- 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(dāng)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(yīng)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(yù)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(shè)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(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(shè)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(shè)計的48吋1080基準(zhǔn)顯示器樣機，其價格定位面向高端專業(yè)市場，設(shè)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(yīng)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(jì)錄)，下一個應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)雜一些的光學(xué)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)時間是業(yè)界一個標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)時間指標(biāo)，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(yīng)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(yīng)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(shè)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?zé)粽{(diào)光器用電子脈沖控制模擬鎢燈。)表1和表2中的設(shè)備控制技術(shù)列出了每種機型應(yīng)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(xué)與電學(xué)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(xué)部件的投影燈引擎。它首先準(zhǔn)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(xué)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(yīng)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(xué)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(dāng)昂貴。另外還有兩種非常重要的光學(xué)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(xué)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(zé)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(fù)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(wù)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。
