LCD與DMD顯示器件投影機圖像效果及性能比較

高新全 張京津 閆 浩

北華航天工業學院信息技術中心 河北廊坊 065000

在多媒體系統中，投影機性能直接影響多媒體教學效果。本文通過對多媒體教學中常用的LCD顯示器件投影機(LCD投影機)、DMD顯示器件投影機(DLP及LED激光混合光源投影機)的光源、分光系統、顯示器件進行分析、對比和研究，得出三種投影機在亮度、對比度、色彩還原方面的區別以及在顯示文本、圖形、圖像方面的優劣。為充分發揮投影機的性能及投影機選型提供參考。

1 投影機基本原理、光路結構及特點

LCD(Liquid Crystal Display)投影機的顯示器件是液晶板，現在教學上常用的是三片液晶板投影機。此類投影機的基本原理是用信號控制液晶板的透光率實現成像，屬于透射式。它的光源一般采用超高壓汞燈，需要光學鏡組消除紅外光和紫外光對液晶板的影響，燈泡工作時間一般為2 000小時。它的分光系統是分光板(特定的波長光反射，特定波長光透射)，光路較復雜(如圖1所示)。

圖1 3LCD投影機光路示意圖

DLP(Digital Light Processor)投影機的顯示器件是DMD(Digital Micromirror Device)，它分一片DMD投影機和三片DMD投影機，由于價格原因，在教學領域一般使用一片DMD投影機。本文測試的是一片DMD投影機，其光路如圖2所示；三片DMD投影機的光路如圖3所示。此類投影機的基本原理是用信號控制DMD微反射鏡轉換角度實現光線是否參與成像的，因而屬于反射式。它的光源與LCD基本相同，分光系統是色輪(特定的波長光透射，其他光被吸收)。

圖2 1DLP投影機光路示意圖[2]

圖3 3DLP投影機光路示意圖[3]

LED激光混合光源投影機的顯示器件也是DMD芯片，它的工作原理與DLP基本相同，其最大特點是使用了激光混合光源和色輪(如圖4所示)。激光混合光源是一種利用激光激發熒光色輪發光的光源技術，基本原理是根據需要的光波波長，在熒光色輪上鍍上相應的熒光粉膜層，用激光二極管發出的激光轟擊熒光粉，激發出相應波長的光。DLP的色輪是透過與色輪鍍膜相對應波長的光，而LED激光混合光源的色輪是激光束轟擊熒光粉，使熒光粉發出所需要的波長的光(這部分色輪面積相當于光源)和透過藍色激光(色輪上沒有熒光粉部分)。LED激光二極管工作時是低壓直流，所以產生的熱量很少且可以隨時通斷電，它發出的光波段很窄，沒有紅外光和紫外光，不需要光學組件消除紅外光和紫外光；由于光的波段窄，不需要分光鏡，光路相對簡單，彩色還原好，LED工作壽命長，一般2萬小時以上且發光特性平穩。

圖4 LED激光混合光源投影機示意圖

由于LED激光混合光源投影機是新技術，筆者對單列LED激光混合光源投影機工作原理做簡要介紹。

激光二極管發出藍色激光，經反射鏡和準直鏡后，再經分光鏡反射和透鏡組射到熒光色輪上，熒光色輪受到激光束的轟擊，不同的熒光粉激發出不同波長的光，此光按原路返回，經分光鏡投射到投影鏡頭，色輪上沒有熒光粉的部分透過藍色激光，再經相應的反射鏡和透鏡，射到分光鏡的另一面，并經它反射到投影鏡頭，在投影幕布上形成圖像。此投影機激光光源是一列激光二極管，為了提高亮度，卡西歐公司推出藍色激光+紅LED+藍LED三路光源投影機(如圖5所示)投影機的亮度達到4 000 lm(XJ-H1750)。

圖5 LED激光混合光源投影機示意圖[3]

2 性能比較

2.1 理論分析比較

通過對以上三類投影機基本原理、光路結構及特點的分析、研究可知。在光源方面：LCD和DLP投影機的光源都采用超高壓汞燈，熱量高，開機時需要預熱時間，并且產生紅外光和紫外光，需要光學系統消除，使光學系統復雜，一般燈泡壽命2 000小時。而LED激光混合光源置于投影機內，發光時產生的熱量很少，沒有紅外光和紫外光，不需要消除紅外光和紫外光的光學系統，結構相對簡單，并且開機不需預熱(如圖6所示)，燈泡壽命一般2萬小時(如圖7所示)。

圖6 LED混合光源投影機開機時間示意圖

圖7 兩種光源工作時間示意圖

在光束分光方面：LCD投影機分光系統采用分光板，在分光板各工作面鍍上與反射光或透射光相對應的金屬膜，光源的光射到分光板上，按需要將特定的光進行反射和投射，達到分光的目的。但這種分光板波段寬，彩色還原相對差。DLP投影機分光是靠色輪，光源光經光學組件均化后投射到色輪上，色輪使特定的光透過，其余的光被阻攔，達到分色的目的。有些投影機為了提高亮度，在色輪的一定區域上不鍍任何濾光膜，使光源的白光通過，這雖然提高了亮度，但犧牲了色彩的純度，由于它靠色輪旋轉分色，并且色輪離光源較近，由于溫度高，色輪鍍膜層容易脫落，也影響色彩還原。LED激光混合光源，沒有分光系統，所以沒有上述問題，彩色還原效果較好。

在成像器件方面：LCD投影機是采用透射式原理，光線要穿過液晶板，在經過液晶板時要有一定的光能轉化成熱能，加速了液晶板老化，使液晶板透光率下降，影響圖像亮度和對比度，又因紅、綠、藍衰減不一致，使圖像偏色。DLP投影機采用反射式原理，核心器件是DMD，由上百萬個微反射鏡組成，控制反射鏡旋轉角度來決定光線參與成像與否。DLP的性能不受工作時間影響，對比度和亮度比LCD好，由于色輪分光不如LCD分光鏡效果好，色彩還原較差(見表1)。

表1 三種投影機性能比較

測量環境：亮度和對比度在辦公室、晚上測量(要求暗室)，投影機各項指標調到正常狀態，圖像最大[4]，投影面積1平方米(長1.2米，高0.9米)。

亮度測量：測量圖8中9點的照度，取平均值。

對比度測量：測量圖9中白、黑各點照度，取白、黑平均值之比。色度在教室測量，被測投影機用同一幕布和計算機，被測圖像為色域圖(如圖10所示)，由于沒有色度計，采用目測，被測投影機的色域圖中的紅、綠、藍、白、黃區域進行細致比較，比較3個循環，對投影機彩色還原給予定性評價。

照度儀：型號HCJYET HT-8318。

圖10 色域圖

通過以上理論和實際比較可知，在投影圖像效果方面：DLP灰度等級要好于LCD，適合于顯示圖表、文字；在彩色還原方面，LCD要優于DLP，適合于彩色圖形、圖像，在快速移動圖像時，DLP會出現彩虹效應，即出現紅、綠、藍單色現象，不適合動態視頻，LCD優于DLP；LED激光混合投影機屬于反射式，但它沒有色輪，它發揮DLP的優點，在彩色還原和動態圖像方面又優于LCD和DLP，不足之處是價格高，亮度不理想。

在防塵和壽命方面：LCD最差，DLP略好，LED激光混合光源最好。

3 結束語

通過對LCD，DLP及LED激光混合光源投影機的基本原理、結構、光源、分光系統、顯示器件的分析、對比可知，在價位基本相同的情況下，在亮度方面，對于新投影機，LCD與DLP兩者區別不大，但隨使用時間延長，LCD的亮度下降明顯快于DLP；在對比度方面，DLP優于LCD，對于圖表、文字的顯示，DLP較適合；在色度還原方面，LCD好于DLP，對于彩色要求高，圖形、圖像多的使用情景，LCD較適合；LED激光混合光源投影機集LCD和DLP的優點，并有獨特的超長壽命、超寬色域、瞬間開關、節能環保特點。LED激光混合光源將取代超高壓汞燈光源，是投影機光源的發展方向。

[1] 謝觀平,石燕飛.液晶投影機工作原理及除塵方法淺析[J].科技創新與應用,2012(8):6-7.

[2] 徐佳.基于LED的DLP投影顯示光學引擎研究[D].上海:華東師范大學,2008.

[3] 卡西歐XJ-H1750投影機供應商提供資料.

[4] 王麗艷,李劍.中國《電子投影機測量方法》標準解析[J].電視技術,2007(9):84.