大屏幕投影显示系统技术

莆袁芃芄芆膂薁大屏幕投影显示系统技术蒈蒂肅蒆虿肄蚅关键字：大屏幕投影超高压UHP弧光灯光学系统成像引擎透射成像 LCD 反射板数字灯光处理 DLP蚂薃蚆蒁膄蒆薆目前用于电视机和计算机显示器的都是CRT（阴极射线管）显示器背投影当然最近两年LCD（液晶显示器）的发展也相当的迅猛，所以许多用户也在使用这种显示器，但是问题是这种显示器目前的售价还是比较贵并且还有许多缺陷，所以普及率并不高。

投影显示器拥有没有LCD延迟时间比较长的缺点，当然由于各种原因它的普及率是目前最少的。

莅聿罿莄羄蚅芀直到现在，投影显示器依然是非常的昂贵：大约是目前的直视显示器（ＤＩＲＥＣＴＶＩＥＷＤＩＳＰＬＡＹ）价格的10－100倍。

而且还有其它的缺点比如体积庞大、重量太重和亮度相对于CRT显示器要低很多。

目前的开发的高级微显示屏及其相关技术已经可以制造出来只有3磅左右的投影显示器了，它的亮度已经可以在一般的室内照明条件下使用了。

当然价格相对较高的缺点依然限制着它的仅仅能够使用在商业和教育领域市场。

艿螁薄螆腿肂螂不过相信这种情况很快就会改变，目前这种成像技术已经开始用于PowerPoint演示机、高清晰度电视和其它的家庭娱乐应用之中了。

目前这种昂贵的设备只能针对高端市场，不过相信随着它的市场接收度的提高、产量的增大，成本应该会逐渐的降低。

也许未来的会成为同现在的CRT显示器争夺市场的产品。

莈蚃芄荿薀羂膇下图是投影显示器的基本架构示意图，可以让我们对于投影成像系统有个大致的了解：袃肅葿莁膁蚄荿投影显示器示意图－－其中浅褐色的部分表示投影机的部分蚃蚈罿莁蒆蕿膀下面我们根据这个示意图来详细的介绍各个部分的功能，让大家了解它的作用以及在目前条件下所需要解决的问题。

光源（Light source）光学系统在投影机中在一般人看来似乎没有什么值得深究的地方，只要光源亮度足够到在显示屏上成像就可以了，但是实际情况并不是这么简单的。

在光学系统中有许多需要解决的问题，首先就是光量子的控制问题；另外，用于提供光源的灯泡或者灯管的寿命也是一个需要解决的问题；再次亮度的均匀性也是一个令人头痛的问题。

当把一个光源放到一个凹面镜之内的焦点，光源发射出来的部分光线会投射到凹面镜上并且发生反射，这些经过反射的光线会汇聚在另外一个焦点。

凹面镜的这种特性同凸透镜类似，都可以用于汇聚光线从而使得尽可能的管线都传送到成像引擎（ＩＭＡＧＥＥＮＧＩＮＥ）中，这样屏幕因为得到更多的光能而显得更亮。

当然前面提到的光源是理想状态下的点光源，而实际的光源即使做的非常的小也无法达到理想状态下“点”的程度，也就是说实际的光源是由无数个点光源组成，它们之中绝大多数都没有精确的位于凹面镜的焦点上而是仅仅在焦点的附近，这样大部分的点光源的反射光线将会汇聚在另外一个焦点之外的地方。

也就是说当光源越大，在第二个焦点得到的光线的汇聚性就越差，也就是说越不像是一个点而是一个区域。

注意：左图聚焦区域相对于右图更加接近于凹面镜，而且聚焦区域更小从上面的图我们还能看到有很多光线（大部分是来自光源未经反射的部分）并没有达到会聚区域，这样就会引起了一系列的问题：这些发散的光线因为距离汇聚区域相当的远，所以不可能被传送到成像引擎，这将导致屏幕亮度的降低和投影机本身发热量的增加。

部分发散光线可能会经过一定的途径进入投影机的光学系统最后来到屏幕上，这样将会降低总体图像的对比度－－比如原来是黑色的背景，因为这些光线的存在而变成了灰色。

所以有效的控制光源的尺寸将是更好的控制光源的一种方式。

从前面的介绍知道理想的光源应该是无限小并且没有任何亮度（ＢＲＩＧＨＴＮＥＳＳ）或者光通量（ＬＵＭＩＮＡＮＣＥ）损失，当然在实际中是做不到这一点的。

在投影机中所使用到的光源在大致结构上同我们常见的灯泡是一样的，也是由“灯丝”和“灯泡”组成，“灯泡”内充满了某种气体－－当然这种“灯泡”很小，估计只有2mm 或者更宽一些，而灯泡内的“灯丝”使用的是金属卤化物作为光源。

同我们使用的普通白炽灯泡一样，金属卤化物灯丝在使用一段时间之后也会逐渐的挥发附着于灯泡的壁上（主要成分是钨），这样就当然减少了光源的亮度和寿命。

蒃袇蝿螃莆螇羁超高压（UHP)弧光灯肆薁羃袄羇薈芁是由Philips首创的，这种“灯泡”的直径在 1.3mm－ 1.0 mm之间，灯泡内充满了高压水银蒸汽，这种超高压弧光灯可以产生更小光源。

它的效率比一般的金属氧化物灯泡高，一个100瓦的超高压弧光灯传送到显示屏的光可以比普通的250瓦金属氧化物灯更多。

这种优点所带来的优势在显示屏更小的情况的下会更加明显。

聿膃蚆肆莀莁芅超高压灯:不同的颜色代表不同的温度，箭头代表气体流动的方向。

芃芄芆膂薁肇膆超高压灯和凹面镜实物肅蒆虿肄蚅莆袁超高压灯和凹面镜截面示意图蚆蒁膄蒆薆蒈蒂超高压灯功率一般在 100瓦－200瓦之间，寿命一般在3000－6000小时之间。

为了防止前面提到的使用一段时间之后光源亮度降低的情况，一般会在高压水银蒸汽混入部分氧气和卤素，它们可以帮助去处附着在灯泡壁上的钨并且让它们再次沉积到电极（也就是灯丝）上。

这样就保证了灯泡在使用寿命期间的亮度没有太大的衰减。

罿莄羄蚅芀蚂薃随着投影机使用一段时间，光源输出量会随着电极（灯丝）形状的改变而改变。

同时在电极之间的离子浓度在不停的变化之中，这样我们会在屏幕的上得到一块比其它的地方亮或者暗的区域。

其中的部分问题可以通过前面投影机结构示意图种的光学系统（optice）来矫正。

Philips已经开发了一套调整电压脉冲的技术来保证光源稳定输出。

薄螆腿肂螂莅聿光学系统（optice）芄荿薀羂膇艿螁在投影机中，光学系统是光线从光源（也就是前面我们介绍的“灯泡”）到成像引擎的通道，这个部分可以进一步提高光源效率和稳定性。

葿莁膁蚄荿莈蚃光学系统的一个任务是将从光源发出并且经过椭圆形凹面镜汇聚的光线进一步的集中到成像引擎中，另外一个任务就是使得光源亮度更加统一，因为一般的情况下，大多数的“灯泡”发出的光都是中间的亮度高，越到边缘部分它的亮度就越暗。

在矩形的显示屏上，我们往往会发现边角的图像的亮度比中心的亮度低。

解决这个问题的一个方法就是利用一系列的微透镜将光源发出的光从原来中间亮边缘暗的圆形光转变为亮度均匀的矩形光；另一个方法就是更加有趣，让光线通过一个矩形的修正棒（ＲＯＤ）－－这种设备一般的是由磨光玻璃、石英或者内表面为高反射率的反射镜等材料构成的光学设备。

在这样的设备中光线经过多次的反射会从一端达到另一端，而在另一端得到的光源就是亮度基本一致的矩形光源了。

上图显示的就是管线从灯泡中发出经过凹面反射镜的汇聚，然后进入到矩形修正棒，在其内经过数次的反射就可以在另一端得到亮度均匀的矩形光源了。

从光强分布图上，未经过修正棒之前的光强分布接近于高斯分布，经过整理之后的就接近于矩形分布了。

成像引擎（Image engine ）成像引擎的主要作用就是把图像信号转变为光学信号，它函盖了一系列的用于生产适于作为计算机显示器的轻量级投影机的技术。

在目前的市场上销售的投影机采用了多种成像引擎技术，而其中不同的成像引擎技术之间有着明显的差别，目前其中使用比较多的是采用LCD作为成像引擎的技术。

在LCD成像引擎技术种，主要有两种主要的技术，透射液晶板技术和多晶硅LCD技术。

下面我们我们将逐一对于目前的主流成像引擎进行介绍，通过这些介绍大家可以大致的了解不同的成像引擎的工作原理和优缺点。

这些成像引擎之间的主要区别就是它们如何操作光线的方式。

透射液晶板（Transmissive panels）透射成像引擎（ Transmissive imaging enginew ）是基于液晶面板开发的，因此这种投影机也被称为LCD投影机。

部分早期的LCD投影机（这些投影机中的一部分还在以比较低的价格销售，）它们采用了相对比较大的全彩色LCD面板。

这也就意味着面板内建了色彩滤镜，同用于笔记本的LCD显示屏不同的地方是光学系统送来的光线代替了原来的背光光源，这样背光光源发散出来的光可以通过液晶面板投射到屏幕上－－当然究竟具体液晶面板的哪个部分通过什么颜色的光线是由控制器控制液晶面板内液晶分子状态来实现的。

这种技术的最大缺点就是输出的图像比较黯淡。

多晶硅LCD（Polysilicon LCDs）大多数的LCD投影机都是使用的0.9英寸的高温多晶硅LCD液晶板。

它属于主动矩阵液晶板的范畴，现在被用于大多数的笔记本和桌面LCD显示器中，它是通过非晶硅在玻璃上沉积而得到的。

这种液晶面板的制造成本相对比较便宜，不过电子在非晶硅层中的移动性较差，所以晶体管的体积相对较大，这意味着它将会阻挡住更多的光线。

对于用于笔记本或者台式LCD的液晶显示器这或者应该不算是什么问题，但是对于面积只有邮票大小的液晶板来说，这个问题就严重了。

一种提高电子移动性的的方法是使用纯硅晶体制造的硅晶片（同制造处理器和内存的硅晶片是一样的）。

当然缺点也是显而易见的，成本太，所以我们还是需要寻找另外的解决方法。

思路依然是利用非晶体硅，这里不过将非晶体硅沉积在特殊的玻璃或者石英基板上，并且加热到 600—ordm；－ 1000—ordm； C或者更高的温度。

当这个层冷却下来，就能在基板上生成一种更精细的硅晶体。

这种硅晶体具有更高的电子移动性，而开关晶体管的体积也因此变得更小，所以可以有更多的光通过液晶板。

部分投影机厂商（比如Epson）对于多晶硅投射液晶板做了进一步的改进，使得它的亮度更高。

它们在多晶硅液晶板后面加入了一层由很多微透镜组成的微透镜层，每个微透镜位于液晶面板的象素之后，它们可以尽可能的让每个象素之后的光线通过需要通过的晶体管的部分。

使用了这种技术的投影机形成的图像明显的比没有采用这种技术的投影机生成的图像亮。

LCD投影机结构在投影机中所使用的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并没有针对红、绿、蓝让一个象素映射三个液晶晶体，那么LCD投影机是如何实现对于不同色彩的再现的呢？它其实是使用了三张LCD液晶板来分别再现三种颜色，然后再经过光学系统的把这些分离的颜色合成再一起，投影在屏幕上，就组成了一副完整的图像。

实现这个功能的关键就在于分色镜（ＤＩＣＨＲＯＮＩＣＭＩＲＲＯＲ）和分色棱镜（ＤＩＣＨＲＯＮＩＣＰＲＩＳＭ）。

分色镜和分色棱镜的主要特性就是在一定的条件下，会反射一种颜色但是会允许另一种颜色通过。

分色镜一般是在玻璃基板上沉积金属氧化物形成的，它们可以精确的把不同颜色的光线分离开。

下面的示意图显示的就是利用3张LCD液晶板反射镜构建LCD投影机的结构示意图。

虽然在实际的产品中具体设计是不同的，但是如果理解了其中的一种，对于其它的设计的也将会很容易的理解的。

我们一起根据上面的示意图来看看这样的系统是如何工作的：上图底部的Lamp（灯泡）发出了白光通过光学系统来到成像引擎中，首先通过一个45度角的反射镜进入到透镜进行汇聚，经过汇聚的光线遇到第一个分色镜，这个分色镜允许蓝色光线通过，但是反射其它的光，所以没有了蓝色光的白光会变成黄色的光；蓝色的光线经过进一步的反射通过蓝色液晶板，所谓的蓝色液晶板就是主要控制图像蓝色的液晶板，控制器的发送指令控制哪些部分允许通过蓝色光线，哪些部分不允许通过；黄色的光遇到第二个分色镜，这个分色镜允许红色光线通过，但是却反射绿色光线，这样我们就从白光中分别得到了三种颜色；绿色和红色的处理过程同前面介绍的蓝色处理过程是一样的，这样三种液晶板分别决定了图像上不同的颜色，就把三种光线通过分色棱镜反射到投射透镜种进行合成，相对的位置关系保持不变；投射透镜把合成好的光线投射到屏幕上就形成了我们需要得到的画面。