投影儀是用來(lái)放大顯示圖像的投影裝置。目前，它已用于會(huì)議室演示和通過(guò)連接DVD播放機(jī)和家庭其他設(shè)備在大屏幕上觀看電影。在電影院里，數(shù)字電影放映機(jī)也被用作硬盤(pán)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的屏幕，數(shù)字電影放映機(jī)也開(kāi)始取代舊電影。

投影儀的原理是什么

說(shuō)到投影儀成像的原理，幾乎所有類(lèi)型的投影儀都是一樣的。投影儀首先將光線照射到圖像顯示元件以產(chǎn)生圖像，然后通過(guò)透鏡將其投射出去。投影儀的圖像顯示元件包括通過(guò)光傳輸生成圖像的傳輸類(lèi)型和通過(guò)反射光生成圖像的反射類(lèi)型。不管是哪種類(lèi)型，投射燈的光線分為紅色、綠色和藍(lán)色，產(chǎn)生各種顏色的圖像。因?yàn)榻M件本身只能顯示單色，所以需要使用三個(gè)組件來(lái)生成三個(gè)顏色組件。然后通過(guò)棱鏡將三色圖像合成成圖像，并通過(guò)透鏡投射到屏幕上。

投影儀原理

利用圖像顯示元素，分別生成紅色、綠色和藍(lán)色圖像，然后進(jìn)行合成投影。

有三種類(lèi)型的圖像顯示元素(見(jiàn)圖2)。其中，液晶有兩種，一種是采用透光液晶的透射式液晶元件，另一種是采用反射光的反射式液晶元件。后者是dmd(數(shù)字微鏡元件)。每個(gè)像素使用微鏡通過(guò)改變反射光的方向來(lái)生成圖像。

三種圖像顯示元件

分別使用了液晶的透射和反射液晶元件以及由反射鏡產(chǎn)生的像素的dmd。這三個(gè)部分各有利弊。

反射液晶元件采取的措施

投影儀中使用的反射式液晶元件一般采取以下三種措施：(1)采用無(wú)機(jī)定向膜，便于液晶的控制;(2)減小液晶層的厚度，提高響應(yīng)速度;(3)通過(guò)消除液晶中的障礙物，即間隔物，提高光的利用效率。

與液晶面板結(jié)構(gòu)相同的發(fā)射元件

透射式液晶元件產(chǎn)生圖像的原理與一般計(jì)算機(jī)顯示屏上廣泛使用的液晶顯示器相同。在日本，精工愛(ài)普生和索尼已經(jīng)開(kāi)始提供這個(gè)組件。投影儀中使用的液晶元件是由高溫多晶硅液晶制成的。由于它不同于普通的液晶顯示器，通過(guò)將小像素產(chǎn)生的圖像放大到幾百倍后再投影，放大后會(huì)出現(xiàn)非常明顯的微小缺陷，這就需要相當(dāng)高的制造精度。

透射式液晶元件的工作原理與液晶顯示器的工作原理完全相同。液晶分子帶電后，其取向發(fā)生了變化。液晶分子的方向調(diào)整光是否通過(guò)，以顯示白色和黑色。

缺點(diǎn)是光利用效率差。這是因?yàn)橥该饕壕姘逵啥鄬咏M成，所以只有大約30%的入射光可以通過(guò)。

透射型液晶元件的尺寸越來(lái)越小。透射率LCD元件通常在0.7到0.8英寸之間，但為了控制成本，主流投影機(jī)使用的是0.7英寸左右。然而，元素越小，光線通過(guò)的區(qū)域越小，圖像越暗。因此，為了保證使用小部件時(shí)的亮度，投影燈應(yīng)該更大，為了提高光的傳輸效率，光學(xué)系統(tǒng)會(huì)變得更大?！币?yàn)樵谑褂眯⌒鸵壕姘鍟r(shí)，為了保證亮度，必須有更多的光線照射，所以機(jī)身會(huì)更大。如果尺寸在0.9英寸左右，不僅可以保證足夠的亮度，而且可以設(shè)計(jì)得更小。

由于長(zhǎng)期使用，穿透性液晶元件會(huì)老化。這是由于有機(jī)材料在定向薄膜中的使用，用來(lái)調(diào)節(jié)液晶分子的方向，而偏振器用來(lái)控制光的方向。由于投光燈的高功率，它不僅產(chǎn)生熱量，而且有很強(qiáng)的光，所以會(huì)引起有機(jī)材料的化學(xué)變化。不同的投影儀模式和用戶模式，材料老化程度差別很大。

視頻播放用反射液晶元件

液晶元件中有一個(gè)反射液晶，可以獲得高畫(huà)質(zhì)。最重要的特點(diǎn)是在顯示視頻時(shí)，臨界響應(yīng)速度非常快，并且由于高對(duì)比度，黑色顯示非常清晰。該液晶顯示器適用于電影顯示等視頻播放。

目前，已有三家日本公司成功開(kāi)發(fā)了該組件。合資公司、日立和索尼分別于1997年、2001年和2003年發(fā)布了這些組件。JVC組件稱(chēng)為“D-ILA”，索尼組件稱(chēng)為“SXRD”。

反射式液晶元件比透射式液晶元件具有更高的光效率，可以產(chǎn)生高亮度的投影儀。液晶部分下面有一層薄膜反射光，可以反射6-70%的光。高對(duì)比度是由于當(dāng)電壓關(guān)閉時(shí)液晶的垂直排列。這種方式叫做垂直方向。因?yàn)樵诓患訅旱那闆r下，它是用黑色顯示的，所以它可以更清楚地顯示黑色。反射式液晶元件的優(yōu)點(diǎn)在顯示深色圖片時(shí)更容易理解。當(dāng)黑色衣服和頭發(fā)顯示在黑屏上時(shí)，它們可以在不受背景影響的情況下顯示。

投影儀中使用的反射液晶元件的高響應(yīng)速度是由于在液晶部分采用了某些措施(見(jiàn)圖3)。通過(guò)將液晶層減小到小于2μm來(lái)提高響應(yīng)速度。一般來(lái)說(shuō)，為了保證均勻的薄度，液晶面板需要在液晶中添加一種叫做隔離器的輔助材料。隔離器的厚度是液晶層的厚度。但合資公司的d-ila和索尼的sxrd通過(guò)其制造方法和包裝材料，在不使用隔離器的情況下，實(shí)現(xiàn)了2微米的厚度。”通過(guò)去除隔離器，解決了在像素顯示單元部分顯示隔離器的問(wèn)題。采用封裝材料保證了lcd單元的厚度。

如何使用鏡頭反射

每個(gè)像素都有一個(gè)反射光的微鏡。

一些投影儀也使用微鏡元件。這是德州儀器公司開(kāi)發(fā)的DMD。由于DMD專(zhuān)利屬于該公司，只有該公司生產(chǎn)和供應(yīng)這些專(zhuān)利。使用DMD的投影儀稱(chēng)為DLP(數(shù)字光處理)投影儀。

DMD的每個(gè)像素都是一個(gè)鏡子，在半導(dǎo)體基板上布置有與像素一樣多的微鏡。微鏡的邊緣長(zhǎng)度只有14微米。最微鏡的DMD大約是80萬(wàn)像素。通過(guò)在0.7英寸(對(duì)角線長(zhǎng)度)的地板上逐個(gè)移動(dòng)大約80萬(wàn)個(gè)微鏡來(lái)顯示圖像。

每個(gè)微鏡在對(duì)角線方向左右傾斜。靜電引力用于移動(dòng)微鏡。微鏡本身施加20V電壓，對(duì)角線一端下方5V，另一端下方0V電壓。由于0V一端的電位差很大，微鏡會(huì)向這邊移動(dòng)。

通過(guò)使用微鏡的角度改變反射方向。當(dāng)顯示白色時(shí)，將設(shè)置反射光朝向鏡頭的角度。黑光被吸收體吸收。

白色和黑色是通過(guò)傾斜DMD的方向來(lái)改變光反射的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖4的右邊)。當(dāng)微鏡向一個(gè)方向傾斜10度時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)光線，光線將被反射到鏡頭的方向。當(dāng)微鏡向相反方向傾斜10度時(shí)，光線會(huì)反射到吸光板上。這樣，光線反射到鏡頭時(shí)是白色的，反射到吸光板時(shí)是黑色的。中間色調(diào)是通過(guò)在很短的時(shí)間內(nèi)反復(fù)切換白色和黑色來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

與液晶元件相比，dmd像素具有更高的圖像顯示性能。首先是高對(duì)比度。最高對(duì)比度可達(dá)3000:1。此外，對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度很快。響應(yīng)速度約為15微秒，幾乎是液晶的1000倍。響應(yīng)速度越快，顯示的視頻圖像越平滑。此外，dmd具有更好的光效率。由于像素是由微鏡組成的，因此90%的光被照亮后會(huì)被反射。然而，雖然性能很高，但每個(gè)像素的平均價(jià)格也很高。

投影儀的類(lèi)型和用途

它包括四個(gè)類(lèi)別。單板dlp投影機(jī)和三個(gè)透射式lcd元件的lcd投影機(jī)是演示和家庭影院的熱門(mén)產(chǎn)品。液晶投影機(jī)和采用反射式液晶顯示器的三板dlp投影機(jī)是電影院數(shù)字投影機(jī)、影廳和各種公共活動(dòng)的高價(jià)產(chǎn)品。

單板DLP投影儀的結(jié)構(gòu)

單板dlp投影機(jī)只有一個(gè)dmd，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)濾色片依次向dmd照射紅綠藍(lán)三色光。DMD連續(xù)顯示各種圖像，然后通過(guò)鏡頭投射?；谌毡镜轮輧x器的公開(kāi)數(shù)據(jù)。

適合小型化的單板投影儀

適合小型化的單板投影儀

投影儀中使用的組件有三種，而實(shí)際使用這些組件的產(chǎn)品分為以下四類(lèi)：

(1)僅使用一臺(tái)DMD單板DLP投影儀;

(2)采用三臺(tái)透射式液晶投影儀。

(3)帶3個(gè)DMD和

(4)帶三個(gè)反射液晶元件的液晶投影儀。根據(jù)投影儀顯示紅、綠、藍(lán)三色圖像的原理，它們基本上是三板式的。然而，像dmd一樣，投影儀可以由一個(gè)具有高性能圖像顯示的組件組成。DMD價(jià)格較高也是采用單板設(shè)計(jì)的原因之一。使用DMD的DLP投影儀基本上是單板的，除了一些大型產(chǎn)品(見(jiàn)圖5)。

單板DLP投影儀不預(yù)先分離光，但通過(guò)紅、綠、藍(lán)三色濾光片，可以依次切換三色(見(jiàn)圖6)。彩色濾鏡每秒旋轉(zhuǎn)60到180次。濾色器發(fā)出的光照在DMD上。DMD連續(xù)高速顯示三色圖像。當(dāng)紅燈亮起時(shí)，顯示紅色分量的圖像。當(dāng)綠燈亮起時(shí)，顯示綠色分量的圖像。DMD反射的三色圖像通過(guò)透鏡投影。

由于其高對(duì)比度和快速響應(yīng)，單板dlp投影機(jī)適合家庭影院和其他視頻顯示領(lǐng)域。而且，光學(xué)系統(tǒng)不需要太大，所以設(shè)計(jì)緊湊，重量輕，便于攜帶，所以也適合隨身攜帶(圖1)。

然而，也有人指出，在單板dlp投影機(jī)中使用彩色濾光片連續(xù)顯示三色圖像也產(chǎn)生了相應(yīng)的缺點(diǎn)。這就是高速圖像顯示導(dǎo)致分色的“彩虹現(xiàn)象”。有人指出，分色可以“震撼你的眼睛”。面向家庭影院的產(chǎn)品通過(guò)提高濾色片的旋轉(zhuǎn)速度，將濾色片分為六種或在三種顏色之外添加白色來(lái)減少這種現(xiàn)象。

小型DLP投影儀

DLP投影儀“V-1100”由Plus Vision在日本推出。它重約1.0公斤，寬180 x，高45 x，長(zhǎng)141毫米。它可以用一只手拿著。

特殊透鏡光譜學(xué)

投影機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，即三片式投影機(jī)，包括以下三類(lèi)：(1)通用型，即使用透明液晶的產(chǎn)品;(2)使用DMD的高價(jià)產(chǎn)品和使用反光液晶元件的高價(jià)產(chǎn)品。

以液晶投影儀為例介紹了該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)(圖7)。首先，有害的紫外線和紅外線影響溫度，應(yīng)該從投影儀發(fā)出的光中去除。然后根據(jù)波長(zhǎng)將光分為紅、綠和藍(lán)。一種叫做“分色鏡”的特殊透鏡用來(lái)分離光線。色譜儀的特點(diǎn)是只允許特定波長(zhǎng)的光通過(guò)并反射其他光，或者只反射特定光并允許剩余光通過(guò)。先是紅色，然后是綠色，最后是藍(lán)光。有些產(chǎn)品按藍(lán)色、綠色和紅色的順序分開(kāi)。由圖像元素生成三幅彩色圖像，然后用棱鏡合成這些光。為了形成自然色，按紅3、綠6、藍(lán)1的比例對(duì)光線進(jìn)行合成。

圖7：液晶投影儀的結(jié)構(gòu)

投射燈發(fā)出的光首先分為紫外線和紅外線。然后，用一種特殊的透鏡稱(chēng)為二色鏡，將其分為紅光、綠光和藍(lán)光。生成三色圖像后，用棱鏡合成圖像并進(jìn)行投影。

圖8：梯形失真補(bǔ)償技術(shù)

減少導(dǎo)致梯形失真的組件上的像素。因此分辨率降低。

不同場(chǎng)合對(duì)投影儀的不同要求

會(huì)議室和家庭使用的不同要求

投影儀根據(jù)部件的類(lèi)型和使用部件的數(shù)量有不同的特點(diǎn)。不過(guò)，除了成分外，實(shí)際產(chǎn)品也根據(jù)用途進(jìn)行了調(diào)整。

投影儀的使用大致可以分為三個(gè)方面。一是在會(huì)議室等場(chǎng)合演示使用，二是在家庭影院觀看電影，三是在影院等場(chǎng)合放映數(shù)字電影的數(shù)字投影儀。

在產(chǎn)品數(shù)量最多的示范和家庭影院方面，12萬(wàn)至60萬(wàn)日元的小規(guī)模產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。就這些產(chǎn)品的銷(xiāo)售而言，約80%是傳輸型液晶器件，約20%是DMD器件。在會(huì)議室和各種活動(dòng)中，電影院使用三臺(tái)DMD DLP投影儀和一臺(tái)反光LCD投影儀。

我們是否重視亮度、對(duì)比度和色彩表現(xiàn)取決于不同的用途。演示用投影儀主要用于會(huì)議室。在會(huì)議室，為了記錄，周?chē)h(huán)境必須達(dá)到一定的亮度。因此，投影儀有亮度要求。如果亮度在1500ansi流明到2000ansi流明之間，即使周?chē)饩€很亮，也可以進(jìn)行正常投影。由于需要顯示表格等小文本，還需要顯示高分辨率。最近，它們中的大多數(shù)已經(jīng)達(dá)到了與計(jì)算機(jī)顯示器相同的xga(1024x 768像素)規(guī)格。

另一方面，家庭影院，因?yàn)樗梢越档头块g的亮度，所以對(duì)亮度的要求很低。相反，對(duì)比度是否能更深刻地表達(dá)黑色，顯示對(duì)皮膚非常重要的紅色。為了提高顯色效果，“通過(guò)改進(jìn)分光鏡的制造工藝，可以充分展現(xiàn)紅綠效果”(一位來(lái)自音視頻解決方案公司投影儀業(yè)務(wù)部商品策劃科杉村一人，三洋電器消費(fèi)集團(tuán))。此外，采用反光液晶元件的高價(jià)位投影機(jī)也開(kāi)始采用光波分布接近自然光、色彩表現(xiàn)良好的佳能投影機(jī)。

通過(guò)增加像素間距修改顯示圖像

對(duì)于投影儀來(lái)說(shuō)，雖然質(zhì)量和其他顯示設(shè)備一樣重要，但由于采用“投影”模式，投影儀也存在一些特殊問(wèn)題。首先，投影角度必須調(diào)整，其次，屏幕和投影儀之間不得有障礙物空間。

由于投影角度不正確，投影儀將產(chǎn)生梯形失真(見(jiàn)圖8)。有時(shí)房間狹窄時(shí)，投影儀會(huì)水平交錯(cuò)或從下面斜投影。水平投影形成左右寬的梯形，斜底向上投影形成上寬下窄的梯形。

這種梯形校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)已成熟，并已應(yīng)用于大多數(shù)產(chǎn)品(見(jiàn)下圖8)。這種技術(shù)被稱(chēng)為“梯形失真校正”。

本文以水平投影與垂直投影之比為4:3為例。上寬下窄的梯形形狀根據(jù)底線將圖片校正為4:3的矩形。為了達(dá)到這個(gè)目的，我們需要改變由組件生成的圖像。也就是說(shuō)，當(dāng)組件上的直接投影增加時(shí)，該部分的像素間距將變寬。也就是說(shuō)，通過(guò)將組件上的顯示調(diào)整為梯形，投影圖像顯示為矩形。但是，像素間距越大的部分分辨率越低。

不同場(chǎng)合對(duì)投影儀的不同要求

校準(zhǔn)技術(shù)也在不斷進(jìn)步。有些產(chǎn)品不僅可以在寬度上下加寬時(shí)進(jìn)行校正，還可以在投影時(shí)通過(guò)傾斜傳感器檢測(cè)機(jī)身角度，從而自動(dòng)校正圖像失真。

一種獨(dú)特的方法是由nec-view技術(shù)開(kāi)發(fā)的校正技術(shù)。通過(guò)使用附帶的遙控器指定顯示屏的四個(gè)角并按下設(shè)置按鈕，可以將其校正為由四個(gè)指定點(diǎn)組成的四邊形。該公司利用自主研發(fā)的芯片實(shí)現(xiàn)了這一校準(zhǔn)技術(shù)。

此外，還開(kāi)展了縮短屏幕與投影儀之間距離的研發(fā)工作。因?yàn)槿绻阆氡苊庠谥虚g投射障礙物，投射距離越短越好。近年來(lái)，短鏡頭焦距產(chǎn)品的需求不斷增加。短焦距鏡頭目前主要用于高分辨率、高成本的機(jī)型。然而，由于鏡片的高成本，它們最初只用于高性能、高價(jià)格的產(chǎn)品。最近，鏡頭價(jià)格逐漸降低，所以?xún)赡昵熬烷_(kāi)始在小規(guī)模產(chǎn)品中使用。

此外，不帶鏡頭的短焦距產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)中。這是由NEC VIEW技術(shù)開(kāi)發(fā)的DLP投影儀“WT600”，它利用鏡頭的反射光來(lái)調(diào)整角度。光線依次反射到四個(gè)非球面透鏡上進(jìn)行投影。由于投影儀可以放置在演示者和屏幕之間，因此無(wú)法投射陰影?！蓖懂a(chǎn)最大的困難是提高亮度。目前，通過(guò)對(duì)濾色片的改進(jìn)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1200安的nsi流明。

由NEC View Technology推出的DLP投影儀“WT600”。60英寸(0.9 x 1.2米)屏幕的投影距離為26厘米。