（投影仪原理）投影机原理是什么

[投影仪原理] 投影仪原理是什么？ 投影仪成像原理。 介绍投影仪原理。

投影仪是一种用于放大和显示图像的投影设备。 它已被用于会议室演示以及在家中通过连接DVD播放器和其他设备在大屏幕上观看电影。 在电影院中，数字电影放映机也开始取代旧胶片，并用作硬盘上数字数据的屏幕。

投影仪的原理是什么

说到投影仪成像原理，基本上所有类型的投影仪都是一样的。 投影仪首先将光照射到图像显示元件上以产生图像，然后通过镜头将其投影。 投影仪的图像显示元件包括使用透射光来产生图像的透射型和使用反射光来产生图像的反射型。 无论哪种类型，投影机灯泡的光线都分为红、绿、蓝三种颜色，然后产生各种颜色的图像。 由于组件本身只能显示单一颜色，因此需要使用三个组件分别生成三个颜色组件。 然后三色图像通过棱镜组合成一幅图像，最后通过透镜投影到屏幕上。

图1：投影仪示意图

使用图像显示组件，分别生成红、绿、蓝图像，然后通过合成进行投影。

图像显示组件包括三类（见图2）。 其中，液晶有两种类型：使用透光液晶的透射液晶元件和使用可以反射光的反射液晶的元件。 后一个组件是 DMD（数字微镜组件），它使用每个像素的微镜通过改变反射光的方向来生成图像。

图2：3种图像显示组件

它们是使用液晶的透射型液晶元件和反射型液晶元件，以及使用镜子生成像素的DMD。 这 3 个组件各有优缺点

图3：反射液晶元件采取的措施

投影仪中使用的反射型液晶元件一般采取以下三种措施：（1）采用无机材料的取向膜，以利于液晶控制； (2)通过减小液晶层的厚度来提高响应速度； (3)省去了液晶 间隔物中的障碍物是隔离片()，提高了光的利用效率。

与液晶面板结构相同的透射元件

透射式液晶元件产生图像的原理与液晶显示器相同，液晶显示器已广泛用作普通计算机显示器。 在日本，精工爱普生和索尼已经开始提供此类组件。 投影仪中使用的液晶元件是由高温多晶硅液晶制成的。 因为它与普通液晶显示器不同，小像素生成的图像在投影前会被放大数百倍。 因此，极小的缺陷放大后会非常明显，制造时要求精度很高。

透射式液晶元件的工作原理与液晶显示器完全相同。 通电后液晶分子的方向发生变化，液晶分子的方向调节是否让光线通过，从而显示白色和黑色。

缺点是光利用效率较差。 这是因为透射式液晶面板由多层组成，因此只有约30%的入射光可以透过。

透射式液晶元件的尺寸变得越来越小。 透射式液晶元件一般在0.7～0.8英寸之间，但为了控制成本，主流投影机均采用0.7英寸左右的元件。 然而，元件越小，光透过的面积越小，因此图像越暗。 因此，在使用小型元件时，为了保证亮度，投射灯必须更大，而为了提高透射光的效率，光学系统也会变得更大。 “当使用小型液晶面板时，必须照射更多的光才能保证亮度，因此机身就会更大。0.9英寸左右的尺寸，不仅可以保证足够的亮度，而且设计也可以更小”

透射式液晶显示元件会因长期使用而老化。 这是因为用于调整液晶分子方向的取向膜和用于控制光方向的偏光板使用有机材料。 由于投影灯功率较高，不仅会产生热量，而且会产生强光，可引起有机材料发生化学变化。 材料老化程度根据投影机灯泡的使用方式和用户的使用方法而有很大差异。

适用于视频播放的反射式液晶显示屏元件

在能够实现高图像质量的液晶元件中，有一种类型的反射液晶。 最大的特点是显示视频时至关重要的响应速度非常快，并且由于对比度高，黑色显示非常清晰。 这种液晶显示器适合显示电影和其他视频播放。

目前，已有3家日本公司成功开发出此类组件。 JVC、日立制造和索尼分别于1997年、2001年和2003年发布了此类组件。 JVC的组件被命名为“D-ILA”，Sony的组件被命名为“SXRD”。

反射液晶元件比透射液晶元件更有效地利用光，因此它们可以生产高亮度投影仪。 液晶部分下面有一层反光膜，可以反射60%到70%的光线。 由于关闭电压时液晶呈垂直排列，因此对比度较高。 这种方法称为垂直方向。 由于未施加压力时显示为黑色，因此可以更清晰地表现黑色。 在显示暗图像时，反射型液晶元件的优点更容易理解。 当在黑暗的屏幕上显示黑色的衣服和头发时，可以不受背景影响地进行显示。

投影仪中使用的反射型液晶元件的高响应速度得益于液晶部分采取的某些措施（见图3）。 通过将液晶层减小到2μm以下，响应速度得到提高。 一般来说，为了保证液晶面板的厚度均匀，液晶中会添加一种称为间隔物的辅助材料。 该间隔物的厚度为液晶层的厚度。 然而，JVC的D-ILA和索尼的SXRD通过在制造方法和封装材料上的努力，在不使用间隔物的情况下实现了2μm的厚度。 “通过消除间隔物，解决了像素显示部分出现间隔物的问题。 通过封装材料来保证液晶单元的厚度。

如何使用镜片进行反射

每个像素都有一个反射光的微镜。

一些投影仪还使用微镜元件。 这就是美国德州仪器公司开发的DMD。 由于DMD专利归该公司所有，因此只有该公司生产和供应。 使用 DMD 的投影仪称为 DLP（数字光处理）投影仪。

DMD的每个像素都是一面镜子，半导体基板上排列的像素数量就有多少个微镜。 微镜的边长仅为14μm。 使用微镜最多的 DMD 是约 80 万像素的型号。 图像是通过约80万个微镜在0.7英寸（对角线长度）的基板上一一移动来显示的。

每个微镜以对角线方向为轴左右倾斜。 利用静电引力来移动微镜。 当微镜本身施加20V的电压，对角线一端下方施加5V，另一端施加0V的电压时，由于对角线处电位差较大，微镜会向这一侧偏移。 0V端。

图4：DMD结构（左），以及利用DMD生成图像的原理（右）

利用微镜的角度来改变反射方向。 设置显示白色时反射光面对镜头的角度。 当显示黑色时，光被吸收板吸收。

通过倾斜 DMD 的方向来改变光反射角度，可以获得白色和黑色（图 4 右侧）。 当微镜向某个方向倾斜10度时，通过调节它会将光线反射到镜头方向。 当微镜向相反方向倾斜10度时，光线将被反射到吸光板。 这样，光反射到透镜时呈现白色，反射到吸光板时呈现黑色。 中间色调是通过在很短的时间内在白色和黑色之间反复切换来实现的。

与液晶元件相比，DMD像素具有更高的图像显示性能。 首先是高对比度。 对比度最高可达3000:1。 另外，对信号的响应速度也很快。 响应速度约为15微秒，几乎是液晶的1000倍。 响应速度越快，视频图像显示越流畅。 而且DMD具有更好的光利用效率。 由于像素由微镜组成，因此 90% 的入射光将被反射。 不过，虽然性能高，但每像素的平均价格也很高。

图5：投影仪的类型和用途

包括4个类别。 使用三个透射液晶元件的单面板 DLP 投影仪和 LCD 投影仪是演示和家庭影院的热门产品。 采用反射式液晶的 LCD 投影机和 3 面板 DLP 投影机是针对电影院、礼堂和各种公共活动的数字投影机的高价产品。

图6：单面板DLP投影机结构

仅使用一个 DMD 的单面板 DLP 投影仪使用高速旋转的滤色片以红、绿、蓝光顺序照射 DMD。 DMD 连续显示各种颜色的图像，然后通过镜头进行投影。 根据日本德州仪器 (TI) 的公开信息制作。

适合小型化的单板投影仪

适合小型化的单板投影仪

投影机使用的组件分为三类，实际使用这些组件的产品分为以下四类：

(1) 仅使用 1 个 DMD 的单面板 DLP 投影机；

(2) LCD投影仪，采用3块透射式LCD；

(3) 使用 3 个 DMD 的 3 面板 DLP 投影仪和

(4)采用三个反射型液晶元件的液晶投影仪。 从显示红、绿、蓝图像的投影仪原理来看，基本上都是3板式的。 然而，一台投影仪可以仅由一个具有高图像显示性能的组件（如 DMD）构成。 DMD的单颗价格较高，这也是采用单板设计的原因之一。 除一些大型产品外，采用DMD的DLP投影机基本都是单板式（见图5）。

单面板DLP投影机并不预先分离光线，而是通过滤色片依次切换红、绿、蓝三种颜色，构成一束光（见图6）。 彩色滤光片每秒旋转 60 至 180 次。 穿过滤色片的光线照射到 DMD。 DMD 高速连续显示三色图像。 当照射红光时，显示具有红色成分的图像，当照射绿光时，显示具有绿色成分的图像。 DMD 反射的三色图像通过镜头投影。

单面板DLP投影机由于对比度高、响应速度快，适用于家庭影院等视频显示领域。 此外，光学系统不需要太大，因此设计紧凑、重量轻、便携性强，适合与电脑一起携带（图1）。

不过，也有人指出，单面板DLP投影机使用滤色片来连续显示三色图像，也有相应的缺点。 这就是由于高速图像显示而导致颜色分离的“彩虹现象”。 有人指出，分色会“让人眼花缭乱”。 用于家庭影院的产品通过提高滤色器的旋转速度、将滤色器分成六种或者在三种颜色之外添加白色来减少这种分色现象。

照片1：小型DLP投影机

日本PLUS推出的DLP投影机“V-1100”。 它重约1.0公斤，尺寸为180毫米宽x 45毫米高x 141毫米长，因此可以用一只手握住。

使用特殊的透镜来分割光线

采用投影仪基本结构，即三面板式的投影仪，包括以下三类： (1)采用透射式液晶的通用产品； (2)使用DMD的高价产品和使用反射型液晶元件的高价产品。

我们以液晶投影机为例介绍一下该类产品的结构（图7）。 首先，必须从投影灯发出的光中去除对身体有害的紫外线和影响温度的红外线。 然后根据波长将光分为三种颜色：红色、绿色和蓝色。 一种称为“二向色镜”的特殊透镜用于分离光线。 二向色镜具有只允许特定波长的光通过而反射其他光线，或者只反射特定的光线而让其余光线通过的特性。 首先分离出红色，然后分离出绿色，最后剩下的光是蓝色。 有些产品按蓝、绿、红的顺序分开。 图像元素生成三色图像，然后使用棱镜将这些光组合起来。 为了创造自然的色彩，光以 3 红、6 绿和 1 蓝的比例合成。

图7：液晶投影仪的结构

投影灯发出的光首先分裂成紫外线和红外线。 然后使用称为二向色镜 ( ) 的特殊透镜将其分为红、绿、蓝三种光。 生成三色图像后，使用棱镜将其组合，然后进行投影。

图8：梯形畸变补偿技术

减少组件上导致梯形失真的像素数量。 分辨率将因此降低。

不同的场合对投影仪有不同的要求

会议室使用与家庭使用有不同的要求

根据组件的类型和使用的组件数量，投影仪具有不同的特性。 然而，实际产品除了组件之外还针对使用进行了调整。

投影仪的用途大致分为三个方面。 一是用于会议室等场所的演示使用投影仪原理，二是用于家庭影院用于在家观看电影，三是用于数字投影仪用于在电影院等场所放映数字电影。

在产品数量最多的演示和家庭影院中，广泛使用12万至60万日元的小型产品。 从此类产品的销量来看，约80%使用透射式LCD元件，约20%使用DMD。 在会议室和各种活动中，电影院使用带有 3 个 DMD 的 DLP 投影仪和带有反射液晶元件的投影仪。

是否注重亮度、对比度和色彩表现取决于不同的用途。 演示投影仪主要用于会议室。 在会议室中，为了进行笔记，周围环境必须达到一定的亮度。 因此，对投影仪有亮度要求。 如果亮度达到流明与流明之间，即使周围光线较亮也能正常投影。 并且由于需要显示表格等小文本，因此还必须具有更高的分辨率。 目前，大部分已达到与电脑显示器相同的XGA（1024×768像素）规格或以上。

另一方面，对于家庭影院来说，亮度要求较低，因为可以降低房间的亮度。 相反，取决于对比度是否可以将黑色表达得更深，将红色表达得更充分，这对于表达皮肤非常重要。 为了提高色彩表现效果，“通过改进分光器的制造工艺，可以充分表现红色和绿色效果”（三洋电机消费集团AV解决方案有限公司投影机业务部产品规划部产品规划科杉村和夫队长）。 此外，采用反射式液晶元件的高价投影仪也开始采用佳能投影仪灯泡，其光波分布接近自然光，色彩表现力更好。

通过增加像素间距来校正显示图像

对于投影仪来说，虽然像其他显示设备一样图像质量非常重要，但也存在由“投影”方式引起的投影仪特有的问题。 一是必须调整投影角度，二是屏幕和投影机之间必须留有无障碍物的空间。

由于投影角度不正确，投影机会导致图像出现梯形失真（参见图 8，顶部）。 当房间较小时，有时必须将投影仪水平放置，或者必须将投影仪从斜下方投影。 如果水平投影，会形成左右加宽的梯形；如果斜向上投影，会形成上宽下窄的梯形。

这种梯形失真校正技术现已成熟，并已应用于大多数产品中（见图8底部）。 这种技术称为“梯形校正”。

以投影仪投射的画面长宽比为4:3为例。 采用上宽下窄的梯形，根据下线将画面矫正为4：3的长方形。 为了实现这一点，需要改变组件生成的图像。 即增加直接投影时会变宽的组件部分的像素间距。 即，通过将元件上的显示调整为梯形，使投影图像显示为矩形。 但像素间距增大的部分，分辨率会降低。

不同的场合对投影仪有不同的要求

并且校正技术不断进步。 有些产品不仅可以在上下左右拉宽时进行校正，还可以在投影时通过倾斜传感器检测机身角度，自动校正图像失真。

一种独特的方法是 NEC 开发的校正技术。 使用附带的遥控器指定显示屏的四个角，然后单击设置按钮将其校正为由指定的四个点组成的四边形形状。 该公司利用自主开发的芯片实现了这项校正技术。

此外，正在进行缩短屏幕和投影仪之间距离的研究和开发。 因为如果要避开投射中间的障碍物，投射距离越短越好。 最近，对短焦距镜头产品的需求不断增加。 短焦镜头目前主要用于高分辨率、高价位的机型。 但由于该镜头价格昂贵，最初仅用于高性能、高价位的产品。 近来，随着镜头价格逐渐降低，两年前就开始逐渐应用于小型产品中。

此外，不使用镜头即可实现短焦的产品也在开发中。 这是NEC开发的DLP投影机“WT600”，利用镜头反射光线来调整角度。 光线依次反射到四个非球面透镜上进行投影。 由于投影仪可以放置在演示者和屏幕之间，因此不会投射人影。 “投产最大的难点是提高亮度，目前流明已经通过改进彩色滤光片实现了”

NEC推出的DLP投影机“WT600”。 60英寸（0.9×1.2m）屏幕的投影距离为26cm。