[转帖]大屏幕投影系统

大屏幕投影系统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：
投影显示器示意图－－其中浅褐色的部分表示投影机的部分
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（ＩＭＡＧＥ　ＥＮＧＩＮＥ）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。
超高压（UHP)弧光灯
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。
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。
超高压灯和凹面镜实物

超高压灯和凹面镜截面示意图
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。
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。
光学系统（optice）
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。
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（ＤＩＣＨＲＯＮＩＣ ＭＩＲＲＯＲ）和分色棱镜（ＤＩＣＨＲＯＮＩＣ ＰＲＩＳＭ）。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。

NEC GT1150投影机光学系统实物图
在XGA分辨率的投影机种，每一个液晶板都有 1024 × 768（也就是 786，432）个象素。从其中一个液晶板中透射出来的光线必须同从其它两个液晶板透射出来的光线符合的非常的好，这个过程就叫做聚敛。如果这个过程处理的不好，比如红色和蓝色混杂在了一起，就称之为发生了聚敛错误，在屏幕上就会发现图像不够清晰，而且颜色并没有正确的再现。
看到这里有的读者也许会有些疑惑：在文章的开头我们提到投影显示系统的相对于LCD显示器系统的图像切换要快的多，但是这里依然利用了LCD液晶板，那么是不是就说明投影成像系统这个优势将不再具有了呢？其实，应用在投影机中的LCD液晶板的反应时间比起来我们在笔记本或者台式LCD显示器中的液晶板的反应时间短的多，所以在这个方面依然具有相当的优势，但是在一些再现快速移动的场景中依然有着LCD的响应时间过长的缺点。
在前半部分的介绍中，我们对于投影成像系统的基本结构进行了大致的了解，知道一个投影成像系统至少由屏幕、投影机组成。我们已经对于投影机中的光源、光学系统和部分成像引擎进行了介绍。 对于成像引擎我们仅仅介绍了透射式成像系统，而进行我们首先来介绍一下反射式成像系统的成像引擎，另外还会对于屏幕进行简单的介绍，最后对于投影成像系统的应用做一个简单的展望。
反射板（Reflective panels）
构建投影机的另一种方法就是使用反射板。从名字上我们也知道这种方法同前面使用的透射的方法是完全不同的，比如前面我们介绍的是让光线穿过LCD液晶板来生成图像，而反射板则是通过反射光线来生成需要的图像的。（为了创建图像的黑色部分，有的面板仅仅用于吸收额外的光线，而其它的仅仅用于反射光线到需要它去的地方）。
液晶硅面板（LCOS panels）技术
在反射板投影机中，依然利用了液晶物质来反射或者阻断光线。这其中使用的最多的就是液晶硅面板（Liquid crystal on silicon ），它们是直接在硅晶片上构建起来的，这样可以允许象素做的更小，液晶面板重量更轻，而且还可以将部分控制电路做在硅芯片之内从而进一步降低成本。大多数的 LCOS投影机也是使用了三个液晶面板，分别用于处理红色、绿色和蓝色图像。目前JVC是这种技术的主要支持者，在它们的 DLA-QX1投影机中就使用了 D-ILA面板。
今年6月份在圣何塞举行的SID（Society for information display）会议上， Philips发布了一款用于投影设备的新的LCOS芯片。令人更加感兴趣的是，Philips公司利用这款芯片设计的单芯片LCOS反射型LCD投影设备，这款设备依然使用场序制色彩照明系统，取代了前面我们介绍的三个LCOS面板的设计。

\而且它使用的不是前面介绍的那种可以透过三种或者4中光线的分色滤镜，而是使用了光束分光器来分离红光、蓝光和绿光，一般利用旋转的棱镜来充当这个光束分光器。
目前虽然这种技术还没有任何的投影机厂商所采用，但是这种设计却具有相当的优点：由于偏振光束分光器的应用，使得应用这种技术的投影机对于精度的要求并不高，从而降低了投影机设备的制造成本；最大的优点当然是进一步提高了光利用率，一个利用后面提到的分色滤镜DLP投影机的光利用率仅仅是三分之一左右，而利用Philips这种新技术却可以利用几乎让所有的光线，所以在亮度上绝对具有优势。
数字灯光处理面板（DLP Panels ）技术 数字灯光处理（Digital light processing）技术是TI基于DMD（Digital micromirror display）技术的基础上开发的，它同LCOS技术有着相当的区别，但是同LCOS技术同是反射光投影机的中坚技术。当然同LCOS技术的最大区别就在于使用的面板材料不同，它采用了表面覆盖有细小的方形铝质镜面的半导体芯片。

上图显示的是在DMD中单个镜面单元（每个这样的镜面单元的面积只有16平方微米）的微结构，而每个镜面单元由3个物理层和其间的两个空气层所构成。在这三个物理层之间的空气层可以允许镜面有正负10度的倾斜角。


TI开发的DLP处理器，它具有 1，310，720个微镜面，最大分辨率为1280x1024这些镜面具有每秒钟切换（开关）1000次左右的能力，通过控制该点切换次数的快慢可以决定该点所控制图像的灰度等级，也就是说这些镜面每秒钟切换次数越快，再现图像的层次就会越丰富。目前单个镜面的可以进行这样的工作大约1万亿个时钟周期，也就是大约可以无故障的工作20年！ 这种技术的优势就在于具有极高的反应速度，因为它使用了DLP芯片所以不需要同前面的纯光学系统那样同时产生红色、绿色和蓝色图像，而是分别的产生红色、绿色和蓝色图像然后利用人类的视觉暂留特性来实现不同颜色在屏幕上的组合。
请看左面的示意图，光源发出白光经过光学系统进行汇聚，在汇聚区域安装了一个分色滤镜（如图所示，这个分色滤镜的不同部分可以透过不同颜色的光），分色滤镜通过不停的旋转来分别产生不同颜色的光；对于产生的每种光线，或者红色或者绿色或者蓝色都经过Shaping Lens进行整形；三种颜色依次显示在屏幕上，当然为了让不同的颜色在观察者眼中形成完整的图像，所以需要它们切换的足够快（至少频率为60Hz）这样才不致于产生闪烁或者不正确的颜色的图像；这种产生色彩的方式叫做“场序制色彩”（Field sequential color ）。
有的投影机在彩色滤镜中加入了“清晰时段”，也就是说在不同的颜色滤镜中间加入可以通过白光的间隔（也就是色彩滤镜分为红色、蓝色、绿色、白色4个滤镜），这些亮度更高的白光可以增加各种颜色的亮度，使得最终在屏幕上形成的图像具有更高的亮度和更鲜艳的色彩。大部分的InFocus投影机都是使用的4色滤镜，包括LP130。
一般都认为，DLP投影机相对于LCD投影机具有更高的对比度，这恐怕是因为DLP具有比LCD投影机更黑的黑色背景所导致的结果。另外DLP没有LCD投影机所具有汇聚问题。
当然DLP投影机并不是没有缺点，比如它所表现的黄色同LCD投影机相比有些暗，更像是褐色－－这是场序制色彩系统的先天不足。如果你需要得到一幅背景是黑色但是有白色物体的的图像，如果白色物体在快速的移动，你会发现一些不应该出现的色彩比如、红色、绿色和蓝色。为了弥补这些缺点，在一些高端的系统中，比如数码影院所使用的投影机它们使用了三个独立的DLP面板来代替刚才介绍的场序制色彩系统，最后图像的合成依然是由光学系统来完成并且投影在屏幕上。
屏幕 屏幕实际上已经不是投影机内的部分了，但是作为一个完整的投影显示系统却是必不可少的组件。一般的屏幕投影的方式分为两种：前投影和背投影。
前投影（Front projection）
大多数的投影机都是采用了前投影的方式，这同电影院的放映模式是一样的，放映机和观众面向的方向是一致的，屏幕位于投影机和观众的前方，这种模式就是前投影模式。很多便携式投影机因为亮度非常的高，所以它们可以不使用专用的屏幕，直接在白色或者浅颜色的墙壁上都可以。

前投影式设备
它们非常的适合有较多的观众的场合，所以很多教室、会议室都是选择的前投影式投影机。
背投影（Rear projection）
在一些空间比较狭小，不能满足前投影需要的场合，我们就需要占用空间比较小的背投影设备了。如下图所示，就是一部背投影显示系统，投影机位于半透明的屏幕之后，而观众在屏幕的前方观看图像。当然这种设备比起前投影设备来说，就需要把投影机输出的光线经过进一步的处理反射到屏幕上。

背投影式设备
其实很多读者一定看出来上面所示的背投影设备其实就是目前我们可以在商场中出售或者展示的大屏幕投影电视。目前的这些产品中大部分使用的是CRT投影显象管，只有一些非常新的型号使用的是LCD投影显示系统。
投影技术应用展望
除了目前已经在市场可以看到的用于家庭娱乐的背投影显示器之外，我们希望看到更多的投影技术可以应用到家庭和办公应用中。很多厂商也在为了普及投影显示设备而坐着不懈的努力，所以市场上也出现了一些定位于家庭娱乐前投影设备，而且它们的价格已经降低到同一些高端大屏幕显示器同等的水平了，如果市场接受度比较高的话，会进一步刺激这种产品产量的提高－－反过来又会进一步促进价格的进一步降低。
另外一个比较有希望的应用领域就是用于桌面电脑的背投影式显示器。目前传统的CRT显示器尺寸在20英寸以上的，它的售价大约高达1000美元，而同等尺寸的LCD显示器的价格大约式CRT显示器的3倍的价格。一台20英寸左右的显示器的纵深长度大约是50厘米，重量大约是30－40公斤。
目前 Raytheon Digital Display Group已经在TI DLP系统上为军方开发出了背投影式SXGA显示器。这款显示器对角线长度大约是21英寸（大致等同于22英寸和23英寸CRT显示器的可视面积），但是纵深长度不到13英寸－－这还不到21英寸CRT显示器纵深长度的三分之二。这种设备相对于CRT设备有很多的优点，比如便携性好、坚固耐用、它甚至可以适于空降并且在运行中可以承受频繁的9 g的震动，它的重量只有15－20公斤——这只有CRT显示器重量的一半。目前这款显示器屏不适于普通消费者购买，但是已经证明了被投影式显示系统用于桌面电脑显示器的可行性。
总的说来，目前投影式显示系统的价格还是比较昂贵。如果应用于计算机领域的背投影显示器的市场消化能力逐渐提高，应用于家庭娱乐的高分辨率电视的进一步普及，它们的产量也会随着提高，规模效益的直接好处就是可以让这种产品的价格进一步的下降，能够形成良性循环的话，我们能够在家中或者在办公室中使用到具有合适性价比的产品的日子将会不远了。