【投影儀原理】投影機(jī)原理是什么 投影儀成像原理 投影儀的原理介紹

投影儀是一種用來放大顯示圖像的投影裝置。目前已經(jīng)應(yīng)用于會議室演示以及在家庭中通過連接DVD影碟機(jī)等設(shè)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(shù)碼影院放映機(jī)，被用作面向硬盤數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的銀幕。

投影機(jī)原理是什么

說到投影儀成像原理，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(chǎn)生影像，然后通過鏡頭進(jìn)行投影。投影儀的圖像顯示元件包括利用透光產(chǎn)生圖像的透過型和利用反射光產(chǎn)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(lán)三色，再產(chǎn)生各種顏色的圖像。因?yàn)樵旧碇荒苓M(jìn)行單色顯示，因此就要利用3枚元件分別生成3色成分。然后再通過棱鏡將這3色圖像合成為一個(gè)圖像，最后通過鏡頭投影到屏幕上。

圖1：投影機(jī)的原理圖

使用圖像顯示元件，分別產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三色圖像，然后通過合成進(jìn)行投影。

圖像顯示元件包括3類（見圖2）。其中采用液晶的有2類，分別是采用光透過型液晶的透過型液晶元件和采用可反射光的反射型液晶的元件。后一種元件是DMD（數(shù)字微鏡元件），每個(gè)像素使用一個(gè)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

分別是采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(chǎn)生像素的DMD。3種元件各有利弊。

圖3：反射型液晶元件采取的措施

投影機(jī)使用的反射型液晶元件大體上采取如下3種措施：（1）采用無機(jī)材料的定向膜，易于控制液晶；（2）通過減小液晶層厚度，提高響應(yīng)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。

結(jié)構(gòu)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(jīng)廣泛用作普通電腦顯示屏的液晶顯示器相同。在日本國內(nèi)，精工愛普生和索尼兩公司已經(jīng)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制造的。因?yàn)樗煌谄胀ㄒ壕э@示器，通過將小像素生成的圖像放大至數(shù)百倍后進(jìn)行投影，因此極其微小的缺陷放大后都會非常明顯，在制造的時(shí)候需要相當(dāng)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。液晶分子在加電后方向就會改變，由液晶分子的方向來調(diào)節(jié)是否讓光線通過，以此顯示白色和黑色。

其缺點(diǎn)是光的利用效率較差。這是因?yàn)橥高^型液晶面板由多層構(gòu)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(shí)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(xué)系統(tǒng)也會變大。“由于在使用小液晶面板時(shí)，為了確保亮度，必須照射更多的光線，因此機(jī)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(shí)還能設(shè)計(jì)到更小?！?/p>

透過型液晶元件會因長時(shí)間使用而老化。這是因?yàn)橛脕碚{(diào)節(jié)液晶分子方向的定向膜和控制光線方向的偏光板等采用的是有機(jī)材料。由于投影燈功率高，因此不僅發(fā)熱，而且光線很強(qiáng)，所以會使有機(jī)材料產(chǎn)生化學(xué)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(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)的液晶元件中有一種反射型液晶。最大的特點(diǎn)是顯示視頻時(shí)至關(guān)重要的響應(yīng)速度非常快，而且由于對比度高，因此黑色顯示得非常清晰。這種液晶適合于顯示電影等視頻播放。

目前已有三家日本公司開發(fā)成功了這種元件。JVC、日立制作所和索尼已經(jīng)分別于1997年、2001年和2003年發(fā)布了這種元件。JVC的元件名為“D-ILA”，索尼的元件名為“SXRD”。

反射型液晶元件由于光的利用效率比透過型高，因此能夠制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?yàn)殛P(guān)閉電壓時(shí)液晶采用的是垂直排列方式。這種方式稱為垂直定向。由于不加壓時(shí)，為黑色顯示，因此能夠更清晰地表現(xiàn)黑色。反射型液晶元件的優(yōu)點(diǎn)在顯示暗畫面時(shí)更容易理解。在漆黑的畫面上顯示黑衣服和頭發(fā)時(shí)，能夠不受背景的影響進(jìn)行顯示。

投影儀用的反射型液晶元件的響應(yīng)速度高是因?yàn)樵谝壕Р糠植扇×艘欢ǖ拇胧ㄒ妶D3）。通過將液晶層減小到2μm以下，提高了響應(yīng)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，通過在制造方法和封裝材料上下功夫，在不使用隔離片的情況下實(shí)現(xiàn)了2μm的厚度?！巴ㄟ^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。

如何使用透鏡來進(jìn)行反射

每個(gè)像素一個(gè)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(fā)的DMD。由于DMD專利歸該公司所有，因此只有該公司進(jìn)行生產(chǎn)和供貨。采用DMD的投影儀稱為DLP（數(shù)字光處理）投影儀。

DMD的每一個(gè)像素都是一面鏡子，在半導(dǎo)體底板上排列著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?yàn)檩S左右傾斜。采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(gè)施加0V電壓后，由于0V一端的電位差較大，因此微鏡就將向這一側(cè)偏移。

圖4：DMD結(jié)構(gòu)（左），以及用DMD生成圖像的原理（右）

利用微鏡角度改變反光方向。顯示白色時(shí)設(shè)置成反射光朝向鏡頭的角度。顯示黑色時(shí)光線則光被吸收板所吸收。

通過傾斜DMD的方向來改變光線反射角度，來實(shí)現(xiàn)白色和黑色（圖4右）。當(dāng)微鏡向某個(gè)方向傾斜10度時(shí)，通過調(diào)整光線將反射到鏡頭方向，反方向傾斜10度時(shí)光線將反射到光吸收板上。這樣一來，光線朝鏡頭反射時(shí)顯示白色，朝光吸收板反射時(shí)顯示黑色。中間色調(diào)則通過在極短時(shí)間內(nèi)反復(fù)切換白色和黑色來實(shí)現(xiàn)。

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(dá)3000：1。另外對信號的響應(yīng)速度快。響應(yīng)速度約為15微秒，差不多是液晶的1000倍。響應(yīng)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。由于像素由微鏡組成，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(gè)像素的均價(jià)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(chǎn)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(shù)字放映機(jī)和大廳及各種大眾活動的高價(jià)位產(chǎn)品。

圖6：單板式DLP投影儀的結(jié)構(gòu)

只使用一枚DMD的單板式DLP投影儀通過高速旋轉(zhuǎn)彩色濾色器，按順序分別向DMD照射紅、綠、藍(lán)三色光。DMD連續(xù)顯示各色圖像，然后通過鏡頭進(jìn)行投影。根據(jù)日本德州儀器的公開資料制作而成。

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(shí)際采用這些元件的產(chǎn)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(lán)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(gòu)成投影儀。DMD的單枚價(jià)格較高，也是采用單板式設(shè)計(jì)的原因之一。使用DMD的DLP投影儀除部分大型產(chǎn)品外基本上都是單板式（見圖5）。

單板式DLP投影儀并不預(yù)先分離光線，而是通過由紅、綠、藍(lán)三色構(gòu)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(zhuǎn)60～180次。通過彩色濾色器的光線照射到DMD上。DMD高速連續(xù)顯示三色圖像，照射紅色光時(shí)顯示紅色成分的圖像，照射綠色光時(shí)顯示綠色成分的圖像。被DMD反射的三色圖像通過鏡頭進(jìn)行投影。

單板式DLP投影儀由于對比度高、響應(yīng)速度快，因此適合于家庭影院等視頻顯示領(lǐng)域。而且光學(xué)系統(tǒng)不需太大，因此設(shè)計(jì)小巧、重量輕，且便攜性強(qiáng)，因此還適合于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(xù)顯示三色圖像也產(chǎn)生了相應(yīng)的缺點(diǎn)。這就是高速的圖像顯示而導(dǎo)致顏色分離的“彩虹現(xiàn)象”。有人指出顏色分離會“覺得晃眼睛”。面向家庭影院的產(chǎn)品通過提高彩色濾色器的旋轉(zhuǎn)速度，并將濾色器分為6個(gè)，或除三色外再加上白色等方法減輕了這種分色現(xiàn)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，一只手就能拿得住。

用特殊鏡片進(jìn)行分光

采用投影儀基本結(jié)構(gòu)即3板式的投影儀包括如下3類：（1）普及型即采用透過型液晶的產(chǎn)品；（2）采用DMD的高價(jià)產(chǎn)品和采用反射型液晶元件的高價(jià)產(chǎn)品。

下面以液晶投影儀為例介紹一下此類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)（圖7）。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(fā)出的光線中去除掉。然后根據(jù)波長將光分離成紅、綠、藍(lán)3色。分離光線時(shí)采用一種名為“分色鏡”的特殊鏡片。分色鏡具有只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余光線通過的特性。先分離紅色，接著分離綠色，最后剩下的就是藍(lán)色光。有的產(chǎn)品則按藍(lán)、綠、紅的順序進(jìn)行分離。由圖像元件生成3色圖像，然后利用棱鏡將這些光進(jìn)行合成。為了形成自然色，按紅3、綠6、藍(lán)1的比例對光線進(jìn)行合成。

圖7：液晶投影儀的結(jié)構(gòu)

投影燈發(fā)出的光線首先被分割成紫外線和紅外線。然后利用名為分色鏡（Dichroic Mirror）的特殊鏡片將其分成紅、綠、藍(lán)3種光。生成3色圖像后，利用棱鏡合成后進(jìn)行投影。

圖8：梯形失真補(bǔ)償技術(shù)

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

會議室使用和家庭使用的要求不同

投影儀根據(jù)元件種類及采用的元件數(shù)量不同，特點(diǎn)也各不相同。不過，實(shí)際產(chǎn)品除元件外還根據(jù)用途進(jìn)行了調(diào)整。

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

在產(chǎn)品數(shù)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(chǎn)品已經(jīng)廣泛使用。此類產(chǎn)品的銷量方面，采用透過型液晶元件的約為8成，采用DMD的約為2成。在會議室和各類活動中，電影院使用的是采用3枚DMD的DLP投影儀和采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(xiàn)效果，因不同的用途而異。演示用投影儀主要設(shè)想在會議室使用。在會議室，為了做記錄，周圍環(huán)境必須要達(dá)到一定的亮度。因此對投影儀有亮度要求。如果亮度達(dá)到1500ANSI流明到2000ANSI流明之間，即便周圍光線明亮，也可以進(jìn)行正常投影。而且由于需要顯示表格等細(xì)小文字，因此還要示具有較高的分辨率。最近大多都達(dá)到了與電腦顯示器相同的XGA（1024×768像素）規(guī)格以上。

另一方面，家庭影院方面，由于可以降低房間亮度，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(xiàn)黑色，能夠充分表現(xiàn)出對于表示肌膚非常重要的紅色。為了提高色彩表現(xiàn)效果，“通過改進(jìn)分光鏡的制造工藝，能夠充分表現(xiàn)出紅色和綠色效果”（三洋電機(jī)消費(fèi)者企業(yè)集團(tuán)AV解決方案公司投影儀業(yè)務(wù)部商品規(guī)劃部商品規(guī)劃科科長杉村一人）。另外，使用反射型液晶元件的高價(jià)投影儀已經(jīng)開始采用光波分布接近自然光、色彩表現(xiàn)效果較好的佳能投影燈。

通過加大像素間隔，修正顯示圖像

對于投影儀來說，雖然與其他顯示設(shè)備一樣畫質(zhì)非常重要，但是也存在因“投影”方式而產(chǎn)生的投影儀特有的問題。一是必須調(diào)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(xiàn)梯形失真（見圖8上）。房間狹小時(shí)有時(shí)就要將投影儀橫向錯(cuò)開放置，或者必須從斜下方投影。如果橫向投影，就會產(chǎn)生左右加寬的梯形，而從斜下方向上投影時(shí)則會形成上寬下窄的梯形。

這種梯形校正技術(shù)目前已經(jīng)成熟，并且已經(jīng)應(yīng)用于大多數(shù)產(chǎn)品中（見圖8下）。該技術(shù)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(jìn)行說明。上寬下窄的梯形根據(jù)下線，將畫面校正成4:3的長方形。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就要改變元件生成的圖像。即在元件上加大直接投影時(shí)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(diào)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

而且校正技術(shù)也在不斷進(jìn)步。有的產(chǎn)品不僅上下和左右變寬時(shí)都能校正，而且投影時(shí)還能夠通過傾斜傳感器檢測機(jī)身角度，自動校正圖像失真。

有一種獨(dú)特方式就是NEC ViewTechnology開發(fā)的校正技術(shù)。利用附帶的遙控器指定顯示畫面的4個(gè)角，按一下設(shè)置按鈕，就能校正成由指定的4個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的四角形。該公司利用自主開發(fā)的芯片實(shí)現(xiàn)了這種校正技術(shù)。

另外，還在縮短屏幕和投影儀之間的距離上進(jìn)行了研發(fā)。因?yàn)橐氩话阎虚g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(chǎn)品需求日趨旺盛。短焦鏡頭目前主要用于高分辨率的高價(jià)機(jī)型中。不過，由于鏡頭昂貴，因此最初只應(yīng)用于高性能的高價(jià)產(chǎn)品中。最近由于鏡頭價(jià)格已逐步降低，因此兩年前開始逐漸應(yīng)用于小型產(chǎn)品中。

此外，還在開發(fā)不使用鏡頭而實(shí)現(xiàn)短焦的產(chǎn)品。這就是NEC ViewTechnology開發(fā)的利用鏡片反射光線來調(diào)節(jié)角度的DLP投影儀“WT600”。按順序?qū)⒐饩€反射到4枚非球面鏡片上進(jìn)行投影。由于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?！巴懂a(chǎn)方面最大的困難是提高亮度。目前已通過改進(jìn)彩色濾色器，實(shí)現(xiàn)了1200ANSI流明”

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。