A Contrastive Study Between DLP and LCD Projectors
Abstract: The projector is one of the most important computer terminal used for images and videos display. This paper firstly introduces the different sorts of projectors, then separately analyses the functional principles of LCD and DLP projectors in details, and finally the paper gives a contrast between these two kinds of projectors in their technical performances. It can be concluded from these discussions that the digital DLP project technique has its unique advantages in many ways.
Key word: Projectors; DLP; LCD
摘要： 投影机是一种重要的计算机图形图像显示设备。本文从介绍投影机的分类入手，分别详细介绍分析了LCD和DLP两种主流投影机的工作原理，并且就这两种投影机的技术特点进行了性能对比分析。可以看出，数字化的DLP投影技术在许多方面是具有很大优势的。
关键词： 投影机； DLP； LCD

一、投影机的分类
投影机作为一种重要的计算机图形图像输出设备，在教学、演示、娱乐等方面正得到越来越广泛的应用。
根据投影机成像器件核心技术的不同，可以分为CRT（阴极射线管投影机 Crystal Ray Tube）、LCD（液晶投影机 Liquid Crystal Display）、LCOS(反射式液晶投影机 Liquid Crystal on Silicon)和DLP（数字光学处理器投影机 Digital Light Processor）四种主要类型[1]。CRT和LCD投影机采用透射式投射方式，DLP和LCOS投影机采用反射式投射方式。
目前，CRT投影机主要应用于影视娱乐方面，LCOS投影机由于还没解决产品良率的问题，只少量的应用于高端产品，本文主要针对当前市场上主流的投影技术——LCD和DLP投影机的原理进行分析并对其性能进行比较。

二、LCD投影机工作原理
LCD液晶投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物，它利用液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而影响它的光学性质，产生不同灰度层次及色彩的图像。
LCD投影机分为液晶板和液晶光阀两种。其中液晶光阀投影机采用CRT管和液晶光阀作为成像器件，是CRT投影机与液晶光阀相结合的产物，采用外光源，也叫被动式投影方式。它是目前为止亮度、分辨率最高的投影机，适用于环境光较强，观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所，但其价格高，体积大，光阀不易维修，所以液晶光阀投影机应用并不广泛。本文中主要介绍液晶板投影机，如不特殊注明，则LCD投影机均指液晶板投影机。
LCD液晶板投影机的成像器件是液晶板，也采用被动式投影方式。按内部液晶板的片数可分为单片式和三片式两种，现代液晶投影机大都采用3片式LCD板。三片式LCD投影机是用红、绿、蓝三块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。光源发射出来的白光经过镜头组后会聚到分色镜组，红色光首先被分离出来，投射到红色液晶板上，液晶板上面有以透明度表示的图像信息，经过照射就生成了图像中的红色光信息。同样的原理可以获得图像中绿色光和蓝色光的信息，三种颜色的光在棱镜中会聚，由投影镜头投射到投影幕上就可以形成一幅全彩色图像。整个过程如图1。 

 
目前市场上还有单片设计（单片LCD板，光线不用分离），这种投影机体积小，重量轻，操作、携带方便，价格也比较低廉。但其光源寿命短，色彩不很均匀，分辨率较低，最高分辨率仅为1024×768，多用于临时演示或小型会议。这种投影机虽然也实现了数字化调制信号，但液晶本身的物理特性，决定了它响应速度慢，并且随着时间的推移，性能会有所下降。

三、DLP投影机工作原理及其详解
DLP的全称是Digital Light Processing，即数字光学处理[2]。这是一种光学纯数字化反射式投影技术，是显示领域一项划时代的革命技术。下面详细介绍这种技术的原理及其特点。
DLP投影机是一种特殊光源调变方式的投影显示器，是由德州仪器公司(Texas Instruments, TI)所发展出来的新型投影系统。其最大特点是全数字反射式，不仅能使投影影像更为细致，同时能有效缩小投影机的体积与重量，达到轻、薄、短、小的目的。
目前，DLP投影机按DMD装置的数目分为单片式和三片式DLP投影系统。单片式DLP投影机的典型构造如图2所示： 
 

它由光源、彩色滤光片转盘、数字微镜装置(Digital Micromirror Device, DMD)芯片及投影镜头所构成。光源经过光罩集光后，借由透镜的聚焦，通过RGB三色滤光片转盘，入射到DMD芯片上。DMD上每个像素的内存会记录该像素的讯号数字值，并将数字讯号送给驱动电极来产生微反射镜的正负角度偏转与控制偏转时间。RGB三色滤光镜转盘速度为60Hz，利用三色的交错式技术，以及人类的视觉暂留达成全彩色效果。
从上面的叙述可以知道DLP投影机实际上是一种基于DMD（Digital Micromirror Device：数字微镜装置）技术的全数字反射式投影设备。DMD数字微镜装置是由美国德州仪器公司研究开发的一种特殊半导体元件，一个DMD芯片中含有许多细微的正方形反射镜片（简称微镜）。这些镜片中的每一片微镜都代表一个像素，因此DMD装置的微镜数目决定了一台DLP投影机的物理分辨率。每一个像素面积为16μm×16μm，镜片与镜片之间是按照行列的方式来紧密排列的。每个微镜对应着一个存储器，该存储器可以控制微镜在±10°（或±12°）两个角度上切换转动。当加上正偏压于反射镜的偏转驱动电路上，使反射镜偏转+10°（或+12°），光源的平行光束入射于反射镜上，经过适当的光路安排使得反射镜的反射光完全进入投影镜头，而将光束投影在屏幕上的某一位置，形成一个光点，即所谓的“开”状态。如果在反射镜的驱动电路上加上一个负偏压讯号，那么反射镜将偏转-10°（或-12°），入射的光束将不再进入投影镜头的接收范围内，屏幕上相对应位置即不会产生光点，这即是所谓的“关”状态。当镜面不工作时停在静止的0°（但0°并不是一个稳定状态）。
如果在相同的时间周期里让光点停留越久，那么在屏幕上的光点就会显得比较亮；相对的，如果停留的时间越短，则光点的亮度将会比较暗。在一定的时间范围中，将时间范围依2进制为切分，如此就可以达成灰阶的效果。正因为采用2进制的灰阶控制，所以应用这种技术的投影系统就被称为数字光学处理(Digital Light Processing)。存储器中的值通过脉宽调制（PWM）控制微镜打开和关闭的时间，DMD中微镜的开关时间为几微秒，这使得DMD可以获得优异的灰度等级和色彩重现。
典型的三片式DLP投影系统的构成如下：

可以看出，同单片式DLP投影系统相比，三片式的DLP 投影系统不需要三色滤光片转盘，改用三色分光镜来将原始光源的RGB 区分出来，每一色光对应一个DMD，最后再将RGB三色光混合再一起形成全彩色（见图4）。三片式的架构固然比较复杂，但是信号的处理比单片式容易，同时投影的亮度也比单片式高出三倍，并且这样还能够提高投影机的分辨率以及免去转盘的不稳定因子。
三片式DLP投影机主要应用于数字影院中，市场上的DLP投影机主要还是采用单片式。
可以看到，DLP投影机采用的是全数字式的投影技术，图像灰度等级可以达到256～1024级，色彩达256～1024种，图像噪声消失，画面质量稳定，精确的数字图像可不断再现，而且历久弥新。其次是反射优势。反射式DMD器件的应用，使成像器件的总光效率达60％以上，对比度和亮度的均匀性都非常出色。DLP投影机清晰度高、画面均匀，色彩锐利，三片机亮度可达2000ANSI流明以上，它抛弃了传统意义上的会聚，可随意变焦，调整十分便利；分辨率高，不经压缩分辨率可达1024×768(有些机型的最新产品的分辨率已经达到1280×1024)。

四、DLP（单片式）和LCD（三片式）性能比较
下面针对目前市场中占据主流地位的两种投影技术，即DLP（单片式）和LCD（三片式）的性能做简单的比较。
在投影机的主要技术指标（例如亮度，对比度等）上，DLP和LCD投影机都有非常优异的表现，并且并不存在质的差距，所以主要针对DLP和LCD投影技术的原理差异所带来的性能差异进行比较，并从中得到两种技术方向的性能对比。
4.1 图像质量（Image Quality）
4.1.1 象素质量（充满系数）
DLP的成像器件具有较大的有效区域，充满系数达到90％，而LCD的成像器件由于其原理的限制，必须安放一个光开关，所以充满系数远小于DLP。DMD上的小方镜面积为16μm平方，每个间隔1μm，给出大于90%的填充因子[3]。换言之，90%的象素/镜片面积可以有效地反射光而形成投影图像。整个阵列保持了象素尺寸及间隔的均匀性，并且不依赖于分辨率。LCD最好也只有70%的填充因子。
越高的DMD填充因子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无缝投影图像。而LCD的图像会出现条纹效果，特别是在低分辨率时这种效果比较明显。
4.1.2 对比度
DLP投影机具有比较简单的光学系统，所以可以比较容易的实现对光的调整控制。同时由于DLP投影机采用反射式纯数字的光学控制系统，所以可以实现更为丰富的灰度等级，也就可以得到更为纯正的黑白效果。
而LCD投影机的光学系统相对比较复杂，所以对光的调整控制难以精准。同时由于LCD投影机采用透射式模拟的光学控制系统，所以能够实现的灰度等级不够丰富，其黑白效果显得不够纯正。
4.1.3 锐度
DLP投影机采用单片式的光学系统，三种单色光通过同一个光路投射，所以三种单色光不存在汇聚偏差的问题，所以DLP投影机的每一个象素都有着非常锐利的边缘，使得DLP投影机的锐度比较高。
而LCD投影机采用三片式的光学系统，三种单色光通过三个不同的光路投射，所以三种单色光存在汇聚偏差的问题，所以LCD投影机的象素边缘存在色彩的分离，使得LCD投影机的锐度不理想。
4.1.4 视频质量
DLP投影机中的DMD微镜开关速度非常高（开关一次时间为微秒量级），而LCD投影机中液晶光开关的速度要远低于DMD微镜（开关一次时间为十毫秒量级）。虽然LCD对光的透射采用模拟控制从而使得光开关速度无需达到DLP的水平，但是折算灰度和透光数目之后（以3种颜色光和每种光256个灰度等级计算），LCD的光控制速度仍然远低于DLP。这使得DLP在投射动态图像（特别是全动态高速图像）时可以达到比LCD更高的图像质量。
4.1.5 色彩质量
由于DLP和LCD投影机中采用同样的方法实现色彩重现，所以在色彩的质量上，DLP和LCD可以达到同样的色彩表达效果。即DLP可以表达的色彩LCD都可以表达，反之LCD可以表达的色彩DLP也都可以表达。
4.2 亮度和体积
DLP投影中采用单片式的光学系统，而LCD投影机中采用三片式的光学系统，所以DLP光学系统的体积比LCD要小得多。使得DLP投影机整机体积可以做到非常小，有利于便携式投影机的制造。
但是由于DLP投影机中光源灯发出的光先要经过色轮滤光，这实际上降低了整个光学系统对于光源的利用率，同时增加了系统发热量。对于同样功率的光源，DLP所能达到的投影亮度要小于LCD。
为了解决这一问题，在DLP的色轮中通常会有部分白色段，这会增加DLP对于光源的利用率，增加画面的亮度，但是这一措施会在一定程度上降低DLP的对比度。目前，TI（德州仪器）已经研制了连续色彩重现技术SCR（Sequence Color Recapture），同时由于DLP采用反射式投影技术，即在色轮之后的光学系统中对光的利用率要远高于LCD系统，所以在对光源的整体利用效率方面已经可以和LCD媲美。
4.3性能稳定性（Repeatable Performance）
此处性能稳定性指对于同样的输入图像信号，投影图像效果的一致性。
DLP中采用数字投影的技术来控制各种颜色的灰度，所以对于同样的输入信号可以得到同样的稳定的投影图像。而在LCD中采用模拟投影技术来控制各种颜色的灰度，随着LCD使用时间以及使用环境中温度、湿度等因素的变化，LCD投影的投影图像效果会出现变化，很难有稳定一致的投影效果[4]。
4.4 稳定性（Reliability）
DLP投影系统中的DMD微镜采用反射式投影技术，所以光并不进入DMD器件内部，所以不会由于吸收光而产生热量；同时一些热辐射也被微镜发射，这就保护了DMD器件不受到热的影响。DMD器件的正常使用寿命可以达到100,000小时。
而LCD投影系统中的光开关器件采用透射式的投影技术，所以光线将进入器件内部，即器件会吸收部分光而产生热量。长期使用后这种热量会使LCD光开关器件的性能降低，从而使得LCD的色彩空间出现扭曲，甚至烧毁部分区域。所以LCD光开关器件的使用寿命要低于DLP，而且对高能量射线（紫外线）比较敏感。

五、总结
    通过上面的分析可以知道，DLP投影技术是一项划时代的全数字式投影技术，同其他传统投影方式比起来有着它独到的巨大优势，因此最近几年得到了长足的发展。并且有理由可以相信，随着DLP技术的不断成熟和生产成本的降低，它必将会拥有更加广阔的前景。
参  考  文  献
[1] 李冰,谢百治. 关于多媒体投影机的性能比较与选型. 中国医学教育技术; 1998.12; 249-251
[2] 翟宏洲. DLP投影机的显像原理. 影视技术; 2000.5; 8-10
[3] 甘勇,马庆华. DLP投影机的特点及选用. 今日电子; 2001.10; 39
[4] 佚名. DLP投影机的可靠性测试与市场前景. 影视技术; 2003.9; 60-61

作者简介：
胡坚（1980.5），男，汉族，湖南长沙人，硕士研究生，主要研究方向：软件工程；
通信地址：清华大学软件学院，北京，100084
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