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DLP技术简介

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DLP、PDP、LCD、LED视频监视设备   三、DLP、PDP、LCD、LED视频监视设备   监控操作终端室对集申监视的需求促进了大屏幕显示器在机房的应用。以前的CRT己无法满足要求,而各种新型的显示方式已比较成熟,在机房中得到了越来越多的应用。常见的显示形式有DLP、PDP、LCD、LED。   (一)DLP   DLP是一种投影技术,是digital light procession的缩写,意思为数字光处理,这种技术要先将影像信号经过数字处理,然后再用光投影出来。它是基于美国德克萨斯州仪器公司开发的数字微反射镜器件DMD来显示数字可视信息的,而DMD则是digtal micromurror device的缩写,表示数字微镜元件。DLP技术主要应用于投影领域。在机房内则通过多块DLP背投影组成拼接大屏,常用于电力、公安、交通、电信等行业中需要全景式监控的场合。   DLP投影系统的组成:一个光源、一个颜色滤波系统、一个冷却系统及投影光学元件(DMD)。   l.DLP投影系统的工作过程   正如中央处理单元(CPU)是计算机的核心一样,DMP是DLP的基础。一个DMD是由成千上万个微小的方形(l6m×16m)镜片组成的一个半导体光反射开关,每个微镜片仅相当于头发丝的1/5大小。镜片和建造在静态随机存取内存(SRAM)上的铰链结构组成DMD。每一个镜片下有一个铰链,铰链结构允许镜片在两个状态之间倾斜,+l0°为"开",-10°为"关"(最新的DMD镜片的打开角度可做到12°),从而可以控制光线是否反射到镜头,每个微镜片通断一个像素的光。当镜片不工作时,它们处于0°的"停泊"状态。根据应用的需要,一个DLP系统可以接收数字或模拟信号,模拟信号先转换为数字信号。视频信号通过处理被转换成一个全图形帧视频信号。信号通过DLP视频处理变成的红、绿、兰(RGB)数据,然后系统将RGB数据格式化为全部二进制的平面数据。一旦视频或图形信号是在一种数字格式下,就被送入DMD。信息的每一个像素按照1:1的比例被直接映射在它自己的镜片上,系统提供精确的数字控制,如果信号是640×480像素,器件中央的640×480镜片就动作。这一区域外的其他镜片将简单地的被置于"关"的位置。   通过对每一个镜片下的存储单元以二进制平面信号进行电子化寻址,DN皿阵列上的每个镜片被以静电方式倾斜为开或关态。决定每个镜片倾斜在哪个方向上为多长时间的技术被称为脉冲宽度调制(PWM)。镜片可以在一秒内开关1000多次,可控制的开关速度控制了每个像素反射光的多少,从而控制图像的灰度,因此DLP的光学系统是比较简单的。通过聚光透镜以及颜色滤波系统后,来自投影灯的光线被直接照射在DMD上。当镜片在开的位置上时,投影透镜将光反射到屏幕上形成一个数字的方型像素投影图像   2.DLP系统的种类   DLP为了满足不同的市场需要,提供了三种DLP系统:单片、双片和三片系统。单片DLP系统可提供诱人的性能价格比;三片DLP系统可提供最高亮度的性能,能显示高达几千流明的亮度;双片DLP系统依靠单片的颜色滤波系统和三片的分光透镜概念可提供DLP的另外一种性能水平。   (1)单片DLP系统。在一个单片DN皿投影系统中,用一个色轮来产生全彩色投影图像。色轮由几种颜色组成,基本的是3色色轮,由一个红、绿、蓝滤波系统组成,它以60Hz的频率转动,每秒可提供180色场。当色轮转动时,在任一给定的时间内有2/3的光线被阻挡。当白光射到红色滤光片时,红光透过而蓝光和绿光被吸收。同样的道理,蓝色滤光片通过蓝光而吸收红、绿光;绿色滤光片通过绿色而吸收红、蓝光。   在这种结构中,DLP工作在顺序颜色模式。输入信号被转化为RGB数据,数据按顺序写人DMD的SRAM。白光光源通过聚焦透镜聚焦在色轮上,通过色轮的光线然后成像在DMD的表面。当色轮旋转时,红、绿、蓝光顺序地射在DMD上。色轮和视频图像是顺序进行的,所以当红光射到DMD上时,镜片按照红色信息应该显示的位置和强度倾斜到"开",绿色和蓝色光及视频信号也是如此工作。人体视觉系统集中红、绿、蓝信息并看到一个全彩色图像。通过投影透镜,在DN山表面形成的小图像可以被投影到一个大屏幕上。   (2)三片DLP系统。另外一种添加颜色的方法是将白光通过棱镜系统分成三原色。这种方法需要使用三个DMD,一个DMD对应于一种原色。应用三片DLP投影系统的主要原因是为了增加亮度。通过三片DMD,来自每一原色的光可直接连续地投射到它自己的DMD上。使更多的光线到达屏幕,给出一个更亮的投影图像。因为光线在整个电视场直接投到每个DND上,便每种颜色达到lObit灰度等级成为可能。这种高效的三片投影系统将被用在大屏幕和高亮度应用领域。   (3)双片DLP系统。德克萨斯州仪器公司还开发了一种独特的双DMD结构,为某些投影显示应用提供了理想的工具。这一系统利用了一般金属卤化物投影灯光谱平衡输出的优点。   应用来自单片DLP系统的顺序色轮的方法以及来自三片DLP系统的双色分光棱镜的概念,双片DLP系统利用了金属卤化物灯红光缺乏的优点。这一系统中的色轮不用红、绿、蓝滤光片,取而代之的是两个辅助颜色:品红和黄色。色轮的品红片段允许红光和蓝光通过,同时黄色片段可通过红色和绿色。结果是红光一直通过滤色系统,红光在所有时间内都通过,蓝色和绿色在品红一黄色色轮交替旋转中每种光实质上占用一半时间。   单片DLP系统中,红光只能通过1/3的时间,与此相比,双片系统红光输出是原来的大约三倍。并且因为色轮现在只由两个而不是三个滤光片组成,在一给定的视频画面中蓝光和绿光输出增加了大约50%。尽管一般金属卤化物灯红光缺乏,三倍的红光输出以及蓝光和绿光输出50%的增大,使双片DLP系统有能力产生优秀逼真的颜色。由于更多的光在更长的时间内被收集,光学效率也提高了。双片DLP系统的结构能够使每瓦输入得到大于3lm的光谱平衡光输出。   3.DLP的技术优势   DLP是由数字电路驱动的光学系统。数字电路及光学元件汇聚于DMD,用一个视频或图形输入信号,DLP可创造出数字投影图像。DLP有三个关键的优势超过现在的投影技术:DLP的数字本质能实现数字灰度等级和颜色再现,并且把DLP置于数字视频底层结构的最后一环;它以反射DMD为基础,所以DLP比与其竞争的透过式LCD技术更有效;DLP有产生无缝、胶片式图像的能力,使图像更为好看。      (l)DLP的数字优势。DLP固有的数字性质能使噪声消失,获得具有数字灰度等级的精细的图像质量以及颜色再生。它的数字性质也把Dl,P置于数字视频底层结构的最后环节。DLP比透射式液晶显示(LCD)技术更有效,信号每次由数字转换为模拟(D/A)或从模拟转换为数宇(A/D),信号燥声都会进入数据通道。转换越少噪声越低,并且当A/D、D/A转换器减少时成本随之降低。DLP提供了一个可以达到的显示数字信号的投影方法,这样就完成了全数字底层结构。   DLP的另一个数字优势是它的精确的灰度等级与颜色水平的再生,并且因为每个视频或图像帧是由数字产生,每种颜色8位到10位的灰度等级,精确的数字图像可以一次又一次地重新再现。   (2)DLP的反射优势。DLP以反射式DMD为基础,不需要偏振光。因为DMD是一种反射器件,有超过60%的光效率,使得DLP系统比LCD投影显示更有效率。这一效率是反射率、填充因数、衍射效率和实际镜片"开"时间产生的结果。LCD依赖于偏振,如果其中一个偏振光没有用,这就意味着50刀的灯光甚至从来不进人LCD,因为这些光被偏振片滤掉了。剩下的光被LCD单元中的晶体管、门、以及信号源的线所阻挡。除了这些光损失外,液晶材料本身吸收了一部分光,结果是只有一少部分入射光透过LCD面板照到屏幕上。   (3)DLP的无缝图像优势。DLP封闭间隔的微反射镜使视频图像投影成具有更高可见分辨率的无缝隙图像。DMD上的小方镜面积为256m2,每个间隔lm,给出大于90%的填充因数。换言之,90%的镜片面积可以有效地反射光而形成投影图像。整个阵列保持了像素尺寸及间隔的均匀性,并且不依赖于分辨率。而LCD最好也只有70%的填充因数。越高的DMD填充因数给出越高的可见分辨率,这样加上逐行扫描,创造出比普通投影机更加真实自然的生动的投影图像。   DLP系统成功地完成了一系列规定的、环境的及操作的测试。它选择可靠的标准元件来组成用于驱动DMD的数字电路。对于照明和投影透镜,无明显的可靠性降低的现象。绝大部分可靠性测试集中在DND上,因为它依赖于移动绞链结构。为测试绞链失灵,大约100个不同的DMD被用于模拟一年的操作。一些DMD已经通过超过lG次循环的测试,相当于20年的操作。在这些测试以后检查这些器件,发现在任何器件上均无绞链折断现象。DND已通过所有标准半导体合格测试。它还通过了模拟DND实际操作环境条件的障碍测试,包括热冲击、温度循环、耐潮湿、机械冲击,振动及加速实验。基于数千小时的寿命及环境测试,DND和DLP系统表现出内在的可靠性。简而言之,DLP是由数字电路驱动的光学系统。用一个视频或图形输入信号,DLP创造出具有史无前例图像质量的数字投影图像。   (二)LCD   液晶显示器(LCD)英文全称为liquidcrystaldisplay,是一种采用液晶材料控制透光度的技术来实现色彩的显示器。   液晶显示器在机房内取得了广泛的应用。新的电脑显示器基本上都采用液晶显示器。而且液晶显示器可以做到40in以上的大尺寸,分辨率也是目前常用的几种显示模式中最高的。液晶显示技术还可以实现投影显示。   1.液晶显示器简介   液晶显示器以液晶材料为基本组件。由于液晶介于固态和液态之间,不但具有固态晶体光学特性,又具有液态流动特性,所以可以说是一个中间态。液晶所产生的光电效应,依赖于液晶的物理特性,包括它的黏性(visco-sity)、弹性(elasticity)和其极化性(poIarizaMity)。   光线射入液晶物质申,必然会按照液晶分子的排列方式行进,产生了自然的偏转现象。至于液晶分子中的电子结构,都具备着很强的电子共扼运动能力,所以当液晶分子受到外加电场的作用,便很容易被极化产生感应偶极性(induceddipoIar),这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。而一般电子产品中所用的液晶显示器,就是利用液晶的光电效应,藉由外部的电压控制,再透过液晶分子的折射特性,以及对光线的旋转能力来获得亮暗变化(或者称为可视光学的对比),进而达到显像的目的。   2.液晶显示器的种类   液晶显示器属于平面显示器的一种,依驱动方式可分为静态驱动(static)、单纯矩阵驱动(simplematrix)以及主动矩阵驱动(activematrix)三种。其中,被动矩阵型(单纯矩阵型)又可分为扭转式向列型(twistednematic,TN)、超扭转式向列型(supertwistednematic,STN)及其他被动矩阵驱动液晶显示器;而主动矩阵型大致可区分为薄膜式晶体管型(thinfilmtransistor,TFT)及二端子二极管型(metalinsuIatormetal,MIM)两种方式。   TN、STN及TFT型液晶显示器因其利用液晶分子扭转原理之不同,在视角、彩色、对比及动画显示品质上有高低层次之差别,故其应用范围亦有明显区别。以目前液晶显示技术所应用的范围以及层次而言,主动式矩阵驱动技术是以薄膜式晶体管型(TFT)为主流,多应用于笔记型计算机及动画、影像处理产品。而单纯矩阵驱动技术目前则以扭转向列(TN)以及超扭转向列(STN)为主,目前的应用多以文书处理以及消费性产品为主。在这之中,TFT液晶显示器所需的资金投入以及技术需求较高,而TN及STN所需的技术及资金需求则相对较低。   3.液晶显示器的工作原理   目前液晶显示技术大多以TN、STN、TFT三种技术为主,它们的原理如下。   TN型的液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的,而之后其他种类的液晶显示器都是以TN型为原点来加以改良。同样的,它的运作原理也较其他技术来的简单。其显像原理是将液晶材料置于两片贴附偏光板的透明导电玻璃间,液晶分子会按照配向膜的细沟槽方向依序旋转排列,如果电场末形成,光线会顺利的从偏光板射入,依液晶分子旋转的行进方向,然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后,两片玻璃间会造成电场,进而影响其间液晶分子的排列,使其分子棒进行扭转,光线便无法穿透,进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象,叫做扭转式向列场效应,简称TNFE(twistednematicfieldeffect)。在电子产品中所用的液晶显示器,几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成。   STN型的显示原理与其类似,不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将人射光旋转90°,而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180°~270°。要注意的是,单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形(或称黑白),并没有办法做到色彩的变化。而STN液晶显示器因液晶材料的关系,以及光线的干涉现象,显示的色调都以淡绿色与桶色为主。但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片(colorfilter),并将单色显示矩阵之任一像素(pixrl)分成三个子像素(sub-pixel),分别透过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色,再经由三原色比例之调和,也可以显示出全彩模式的色彩。另外,TN型的液晶显示器如果显示屏幕做的越大,其屏幕对比度就会显得较差,不过经STN的改良技术,可以弥补对比度不足的情况。   TFT型的液晶显示器较为复杂,主要的构成包括荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。首先液晶显示器必须先利用背光源,也就是荧光灯管投射出光源,这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶,这时液晶分子的   排列方式可以改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩,并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。   LCD既可以直接显示,也可以作为投影拼接大屏显示。一般不使用LCD投影机作为拼墙系统的显示设备,因为LCD投影机存在着几个致命缺陷:对比度低、光栅效应明显、单台投影机的颜色一致性差、长时间使用后色彩衰变快等。这些缺陷使得LCD投影技术无法占据背投拼接显示领域的主流位置。但在机房内的单屏直接显示应用中,LCD占据绝对的优势,厚度薄,可以直接挂墙,与PDP相比,分辨率高,功耗低,而且随着技术的发展,原先的大尺寸技术难题已经逐渐被攻克,成本降低、价格下降很快。40几英寸的产品已经很多了。   (三)PDP   等离子显示器于1964年由美国的伊利诺斯大学的两位教授发明,直到20世纪90年代才突破彩色化、亮度和寿命等关键技术,进入彩色实用化阶段。   1.PDP简介   PDP(plasmadisplaypanel)即等离子体显示技术,是继CRT(阴极射线管)、LCD(液晶显示器)后的最新一代显示器。等离子体(plasma)是指正负电荷共存,处于电中性的放电气体的状态。PDP属于自发光型显示器。PDP由6大关键部件即等离子显示屏体(panel)、驱动电路、屏蔽玻璃(EMIfter)、电源(PSU)、接口电路(VSC)和外壳(cover)组成。   2.PDP工作原理   等离子显示屏是一种利用气体放电激发荧光粉发光的显示装置,其工作机理类似普通日光灯,由相距几百微米的两块玻璃板,中间排列大量的等离子管密封组成的。每个等离子管是在两层间隔为100~200m的玻璃衬板之间隔成的小室,可以把它当成是体积相当小巧的紫外光日光灯,每个小室内都充有氦(He)、氖(Ne)、氖(Xe)等种类的惰性混合气体。在等离子管电极间加上高压后,封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生辉光放电,使其发出肉眼看不见的紫外光,这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体,它们再发出在显示器上所看到的可见光。每个等离子腔体作为一个像素。由这些像素的明暗和颜色变化,合成各种灰度和色彩的电视图像。   与LCD、DLP不同,这两者的图像芯片均需要借助额外的光源实现显示,对于投影系统还需要经过光学通路放大后显示。而PDP则是每个像素自发光,不需要额外的光学系统。厚度比投影系统比要薄很多,节约空间,可以做成壁挂系统。另外,它不需要额外的光源,因此不存在光源寿命短,需经常更换的问题。   从工作原理上讲,等离子体技术同其他显示方式相比存在明显的差别,在结构和组成方面领先一步。其工作原理类似普通日光灯。电视彩色图像由各个独立的荧光粉像素发光组合而成,因此图像鲜艳、明亮、干净而清晰。另外,等离子体显示设备最突出的特点是可做到超薄,可轻易做到40in以上的大屏幕,而厚度不到100mm(实际上这也是它的一个弱点:即不能做得较小。目前成品最小只有42in,只能面向大屏幕需求的用户)。依据电流工作方式的不同,等离子体显示器可以分为直流型(DC)和交流型(AC)两种,而目前研究的多以交流型为主,并可依照电极的安排区分为二电极放电和三电极放电两种结构。   等离子体显示器具有体积小、重量轻、无X射线辐射的特点,由于各个发光单元的结构完全相同,因此不会出现CRT显像管常见的图像几何畸变。等离子体显示器屏幕亮度非   常均匀,没有亮区和暗区,不像显像管的亮度−屏幕中心比四周亮度要高一些,而且等离   子体显示器不会受磁场的影响,具有更好的环境适应能力。   等离子体显示器屏幕不存在光学系统,不存在聚焦的问题,因此完全消除了CRT散焦的毛病,不会产生CRT显像管的色彩漂移现象,而表面平直也使大屏幕边角处的失真和色纯度变化得到彻底改善。同时,其高亮度、大视角、全彩色和高对比度,意味着等离子体显示器图像更加清晰,色彩更加鲜艳,感受更加舒适,效果更加理想。   3.PDP与其他显示器的比较及应用   与LCD液晶显示器相比,等离子体显示器有亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对快速变化的画面响应速度快等优点。由于屏幕亮度很高,因此可以在明亮的环境下使用。另外,等离子体显示器视野开阔,视角宽广(高达160°),能提供格外亮丽、均匀平滑的画面和前所未有的更大观赏角度。当然,由于等离子体显示器的结构特殊也带来一些弱点。比如由于等离子体显示是平面设计,其显示屏上的玻璃极薄,所以它的表面不能承受太大或太小的大气压力,更不能承受意外的重压。等离子体显示器的每一个像素都是独立地自行发光,相比显示器使用的电子枪而言,耗电量大增,也比同尺寸的LCD显示器高。42in等离子体显示器的耗电量超过300W。由于发热量大,所以等离子体显示器背板上装有多组风扇用于散热。   PDP优点在于:   (1)纯平面显示、厚度薄、体积小、重量轻。   (2)屏幕亮度均匀,不会因地磁影响出现色彩漂移、几何失真和噪声现象。   (3)色彩还原性好,灰度可超过256级,相应速度快、宽视角(可达到160°)。   (4)具有记忆特性,高亮度、高解析度、高对比度、大屏幕。   (5)多种音效、画效,可变色温,低环境光反射,无X射线辐射。   (6)维护简单,没有灯泡。   PDP缺点在于:   (1)承压能力差。   (2)功耗大、光效低。   (3)像素边粗框,屏幕颗粒感明显。   (4)成本高、价格昂贵。   (5)做拼接大屏时,接缝偏大,目前最窄为3mm。   PDP在机房内的应用也是以单屏显示为主,但与LCD不同,它只用于大屏幕显示(40in以上),其分辨率低的缺点限制了应用范围。同为40in的屏幕,LCD很容易达到1960×1470的分辨率,而PDP目前是1024×768的分辨率,在分辨率上,PDP难以抗衡LCD。   (四)LED   LED显示屏是20世纪80年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体,它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成显示屏幕,以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点,在短短的十来年中,迅速成长为平板显示的主流产品,在信息显示领域得到了广泛的应用。   l.LED原理及其控制技术   (l)LED是light-emittingdiode的缩写。在半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。当给PN结加反向电压时,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。通常将多个LED发光管排列组合成一定尺寸的方形模块,再将多个模块根据需要组合成大面积的显示屏。   LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关,目前有红、绿、蓝三种基本颜色。   只有红色组成的显示屏叫单红色显示屏;把红色和绿色的LED放在一起作为一个像素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏;把红、绿、蓝三种LED管放在一起作为一个像素的显示屏叫三色屏或全彩屏。   显示屏屏体矩阵部分由许多的发光二极管组成。首先将发光管集成像素,像素再集成模块,模块再组装成大屏。发光管采用无色透明的大椭圆形硅胶封装,管内安装曲面反光碗,使亮度和对比度大大提高,色彩更加艳丽。   无论用LED制作双色或三色屏,欲显示图像,需要构成像素的每个LED的发光亮度都必须能调节,其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。灰度等级越高,显示的图像就越细腻,色彩也越丰富,相应的显示控制系统也越复杂。一般256级灰度的图像,颜色过渡已十分柔和,所以多色及全彩LED屏当前都要求做成256级灰度,如多色屏则可显示65536种颜色,全色屏则可显示16.8兆种颜色。单色屏不存在灰度问题。   (2)LED电子显示屏的分类、运用范围及区别在于:   1)显示屏按使用环境区分,可分为室内屏和室外屏两种,两者最大的区别在于室外屏要考虑室外各种情况可能给屏造成的影响。基于室外屏工作环境相对复杂,为保证其长时间稳定运行,常见的防护措施有防水、防静电、防雷击、防风、防潮、防冻。   2)显示屏按控制方式区分,可分为同步屏和异步屏。所谓同步屏是指计算机屏幕显示的内容同时逐点的显示在大屏上,是一种即时状态;而异步屏的实效性不及同步屏,用户可先编辑好图片、文字等内容,再发送到显示屏上显示出来。一般同步屏适用于播放视频信息,如视频监控等,而异步屏则适宜显示文字及图片、三维动画等。   (3)LED电子显示屏控制亮度的方法有两种:   1)改变流过LED的电流。一般LED管允许连续工作电流在20mA左右,除了红色LED有饱和现象外,其他LED亮度基本上与流过的电流成比例。   2)利用人眼的视觉惰性,用脉宽调制方法来实现灰度控制,也就是周期性改变光脉冲宽度(即占空比),只要这个重复点亮的周期足够短(即刷新频率足够高),人眼是感觉不到发光像素在抖动的。由于脉宽调制更适合于数字控制,所以在普遍由微机来提供LED显示内容的今天,几乎所有的LED屏都是采用脉宽调制来控制灰度等级的。   2.LED在机房的主要应用   LED由于像素点大,比较适合组成大尺寸屏幕,远距离观看能得到好的效果。在机房环境中,因室内空间偏小,因此主要的应用以条状显示屏为主,功能上用以实现文字显示、信息发布等,一般不用于视频和计算机桌面的显示。

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