家庭影院LCoS显示技术评测

前言

　　硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon, LCoS)是一种相对较新且不为人所熟悉的显示技术，该技术现正大举进入高清电视(HDTV) 市场。然而真正引人注目的是，这种技术一开始的起点就非常高，并不是用传统的方式起步，即采用和现有技术差不多的性能，然后再慢慢把画面质量提升到更高水平。在所有显示技术中，LCoS的分辨率、对比度(对非CRT显示器而言)是最高的，图像最为自然。有些用户对图像闪烁比较敏感，眼睛容易疲劳，而 LCoS则具有最高刷新率(120Hz)，可提供最为平滑且无闪烁的画面。本文将深入分析五种LCoS高清电视，其中除了一种其余都是原型样机，希望能够帮您了解这一正在发展的技术。

　　当然，LCoS并不能算是新事物，阶因开发已超过十年，JVC实际上从1998年就开始应用这种技术生产高端专业级投影仪，但时至今天这个市场相对来说还非常小。同时这也是一种非常难于改进的技术，不少公司要不放弃了要不就已经破产。汤姆逊公司(采用 RCA品牌)于2001年制造出第一台商业化LCoS高清电视，东芝(采用日立LCoS芯片) 和飞利浦紧随其后也相继推出，但这些公司到2004年10月都停止了。英特尔在2004年1月宣布开始制造LCoS芯片震惊了业界，但随即在2004年 10月停止了该计划，其间没有取得任何成果。因此，LCoS的前景遭到很多分析师质疑，实际上该技术仅仅是在为真正进入高清电视市场进行整合。

　　JVC于2004年7月推出其第一台背投1280×720高分辨率电视，拉开了第二代LCoS的序幕，索尼紧接着于2005年1月推出高端1920× 1080 Qualia电视，之后Brillian也从2005年中开始向市场提供1280×720电视。9月初我写完这篇文章的时候，全球只有几款LCoS高清电视可以购买，不过JVC和索尼刚刚宣布了其第二代高清电视，LG也推出了第一款(采用SpatiaLight的LCoS芯片)，另一家主要供货商日立计划于2005年底推出LCoS高清电视。因此，在本文中我们有幸对一些预先发布的样机进行测试评估，下面就是我们得到的一些结果。

　　评测简介

　　即使你是一个专家，也很难找到一个地方可以对高清电视的图像和画质进行评估。在展览会或制造商展示厅里，你看到的节目极可能是经过精心挑选，而且还可能进行了微调，使各个型号的效果都比正常情况要好。在商店展示室里，观看条件、环境光线、视频信号质量以及视频源质量通常千差万别，效果无法达到理想的状态，而高清电视本身也没有调到最好(有时是因为前面的顾客调整了设置)，所以你通常都会看到在放动画片，因为比较饱和的颜色和人工图画可使观众对电视产生一种好的错觉。

　　对任何显示技术的图像和画质进行评估的最好方法是把多部电视放在一起，仔细控制各种条件，一个挨一个地同时进行测试，让所有电视都显示完全一样的高品质画面。你需要一个理想的观看环境、D6500背光、出众的视频信号源，以及一流的视频信号分配系统。然后，让各制造商派出最好的工程师，仔细设置调节他们的电视直到达到最佳图像和画质效果。2005年 7月我们一整个月都在做这样的事情，这是一件花时间的工作，但结果非常有意思，绝对值得花费所需的资源。

　　这个过程称为“评测”，它并不是要一决雌雄，但确实对每个显示器都是极大的挑战。由于每台机器单独看时都非常好，但和其它一些优秀的机型一起显示同样的高质量画面时，很多地方就较逊色，即使很细微的差异也会非常明显地表现出来。在评测中，我们首先用上百个DisplayMate的1280×720和1920×1080两种高清电视分辨率的测试图像对这些电视进行测试，我们用两台高级光谱分析仪仔细测量每台电视的光度和色度。测试时，我们邀请了34位评审员观看一个多小时高质量视频节目，然后进行比较和视觉评估。图1显示了照明灯打开时评测设置情况，这些电视就沿着在我的家庭影院附近的一面35英尺墙排列着。

                     
　　本文简介

　　本文的第一部分先介绍参加测评的高清电视，然后介绍LCoS技术总体情况。本文第二部分，即2005年12月第103期，将继续讨论如何进行测试，然后详细检查这些电视的光度与色度。第三部分，即2006年1月第104期上，将先做测试图像的分析，然后介绍评审团测试，之后是每台机器的个别评估结果、LCoS技术评估结果，以及与其它显示技术的比较。

　　请注意本文是Widescreen Review杂志从2004年9月到12月即第88到91期刊登的显示技术评测系列的最新一个，该系列涵盖了CRT、液晶电视(LCD)、等离子以及 DLP显示技术，原来系列的主题分别是：一、基本参数；二、灰场和颜色准确性；三、显示伪影和影像质量；四、显示技术评估。

　　参评高清电视

　　在我们计划开始进行评测时市面上只有两款LCoS高清电视，所以我决定扩大样本面，劝说几家制造商为我这篇文章把他们宝贵的实验室样机借给我，目的是把每家LCoS制造商的产品(用色轮的除外)都包括进来，而目前只有五家制造商：JVC、索尼、Brillian、eLCOS和SpatiaLight。市面上还有其它一些品牌的LCoS高清电视，但它们都采用以上几家提供的器件。我们包括了两种标准高清电视分辨率：1280×720约一百万像素以及1920×1080约两百万像素，在本文中分别称为720或1080型。(这里后面不用再跟代表逐行扫描的p，因为所有机型都是逐行扫描的，请见下。)

　　JVC和索尼都不用再作介绍，但另外三家对大多数消费者来说还相当陌生。Brillian是一家小型初创公司，总部在亚利桑那州的Tempe，是美国唯一一家高清电视制造商。他们提供了一台65吋720型样机(目前已经上市)，并努力在评测之前提供多一台1080型。eLCOS也是一家小型初创企业，他们和光引擎制造商JDS Uniphase、屏幕制造商DNP以及视频处理器制造商Silicon Optix合作，提供了一台56吋1080型实验室演示样机。请注意该公司提供的机型还不能称之为样机，因为它不是为大规模生产而设计的。 SpatiaLight也是一个小型初创企业，提供LCoS芯片和驱动电路，曾用在2005年9月LG新推出的71吋1080 高清电视中。SpatiaLight同意参加测评但没能及时提供样机。

　JVC提供了两台：消费品事业部送来了他们已上市的61吋720高清电视，只有不到4,000美元普及价格，而专业产品事业部则送来了他们为电视与电影后期制作而设计的48吋1080基准显示器样机，其价格定位面向高端专业市场，设计用来与索尼的高端专业级CRT竞争(我们将在第三部分对其进行比较)。注意JVC两个型号所采用的LCoS技术是不同的，普通型具有数字背板，采用脉宽调制控制每个像素(见第三部分与下文)，而专业级使用模拟电压控制每个像素(见下文)。索尼已经于2005年1月推出70吋1080 Qualia 006，所以我们邀请了索尼，但该公司拒绝参加测评。

　　每个参与测评的制造商资料请详见后面的高清电视制造商介绍，表1显示了每种机型的基本信息，注意表中型号是以分辨率按字母顺序排列的。JVC Consumer价格有两个来源都列在表上，一个是制造商建议零售价，另一个是我在市场上能找到的最低实际售价，其它都将以表中所列价格即将在市面上发售。

　　LCoS技术

　　LCoS是用液晶控制图像像素亮度的最新显示技术，液晶技术最广泛应用形式是大型无定形硅LCD芯片，用于直接观看的计算机显示器、电视以及高清电视，典型尺寸从5吋到82吋(截至2005年8月31日的纪录)，下一个应用将是更小的高温多晶芯片，用于视频和数据投影仪，这些应用尺寸大约只有1吋，所有都会用于大屏幕LCD背投电视及高清电视。这两种技术用的光源都在芯片的后面，光线必须穿过芯片来到前面，包括芯片内控制像素的所有电路和组件，但这些部件阻断了很多光线，并在像素之间形成沟道，因此分辨率越高，问题就越多。第二个主要问题是液晶相对来说需要比较厚以便得到较高对比度，这会使响应时间减慢，因而在图形运动或变化时会形成拖影。

　　LCoS的基本原理是在液晶层后面用一个镜子，光线从前面进来后穿过液晶层，经过镜子反射再次穿过液晶层射到屏幕上。这需要稍微复杂一些的光学部件，但确实非常有用，它有几个直接明显的优点，如所有电子部件都在镜子后面，完全在光路以外。在它后面有很大空间，这样就可能达到难以置信的高分辨率，LCoS在所有显示技术中分辨率最高。另外因光线两次穿过液晶，可以达到很高对比度但依然非常薄，从而大大改善响应时间减少拖影。我们将在第三部分讨论LCoS的优点和缺点。

　　那么它是怎样工作的？液晶可以使光线的偏振性发生偏转，而偏转量可通过电场进行控制。镜片后面的硅片产生控制每个像素的电场，实际上镜片就是硅片最上一层，液晶直接装在镜片上面，这也是它叫做“硅基液晶”的原因。大多数芯片的尺寸为四分之三英寸，图2a显示了一个LCoS芯片的照片。生成图像时，偏振光聚焦在芯片上，通过变换每个像素后面电场来控制其亮度。电场使光线发生偏转，然后用一个偏振过滤器把偏转部分挡住。硅片产生电场实际上就像计算机内存芯片一样工作，按照像素的行列进行组织，每个像素都有一个地址，就像内存位置一样，图2b显示了一个LCoS的截面图。

　　如同其它显示技术一样，每家制造商都有他们专用的实现方法，并会取一个特殊的名称，如表1和表2所示。所有制造商都指出他们使用带无机排列层的垂直分布液晶，垂直排列可提高对比度，并在驱动信号为零时使屏幕呈现自然的黑色。无机排列层可避免早期有机排列层老化的问题，所以所有这些LCoS技术都有很长的寿命。

表1：参加测评的高清电视机型号。

　　表2列出各制造商1080 LCoS芯片的规格，为了使信息更为完整，我们在表中包含了没有参加测评的索尼和SpatiaLight产品。索尼信息有两个来源，一个是Qualia 004和006里的第一代芯片，另一个是2005年8月推出的XBR产品里的第二代芯片。

表2：1920 x 1080 LCoS芯片性能指针

　　芯片对比度可能是表中最重要的数值，因为高清电视屏幕对比度总是比芯片的数值小。像素间距是芯片上像素中心与中心之间的距离，像素间隙是他们之间无效空间。开口率是指有效像素区域所占的百分比。由于它接近100%，所以屏幕上像素之间的间隙通常不会被注意。LCoS的开口率比DLP微显要高几个百分比，而高温多硅液晶投影仪芯片通常的数值较小，只有百分之五十到七十，所以其像素结构通常能被看到。寿命包括多种因素，但只能通过实验室测试推断进行统估，所有厂家提供的数值都大于10万小时，也即如果一天开24小时可连续放11年以上。人们关心主要在于随时间延长亮度和对比度的损耗，也就是所谓的老化，这将导致通常所说的图像灼影，但所有制造商都声明老化和灼影都不会在无机排列层中产生。
信号电平是指在芯片线路控制LCoS芯片的数据位数，位数越高灰场越平滑，越不容易出现色差线条。

　　响应时间是业界一个标准，表示像素从黑到白的时间(上升时间或者Ton)加上从白到黑的时间(下降时间或者Toff)的总时间，响应时间是测量图像变换速度并提供运动图像移动拖影的可见程度，通常越小越好，但移动拖影涉及到多个因素。遗憾的是，有些制造商提供的响应时间是平均上升下降时间，而不是他们的和，使显示数值比实际的要快两倍。所以要非常注意响应时间指标，要确保你知道制造商用的是哪一种方法。(比如索尼Qualia SXRD芯片响应时间用的是总时间5ms，但最新的XBR SXRD芯片则用平均时间2.5ms作为响应时间，所以显示出来数值的要快两倍，而实际上并没有。) 我们在表中把上升时间和下降时间都列了出来，以显示实际情况。

　　控制每个像素亮度的物理过程不管是LCoS还是所有其它液晶技术实际都是模拟技术，这是一个优点，因为人的视觉也是一个模拟过程，可以避免全数字显示技术如DLP和等离子具有的图像抖动(见系列专题三、四和本文第三部分)。然而实际上也可以设计芯片的硅背板让它被模拟电压或数字信号脉宽调制PWM来驱动。它们的最终结果仍然是液晶模拟显示，但这是用两个完全不同的方法完成，各自有不同的优缺点，我们将在之后讨论。(数字方法类似地灯调光器用电子脉冲控制模拟钨灯。)表1和表2中的设备控制技术列出了每种机型应用的方法，数字背板通常产量较高，制造更加便宜(但不是所有制造商都同意这一观点)，且驱动电路也更加便宜。但是目前用数字技术得到平滑的灰场还比较难(尤其在暗场里)，所以这也是很多型号使用模拟背板的原因。

　　光学与电学组件

　　除了芯片外，LCoS高清电视还有其它关键的零部件，如包含从灯泡到投影镜头所有光学部件的投影灯引擎。它首先准备光束，照亮细小的LCoS芯片，然后通过一个约80比1的线性比例因子将图像放大，面积放大比例约6,400比1(以60英寸屏幕为例)。这里所涉及的技术并不等于LCoS芯片本身，对屏幕上看到的图像质量同等重要，它通常是投影高清电视里最贵重的部件。图2c显示了一个投影光学引擎，注意我们这里所有高清电视都采用3片LCoS芯片，分别对应红、绿、蓝三基色。滤光板首先将光线分为用于LCoS芯片的3种基本颜色，然后用一组棱镜在投影镜头前面将基本色重新合成为一束光。屏幕是光学系统另一个重要的部件，它对成像质量也有很大影响，好的屏幕相当昂贵。另外还有两种非常重要的光学部件，一个是在投影镜头和屏幕之间吸收杂散光线的黑色内部空间，第二个是在机箱后部前表面平面镜，可将投影镜头光通路方向改变射向屏幕。

                       
                 图2 (a)LCoS D-ILA芯片，JVC提供。

                              
图2 (b) LCoS D-ILA芯片截面图，JVC Professional Products提供。

            
                图2 (c) 投影光学引擎，Brillian公司提供。

　　还有两个电路组件我们经常提及，一个是芯片线路控制部分，负责所有LCoS芯片的底层直接控制，另一个是前端板，具有所有高清电视输入接口，它将所有其它不同输入信号(复合视频信号、S-video、合成视频信号、RGB、DVI以及HDMI)转换为芯片线路所需的数字格式，它还管理屏幕菜单，实现用户与服务的调整和控制。芯片线路通常只有工厂才能进行控制，包括控制LCoS芯片所需的低级伽马表。