投影显示

投影显示

邱亮台杨界雄

美国IBM T.J.Wat son研究中心

摘要目前的投影显示器市场是以阴极射线管(CR T)为主流的。但这种成熟的CR T 投影技术的未来发展将会变慢并发生演化。基于液晶的投影显示器在市场上被认可的程度正快速飞升。新技术正顺着几个前沿发展:(1)由多晶硅或单晶硅构成的有源矩阵;(2)用铁电液晶聚合物分散液晶或其它液晶模式制作的电光材料;(3)基于精密加工的换能器,如数字微镜器件(DMD)和光栅光阀(GL V);(4)达到和超过SXGA的高分辨率显示;(5)高亮度显示。本文从换能器技术的角度来讨论投影显示器的市场和发展趋向。

关键词投影显示器数字微镜器件

1引言

投影显示是一种复杂的,包括显示换能器、光学、电子学的跨学科技术[1～3]。通常,来自换能器的信号由光学系统放大成对角线达30～300in以上的图象。对于直视型CR T或直视型L CD而言,这样大尺寸的屏幕成本之高使它们无法参予市场竞争。

各种类型投影显示器的世界需求量如图1所示[4]。例如,1996年和1997年的销售额分别为1.4和1.6百万台。图2是1995～2004年全世界投影显示器的年收益统计[4](或预测)。特别是1996年和1997年,收益分别达到58亿和64亿美元,相当于增长率为10%。而与之形成对照的是,1993年～1996年显示器的综合年增长率(A GR)为18%[4]。1997年的低增长率主要归因于消费者担心数字电视于1998～2006年期间进入商品市场,购买投影电视是过时之举而造成的。图3和图4分别表示全世界各种技术类型投影显示器市场的容量和收益[4]。

图1全世界各种投影器的市场份额(以发货台件计)

图2全世界各种投影器的市场份额(按美元计)

图3全世界投影显示器的市场(以发货台件计)

图4全世界投影显示器的市场(以美元计)

2投影显示器的分类

可以用不同的方法对投影显示器进行分类。在本文中,我们采用按技术分类的方法,因为它与未来的发展方向直接相关。图5列出了投影显示的各种技术。先分成发射型与非发射型,然后再把非发射型技术作进一步分类。下面我们将通览一下这些重要的技术。本文不拟全面评述每项技术的工作原理(可参阅文献1～3),而只是扼要地讲解每种换能器技术的

发射型T N ,VA ,F LC x -S i PDLC x -S i DM D AM A I LA T N ,VA ,F LC T N a-S i/p -S i ST N

a-S i CRT 非发射型

投影显示器

油膜光阀光栅光阀光栅液晶

重要特性,以便增强对其未来可持续发展的洞察力。有兴趣的读者可按下列条目自行查阅文中给出的关键文献。

图5投影显示器的分类

3

投影电视(P TV )3.1后投影器

P TV 属于成熟型技术,在其它技术参予电视消费市场的竞争中,它常被当作比较的标准。无论从销售台件数(占70%),还是以收益(1997年占48%或30亿美元)来看,消费类投影电视都占有最大的投影显示市场份额(见图6和图7[4])。P TV 的综合增长率(C GR )按台件数计是8%,按收益计是3%。P TV 主要是以CR T 为基础的后投影系统(占90%)。1997年,在美国销售的P TV 有91.8万台,销往美国以外地区的有22万台。1997年P TV 数量的增长只有3.5%[5]。为使标准制式的P TV (包括美国的N TSC 和欧洲的SECAM 与PAL )能延续其功能,P TV 的制造商正在引导经销商和消费者用一个顶盒(Set-to p box )把数字广播信号转变为适用于普通P TV 的模拟格式。高档电视(A TV ,即HD TV 的美国改型)在过渡期(1998～2006年)价格太贵。另外,数字视盘(DVD )对大屏幕显得很有吸引力。这些议论是否能诱使消费者去购买这些产品,还要走着瞧。从地域上看,P TV 大量销往美国,是因为美国的居室宽大。表1[4]列出了近两年来P TV 尺寸的走势。毫不奇怪,屏幕尺寸还在增大。另一个趋势是倾向于带短焦距的狭长型设计。

图6全世界CR T 投影器的市场

图7全世界CR T 投影器的市场(按发货台件计)(按美元计)

表1屏幕尺寸的发展趋势

年份

19961997变化量

屏幕尺寸

49in以下34%27%-7%

50～59in49%55%+6%

60in以上17%18%+1%

典型的P TV采用3只液体冷却的7～9in CR T,用3个投影透镜,把R G B图象会聚在透镜式屏幕上。较大的9in CR T能提供更好的分辨力。自动会聚功能使P TV易于维护。以CR T为基础的投影系统的缺点之一是在巨型屏幕上,其放大图象的光通量相对较低(100～300流明)。但是,CR T可以有选择地提高某小范围的峰值亮度,局部地模仿更亮的换能器技术。为了使光输出最大化,(1)使P TV工作在比直视型CR T大得多的电流密度下;(2)用大光圈投影透镜(NA=0.45或f/1);(3)采用高增益(5X～7X)屏幕,以降低偏轴亮度为代价来提高沿轴向的亮度(即窄视角)。P TV的对比度典型范围是100∶1～200∶1,重量是100～200磅。大电流CR T的典型寿命是10000小时。P TV的制造成本约500美元,销售价格在1000～4000美元之间,视附加的其它功能而定。对一般的消费者而言,没有别的显示技术能达到这样的价格/性能比。

对于一个投影系统来说,人们最关心的是了解其屏幕和换能器两者的亮度要求。它们的关系可用下式表述[6]:

B s=B t×t/4F2(1+m)2

式中,B s和B t分别是屏幕亮度和换能器亮度;t是屏幕与换能器之间光学器件的透过率衰减;F是投影透镜的焦数(f-number);m是投影透镜的线性放大倍数。以CR T为例,设放大率9倍,F=1,t=1(即假设是无吸收和散射的纯光学器件,透镜上涂有完全消反射的涂层),则换能器的亮度是屏幕亮度的400倍。如果要求屏幕亮度为100nit,则换能器亮度至少必须是40000nit。这就是投影显示需要大的束电流的原因。由于要求换能器具有高亮度,一些自发光技术,如电致发光(EL)、发光二极管(L ED)以及有机发光二极管(OL ED,包括单体与聚合物)都不适用于投影显示。因为通常寿命与亮度成反比,在这样高的亮度(即使有些技术能够达到)下,它们没有足够长的寿命。

3.2前投影器

基于CR T的前投影器也是在7～9in CR T上放大R G B图象的。分辨力范围从N TSC 到2k×2k(Elect rohome);价格从6000美元到35000美元不等,这与优质高分辨模式的高成本有关。由于其光通量有限(<300流明),较笨重,且价格昂贵,使前投影CR T技术成了蜷缩的恐龙。1997年,前CR T投影器只销售了3.2万台,折合4亿美元,还不足前L CD投影器销售额的1/10。