大尺寸液晶电视替代投影机可行性研究

2022-11-21

投影机、液晶电视成像都基于TFT-LC D Thin Film Transistor (薄膜场效应晶体管) , 决定清晰度的主要参数是分辨率。标准分辨率是指投影机投出的图像原始分辨率, 也叫真实分辨率和物理分辨率。物理分辨率是有LCD液晶板上不同色彩液晶单元决定的。根据三基色成像原理, 须有红、绿、蓝三基色液晶单元构成一个像素点, 即像素。通常所说分辨率是指输出分辨率, 输出分辨率是有像素决定的。常用在液晶屏上通过网格方法表述的应该是像素, 而不是LCD液晶板上液晶单元。那么, 输出分辨率为1024×768时, 就是指在液晶屏上横向上划分了1024个像素点, 竖向上划分了768个像素点。分辨率越大, 每个象素越小, 清晰度越高。由于光学成像原理不同, 输出分辨率与物理分辨率换算也不相同。色彩还原、清晰度、对比度、亮度也有较大差别。

1 投影机光学成像原理

投影机成像主要部件也是基于TFT-LCDThin Film Transistor (薄膜场效应晶体管) 。大多数投影机采用1英寸左右的红色、绿色、蓝色三片TFT液晶板, 三片液晶板上的液晶单元相对于光路高度重合。

U H P灯产生的圆锥形光, 首先光线通过滤光片, 滤掉红外线和紫外线。透过两片多镜头镜片将光线均匀化, 并将校正为和投影图像近似的矩形光线。在两片镜子之间的棱镜用来将光线预先极性化, 以减少光线的损失。然后光线被分光镜分为红、绿、蓝三原色并被分别反射到相应的红、绿、蓝液晶片上并透过液晶片。驱动电路使三基色液晶片上的各液晶单元液晶有序偏转, 控制相应原色的透光率, 最后三路光线汇聚在一起由镜头投射到银幕上出, 产生了色彩丰富的图像。银幕上一个像素由高度重合的红、绿、蓝三个液晶片上液晶单元组成。若投影机每块TFT液晶板分辨率为1024×768, 银幕上得到输出分辨率 (即像素数) 应该是1024×768, 而不是1024×7684×3。1024×7684×3 (1677万) 有时被标注成色彩数目, 但投影画面色彩不是直接由色彩数目决定, 而是由三个基片上液晶单元在驱动电路控制下所产生的灰度等级决定的。

如图1所示。

银幕上得到的像素, 是光线通过在同一条光轴上的高度重合的三色液晶单元调制后放大产生。光源通过光路中光学器件产生偏振光, 偏振光通过TFT液晶板, 同样会产生折射, 由于三色TFT液晶板不是紧靠在一起, 即使折射角度相同, 三基色液晶单元在银幕上影像大小会不完全相同, 所以投影尺寸越大, 或镜头焦距越短, 银幕上影像越虚。标注投影画面尺寸为30~300英寸, 在60~100英寸画面最清晰。投影机亮度 (流明) 也是在60英寸画面下测定的, 所以在亮度一定时, 投影画面尺寸越大, 画面亮度越低。在投影画面尺寸一定时, TFT液晶板越大, 放大倍数越小, 光的折射角度越小, 影像变形越小, 画面越清晰。

虽然投影机采用透射式光源, 但相对人眼睛, 银幕画面是反射式光源, 易受外界光线干扰。成像光线是经多次偏振的合成光源, 对银幕画面的景深、色彩还原、对比度的提高会产生影响。

2 液晶电视光学成像原理

液晶电视色彩是有红、绿、蓝三基色形成。

如图2, 图3所示。

TFT液晶电视液晶单元架构如图2示。如果用放大镜观察液晶板, 就会看到液晶基板上按一定方式有序排列红、绿、蓝三种颜色的液晶单元, 在液晶基板上覆盖一层彩色滤光镜。把邻近的三个RGB显示的点, 作为一个基本显示单位称之为象素, 也就是说, 一个像素有蓝色, 绿色, 红色三个液晶单元组成。我们平常所说的TFT显示器分辨率 (输出分辨率如1024×768) 指的是像素, 而不是TFT液晶单元个数。就是以1024×768=786432个像素来组成一个画面的数据, 共有1024×768×3个液晶单元组成。

液晶单元本身不发光, 液晶显示器就必须加上一个高亮度且分布均匀的光源背板。驱动电路使有序排列红、绿、蓝三色的液晶单元偏转, 每个液晶单元就会产生不同的灰度等级, 控制相应基色的透光率, 有相邻的蓝色, 绿色, 红色三个液晶单元组成像素单元就会产生不同的色彩, 众多像素组成显示画面, 产生了色彩丰富的图像。光源无需进行偏振处理, 损失小, 光源功率低, 寿命长, 成本低。液晶电视画面的景深大, 色彩还原好, 对比度高, 画面轮廓清晰细腻。相对人眼睛, 液晶电视画面就是光源, 受外界光线干扰小。

3 像素与视觉效果

对于一个55英寸16∶9的液晶电视 (1920×1080) 那么一个象素大约是0.025英寸, 相当于0.6341mm, 一个液晶单元相当于0.2114mm。背光光源透过微小液晶单元会产生折射现象, 三基色光线交叉融合, 在一定距离范围内, 相对人的眼睛产生柔和而不是离散的亮丽色彩。光通过三基色液晶单元折射程度决定显示器的视角范围, 目前, 液晶显示器视角可达170度。人眼的最小分辨角度为1分, 根据公式, 在25cm明视距里处的最小分辨线度约为0.06mm。那么对于对于一个55英寸16∶9的液晶电视 (1920×1080) , 相对人的眼睛产生柔和而不是离散的色彩, 清晰的画面, 人距离液晶电视至少为3.7m, 即不出现马赛克的距离。由于采用透射式背光源, 相当于显示器发光, 亮度高, 受外界光线干扰小, 距离对于一个55英寸16∶9的液晶电视 (1920×1080) 8m处看清字体, 字体高度为50mm。若字间距为10mm, 行间距20m m, 对于一个55英寸16∶9的液晶电视 (1920×1080) , 每屏可显示21×10个字。

目前, 中等档次投影机使用的多晶硅LC D板一般是4∶3, 在0.8英寸以下, 有的甚至只有0.63英寸, 而分辨率已达1024×768或800×600, 也就是说每个液晶单元只有0.02mm, 投影画面尺寸为120英寸, 相对于0.8英寸TFT液晶板的放大倍数为150倍, 银幕上像素尺寸为2.4mm。

由于投影机特殊的成像原理, 即使在0.5m内, 只感觉到影像虚, 也不会看到马赛克现象。距离120英寸影像幕8米处看清字体, 字体高度为80mm。每屏可显示30×16个字体 (480个字) 。55英寸液晶电视机视觉效果与100寸投影基本相同。

4 使用与维护

液晶电视机与投影机显示部件 (TFT) 驱动电路原理, 材料、制作工艺基本相同。决定使用与维护成本主要是光源和成像光路。

投影机采用冷光源是指光源色温, 并非是灯泡本身不产生高温。投影灯泡是气体放电型弧光光源, 工作时产生高温, 使电极及玻璃外壳几乎处于融化状态, 钨电极之间的间距会不段增加, 游离金属钨附着在玻璃外壳内层, 灯泡亮度会不断衰减, 直至电极之间间距增加到不足以维持产生持续弧光, 灯泡到使用寿命。若灯泡使用寿命为2000小时, 灯泡实际使用500小时后, 发光强度衰减30%左右。用于教学的投影机一般每天连续6小时使用以上, 灯泡实际使用1000小时后, 衰减60%左右, 此时画面清晰度、色彩还原度下降至几乎无法看清的程度。属于易损件, 更换成本高。

投影机每个液晶单元只有0.02mm (对角线) , 灰尘颗粒足够把它阻挡。因此, 需定期清理投影机中光路镜片、LCD液晶板、灯泡散热风道部件上的灰尘。

液晶电视机光源功率低, 可分散布置, 散热好, 寿命长。液晶单元尺寸大, 光源与LC D显示板密闭封装, 无需进行内部清理, 使用时几乎维护费。

5 设备费用比较

投影机需配置微机、功放、音箱、中控、控制台等设备, 造价1800~20000元。

液晶电视自带音响系统, 可将微机主机集成到其中, 不需控制台、中控。创维55英寸16∶9、格式:1080p、分辨率:1920×1080、对比度:5000∶1, 报价10000元, 外加微机主机部件3000元 (采用无线鼠标、键盘) , 约13000元。可满足45人教学班需要。可用一台主机配2头或4头显卡, 将2台或4台液晶电视拼接, 满足大教学班需要。

液晶电视安装简单, 可与黑板平行壁挂。加超声波等屏幕书写系统, 变成电子白板, 或在屏幕上直接批注。

结论:从原理、视觉效果、维护费用、安装与操作难易程度, 液晶电视机可替代投影, 成为多媒体教学的主流设备。随着液晶制造技术不断提升, 100英寸以上的液晶电视价格会降至15000元左右, 从而解决屏幕尺寸与价格问题。

摘要：以投影机为主体的多媒体设备, 是实现课堂教学手段现代化首选设备。在大规模使用中逐渐暴露出设备安装复杂、操作复杂, 故障率高, 维护成本高, 色彩还原差, 随着使用时间延长, 清晰度越来越低。液晶电视成像同样基于TFT-LCD Thin Film Transistor (薄膜场效应晶体管) , 但工作原理 (图象形成) 不同, 液晶电视清晰度、色彩还原、对比度、亮度有较大区别, 是投影无法比拟的。液晶电视集成度高, 清晰度高, 故障率低、安装方便, 并可将计算机等主要部件集成到液晶电视中。本文从技术角度分析用液晶电视替代投影的可行性。

关键词：液晶,液晶单元,三基色,像素,光源