| cyqdesign | 2006-04-12 16:30 |
投影机光路设计优劣大比拼在投影机光路中，除去光源灯外，UV/IR镀膜玻璃、冷反光镜滤、芯片、分光板（棱镜）及镜头是光所经过的全部元器件，它们质量的优劣、设计的好坏将直接影响着每一台投影机亮度的高低、图象质量的好坏。但从根本上讲，都是光路设计的优劣所决定的，而这些，就成为投影机除去LCD、DLP芯片外价格千差万异的又一个因素。 投影机的光路中除去芯片外，还有灯、分光系统、镜头，但投影机的散热系统和光路也有一些关联。所以，我们把散热系统也纳入了光路分析之中。 光源（投影灯）在光路中的作用与影响： 投影机灯泡的作用不用说大家也知道，它是为非自发光投影机提供光源的，：目前的非自发光投影机，他们采用的光源均为气体放电灯！主要包括：UHP灯（超能灯）、UHE灯和金属卤素灯。 作为照明灯其实有很多种，主要分为二大类：白炽灯和碘钨灯等热辐射型灯；高低压气体放电灯。在这两大类照明灯中，只有UHP灯、UHE灯和金属卤素灯既能达到投影机所要求的光亮度（这些灯的发光效率都在80流明/瓦特以上）、色温要求（这些灯的色温特性都在4000K以上），又具有覆盖整个可见光（360纳米——760纳米）全部范围的发光频谱。因而当仁不让的担当了投影机内的发光光源。 UHP灯泡是一种理想的冷光源，但由于价格较高，一般应用于高档投影机上。UHP灯产生冷光，外形小巧，在相同功耗下，能产生大光量，寿命较长，当衰竭时，即刻熄灭。优点是使用寿命长，一般可以正常使用4000小时以上，亮度衰减很小。为了达到更好的集光效果，近年来UHP光源的电弧极距减少到1.0mm，其寿命达10000小时以上，功率为200瓦，配备于投影机产品，重量仅4公斤，体积不到2升，便于携带，其屏幕照度超过1100流明，能够达到明亮的XGA显示水平。荷兰飞利浦公司于1995年首先开发成功一种超高压汞灯寿命更是长达12000小时。  （图1：UHP灯芯结构图） UHE灯泡也是一种冷光源，UHE灯泡是目前中档投影机中广泛采用的理想光源。优点是价格适中，在使用4000小时以前亮度几乎不衰减。 金属卤素灯泡是最适合用做液晶投影显示器的照明系统，这是由于它的高效率、高显色性、高色温和短弧距。金属卤素灯泡的优点是价格便宜，缺点是半衰期短，一般使用1000小时左右亮度就会降低到原先的一半左右。并且由于发热高，对投影机散热系统要求高，不宜做长时间（4小时以上）的投影使用。这种金属卤素灯泡在低端投影机中被广泛使用。  （图2：SHARP XV-PN100投影机上的金属卤素灯）  （图3：金属卤素灯、UHE灯、UHP灯寿命亮度曲线） 除了UHP灯、UHE灯和金属卤素灯，一种新型照明光源——半导体LED电光源也随着技术的进步而突飞猛进！目前白光LED灯的发光效率已经超过60流明/瓦特。但LED工业化产品目前的功率最大也仅在数瓦特内（目前工业化产品最大功率仅为3瓦特）徘徊。但其低廉的价格（比如东芝公司30流明产品“TL10W01-D”价格约37元；60流明产品“TL10W02-D”价格约52元。）将导致部分低端投影机产品的Mini化,对于一般的照明而言，采用多管并联的方法可以提高其整体亮度，但对于投影机产品来说，却无法采用多管并联的方法，因为投影机所需的光源特点是点光源，而多管并联无法做到这一点。在今年美国2005 CES展会上，数款（三星、三菱、富可视、明基等）采用LED光源、重量基本在400克左右的超迷你投影机已经商业化。三菱发布采用DLP技术的迷你投影机，这种投影机不使用交流电源，仅用电池供电，重量仅14盎司。分辨率为SVGA(800*600),能够快速的启动电源，拥有能使用10年以上的20000小时长寿命灯泡。具报道这种投影机将在今年7月将上市，预计售价为699美元，该机的备用电池售价约为199美元。随着LED半导体电光源的介入，气体放电灯价格昂贵、电源复杂、发热量高等缺点将使它在低亮度投影机市场的份额迅速萎缩。但LED半导体电光源无法做到和气体放电灯一样动辄数百乃至上千瓦特的大功率特性，决定了它只能在投影机光源市场充当配角的地位。  （图4：各种各样的LED半导体发光管的身影在我们身边无处不在）  （图5：比手机大不了多少的以DLP为芯片、LED为光源、电池供电的三菱微型投影机） 分光系统（棱镜）在光路中的作用与影响： 投影机单纯就光路来说，也就分为两种，单片机和三片机，（对于DLP中的两片机，我们可以用简单的理论把它归入三片机中去！）两种光路是不同的！前着是采用空间混色原理进行空间混色的！而后者的混色是叠加合成的！前着光路简单但投影效果差，后者光路复杂但投影效果好！在价格上也是前者廉价，而后者昂贵！ 以某透射型液晶投影机的光路为例，单片式液晶投影机的成像原理：首先光线通过冷光镜（光学隔热玻璃）、UV（紫外线）/IR（红外线）截止镜，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。光线下一步直射到液晶片上。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。最后光线最终汇聚在一起由镜头投射出去。单片机的光路比较简单，投影灯发出的光经过凹面镜会聚后形成光束，然后经过光学隔热玻璃吸收掉紫外线、红外线后进入成像元件（LCD、DLP或LCOS）经过光学元件的调制，形成被调制的彩色图象，然后由投影机的镜头投射出去，形成最终的可视影象。  （图6：透射型LCD单片机工作光工作原理图） 以某透射型液晶投影机的光路为例，三片式液晶投影机的成像原理：首先光线通过冷光镜（光学隔热玻璃）、UV（紫外线）/IR（红外线）截止镜，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，形成最终的可视影象。  （图7：透射型LCD三片机工作光工作立体原理图）  （图8：三基色空间混色原理图） 从上面可以看出：在光路中三片机比单片机多了棱镜分光系统，单从光路中可以看出，三片机比单片机成本要高了很多！这成本中不仅有棱镜的成本，还有投影机体积、模具上的成本增加！三基色重合的前提条件是精密的模具加工与安装的精密调整！所以说，与单片机相比，三片机的价格是昂贵的！对于投影机系统来说，无论是透射型芯片（LCD单片机、LCD三片机），还是反射型芯片（DLP单片机、两片机和三片机及LCOS投影机），光路基本上是一致的，唯一不同的是透射型芯片LCD单片机、LCD三片机）的光路是穿投芯片后射出，而反射型芯片的光路是在芯片上反射出来！ LCD 的优点是光效率高。 LCD投影机比用相同瓦数光源灯的DLP投影机有更高的ANSI流明光输出，在高亮度竞争中,LCD依然占着优势。7公斤重量级左右的投影机中，能达到3000ANSI流明以上亮度的，都是LCD投影机。LCD的缺点：LCD投影机明显缺点是黑色层次表现太差，对比度不是很高。LCD投影机表现的黑色，看起来总是灰蒙蒙的，阴影部分就显得昏暗而毫无细节。这点非常不适合播放电影一类的视频，对于文字到是与DLP投影机差别不是很大。 镜头在光路中的作用与影响： 对于镜头，最关键的参数就是光圈F值的大小，对于投影机，投影镜头是投影机光路中的最后一个环节，（当然，影象从镜头出来，光路还要在空气介质中传播，然后经过幕反射（正投安装方式）或幕透射（背投安装方式）进入观看者的眼中。在这里我们不讨论这些，光路讨论只到投影镜头为止。）光圈大（光圈的大小和F值成反比，F值越小，光圈越大，理想状态下，F值为1，但只要有光学元件存在，就不可能达到1。焦距与光学镜片的比值就是F值。）投影影象的亮度就高，对于定焦镜头来说，光圈值是一个恒定值，对于变焦镜头来说，通过F值的定义我们可以看出，由于焦距的改变，它的数值是是在一个范围内。比如F2.8——F3.4。投影机的光圈值是个非常重要的参数，举个例子，同样的机器，使用F值不同的镜头，其亮度的区别是非常大的！比如F2.8的投影机，就是F4的投影机亮度的二倍，是F5.6投影机亮度的四倍，是F8投影机亮度的八倍…… 任何两只镜头，只要它们的f值相同，那么它们所传送的光量就是完全一样的。例如，两只不同的镜头均为f/2.8，那么就会有相同的光量通过镜头到达银幕。不一定投影机镜头大，它的F值就大，它是和镜头的焦距有密切关系的！有可能一支口径小的投影机镜头F值比大镜头的F值还要小，（通光量更大）。 焦距也是用数值来表示的，通常从50-210，分为短焦、标准和长焦，还有超短和超长焦的。数值越小焦距越短，数值越大焦距越长，投影机对镜头焦距的要求正投一般在50-140，背投一般在35左右，焦距决定了打满预定尺寸时投影机与影幕的距离，焦距越短，投影机与影幕的距离就越近，反之就越远。如果要在短距离投射大画面就需要选择短焦镜头的投影机，反之则需要选择长焦镜头。一般的投影机都为标准镜头。  （图9：焦距为123mm、F=1：2.8的SHARP XV PN100投影机镜头） 镜头的焦距决定了该镜头在投影机与银幕距离一定的条件下所能形成影像的大小。那么镜头的焦距越短，则投影在银幕上的影像就越大。 注1：此项参数为投影机与银幕为同一距离时的亮度、影象尺寸大小。 注2：该项参数是在一般的同类产品比较中的可比性参数。 注3：观看舒适度为投影机在放置时对观看者的影响，以影响越小越舒适为标准。 注4：使用便宜度是投影机在满足其放映条件下，观看者操作投影机的方便程度。 散热系统对光路的影响： 投影机的热量主要来源于投影机内部的成像系统、投影机的电源部分以及投影灯泡这三部分。投影机需要强度很高的亮度，为了能达到很高的投影亮度，目前投影机普遍采用的是金属卤素灯泡、UHE灯泡、UHP灯泡这三种光源，这些灯泡的共同特点是发热量高，灯泡发出的光，虽然经过了冷光镜（光学隔热玻璃）、UV（紫外线）/IR（红外线）截止镜等多种滤除红外线的措施，但仍有很多热量集中在液晶板、偏振片等小面积器件上。如果不及时把这些热量从投影机中迅速排开，那么就会使得投影机内部产生高温，在高温情况下，投影机的工作效率就会将低，而且长时间工作下去的话，投影机的使用寿命也会大大缩短的。 不同来源的热量对投影机造成伤害的位置和程度都是不一样的。由投影机成像系统散发出来的大量热量会导致投影机内部温度迅速升高，而投影机灯泡内壁的石英在高温下会发生失透现象，产生白色的斑点，由于失透处大量阻挡光线，使该局部区域温度异常升高，进而引起失透区域进一步扩大，从而使亮度迅速衰减，并且很可能导致灯泡爆炸。此外投影机内部的芯片板自身的物理性质决定了它的工作温度不允许太高，其他光学部件一旦温度超过其承受范围也会造成光学元器件的损坏。 还有一点就是散热系统的长时间工作将直接导致投影机光路的灰尘污染。由于散热系统中风扇的持续工作，导致灰尘在光学器件、LCD板（DLP板）的积累，使投影机投影机出的图象出现小范围内的黑斑；而投影机电源部分所散发出来的热量会导致电源部分温度过高，这样会导致投影机内部的电源部分、信号退偶部分的电解电容干涸，这些电解电容容量下降、甚至消失，从而导致投影机出现无法消除的干扰、信噪比降低及严重的电源开关管烧毁事故。 为了保证投影机的使用安全，将投影机放置在有空调的环境中，以便降低投影机的使用环境温度；尽量让投影机远离用户，以免风扇发出的噪音对人体造成影响等。投影机所产生的噪音会使人降低观看效果，建议购买散热风扇噪音不超过35分贝的投影机。 不同光路的投影机会导致价格差异悬殊： 从以上的光源（投影灯）在光路中的作用与影响、分光系统（棱镜）在光路中的作用与影响、镜头在光路中的作用与影响、散热系统对光路的影响四方面分析中可以看出，投影机光路的涉及范围是很多的，影响投影机成本的因素除了LCD、DLP芯片、信号处理变换电源电路及机壳等关键元件外，投影机的光路中所选取的元件的好坏、光路设计的优劣也是非常重要的！优秀的光路设计，能在同样的亮度情况下，有效地降低投影机灯功率、降低对散热系统的要求有着举足轻重的作用！对于某一方面的侧重与要求、对某一方面的简化与省略，便形成了投影机市场的许多相同参数的投影机具有不同价格的主要原因。对于投影机产品的采购来说，性能与价格是永远成正比的。应该说，买什么参数都是一流的投影机不是理智的，合理的舍弃某一参数，突出自己对投影机某一方面参数的确定，获得自己满意的投影机产品便成了广大选购者在熊掌与鱼之间的如何抉择问题了！ 影象亮度大小的作用与影响： 投影机的亮度在使用中，与投影机距离屏幕的远近和屏幕视角，以及幕的增益有很大关系。不同亮度的产品的差异主要表现在图像的清晰度、色彩的明锐度、亮暗部灰度层次上，也就是说，亮度高的产品的图像更清晰、色彩的明锐度更高、亮部和暗部的灰度表现更完整。对于普通的文本应用，亮度差异对图像的影响并不明显。 基本概念：投影机的亮度 “light out” 是投影机主要的技术指标, “light out”通常以光通量来表示，光通量是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是流明。投影机表示光通量的国际标准单位是ANSI流明，ANSI流明是美国国家标准化协会制定的测量投影机光通量的方法，测定环境如下： 1) 投影机与幕之间距离：2.4米。2) 幕为60英寸。3) 用测光笔测量屏幕“田”字形九个交叉点上的各点照度，乘以面积，得到投影画面的9个点的亮度。4) 求出9个点亮度的平均值，就是ANSI流明。 亮度的比较：LCD投影机属于透射式投影方式，主要依靠提高光源效率、减少光学组件能量损耗、提高液晶面板开口率和加装微透镜等技术手段来提高亮度。DLP技术属于反射式投影方式，其主要通过改进色轮技术、改变微镜倾角和减少光路损耗等手段提高亮度指标。 投影机亮度和幕的选择：亮度是投影机产品输出到屏幕上的光线强度，也是投影图像的明亮程度。一般情况下，投影机的亮度越高，投射到屏幕上的相同尺寸的图像越明亮，图像也就越清晰。然而人眼能够感知的图像的明亮程度并不仅仅取决于投影机的亮度，与环境光强度、图像的尺寸都有很大关系。环境光越强，人眼感知的图像的亮度相对就越暗淡。因此用户一定要根据自己投影机使用的环境条件选择合适的亮度，并不一定是越亮越好。因为在其他指标相同的情况下，亮度越高，投影机的价格也会越高，同时人眼感知图像的亮度会有一定范围，超过这个范围，人眼会感觉到不舒服，尤其是长时间观看亮度过高的图像会使人眼产生疲劳，并造成一定伤害。 需要提醒用户的是，用户除了要根据空间大小来选择亮度指标外，还要考虑使用环境的光线条件、屏幕类型等因素。同样的亮度，不同环境光线条件和不同的屏幕类型都会产生不同的显示效果。用户在选择投影机产品时，对于亮度指标要有一个余度。由于投影机的亮度很大程度上取决于投影机中的灯泡，灯泡的亮度输出会随着使用时间而衰减，必然会造成投影机亮度的下降。投影机产品在使用的2000小时后，亮度衰减很快，因此用户在选择投影机产品时，一定要对亮度指标有一个全面的考虑。 以上就是笔者通过各个方面对光路设计及影响及发挥的因素进行了较全面的分析，希望能够让大家对投影机内部的构造有一个较好的认识。 （文章转载于it.com.cn，若有不妥，请告之！） |
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