【技术文章】
| HDTV显示技术 |
| 朱维南 |
| 本文作者朱维南先生，上海广电设计开发有限公司高级工程师。 |
| 尽管HDTV对显示技术提出了很严格的要求，但是已有多种技术能够满足HDTV显示的需要。截至2000年底，国际消费市场上可以买到115种以上品牌的HDTV显示器，其中包括CRT直视型和投影显示器，各种LCD、DLP、D-ILA的投影显示器，以及PDP直视型显示器。下面对现有HDTV视频显示技术作一些介绍。 CRT显示器 阴极射线管(CRT)技术的发展历史超过一百年。先前几代CRT 显示器性能不够理想，存在闪烁、对比度差、行抖晃等技术问题。现在的CRT显示器性能稳定，能重现高质量的图像，其成熟程度是任何其它技术无法比拟的。 CRT显示器有三种基本类型。第一种主要用于传统的直视型电视机，屏幕对角线最大为40"。第二种是背投式投影机，屏幕尺寸可达40"~80"。几乎所有知名的电视制造商都提供单体式背投式电视。第三种是投影机和屏幕分开的分体式正面投影机，一台投影机可与各种尺寸的屏幕配合使用，对家庭影院而言，屏幕尺寸最大可达120"。某些投影机还允许幅形比在4:3和16:9之间切换。 这三种CRT显示器都能够满足HDTV的要求，尤其是高质量的CRT正面投影机，主要服务于家庭影院领域，提供了当前家用显示器可以得到的最高图像质量，已经成为事实上评价其它显示技术的参考。CRT显示器技术成熟，质量稳定，直视型显示器的价格也是HDTV显示器中最低的。从显示器的绝对数量看，其主流地位仍可维持一段时间。大量显示器工业预测也表明，CRT将继续扮演重要角色。 LCD 液晶显示器 与CRT显示器相比，LCD液晶显示器在重量、体积、功耗、辐射等方面有显著改进，图像更加鲜锐，象素位置精确，且彩色范围宽广。LCD是笔记本电脑不可或缺的组成部分，已作为监视器广泛用于个人计算机、工作站甚至大型机。LCD的出现是继CRT之后显示技术发展的又一个里程碑。 最近LCD价格的大幅降低，直接推动LCD进入台式电脑市场。LCD中图像质量最高的是直视型薄膜晶体管有源矩阵液晶显示(TFT/LCD)；其它类型的LCD图像质量稍差，但价格较低，在工业生产中得到了广泛的应用。 过去十年间，由于掌上电视机和家用摄像机寻像器的出现，使得液晶显示器逐步走入家庭。现在，LCD显示器正在努力进入电视市场，基于LCD的视频投影机日渐普及。LCD投影机体积小、重量轻，使用起来更加方便。然而，与好的CRT投影机相比，图像质量要差一些。LCD投影机的图像在大屏幕上显示时，往往有明显的象素结构。这是由于象素的面积与包围象素的黑色区域面积相比要小很多。最近LCD投影机的图像质量比早期产品有了很大改进，但仍逊于分体式CRT投影机。较好一些的LCD投影机已可提供相对明亮的图像。最好的LCD投影机，使用16:9幅形比的LCD板(而非典型的4:3 幅形比)，已经可以显示HDTV，其1366×768象素的LCD板完全能解决720pHDTV的问题，但还不能满足1080iHDTV的要求，只能通过下变换才能显示1080iHDTV格式。所有其它使用4:3 LCD板的LCD投影机在显示宽屏幕16:9的视频时，必须限制垂直方向的分辨率，因为并不是LCD板上的所有象素都能使用。 PDP等离子体显示器 等离子体显示器是1997年以来出现在高档消费市场上的新兴视频显示技术。等离子体板是一种直视型象素矩阵发光器件，每一个象素由一组RGB发光点组成，发光原理本质上与荧光灯相似，即发光点通过气体辉光放电产生紫外光，紫外光照射到荧光粉上激发出特定波长的可见光。一个发光点只有发光和不发光两个状态，给定象素的亮度取决于在图像的一个帧周期中，相应的发光点多长时间处于“发光”状态，彩色显示则通过空间混色实现。高性能等离子体显示器，象素超过100万，被认为是真实的HDTV显示器。 PDP显示器有两个弱点，一是当显示黑色时，往往只能显示黑灰色；二是黑色区域通常出现视频噪音。最近面世的新型PDP与两年前的第一代产品相比，图像质量尤其是在黑色显示方面有了实质的改进，但仍然达不到直视型CRT显示器和CRT投影机那样的视频显示水平。 等离子体电视能否进入家庭，取决于用户是否真正需要挂在墙上的平板电视。等离子体显示器面积有限，至今最大对角线是61"，挂在墙上只相当于一幅较大的图片。如果说挂在墙面这一点很吸引人，那么用户是否更青睐于图像大如墙面的投影电视呢？另一个问题是，大屏幕等离子体显示器的起点价格高达1~2.5万美元，对家用而言贵了一些。许多人期望价格随着产量的上升而下降， 但是等离子体电视能否及何时便宜到成为主流产品，仍然有待观察。 DLP数字光线处理技术 数字光线处理技术(DLP)是美国TI公司开发并独享的一种新式显示技术。首台DLP投影机1997年在市场上出现，产品主要瞄准计算机图形演示市场。基本的DLP模块称为光学引擎，其核心是高强度的光源和数字微镜器件(DMD)。DMD上的每一片微镜对应于一个象素，每片微镜可以在两个稳定位置之间转动。在 “ON”位置，来自光源的光反射以后，正好可以通过投影光学透镜，在屏幕上形成一个亮点；在“OFF”位置，反射光不能通过投影光学透镜，屏幕上形成一个暗点。一个给定象素的亮度取决于在图像的一个帧周期中，相应的镜子多长时间停留在“ON”位置上。每面镜子是方形的，镜子与镜子之间只有很小的黑色间隙，得到的投影图像很光滑，没有明显的象素结构。高档专业DLP投影机使用3个微镜器件(红、绿、蓝色各用一片)。低档产品，包括消费用产品，使用一个或2个微镜器件和旋转的滤色盘，让视频图像的红、绿、蓝色分量轮流出现。最初的DLP具有800×600的SVGA分辨率，现在已可实现XVGA分辨率 (1024×768)。2000 年已有包括三菱、松下和日立在内的若干厂家，提供使用1280×720单片16:9 DMD的消费用DLP背后投影机。这些投影机将充分支持720pHDTV格式的分辨率。现在生产DLP正面投影机的生产厂商，也将在未来产品中使用这块新的DMD芯片。TI 在1999年展示的高档专业DLP投影机可以满足HDTV标准，但是有能力显示1920×1080象素的消费用HDTV DLP投影机，仍然有待时日。DLP的投影机价格范围极大，最便宜的在4000美元左右，最昂贵的DLP使用3片1024×768分辨率微镜芯片和高强度点光源，价格可达5万美元。 DLP在投影市场取得的成功，和TI的经营策略有很大关系。TI坚持将所有关键技术包容在一起的光学引擎概念，既不单独销售芯片，也不生产整机，而只向授权客户销售光学引擎，从而保证了关键指标的可控制性。客户必须自行设计前级视频电路和其他接口电路，才能形成最终产品，所以客户本身必须有相当的素质。DLP投影机性能稳定，图像质量高，是在视频投影机领域挑战 CRT技术的最强有力的竞争者。但DLP的核心器件DMD制造过程复杂，成本较高，在过去几年曾数次出现供货紧张，一方面说明需求殷切，另一方面也说明扩大生产能力不容易。 D-ILA 图像光放大技术 休斯和 JVC 开发了直接驱动图像光放大(D-ILA)技术。D-ILA 投影机使用反射式LCD(基于 CMOS芯片)， 而常规的LCD 投影机使用透射式LCD。结果是这一方法在某些方面类似于DLP技术。当前D-ILA 投影机比常规的DLP投影机有更高的分辨率。D-ILA投影机的图像质量相当好，并且非常明亮，但价格昂贵，起始价格约在1.5万美元。其低端产品，例如DLA-G10U 和 DLA-S10U，亮度是1000lm，解晰度1365×1024 象素，都支持16:9和4:3的显示，并且与 DTV/HDTV标准兼容。昂贵的D-ILA投影机适于使用很大的屏幕，如ILA-12K光输出可达10,000lm(典型的CRT、LCD或DLP消费用投影机只有600~800lm)。这一投影机能产生对角线尺寸达几米的图像，其解晰度为2000×1280个象素，高于HDTV的分辨率。JVC在2000年推出了基于D-ILA技术的消费用背后投影机(61")，2000年8月推出使用单片1365×1024象素 D-ILA板的HDTV正面投影机(DLA-G3010Z型为9000美元)。这是很有希望的一种显示器，但昂贵的价格使其进入家庭不容易。 LCOS硅片液晶显示技术 DLP的专利保护十分严密，其他厂家无法进入，所以引发了使用不同光阀技术的深入研究。1997年IBM开发了一种新型液晶投影显示器，利用在CMOS硅片上生成高反射电极和液晶组成的光阀单元或“象素”来产生图像，每个象素由液晶和浸没在液晶材料下面的镜面和硅基底控制液晶的晶体管组成。这被称为硅片液晶(LCOS)技术。硅片液晶技术的成功得益于硅表面化学机械抛光处理工艺的突破，使得原来从微光学看起伏不平的反射表面变得光滑如镜。在对角线1.3"的器件上，安排了超过130万个象素。来自弧光灯的强光分解成红、绿、蓝三基色的偏振光，投射到LCOS芯片上。光通过液晶到达镜面并从镜面反射，电信号加到每一面镜子上，通过液晶对光的偏振进行调制，控制该象素的光强。在光线到达投影屏幕的途中，反射的红、绿、蓝图像分量重组为完整的彩色图像。图像可以从屏幕背后投射(背后投影)，或像电影院一样从屏幕前面投射(正面投影)。在不同的应用中，显示驱动电路的部分或全部可以组装在芯片以内，从而简化封装并降低系统成本。全部系统包括光学、照明、电子电路和光学引擎。这一技术已经用在若干投影机的新产品上，得到了SXGA的图像。LCOS不是一家独占的技术，目前生产LCOS芯片的厂家有17家，光学引擎种类不下20种。1024×768象素的LCOS芯片已可大量生产。当前LCOS芯片最高象素密度是1600×1280。据悉将来也会推出1920×1080象素的LCOS芯片。 大屏幕高解晰度的LCOS投影显示器是显示技术的一项重大突破，但是新技术需要一段时间才能成熟。目前LCOS投影显示器至少有两个问题没有解决，都和光学引擎有关。一是目前还难以得到足够的彩色深度，对器件的彩色处理能力还需进一步提高；二是作为光源的弧光灯的光谱成分随工作时间变化而改变，要保持正确的色温和色度平衡很困难。考虑到这一点，LCOS生产商也在逐步调整自己的策略，原先大家都只想卖芯片和驱动电路，但是客户买了芯片自己制造光学引擎，整机性能差别很大，反而制约了LCOS投影技术的发展。新动向是将LCOS芯片集中投放专业光学引擎生产厂家，再由他们向客户提供光学引擎。只有光学引擎像DLP那样成熟，发展才能真正启动。 硅片液晶技术(LCOS)的另一个用途是制造移动通讯产品和PDA中所需的微显示器。LCOS作为电子取景器在数字照相机和摄像机等近眼产品中已得到大量使用；不久，在头戴机及近眼观看的手持产品中也会大量使用。这些产品归类为虚拟显示器，他们将替代显示能力有限且有时观看困难的LCD。现在使用的显示器件只能显示几行字符，而虚拟显示器可用于观看DVD电影及计算机数据、浏览因特网或阅读电子邮件和传真。从LCOS的实际销售情况看，用于虚拟显示和移动通讯的产品占绝大多数。 其它显示技术 最近几年出现的新兴显示技术还有许多，例如激光扫描显示、电致发光(Electro Luminescence，EL)、发光聚合体(Light Emitting Polymers, LEP)、有机发光二极管(Organic Light Emitting Displays, OLED)、柔性有机发光二极管 (Flexible OLED, FOLED)、铁电显示器(Ferro Electric Display, FED)、场发射显示器(Field Emission Display, FED)等，随着技术的成熟，都有可能走上前台。 从以上介绍可以看出，当前显示技术的发展，已经可以满足HDTV显示的需要。目前，CRT显示器仍占优势，但随着HDTV的普及，不同的显示技术将展开激烈竞争，新兴技术似乎更加吸引人们的注意，将来很有可能挑战CRT显示器的主流地位。我们在选择重点发展技术时，应注意显示技术的发展趋势。 |
来源：《世界广播电视》 |