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投影机显示技术
Technology of Projection Disyplay 《国际光电与显示》投影技术版—2002年6月刊 |
到目前为止，投影机主要通过三种显示 技术实现，即CRT投影技术、LCD投影技术以及近些年发展起来的DLP投影技术。这里我们主要介绍CRT三枪投影机。 1 CRT投影技术 CRT是英文Cathode Ray Tube的缩写，译作阴极射线管。作为成像器件，它是实现最早、应用最为广泛的一种显示技术。这种投影机可把输入信号源分解成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系统放大、会聚、在大屏幕上显示出彩色图像。光学系统与CRT管组成投影管，通常所说的三枪投影机就是由三个投影管组成的投影机，由于使用内光源，也叫主动式投影方式。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300lm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，只适合安装于环境光较弱、相对固定的场所，不宜搬动。 CRT(三枪)投影机的光输出用峰值流明来表示，即在一个白窗口的测试图像上，以扫描线尚清晰可见的情况下，测量白窗口的最大照度(LUX)乘以白窗面积(m2)来确定投影机光通量，峰值流明具有很好的实际意义，由于您看到的任何一帧视频图像不可能全部都是白场，白色所占的比例一般占图像面积的20%左右。同时CRT投影机是依靠投影管内电子束在荧光屏上扫描获取图像，束电流大小取决于阴极的发射能力，正常状态下阴极发射的电子被阴栅之间的负电位差控制，在阴栅之间形成电子云，随电位减少，电子流很快被拉到阳极----荧光屏，CRT管能提供较高的脉冲电流，所以窗口信号的屏上亮度可较高，而如果画面是全白场，由于阴极发射能力的限制，只能提供平均束电流，屏上亮度会大大降低，只有峰值流时的1/5左右。由于阴极各CRT投影和所采用窗口信号的大小不同(10%-25%)，所以各厂家产品的亮度指标，没有绝对的可比性。 CRT三枪投影机有两个特有性能指标值得注意： 1、会聚性能：会聚是指红绿蓝三种颜色在屏幕上的重合。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，平行安装地支架上，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，枕形平衡的调整。 2、CRT管的聚焦性能：我们知道，图形的最小单元是像素。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，尤其是高亮度条件下会散焦，且聚焦精度高，可以进行分区域聚焦，边缘聚焦，四角聚焦，从而可以做到画面上每一点都很清晰。 ２ 投影机显示技术—LCD LCD(Liquid Crystal Display)投影机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℃～+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。 2.1 液晶光阀投影机 它采用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，将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，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。主要品牌有：休斯-jvc、Ampro等。 2.2 液晶板投影机 它的成像器件是液晶板，也是一种被动式的投影方式。利用外光源金属卤素灯或UHP(冷光源)，若是三块LCD板设计的则把强光通过分光镜形成RGB三束光，分别透射过RGB三色液晶板；信号源经过模数转换，调制加到液晶板上，控制液晶单元的开启、闭合，从而控制光路的通过断，再经镜子合光，由光学镜头放大，显示在大屏幕上。目前市场上常见的液晶投影机比较流行单片设计(LCD单板，光线不用分离)，这种投影机体积小，重量轻，操作、携带极其方便，价格也比较低廉。但其光源寿命短，色彩不很均匀，分辨率较低，最高分辨率为1024×768，多用于临时演示或小型会议。这种投影机虽然也实现了数字化调制信号，但液晶本身的物理特性，决定了它的响应速度慢，随着时间的推移，性能有所下降。 就目前市场而言，LCD投影机已经发展成为投影机领域内的主流产品，因其具有体积小、重量轻、便于携带、分辨率较高、亮度高、色彩丰富、操作简单、价格适中等特点，而受到用户的欢迎，目前LCD投影机占有的市场份额约占总体市场份额的90%以上。 LCD投影机表示光通量的单位是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，它测量屏幕“田”字形九个交叉点上的各点照度，乘以面积，再求九点的平均值，即为该投影机的ANSI流明值，液晶投影机的光输出主要决定于光源的亮度和光路系统以及液晶板的透射或反射能力。目前高亮度投影机在不增加光源功率的前提下通过技术提高光利用率，在光路上设置P.S光转换板，把起偏以后的垂直方向震动的S光反射转向，P光透射来提高光的效率。 ３ 投影机显示技术—DLP DLP是英文Digital Light Porsessor的缩写，译作数字光处理器。这一新的投影技术的诞生，使我们在拥有捕捉、接收、存储数字信息的能力后，终于实现了数字信息显示。DLP技术是显示领域划时代的革命，正如CD在音频领域产生的巨大影响一样，DLP将为视频投影显示翻开新的一页。它以DMD(Digital Micromirror Device)数字微反射器作为光阀成像器件。 DLP投影机的技术关键点如下： 首先是数字优势。数字技术的采用，使图像灰度等级达256-1024级，色彩丰富，图像噪声小，画面质量稳定，精确的数字图像可不断再现，而且历久弥新。 其次是反射优势。反射式DMD器件(数字微反射镜器件)的应用，使成像器件的总光效率达60%以上，对比度和亮度的均匀性都非常出色。在DMD块上，每一个像素的面积为16μm×16μm，间隔为1μm。 根据所用DMD的片数，DLP投影机可分为：单片机、两片机、三片机。DLP投影机清晰度高、画面均匀，色彩锐利，三片机亮度可达2000流明以上，它抛弃了传统意义上的会聚，可随意变焦，调整十分便利；分辨率高，不经压缩分辨率可达1024×768(有些机型的最新产品的分辨率已经达到1280×1024) DLP投影机的亮度单位为ANSI流明。DLP投影机以数字微反射镜器件(DMD)作为光阀成像器件通过信号放大，输出大屏幕图像。大多数DLP投影机都采用1块DMD光阀片，用滤色片旋转出色彩。 目前，液晶(LCD)投影机和DLP投影机是目前中国市场上主要机种，其亮度指标由于测试环境的差异，各品牌的机器ANSI流明指标有所差异。但是厂家提供的ANSI流明数值基本反映了投影机的亮度水平。 投影机重要参数指标 1 亮度： 亮度是投影机最重要的指标之一。亮度越高，图像看起来越清晰。现在投影机亮度的单位为“ANSI流明”，常用的LCD投影机和DLP投影机的亮度一般在800-1200ANSI流明，已能满足大多数人的要求，高档的大型投影机的亮度可达6000ANSI流明。另外，在挑选投影机时应注意画面亮度的一致性和均匀性，亮度不均匀会影响画面的观感。 亮度的对应等同技术含义为光输出，光输出(Light Out)是指投影机输出的光通量，单位为流(流明)(lm)。与光输出有关的一个物理量是亮度，是指屏幕表面受到光照射时发出的光通量与屏幕面积之比，亮度常用的单位是勒(勒克斯)(lx，1lx=1lm/平方米)。当投影机输出的光通量一定时，投射面积越大亮度越低，反之则亮度越高。决定投影机光输出的因素有投影及荧光屏面积、性能及镜头性能，通常荧光屏面积大，光输出大。带有液体耦合镜头的投影机镜头性能好，投影机光输出也可相应提高。 2 分辨率： 分辨率也是投影机的重要指标之一。投影机分辨率是指一幅图像所含的像素数目，像素数目越多分辨率越高，显示的图形细节更丰富，使画面更完美。以下是几种分辨率表示：VGA=640X480；SVGA=800X600；XGA=1024X768;SXGA=1280X1024。有些投影机宣传材料上会写着如“真正SVGA，可压缩至(或兼容)XGA”，其意思是投影机真正的分辨率是SVGA(800X600)，但也可以通过压缩技术，使投影机也可以显示XGA(1024X768)图像，当然这会丢失一些数据而导致图像模糊。 在投影机指标中，分辨率是较易混淆的一个概念，投影机技术指标上常给出的分辨率有：可寻址分辨率、RGB分辨率、视频分辨率三种。 对CRT投影机来说，可寻址分辨率是指投影管可分辨的最高像素，它主要由投影管的聚焦性能所决定，是投影管质量指标的一个重要参数。可寻址分辨率应高于RGB分辨率。 RGB分辨率是指投影机在接RGB分离视频信号时可达到的最高像素，如分辨率为1024X768，表示水平分辨率为1024，垂直分辨率为768，RGB分辨率与水平扫描频率、垂直扫描频率及视频带宽均有关。 视频分辨率是指投影机在显示复合视频时的最高分辨率。这里，有必要将视频带宽、水平扫描频率、垂直扫描频率与RGB分辨率的关系作一分析：首先看看水平扫描频率与垂直扫描频率、垂直分辨率的关系。 水平扫描频率=A×垂直扫描频率×垂直分辨率 式中A为常数，约为1.2，垂直扫描频率一般不应低于50Hz，为了保证良好的视觉效果，希望垂直扫描频率高一些好。为了提高图像质量，也要提高垂直分辨率。这些都要求相应地提高水平扫描频率。可见，水平扫描频率是投影机的一个重要技术指标。例如：当垂直扫描频率为70Hz，垂直分辨率为768时，行频为64.5kHz。 其次再来看视频带宽与水平扫描频率，水平分辨率的关系。 视频带宽=R×水平扫描频率×水平分辨率/2 式中R约为1.4，其中水平分辨率应比垂直分辨率高，这是由于图像水平与垂直幅度之比是4:3，例如垂直分辨率为768时，水平分辨率一般是1024，此时信号带宽是46MHz。 综合上述两个公式可以得出： 视频带宽=C×水平分辨率×垂直分辨率×垂直扫描频率/2 式中C=A×R。由该公式可以知道要提高图像分辨率，就要提高视频带宽。因而视频带宽也是投影机的一个重要指标。因此，在区分投影机质量优劣时，应注重看行频和带宽，在看RGB分辨率时，还应注意它的垂直扫描频率，在行频一定时，垂直扫描频率不同时，最高RGB分辨率也不同。例如一台投影机的最高行频是75KHz，当垂直扫描频率为60Hz时，允许最高RGB分辨率是1280×1024。而如果将垂直扫描频率提高至70Hz时，就达不到1280×1024。 3 对比度： 图像的清晰度除了与亮度、分辨率有关外，还与对比度有关系。对比度是通过测量黑色和白色之间的对比获得。对比度越高，图像越清晰。一般投影机的对比度范围可达300-400:1(全黑/全白)。 4 带宽： 带宽是指信号通过投影机时不至于明显衰减的频率范围，带宽越大，画面细节越好，过低的带宽易引起图像模糊或聚集不良，因此应尽可能选择高带宽投影机。在60Hz垂直扫描频率下，SVGA图像需43MHz的带宽，SXGA信号需118MHz。 5 行扫描频率 也称水平扫描频率，是指每秒种扫过和回扫过完整水平线的数量，通常是用ＫHz来表示。电子在屏幕上从左至右的运动叫做水平扫描，也叫行扫描。每秒钟扫描次数叫做水平扫描频率，视频投影机的水平扫描频率是固定的，为15.625 KHz(PAL制)或15.725KHz(NTSC制)数据和图形投影机的水平扫描频率不是一个频率点，而是一个频段;在这个频段内，投影机可自动跟踪输入信号行频，由锁相电路实现与输入信号行频的完全同步。水平扫描频率是区分投影机档次的重要指标。频率范围在15KHz～60KHz的投影机通常叫做数据投影机，上限频率超过60KHz的通常叫做图形投影机。 每种信号源都对扫描频率有特定的要求，普通视频信号的行扫描频率为15.7kHz，VGA(640x480)的扫描频率为31.5kHz，SVGA的行扫描频率为37.8kHz，XGA(1024×768)行扫描频率为48.4kHz，SXGA(1280Xl204)的行扫描频率为64.5kHz，1600Xl2000的行扫描频率为75kHz。在购买投影机时，应关注一下行扫描频率的范围，看其是否适合您所要显示的信号源。水平扫描频率(行频)。 6 垂直扫描频率(场频) 电子束在水平扫描的同时，又从上向下运动，这一过程叫垂直扫描。每扫描一次形成一幅图像，每秒钟扫描的次数叫做垂直扫描频率，垂直扫描频率也叫刷新频率，它表示这幅图像每秒钟刷新的次数。垂直扫描频率一般不低于50Hz，否则图像会有闪烁感。 7 视频带宽 投影机的视频通道总的频带宽度，其定义是在视频信号振幅下降至0.707倍时，对应的信号上限频率。0.707倍对应的增量是-3dB，因此又叫做-3dB带宽。 8 CRT管的聚焦性能 我们知道，图形的最小单元是像素。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时，其优点是聚焦性能好，尤其是高亮度条件下散焦，且聚焦精度高，可以进行分区域聚焦，边缘聚焦，四角聚焦，从而可以做到画面上每一点都很清晰。 9 会聚 会聚是指RGB三种颜色在屏幕上和重合，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较正，机器位置变化，会聚也要重新调整，因此对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、枕形平衡的调整。有些投影机具有点会聚功能，它将全屏幕分为208个点，在208个点上逐点进行调整，所以屏幕上每一点都被做到精确会聚。 10 重量 随着技术的发展，投影机做得越来越小，越来越轻，目前最轻的投影机只有2kg多，极大地方便了用户，如果您经常要带着投影机到处去作演示，那就应该尽可能选用重量轻的便携式投影机。 11 投影距离/投影尺寸 投影距离是由厂商推荐的在此距离范围内保证图像显示的质量和清晰度。考虑这一指标时应结合投影机应用环境来考虑。 12 灯泡寿命 LCD、DLP和投影机都有外光源，其寿命直接关系到投影机的使用成本。因此，在购买时一定要问清楚灯泡寿命和更换成本。LCD投影机的灯泡成本平均为1.5元～2元/小时。 13 其它功能 为了方便用户安装和使用，厂商开发了一些附加功能，如多媒体套件，全自动安装，屏幕菜单，“画中画”功能，局部放大，激光教鞭，遥控鼠标等等，这些功能给用户带来了很大的方便。 |