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LCoS顯示技術(shù)評測

發(fā)布時間:2010-06-02

中心議題:
  • LCoS顯示技術(shù)簡介
  • LCoS顯示技術(shù)評測簡介
  • 參加測評的高清電視機型號
  • 各種1920x1080LCoS芯片性能指針

硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon,LCoS)是一種相對較新且不為人所熟悉的顯示技術(shù),該技術(shù)現(xiàn)正大舉進入高清電視(HDTV)市場。然而真正引人注目的是,這種技術(shù)一開始的起點就非常高,并不是用傳統(tǒng)的方式起步,即采用和現(xiàn)有技術(shù)差不多的性能,然后再慢慢把畫面質(zhì)量提升到更高水平。

在所有顯示技術(shù)中,LCoS的分辨率、對比度(對非CRT顯示器而言)是最高的,圖像最為自然。有些用戶對圖像閃爍比較敏感,眼睛容易疲勞,而LCoS則具有最高刷新率(120Hz),可提供最為平滑且無閃爍的畫面。本文將深入分析五種LCoS高清電視,其中除了一種其余都是原型樣機,希望能夠幫您了解這一正在發(fā)展的技術(shù)。
  
當然,LCoS并不能算是新事物,階因開發(fā)已超過十年,JVC實際上從1998年就開始應用這種技術(shù)生產(chǎn)高端專業(yè)級投影儀,但時至今天這個市場相對來說還非常小。同時這也是一種非常難于改進的技術(shù),不少公司要不放棄了要不就已經(jīng)破產(chǎn)。湯姆遜公司(采用RCA品牌)于2001年制造出第一臺商業(yè)化LCoS高清電視,東芝(采用日立LCoS芯片)和飛利浦緊隨其后也相繼推出,但這些公司到2004年10月都停止了。英特爾在2004年1月宣布開始制造LCoS芯片震驚了業(yè)界,但隨即在2004年10月停止了該計劃,其間沒有取得任何成果。因此,LCoS的前景遭到很多分析師質(zhì)疑,實際上該技術(shù)僅僅是在為真正進入高清電視市場進行整合。
  
JVC于2004年7月推出其第一臺背投1280×720高分辨率電視,拉開了第二代LCoS的序幕,索尼緊接著于2005年1月推出高端1920×1080Qualia電視,之后Brillian也從2005年中開始向市場提供1280×720電視。9月初我寫完這篇文章的時候,全球只有幾款LCoS高清電視可以購買,不過JVC和索尼剛剛宣布了其第二代高清電視,LG也推出了第一款(采用SpatiaLight的LCoS芯片),另一家主要供貨商日立計劃于2005年底推出LCoS高清電視。因此,在本文中我們有幸對一些預先發(fā)布的樣機進行測試評估,下面就是我們得到的一些結(jié)果。
  
評測簡介
  
即使你是一個專家,也很難找到一個地方可以對高清電視的圖像和畫質(zhì)進行評估。在展覽會或制造商展示廳里,你看到的節(jié)目極可能是經(jīng)過精心挑選,而且還可能進行了微調(diào),使各個型號的效果都比正常情況要好。在商店展示室里,觀看條件、環(huán)境光線、視頻信號質(zhì)量以及視頻源質(zhì)量通常千差萬別,效果無法達到理想的狀態(tài),而高清電視本身也沒有調(diào)到最好(有時是因為前面的顧客調(diào)整了設置),所以你通常都會看到在放動畫片,因為比較飽和的顏色和人工圖畫可使觀眾對電視產(chǎn)生一種好的錯覺。
  
對任何顯示技術(shù)的圖像和畫質(zhì)進行評估的最好方法是把多部電視放在一起,仔細控制各種條件,一個挨一個地同時進行測試,讓所有電視都顯示完全一樣的高品質(zhì)畫面。你需要一個理想的觀看環(huán)境、D6500背光、出眾的視頻信號源,以及一流的視頻信號分配系統(tǒng)。然后,讓各制造商派出最好的工程師,仔細設置調(diào)節(jié)他們的電視直到達到最佳圖像和畫質(zhì)效果。2005年7月我們一整個月都在做這樣的事情,這是一件花時間的工作,但結(jié)果非常有意思,絕對值得花費所需的資源。
  
這個過程稱為“評測”,它并不是要一決雌雄,但確實對每個顯示器都是極大的挑戰(zhàn)。由于每臺機器單獨看時都非常好,但和其它一些優(yōu)秀的機型一起顯示同樣的高質(zhì)量畫面時,很多地方就較遜色,即使很細微的差異也會非常明顯地表現(xiàn)出來。在評測中,我們首先用上百個DisplayMate的1280×720和1920×1080兩種高清電視分辨率的測試圖像對這些電視進行測試,我們用兩臺高級光譜分析儀仔細測量每臺電視的光度和色度。測試時,我們邀請了34位評審員觀看一個多小時高質(zhì)量視頻節(jié)目,然后進行比較和視覺評估。圖1顯示了照明燈打開時評測設置情況,這些電視就沿著在我的家庭影院附近的一面35英尺墻排列著。



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參評高清電視
  
在我們計劃開始進行評測時市面上只有兩款LCoS高清電視,所以我決定擴大樣本面,勸說幾家制造商為我這篇文章把他們寶貴的實驗室樣機借給我,目的是把每家LCoS制造商的產(chǎn)品(用色輪的除外)都包括進來,而目前只有五家制造商:JVC、索尼、Brillian、eLCOS和SpatiaLight。市面上還有其它一些品牌的LCoS高清電視,但它們都采用以上幾家提供的器件。我們包括了兩種標準高清電視分辨率:1280×720約一百萬像素以及1920×1080約兩百萬像素,在本文中分別稱為720或1080型。(這里后面不用再跟代表逐行掃描的p,因為所有機型都是逐行掃描的,請見下。)
  
JVC和索尼都不用再作介紹,但另外三家對大多數(shù)消費者來說還相當陌生。Brillian是一家小型初創(chuàng)公司,總部在亞利桑那州的Tempe,是美國唯一一家高清電視制造商。他們提供了一臺65吋720型樣機(目前已經(jīng)上市),并努力在評測之前提供多一臺1080型。eLCOS也是一家小型初創(chuàng)企業(yè),他們和光引擎制造商JDSUniphase、屏幕制造商DNP以及視頻處理器制造商SiliconOptix合作,提供了一臺56吋1080型實驗室演示樣機。請注意該公司提供的機型還不能稱之為樣機,因為它不是為大規(guī)模生產(chǎn)而設計的。SpatiaLight也是一個小型初創(chuàng)企業(yè),提供LCoS芯片和驅(qū)動電路,曾用在2005年9月LG新推出的71吋1080高清電視中。SpatiaLight同意參加測評但沒能及時提供樣機。
 
JVC提供了兩臺:消費品事業(yè)部送來了他們已上市的61吋720高清電視,只有不到4,000美元普及價格,而專業(yè)產(chǎn)品事業(yè)部則送來了他們?yōu)殡娨暸c電影后期制作而設計的48吋1080基準顯示器樣機,其價格定位面向高端專業(yè)市場,設計用來與索尼的高端專業(yè)級CRT競爭(我們將在第三部分對其進行比較)。注意JVC兩個型號所采用的LCoS技術(shù)是不同的,普通型具有數(shù)字背板,采用脈寬調(diào)制控制每個像素(見第三部分與下文),而專業(yè)級使用模擬電壓控制每個像素(見下文)。索尼已經(jīng)于2005年1月推出70吋1080Qualia006,所以我們邀請了索尼,但該公司拒絕參加測評。
  
每個參與測評的制造商資料請詳見后面的高清電視制造商介紹,表1顯示了每種機型的基本信息,注意表中型號是以分辨率按字母順序排列的。JVCConsumer價格有兩個來源都列在表上,一個是制造商建議零售價,另一個是我在市場上能找到的最低實際售價,其它都將以表中所列價格即將在市面上發(fā)售。

LCoS技術(shù)
  
LCoS是用液晶控制圖像像素亮度的最新顯示技術(shù),液晶技術(shù)最廣泛應用形式是大型無定形硅LCD芯片,用于直接觀看的計算機顯示器、電視以及高清電視,典型尺寸從5吋到82吋(截至2005年8月31日的紀錄),下一個應用將是更小的高溫多晶芯片,用于視頻和數(shù)據(jù)投影儀,這些應用尺寸大約只有1吋,所有都會用于大屏幕LCD背投電視及高清電視。這兩種技術(shù)用的光源都在芯片的后面,光線必須穿過芯片來到前面,包括芯片內(nèi)控制像素的所有電路和組件,但這些部件阻斷了很多光線,并在像素之間形成溝道,因此分辨率越高,問題就越多。第二個主要問題是液晶相對來說需要比較厚以便得到較高對比度,這會使響應時間減慢,因而在圖形運動或變化時會形成拖影。
  
LCoS的基本原理是在液晶層后面用一個鏡子,光線從前面進來后穿過液晶層,經(jīng)過鏡子反射再次穿過液晶層射到屏幕上。這需要稍微復雜一些的光學部件,但確實非常有用,它有幾個直接明顯的優(yōu)點,如所有電子部件都在鏡子后面,完全在光路以外。在它后面有很大空間,這樣就可能達到難以置信的高分辨率,LCoS在所有顯示技術(shù)中分辨率最高。另外因光線兩次穿過液晶,可以達到很高對比度但依然非常薄,從而大大改善響應時間減少拖影。我們將在第三部分討論LCoS的優(yōu)點和缺點。
  
那么它是怎樣工作的?液晶可以使光線的偏振性發(fā)生偏轉(zhuǎn),而偏轉(zhuǎn)量可通過電場進行控制。鏡片后面的硅片產(chǎn)生控制每個像素的電場,實際上鏡片就是硅片最上一層,液晶直接裝在鏡片上面,這也是它叫做“硅基液晶”的原因。大多數(shù)芯片的尺寸為四分之三英寸,圖2a顯示了一個LCoS芯片的照片。生成圖像時,偏振光聚焦在芯片上,通過變換每個像素后面電場來控制其亮度。電場使光線發(fā)生偏轉(zhuǎn),然后用一個偏振過濾器把偏轉(zhuǎn)部分擋住。硅片產(chǎn)生電場實際上就像計算機內(nèi)存芯片一樣工作,按照像素的行列進行組織,每個像素都有一個地址,就像內(nèi)存位置一樣,圖2b顯示了一個LCoS的截面圖。
  
如同其它顯示技術(shù)一樣,每家制造商都有他們專用的實現(xiàn)方法,并會取一個特殊的名稱,如表1和表2所示。所有制造商都指出他們使用帶無機排列層的垂直分布液晶,垂直排列可提高對比度,并在驅(qū)動信號為零時使屏幕呈現(xiàn)自然的黑色。無機排列層可避免早期有機排列層老化的問題,所以所有這些LCoS技術(shù)都有很長的壽命。
表1:參加測評的高清電視機型號。


表2列出各制造商1080LCoS芯片的規(guī)格,為了使信息更為完整,我們在表中包含了沒有參加測評的索尼和SpatiaLight產(chǎn)品。索尼信息有兩個來源,一個是Qualia004和006里的第一代芯片,另一個是2005年8月推出的XBR產(chǎn)品里的第二代芯片。
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表2:1920x1080LCoS芯片性能指針



芯片對比度可能是表中最重要的數(shù)值,因為高清電視屏幕對比度總是比芯片的數(shù)值小。像素間距是芯片上像素中心與中心之間的距離,像素間隙是他們之間無效空間。開口率是指有效像素區(qū)域所占的百分比。由于它接近100%,所以屏幕上像素之間的間隙通常不會被注意。LCoS的開口率比DLP微顯要高幾個百分比,而高溫多硅液晶投影儀芯片通常的數(shù)值較小,只有百分之五十到七十,所以其像素結(jié)構(gòu)通常能被看到。壽命包括多種因素,但只能通過實驗室測試推斷進行統(tǒng)估,所有廠家提供的數(shù)值都大于10萬小時,也即如果一天開24小時可連續(xù)放11年以上。人們關(guān)心主要在于隨時間延長亮度和對比度的損耗,也就是所謂的老化,這將導致通常所說的圖像灼影,但所有制造商都聲明老化和灼影都不會在無機排列層中產(chǎn)生。
信號電平是指在芯片線路控制LCoS芯片的數(shù)據(jù)位數(shù),位數(shù)越高灰場越平滑,越不容易出現(xiàn)色差線條。
  
響應時間是業(yè)界一個標準,表示像素從黑到白的時間(上升時間或者Ton)加上從白到黑的時間(下降時間或者Toff)的總時間,響應時間是測量圖像變換速度并提供運動圖像移動拖影的可見程度,通常越小越好,但移動拖影涉及到多個因素。遺憾的是,有些制造商提供的響應時間是平均上升下降時間,而不是他們的和,使顯示數(shù)值比實際的要快兩倍。所以要非常注意響應時間指標,要確保你知道制造商用的是哪一種方法。(比如索尼QualiaSXRD芯片響應時間用的是總時間5ms,但最新的XBRSXRD芯片則用平均時間2.5ms作為響應時間,所以顯示出來數(shù)值的要快兩倍,而實際上并沒有。)我們在表中把上升時間和下降時間都列了出來,以顯示實際情況。
  
控制每個像素亮度的物理過程不管是LCoS還是所有其它液晶技術(shù)實際都是模擬技術(shù),這是一個優(yōu)點,因為人的視覺也是一個模擬過程,可以避免全數(shù)字顯示技術(shù)如DLP和等離子具有的圖像抖動(見系列專題三、四和本文第三部分)。然而實際上也可以設計芯片的硅背板讓它被模擬電壓或數(shù)字信號脈寬調(diào)制PWM來驅(qū)動。它們的最終結(jié)果仍然是液晶模擬顯示,但這是用兩個完全不同的方法完成,各自有不同的優(yōu)缺點,我們將在之后討論。(數(shù)字方法類似地燈調(diào)光器用電子脈沖控制模擬鎢燈。)表1和表2中的設備控制技術(shù)列出了每種機型應用的方法,數(shù)字背板通常產(chǎn)量較高,制造更加便宜(但不是所有制造商都同意這一觀點),且驅(qū)動電路也更加便宜。但是目前用數(shù)字技術(shù)得到平滑的灰場還比較難(尤其在暗場里),所以這也是很多型號使用模擬背板的原因。

光學與電學組件
  
除了芯片外,LCoS高清電視還有其它關(guān)鍵的零部件,如包含從燈泡到投影鏡頭所有光學部件的投影燈引擎。它首先準備光束,照亮細小的LCoS芯片,然后通過一個約80比1的線性比例因子將圖像放大,面積放大比例約6,400比1(以60英寸屏幕為例)。這里所涉及的技術(shù)并不等于LCoS芯片本身,對屏幕上看到的圖像質(zhì)量同等重要,它通常是投影高清電視里最貴重的部件。圖2c顯示了一個投影光學引擎,注意我們這里所有高清電視都采用3片LCoS芯片,分別對應紅、綠、藍三基色。濾光板首先將光線分為用于LCoS芯片的3種基本顏色,然后用一組棱鏡在投影鏡頭前面將基本色重新合成為一束光。屏幕是光學系統(tǒng)另一個重要的部件,它對成像質(zhì)量也有很大影響,好的屏幕相當昂貴。另外還有兩種非常重要的光學部件,一個是在投影鏡頭和屏幕之間吸收雜散光線的黑色內(nèi)部空間,第二個是在機箱后部前表面平面鏡,可將投影鏡頭光通路方向改變射向屏幕。


圖2(a)LCoSD-ILA芯片,JVC提供。

圖2(b)LCoSD-ILA芯片截面圖,JVCProfessionalProducts提供

圖2(c)投影光學引擎,Brillian公司提供。

還有兩個電路組件我們經(jīng)常提及,一個是芯片線路控制部分,負責所有LCoS芯片的底層直接控制,另一個是前端板,具有所有高清電視輸入接口,它將所有其它不同輸入信號(復合視頻信號、S-video、合成視頻信號、RGB、DVI以及HDMI)轉(zhuǎn)換為芯片線路所需的數(shù)字格式,它還管理屏幕菜單,實現(xiàn)用戶與服務的調(diào)整和控制。芯片線路通常只有工廠才能進行控制,包括控制LCoS芯片所需的低級伽馬表。
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