因为仅有主流的中端市场是远远不够的。如果想高中低全面发展,3LCD也必须解决、自身的不足,和DLP甚至LCoS在不同的市场中均兵刃相见,贴身肉搏。从目前来看,其推出D7无机面板便是不错的尝试性动作。另外,3LCD阵营今年还推出了只有0.55吋的L3P05X-91G00的新型面板,虽然这种芯片无法将投影机做到手机大小,但是更小的3LCD投影机也指日可待。


3LCD的新一代HTPS

  现阶段的3LCD投影机很难解决高亮度、小型化、性价比等问题,所以其也调整了短期内的发展方向——“宽屏”。众所周知,目前投影机的主流分辨率还是1024×768,而我们日常所使用的笔记本电脑屏幕、显示器、电视机已经全部升级到了宽屏。很多我们在宽屏模式下制作的文档、视频等文件在XGA投影机上展示甚至会出现变形的现象,严重影响了正常的演示。正是基于这些方面的因素,3LCD正在大张旗鼓的推广宽屏化,包括爱普生等厂商已经推出了数款物理分辨率为1200×800的投影机。

  从长期的发展来看,3LCD投影机还将会继续在开口率、材料选用方面努力。只有提高了开口率,才能将光机做的更小,迎来更广阔的市场空间。也只有改善HTPS是材料,才能解决液晶面板老化,需要防尘罩的尴尬。但是相信3LCD解决了这两大问题之后,DLP和LCoS都将面临更强大的对手。

  当然,从短期内发展来看,笔者认为目前的3LCD还将占据一定的优势,毕竟成熟的技术和良好的色彩、卓越的品牌影响力这些因素在短时间内是难以改变的。关于3LCD技术的下一步动作,我们PConline投影机频道也将持续关注。


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