現(xiàn)在主流智能投影儀產(chǎn)品按照技術(shù)分類(lèi)，主要分為3類(lèi)：3LCD、LCOS、DLP。其中，3LCD是日系品牌愛(ài)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(jī)械反光陣列方案，已經(jīng)被越來(lái)越多產(chǎn)品采用，基本已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。我們將對(duì)不同技術(shù)方案進(jìn)行介紹和分析。
3LCD技術(shù)
1.1. 技術(shù)背景及來(lái)源
3片式HTPS LCD液晶板，簡(jiǎn)稱(chēng)3LCD，誕生于1987年。3LCD投影機(jī)的核心技術(shù)主要掌握在愛(ài)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(jī)的芯片均由愛(ài)普生提供。
目前采用3LCD技術(shù)的投影機(jī)品牌主要有愛(ài)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(lái)的白色光經(jīng)過(guò)鏡頭組后會(huì)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(zhǎng)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(lái)后投射到對(duì)應(yīng)的液晶面板上，三種顏色的光在透過(guò)各自的液晶面板時(shí)，其光強(qiáng)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(dòng)的全彩色圖像。利用了液晶的電光效應(yīng)，通過(guò)加在液晶單元兩端的電壓大小來(lái)控制液晶分子的偏轉(zhuǎn)方向，從而控制光線通過(guò)液晶單元的透過(guò)率，以產(chǎn)生不同灰度層次及色彩的圖像?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)：
顏色控制方面——使用分色鏡對(duì)白光光源進(jìn)行RGB分離，再通過(guò)不同灰度的三色組合，形成各種顏色。
像素控制方面——每個(gè)HTPS都含有上百萬(wàn)的液態(tài)晶體，每個(gè)晶體對(duì)應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)，可以獨(dú)立的控制光線進(jìn)出，形成獨(dú)立像素圖案。
灰度控制方面——液態(tài)晶體可被配置為開(kāi)、關(guān)、或部分關(guān)閉的狀態(tài)來(lái)允許光線透過(guò)。不同的開(kāi)啟狀態(tài)影響光線通過(guò)量，從而改變每個(gè)像素點(diǎn)的灰度。
整個(gè)3LCD光機(jī)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(shí)用的光源燈電壓下可以實(shí)現(xiàn)短弧光化, 因此接近于點(diǎn)光源, 便于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2、積分器照明系統(tǒng)和偏光轉(zhuǎn)環(huán)元件：通過(guò)"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(gè)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(guò)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(zhǎng)范圍的薄膜后形成的。普通3LCD投影機(jī)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(chēng)是High Temperature Poly-Silicon (高溫聚硅), 它是有源矩陣驅(qū)動(dòng)方式的透過(guò)型LCD。HTPS具有小型, 高精細(xì), 高對(duì)比度, 驅(qū)動(dòng)器可內(nèi)置等特點(diǎn)，其主要用途是投影機(jī)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(shí)現(xiàn)此功能, 棱鏡通過(guò)4根三角柱組合, 形成長(zhǎng)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(diǎn)
3LCD技術(shù)有優(yōu)點(diǎn)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(hào)的紅、綠、藍(lán)三個(gè)分量，3LCD技術(shù)的成像和色彩還原的特點(diǎn)是先將三原色同時(shí)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(guò)長(zhǎng)期應(yīng)用、優(yōu)化，性能比較穩(wěn)定。
3LCD技術(shù)有缺點(diǎn)包括：
1、原聲對(duì)比度低：因?yàn)镠TPS采用透射式光路，開(kāi)口率最高也僅為75%，光線經(jīng)過(guò)之時(shí)有一定的損耗，利用程度不高，因此產(chǎn)生黑色畫(huà)面不夠黑的現(xiàn)象，畫(huà)面的對(duì)比度自然便偏低了。
2、防塵及液晶使用壽命問(wèn)題：HTPS是采用高溫多晶硅組成的，這種高分子液晶材料長(zhǎng)期在高溫下以及塵埃環(huán)境下工作有老化的過(guò)程。為了解決高溫，需要引入風(fēng)扇散熱，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封環(huán)境，因此液晶無(wú)可避免的將發(fā)生畫(huà)面效果降低和壽命老化。
3、產(chǎn)品體積較大：受限于HTPS通過(guò)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(jī)整體體積、重量都相對(duì)較大。
1.4. 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
3LCD最急需解決的問(wèn)題在于液晶透光率和防塵老化問(wèn)題，這是3LCD技術(shù)努力革新的方向。從未來(lái)的發(fā)展來(lái)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(zhǎng)期的發(fā)展來(lái)看，3LCD投影機(jī)還將會(huì)繼續(xù)在開(kāi)口率、材料選用方面努力。只有提高了開(kāi)口率，才能將光機(jī)做的更小，迎來(lái)更廣闊的市場(chǎng)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(lái)源
LCOS技術(shù)是“硅基液晶”（Liquid Crystal on Silicon）技術(shù)的縮寫(xiě)名稱(chēng)，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(zhǎng)電晶體，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動(dòng)面板(又稱(chēng)為CMOS -LCD)，是基于此前LCD技術(shù)的升級(jí)。
首批成型產(chǎn)品是由Aurora Systems公司于2000年開(kāi)發(fā)出的，也有相當(dāng)多公司后續(xù)跟進(jìn)。但由于成本過(guò)高問(wèn)題一直沒(méi)解決，最近幾年沒(méi)有太大的發(fā)展，僅有幾家高端投影機(jī)廠商使用。在家用投影儀市場(chǎng)上，索尼、JVC、LG等會(huì)采用LCOS技術(shù)。
2.2. 技術(shù)原理
LCOS可視為L(zhǎng)CD的一種，但傳統(tǒng)的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS則是長(zhǎng)在矽晶圓上。LCOS結(jié)構(gòu)是在矽晶圓上長(zhǎng)電晶體，利用半導(dǎo)體制程制作驅(qū)動(dòng)面板(又稱(chēng)為CMOS -LCD)，然后在電晶體上透過(guò)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(cè)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(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(lái)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(hào)的調(diào)制；因此，只要把影像訊號(hào)加諸于硅芯片，經(jīng)由芯片反射出來(lái)的光線就會(huì)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(jī)燈泡發(fā)出的白色光線，通過(guò)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(gè)原色光線照射到一塊反射式的LCOS芯片上，系統(tǒng)通過(guò)控制LCOS面板上液晶分子的狀態(tài)來(lái)改變?cè)搲K芯片每個(gè)像素點(diǎn)反射光線的強(qiáng)弱，最后經(jīng)過(guò)LCOS反射的光線通過(guò)必要的光學(xué)折射匯聚成一束光線，經(jīng)過(guò)投影機(jī)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(diǎn)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(diǎn)
LCOS技術(shù)有優(yōu)點(diǎn)包括：
1、視覺(jué)效果好：運(yùn)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(huà)面明亮、網(wǎng)格化情況較少等優(yōu)點(diǎn)。
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(wú)需為透光率設(shè)計(jì)的過(guò)大，從而能夠大幅縮小光機(jī)體積。
LCOS技術(shù)有缺點(diǎn)包括：
1、加工工藝復(fù)雜，良率過(guò)低：由于LCOS在開(kāi)發(fā)中涉及整個(gè)元件的設(shè)計(jì)、制造到光學(xué)系統(tǒng)的整合，有較高的技術(shù)門(mén)檻。且每個(gè)業(yè)者所開(kāi)發(fā)的LCOS，各有專(zhuān)用的ASIC、光學(xué)引擎等，零組件和生產(chǎn)各自為陣，無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化，目前加工良率仍然過(guò)低。
2、成本高昂：大量元件無(wú)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(guò)高。
2.4. 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
LCOS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于色彩飽和度、對(duì)比度、亮度、分辨率等非常高。但這樣的畫(huà)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(lái)源
DLP的全稱(chēng)是Digital Light Processing，中文意思為“數(shù)字光學(xué)處理技術(shù)”。DLP投影機(jī)的核心元器件DMD，全稱(chēng)為DigitalMicromirror Device，中文意思為“數(shù)據(jù)微鏡裝置”，通過(guò)控制從而鏡片的開(kāi)啟和偏轉(zhuǎn)達(dá)到顯示圖像的目的。
DLP技術(shù)是由美國(guó)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(dòng)，反射面是采用一種柔性材料，在當(dāng)時(shí)被稱(chēng)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(kāi)發(fā)出了新一代DMD器件，并將名稱(chēng)改為“數(shù)碼微鏡器件(Digital Micromirror Device)”。1993年DLP投影機(jī)開(kāi)始研發(fā)，1996年DLP產(chǎn)品才上市，而國(guó)內(nèi)的DLP投影機(jī)正式進(jìn)入市場(chǎng)銷(xiāo)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(jī)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(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)的公平性。目前世界上非日系投影機(jī)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(jī)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(lèi)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(duì)比度和明亮度顯著優(yōu)于單芯片方案，但成本過(guò)高，多應(yīng)用于特殊場(chǎng)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(gè)按功能安裝在CMOS存儲(chǔ)單元微鏡陣列組成。通過(guò)把數(shù)據(jù)裝入位于微鏡下方存儲(chǔ)單元來(lái)獨(dú)立控制微鏡，以引導(dǎo)反射光并把一個(gè)視頻數(shù)據(jù)像素空間映射到顯示器的一個(gè)像素。
DMD是一種整合的微機(jī)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(kāi)始，再透過(guò)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(lái)形成兩個(gè)空氣間隙。鋁金屬經(jīng)過(guò)濺鍍沉積及等離子蝕刻處理，犧牲層則經(jīng)過(guò)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(lái)看，DMD芯片的構(gòu)造包括了電子電路、機(jī)械和光學(xué)三個(gè)方面。其中電子電路部分為控制電路，機(jī)械部分為控制鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)候，光線經(jīng)過(guò)DMD芯片，DMD表面布滿(mǎn)了體積微小的可轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片便會(huì)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)反射光線，每個(gè)鏡片的旋轉(zhuǎn)都是由電路來(lái)控制的。每個(gè)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(jué)暫留效應(yīng)，觀眾實(shí)際感知快速閃動(dòng)的三原色光混合的顏色。
2、色輪（COLOR WHEEL）
它在DLP投影機(jī)中的作用是色彩的分離和處理，色輪通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)將復(fù)合光過(guò)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(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。白色光通過(guò)金屬鍍膜層時(shí)，所對(duì)應(yīng)的光譜波長(zhǎng)的色彩將透過(guò)色輪，其它色彩則被阻擋和吸收，從而完成對(duì)白色光的分離和過(guò)濾?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)：
顏色控制方面——使用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的色輪分別將光源光線變成RGB或者其他色域基色，再通過(guò)時(shí)間維度混合，利用人眼視覺(jué)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(gè)微鏡對(duì)應(yīng)一個(gè)像素點(diǎn)，可以獨(dú)立的控制光線進(jìn)出，形成獨(dú)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(lái)非常明亮，“0FF”狀態(tài)的反射鏡看起來(lái)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(shuō)，整個(gè)DLP方案都是基于TI公司的設(shè)計(jì)，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(diǎn)
DLP技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括：
1、畫(huà)面原生對(duì)比度高：DMD芯片采用的是機(jī)械式工作方式，鏡片的移動(dòng)可控性更高，原生對(duì)比度較高。
2、體積小型化：DLP投影機(jī)采用的是反射式原理，實(shí)現(xiàn)高開(kāi)口率更為簡(jiǎn)單，相同配置的產(chǎn)品DLP光路系統(tǒng)更小，整個(gè)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(yùn)作鏡片也不易發(fā)生太大的變化，所以DLP投影機(jī)采用封閉式光路，降低了灰塵進(jìn)入了概率。
4、性?xún)r(jià)比高：?jiǎn)蜠LP芯片方案整體成本約160美元，年出貨量400萬(wàn)片，幾乎占領(lǐng)了除了愛(ài)普生、索尼等品牌以外全部的投影市場(chǎng)。
DLP技術(shù)有缺點(diǎn)包括：
1、色彩效果低、可能有彩虹效應(yīng)：?jiǎn)涡酒珼LP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(jī)稍遜一籌，色彩不夠鮮艷生動(dòng)。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(hào)芯片分辨率低，新芯片支持4K但價(jià)格較高：受限于機(jī)械加工精度，DMD芯片過(guò)去最高只能實(shí)現(xiàn)1K分辨率。TI近年來(lái)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(jià)高于普通DLP芯片80%左右。
3.4. 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
DLP技術(shù)進(jìn)一步將通過(guò)推進(jìn)3DLP方案改善色彩效果，增強(qiáng)對(duì)4K高清支持能力，同時(shí)還需要兼顧成本，以保持性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)。
此外，TI公司在DLP領(lǐng)域內(nèi)絕對(duì)壟斷地位，對(duì)于產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展是不利的。豐厚的利潤(rùn)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。
投影技術(shù)三種路線對(duì)比和市場(chǎng)趨勢(shì)
整體對(duì)比來(lái)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(diǎn)和不足，我們進(jìn)行對(duì)比分析。DLP方案從技術(shù)能力和性?xún)r(jià)比方面都占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)，加上市場(chǎng)推廣成功，爭(zhēng)取到了產(chǎn)業(yè)鏈大部分廠商的支持。我們判斷，未來(lái)投影技術(shù)方案將成為DLP方案一家獨(dú)大的局面。
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2017-5-21 15:51 上傳
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