浅谈大屏幕显示

阎双耀：浅谈大屏幕显示 文章编号：1006-6268(2009)05-001l—05 浅谈大屏幕显示 阎双耀 (中国电子视像行业协会大屏幕显示设备分会专家委员会。北京100026) 摘要：论述了大屏幕显示技术的发展和各种大屏幕显示器的特点，并从环保和节能的角度分 析了大屏幕显示技术的发展前景。 关键词：液晶；等离子；微显示；投影显示；平板显示 中图分类号：TNl41文献标识码：A DissertationLargeScreenDisplay YANShuang-yao (Chinavideoindustwassociation，Beijing100026，China) Abstract：Thisarticledissertationdevelopmendforlargescreendisplaytechnic， characteristicofallkindsoflargescreendisplay，developmentalforegroundoflargescreen displaytechnicforsurroundingsandenergysoucesofpointofview． Keywords：liquidcrystal；plasma；MD；projectiondisplay；flatpaneldisplay 人们获取信息的途径有两个方面：一是通过声 音的传输与收听，二是通过图像的传输与收看。图像 信息包括各种视频图像信号、数据信号、图表、仿真 图形等。随着信息化技术的发展，对信息显示设备的 要求越来越高，要求显示设备显示的图像清晰，希望 显示的图像要足够大。多大的显示图像尺寸是大屏 幕显示昵?还没有一个确切的定义，但是一般认为显 示屏幕大于40in的才能叫大屏幕显示，而小于40in 的称为中小屏幕显示。 1 CRT显示 谈大屏幕显示的发展必须先回顾CRT显示，因 为CRT显示是发展最早、技术非常成熟的～种显示 器件。用彩色CRT显示器件制造的彩色电视机或彩 色监视器到目前为止仍在被人们大量使用着，它的 屏幕尺寸由14in、16in⋯⋯一直到34in，大于34in 的彩色显像管由于制造工艺的困难，很难量产。 彩色显像管的是用电子枪发出高速运 动的电子束轰击涂在显像管玻壳内面的红、绿、蓝荧 光粉，使其发出红、绿、蓝三基色光，由于电子束是被 视频信号调制的，红、绿、蓝三基色光的强弱随着视 频信号的大小而变化，再通过彩色相加原理形成彩 色图像。由于多年的技术进步，彩色显像管显示的彩 色图像的颜色最接近于自然界的色彩，或者说，彩色 显像管电视机或监示器显示的图像色彩还原能力是 目前各种显示器件中最好的。 收稿日期：2009—03—30 May，2009，总第l帅期 现代显示AdvancedDisplay11 审 家 的 飓 考 万方数据 审 家 的 冕 雳 阎双耀：浅谈大屏幕显示 2 CRT投影大屏幕彩色显示技术的 发展 1990年代中后期，用CRT彩色投影管研制的投 影机问世，并大量用于各种娱乐场所，如卡拉OK歌 厅、电子游戏厅等，由于投影技术实现了大屏幕显示， 图像尺寸可以达到40in～100in。但是由于用彩色CRT 投影管做的前投影机，投射到屏幕上的图像亮度低，对 比度也不大，使用环境不能太亮，而且价格较高，很难 进入家庭。在1990年代末期，国内长虹电器股份有限 公司研制出了用彩色CRT投影管的40in背投影电视 机，并大批量生产投放市场，其他各大电视机厂也相继 推出了40in、42in、48in等屏幕尺寸的CRT彩色背投 影电视机，这可以说是我国大屏幕显示产业起步时期。 其产品除供应国内市场外还远销到美国。 在这一时期，液晶显示技术和等离子显示技术也 很快发展，小尺寸的液晶显示器问世，大尺寸的等离 子显示器也研制成功，并有产品问世，但是价格昂贵， 老百姓买不起；在这一时期作为微显示(MD)的液晶 器件和DLP技术也在快速发展，但是由于技术和价 格等诸多因素还不能形成为老百姓接受的商品，所以 大屏幕CRT彩色投影机有一段产、销的黄金时期。但 是它的一些缺点也开始引起人们的广泛关注： (1)会聚调整困难，在工厂生产过程中此道工序 用人最多，也最费工时： (2)图像清晰度差，图像亮度和对比度还不能满 足人们对高质量显示图像的要求： (3)电路复杂，故障率相对来说较多： (4)功率消耗大。 CRT彩色背投影电视机从诞生到大批量生产， 再到逐渐退出市场，虽然经过了短短几年的时间，但 是它为我国后来的微显示投影技术的发展起到了培 养和锻炼人才的作用。 3平板显示技术的迅速发展 这里所讲的平板显示技术是指液晶平板显示技 术(LCD)和等离子平板显示技术(PDP)，其他平板 显示如发光二极管显示技术(LED)、有机发光二极 管平板显示技术(OLED)等另有叙述。 3．1 液晶显示技术 液晶显示技术发展很快，液晶显示器件多种多 样，但是作为图像信息显示的液晶显示器件 TFT—LCD的发展尤为迅速。TFT—LCD是薄膜晶体 管有源矩阵寻址型液晶显示器件，它是微电子技术 和液晶显示技术相结合的一种高性能的视频显示器 件，近年来得到了快速的发展。从1995年以后其技 术开始快速发展，主要体现在它的显示图像的分辨 力的提高、观看视角的增大、响应时间的缩短、显示 图像的亮度、对比度的提高等方面。同时生产工艺的 进步使液晶显示器件的几何尺寸也快速增大，生产 液晶显示器件的生产线由第1代线、第2代线、第3 代线、第4代线⋯⋯到第10代线，不同代次的生产 线加工的基板尺寸不同。例如，第1代生产线基板尺 寸为300X400mm，适宜加工生产10in以下的液晶 显示器件和10．4in、13．3in的液晶显示器件；而第5 代生产线基板尺寸为1，100X1，250mm，适宜加工 生产15in、17in和18in的液晶显示器件。 由于液晶显示技术的不断进步，液晶显示器件 可以做到47in、52in、55in⋯⋯108in，由于生产工艺 的进一步成熟，液晶显示器件的成品率提裔，使市场 价格大幅度下降，例如创维公司2004年9月43in 平板液晶电视机售价为26．800元(约合1in售价 623元)，而2007年12月创维公司的47in平板液 晶电视售价为14，990元，而2008年12月创维公 司的47in液晶电视售价下降到5，990元。液晶电视 的降价速度超过了被誉为IT界第一定律的摩尔定 律，为液晶电视进入家庭创造了价格的优势。 3．2等离子(PDP)显示技术 等离子显示技术是与液晶显示技术差不多在同 一时期发展起来的一种大屏幕显示技术。等离子显 示器是利用气体放电产生的紫外线激发红、绿、蓝三 种荧光粉发光，这一点与彩色显像管有些类似，所以 等离子显示器和等离子电视机的色彩还原较好，而 且等离子电视机从一开始就以40in以上的大屏幕 电视机或显示器问世。PDP产品的优点是主动发光 显示器件，其色彩、视角、对比度、耐恶劣环境等方面 的性能都是不错的，但是由于它的像素点是由一个个 小放电室形成，小放电室中有高压电极和隋性气体，由 高电压引起隋性气体放电产生紫外线来激发小放电室 12现代显示AdvancedDisplay May，2．009，总第100期 万方数据 阎双耀：浅谈大屏幕显示 中的红、绿、蓝荧光粉发出R、G、B三基色光，小放电室 即它的基本像素点不能太小，因此小屏幕尺寸的PDP 产品的分辨率不可能做得太高，而且PDP屏的结构复 杂，成品率低；屏的驱动电路复杂，因此生产成本高，使 得早期的PDP产品价格高，其产品多用于商务领域。 经过多年的技术和生产工艺的进步，PDP产品的屏幕 小尺寸可以做到32in，像素数为852X480，大尺寸可 以做到65in，像素数为1，920X1，080，可以实现高清 晰度图像的显示。 3．3液晶显示技术和等离子显示技术的比较 等离子(PDP)显示技术与液晶显示(LCD)技术 是平板显示技术中两个重要分支，目前家电市场上主 要是这两种显示技术的产品，这两种显示技术是在发 展中竞争，在竞争中发展。从这十几年来的发展情况 来看，LCD略占上风。据中国电子商会(2008年中国 平板电视消费市场竞争状况及2009年消费需求趋 势预测》数据显示，2008年国内平板电视需求量 达1，220万台，其中液晶电视1，100万台，占总量的 90％，等离子电视120万台，占总量的10％。为什么 会出现这种局面呢?这是由以下一些情况决定的： 3．3．1 屏幕尺寸 液晶显示技术的液晶屏的尺寸从小到大非常之 多，小到几英寸，大到几十英寸甚至上百英寸的液晶 屏品类繁多，而等离子显示技术由于像素的体积不 能做得太小，所以等离子显示屏不能做的太小，早期 等离子显示屏尺寸最小是42in，经过技术和生产工 艺的改进，现在已有32in的等离子屏。因此等离子 显示技术的应用受到屏尺寸的限制。 3．3．2显示屏的像素数 液晶显示屏的像素小，尺寸很小的屏就可以实 现高清晰度，例如26in的LCD电视机的像素数能 做到1，366X768，而32in的PDP电视机的像素数 仅为852X480。 3．3．3价格 等离子电视机的价格高于液晶电视机。 3．3．4发光效率和亮度 PDP是自发光器件，它的发光效率比较低，目前 为1．8。5．0Im／W，因此PDP电视机的亮度较低：因 为LCD是用外光源，可以用提高外光源的光通量来 提高LCD电视机的亮度，因此PDP电视机的亮度比 LCD电视机低。 3．4液晶显示技术和等离子显示技术面临的 危机 虽然液晶电视机和等离子电视机目前在市场上 占有重要的地位，但是在全世界注重环保和发展循环 经济的今天，由于液晶电视机和等离子电视机的功耗 大，特别是大屏幕的液晶电视机和大屏幕的等离子电 视机功耗尤其大，例如50in的等离子电视机功耗为 56饥Ⅳ，52in液晶电视机的功耗为290W，103in等离 子电视机功耗为1．5kW。这样大的电力消耗，显然对 节能和环保不利，PDP显示技术和LCD平板显示技 术的电视机或显示器屏幕尺寸越大其功耗也越大。最 近IEC制定了音频、视频和相关设备的功耗测量方 法，国外一些大企业已淡出PDP市场，据英国媒体 <英国邮包)2009年1月12日报道，欧盟的一些国家 正在酝酿禁止生产和销售功耗大的PDP电视机，以 遏止全球气候变暖的趋势。这些动向表示在今天全球 都关注环保和节能的情况下，对于大屏幕尺寸的 PDP显示技术和LCD平板显示技术《大屏幕LCD平 板电视的功耗也是很大的)发展前景提出了一个大大 的问号，值得大家很好的思考o 4 MD大屏幕显示技术的崛起 MD是微显示的英文缩写，MD大屏幕显示技 术是近十几年发展起来的一种大屏幕显示技术，它 的基本原理是以尺寸很小的显示器件(一般为 0．5～2．0in)作为成像器件，用光学放大的方式把成像 器件上的图像投射到大屏幕上，在大屏幕上看到的 是把成像器件上的图像放大了几十倍或者上百倍的 图像，这也就是通常所说的投影显示技术。 在MD微显示器件中，目前共有3个品种，即 光反射式的数字微镜装置DMD、光透射式的高温多 晶硅薄膜晶体管有源矩阵驱动液晶显示器件 TFT—LCD和属于光反射式液晶显示器件的硅基液 晶LCoS。从技术原理上看，虽然三种显示器件的工 作原理不同，但是它们构成MD大屏幕投影显示的 原理是相同的。用这三种微显示器件制成的MD微 显示投影机各具特点，并在市场竞争中取得了不断 的技术进步，从而使MD投影机成为50in以上的 May，2009，总第100期 审 家 胄皇 冠 考 万方数据 审 裘 静 冕 孝 阎双耀：浅谈大屏幕显示 大屏幕显示设备市场中不可或缺的产品，以下从几 个方面概述这三种技术的优缺点： 4．1 开口率 MD器件的开口率定义为显示器件上像素总面 积与芯片总面积(包括吸收光的无效面积)之比。开 口率大表示成像器件透过的或反射的图像光的光通 量大，显示在投影屏幕上的图像亮度高。透射式的 TFT—LCD中的TFT(薄膜晶体管)要占去一个像素的 一部分面积，这部分面积会隔断光路使图像光不能 透过，在两个像素之间还有宽度约1．5mm的信号 线及寻址线也会阻断光路使图像光不能透过，因此 TFT—LCD器件的开口率就会减小：LCoS的有源矩 阵驱动电路置于液晶像素的背面，LCoS的液晶像素 中就没有占去一个像素的一部分面积的TFT，因为 信号线及寻址线置于液晶像素的背面，因此LCoS 的液晶像素之间的绝缘框宽度很小，不大于0．35 mm，它的开口率大：DMD的微镜(像素)之间的间 隔为0．7～1mm，介于LCoS和TFT-LCD之间。 由以上可看出三种技术的投影机在同样的 芯片尺寸和同样的器件分辨率条件下，LCoS开口率 最高，TFT—LCD开口率最小。三种技术的投影机的 图像亮度由高到低的顺序为LCoS投影机、DLP (DMD)投影机、TFT—LCD投影机o 4．2显示图像的像素效应 当近距离观看屏幕上显示的图像时，发现图像 像素间呈现暗格，一般称之为图像的像素效应或窗 纱效应。这是由于像素之间的间隔大引起的，例如 LCD的像素之间的信号线和寻址线使像素之间存在 缝隙，就可以造成显示在屏幕上的图像有这种像素 效应：DMD微镜间隔1mm，小于LCD，窗纱效应不 严重，只有在近距离才能观察到它的每个微镜中心 有固定点黑斑：在LCoS中不反射光线的绝缘框宽 度不大于0．35mm，几乎没有窗纱效应，因此LCoS 芯片显示的画面最细腻。 4．3响应速度 显示器件的响应速度是指其脉冲前沿上升响应 和脉冲后沿的下降响应之滞后时间，反映在显示的图 像上的现象是快速运动的图像有拖尾现象。LCD微显 示器件的响应速度一般可达8ms，对于场频60Hz时 16．66ms或场频50Hz时20ms的场周期而言，应 该是够快了。但实际液晶分子排列变化确实滞后于电 信号，脉冲信号前沿、后沿均以10％和90％为限的测 试方法，所以LCD液晶显示快速运动物体的图像时仍 存在淡淡的拖尾。DMD的响应速度以往达到了 5ms，更新一代的芯片已经达到2ms，毫无疑问是 三种MD投影机显示器件中响应速度最快的，三片 DLP投影机显示的高速运动画面显示质量是无可挑 剔的。至于单片DLP投影机的所谓”彩虹拖尾。是时 间混色法所致，与反应速度无关，不能混为一谈。LCoS 的液晶层很薄，所以响应速度能够加快。目前的产品响 应速度可以达到2ms，虽然慢于DMD，但比LCD有 显著提高，显示快速运动画面效果也很好。 4．4分辨率及芯片尺寸 从产品的像素结构和制造工艺而言，在相同芯片 尺寸的条件下，按目前的技术水平，DMD实现高分辨 率最困难，而LCoS最容易实现高分辨率，同时仍可保 持较高的开口率。目前，逐行全高清FullHD芯片分辨 率及格式为1，920X1，080p，三种MD投影显示的典 型产品中，LCoS芯片尺寸最小(例如，索尼的为0．61in； JVC的为O．7jn)开口率高达90％一92％：DMD芯片 尺寸最大(例如，DarkChip3尺寸为0．95in)开口率约 为85％：LCD芯片尺寸居中(例如，爱普生的D6级芯 片的尺寸为0．74in)开口率约为70％。值得指出的是， 缩小芯片尺寸有利于减小光学器件尺寸使光引擎体积 小，这对降低整机成本意义重大。 在MD投影机产品发展过程中，3LCD投影机 曾经以其良好的画质及性能价格比优势而占据绝大 部分市场份额。近5年来，采用单片DMD的DLP 投影机整机成本降至接近3LCD机的水平，其图像 质量也随着DMD芯片技术和色轮技术的改进而提 高，逐渐扩大其市场份额，迄今已是。三分天下有其一。 的局面。而今LCoS投影机又以其色彩、清晰度、光效率 俱佳的特点成为投影机市场上引人注目的’黑马。。 MD大屏幕投影显示具有以下一些特点： (1)它很容易实现大屏幕显示，显示图像的大屏 幕尺寸可以从40in一直到200in甚至更大； (2)整机电源消耗功耗小，而且随着投影显示的 图像尺寸的增大，功耗增加很少，一般MD投影显示 14现代显示AdvancedDisplay May，2009，总第100期 万方数据 阎双耀：浅谈大屏幕显示 的整机功耗在100—300W。一台72in的MD投影显 示器功耗。<270W，而一台65in的LCD电视机功耗为 550w，一台65in的PDP电视机功耗为720W，一台 100in的PDP显示器功耗却有1．5kW： (3)成本低，价格便宜，这是MD大屏幕进入家 庭的优势： (4)便于系统集成，可以用MD大屏幕投影显示 器拼接成高清晰超大屏幕显示器，即通常所说的大 屏幕拼接墙，这种系统集成方式广泛用于会议、展 览、各种控制、调度、指挥中心等领域： (5)电子白板，这是MD投影机的独特功能，用 于教育领域或会议、研讨，可以书写、可以演示： (6)把MD投影机与计算机进行系统集成，可进 行人机对话，多点人机互动等功能，这就是目前所说 的桌面计算机： (7)用MD技术开发的手机投影机《也称口袋形 投影机)已经问世，用LCoS显示器件，用LED做为 光源。目前的技术水平：可以投射出50in到70in的 大图像，电池的容量可使用2hr，也就是说可以放映 一部电影，是一个很有前途的产品。 MD投影机由于它所用的投影灯泡使用寿命和 更换灯泡的价格问题，在进入家庭过程中受到了很 大的影响，为此，近年来研发了LED光源和激光光 源并已开始用于MD大屏幕投影机，使MD投影机 的使用寿命大幅度提高，可与平板显示器一比高低。 5各种大屏幕显示器件快速发展 时代在前进，技术在不断进步。显示技术不断发 展，新的显示器件不断出现，例如场致发射显示器件 (FED)，电致发光显示器件(ELD)，真空荧光显示器 件(VFD)，有机发光二极管显示器件(0LED)等等。 其中最有希望成为大屏幕显示器的就是有机发光二 极管显示器件OLEDoOLED是使用有机材料的电 流注入型固态自发光器件来产生彩色图像的新型显 示器件，分为有源矩阵方式的AM—OLED和无源矩 阵方式的PM—OLED。PM—OLED适用于小尺寸的 图像显示，其发展前景不被看好，而AM—OLED适 用于中、大尺寸图像显示特别是大尺寸图像显示， PM～OLED面板在2006年创下了4．5亿美元的销 售高峰后市场规模就逐渐缩小，预计2009年下半年 AM—OLED面板的销售额将超过PM—OLED面板。 OLED显示器的技术特点是： (1)是自发光器件，驱动电压低(直流10V以下)； (2)是全固态器件，无真空腔，无液态成分，耐机 械振动性能好； (3)工作温度范围广，可从一40。C一十70℃； (4)视角宽，上下左右视角都超过1700； (5)显示图像的亮度和对比度高，亮度可在达 300cd／m2以上： (6)分辨率高： (7)功耗低： (8)显示图像的响应速度快，为微秒量级。 现在用OLED做的显示器尺寸已有32in，40in 的OLED显示器正在研发。随着技术、工艺的完善， OLED平板显示器必将成为大屏幕显示器件中有竞 争力的一种显示技术。 6我国大屏幕显示的机遇与挑战 目前在我国市场上显示技术类的产品有34in 以下的CRT彩色电视机和液晶电视机，32—65in的 液晶平板电视机和等离子电视机，有大尺寸的前投 影机和MD背投影机等等。这些产品中有家庭应用 和专业应用两大门类，当然以家庭应用数量巨大，其 中进入家庭的销量最大的是CRT彩色电视机、液晶 平板电视机、等离子电视机：MD前投影机和背投影 机目前以专业应用为主。众所周知，我国在显示技术 上与国外的差距还是较大的，平板显示技术上我们 缺乏核心技术。所以在生产平板显示器满足市场的 需求时，更应该在其它的大屏幕显示技术领域如 MD投影显示技术、OLED大屏幕显示技术等方面 迎头赶上，不能老是跟在别人的后面走。 作者简介：阎双耀]93卜)，河北安平人，教授级高级 师，1964年毕业于清华大学无线电电子学系，长 期从事工业电视和广播电视彩色电视接收机的设计开 发和生产技术工艺管理，从1996年开始进行CRT彩 色投影电视机、LCD投影电视机和LCoS投影电视机 的设计开发及生产技术工艺管理，现为中国电子视像 行业协会大屏幕显示设备分会专家委员会委员， E—mail：ysy@newpeony．com．cno May，2∞9，总第l∞期 幸 家 的 ．黾 孝 万方数据 浅谈大屏幕显示 作者： 阎双耀， YAN Shuang-yao 作者单位： 中国电子视像行业协会大屏幕显示设备分会专家委员会,北京,100026 刊名： 现代显示 英文刊名： ADVANCED DISPLAY 年，卷(期)： 2009(5) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xdxs200905002.aspx