高清晰度电视的显示方式

由于大屏幕显示的日趋需要，近年来各种投影机大显身手。本站曾登载多篇文章介绍近年出现的各类投影机，如 ：液晶（LCD）、直驱光像放大式液晶（D-ILA）也称硅基液晶（LCOS）、数字光处理器（DLP）等投影机。科技的进步是无止境的，在2002年10月的日本消费电子产品展览会（CEATEC）上，索尼公司首次公开了用于高清晰度电视播放的新型显示器——GLV激光投影显示系统，它以其优质的图像及高纯度的鲜艳色彩，震撼了广大观众，成为令人瞩目的新一代显示系统。本文对此新显示系统的原理和优缺点作些简介。一、GLV显示系统的结构和原理GLV，是 Grating Light Valve的缩写，即“栅状光阀”成像系统，是一种全新的高精度光电调制器。该技术由美国多家公司及日本索尼公司相继研究了十多年，目前已成功地应用于高清晰度电视显示上。该技术最先是由美国斯坦福大学的戴维·布鲁姆教授和其学生发明，并获得专利。于1994年交由美国CLM（Cilicon Light Machines）即硅光机公司开发，1998年由于财务困境曾公开展示寻求合作，2000年由日本索尼公司与其签约获得技术转让继续研制，最终取得成功。 题头图为其展览会上的盛况。GLV栅状光阀与DMD微镜器件，都是依靠静电驱动微型机械部件，对入射光的强度和反射方向进行控制的器件，它们同属于“微机电系统”（Micro ElectroMechanical System）简称MEMS。不同的是，微镜器件是由微小的镜子阵列组成一个面阵，而GLV是一个线阵式硅芯片器件，只能产生一条竖直的线阵式像素，要变成一个平面图像还要依靠光学的扫描方法。GLV器件的结构如图1上部，它是长条形的，其表面由一排微小的、并排排列的细条状氮化硅金属陶瓷晶片组成条栅状结构，其细部结构如图1下部的放大图。这些并排排列的氮化硅金属陶瓷晶片，每6条组成一组三基色像素，每一个基色使用两条，分别用于红、蓝、绿三基色像素的显示，每两条镜片代表一种基色的像素，其中一条用于显示，一条接地用于隔离基色之间的影响。每个长条形金属陶瓷片的表面镀铝，因而像镜子一样光滑，可以反射入射的激光。由于每一个金属栅条非常薄，当镜片与底部晶片之间加上电场时，在外加电场的作用下，金属栅条发生弯曲，使激光发生衍射而使反射角改变，当所加电压强度不同时，激光的反射强度也会不同，就可以像DLP微镜器件一样，使得投射到屏幕上的光产生明暗不同的像素显示。当激光束依次照射到这样一长排并排排列的金属晶片条栅组上，与此同时又在每一条镜片与底部晶片间加上受视频电视信号调制的电压时，就可以使反射光的明暗按照电视图像的规律产生变化，如果再利用旋转棱镜，使反射光产生横向扫描，这样，一组像素就可在投射屏幕上产生一行电视图像，而一条器件则可产生一幅电视图像，其情况如图2所示。上述方法产生电视图像中垂直像素的多少，由GLV线阵器件的像素数目决定， 索尼公司开发的GLV是1080个像素排成竖列的一维画面器件。将此经由1080组GLV光栅反射的激光带，再用光学棱镜水平旋转投射到屏幕上，就可以形成一幅1920×1080的高清晰度电视图像。水平像素的多少，由光栅所加电视信号的行像素决定。GLV每个晶片长度为20微米，宽度为5微米。镜片能够高速运动，每秒可实现50000次弯曲和弹回。其速度比DLP微镜器件还快，因而可以实现高清晰度电视图像扫描显示。GLV光栅调制器其结构比较简单，采用不同的投射光路，既可以组成与等离子电视厚度相差不大的背投电视，也可以做成正投影装置，其情况见本文题头图。二、GLV显示系统的优势和不足1. GLV的最大特点是具有较大的色彩表现范围。GLV器件与DLP的微镜器件相比，它的光源不是投影灯泡，而是波长极为单一的激光，因而它所产生的投影图像其三基色的色纯度很高，图像色彩非常鲜艳，这是任何其他光源所达不到的。在色度学的理论中，通常使用色度图来分析彩色的表现能力，即使用色度三角形的方法来直观地衡量显示系统的色彩表现。图3是GLV显示系统和CRT显示器的色度三角形情况。由图可见 ：由于GLV器件所用激光器的色纯度很高，三角形三个顶点距离中心较远，因而色度三角形的面积较大 ；而图右边的色度三角形面积，则由于显示管的荧光粉所发出的单基色色光的色纯度不够高，因而其面积小了许多。不仅面积约为一半，而且顶点距离也小，色彩不够鲜艳。我们知道，显示管的色彩表现已经超过了自然界的色彩范围很多，其图像已很艳丽了，而GLV器件的色度三角形面积比显像管还大一倍多，其显示的图像能在展览会上引起极大的轰动，就完全可以理解了。2. GLV显示图像具有较高的对比度。索尼公司表示，由于GLV显示使用了折射方式，与使用透过光和反射光的液晶显示器和微镜器件方式相比，由于光效更高，图像的亮度也高，明暗之间的亮度相差也大，“更容易提高显示的对比度”。另外，由于使用激光显示，环境光的干扰较小，特别是室内的低饱和度色光，不会对激光显示的高饱和度色光产生强度上的影响，因而对比度和色度都可以达到很高的指标。对于液晶显示器对比度仅为数百，等离子显示器和微镜器件可以高一些，能够到2000 : 1或更高些。但是由于它们的投射光源灯具性能所限，很难达到3000 : 1。而 GLV栅状光阀显示系统则可依靠激光光源，轻易达到3000 : 1的对比度。使得图像明亮而层次丰富。3. GLV器件的结构比微镜器件简单，成品率会高些。微镜器件的显示效果，无论是对比度还是亮度以及光效，都是很不错的了。因而DLP投影机可以说是目前性能顶级的投影机。但是，微镜器件的工艺复杂、光刻工艺程序繁多，一个环节失误，整批器件即告报废 ；一个器件有上百万个微镜单元，一粒灰尘即可遮挡一片微镜单元，使这只器件报废。因而微镜器件成品率很低，致使价格下降较慢。目前，市面还很难找到2万元以下的DLP投影机，让影视发烧友很失望。而GLV栅状光阀器件，结构虽然也很精巧复杂，但是与微镜器件相比，毕竟只有一条线阵，像素单元再多，就目前高清晰度电视的最高标准也不过1080而已，这比起DMD微镜器件来说，单元总量仅为其千分之一，成品率应该高出上千倍，其降价速度应当更快些。4. GLV显示系统内使用了激光光源和机械旋转装置，结构较为复杂。与DLP、LCD等显示设备不同的是，其内部不是全电子方式。电子方式只限于一条垂直方向的GLV器件，要变成一幅图像，还得要依靠机械方式的旋转棱镜，才能把一条垂直线展开成为矩形图像。这虽然不是成本主流，但是也增加了成本，并且降低了整机的可靠性。而且，其光源不像液晶和微镜器件投影机是使用普通的灯泡，而是复杂而昂贵的激光器，这又增加了成本。另外，也难于将显示系统做得很薄。索尼公司近日宣布，争取在2年内将面向专业市场和高画质的家庭影院市场而努力，使激光光源的光学引擎达到实际应用水平，使GLV显示系统实用化和市场化。希望GLV显示系统能及早普及，让消费者多个选择。三、“柳暗花明又一村”，GLV器件已在印刷设备、通讯行业迅速推广GLV栅状光阀器件结构精巧复杂，使用了激光光源和机械旋转装置，这些导致高成本的弱点，妨碍了在消费类产品中普及。但是，它的精密显示和线阵排列的特点，运用到印刷机械上，则是非常优秀的。而且对于印刷设备成本完全不是问题，因而立刻在印刷行业普及。2003年2月10日，世界著名的照相和印刷设备公司——爱克发公司，在比利时宣布，在最畅销的Xcalibur 45全尺寸的热感应电脑直接制版机中，使用GLV可变光栅技术，并已正式开始供货。该公司宣称“GLV可变光栅原本是大尺寸高画质投影电视（HDTV）所使用的技术，爱克发是第一家将此技术应用于印前和印刷市场的公司，GLV是专利的高画质电脑直接制版系统（HD-CTP）技术能突破的重要因素，它可以将单一镭射光束利用可变光栅的技术分解成240条以上的镭射光来进行连续的曝光成点。精准且稳定的成像系统，能产生超乎预期的影像品质和精确的画面”。2002年9月，卡络实业有限公司决定采购Agfa Xcalibur 45热感电脑直接制版系统。“爱克发新一代的热感电脑直接制版机，它是高速直接制版系统，采用原使用于高画质投影电视（HDTV）市场的先进的GLV可变光栅技术，爱克发是第一家将该技术利用于印前和印刷市场的公司。GLV可变光栅技术可产生独特的智慧型网点结构，印刷再现力佳。优异的结构设计，使占地面积大幅缩小，让空间利用更有效率”。“台湾地区爱克发吉华公司最近展示各种最新的印前设备，包括新一代热感直接制版机 Xcalibur 45等。Xcalibur 45使用GLV技术。爱克发率先将此技术用于印前设备。客户可选购自动送版卡匣及连线冲版机，使之升级为全自动机。不论是手动还是自动，每小时都可生产20张印版。”不仅在印刷行业，由于GLV可以灵活地快速控制激光束的位置和强度，可以做成多路激光转换开关，故也迅速应用到光通讯设备上 ：2002年10月11日,赛普拉斯半导体公司的子公司（SLM）宣布推出具有动态波长管理功能的可重配置成组滤波器（RBF），适用于密集波分复用（DWDM）的光网络。可提供完全的灵活性，可控制多达80个以上间隔为50GHz的通道。产品“采用专利光栅阀（GLV）技术—— 一种衍射光学微机电系统，它由硅片表面的一系列带状电缆构成，GLV器件具有可量测性和可重配置性，适用于动态波长管理设备，使光网络基础设施的功能达到最大化。已在其动态增益均衡器（DGE）2200中应用GLV结构，客户可以利用相同的易用接口，在DGE中实现功率管理功能，在RBF中实现开关管理功能”。看来，GLV栅状光阀器件的应用范围还很宽广，可能成为一项极具前途的技术。