投影機之投影成像技術 3LCD, DLP, LCoS

現今市場上流行的投影機有 3 種投影成像技術,在了解其成像技術的同時,也可以更加瞭解不同技術的優缺點,以選擇最適用的機型。

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現今市場上流行的投影機有 3 種投影成像技術,在了解其成像技術的同時,也可以更加瞭解不同技術的優缺點,以選擇最適用的機型。

3 種成像技術並沒有絕對的優劣之分,以電腦來比較,更像是 MacOS, Windows 與 Linux 之間的比較,各自也還有高階、中階與低階機種,或是應用於不同場景的特殊機種,所以並不能直接以技術使用來判別其好壞。所以這篇更像是輔助你瞭解其核心,以及提醒更自技術需要注意之處。

目錄

  • 3LCD
  • DLP
  • LCoS
  • 成像技術通用比較表

3LCD (Liquid Crystal Display)

LCD (Liquid Crystal Display),也就是常聽到的「液晶」顯示技術,除了應用在螢幕之外,也應用於投影機之上。

LCD 背後的技術是從單一光源開始,與 DLP 相同。單一光源會被分為 3 束原色光:紅色、綠色、藍色,而鏡子再將 3 束光反射至投影機盒內中的不同角度(上圖 Prism 的部分)。

接著每束光會通過其中一面 LCD(各一面總共有 3 面),紅色、綠色、藍色各自通過獨立的 LCD,這些面板都是呈現灰階的,而每個面板還有不同的濾色器。最後,當光束通過 3 層 LCD 面板後,紅、綠、藍色光束接著通過分色稜鏡(上圖靠左 Lens),將 3 束不同顏色的光重新組合為單一的彩色光束。

現代大多數 3LCD 投影機的解析度高達 1920×1200 (WUXGA),家庭影院型號通常使用 1920×1080 (1080p)。也有更高解析度的機型,只是在 3LCD 技術上不常見。

歷史

歷史上第一款數位投影技術就是 LCD,它是由 Gene Dolgoff 於 1968 年構思的,但是當時 LCD 技術還沒有發展到足以在投影機中實踐,而這不得不等到 1980 年代中期才有技術真正的實現它(與 DLP 近乎同期開始實際應用)。

雖然早期 LCD 投影機的對比度、效能落後於競爭技術 DLP,但在過去幾年中,LCD 取得了顯著的提升。

製造

用於投影儀的 LCD 成像儀多由 Epson 與 Sony 製造。

Epson 是唯一一家製造商,專門生產針對消費者的 LCD ,但它也為商業、教育應用與大型場所製造。Sony 也為其商業與教育市場推出各種 LCD 投影機,除此之外 Sony 也推出許多運用 LCoS 的高階機種。

採用此技術品牌

  • Sony
  • Epson
  • NEC
  • Panasonic
  • Sharp
  • Maxell

※ 注意:市面上有些投影機會強調是「LED 投影機」,LED 指的是投影機的「光源」;而 LCD 指的是投影成像技術。

DLP (Digital Light Processing)

DLP (Digital Light Processing),是市面上最常見的投影機技術之一。

數位電影院中的大多數投影機也都使用 DLP 技術,以約 85% 的市占率佔據主導地位。它在家庭影院、商業、教育與其他各領域也都相當受歡迎,

與所有數位投影儀一樣,DLP 是將紅光、綠光及藍光分別引導至成像儀,有的光源使用白光、雷射,或是使用 3 種顏色的 LED(上圖)。與 3LCD 不同的是,取代微小的 LCD 單元,DLP 成像儀運用微鏡陣列,每個像素有相對應的獨立小鏡子(下圖)控制光的亮度,這種類型的成像儀稱為 DMD (Digital Micro-mirror Device 數位微鏡裝置)

DMD 中每個微鏡都可以獨立開關,以不同角度反射控制反射光量,藉以控制成像中,單個畫素點的亮度,才構成了一幅幅完整的畫面。

在少數 DLP 裝置中,有 3 個 DMD,分別用於紅色、綠色和藍色的光束,這些所謂的 3 芯片的裝置非常昂貴,只有用於極高階的產品類型使用 3 芯 DLP。

幸運的是,對消費者來說,有一種更便宜的替代方案,就是 1 芯 DMD,也就是大多數市面上常見的機型。

但是,你有沒有馬上想到,在 LCD 技術中,運用 3 片 LCD 分別控制紅色、綠色、藍色的亮度,藉以混合出彩色的畫面。但是單 DMD 的 DLP 技術中,只有 1 片控制顏色亮度的 DMD,如何一次控制 3 個顏色?

而這個解法就是,讓不同顏色的光,輪流使用這個唯一的 DMD。

當光束通過旋轉的 RGB 濾色器(下圖),一次僅讓一個顏色通過,接著透過 DMD 調整每個畫素的反射值,以呈現該色的圖像;接著又旋轉到下個顏色,到位後 DMD 再調整為該色圖像反射值。DMD 依序反射不同顏色的畫面,這個過程非常的快速,使我們大腦中將單色的圖像混合在一起形成全彩影像。

但是,這類型的 1 芯的投影機有個最明顯的缺點:虹彩效應。

許多人會在畫面上看到轉瞬即逝的彩虹,尤其是在黑色背景下的明亮物體附近,彩虹的頻率與強度會因投影機的製造工程而異,好的設計會盡可能地減少彩虹。而當然,3 芯的 DLP 就不會有虹彩這個問題,因為它是由 3 片 DMD 獨立控制。

DLP 解析度與性能也隨著每一代的改進而提高。現代數位電影和其他高端投影儀中使用的 DMD 的原始解析度已經是 4096 x 2160 (4K),而家庭影院或其他應用的機型,通常使用 1920 x 1080 (1080p) 或 2716 x 1528 的 DMD。

同時也因為 DLP 投影儀只需要單個芯片,所以市場上最小和最便攜的投影儀也多是採用此技術。

歷史

DLP 技術最初在 1987 由德州儀器 (TI, Texas Instruments) 的 Larry Hornbeck 所開發。

製造

該技術目前仍由德州儀器獨家製造。

與其他技術(3LCD, LCoS)相比,使用 DLP 的投影機製造商明顯多上更多。

採用此技術品牌

  • BenQ
  • Optoma
  • ViewSonic
  • Acer
  • Panasonic
  • Vivitek
  • JVC
  • NEC
  • LG

LCoS (Liquid Crystal on Silicon)

LCoS(Liquid Crystal on Silicon)是 LCD 技術的一種變體。該過程類似於 3LCD,首先將光源分成三束原色光。其中關鍵的區別在於,LCoS 是運用一種反射面板(像是 DLP 中的芯片)而不是透射(3LCD 是光線穿過它)。因此,光線從 LCoS 面板反射,最後到達分色稜鏡,將光線重新組合成單一光束的彩色圖像。

LCoS 成像儀包括 1 層 LCD 材料,它根據接收到的訊號,讓指定的光量通過每個畫素。光束穿過 LCD 層,在鏡子反射後,二次通過 LCD 層。

LCoS 成像儀通常比 DLP 或 3LCD 擁有更高的畫素密度,因此更小的 LCoS 芯片可以產生更高的原始解析度。這就是許多原生 4K 家庭影院投影機使用 LCoS 芯片的原因。

常見的 LCoS 成像儀已達到 4096 x 2160 (4K) 的原始解析度。

歷史

GE (General Electric) 在 1970 年代首次展示了低解析度 LCoS 投影儀。

但直到 1998 年,JVC 才推出了其第一台 1400 x 1050 (SXGA+) 投影機,使用其開發的 LCoS 技術,該公司稱之為 D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier)。

2005 年,Sony 推出了其首款 1080p 家庭影院投影機,使用自己研發的 LCoS 實現,Sony 稱其為 SXRD (Silicon X-tal Reflective Display)。

製造

Sony 和 JVC 都為他們自己的投影機製造 LCoS 成像儀,都是基於原有的 LCoS 做出變化,其中包括家庭影院機型,以及更大的成像儀用於專業模擬器和數位電影。

Sony 稱其為 SXRD (Silicon X-tal Reflective Display)

JVC 稱其為 D-ILA (Direct Drive Image Light Amplifier)

採用此技術品牌

  • Sony
  • JVC
  • Canon
  • Wolf Cinema

成像技術通用比較表

由於影響投影機的因素有很多種,這邊單就 3 種技術而言,製作一個概略的比較。(有些額外新增 3DLP 類別一同比較,但由於 3DLP 之價格與其他技術級距差異很大,故未列入大部分之比較。)

價格高低

3DLP > LCoS > 3LCD > DLP

CP 值最高 (基於同等的亮度與解析度)

DLP > 3LCD > LCoS

對比度

LCoS > 3LCD > DLP

黑階表現 (Black level)

LCoS > 3LCD > DLP

白色與亮度

DLP > 3LCD > LCoS

原始解析度

LCoS > DLP > 3LCD

LCD 投影機的原始解析度,並不總是很好。雖然 4K 畫素偏移技術可以增加 LCD 投影機的細節與清晰度,但它仍無法與原生 LCoS 或 DLP 的 4K 解析度相比較。

畫素對齊問題

DLP > 3DLP = 3LCD = LCoS

所有 3 芯片架構的技術,一個缺點是可能出現不同顏色畫面的錯位。如果芯片呈現的三幅圖像在畫面上沒有完全對齊,你可以會看到物體邊緣或是其他清晰的邊界處之彩色邊緣,最糟的情況就是圖像看起來很模糊。

這是單芯 DLP 最具有明顯優勢的領域之一,三種原色的圖像,都是由同一個成像儀生成的,所以它們將完美地對齊。

動態模糊

DLP > 3LCD = LCoS

與畫素對齊有關,在快速移動時,會有稍微的動態模糊之情況,而單芯 DLP 則在此運動情況下則有較清晰的畫面。

顏色精準度

LCoS = 3LCD = DLP

端看各家廠商的調校。

虹彩效應

3LCD = LCoS = 3DLP > DLP

3 片式的 3DLP 機型可以避免虹彩效應,但單片式的 DLP 由於成像技術無法避免。

Wrap Up

以上幾種主要投影機成像技術介紹,帶大家從光源出發,一步步穿過其光學成像的各式芯片,最後至畫面成像。希望這些技術細節與比較表,可以幫助大家在看投影機規格與實際測試時,能夠注意相對應的畫面細節,以挑選最合適的機型。

Refer Content & Image Sources:

LCD, DLP, OR LCOS?

LCD, LCoS, or DLP: Choosing a Projector Imaging Technology

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