投影仪的核心组成包括空间光调制器、照明系统、投影物镜和信息处理单元。 传统的投影仪，如幻灯机，用强光源通过聚光系统均匀照亮胶片（负片或反转片），并将胶片的像投影到投影屏或白墙上。 如今，空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）成为计算机电子图像和光学信息显示系统的接口。SLM主要包括液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD），数字光处理器（Digital Light Processor，DLP），发光二极管（LED）等。由金属化卤钨灯、高压汞灯发射的光束，经过聚光、反射和均匀化处理后，照射空间光调制器，形成透射或反射的图像，经过投影物镜成像在投影屏或白墙上。
1. 投影仪的关键参数 （1） ANSI流明与ISO流明 投影仪的真正亮度参数，是投影仪照射到幕布上的亮度，而不是投影仪中的激光器、灯泡、LED灯等能为投影机提供的“最原始的发光亮度”。 现在投影仪表示光通量的单位通常是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。 ANSI流明的具体测量办法是： a、投影仪与投影屏的距离为2.4米； b、投影的大小为60英寸； c、用光照度计测量图像9点上每个点的亮度，然后求9个点的平均亮度值； d、平均亮度乘以投影图像的大小为ANSI流明。
ISO流明是国际标准，ISO在规定投影机的生产标准的同时，更严格地规定了测量的检测标准，包括灯泡的功率、噪音对亮度的影响等。 经验公式：ANSI流明：ISO流明≈1:0.8。1000ANSI流明≈800ISO流明，换句话说，如果是相同数值，那么ISO流明比ANSI流明还要亮！ 注意的是：亮度指屏幕表面受到光照射时发出的光通量与屏幕面积之比。 当投影仪输出的光通量一定时，投射面积越大则亮度越低，反之亮度越高。 （2） 对比度 对比度指投射出的黑色与白色画面之间的亮度比，也就是从黑到白的渐变层次。 对比度对视觉效果的影响非常关键，高对比度对于图像的清晰度、细节表现、灰度层次表现都有很大帮助。比值越大，从黑到白的渐变层次就越多，图像越清晰醒目，色彩表现越丰富。
（3） 分辨率 图像信号的分辨率分为数字图像分辨率和模拟图像分辨率。 在投影仪技术指标中，常见输出分辨率有：SXGA（1280 x 1024）、XGA（1024 x 768）、 SVGA（800x 600）、 VGA（640 x 480）。 （4） 均匀度 均匀度指投出画面的中间亮度与周围亮度的比值。一般要求投影仪均匀度高于85%。 （5） 投影距离 投影距离指投影仪镜头与投影屏之间的距离。 （6） 投射比 投射比指投影距离与画面的宽度之比。 长焦机(standard throw)，投射比通常在1.5-1.8:1之间； 短焦机(short throw)，投射比通常在1-0.57:1之间； 超短焦机(ultra-short throw)，投射比在0.37:1以下。
（7） 调焦比 调焦比指镜头在投影距离固定时，投射出的最大与最小画面尺寸之间的比值。 如，调焦比为 1.2:1 ，在一定投影距离时，焦距最大所投射的画面为100英寸，则在焦距最小时所投射的画面为120英寸。
2. 空间光调制器的主要指标 空间光调制器（SLM）是投影仪的关键器件，它是多媒体信息源与投影光学系统的接口器件。在信息处理中，信源产生的信号，必须通过接口器件，才能耦合到处理系统进行处理。 （1） 显示模式 SLM主要的显示模式如下表：
（2） 器件和像素尺寸 设像素尺寸为p，则器件水平、垂直的线度和对角线的半长度分别为
（3） SLM器件的截止频率和最小分辨长度 根据抽样定律，像素阵列器件的截至频率：
上式中，器件的截止频率决定了系统的最高分辨率。 2p就是SLM所能表征的最小可分辨长度。 为了获得高像质，充分利用器件的etendue，通常光学系统的弥散斑尺度ε（RMS半径）应小于p，至少小于2p。
3. LCD投影仪
上图为LCD投影仪的光学系统示意图。 其中，BS1，BS2为分色镜；MI，M2，M3为反射镜；X为合色棱镜；L为投影物镜；B-LCD，G-LCD，R-LCD分别为蓝，绿，红LCD-SLM。 由高亮度、高色温的短弧金属化卤钨灯或高压汞灯经非球面镜反射后，滤掉紫外及红外光，经过匀光后形成接近平行的光束，然后通过两个分色镜BS1和BS2分成红、绿、蓝三种单色光，分别由三个TFT-LCD调制。在这三个SLM上分别加上R、G、B三路视频图像信号后，从三个侧面射入R-G-B合成棱镜（俗称X棱镜）。X棱镜的一个对角面镀透蓝光、绿光反红光分光膜，另一对角面镀透红光、绿光反蓝光分光膜，将R、G、B三路不同颜色的光束重新合成，并通过高分辨率、大视场投影物镜L把合成后的图像投射到屏幕或白墙上，这种设计称为前向投影（Front Projector），简称前投。
4. DLP投影仪 基于MEMS的理念和大规模集成电路系统，设计了数字微反射器件（Digital Micromirror Device，DMD）。 DMD的主要应用是投影显示，由于信息处理的全过程都是数字化的，称为数字光处理（Digital Light Processing，DLP）。
上图是DMD的结构示意图。 器件的基底是硅，用大规模集成电路的技术，在硅片上制出RAM，每一个存储器有两条寻址电极（Address Electrodes）和两个搭接电极（LandingElectrodes）。两个支撑柱上，通过扭臂梁铰链（Torsion Hinge）安装一个微型反射镜，像一个“跷跷板“的结构。 器件工作时，在反射镜上加负偏压，一个寻址电极上加+5V（数字“1”），另一寻址电极接地（数字“0”），这样一来，就形成一个差动电压，它产生一个力矩，使反光镜绕扭臂梁旋转，直到触及搭接电极为止。在扭转力矩的作用下，反射镜将一直锁定于这一位置，不管它下面的存储器的数据是否变化，直到复活信号出现，对应旋转角度为12°。这样一来，每一单元都有三个稳态：+12°，-12°和0°，0°对应于没有寻址信号（两个寻址点击都是0）的情况。 DMD是通过半导体微细加工技术精密制作的，因此反射镜阵列的三个稳态一致性相当好，对应于DMD的三个平面：与基平面成±12°的倾斜平面及平行于基面的平面。
上图是DMD用于投影显示的工作原理图。光源发出的光束与光学系统光轴的夹角为2θL，倾斜照射DMD，上图中右边的像素反射镜θ=-θL，反射光通不过投影物镜，射到镜筒壁上被吸收了，对应于DMD的“关”态。左面的像素被寻址，θ=θL，它反射的光束正好沿光轴方向通过投影物镜，成像在屏上，此状态为“开”态。DMD由视频信号驱动，在每一帧的时间内，某一像素处于两种状态的占空比，决定了该像素的灰阶，亦即灰阶由入射光的二元脉冲宽度调制实现。
上图是两种DLP投影仪光学系统示意图。在DMD器件上加载图形，经过照明系统和成像系统，就可将数字图像投射到屏幕上。 顺序颜色模式单板投影仪 上图中，左边为顺序颜色模式单板投影仪的示意图，它在照明光路中加了一个三原色R、G、B滤色镜的色轮（Color Wheel），它与视频信号严格同步，在每一帧的时间Δt内转一圈，在各颜色的扇形角度范围内再分别用像素ON/OFF的占空比调节R、G、B的比例，从而在一帧的时间Δt内合成所要求的颜色。由于每秒25帧，利用“视觉暂留”效应，人的眼睛把这一滚动的“数字”图像翻译成稳定的“模拟”图像。设每种颜色的灰阶均为8bit，即256种，总共可产生2563约1600万种不同的颜色，色彩是相当丰富的。为了兼顾色饱和度和总光通量，通常色轮上还有一段扇形是透明的(W)，即R-G-B-W。DLP及其配套的驱动、控制电路成本较高，而顺序颜色模式仅用一个DMD就实现彩色投影，成本相对较低，是大批量生产的便携式投影仪的首选设计，广泛应用于办公、教学和科研。 空间分色模式三板投影仪 上图中，右边为更先进的三板式DLP投影仪。由短弧、高光强、高色温光源(金属化卤钨灯、高压汞灯、氙灯或镝灯)发出的白光首先经过聚光镜射入“匀光管”，光线在管壁反射层上多次反射，在出口处形成均匀的4:3或16:9矩形光源，再通过中继镜进入一个更为复杂的分光棱镜系统分成R、G、B三色光，分别照射三个DMD，三个DMD用各自的数字图像分别寻址，三个DMD器件中处于ON态的像素的反射光再通过该棱镜系统重新合成，通过一个变焦物镜投影到屏幕上。由于3-DMD投影系统中各单色光用各自的DMD分别调制，因而其信号是连续的，亮度更高(理论上是单DMD系统的3倍)，而且灰阶更加丰富，可达211 (11bit)，因此可以合成更多种类的颜色。3-DMD系统适用于超大屏幕或需要更明亮投影像的情形，如数字影院(Digital Cinema)。
5. 投影物镜的特点 投影物镜通常指LCD、DLP、LED等投影仪使用的物镜。 投影物镜有以下特点： （1） SLM 投影物镜的“物“是SLM，它决定了物镜的线视场和分辨率，从而影响系统外形尺寸和信息量。 SLM的主要技术参数如下表：
（2） 像方远心 在像空间中，出瞳位于无限远，所有视场的主光线都和光轴平行，从而与SLM垂直，按照光学设计反追的习惯，称为“像方远心”，这是空间光调制器物理效应的基本要求。 （3） 照明光耦合棱镜 大部分物镜带有一个耦合棱镜，如LCD投影仪的“X棱镜”和DLP投影仪的TIR棱镜。这些棱镜厚度较大，对像差有较大影响，是整个成像光路的一部分。 （4） 定焦和变焦物镜 为了适应不同的应用环境，投影物镜大部分是变焦物镜。 6. 投影物镜的偏置 投影仪分为两类：一类悬挂在上方；另一类放在桌面上，投影到正面的屏幕上。 放在桌面上的投影仪，投影像位于光轴上方，称为100%偏置(100% offset)。100%偏置使得SLM整体位于光轴之下。
投影仪的像距(image distance)为L(在反追设计时为“物距”)，业界又称投影距(projection distance)或“投射距”(throw distance)。 设光轴与投影像中心的距离为△，称“绝对偏置”，投影屏的高度为H，则相对偏置 ∆/(H⁄2)c×100% 业内谈到偏置，一般都是指相对偏置。 |
官方公众号
官方客服
