各类投影技术原理及适合用途

《各类投影技术原理及适合用途》由会员分享，可在线阅读，更多相关《各类投影技术原理及适合用途（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、一、概要 投影仪目前已广泛应用于演示和家庭影院中。在投影仪内部生成投影图像的元件有 3 类，根据元件的使用种类和数目，产品的特点也各不同。另外，投 影仪特有的问题包括，画面会因投影角度的不同而出现失真，在屏幕前面要留出一定的空间等。解决办法是采取失真补偿和实现短焦等措施。 投影仪是一种用来放大显示图像的投影装置。目前已经应用于会议室演示以及在家庭中通过连接 DVD 影碟机等设备在大屏幕上观看电影电影。在电影院，也同样已开始取代老电影胶片的数码影院放映机，被用作面向硬盘数字数据的银幕。 说到投影仪显示图像的原理，基本上所有类型的投影仪都一样。投影仪先将光光线 照射到图像显示元件上来产生影像，然后

2、通过镜头进行投影。投影仪的图像显示元件包括利用透光产生图像的透过型和利用反射光产生图像的反射型。无论哪一种类 型，都是将投影灯的光线分成红、绿、蓝三色，再产生各种颜色的图像。因为元件本身只能进行单色显示，因此就要利用 3 枚元件分别生成 3 色成分。然后再通过棱 镜将这 3 色图像合成为一个图像，最后通过镜头投影到屏幕上。使用图像显示元件，分别产生红、绿、蓝三色图像，然后通过合成进行投影。 图 1：投影机的基本原理 图像显示元件包括 3 类（见图 2）。其中采用液晶的有 2 类，分别是采用光透过型液晶的透过型液晶元件和采用可反射光的反射型液晶的元件。后一种元件是 DMD（数字微镜元件），每个像

3、素使用一个微镜，通过改变反射光的方向来生成图像。 图 2：3 种图像显示元件，点击放大 分别是采用液晶的透过型液晶元件和反射型液晶元件，以及利用镜子产生像素的 DMD。3种元件各有利弊。 图 3：反射型液晶元件采取的措施 点击放大 投影机使用的反射型液晶元件大体上采取如下 3 种措施：（1）采用无机材料的定向膜，易于控制液晶；（2）通过减小液晶层厚度，提高响应速度；（3）通过取消液晶中的障碍物即隔离片（Spacer），提高光的利用效率。 二、二、LCD 投影机 1、结构与结构与液晶液晶面板相同的透过型元件面板相同的透过型元件 透过型液晶元件生成图像的原理与已经广泛用作普通电脑显示屏的液晶显示器

4、相同 。 在日本国内，精工爱普生和索尼两公司已经开始提供这种元件。投影仪用的液晶元件是用高温多晶硅液晶制造的。因为它不同于普通液晶显示器，通过将小像素生成的图像放大至数百倍后进行投影，因此极其微小的缺陷放大后都会非常明显，在制造的时候需要相当高的精度。 透过型液晶元件的工作原理与液晶显示器完全相同。液晶分子在加电后方向就会改变，由液晶分子的方向来调节是否让光线通过，以此显示白色和黑色。 其缺点是光的利用效率较差。这是因为透过型液晶面板由多层构成，因此只能保证 3 成左右的入射光通过。 透 过型液晶元件的尺寸越来越小。透过型液晶元件一般在 0.70.8 英寸之间，不过为了控制成本，主流投影仪使用

5、的元件都在 0.7 英寸左右。然而，元件越 小，透过光的面积就越小，因而图像就越暗。因此，使用小元件时为了确保亮度，投影灯就要大一些，而且为了提高透过光的效率，光学系统也会变大。“由于在使 用小液晶面板时，为了确保亮度，必须照射更多的光线，因此机身反而会更大。而尺寸为 0.9 英寸左右的话，不仅可确保足够的亮度，同时还能设计到更小。“ （投影仪专业制造商 nec 显示技术公司投影系统业务部商品规划部经理高木清英） 透过型液晶元件会因长时间使用而老化 。 这是因为用来调节液晶分子方向的定向膜和控制光线方向的偏光板等采用的是有机材料。由于投影灯功率高，因此不仅发热，而且光线很强，所以会使有机材料产

6、生化学变化 。 材料老化的程度因投影灯的使用模式和用户使用方法的不同有很大差异。 2、适合视频播放的反射型液晶元件适合视频播放的反射型液晶元件 在可实现高画质的液晶元件中有一种反射型液晶。最大的特点是显示视频时至关重要的响应速度非常快，而且由于对比度高，因此黑色显示得非常清晰。这种液晶适合于显示电影等视频播放。 目前已有三家日本公司开发成功了这种元件。JVC、日立制作所和索尼已经分别于 1997 年、2001 年和 2003 年发布了这种元件。JVC 的元件名为“D-ILA“，索尼的元件名为“SXRD“。 反 射型液晶元件由于光的利用效率比透过型高，因此能够制造出高亮度的投影仪。在液晶部分的下

7、面有一层反射光线的薄膜，能够反射 67 成的光线。对比度高是因 为关闭电压时液晶采用的是垂直排列方式。这种方式称为垂直定向。由于不加压时，为黑色显示，因此能够更清晰地表现黑色。反射型液晶元件的优点在显示暗画面 时更容易理解。在漆黑的画面上显示黑衣服和头发时，能够不受背景的影响进行显示（JVC ILA 中心规划部经理柴田恭志）。 投 影仪用的反射型液晶元件的响应速度高是因为在液晶部分采取了一定的措施 （见图 3） 。通过将液晶层减小到 2m 以下，提高了响应速度。一般来说，液晶面板为 了确保均匀的薄度，要在液晶中加入名为隔离片的辅助材料。这种隔离片的厚度就是液晶层的厚度。但 JVC 的 D-IL

8、A和索尼的 SXRD，通过在制造方法和封 装材料上下功夫，在不使用隔离片的情况下实现了 2m的厚度。“通过取消隔离片，解决了在像素显示部分会显出隔离片的问题。利用封装材料确保了液晶单元的 厚度。“（索尼投影显示器公司投影仪引擎部综合部长桥本俊一） 3、LCD 投影结构原理 下 面以液晶投影仪为例介绍一下此类产品的结构（图 7）。首先要将对身体有害的紫外线和影响到温度的红外线从投影灯发出的光线中去除掉。然后根据波 长将光分离成红、绿、蓝 3色。分离光线时采用一种名为“分色镜“的特殊镜片。分色镜具有只让特定波长的光通过而反射其他光线、或者只反射特定光而让剩余光 线通过的特性。先分离红色，接着分离绿

9、色，最后剩下的就是蓝色光。有的产品则按蓝、绿、红的顺序进行分离。由图像元件生成 3 色图像，然后利用棱镜将这些光 进行合成。为了形成自然色，按红 3、绿 6、蓝 1 的比例对光线进行合成。 图 7：液晶投影仪的结构 投影灯发出的光线首先被分割成紫外线和红外线。然后利用名为分色镜（Dichroic Mirror）的特殊镜片将其分成红、绿、蓝 3 种光。生成 3 色图像后，利用棱镜合成后进行投影。减少元件上造成梯形失真部分的像素。分辨率会因此而下降。 图 8：梯形失真补偿技术 三、三、DLP 投影机投影机 DLP （Digital Lighting Processing） 即数据光处理。DLP 投

10、影机的核心部件为 DMD （DIGItal Micromirror Device）即数据微镜装置，其它的部件还有：氙灯泡、光学棱镜和投射镜头。其工作原理是：当光线经过棱镜分解为 R、G、B 三原色后，投射 DMD 芯片。DMD 芯片上有很多微小的镜片组成 （如果分辨率是 800 600 ， 则 DMD 芯片上有 48 万个小镜片） ， 每个小镜片均可在+10 与-10 之间自由旋转并且由电磁定位。信号输入后，在经过处理后作 用于 DMD 芯片，从而控制镜片的开启和偏转。入射光线在经过 DMD 镜片的反射后由投影 镜头投影成像。 DLP 投影机的技术关键点如下：首先是数字优势。数字技术的采用，使

11、图像灰度等级达256-1024 级，色彩达 256 -1024 种，图像噪声消失，画面质量稳定，精确的数字图像可不断再现，而且历久弥新。其次是反射优势。反射式 DMD 器件的应用，使成像器件的总光效率达 60%以上，对比度和亮度的均匀性都非常出色。在 DMD 块上，每一个像素的面积为 16 m16，间隔为 1m。DLP 投影机根据基 DMD 芯片的数量又分为单片、双片和三片 DMD 投影机。DLP投影机清晰度高、画面均匀，色彩锐利，三片机亮度可达 2000 流明以上，它抛弃了传统意义上的会聚，可随意变焦，调整十分便利；分辨率高，不经压缩分辨率可达 1024768（有些机型的最新产品的分辨率已经

12、达到 12801024）。 DLP 投影机是一种继 LCD 投影机后发展起来的投影显示技术，它的 一些显着特点是：由于采用的是反射成像方式，因而光的利用率非常高，所以亮度可以做到最高。另外 DLP 投影机的色彩和亮度一致性也不错。在分辨率方面，部分机型也达到了 12801024。可以说 DLP 投影机正处于一个不断发展完善的过程。 1、DMD 投影仪有的还使用微镜元件。这就是美国德州仪器开发的 DMD。由于 DMD 专利归该公司所有，因此只有该公司进行生产和供货。采用 DMD 的投影仪称为 DLP（数字光处理）投影仪。 DMD 的每一个像素都是一面镜子，在半导体底板上排列着和像素一样多的微镜。

13、微镜边长仅 14m。使用微镜最多的 DMD 是大约 80 万像素的型号。通过在 0.7 英寸（对角线长度）底板上的大约 80 万枚微镜逐枚动作来显示图像。 每一枚微镜以对角线方向为轴左右倾斜（见图 4 左）。采用静电引力移动微镜。微镜本身施加 20V 电压，在对角线一端下方施加 5V，另一个施加 0V 电压后，由于 0V 一端的电位差较大，因此微镜就将向这一侧偏移。 图 4：DMD 结构（左），以及用 DMD 生成图像的原理（右） 点击放大 利用微镜角度改变反光方向。显示白色时设置成反射光朝向镜头的角度。显示黑色时光线则光被吸收板所吸收。结构示意图由日本德州仪器提供。 通 过倾斜 DMD 的方

14、向来改变光线反射角度，来实现白色和黑色（见图 4 右）。当微镜向某个方向倾斜 10 度时，通过调整光线将反射到镜头方向，反方向倾斜 10 度 时光线将反射到光吸收板上。这样一来，光线朝镜头反射时显示白色，朝光吸收板反射时显示黑色。中间色调则通过在极短时间内反复切换白色和黑色来实现。 与液晶元 件相比，DMD 的像素具有更高的图像显示性能。首先是对比度高。对比度最高可达 3000：1。另外对信号的响应速度快。响应速度约为 15 微秒，差不多是液 晶的 1000 倍。响应速度越快，越能平滑地显示视频图像。而且 DMD 的光利用效率更好。由于像素由微镜组成，因此照射来的光线有 9 成会反射出去。不过

15、，虽 然性能高，但每个像素的均价也高。 包括 4 类。单板式 DLP 投影仪和使用 3 枚透过型液晶元件的液晶投影仪是面向演示及家庭影院的普及型产品。使用反射型液晶的液晶投影仪和 3 板式 DLP 投影仪则是面向电影院数字放映机和大厅及各种大众活动的高价位产品。 只使用一枚 DMD 的单板式 DLP 投影仪通过高速旋转彩色滤色器 ， 按顺序分别向 DMD 照射红、绿、蓝三色光。DMD 连续显示各色图像，然后通过镜头进行投影。根据日本德州仪器的公开资料制作而成。 2、DLP 技术的原理及应用 众所周知，目前应用最广泛的投影机技术有两大类，分别是 DLP 与 LCD。它们代表了现今的主流，而 DL

16、P 以其自身的种种优势正在吞噬 LCD 投影机的市场。 DLP 到底有何魅力能使得它逐渐被人们所接受?是德州仪器的独家垄断还是它有“独门绝技“?本文将带您走进 DLP 的世界，让我们一起揭开它那“神秘的面 纱“。 DLP 技术概念定义 DLP 全称 Digital Light Processing(数字光学处理)，它是由美国德州仪器(TI)公司发明的、专门用于投影和显示图像的全数字技术。DLP 技术以数字微镜装置或称作 DMD 芯片的光学半导体为基础构成。 DLP 技术的发明人和发明时间：德州仪器公司 Larry Hornbeck 博士于 1987 年发明。在 DLP 技术诞生的年代里，受到科技水平的限制，DLP 投影机无法实现量产和真正的商业化。直到 20 世纪末 DLP 技术才逐渐被人们所认识。 DLP 技术的工作原理 DLP(Digital Light Processing)投影机的核心技术是 DMD 芯片(反射微镜)。单片 DLP 投影机只有一个 DMD 成像部件，DMD 上有与屏幕图像像素点一一对应的反射 微镜。来自光源的光经分