投影仪工作原理

投影机的成像原理
基础概要：投影机目前已广泛应用于演示和家庭影院中。

在投影机内部生成投影图像的元件有三类，根据元件的使用种类和数目，产品的特点也各不同。

此外，投影机特有的问题包括：画面会因投影角度的不同而出现失真以及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。

投影机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。

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。

说到投影机显示图像的原理，基本上所有类型的投影机都一样。

投影机先将光线照射到图像显示元件上来产生影像，然后通过镜头进行投影。

投影机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。

图像显示元件包括3类。

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），每个像素使用一个微镜，通过改变反射光的方向来生成图像。

3种元件各有利弊。

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。

透过型元件与反射型液晶元件
结构与液晶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。

投影机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0.7～0.8英寸之间，不过为了控制成本，主流投影机使用的元件都在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。

”（投影机专业制造商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。

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机。

在液晶部分的下面有一层反射光线的薄膜，能够反射6～7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）。

投影机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。

通过将液晶层减小到2μm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-ILA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2μm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机引擎部综合部长桥本俊一）
如何使用透镜来进行反射
投影机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的投影机称为DLP（数字光处理）投影机。

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。

微镜边长仅14μm。

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。

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5 V，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。

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的方向来改变光线反射角度，来实现白色和黑色。

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DM D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，虽然性能高，但每个像素的均价也高。

LCD投影机的工作原理
液晶面板有很多种类，性能各异。

应根据用途选择最佳的产品。

HTPS是High Temperatu re Poly-Silicon（高温聚硅）的简称，它是有源矩阵驱动方式的透过型LCD。

具有小型、高精细、高对比度、驱动器可内置等特点。

其主要用途是投影机用灯泡。

HTPS就像其名字一样，各个像素中有采用聚硅生成的薄膜晶体管。

这些像素晶体管通过改变扫描线的电压来切换导通/不导通，起到开关的作用。

制造方法与半导体大致相同，由于经过高温处理，容易实现细微化（多像素、高开口率）；同时，由于能够在基板上生成驱动器，因此具有小型、高可靠性的特点。

7.关于透镜的F值
（F值）=（透镜的焦距）÷（口径）
该值与照相机光圈的F值相同，是表示透镜的亮度、在光学系统设计方面非常重要的值。

F值越小光线越集中，图像越明亮，但是外围部分的象差（如图像歪斜等）也会变大。

另一方面，如果F值设置太大，则亮度会下降，但是屏面的平行光入射较多。

10.微透镜阵列（MLA）
11.开口率
目前为止，投影机主要通过三种显示技术实现，即CRT投影技术、LCD投影技术以及近些年发展起来的DLP投影技术。

1、CRT是英文Cathode Ray Tube的缩写，译作阴极射线管。

作为成像器件，它是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。

这种投影机可把输入信号源分解成R（红）、G（绿）B（蓝）三个CRT管的荧光屏上，荧光粉在高压作用下发光系统放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。

光学系统与RT管组成投影管，通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机，由于使用内光源，也叫主动式投影方式。

CRT技术成熟，显示的图像色彩丰富，还原性好，具有丰富的几何失真调整能力；但其重要技术指标图像分辨率与亮度相互制约，直接影响CRT投影机的亮度值，到目前为止，其亮度值始终徘徊在300Lm以下。

另外CRT投影机操作复杂，特别是会聚调整繁琐，机身体积大，只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所，不宜搬动。

2、LCD是Liquid Crystal Device的英文缩写。

LCD投影机分为液晶板和液晶光阀两种。

液晶是介于液体和固体之间的物质，本身不发光，工作性质受温度影响很大，其工作温度为-55℃~+77℃。

投影机利用液晶的光电效应，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的透光率或反射率，从机时影响它的光学性质，产生具有不同灰度层次及颜色的图像。

下面分别说明两种LCD投影机的原理。

A、液晶光阀投影机
它采用CRT管和液晶光阀作为成像器件，是CRT投影机与液晶与光阀相结合的产物。

为了解决图像分辨率与亮度间的矛盾，它采用外光源，也叫被动式投影方式。

一般的光阀主要由三部分组成：光电转换器、镜子、光调制器，它是一种可控开关。

通过CRT输出的光信号照射到光电转换器上，将光信号转换为持续变化的电信号；外光源产生一束强光，投射到光阀上，由内部的镜子反射，能过光调制器，改变其光学特性，紧随光阀的偏振滤光片，将滤去其它方向的光，而只允许与其光学缝隙方向一致的光通过，这个光与CRT信号相复合，投射到屏幕上。

它是目前为止亮度、分辨率最高的投影机，亮度可达6000Lm，分辨率为2500×2000，适用于环境光较强，观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所，但其价格高，体积大，光阀不易维修。

主要品牌有：休斯-JVC、Ampro等。

B、液晶板投影机
它的成像器件是液晶板，也是一种被动式的投影方式。

利用外光源金属卤素灯或UHP（冷光源），若是三块LCD板设计的则把强光通过分光镜形成RGB三束光，分别透射过RGB三色液晶板；信号源经过模数转换，调制加到液晶板上，控制液晶单元的开启、闭合，从而控制光路的通过断，再经合光棱镜合光，由光学镜头放大，显示在大屏幕上。

目前市场上常见的液晶投影机比较流行单片设计（LCD单板，光线不用分离），这种投影机体积小，重量轻，操作、携带极其方便，价格也比较低廉。

但其光源寿命短，色彩不很均匀，分辨率较低，最高分辨率为1024×768，多用于临时演示或小型会议。

这种投影机虽然也实现了数字化调制信号，但液晶本身的物理特性，决定了它的响应速度慢，随着时间的推移，性能有所下降。

3、DLP是英文Digital Light Processor的缩写，译作数字光处理器。

这一新的投影技术的诞生，使我们在拥有捕捉、接收、存储数字信息的能力后，终于实现了数字信息显示。

DLP技术是显示领域划时代的革命，正如CD在音频领域产生的巨大影响一样，DLP将为视频投影显示翻开新的一页。

它以DMD（Digital Micormirror Device）数字微反射器作为光阀成像器件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，使图像灰度等级达256-1024级，色彩达2563-10243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16μm×16μm，间隔为1μm。

根据所用DMD的片数，DLP投影机可分为：单片机、两片机、三片机。

DLP投影机清晰度高、画面均匀，色彩锐利，三片机亮度可达1000lm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；只是分辨率不高，不经压缩分辨率为800×600（有些机型的最新产品的分辨率已经达到1280×1024）。

但由于是新技术，维修的难度及费用并不低。

1.CRT投影机工作原理
2.投影机开、关机与验机
3.LCD投影机工作原理
4.投影机技术参数的含义
5.DLP投影机工作原理
6.投影屏幕的分类
7.选购投影机前的准备
8.投影机使用注意事项
9.如何布置最佳投影环境
10.投影机使用常见问题
11.投影机的安装方式
12.PDP电视及LCD屏比较
1.CRT投影机工作原理
CRT投影机又名三枪投影机，它主要是由三个CRT管组成。

CRT(Cathode Ray Tube)是阴极射线管，主要是由电子枪、偏转线圈及管屏组成。

为了使CRT管在屏幕上显示图像信息，CRT投影机把输入的信号源分解到R(红)、G(绿)、B(蓝)三个CRT管的荧光屏上，在高压作用下发光信号放大、会聚在大屏幕上显示出彩色图像。

CRT投影机根据CRT管的管径不同还可分为三个档次，分别是7英寸管投影机、8英寸管投影机、9英寸管投影机。

CRT投影机显示的图像色彩丰富，还原性好，具有丰富的几何失真调整能力；缺点是亮度较低，操作复杂，体积庞大，对安装环境要求较高。

CRT投影机的两个特有性能指标：
会聚性能
会聚是指红绿蓝三种颜色在屏幕上的重合。

对CRT投影机来说，会聚控制性显得格外重要，因为它有RGB三种CRT管，平行安装在支架上，要想做到图像完全会聚，必须对图像各种失真均能校正。

机器位置的变化，会聚也要重新调整，因此对会聚的要求，一是全功能，二是方便快捷。

会聚有静态会聚和动态会聚，其中动态会聚有倾斜、弓形、幅度、线性、梯形、枕形等功能，每一种功能均可在水平和垂直两个方向上进行调整。

除此之外，还可进行非线性平衡，梯形平衡，枕形平衡。

聚焦性能
我们知道，图形的最小单元的像素。

像素越小，图形分辨率越高。

在CRT管中，最小像素是由聚焦性能决定的，所谓可寻址分辨率，即是指最小像素的数目。

CRT管的聚焦机制有静电聚焦、磁聚焦和电磁复合聚焦三种，其中以电磁复合聚焦较为先进，其优点是聚焦性能好(但在高亮度条件下会散焦)，且聚焦精度高，可以进行区域聚焦、边缘聚焦、四角聚焦，从
而可以做到画面上每一点都很清晰。

2.LCD投影机工作原理
LCD投影机是被动发光从而成像的，其核心部件为LCD液晶板。

右分为液晶板投影机和液晶光阀投影机两类。

液晶昌介于液体和固体之间的物质，本身不发光，工作性质受温度影响很大，其工作温度为-55℃至+77℃。

投影机利用液晶的光电效应，即液晶分子的排列在电场作用下发生变化，影响其液晶单元的透光率或反射率，从而影响它的光学性质，产生具有不同灰度层次及颜色的图像。

液晶板投影机
成像器件为液晶板，是被动式投影方式。

利用外光源金属卤素灯和UHP (冷光源)。

按照液晶板的片数，LCD投影机还可分为三片机和单片机。

三片LCD板投影机原理是光学系统把强光通过分光镜形成RGB三束光，分别透射过RGB三色液晶板；信号源经过AD转换，调制加到液晶板上，通过控制液晶单元的开启、闭合，从而控制光路的通断，RGB 光最后在棱镜中汇聚，由投影镜头投射在屏幕上形成彩色图像。

目前，三片板投影机是液晶投影机的主要机种。

LCD单板投影机体积小，重量轻，操作、携带极其方便，价格比较
低廉。

但其光源寿命短，色彩不够均匀，分辨率较低。

目前单板投影机的机型已经很少。

液晶光阀投影机
采用CRT管和液晶光阀作为成像器件，是CRT投影机与液晶与光阀相结合的产物。

为了解决图像分辨率与亮度间的矛盾，它采用外光源，也叫被动式投影方式。

一般的光阀主要由三部分组成：光电转换器、镜子、光调制器，它是一种可控开关。

通过CRT输出的光信号照射到光电转换器上，交光信号转换为持续变化的电信号；外光源产生一束强光，投射到光阀上，由内部的镜子反射，通过光调制器，改变其光学特性，紧随光阀的偏振滤光片，将滤去其它方向的光，而只允许与其光学缝隙方向一致的光通过，这个光与CRT信号相复合，投射到屏幕上。

它是目前为止亮度、分辨率最高的投影机，亮度可达6000ANSI流明，分辨率为2500×2000，适用于环境光较强，观众较多的场合，如超大规模的指挥中心、会议中心及大型娱乐场所，但其价格高、体积大、光阀不易维修。

对追求高分辨率、高亮度、大画面的用户，液晶光阀投影机是他们的首选。

3.DLP/DMD投影机工作原理
DLP (Digital Lighting Processing) 即数据光处理。

DLP投影机的核心部件为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，它的一些显著特点是：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1280×1024。

可以说DLP投影机正处于一个不断发展完善的过程。

4.选购投影机前的准备
一、分析输入信号源
根据所显示信源的性质，投影机可分为普通视频机、数字机、图形机三类。

只显示全电视信号时，可选择普通视频机；要显示VGA输出的信号，可用行频60KHz以下的数据投影机，选择数字机，为了节约资源，做到恰到好处，则可按实际的投影内容决定购买何种档次的投
影机，若所放映的软件是以一般教学及文字处理为主的，则选购分辨率为800*600（SVGA）;若要求高一些，则要选择XGA（1024*768），现在市场上已经出现SXGA(1280*1024)产品，以后还将有
UXGA(1600*1200)产品，当显示高分辨率图形信号时，须选择行频在60KHz以上的数字机。

二、确认使用方式
投影机使用方式分为桌式正投、吊顶正投、桌式背投、吊顶背投。

正投是投影机在观众的同一侧；背投是投影机与观众分别在屏幕两端（需背投幕）。

如固定使用，可选择吊顶方式。

如果有足够的空间，选择背投方式整体效果最好，如空间较小，可选择背投折射的方法。

三、搞清显示环境
根据使用环境（房间大小，照明情况），确定机器相应指标（如：亮度），
四、关注服务质量
投影机价值较高，配件、耗材（灯泡）也比较昂贵且多为专用品，因此，在购买前要考虑一定的使用成本，并事先考察供应商的服务水平，了解服务内容。

5.布置最佳的投影环境
投影机工作时，受环境光线的影响较大，室外光线和室内灯光太强会直接使投影效果变差。

在布置投影环境时应注意以下几点：
1、安置窗帘遮挡室外光线
2、屏幕上方或近处光源应关闭
3、墙壁、地板尽量不使用易反光材料
4、局部范围照明，可使用聚光灯
5、选择与环境搭配的投影屏幕
6.投影机安装方式
安装是投影机使用上的一个重要的环节。

投影安装方式主要分为正投安装和背投安装，而正投和背投又各分为地面安装和吊装。

地面安装的特点：可随意移动，安装在不同地场地；根据观看人数，可灵活选择屏幕尺寸。

吊装的特点：吊装可节省空间；投影机安装后，不用重复调整，可随时使用。

背投安装的特点：背投式安装，屏幕受外界光线影响小，可在较亮的光线下进行投影演示。

7.投影机开机、关机与验机
在投影机的使用过程中，最重要的一个问题，就是保持良好的散热。

投影机有两个电源开关，一个是软开关(POWER 键)，另一个是硬开关(电源开关SWITCH)。

在投影机使用结束后，要先按软开关(POWER 键)关闭投影机，事实上此时投影机并没有真正结束工作，在其一侧的散热风扇仍在转动，因为投影机在工作时散出的热量巨大，所以厂家设计了要有三至五分钟的散热过程。

如果此时关闭投影机，那么内部的热量无法排出，将会烧坏液晶板或灯泡。

等风扇停止转动后，才可关闭硬开关(SWITCH 键)。

一般连续情况下，投影机在连续使用四、五个小时后，应关闭一下使其休息。

这样可延长灯泡和液晶板的使用寿命。

切忌放映时震动投影机。

投影机验机时应注意五点：
1. 对照机型与性能指标；检查包装及其附件
2. 检查机器外观有无损伤
3. 检查聚焦性能
由计算机产生一个测试方格或线条，将聚焦调至最佳位置，将图像对比度由低向高变化，观察方格的水平和垂直线条聚焦效果。

4. 是否偏色或着尘（购买LCD投影机尤其注意）
打出一个全白图像，观察颜色均匀度如何。

一般来说，液晶投影机的颜色均匀度很难达到较高标准。

但质量好的机时机颜色均匀度相对好一些。

另外，液晶投影机的防尘是难题，一个很小的灰尘，如落到液晶板或镜片上，就可能被放大得很清晰。

在全白图像上，由小至大调整光学聚焦，观察屏幕上如有彩色斑点出现，则可能是液晶板或镜片上落有灰尘，估计机器的防尘系统有问题。

购买使用过程中着尘，若灰尘着落不牢，可由专业人员开机，用专业工具吹掉。

5. 填写保修卡，与供应商确认保修、维修条款
8.投影机常用技术参数的含义
流明含义：
ANSI流明是美国国家标准研究院确定的衡量光通量大小的一个特殊单位。

光通量是指在单位时间里通过一个面积的能量流。

分辨率含义：
对于图像信号的分辨率分为数字图像和模拟图像。