投影机光学成像原理图解,投影仪成像原理介绍

主流投影技术流派

1.1.1 LCD

LCD|0">LCD投影机是液晶技术、照明科技以及集成电路的发展带来的高科技产物。其关键技术是液晶板的制造。LCD投影机利用液晶的光电效应，即液晶分子地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。

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。主要有Sony、Epson、NEC、三洋和三菱等等。LCD投影机有液晶板投影机和液晶光阀投影机两类：

三片式液晶投影机的成像原理(参见图)，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。最后三道光线最终汇聚在一起由镜头投射出去。

1.1.2 LCOS

　　LCOS（Liquid Crystal on Silicon）属于新型的反射式 MICRO LCD投影技术，其结构是在硅片上，利用半导体制程制作驱动面板（又称为CMOS－LCD），然后在电晶体上透过研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上玻璃基板贴合，再注入液晶，进行封装测试。见图 1。在单晶硅片上集成CMOS和存贮电容器的阵列，通过开孔把漏电极和像素电极连接，像素电极用铝做成反射电极。为防止强光照射沟道，加一层金属档光层。另一侧基板是ITO电极的玻璃板。液晶层盒厚爱像素尺寸限制，一般盒厚取几微米。LC0S前投影放大倍数大，显示区内不能用控制盒厚的隔垫物，或者盒厚取小于2微米，可用隔垫物。

　　LCOS投影机的基本原理与LCD投影机相似，只是LCOS投影机是利用LCOS面板来调变由光源发射出来欲投影至屏幕的光信号，与LCD投影机最大的不同是LCD投影机是利用光源穿过LCD作调变，属于穿透式，而LCOS投影机中是利用反射的架构，所以光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板，属于反射式。LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板及反射层，然后再涂布液晶层后，以玻璃平板封装。

　　目前LCOS市场定位在大屏幕投影显示产品及HMD（Head Mount Device）上。目前业界普遍认可：在显示器市场20“以下以LCD为主流，PDP可应用于30”－ 60“产品，但价格昂贵，投影显示器适用于30”－ 60“以上的产品，具有解析度高，价格适中等优势。LCOS投影显示技术则是落于上述投影显示器市场；另外亦可作为直视元件，应用在HMD中。

　　LCOS可视为LCD的一种，传统的LCD是做在玻璃基板上，但LCOS则是长在硅晶圆上。和LCOS的相对比的产品，最常用在投影机上的高温多晶硅LCD为代表。后者通常用穿透式投射的方式，光利用效率只有3％左右，解析度不易提高；LCOS则采用反射式投射，光利用效率可达40％以上，且其最大的优势是可利用最广泛使用、最便宜的CMOS制程，毋需额外的投资，并可随半导体工艺流程快速的微细化，易于提高解析度。

1.1.3 DLP

DLP的全称是Digital Light Processing，中文意思为“数字光学处理技术”。DLP投影机的核心元器件DMD，全称为Digital Micromirror Device，中文意思为“数据微镜装置”，通过控制从而镜片的开启和偏转达到显示图像的目的。DLP在投影机中应用主要是前投(也称正投)系统，和大屏幕和平板显示的背投领域属于不同的应用方式。根据DMD数量的不同，可以将DLP投影机分为单片式DLP投影机，双片式DLP投影机和三片式DLP投影机三种类型。目前市场中几乎没有双片DLP投影机的存在，三片式DLP主要应用在高端工程、影院级投影机中。

DLP技术专利为美国德州仪器（TI）公司拥有，目前DMD芯片、DMD控制器等核心部件还是由TI独家提供。经过几年的发展，目前DLP技术的应用领域在逐步扩张，其应用领域涉及数字电影、大屏幕拼接显示、前投式投影机一直到背投电视等大屏幕显示的方方面面。 DLP技术的优点有：DLP技术以反射式DMD为基础，是一种纯数字的显示方式，图像中的每一个像素点都是由数字式控制的3原色生成，每种颜色有8位到10位的灰度等级，DLP技术的这种数字特性可以获得精确数字灰度等级以及颜色再现。与透射式液晶显示LCD技术相比，投射出来的画面更加细腻；不需要偏振光，在光效率的应用上较高；此外，DLP技术投影产品投射影像的像素间距很小，形成几乎可以无缝的画面图像。正是基于以上原因，DLP投影机产品一般对比度都比较高，黑白图像清晰锐利，暗部层次丰富，细节表现丰富；在表现计算机信号黑白文本时画面精确、色彩纯正，边缘轮廓清晰。显示原理如图XX

目前，DLP技术正在向着低成本、高画质的方向发展，在降低成本方面，TI公司一方面改良自己的生产加工工艺，提高DMD的良品率，另一方面完善DMD产品系列，从而适合不同层次的产品应用需求。在提高DLP投影机画面质量的技术实现上，TI发布了SCR（Sequential Color Recapture，顺序色彩重捕技术）技术用于提升投影机的亮度和色彩表现；2002年下半年，DLP投影机光路上采用六段式色轮，进一步提高了色彩和亮度。

相对于LCD液晶显示技术而言，DLP技术非常年轻。但是DLP技术的出现成功地打破了LCD液晶投影机的垄断局面，并在接下来的长时间内和3LCD技术平分秋色，各自占据半壁江山。

1.1.4 核心要素对比

通过前文对主流投影技术的介绍与对比，我们可以看出，DLP技术为新兴显示技术，其良品率、显示效果正在不断地迭代更新，成本下降较快，目前已成为家用智能投影产品的主流核心技术。

1.2 DLP技术市场应用

由前述内容可知，色轮和DMD芯片为DLP投影的两大核心技术之一，由于色轮技术相对成熟且成本容易控制，因此DMD芯片的选择就决定了产品的成本和显示效果。基于DMD芯片的特点，在DMD芯片的最上面由数十万片面积为14×14微米、比头发断面还小的微镜片组成，增加DMD内微镜片的数量，即可提高产品的分辨率，而不须改变微镜片的大小 (例如分辨率为1024×768的投影机DMD芯片上有786432个小镜片)，这些镜面经由下面被称为“轭”的装置链接，并被“扭力铰链”控制，可以左右翻转。因此，DMD芯片的有效可用面积直接决定了投影产品的核心参数——分辨率。芯片有效可用面积一般由其对角线尺寸表示，以英寸为单位。常见的尺寸主要包括0.2、0.23、0.3、0.33、0.47、0.65、0.75、0.95，其中微型投影仪多应用前五种规格，结合目前市场上暂处于领先位置的极米和坚果的产品，对DLP技术的市场应用做简单的剖析。

以上产品均采用DLP技术。

通过表可以看出，DMD芯片方案是决定产品成本及售价的主要因素，系统内存及存储大小为次要因素，主流显示芯片方案为0.33和0.47，少部分低端产品选择使用0.23，DMD芯片与产品的分辨率有强相关性，绝大多数1080P产品选择0.47DMD，而720P产品则与0.33相匹配，需要注意的是，极少数0.33DMD产品通过在芯片上加入了TSP光学模组，通过高速抖动微镜，让一个微镜形成两个像素，1280*720*2计算得出获得了共184万个像素，行业内也叫“抖一抖1080P”，但其实际物理分辨率了仍为1080P，故一般称其为“准1080P”，其造价成本仍接近0.33DMD产品，但却能按照接近1080P产品的价格进行销售。

未来一段时间内，除了“抖动”的4K产品外，0.47DMD的1080P产品将依旧是市场主流，产品的区分度将主要体现在亮度、内容、存储等方面。