- LCoS顯示技術簡介
- LCoS顯示技術評測簡介
- 參加測評的高清電視機型號
- 各種1920x1080LCoS芯片性能指針
硅基液晶(LiquidCrystalonSilicon,LCoS)是一種相對較新且不為人所熟悉的顯示技術，該技術現正大舉進入高清電視(HDTV)市場。然而真正引人注目的是，這種技術一開始的起點就非常高，并不是用傳統的方式起步，即采用和現有技術差不多的性能，然后再慢慢把畫面質量提升到更高水平。
在所有顯示技術中，LCoS的分辨率、對比度(對非CRT顯示器而言)是最高的，圖像最為自然。有些用戶對圖像閃爍比較敏感，眼睛容易疲勞，而LCoS則具有最高刷新率(120Hz)，可提供最為平滑且無閃爍的畫面。本文將深入分析五種LCoS高清電視，其中除了一種其余都是原型樣機，希望能夠幫您了解這一正在發展的技術。
當然，LCoS并不能算是新事物，階因開發已超過十年，JVC實際上從1998年就開始應用這種技術生產高端專業級投影儀，但時至今天這個市場相對來說還非常小。同時這也是一種非常難于改進的技術，不少公司要不放棄了要不就已經破產。湯姆遜公司(采用RCA品牌)于2001年制造出第一臺商業化LCoS高清電視，東芝(采用日立LCoS芯片)和飛利浦緊隨其后也相繼推出，但這些公司到2004年10月都停止了。英特爾在2004年1月宣布開始制造LCoS芯片震驚了業界，但隨即在2004年10月停止了該計劃，其間沒有取得任何成果。因此，LCoS的前景遭到很多分析師質疑，實際上該技術僅僅是在為真正進入高清電視市場進行整合。
JVC于2004年7月推出其第一臺背投1280×720高分辨率電視，拉開了第二代LCoS的序幕，索尼緊接著于2005年1月推出高端1920×1080Qualia電視，之后Brillian也從2005年中開始向市場提供1280×720電視。9月初我寫完這篇文章的時候，全球只有幾款LCoS高清電視可以購買，不過JVC和索尼剛剛宣布了其第二代高清電視，LG也推出了第一款(采用SpatiaLight的LCoS芯片)，另一家主要供貨商日立計劃于2005年底推出LCoS高清電視。因此，在本文中我們有幸對一些預先發布的樣機進行測試評估，下面就是我們得到的一些結果。
評測簡介
即使你是一個專家，也很難找到一個地方可以對高清電視的圖像和畫質進行評估。在展覽會或制造商展示廳里，你看到的節目極可能是經過精心挑選，而且還可能進行了微調，使各個型號的效果都比正常情況要好。在商店展示室里，觀看條件、環境光線、視頻信號質量以及視頻源質量通常千差萬別，效果無法達到理想的狀態，而高清電視本身也沒有調到最好(有時是因為前面的顧客調整了設置)，所以你通常都會看到在放動畫片，因為比較飽和的顏色和人工圖畫可使觀眾對電視產生一種好的錯覺。
對任何顯示技術的圖像和畫質進行評估的最好方法是把多部電視放在一起，仔細控制各種條件，一個挨一個地同時進行測試，讓所有電視都顯示完全一樣的高品質畫面。你需要一個理想的觀看環境、D6500背光、出眾的視頻信號源，以及一流的視頻信號分配系統。然后，讓各制造商派出最好的工程師，仔細設置調節他們的電視直到達到最佳圖像和畫質效果。2005年7月我們一整個月都在做這樣的事情，這是一件花時間的工作，但結果非常有意思，絕對值得花費所需的資源。
這個過程稱為“評測”，它并不是要一決雌雄，但確實對每個顯示器都是極大的挑戰。由于每臺機器單獨看時都非常好，但和其它一些優秀的機型一起顯示同樣的高質量畫面時，很多地方就較遜色，即使很細微的差異也會非常明顯地表現出來。在評測中，我們首先用上百個DisplayMate的1280×720和1920×1080兩種高清電視分辨率的測試圖像對這些電視進行測試，我們用兩臺高級光譜分析儀仔細測量每臺電視的光度和色度。測試時，我們邀請了34位評審員觀看一個多小時高質量視頻節目，然后進行比較和視覺評估。圖1顯示了照明燈打開時評測設置情況，這些電視就沿著在我的家庭影院附近的一面35英尺墻排列著。
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參評高清電視
在我們計劃開始進行評測時市面上只有兩款LCoS高清電視，所以我決定擴大樣本面，勸說幾家制造商為我這篇文章把他們寶貴的實驗室樣機借給我，目的是把每家LCoS制造商的產品(用色輪的除外)都包括進來，而目前只有五家制造商：JVC、索尼、Brillian、eLCOS和SpatiaLight。市面上還有其它一些品牌的LCoS高清電視，但它們都采用以上幾家提供的器件。我們包括了兩種標準高清電視分辨率：1280×720約一百萬像素以及1920×1080約兩百萬像素，在本文中分別稱為720或1080型。(這里后面不用再跟代表逐行掃描的p，因為所有機型都是逐行掃描的，請見下。)
JVC和索尼都不用再作介紹，但另外三家對大多數消費者來說還相當陌生。Brillian是一家小型初創公司，總部在亞利桑那州的Tempe，是美國唯一一家高清電視制造商。他們提供了一臺65吋720型樣機(目前已經上市)，并努力在評測之前提供多一臺1080型。eLCOS也是一家小型初創企業，他們和光引擎制造商JDSUniphase、屏幕制造商DNP以及視頻處理器制造商SiliconOptix合作，提供了一臺56吋1080型實驗室演示樣機。請注意該公司提供的機型還不能稱之為樣機，因為它不是為大規模生產而設計的。SpatiaLight也是一個小型初創企業，提供LCoS芯片和驅動電路，曾用在2005年9月LG新推出的71吋1080高清電視中。SpatiaLight同意參加測評但沒能及時提供樣機。
JVC提供了兩臺：消費品事業部送來了他們已上市的61吋720高清電視，只有不到4,000美元普及價格，而專業產品事業部則送來了他們為電視與電影后期制作而設計的48吋1080基準顯示器樣機，其價格定位面向高端專業市場，設計用來與索尼的高端專業級CRT競爭(我們將在第三部分對其進行比較)。注意JVC兩個型號所采用的LCoS技術是不同的，普通型具有數字背板，采用脈寬調制控制每個像素(見第三部分與下文)，而專業級使用模擬電壓控制每個像素(見下文)。索尼已經于2005年1月推出70吋1080Qualia006，所以我們邀請了索尼，但該公司拒絕參加測評。
每個參與測評的制造商資料請詳見后面的高清電視制造商介紹，表1顯示了每種機型的基本信息，注意表中型號是以分辨率按字母順序排列的。JVCConsumer價格有兩個來源都列在表上，一個是制造商建議零售價，另一個是我在市場上能找到的最低實際售價，其它都將以表中所列價格即將在市面上發售。
LCoS技術
LCoS是用液晶控制圖像像素亮度的最新顯示技術，液晶技術最廣泛應用形式是大型無定形硅LCD芯片，用于直接觀看的計算機顯示器、電視以及高清電視，典型尺寸從5吋到82吋(截至2005年8月31日的紀錄)，下一個應用將是更小的高溫多晶芯片，用于視頻和數據投影儀，這些應用尺寸大約只有1吋，所有都會用于大屏幕LCD背投電視及高清電視。這兩種技術用的光源都在芯片的后面，光線必須穿過芯片來到前面，包括芯片內控制像素的所有電路和組件，但這些部件阻斷了很多光線，并在像素之間形成溝道，因此分辨率越高，問題就越多。第二個主要問題是液晶相對來說需要比較厚以便得到較高對比度，這會使響應時間減慢，因而在圖形運動或變化時會形成拖影。
LCoS的基本原理是在液晶層后面用一個鏡子，光線從前面進來后穿過液晶層，經過鏡子反射再次穿過液晶層射到屏幕上。這需要稍微復雜一些的光學部件，但確實非常有用，它有幾個直接明顯的優點，如所有電子部件都在鏡子后面，完全在光路以外。在它后面有很大空間，這樣就可能達到難以置信的高分辨率，LCoS在所有顯示技術中分辨率最高。另外因光線兩次穿過液晶，可以達到很高對比度但依然非常薄，從而大大改善響應時間減少拖影。我們將在第三部分討論LCoS的優點和缺點。
那么它是怎樣工作的？液晶可以使光線的偏振性發生偏轉，而偏轉量可通過電場進行控制。鏡片后面的硅片產生控制每個像素的電場，實際上鏡片就是硅片最上一層，液晶直接裝在鏡片上面，這也是它叫做“硅基液晶”的原因。大多數芯片的尺寸為四分之三英寸，圖2a顯示了一個LCoS芯片的照片。生成圖像時，偏振光聚焦在芯片上，通過變換每個像素后面電場來控制其亮度。電場使光線發生偏轉，然后用一個偏振過濾器把偏轉部分擋住。硅片產生電場實際上就像計算機內存芯片一樣工作，按照像素的行列進行組織，每個像素都有一個地址，就像內存位置一樣，圖2b顯示了一個LCoS的截面圖。
如同其它顯示技術一樣，每家制造商都有他們專用的實現方法，并會取一個特殊的名稱，如表1和表2所示。所有制造商都指出他們使用帶無機排列層的垂直分布液晶，垂直排列可提高對比度，并在驅動信號為零時使屏幕呈現自然的黑色。無機排列層可避免早期有機排列層老化的問題，所以所有這些LCoS技術都有很長的壽命。
表1：參加測評的高清電視機型號。
表2列出各制造商1080LCoS芯片的規格，為了使信息更為完整，我們在表中包含了沒有參加測評的索尼和SpatiaLight產品。索尼信息有兩個來源，一個是Qualia004和006里的第一代芯片，另一個是2005年8月推出的XBR產品里的第二代芯片。
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表2：1920x1080LCoS芯片性能指針
芯片對比度可能是表中最重要的數值，因為高清電視屏幕對比度總是比芯片的數值小。像素間距是芯片上像素中心與中心之間的距離，像素間隙是他們之間無效空間。開口率是指有效像素區域所占的百分比。由于它接近100%，所以屏幕上像素之間的間隙通常不會被注意。LCoS的開口率比DLP微顯要高幾個百分比，而高溫多硅液晶投影儀芯片通常的數值較小，只有百分之五十到七十，所以其像素結構通常能被看到。壽命包括多種因素，但只能通過實驗室測試推斷進行統估，所有廠家提供的數值都大于10萬小時，也即如果一天開24小時可連續放11年以上。人們關心主要在于隨時間延長亮度和對比度的損耗，也就是所謂的老化，這將導致通常所說的圖像灼影，但所有制造商都聲明老化和灼影都不會在無機排列層中產生。
信號電平是指在芯片線路控制LCoS芯片的數據位數，位數越高灰場越平滑，越不容易出現色差線條。
響應時間是業界一個標準，表示像素從黑到白的時間(上升時間或者Ton)加上從白到黑的時間(下降時間或者Toff)的總時間，響應時間是測量圖像變換速度并提供運動圖像移動拖影的可見程度，通常越小越好，但移動拖影涉及到多個因素。遺憾的是，有些制造商提供的響應時間是平均上升下降時間，而不是他們的和，使顯示數值比實際的要快兩倍。所以要非常注意響應時間指標，要確保你知道制造商用的是哪一種方法。(比如索尼QualiaSXRD芯片響應時間用的是總時間5ms，但最新的XBRSXRD芯片則用平均時間2.5ms作為響應時間，所以顯示出來數值的要快兩倍，而實際上并沒有。)我們在表中把上升時間和下降時間都列了出來，以顯示實際情況。
控制每個像素亮度的物理過程不管是LCoS還是所有其它液晶技術實際都是模擬技術，這是一個優點，因為人的視覺也是一個模擬過程，可以避免全數字顯示技術如DLP和等離子具有的圖像抖動(見系列專題三、四和本文第三部分)。然而實際上也可以設計芯片的硅背板讓它被模擬電壓或數字信號脈寬調制PWM來驅動。它們的最終結果仍然是液晶模擬顯示，但這是用兩個完全不同的方法完成，各自有不同的優缺點，我們將在之后討論。(數字方法類似地燈調光器用電子脈沖控制模擬鎢燈。)表1和表2中的設備控制技術列出了每種機型應用的方法，數字背板通常產量較高，制造更加便宜(但不是所有制造商都同意這一觀點)，且驅動電路也更加便宜。但是目前用數字技術得到平滑的灰場還比較難(尤其在暗場里)，所以這也是很多型號使用模擬背板的原因。
光學與電學組件
除了芯片外，LCoS高清電視還有其它關鍵的零部件，如包含從燈泡到投影鏡頭所有光學部件的投影燈引擎。它首先準備光束，照亮細小的LCoS芯片，然后通過一個約80比1的線性比例因子將圖像放大，面積放大比例約6,400比1(以60英寸屏幕為例)。這里所涉及的技術并不等于LCoS芯片本身，對屏幕上看到的圖像質量同等重要，它通常是投影高清電視里最貴重的部件。圖2c顯示了一個投影光學引擎，注意我們這里所有高清電視都采用3片LCoS芯片，分別對應紅、綠、藍三基色。濾光板首先將光線分為用于LCoS芯片的3種基本顏色，然后用一組棱鏡在投影鏡頭前面將基本色重新合成為一束光。屏幕是光學系統另一個重要的部件，它對成像質量也有很大影響，好的屏幕相當昂貴。另外還有兩種非常重要的光學部件，一個是在投影鏡頭和屏幕之間吸收雜散光線的黑色內部空間，第二個是在機箱后部前表面平面鏡，可將投影鏡頭光通路方向改變射向屏幕。
圖2(a)LCoSD-ILA芯片，JVC提供。
圖2(b)LCoSD-ILA芯片截面圖，JVCProfessionalProducts提供
圖2(c)投影光學引擎，Brillian公司提供。
還有兩個電路組件我們經常提及，一個是芯片線路控制部分，負責所有LCoS芯片的底層直接控制，另一個是前端板，具有所有高清電視輸入接口，它將所有其它不同輸入信號(復合視頻信號、S-video、合成視頻信號、RGB、DVI以及HDMI)轉換為芯片線路所需的數字格式，它還管理屏幕菜單，實現用戶與服務的調整和控制。芯片線路通常只有工廠才能進行控制，包括控制LCoS芯片所需的低級伽馬表。
