遍歷關于智能投影機的若干環(huán)節(jié)（1）

新游戲開始了

投影機以及投影行業(yè)一直都是暮氣沉沉活在邊緣，從來都沒有進入顯示的主流視界，不管是身在其中的大玩家，例如，SONY、EPSON、TI、飛利浦、BENQ，以及曾經(jīng)曾經(jīng)的大玩家，IBM、INTEL、3M等，沒有哪一家只以此為生，充其量只不過是個業(yè)務戰(zhàn)略補充而已，基本上都是隨時可以被拋棄的非核心資產(chǎn)。作為數(shù)年已經(jīng)基本沒有增長的行業(yè)來說，商業(yè)上的利益決定了行業(yè)的地位和命運。

商業(yè)環(huán)境中常見的投影機，全球市場數(shù)年來一直維持在1000萬臺左右，如死水一般停滯的市場一般會帶來兩個結果，其一是持續(xù)萎縮，被其他相關技術替代掉，目前來看辦公室投影確有被玻璃屏顯示器替代的趨勢；其二是積極因素，去發(fā)現(xiàn)新大陸，當然這種發(fā)現(xiàn)一種是本行業(yè)被迫發(fā)生的，一種是交叉行業(yè)的外來野蠻人驅動的。這兩個結果同時發(fā)生了，就是商用的市場會繼續(xù)萎縮，而新大陸出現(xiàn)了，就是針對家用和個人的消費型市場開始引爆，整個行業(yè)的秩序和規(guī)矩將在未來的2-3年內(nèi)發(fā)生根本改變，會有新的玩家、新的產(chǎn)業(yè)鏈條以及新的商業(yè)模式出現(xiàn)。

從去年到現(xiàn)在，針對家庭和個人的投影產(chǎn)品和市場開始漸入佳境，筆者作為這個新市場、新游戲的參與者，被各種來路的關注方問了太多問題，因此覺得有必要向有興趣參與這個新市場的同行、有興趣購買產(chǎn)品的消費者以及生態(tài)鏈上的伙伴們進行一些技術普及，盡可能從技術層面上解決一些通常的疑惑、誤解，并盡我可能提供一些建議和指引，與同行、同行參考。

投影成像系統(tǒng)的結構

一個標準的投影成像系統(tǒng)如下圖一所示，包括：信號來源及控制系統(tǒng)；投影光源系統(tǒng)；圖像引擎系統(tǒng)；光學系統(tǒng)以及投影屏幕系統(tǒng)等五個組成部分。

信號來源及控制系統(tǒng)這個部分主要是處理各種外部信號使之接入投影圖像引擎，常見的投影都有若干信號輸入，如VGA/AV/HDMI等都是由這個子系統(tǒng)控制和處理的，傳統(tǒng)的商用投影儀并不注重信號來自哪里，而新市場游戲規(guī)則的商業(yè)和體驗核心恰恰是該部分。投影光源部分主要有幾種，超高壓汞燈；LED；激光以及混合光源，不同光源具有不同的特點以及適用環(huán)境。投影圖像引擎系統(tǒng)是投影成像系統(tǒng)的核心，目前主流的主要有三種，LCD(3LCD)、DLP以及LCOS，誰才是未來？光學系統(tǒng)分為兩個部分，前置部分負責處理光源，后置部分負責處理成像和投影。至于屏幕，最簡單的最常用的屏幕就是一面白墻，當然也有適合土豪的超級菲涅爾無眩光冷屏。

投影影像引擎：LCD、DLP、LCoS

投影成像引擎的主要作用是把圖像信號轉變?yōu)楣鈱W信號，在目前的市場上銷售的投影機主要采用了LCD、DLP、LCoS這三種成像引擎技術，而不同的成像引擎技術之間有著明顯的差別，我們將給出這幾種引擎的工作細節(jié)，并且給出評價，便于大家理解與選擇。

透射模式的LCD成像引擎

液晶有活性液晶體和非活性液晶體。非活性液晶體反射光，一般用于筆記本電腦、膠片投影儀上，而活性液晶體具有透光性，做成LCD液晶板，用在投影機上。目前使用LCD成像引擎的投影儀是目前是中端商用投影儀市場上主流。經(jīng)過多年的發(fā)展，LCD成像引擎技術也不斷地進行演進，從透射液晶板技術演進到了高溫多晶硅LCD技術，從單片LCD演進到了3片LCD。LCD的投影成像技術一直是被日系廠商主導，核心廠商有Sony和Epson。

晶板投影機是利用了液晶的電光效應，通過電路控制液晶單元的透射率及反射率，從而產(chǎn)生不同灰度層次及多達16.70百萬種色彩的靚麗圖像。LCD液晶板的面積大小決定著投影機的結構和整體體積的大小，LCD液晶板面積小，則投影機的光學系統(tǒng)就能做得越小，從而使投影機越小。

很明顯，由于透射的模式，投影過來的圖像比較暗淡，目前使用這樣技術的投影機已經(jīng)漸漸退出市場，而被開口率和透過率更優(yōu)的高溫多晶硅取代。

所謂的高溫多晶硅（HTPS）是一種新的多晶硅的制作工藝產(chǎn)生的多晶硅，就是將非晶體硅沉積在特殊的玻璃或者石英基板上，并且加熱到 600o－1000oC或者更高的溫度。當這個層冷卻下來，就能在基板上生成一種更精細的硅晶體，這種硅晶體具有更高的電子移動性，而開關晶體管的體積也因此變得更小，所以可以有更多的光通過液晶板。為了進一步提高光線透過率，還可以對多晶硅投射液晶板進行進一步的改進，使得它的亮度更高，例如在多晶硅液晶板后面加入了一層由很多微透鏡組成的微透鏡層，每個微透鏡位于液晶面板的象素之后，它們可以盡可能的讓每個象素之后的光線通過需要通過的晶體管的部分。使用了這種技術的投影機形成的圖像明顯的比沒有采用這種技術的投影機生成的圖像亮。總之，采用了各種改進之后的高溫多晶硅面板的投影機，開口率可以達到85%以上。

LCD投影機可分為單片式和三片式兩種，目前市場上液晶板投影機大都采用三片式LCD板，三片式液晶板投影機是用紅、綠、藍三塊液晶板分別作為紅、綠、藍三色光的控制層。很冥想三片式液晶板投影機比單片式液晶板投影機具有更高的圖像質(zhì)量和更高的亮度。

在投影機中所使用的液晶板中每個液晶晶體代表一個象素，并沒有針對紅、綠、藍讓一個象素映射三個液晶晶體，那么LCD投影機是如何實現(xiàn)對于不同色彩的再現(xiàn)的呢？它其實是使用了三張LCD液晶板來分別再現(xiàn)三種顏色，然后再經(jīng)過光學系統(tǒng)的把這些分離的顏色合成再一起，投影在屏幕上，就組成了一副完整的圖像，這個就是3LCD投影機圖像引擎的工作模式和核心原理。 

    實現(xiàn)這個功能的關鍵就在于分色鏡和分色棱鏡。分色鏡和分色棱鏡的主要特性就是在一定的條件下，會反射一種顏色但是會允許另一種顏色通過。分色鏡一般是在玻璃基板上沉積金屬氧化物形成的，它們可以精確的把不同顏色的光線分離開。

    下面的示意圖二顯示的就是利用3 LCD液晶板反射鏡構建LCD投影機的結構示意圖，我們根據(jù)示意圖來看看這樣的系統(tǒng)是如何工作的。下圖底部的燈泡發(fā)出了白光通過光學系統(tǒng)來到成像引擎中，首先通過一個45度角的反射鏡進入到透鏡進行匯聚，經(jīng)過匯聚的光線遇到第一個分色鏡，這個分色鏡允許藍色光線通過，但是反射其它的光，所以沒有了藍色光的白光會變成黃色的光；藍色的光線經(jīng)過進一步的反射通過藍色液晶板，所謂的藍色液晶板就是主要控制圖像藍色的液晶板，控制器的發(fā)送指令控制哪些部分允許通過藍色光線，哪些部分不允許通過；黃色的光遇到第二個分色鏡，這個分色鏡允許紅色光線通過，但是卻反射綠色光線，這樣我們就從白光中分別得到了三種顏色；綠色和紅色的處理過程同前面介紹的藍色處理過程是一樣的，這樣三種液晶板分別決定了圖像上不同的顏色，就把三種光線通過分色棱鏡反射到投影鏡頭中進行合成，相對的位置關系保持不變，投影鏡頭把合成好的光線投射到屏幕上就形成了我們需要得到的全彩畫面，也就是最終成像。

圖二的右邊，示意了液晶面板的像素如何開關。液晶面板由偏光片玻璃面板以及透明電極組成，其中透明電極是一個電子矩陣的晶體管和液晶材料，兩個偏光片的極軸的相互垂直。晶體管用來改變液晶材料每 一個像素的偏振特性。要使光線通過，液晶材料將其旋轉偏振軸90度，使光線通過第二偏光片。反之，通過改變偏振特性，光線未經(jīng)偏振而不通過第二偏光片，該像素則相當于關閉狀態(tài)。

從上面的示意圖，我們可以看出3LCD的光學效率很低，主要是兩個方面，一個是燈泡的白光經(jīng)過分光系統(tǒng)后，只有RGB三個波段的光被利用，其他波長的光被丟棄；二是這些光透過LCD面板后，又有部分被衰減掉了，總的來說，LCD的投影系統(tǒng)光能利用率只有3%-5%。

反射模式的LCD成像引擎LCoS

LCD在光效率方面的劣勢，促使了人們考慮用反射方式構建投影設備，LCoS應運而生。在反射模式投影機中，依然利用了液晶物質(zhì)來反射或者阻斷光線，這其中使用的最多的就是液晶硅面板LCoS（liquid crystal on silicon），它們是直接在單晶硅片上構建起來的，這樣可以允許象素做的更小，液晶面板重量更輕，而且還可以將部分控制電路做在硅芯片之內(nèi)從而進一步降低成本。

LCoS的成像原理類似于LCD技術，與我們常見的TFT-LCD面板技術不同的是，TFT-LCD兩面都是以玻璃作為基板，而LoS僅上面采用了玻璃基本，而底面主要采用了單晶硅材料為基板，可見LCoS制程實際上結合了LCD和半導體CMOS制程技術。因此采用LCoS技術其光線不是穿過LCD板，而是采用反射方式形成彩色圖像。它采用涂有液晶硅的面CMOS式集成電路芯片作為反射LCD的基片，用先進工藝磨平后鍍上鋁當作反射鏡，形成CMOS基板，然后將CMOS基板與含有透明電極之上的玻璃基板相貼合，再注入液晶封裝而成。

LCoS可采用FSC (Field Sequential Color)場序制彩色成像技術，利用白光和色輪提供RGB的三色色源，可有拋棄目前應用較多3LCoS面板結構，有效縮小其結構尺寸。

隨著LED技術的發(fā)展，可以直接使用RGB三種純色光，并采用時序方式控制RGB的發(fā)光，利用人的視覺殘留，實現(xiàn)完整的畫面輸出。由于采用RGB純色光，其實際色域相當高（可達到NTSC120%左右）。而且由于沒有了色輪的影響，每種光利用率可做的很高，不過由于需要對三路獨立的色光進行合光，其光機設計較復雜，控制得不好容易出現(xiàn)偏色、色彩不均勻等現(xiàn)象。同時由于其采用時間混色方式，故需要對三路RGB獨立的LED光源進行PWM方式調(diào)光驅動，導致光源驅動成本高于色輪的機器。另由于時序LCOS采用的是時間混色方式，如果顯示驅動設計不合理、面板刷新頻率不夠的話，很容易使投影畫面出現(xiàn)彩虹現(xiàn)象。

不過從目前來看，上述的問題都已經(jīng)得到了很好的解決，目前基于單色面板和RGB色時序驅動方式已經(jīng)成為單LCoS和單DLP的主要實現(xiàn)方式，由于不需要分色讓投影機內(nèi)不再需要色輪這樣的運動部件，而且光效率也大大提升，并且可以得到更加清晰穩(wěn)定的畫面。圖四就是以色輪為核心的場序制驅動和以時序制驅動兩者對比。

從上圖可以很容易看出，時序的方式可以讓設備更加便攜，結構更加簡單，這當然得益于LED的發(fā)展，可以給出亮度和純度都很高的單色光，并且可以用極高的頻率對其進行控制，實現(xiàn)時序發(fā)光、LCoS/DLP控制和視覺殘留的完整時序鏈條，從而輸出全彩動態(tài)畫面。

數(shù)字微鏡反射模式的DLP成像引擎

數(shù)字燈光處理（ Digital Light Processing）技術是TI基于DMD（ digital micromirror display）技術的基礎上開發(fā)的，它同LCOS技術有著相當?shù)膮^(qū)別，但是同LCOS技術一樣都是采用反射光投影的技術。當然同LCOS技術的最大區(qū)別就在于使用的面板材料不同，它采用了表面覆蓋有細小的方形鋁質(zhì)鏡面的半導體芯片。

DMD是一個微鏡陣列，如上圖，每個微鏡對應一個圖像像素，微鏡向光源傾斜+12°時，光反射到鏡頭上，相當于光開關的“開”狀態(tài)。微鏡向光源反方向傾斜(即-12°)時，光反射不到鏡頭上，相當于光開關的“關”。要顯示某像素的特定顏色，顏色切換過程中DMD將該像素開關幾次，通過這種方式，DLP引擎將RGB三種顏色混合成各種特定顏色。由于該過程極為迅速，觀眾只能看到最終混合的顏色圖像。

這些鏡面具有每秒鐘切換（開關）5000次左右的能力，通過控制該點切換次數(shù)的快慢可以決定該點所控制圖像的灰度等級，也就是說這些鏡面每秒鐘切換次數(shù)越快，再現(xiàn)圖像的層次就會越豐富。

這種技術的優(yōu)勢就在于具有極高的反應速度，因為它使用了DLP芯片所以不需要同前面的純光學系統(tǒng)那樣同時產(chǎn)生紅色、綠色和藍色圖像，而是分別的產(chǎn)生紅色、綠色和藍色圖像然后利用人類的視覺暫留特性來實現(xiàn)不同顏色在屏幕上的組合。

圖七是當下基于LED的DLP投影機的典型原理圖，主要采用德州儀器的DMD核心顯示器件（目前也有極少數(shù)廠家采用非TI的DMD模組），配以高亮度RGB-LED光源，以時序驅動方式來實現(xiàn)彩色圖像的顯示。由于DMD器件不存在偏振光損失，故其光機的實際電光效率可以做得很高，而且DMD是靠對光進行不同角度的反射來起到光閥作用控制光線，而LCOS液晶是通過液晶分子的偏轉來關斷光線的穿透，故液晶或多或少都會存在少許漏光的現(xiàn)象（特別是受面板表面溫度），實際表現(xiàn)為暗場有不同程度透光，對比度相對比DLP要差。（未完待續(xù)）

本文作者：若愚智能創(chuàng)始人CTO 宋健

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