Thursday, June 20, 2019

投影儀的工作原理及如何選擇

投影機的成像原理

本文來自日經BP網

概要:投影儀目前已廣泛應用於演示和家庭影院中。在投影儀內部生成投影圖像的元件有3類,根據元件的使用種類和數目,產品的特點也各不同。另外,投影儀特有的問題包括,畫面會因投影角度的不同而出現失真,在屏幕前面要留出一定的空間等。解決辦法是採取失真補償和實現短焦等措施。

投影儀是一種用來放大顯示圖像的投影裝置。目前已經應用於會議室演示以及在家庭中通過連接DVD影碟機等設備在大屏幕上觀看電影。在電影院,也同樣已開始取代老電影膠片的數碼影院放映機,被用作面向硬盤數字數據的銀幕。
說到投影儀顯示圖像的原理,基本上所有類型的投影儀都一樣。投影儀先將光線照射到圖像顯示元件上來產生影像,然後通過鏡頭進行投影。投影儀的圖像顯示元件包括利用透光產生圖像的透過型和利用反射光產生圖像的反射型。無論哪一種類型,都是將投影燈的光線分成紅、綠、藍三色,再產生各種顏色的圖像。因為元件本身只能進行單色顯示,因此就要利用3枚元件分別生成 3色成分。然後再通過稜鏡將這3色圖像合成為一個圖像,最後通過鏡頭投影到屏幕上。

圖1:投影機的基本原理

使用圖像顯示元件,分別產生紅、綠、藍三色圖像,然後通過合成進行投影。

圖像顯示元件包括3類(見圖2)。其中採用液晶的有2類,分別是採用光透過型液晶的透過型液晶元件和採用可反射光的反射型液晶的元件。後一種元件是DMD(數字微鏡元件),每個像素使用一個微鏡,通過改變反射光的方向來生成圖像。

圖2:3種圖像顯示元件,點擊放大

分別是採用液晶的透過型液晶元件和反射型液晶元件,以及利用鏡子產生像素的DMD。3種元件各有利弊。

圖3:反射型液晶元件採取的措施 點擊放大

投影機使用的反射型液晶元件大體上採取如下3種措施:(1)採用無機材料的定向膜,易於控制液晶;(2)通過減小液晶層厚度,提高響應速度;(3)通過取消液晶中的障礙物即隔離片(Spacer),提高光的利用效率。

透過型元件與反射型液晶元件

結構與液晶面板相同的透過型元件

透過型液晶元件生成圖像的原理與已經廣泛用作普通電腦顯示屏的液晶顯示器相同。在日本國內,精工愛普生和索尼兩公司已經開始提供這種元件。投影儀用的液晶元件是用高溫多晶硅液晶製造的。因為它不同於普通液晶顯示器,通過將小像素生成的圖像放大至數百倍後進行投影,因此極其微小的缺陷放大後都會非常明顯,在製造的時候需要相當高的精度。

透過型液晶元件的工作原理與液晶顯示器完全相同。液晶分子在加電後方向就會改變,由液晶分子的方向來調節是否讓光線通過,以此顯示白色和黑色。

其缺點是光的利用效率較差。這是因為透過型液晶面板由多層構成,因此只能保證3成左右的入射光通過。

透過型液晶元件的尺寸越來越小。透過型液晶元件一般在0.7~0.8英寸之間,不過為了控制成本,主流投影儀使用的元件都在0.7英寸左右。然而,元件越小,透過光的面積就越小,因而圖像就越暗。因此,使用小元件時為了確保亮度,投影燈就要大一些,而且為了提高透過光的效率,光學系統也會變大。“由於在使用小液晶面板時,為了確保亮度,必須照射更多的光線,因此機身反而會更大。而尺寸為0.9英寸左右的話,不僅可確保足夠的亮度,同時還能設計到更小。”(投影儀專業製造商NEC顯示技術公司投影系統業務部商品規劃部經理高木清英)

透過型液晶元件會因長時間使用而老化。這是因為用來調節液晶分子方向的定向膜和控制光線方向的偏光板等採用的是有機材料。由於投影燈功率高,因此不僅發熱,而且光線很強,所以會使有機材料產生化學變化。材料老化的程度因投影燈的使用模式和用戶使用方法的不同有很大差異。

適合視頻播放的反射型液晶元件

在可實現高畫質的液晶元件中有一種反射型液晶。最大的特點是顯示視頻時至關重要的響應速度非常快,而且由於對比度高,因此黑色顯示得非常清晰。這種液晶適合於顯示電影等視頻播放。

目前已有三家日本公司開發成功了這種元件。JVC、日立製作所和索尼已經分別於1997年、2001年和2003年發布了這種元件。JVC的元件名為“D-ILA”,索尼的元件名為“SXRD”。

反射型液晶元件由於光的利用效率比透過型高,因此能夠製造出高亮度的投影儀。在液晶部分的下面有一層反射光線的薄膜,能夠反射6~7成的光線。對比度高是因為關閉電壓時液晶採用的是垂直排列方式。這種方式稱為垂直定向。由於不加壓時,為黑色顯示,因此能夠更清晰地表現黑色。反射型液晶元件的優點在顯示暗畫面時更容易理解。在漆黑的畫面上顯示黑衣服和頭髮時,能夠不受背景的影響進行顯示(JVC ILA中心規劃部經理柴田恭志)。

投影儀用的反射型液晶元件的響應速度高是因為在液晶部分採取了一定的措施(見圖3)。通過將液晶層減小到2μm以下,提高了響應速度。一般來說,液晶面板為了確保均勻的薄度,要在液晶中加入名為隔離片的輔助材料。這種隔離片的厚度就是液晶層的厚度。但JVC的D-ILA和索尼的SXRD,通過在製造方法和封裝材料上下功夫,在不使用隔離片的情況下實現了2μm的厚度。“通過取消隔離片,解決了在像素顯示部分會顯出隔離片的問題。利用封裝材料確保了液晶單元的厚度。”(索尼投影顯示器公司投影儀引擎部綜合部長橋本俊一)

如何使用透鏡來進行反射

每個像素一個微鏡,反射光線

投影儀有的還使用微鏡元件。這就是美國德州儀器開發的DMD。由於DMD專利歸該公司所有,因此只有該公司進行生產和供貨。採用DMD的投影儀稱為DLP(數字光處理)投影儀。

DMD的每一個像素都是一面鏡子,在半導體底板上排列着和像素一樣多的微鏡。微鏡邊長僅14μm。使用微鏡最多的DMD 是大約80萬像素的型號。通過在0.7英寸(對角線長度)底板上的大約80萬枚微鏡逐枚動作來顯示圖像。

每一枚微鏡以對角線方向為軸左右傾斜(見圖4左)。採用靜電引力移動微鏡。微鏡本身施加20V電壓,在對角線一端下方施加5V,另一個施加0V電壓後,由於0V一端的電位差較大,因此微鏡就將向這一側偏移。

圖4:DMD結構(左),以及用DMD生成圖像的原理(右) 點擊放大

利用微鏡角度改變反光方向。顯示白色時設置成反射光朝向鏡頭的角度。顯示黑色時光線則光被吸收板所吸收。結構示意圖由日本德州儀器提供。

通過傾斜DMD的方向來改變光線反射角度,來實現白色和黑色(見圖4右)。當微鏡向某個方向傾斜10度時,通過調整光線將反射到鏡頭方向,反方向傾斜10度時光線將反射到光吸收板上。這樣一來,光線朝鏡頭反射時顯示白色,朝光吸收板反射時顯示黑色。中間色調則通過在極短時間內反覆切換白色和黑色來實現。

與液晶元件相比,DMD的像素具有更高的圖像顯示性能。首先是對比度高。對比度最高可達3000:1。另外對信號的響應速度快。響應速度約為15微秒,差不多是液晶的1000倍。響應速度越快,越能平滑地顯示視頻圖像。而且DMD的光利用效率更好。由於像素由微鏡組成,因此照射來的光線有9成會反射出去。不過,雖然性能高,但每個像素的均價也高。

圖5:投影儀種類和用途

包括4類。單板式DLP投影儀和使用3枚透過型液晶元件的液晶投影儀是面向演示及家庭影院的普及型產品。使用反射型液晶的液晶投影儀和3板式DLP投影儀則是面向電影院數字放映機和大廳及各種大眾活動的高價位產品。

圖6:單板式DLP投影儀的結構

只使用一枚DMD的單板式DLP投影儀通過高速旋轉彩色濾色器,按順序分別向DMD照射紅、綠、藍三色光。DMD連續顯示各色圖像,然後通過鏡頭進行投影。根據日本德州儀器的公開資料製作而成。

適合小型化的單板投影儀

適合小型化的單板式投影儀

投影儀使用的元件有3類,而實際採用這些元件的產品則分為如下4類:(1)只使用1枚DMD的單板式DLP投影儀、(2)使用3枚透過型液晶的液晶投影儀、(3)使用3枚DMD的3板式DLP投影儀和(4)使用3枚反射型液晶元件的液晶投影儀。從顯示紅、綠、藍三色圖像的投影儀原理看,基本上都是3板式。然而像DMD一樣圖像顯示性能較高的元件有1枚即可構成投影儀。DMD的單枚價格較高,也是採用單板式設計的原因之一。使用DMD的DLP投影儀除部分大型產品外基本上都是單板式(見圖5)。

單板式DLP投影儀並不預先分離光線,而是通過由紅、綠、藍三色構成一種光線的彩色濾色器,按順序切換三種顏色(見圖 6)。彩色濾色器每秒旋轉60~180次。通過彩色濾色器的光線照射到DMD上。DMD高速連續顯示三色圖像,照射紅色光時顯示紅色成分的圖像,照射綠色光時顯示綠色成分的圖像。被DMD反射的三色圖像通過鏡頭進行投影。

單板式DLP投影儀由於對比度高、響應速度快,因此適合於家庭影院等視頻顯示領域。而且光學系統不需太大,因此設計小巧、重量輕,且便攜性強,因此還適合於與電腦一起攜帶使用(照片1)。

不過,也有人指出單板式DLP投影儀使用彩色濾色器連續顯示三色圖像也產生了相應的缺點。這就是高速的圖像顯示而導致顏色分離的“彩虹現象”。有人指出顏色分離會“覺得晃眼睛”。面向家庭影院的產品通過提高彩色濾色器的旋轉速度,並將濾色器分為6個,或除三色外再加上白色等方法減輕了這種分色現象。

照片1:小型DLP投影儀

日本PLUS Vision推出的DLP投影儀“V-1100”。重約1.0kg,尺寸為寬180×高45×縱長 141mm,一隻手就能拿得住。

用特殊鏡片進行分光

採用投影儀基本結構即3板式的投影儀包括如下3類:(1)普及型即採用透過型液晶的產品、(2)採用DMD的高價產品和採用反射型液晶元件的高價產品。

下面以液晶投影儀為例介紹一下此類產品的結構(圖7,點擊放大)。首先要將對身體有害的紫外線和影響到溫度的紅外線從投影燈發出的光線中去除掉。然後根據波長將光分離成紅、綠、藍3色。分離光線時採用一種名為“分色鏡”的特殊鏡片。分色鏡具有隻讓特定波長的光通過而反射其他光線、或者只反射特定光而讓剩餘光線通過的特性。先分離紅色,接着分離綠色,最後剩下的就是藍色光。有的產品則按藍、綠、紅的順序進行分離。由圖像元件生成3色圖像,然後利用稜鏡將這些光進行合成。為了形成自然色,按紅3、綠6、藍1的比例對光線進行合成。

圖7:液晶投影儀的結構

投影燈發出的光線首先被分割成紫外線和紅外線。然後利用名為分色鏡(Dichroic Mirror)的特殊鏡片將其分成紅、綠、藍3種光。生成3色圖像後,利用稜鏡合成後進行投影。

圖8:梯形失真補償技術

減少元件上造成梯形失真部分的像素。分辨率會因此而下降。

各種場合對投影儀的要求不同 一

會議室使用和家庭使用的要求不同

投影儀根據元件種類及採用的元件數量不同,特點也各不相同。不過,實際產品除元件外還根據用途進行了調整。

投影儀的用途大體分為3個方面。首先是會議室等場合使用的演示用途,第二個是在家庭中觀看電影的家庭影院用途,第三個則是電影院等場合中放映數字電影的數碼放映機。

在產品數量最多的演示和家庭影院方面,12萬~60萬日元左右的小型產品已經廣泛使用。此類產品的銷量方面,採用透過型液晶元件的約為8成,採用DMD的約為2成。在會議室和各類活動中,電影院使用的是採用3枚DMD的DLP投影儀和採用反射型液晶元件的投影儀。

是否重視亮度,是否重視對比度及色彩表現效果,因不同的用途而異。演示用投影儀主要設想在會議室使用。在會議室,為了做記錄,周圍環境必須要達到一定的亮度。因此對投影儀有亮度要求。如果亮度達到1500ANSI流明到2000ANSI流明之間,即便周圍光線明亮,也可以進行正常投影。而且由於需要顯示錶格等細小文字,因此還要示具有較高的分辨率。最近大多都達到了與電腦顯示器相同的XGA(1024×768像素)規格以上。

另一方面,家庭影院方面,由於可以降低房間亮度,因此亮度要求較低。取而代之的是對比度能否能夠更深地表現黑色,能夠充分表現出對於表示肌膚非常重要的紅色。為了提高色彩表現效果,“通過改進分光鏡的製造工藝,能夠充分表現出紅色和綠色效果”(三洋電機消費者企業集團AV 解決方案公司投影儀業務部商品規劃部商品規劃科科長杉村一人)。另外,使用反射型液晶元件的高價投影儀已經開始採用光波分布接近自然光、色彩表現效果較好的佳能投影燈。

通過加大像素間隔,修正顯示圖像

對於投影儀來說,雖然與其他顯示設備一樣畫質非常重要,但是也存在因“投影”方式而產生的投影儀特有的問題。一是必須調整投影角度,二是必須在屏幕與投影儀之間留出沒有障礙物的空間。

投影儀會因投影角度不正而使圖像出現梯形失真(見圖8上,點擊放大)。房間狹小時有時就要將投影儀橫向錯開放置,或者必須從斜下方投影。如果橫向投影,就會產生左右加寬的梯形,而從斜下方向上投影時則會形成上寬下窄的梯形。

這種梯形校正技術目前已經成熟,並且已經應用於大多數產品中(見圖8下,點擊放大)。該技術稱為“梯形失真校正”。

以投影儀投影出來的畫面橫縱比為4:3為例進行說明。上寬下窄的梯形根據下線,將畫面校正成4:3的長方形。為了實現這一點,就要改變元件生成的圖像。即在元件上加大直接投影時會變寬的那部分的像素間隔。也就是說,通過將元件上的顯示調整成梯形,而使投影圖像顯示成長方形。不過,像素間隔加大的那部分的分辨率會有所下降。

各種場合對投影儀的要求不同 二

而且校正技術也在不斷進步。有的產品不僅上下和左右變寬時都能校正,而且投影時還能夠通過傾斜傳感器檢測機身角度,自動校正圖像失真。

有一種獨特方式就是NEC ViewTechnology開發的校正技術。利用附帶的遙控器指定顯示畫面的4個角,按一下設置按鈕,就能校正成由指定的4個點構成的四角形。該公司利用自主開發的芯片實現了這種校正技術。

另外,還在縮短屏幕和投影儀之間的距離上進行了研發。因為要想不把中間的障礙物投影上去,投影距離越短越好。最近鏡頭焦距較短的產品需求日趨旺盛。短焦鏡頭目前主要用於高分辨率的高價機型中。不過,由於鏡頭昂貴,因此最初只應用於高性能的高價產品中。最近由於鏡頭價格已逐步降低,因此兩年前開始逐漸應用於小型產品中。

此外,還在開發不使用鏡頭而實現短焦的產品。這就是NEC ViewTechnology開發的利用鏡片反射光線來調節角度的DLP投影儀“WT600”(照片2,點擊放大)。按順序將光線反射到4枚非球面鏡片上進行投影。由於可以將投影儀放置在演示人員和屏幕之間,因此不會投影出人影。“投產方面最大的困難是提高亮度。目前已通過改進彩色濾色器,實現了 1200ANSI流明”

照片2:不使用鏡頭、只用鏡片實現短焦的投影儀

NEC ViewTechnology推出的DLP投影儀“WT600”。60英寸(0.9×1.2m)屏幕的投影距離為26cm。

Related Post

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.