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投影机的各种投影技术以及原理介绍

作者：IT世界温增

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伴随着科技与经济飞速发展的同时，显示设备已经成为政府办公、教育演示、商务活动乃至家庭娱乐中不可缺少的重要组成部分，各种用户群对显示效果和显示面积的需求在不断提升，原来的小尺寸画面和模拟显示系统已经很难满足用户要求，近年大屏幕数字显示系统正在高速崛起，主要有等离子、投影机以及背投显示系统等。在上述三种大屏幕设备里只有投影机具有便携性又可以灵活安装的显示设备，其产品类型之多可以满足各种用户的使用需求，随着液晶和DLP显示技术的成熟、发展，投影机产品在光电产业中将是未来发展最为快速、增长率最高的一类产品，下面就详细介绍一下投影机的各种投影技术以及原理。

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，荧光粉在高压作用下发光，经过光学系统放大和会聚，在大屏幕上显示出彩色图像。由于使用内光源，也叫主动式投影方式。

三枪投影机

对于CRT投影机而言，有两个重要的性能指标：会聚性能和聚焦性能。会聚是指红绿蓝三种颜色在屏幕上的重合效果。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。

三枪投影机示意图

聚焦性能也不容忽视，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。

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300流明以下。另外CRT投影机操作复杂，特别是会聚调整繁琐，机身体积大，只适合安装在环境光较弱、而且相对固定的场所，移动性也不好。

LCD投影机是被动发光从而成像的，其核心部件为LCD液晶板。主要分为液晶板投影机和液晶光阀投影机两类。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℃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，利用外光源金属卤素灯和UHP (冷光源),是被动式投影方式。按照液晶板的片数，LCD投影机还可分为三片机和单片机。LCD投影机的底层技术——液晶板一直只有Sony和Epson两家公司具备研发和生产能力，经过多年发展，液晶板技术日臻成熟。液晶板技术一直致力于提高性能和降低加工成本两个方面。在提高性能方面它主要是通过提高开口率来提高光效率，另外还采用微镜阵列技术来提高液晶板的透光率，降低显示图像的像素化，使图像更细腻。目前LCD投影机在亮度指标和图像精细程度方面都已经达到相当高的水平。除了高端影院产品外，在普通应用产品和低端高性能投影机产品中，LCD产品保持了对单片DLP产品的亮度领先优势。LCD投影机的生产厂家主要为日韩厂商。

三片式液晶投影机的成像原理(参见下图)，以某液晶投影机的光路为例：首先光线通过滤光片，滤掉红外线和紫外线这样的不可见光，红外线和紫外线对LCD片有一定的损害作用。透过两片多镜头镜片将光线均匀化，并将UHP灯产生的圆锥形光校正为和投影图像近似的矩形光线。在两片镜子之间的棱镜用来将光线预先极性化，较之没有该棱镜的不对称光箱，它可以减少光线的损失。光线下一步被分光镜分为红、绿、蓝三原色并被分别反射到相应的液晶片上。在到达液晶片之前光线还需要透过一个凸透镜和偏振片，凸透镜的作用是将光线集中，偏振片则进一步将光线极性化，使得光线振动方向一致，可以被液晶片控制。最后光线经过液晶片，通过电路板驱动，液晶片上的各像素点有序开闭，产生了图像，并通过每原色光的调校产生了丰富的色彩。最后三路光线最终汇聚在一起由镜头投射出去。

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。

三片式液晶投影机的成像原理

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维修，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。

DLP投影机是美国德州仪器公司以数字微镜装置 DMD芯片作为成像器件，通过调节反射光实现投射图像的一种投影技术。它与液晶投影机有很大的不同，它的成像是通过成千上万个微小的镜片反射光线来实现的。DLP芯片的核心技术一直控制在美国的德州仪器，DLP技术似乎在追逐着Intel Inside的道路，因为它要求所有采用DLP技术的投影机产品都必须打上DLP的标志。不管其是否会取得Intel在PC领域那样的成就，至少显示了其领导投影机底层技术的决心。

DLP投影机的核心部件为DMD芯片，其它的部件还有：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)，每个镜子代表一个像素，每一个小反射镜都具有独立控制光线的开关能力。小反射镜反射光线的角度受视频信号控制，视频信号受数字光处理器DLP调制，把视频信号调制成等幅的脉宽调制信号，用脉冲宽度大小来控制小反射镜开、关光路的时间，每个小镜片均可在一定角度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投影机原理图

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

目前常用的几种色轮处理技术及特点：由于单片DMD投影机色轮在同一时间内一次只能处理一种颜色，因此会带来部分的亮度的损失，同时，由于不同颜色光的光谱波长的固有特性存在着差别，从而会产生色彩还原的不同，画面色彩往往表现出红色不够鲜艳。因此，如何使投影机既具有足够的显示亮度，同时又能充分的保证色彩的真实还原，是每个DLP投影机厂家在产品设计中的一个关键的问题，而其中一个最重要的因素，就是色轮技术的设计解决方案。

1.三段色轮RGB：由红R、绿G、蓝B三段色组成，不同厂家的产品，其红、绿、蓝的开口角度的设计各不相同，一般来说，红色开口角度较大，这样可以弥补图像红色的不足。采用该色轮技术的前提条件是投影机光机部分具有比较足够的光亮度，否则可能会带来图像的亮度问题，同时，使用三段色轮技术的色彩还原性相对来说比较好。

2.四段色轮RGBW：由红R、绿G、蓝B、白W四段色组成，加白段色的目的主要是为了进一步提高投影机亮度，一般可比三段色轮提高20%左右。但同时，这种色轮技术也会带来投影机的色彩还原不够的问题，使图像色彩失真，降低了画质。另外，在设计中，可以将脉冲信号同步锁定在W段中，脉冲宽度与W段宽度对应，可以一定程度上减少画面的闪烁现象。该技术主要应用在会议室、教学用投影机。

3. 六段色轮RGBRGB：由于DLP技术越来越广泛的应用在具有巨大市场潜力的家庭影院投影和背投电视，因此，人们对DLP的色彩体现和播放连续动态视频画面效果提出了更高的要求。

六段色轮是由RGBRGB共6段颜色组成的色轮，随着色轮转速相应提高（180HZ）和单位时间内处理画面更多，因此，这种设计有效地减少了运动图象和边缘的彩虹效应，视频动态效果更好，图像的色彩更丰富、更艳丽。但由于六色分段分隔较多，集光柱通过各色段之间时光损耗也较多，因此，投影机的光亮度往往比较低，因此，也有少数投影机厂家开始设计采用7段色轮RGBRGBW技术，以提高投影机亮度和减少画面的闪烁。该技术主要用于针对家用消费和视频要求较高的应用。

4. 增益型色轮SCR：SCR（Sequential Color Recapture）也称连续色彩补偿技术，其基本原理与以上色轮技术相似，不同之处在于色轮表面采用阿基米德原理螺旋状光学镀膜，集光柱（光通道）采用特殊的增益技术，可以补偿部分反射光，使系统亮度有较大提高（约40%）。但该色轮的处理技术相对较复杂，目前只有少数投影机厂家在产品中采用，从技术发展方向来说，该技术非常具有市场潜力。

DZF技术

两大投影技术的对比

1.产品差异性：对3LCD投影技术来说，由于芯片技术上的差异，对于高亮度如2500或3000流明以上之需求都可以轻松达成。以现今家用投影机对高画质与高品质的需求来看，3LCD是优于其它投影技术的。台湾厂商较少发展自有品牌，而是以系统组装为其强项，其优点是组装速度快、出货快，且价格也可压低。然而3LCD投影技术在光学引擎生产中的良品率、光学噪讯或制程上的模块化问题需要技术经验的累积才得以解决，因此也令许多厂商敬而远之。

另一方面，虽然DLP技术均由德州仪器公司所提供，然而德州仪器公司并没有自己的品牌，只提供技术部份，不会发生与自身客户竞争的情况，加上DLP之技术特性适合台湾厂商生产，因此DLP日渐受到台湾系统厂商的青睐。DLP技术本身仅为一个光学组件，而就整个产品来说，很多部份需要客户自己去完成，也可藉此提高产品的差异性。对德州仪器公司来说，DLP技术最大的优势在于客户。由于不同的客户发展不同的市场与产品，比如随身便携式投影机、视频投影机或剧场用的投影机。因此DLP技术重点在于客户可在自己的利基市场做创新。相对于3LCD悠久且成熟的发展历史，DLP年纪尚轻，将来创新的机会空间很大。

2.寿命与亮度：若单纯比较投影核心的寿命，DLP之DMD芯片由于是半导体制程，比起LCD显示面板稍占优势，其画质与色彩稳定，不会随着时间与使用次数而降低影像色彩与品质。但若以整机寿命进行比较的话，由于DLP投影技术倚靠高速旋转之色轮，只要一开机便不停高速转动，因此色轮马达之耗材寿命问题也成为消费者考量的重点之一。另外，光效率也会影响消费者购买意愿。过去LCD技术常见光耗损的问题，经过Epson改良HTPS LCD面板制程，提高LCD开口率后已获得解决。而DLP技术在投射单一色光时会阻隔其它两种色光，也将影响其光效率。三片式DLP光效率最佳，但其价格昂贵，是属于高端应用的产品，例如电影院所使用的纯数字放影机就是三片式DLP投影设备。

当3LCD与DLP两种投影机所投影出来的亮度相同时，DLP投影机所需之灯泡瓦数相对较高，由于高亮度金属灯泡的温度非常高，散热效果的好坏将对灯泡寿命产生相当大的影响，而散热时所产生的风扇噪音问题，也是投影机往后亟待克服的重点。此外，LCD投影面板会随着使用年限增长稍微影响画面品质，而DLP由于是采用数字方式播放，因此其影像品质较不易随着时间而变化。

3.噪音与体积：对比3LCD与DLP投影机各自的市场，过去由于3LCD投影技术的先天限制，因此便携式投影机种是由DLP投影技术以其小巧体型占有绝大优势，然而藉由3LCD投影技术的不断改良，便携式投影机种由DLP独大的局面已不复见。轻巧体型小的投影机主要问题在于噪音大。投影机主要的噪音来源为其散热风扇，而DLP投影机由于需要另一颗高速马达来转动色轮，因此开机后同时有两颗马达在机体内转动，噪音问题较仅有散热风扇马达的3LCD投影机稍大。另外，体形大的投影机因为易于散热，故风扇马达转速较低，透过其内部效果良好的隔音机制，相较于体积小巧的便携式投影机，更可达到安静的效果，所以家庭剧院均为体型较大的产品。

用户需求增加、制造成本下降、技术不断创新与新产品相继问世，均使得投影产品的普及率不停攀升，应用范围也不断扩展。而更为宽广的发展空间也让投影产品的定位从过去昂贵的专业设备转变为现今大众化影音产品。未来随着技术的进步，投影市场肯定会有更多精彩的产品，值得消费者引颈期待。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/26/2005)


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