（光学工程专业论文）拼接显示屏颜色均匀性的研究.pdf

摘要 z8 7 7 1 5 0 在现实生活中，大屏幕显示在商务会议、教学讲座、广告宣传、工业监控等方面都 有广泛的应用，具有十分重要的意义。拼接显示屏是一种实现大屏幕显示的非常实用的 途径。拼接显示屏是指利用多个投影单元拼接而成的大屏幕，具有显示质量高、制造成 本低等优点，尤其是d l p ( d i g i t a il i g h tp r o c e s s i n g ) 拼接显示屏，采用若干台d l p 光 学引擎拼接为一台大屏幕显示器，具有d l p 光学引擎的高亮度、高分辨率、色彩鲜艳、 使用寿命长等优点。颜色均匀性是评价d l p 拼接显示屏显示质量的一个重要指标，由 于d l p 拼接屏的自身特点，其对各显示单元的颜色均匀性要求较高，因此，本论文所 研究的内容就围绕着d l p 拼接显示屏的色均匀性的调整展开。 本文首先概括介绍了几种主要的现代显示技术，重点介绍了d l p 投影显示技术， 比较了d l p 投影显示技术及l c d ( l i q u i dc r y s 诅1d i s p l a y ) 、c r t ( c a m o d er a yt u b e ) 等显示技术各自的优缺点，讨论并比较了各种投影显示技术中所采用的颜色实现方案， 同时简要介绍了拼接显示屏目前发展的概况。 本文的第二部分讨论了对d l p 拼接显示屏颜色均匀性测量的方法，从色度学的角 度对d l p 拼接显示屏的颜色均匀性进行了测量和分析，提出了采用c i e1 9 6 4 均匀色空 间中色差的概念来评价d l p 拼接屏的颜色均匀性，对d l p 拼接显示屏调节前的颜色均 匀性进行了测量和分析，并以此为依据提出了从三基色色品坐标和白场亮度两个方面对 d l p 拼接显示屏的颜色均匀性进行调整的方案。 基于以上讨论，本文的第三部分首先提出对d l p 光学引擎三基色色品坐标进行调 节，以从根本上改善拼接屏的整体色均匀性，并建立了一套采用c c d 作为图像采集工 具，对d l p 拼接显示屏的三基色进行分时测量，以此为依据，采用查表方法修改d l p 的l u t 查找表调整三基色亮度，最终达到调整白场亮度均匀性的目的。采用这两个方 案分别对2 + 2 d l p 拼接显示屏的三基色色坐标和白场亮度进行了调节，对实验所得数据 进行了计算分析，实验结果表明，本文所提出的调节方法可以对d l p 拼接显示屏颜色 均匀性进行精确的调整，可以应用到d l p 拼接显示屏的实际生产中。 关键词：拼接屏，d l p 光学引擎，c c d ，颜色均匀性 a b s t r a c t i n0 1 1 rd a i l yl i f e ，1 a 唱es c r e e nd i s p l a y s p l a yav e r yi i l l p ( ) n a n tr o l ei nm a n ya r c a s ，s u c ha s c o r 砌e r c i a lc o n f e r e n c e s ，a d v e n i s e m e m sa n di n d u 嘶a lc o n 仃0 1 n ed l p ( d i g i t a ll i g h t p r o c e s s i n g ) d i s p l a yw a l li sav e r yp r a c t i c a lw a y t or c a l i z eb 培s c r e e nd i s p l a y ；i t sm a d eu po f s e v e r a ld l pe n g i n e s ；d l pe n g i n e sh a v em 锄ya d v a l l t a g e ss u c ha sl l i 曲1 l 】1 1 1 i n a l l c e ，1 1 i 曲 d e f i n i t i o n ，l o n gl o n g e v i 饥a 1 1 ds oo n c o l o rl l i l i f o m i t yi sa l li m l 咖ti n d e xt oe v a l u a t et 1 1 e d i s p l a yq i l a l 时o fd l pd i s p l a yw a l l b e c a u s eo fd l pd i s p l a yw a l l so w nc h a r a c t e r s ，t l l ec o l o r l u l i f o r m 时b e t w e e nt l l ed i 髓r e n td l pe n g i n e sm u s tb cv e r yh i g h s o ，n l em a i nc o n t e n to f “s t h e s i si sm a i n l ya b o u tt h ea d j u s n t l e n to f m ed l p d i s p l a yw a l l sc o l o r 嘶f o m i 谚 f i r s to fa l l ，t 1 1 i st 1 1 e s i si n 虹d d u c e ss e v e r a lm o d e md i s p l a yt e c h n i q u e s ，s u c h 嬲c r t ( c a 廿l o d e r a yt u b e ) d i s p l a y s ，p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a l l e l ) d i s p l a y s ，l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) d i s p l a y s ，a i l ds oo n ；e s p e c i a l l yi n 仃o d u c e st 1 1 ed l pp r o j e c t i o nt e c l l n o l o g y ，c o m p a r e sd l p p r o j e c t i o nt e c h n o l o g yw i 也l c d c r ta i l do t l l e rp r o j e c t i o nt e c h n o l o g i e s ，d i s c u s s e sa i l d c o m p a r e sd i 行b r e n tc o l o rc o m b i n a t i o nt e c h n o l o g i e s ；a tt 1 1 es 锄et i m e ，t h i st l l e s i s a l s o i n t r o d u c e st l l em a i ns i t l l a t i o no f t l l ed l pd i s p l a yw a l l sd e v e l o p m e n t t h es e c o n dp a no f 廿1 i st l l e s i sd i s c u s s e st i l er r l e a s u r e m e mo fd l pd i s p l a yw a 】l sc 0 1 0 r u n i f o 咖i 哆t om e a s i l r et l l ed l pd i s p l a yw a l l sc o l o ru n i f b 珊i 劬c i e19 6 4u n i f o r n lc o l o r s p a c ei sa d o p t e d t h i st 1 1 e s i sa n a l y s e st l l ec o l o ru i l i f o m l i t yo fm ed l pd i s p l a yw a l l ，a 1 1 d p m p o s e s t 、v om e t h o d st oa d j u s tt 1 1 em c o l o rc o o r d i n a t ea n dt l l el 啪i n a n c eu 1 1 i f o m l i t yo f w h i t e b a s e do nt 1 ed i s c u s s i o na b o v e ，t 1 1 et 1 1 i r dp a no ft l l i st 1 1 e s i sf j r s tp r o p o s e sam e 1 0 dt oa d j u s t t h e 砸c o l o rc o o r d i n a t et oi m p r o v et h ec o l o ru n i f o 肌时o f t h es c r e e n ，a i l dn l e nb u i l d sas y s t e m t oa d j u s tt h el 吼i n a l l c eu n i f o n n i t ) ，o f d l i t e t h es y s t e mu s e sa 俩o d i m e n s i o n a lc c dt o m e a s u r et 1 1 el u 蛐n a n c eo ft l l es c r e e n ，a n dt 1 1 e na d j u s tt h el u i n i n a n c ea n dp r o p o n i o no f r e d g r e e n b l u et oi m p r o v et l l ec o l o ru n i f o 彻崎o ft 1 1 es c r e e n t h er e s u ho fe x p e r i m e n t s v a l i d a t e sm a tt l l i ss y s t e mc a nm e a s u r ea j l da d j u s tt l l ec o l o rl 】i l i f o m i t yo fd l p d i s p l a y 、帕l l a c c u r a t e l y ；t 1 1 es y s t e mc a i lb e 印p l i e d i nt h ep m d u c t i o no f d l p d i s p l a yw a l l k e yw o r d s ：d l pd i s p l a yw a h ，d l p 蛆g i e ，c c d ，l o ru n i f o 珊咐 浙江大学硕士论文 第一章绪论 本章主要介绍了现代显示技术的现状及其发展，并着重针对l c d 投影显示技术以 及d l p 投影显示技术进行了介绍，阐述了这两种投影显示技术的工作原理与颜色实现 技术，并比较了两者在大型拼接屏应用方面的各自的优缺点，最后对d l p 拼接显示屏 的色均匀性研究现状做出了介绍。 1 1 现代显示技术的概述 视觉为人们获取信息的最主要途径，据统计，人类所获得的信息中，有7 0 以上是 通过视觉获得的。随着半导体技术和电子技术的发展，显示技术作为将各种信息转化为 视觉信息的主要途径，也获得了长足的进步，出现了许多新的显示技术。其中，作为多 媒体技术的重要载体之一，大屏幕显示在人民的日常生活中占有的地位越来越重要；获 得了人们的广泛关注。大屏幕显示器由于可以实现高分辨率的同步显示，在视频会议、 生产控制、教育讲座等领域都有广泛应用，而且，由于大屏幕显示器的高清晰画质显示， 它在家用消费品市场上也有广阔的发展空间。下面将对现代显示技术进行一个概括的介 绍。 1 1 1 投影显示技术 实现大型拼接屏显示有很多途径，投影显示为比较理想的一种方法。投影显示系统 的核心是光学引擎单元。光学引擎是指以各种光学投影技术为基础的、以实现输入图像 的光学显示为目的的光电集成单元，一般由光学投影成像部分与驱动电路部分组成。按 照工作原理来分，投影显示系统可分为c r t 投影系统，l c d 投影系统、d l p 投影系统， l c o s 投影系统等。其中，d l p 投影系统因其高分辨率、高亮度、高像质等优点，尤其 适合用于大型拼接显示屏的实现。下面对这几种投影显示技术进行概括的介绍，并将着 重介绍d l p 投影显示技术。 1 c r t 投影显示技术 浙江大学硕士论文 c r t 投影显示技术为目前为止发展最成熟，应用范围也最为广泛的一种显示技术。 第一支c r t 管诞生于1 8 9 7 年，距今已有超过一百年的历史。c r t 即为c a t h o d er a yt u b e 的缩写，中文名称为阴极射线管。c r t 投影系统的工作原理与c r t 显示器大致相同，是 将输入信号源分解成r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三色信号，输入到三个c r t 管的荧光 屏上，控制高压作用在荧光粉上使之发光，经光学系统放大、汇聚后在大屏幕上实现彩 色图像的显示。c r t 管与光学系统组成投影管，由三支投影管组成的投影机即为人们所 说的三枪投影机。c r t 投影机使用的是内光源，也称主动式投影方式。 通过一百多年的发展，c r t 显示技术已经发展到非常成熟的高度。c r t 显示具有高 分辨率、高色彩饱和度、高对比度以及对信号的兼容性强、图像细腻、色彩丰富、逼真 自然、几何失真调整功能强等优点，但是由于c r t 显示技术也有其一直无法解决的缺 点，如亮度低、体积庞大笨重、调整复杂以及长时间显示静止画面会灼伤显像管等等， 随着l c d 、p d p 、d l p 等显示技术的发展，c r t 作为传统显示器件，其在显示技术方 面一直以来所占的主导地位受到了严峻的挑战。 2 l c d 投影显示技术 l c d 显示技术与c r t 显示技术相比，其诞生时间晚了许多。1 9 7 0 年，第一台具有 实用性的l c d 才被制造出来。但是，l c d 显示技术的发展速度相当快，因其具有耗电 少、体积小、重量轻、无辐射、无闪烁、可视面积大等优点，迅速在显示器市场中占据 了一席之地，其市场占有份额逐年上升，已成为主流显示技术之一。l c d 即l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ，即液晶显示器。这是一种被动显示方式，利用液晶的电光效应实现图像在液晶 板上的显示。液晶的电光效应是指液晶分子的排列状态在外电场的作用下会发生相应的 改变，引起液晶旋光特性的变化“1 。取扭曲向列工作模式( t n ) 液晶显示单元为例，两 块玻璃电极板预先用取向膜处理过，液晶在注入时被扭曲成9 0 。在基板外侧上下各有 一偏振片，偏振片的透光方向相互垂直，并分别与液晶分子的长轴方向相互平行。这样 当电路处于关闭状态时( a ) ，入射光沿着透光方向通过液晶分子扭曲成9 0 0 后可通过另一 玻璃基板，整个液晶板为透明。当电路打开时( b ) ，电压值达到阈值电压，液晶分子在电 场作用下平行排列( 与初始位置垂直) ，因此平行光的振动矢量可以沿着液晶分子长轴方 向通过，由于偏振片是相互垂直的，因而出射光被挡住，液晶板为黑色。这样开关两态 即可实现黑白显示【j 】。可见，液晶显示在本质上是利用液晶的旋光特性，输入输出的均 2 浙江大学硕士论文 为偏振光，所以，在液晶显示中必须使用偏振片。 图1 1 扭曲向列工作模式( t n ) 液晶原理图【2 】 l c d 投影显示技术是液晶技术、照明科技以及集成电路的发展结合的产物，可分为 液晶光阀投影机和液晶板投影机两大类。 液晶光阀投影机是c r t 投影机与液晶光阀相结合的产物，采用c r t 管与液晶光阀 作为核心成像器件。液晶光阀投影机亮度和分辨率都非常高，但是体积庞大，价格昂贵， 结构复杂，维修困难。 液晶板投影机有单片式和三片式两种，顾名思义，即投影机采用单片或三片液晶板 实现彩色显示。把液晶注入上下两平行基板之间，并在基板表面使得液晶分子平行取向， 即为液晶板。传统的t n l c d 液晶显示技术大多采用行、列电极交叉构成的点阵显示方 式，采用时间分割多路驱动，加在选通像素上的电压必须高于液晶电光特性阈值电压， 反之则须低于阈值电压，才能够保证显示时的对比度。但事实上，在进行逐行扫描寻址 时，偶尔会出现一行中大部分像素同时被选通的情况，这样会产生交叉干扰，非选通像 素上的电压也会超过闽值电压，产生交叉效应。这种交叉串扰效应使得扫描行数的增加 受到限制，难以满足高分辨率和高信息量的显示要求。为了实现高质量彩色视频显示， 有源矩阵驱动液晶显示技术已经得到了人们足够的关注和长足的发展。有源矩阵驱动液 晶显示技术是液晶板在每个像素上都连接一个非线性有源元件，这样，可以排除处于o f r 态时所产生的电压干扰。 浙江大学硕士论文 目前应用较为广泛的三片式t f t l c d 投影显示技术，即为有源矩阵液晶显示器的 代表。下面针对三片式t f t l c d 投影显示技术进行详细的介绍。 t f t 是1 1 1 i n f i l mt r a i l s i s t o r 的缩写，即薄膜晶体管。这种技术结合了微电子与液晶 显示两种技术。t f t - l c d 在t n l c d 像素中引入t f t 开关而形成了有源矩阵显示，每 一个像素对应一个t f t 管，t f t 管所起的作用相当于一个开关管，用以控制每一像素 上的电压，利用t f t 管低电平驱动的高速开关特性，使得每一个液晶像素成为一个能够 快速开启、关闭的受控光阀门。当使用背光源照射这样的一个受图像电压控制的 t f t - l c d 液晶板时，便可实现理想的显示功能。由于t f t 管的导电特性会在光照射下 发生变化，一般需用不透光层保护。t f t - l c d 技术发展到现在，已经实现了高响应速度、 高分辨率、大视角、高亮度，并克服了t n l c d 无源矩阵显示中交叉干扰、信息容量少、 写入速度慢等不足【4 】，极大地改善了显示品质。 图1 2 三片式液晶投影机构造示意图“3 图卜2 为三片式l c d 投影机构造示意图，光线由光源发出，经分色镜分色后分为三 束r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三色光，分别入射到对应的r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 液 4 浙江大学硕士论文 晶板上。投影机己将输入信号源分解成r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三色信号，输入到 三块液晶板上，对入射到三块液晶板的三色光进行调制，这样分别实现了输入图像的三 基色灰度图像显示。再经过合色棱镜的汇聚，通过投影镜头投影在屏幕上，最终实现彩 色图像的显示。 三片式t f t - l c d 投影机具有体积小、重量轻、便于携带、分辨率较高、亮度高、 色彩丰富等优点；但是，由于光源是金属卤素灯或u h p ( u l 仃ah i 出p e r f o r n l a i l c e ) 灯，所 以光源有衰减的特性，光源发出的亮度随着使用时间的增加而降低，在使用一定时间后， 需要更换光源；由于投影机采用三片液晶板进行空间混色，而各块液晶板间又存在着个 体差异，因而色彩的均匀性不太理想。 3 d l p 投影显示技术 d l p 投影显示技术是近年来兴起的一种投影显示技术，由德州仪器公司( t i ) 发明。 这一新技术的诞生，使我们在拥有捕捉、接收、存储数字信息的能力之后，终于实现了 数字信息显示。d l p 为d i g i t a ll i 曲tp r o c e s s i n g 的缩写，即数字光处理。它的核心器件 为d m d ( d i g i t a lm i c r o i n i r r o rd e v i c e ) 数字微镜装置。d m d 芯片是由德州仪器公司在 1 9 8 7 年发明的一种高速反射式数字光开关，与图像处理芯片、内存、光源和光学系统相 结合组成可实现大型高亮度、高对比度、高色彩保真度的无缝显示的d l p 系统6 1 。 图1 - 3 d m d 结构示意图 图l 一3 为d m d 结构示意图，d m d 为结合了电子、机械和光学功能的新型半导体器 件，用来实现全数字化显示。在d m d 的半导体基板上排列满微小的反射镜元。每个微 镜元对应一个像素，因而镜片多寡决定显示了分辨率的大小，每片d m d 至少包含两百 万个微镜，每片微镜的尺寸都小于人类头发宽度的十五分之一。每个微镜元均由一个铰 5 浙江大学硕士论文 链固定，以使其能够独立的向前或向后倾斜。当光源与投影透镜被放置在系统的适当位 置时，d l p 系统便可以处理输入视频信号，并控制微镜元倾斜以产生数字图像( 7 】o 这些 微镜元被集成在由普通c m o s 静态存储器单元组成的电寻址电路上，通过电寻址，可 以控制单个微镜元的旋转。每个微镜元边长为1 6um ，微镜元之间表面间隔为lum f 9 】， 可以旋转+ 1 0 。和1 0 。，目前最新开发的d m d 微镜元可旋转+ 1 2 。和1 2 。 图1 4d m d 单个微镜元结构 d m d 单个微镜元结构如图1 4 所示，当微镜元旋转角度为正时，由光源发出的光 经由微镜元反射到屏幕上，形成相应的亮态像素；反之，微镜元旋转角度如为负，则入 射光不能被反射到屏幕上，相应的像素即为暗态。这样便实现了明、暗像素的显示。在 此基础上，利用人眼的视觉暂留效应，d m d 通过二进制脉冲宽度调制( p w m ) 实现了灰 度等级的显示。视觉暂留是指光对视网膜作用所产生的视觉在光停止作用后仍会保留一 段时间( 约o 1 秒) 的现象。灰度等级实现的原理为，将视频图像的每帧时间等分为若 干二进制时间间隔( 或称二进制位时间) ，不同的灰度等级对应不同的二进制位时间1 8 】。 如此，通过改变微镜元处于正、负旋转角度状态( 即通、断状态) 时间的长短，则在一 段时间内投射到屏幕上对应像素的光也会有时间上的累积。由于视觉暂留现象的存在， 人眼会将这些光叠加起来，由此，不同微镜元处于通、断状态时间的不同，在人眼视网 膜上引起的亮度视觉也随之不同，从而实现了灰度显示。d m d 的微镜元每秒钟可以翻 转高达1 0 2 4 次，即产生1 0 2 4 个灰阶。图l 一5 即为d m d 微镜元开关以实现灰度显示的 示意图。 6 浙江大学硕士论文 图1 5 微镜兀开关不意图 由于采用开关两态实现灰度的显示，无需控制微镜元的旋转角度，大大简化了微镜 元的生产工艺，降低了生产的难度、成本，并提高了微镜元的成品率，但是这种做法也 会带来一定的负面影响，这种工作方式使得d m d 的驱动芯片不得不采取非常高的工作 频率，增加了其外围驱动电路的制造难度及成本，并降低了外围电路的抗干扰性。 d l p 光学引擎按照所使用d m d 片数的不同可分为单片式和三片式。三片式d l p 投影显示系统采用三片d m d 作为反射器件，其工作原理与三片式t f t - l c d 投影显示 系统相似，光线由光源发出，通过棱镜分色系统分离为r 、g 、b 三基色，这三基色分 别通过一片d m d 的调制，形成r 、g 、b 三基色的灰度图像，再经由合色光学系统合 成为彩色图像，通过投影透镜投射在屏幕上。由于采用了三片d m d 实现彩色显示，三 片式d l p 投影显示系统可以得到很高的亮度、清晰度的显示质量，单色灰度可高达1 0 位，因此，该系统的色彩还原度也很高。但是，由于d m d 器件的昂贵价格，三片式 d l p 投影显示系统价格也非常昂贵，应用范围并不广泛，多用于数字影院中所使用的数 字播放系统中。 与三片式d l p 投影显示系统相比，单片式d l p 投影显示系统构造更为简单，只采 用一片d m d 实现显示，成本要比前者低很多，适用范围也广很多，目前市场上出现的 投影机和背投电视采用的都是单片式d l p 投影显示系统。该系统的光学结构如图1 6 。 7 浙江大学硕士论文 n l r r o r 图1 6 单片式d l p 投影显示系统光学结构图 在单片式d l p 投影显示系统中，光线由光源射出，经过反射镜反射入一个u v i r 滤镜，以过滤掉红外、紫外等不可见光，防止其损伤到色轮，而后经过一个光棒，从光 棒出射后照射到色轮上，由色轮将入射光进行滤色，形成r 、g 、b 三色光线，照射在 d m d 上。当d l p 系统工作时，色轮高速旋转，r 、g 、b 三色光按时间顺序轮流照射在 d m d 上，d m d 通过色轮控制电路做到与色轮同步开关，当红色光照射在d m d 上时， 就将彩色图像中基于红基色分量的灰度图像显示在d m d 上，同理，蓝色、绿色光也同 样处理，从而得到r 、g 、b 三基色的灰度图像，r 、g 、b 三基色图像的交替非常迅 速，利用人眼的视觉暂留特性，三色图像叠加后，人眼看到的便为彩色图像。 d l p 投影显示系统作为一种完全数字化的投影显示技术，与其他投影显示系统相比， 具有很高的光输出效率，可实现高亮度显示；同像素对应的微镜元确保了显示时的高色 彩保真度，实现了高对比度和高分辨率，极大的提高了显示质量；整个系统紧凑性很好， 体积小：此外，d l p 投影显示系统还具有无辐射、响应速度快的优点【1 0 】，由于采取反射 式微镜元，d m d 吸收热量相对较少，且半导体器件耐高温性能较好，使得d m d 芯片 的使用寿命较长。 4 l c o s 投影显示技术 l c o s 即为l i q u i dc r y s 诅1o ns i l i c o n ，译作中文为硅基液晶。l c o s 技术是一种非常 年轻的新型显示技术，这种基于标准c m o s 工艺的反射式l c d 投影显示技术，将液晶 r 浙江大学硕士论文 片、液晶驱动电路即其他一些功能一并集成在硅片上，实现对入射光的调制【l l 】。l c o s 技术中，微电路部分集成在像素反射镜下面，使得像素的有效面积大大增加，且象素尺 寸也减小很多，极大的提高了入射光源的光利用率及图像质量，克服了t f t - l c d 技术 中开口率低及黑色栅格等缺点【1 2 】，可实现高清晰度、高亮度的显示。l c o s 的硅基背板 可由常规l c 芯片生产线生产，现有的生产工艺降低了这种显示设备的制造成本。此外， 由于c m o s 电路的驱动电压很低，整个投影显示系统的功耗也相应的有所降低。 l c o s 的每一个像素包括c m o s 晶体管电路开关、存储电容和镀于二者上方的铝膜 电极，铝膜电极在驱动的同时也作为反射镜。开关选通后，驱动电压通过液晶分子下面 的金属电极加在液晶层上，控制液晶分子的排列，对入射、反射的光线进行调制，从而 实现对相应输入信号的显示。 l c o s 投影显示系统的工作原理与传统的t f t - l c d 投影显示系统差别不大，都是利 用光调制器件对光源产生的入射光进行调制，将图像投影在大屏幕上达到显示目的的显 示技术。差别主要存在于二者的光调制器件上。t f t - l c d 为透射式显示器件，驱动电极 集成在像素面积上，不透明的电极占用了像素面积的一部分，由此引入了开口率的概念。 这个问题已经成为制约t f t _ l c d 投影显示技术发展的一个瓶颈。而l c o s 液晶片为一 种反射式光器件，每一像素的驱动电路及晶体管都集成在硅基板上，电路部分所占的面 积很小，开口率大大提高，且反射式器件的光利用率远高于透射式器件，因此，l c o s 投影显示技术可实现较高亮度的显示，而亮度的提高一直是t f t - l c d 投影显示系统难 以逾越的障碍。 l c o s 投影显示系统也可分为单片式与三片式，系统中分别采用一片、三片l c o s 液晶片实现显示。由于单片式只采用一片液晶片调制三基色光，同样是利用人眼的视觉 暂留特性实现彩色显示，在亮度、对比度和色彩饱和度上比起三片式l c o s 投影显示系 统会稍许差一点。因此，在市场应用方面，三片式l c o s 投影显示系统的应用会比较广 泛。 与t f t - l c d 投影显示系统相比，l c o s 投影显示系统具有光利用率高，体积小、分 辨率高、制造技术比较成熟等优点。但作为一种新型显示技术，l c o s 目前存在标准不 一，合格率低、显示性能不理想及价格偏高等问题，也在一定程度上制约了该种技术的 发展。 浙江大学硕士论文 6 几种投影显示技术的比较 c r t 投影显示技术作为一种历史悠久的显示技术，技术已经发展到了非常成熟的阶 段，性能稳定，图像显示品质较高，性价比高。但这种技术发展空间已经不大，仍存在 体积庞大、笨重，无法实现高清晰显示，闪烁、辐射、几何失真及亮度不高等缺点，随 着其他现代显示技术的发展，c r t 投影显示的主导地位已经受到严峻的挑战，与其他显 示技术相比竞争力不是很强。 t f t l c d 投影显示技术尤其是三片式t f t - l c d 投影显示系统，可实现高亮度显示， 结构紧凑轻便，无辐射，但分辨率较低，像素感强，颜色均匀性较差，图像表现力也不 太理想，同d l p 投影显示系统相比，性价比不如后者的高。 d l p 投影显示技术多采用单片式d l p 投影机，由于只采用一片d m d 反射三基色 光源，该系统的显示亮度要低于三片式t f t l c d 投影显示系统，但是它的画面表现力 很强，显示分辨率高，颜色均匀性好，光路简单，整个系统体积可以做到非常小巧。但 由于其电路设计复杂，故成本也较高。 l c o s 是近年来兴起的一种新型显示技术，作为一种反射式液晶显示器件，它的光 利用率很高，分辨率也比透射式液晶显示器件高，且制造工艺已经很成熟；但是由于价 格较高，它的市场占有率还不是很高，还有很大的上升空间。 1 1 2 其他现代显示技术 以高清晰度、高画质和大屏幕为主要特点的平板显示器已成为显示技术发展的主要 方向。液晶显示技术已在市场中取得了极大的成功，d l p 、l c o s 显示技术的发展也处 于稳步上升的阶段。上面介绍的是现代显示技术中几种主要的投影显示技术，此外还有 p d p 显示技术、s e d 显示技术等。下面将简要介绍一下其他的现代显示技术。 1 p d p 显示技术 p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a l l e l ) 即等离子平板显示器，是所有利用气体放电而发光的 平板显示器件的总称，它属于冷阴极放电管，利用加在阴极和阳极间的一定电压使气体 产生辉光放电( ”】，显示原理同荧光灯或氖气灯工作原理相似。单色p d p 显示器一般是 l o 浙江大学硕士论文 直接利用气体放电时所发出的可见光来实现单色的显示，彩色p d p 显示器则是通过气 体放电时发射的紫外线照射红、绿、蓝三基色荧光粉，使荧光粉发光来实现彩色显示。 在彩色p d p 显示器里，惰性气体被夹在两块带透明电极的玻璃基板之间，当电压作用 于其中一块基板上的电极上时，由气体放电激发涂在另一块基板内表面的荧光粉发光， 光线透射过玻璃板实现彩色显示【l ”。 p d p 显示技术可分为电极与气体直接接触的直流型( d c p d p ) 和电极上覆盖有介 质层，与气体相隔离的交流型( a c p d p ) 两类。由于前者的亮度低且寿命短，交流型 p d p 在p d p 市场中成为主流产品。交流型p d p 又可分为对向放电型和表面放电型两种， 其中后者是目前彩色交流型p d p 制造中的主流产品。 p d p 属于自主发光型显示器，视角可达1 6 0 。以上，像素采取阵列式排列，图像不 会发生畸变；屏幕亮度相对比较均匀；等离子体显示的工作原理为单元气体放电，不会 受到磁场变化的影响，具有更好的环境适应力。此外，等离子体显示的图像清晰，色彩 鲜艳，显示效果很理想。但是，它也存在一些不足之处。p d p 显示技术中，每一个像素 都是独立自行发光，但是发光效率很低，驱动电压较高因而功耗较大，生产成本也相对 来说较高。表面放电结构的像素受到扫描电极和公共电极宽度的限制，不能做得太小， 因而影响了显示器水平方向上的分辨率，对比度也较低，在显示运动图像时，往往会出 现灰度等级和显示颜色的混乱【l5 1 。这些有待解决的问题都影响了p d p 平板显示器在市 场上的推广。 2 s e d 显示技术 s e d 显示技术是一种非常新现代显示技术，于2 0 0 5 年开始投入市场。s e d 是指 s u m c e c o n d u c t i o ne l e c 缸d n _ e m i n e rd i s p l a y ，即表面传导电子发射显示器，这是场致发射 显示f e d ( f i e l de m i s s i o nd i s p l a y s ) 显示技术家族中的一员。它的显示原理与c r t 基 本相同，都是采用电子撞击荧光材料发光。但c r t 显像管是将由电子枪射出的电子束 在偏转线圈产生的强大磁场作用下偏离原始发射方向来轰击荧光屏上的荧光粉来实现 彩色显示，s e d 的工作原理则是将涂有荧光粉的玻璃基板与铺有大量微型电子枪的玻璃 基板平行摆放，这些微型电子发射器就同液晶或等离子显示器的像素一样。微型电子发 射器之间有几纳米宽的缝隙，在对其旋加电压时，缝隙会产生隧道效应，电子发射器便 会发射电子，在电压的作用下轰击荧光材料而使之发光。如图1 - 7 即为s e d 显示原理l l 。 浙江大学硕士论文 图1 7s e d 显不原理 由于不需要控制电子束的偏离，也无须背光源的存在，s e d 显示器的厚度可以做到 非常薄，目前已经公开的实验机型的厚度都要薄过液晶、等离子显示器。s e d 为主动发 光显示器，因此它可以实现高亮度、高对比度的彩色显示；不存在响应时间的问题，工 作时几乎没有拖尾、轮廓模糊的现象：s e d 显示器可实现非常大的视角，同时，它的功 耗也相当的低：在大屏幕显示方面，同液晶显示技术相似，只需增加像素( 即微型电子 发射器) 的数量，便可以实现大屏幕显示，因此，s e d 显示器同时具有c r t 显示器的 画面质量和平板电视的厚度，又可轻松实现大屏幕显示，目前看来s e d 是一种非常具 有发展前景的新型现代显示技术。 1 2 各种投影显示系统中的颜色实现方案 在各种投影显示技术中，颜色的实现是一个至关重要的问题，l c d 、d l p 及l c o s 等投影显示技术的核心显示器件产生的均为灰度图像，而这些系统中所采用的光源发出 的均为白光；要实现彩色显示，必须对光源所发出的白光进行处理，以辅助光学引擎实 现彩色显示。下面将介绍一下在各种投影显示系统中所采用的不同的颜色实现方案。 1 颜色概述及颜色混合方法 人眼具有能够分辨颜色的能力，这称为颜色视觉，是由不同波长的可见光( 波长范 围为3 8 0 | l i l l 7 8 0 n m ) 对人眼的作用而产生的。当进入到眼睛里的光谱辐射波长改变或 者相对光谱功率分布改变时，人眼对光的颜色感受也随之发生了变化。人眼视网膜上有 浙江大学硕士论文 杆状细胞和锥状细胞两种不同的感光细胞，杆状细胞灵敏度较高，只能分辨亮度，不能 分辨颜色，锥状细胞的灵敏度较差，在亮度较高时才能感受到光的刺激。人眼对颜色的 区分主要依赖锥体细胞。在各种颜色中，人眼对绿色光波长的微差分辨能力最强。虽然 不同波长的单色光会引起不同的色彩感觉，然而同样的色彩感觉却可以来源于不同光谱 成分的组合，这就是人眼的视觉混色效应。投影系统的彩色显示均为利用了人眼的这一 特性通过对r 、g 、b 三基色光的混合而实现的。 颜色混合主要由加色法和减色法两种方法。 减色法即是色料混合法，所谓“减色”是指加入一种色料后，反射光中会减去该种 色料的吸收光，因此，通过色料混合而在复色光中减去一种或几种单色光，使之呈现另 一种颜色的方法称为减色法。混合后的色料色彩色相会发生变化，明度、纯度都会降低。 因此，混合得颜色种类越多，所得到的色彩就越暗且混浊，最终得到近似于黑灰的状态。 应用在印刷、绘画、染色、粉刷中的色彩调和，都属于减色法的范畴。 加色法是指色光之间的混合生成新色光的方法，是利用人眼的视觉混色效应实现 的。参加混合的色光均具有一定的能量，色光直接混合时产生新色光的能量是参加混合 的各种色光的能量之和。因此，混合后色光亮度会有所增加。色光混合的实现方法可分 为视觉器官外的混合和视觉器官内的混合。前者是指色光在进入人眼之前就已混合成新 的色光，混合色光中的各原色光对人眼的刺激是同时开始的，是色光的同时混合。后者 是指参加混合的各种色光分别刺激人眼中的感色细胞，使人产生新的综合色彩感觉。加 色法混合的结果是色相的改变、明度的提高、而纯度却没有下降。在选择加色法的原色 时，应遵循采用尽可能少的原色混合后得到尽可能多的不同颜色的原则，实验研究表明， r 、g 、b 三色作为原色效果最好，这就是现代投影显示系统中都采用r 、g 、b 三色作 为三基色的原因。 对人眼颜色视觉的研究表明，视觉系统对于下面三种形式的色刺激具有相加混合的 能力，并产生一种合成的色感觉： 1 ) 同时进入人眼，并投射在视网膜上相应的同一区域的色刺激； 2 ) 相继迅速进入人眼并投射在视网膜上相应的同一区域的不同色刺激； 3 ) 以人眼不能分辨的“镶嵌”方式进入人眼的色刺激。 浙江大学硕士论文 这三种颜色相加混合的方法分别称为光刺激的光谱功率混合、时间混合和空间混合 法“”。空间混合法是指用色点的混合效应获得加混色。令三个相邻色点r 、g 、b 靠得很 近，当它们离人眼有一定距离且相对于人眼的张角小于1 时，人眼就不能区分这三点， 得到三色混合的观察效果。c r t 、p d p 及s e d 显示技术均采用空间混色法实现彩色显示。 在现代投影显示系统中，所采用的色彩实现方案多为前面两种方法，下面将概括介绍这 两种加色法。 2 光谱功率混合混合法 这种颜色混合方法多应用于三片式的投影显示系统中，例如l c d 、d l p 和l c o s 投影系统中，采用的都是这种方法。光谱功率混合的方法很多，最常见的分色、合色系 统为p h i l i p s 棱镜、色四方体( c o l o r q u a d ) 、和二向色镜加正方棱镜。前面三片式t f t - l c d 投影显示系统所采用的即为二向色镜加正方棱镜的系统。二向色镜只允许某一颜色的光 透过，白光分别透过r 、g 、b 三个二向色镜后分成三束光，r 、g 、b 三色光再通过进 一步的反射入射到各自颜色的液晶板上，通过液晶板对入射光的调制，出射光通过汇聚 投影在屏幕上，即实现了彩色显示。 三片式d l p 投影显示系统采用的则为p 1 1 i l i p s 棱镜的颜色实现方案。图1 8 为三片 式d l p 投影显示系统构造图【1 8 】。 图1 8 三片式d l p 投影显示系统 1 4 浙江大学硕士论文 由图1 8 可见，p h i l i p s 棱镜在整个系统中既是分色元件又是合色元件，且分色时入 射光为s 偏振光，合色时则为p 偏振光，因此，要求分色膜对s 偏振光和p 偏振光的光 谱透过曲线要尽量一致。通常系统设计中采用减小入射光束的孑l 径角的方式来提高系统 光能利用率并简化薄膜的设计难度。而且，入射角度越大，分色薄膜对s 光和p 光的透 反射特性偏离程度就越大，p i l i l i p s 棱镜在分色和合色过程中的光谱性能存在一定差别， 这就影响了输出图像的对比度和色彩还原度，因此，入射光在二向分色薄膜表面上入射 角应越小越好。 3 时间混色法 时间混色法可采用色轮装置完成。单片d l p 投影显示系统就是采用色轮装置实现 彩色显示的。在该系统中，色轮以7 2 0 0 转分的速度高速旋转，将光源发出的白光依次 过滤为r 、g 、b 三基色光，按时间顺序投射到d m d 上，通过d m d 对三色光的分别调 制，经过投影镜头投射到屏幕上实现彩色显示。 图l 一9 单片d l p 系统结构图 在这个系统中，在任一给定时间内，光源发出的光有2 3 的光被阻挡，光的利用率 相对来说较低。色轮为一个r 、g 、b 三色滤波系统，表面为很薄的金属层，采用真空 镀膜技术镀了厚度不同的滤色膜，当白光通过这些金属膜层时，所对应的波长的色光将 透过色轮，其他颜色光则将被阻挡和吸收，实现对白光的分离、过滤。色轮是d l p 投 影显示系统实现彩色显示的关键器件，直接关系到投影系统的色彩的产生。同时，画面 抖动、暗画面噪点、彩虹效应也由此而生。可见，色轮的质量直接关系到投影显示系统 浙江大学硕士论文 的显示质量。为了提高投影显示系统的显示质量，人们对色轮也进行了许多改进。 图1 1 0 各种色轮 目前的色轮种类有很多，产生最早的为三段色轮，它的应用范围也最为广泛。三段 色轮卜等分三分，分别镀有r 、g 、b 三色滤色膜，在显示时存在亮度不高，容易产生 彩虹效应及暗画面噪点的缺点。 为了改善三段色轮的缺点，人们又提出了四段色轮，在三段色轮的基础上增加了一 段无色透明的滤色片，即目前人们所说的r 、g 、b 、w 四基色色轮。无色滤色片的增 加提高了投影机的显示亮度，但由丁光源经过无色滤色片时会冲淡前面的色彩，并造成 有白点闪过的错觉，给人画面抖动的感觉。 五段色轮又称为黄金色轮，因其是在四段色轮上加了一段黄色滤光片。五段色轮的 采用使得显不器的色彩有所提高，但是由于仍然有无色滤色片的存在，画面抖动的情况 仍然存在。 六段色轮的产生是为了解决d l p 投影显示系统的彩虹效应，即所谓“六基色”色 轮，是在三段色轮的基础上又增加r 、g 、b 滤色片各一段，形成r g b r g b 格式的色轮， 增加了色彩转换的频率大大减轻厂彩虹效应的现象，显示画面的色彩也得到了很大提 高，但与此同时，投影系统的显示亮度也有所下降。 为了提高投影系统的显示亮度，降低暗画面噪点消除画面抖动现象，人们设计了 八段色轮，在六段色轮上加了两段墨绿色的滤色片，对称分布在色轮上。这是因为三基 色中，绿色能够带来更加明亮的光线，这样列以降低暗画面的噪点，在显示明亮四面时， i 6 浙江人学硕士论文 也町以消除画面抖动。在八段色轮的基础上，儿近完美的七段色轮应运而生。七段色轮 只有一段墨绿色滤色片，并且将八段色轮的红色段面积稍稍缩小了一部分。七段色轮的 采用丰富了投影系统的显示色彩，消除了彩虹效应及暗画面噪点，使得d l p 投影显示 系统的显示质量达到了影院级的效果。 除此以外，还有一