液晶投影仪.docx

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液晶投影仪

7．2液晶投影仪的工作原理

在投影显示技术中，高温多晶硅LCD液晶投影技术是发展较早并最为成熟的一种，这一技术在投影仪中得到了非常广泛的应用，其产品涵盖了从高端到中、低端投影仪的几乎所有市场领域。

本节以常见的三片式液晶投影仪为例，介绍它的基本工作原理。

液晶投影机主要由光源，液晶板及驱动电路、光学系统（包括照明系统、分色合色系统、投

影成像系统）等部分构成。

如图7—3所示。

图7—3液晶投影仪构成

1．光源

液晶投影仪采用液晶作为成像器件，由于液晶本身不发光，属于被动式显示，必须外加光源以实现对光的调制。

同时，由于投影仪要在像面上获得高亮度和良好的色彩再现，因此光源的选择非常重要。

液晶投影仪通常采用高亮度、高色温、长寿命、低造价及色温稳定性好的光源以及与之一体化的反光碗作为光源系统。

目前普遍采用的光源有金属卤素灯、超高压汞灯等。

金属卤素灯成本低、价格便宜；缺陷是发热量很大、半衰期很短。

超高压汞灯属于冷光源，可以克服金属卤素灯发热量大，半衰期短的缺陷。

根据不同的生产工艺，超高压汞灯有UHP

（Philips技术），UHE（Epson技术）等不同种类，其中，UHP主要用于高档投影仪，而UHE以其价格优势被广泛用在中档投影仪中。

2．液晶板及驱动电路

液晶投影仪采用液晶作为成像器件。

液晶本身不发光，工作性质受温度影响很大，其工作温度为一55℃～+77℃。

液晶分子间作用力小，在电场作用下，分子排列会发生变化，导致液晶对光的透射率和反射率也发生变化，从而影响它的光学性质，这一过程被称为液晶的电光效应。

正是基于这种电光效应，液晶投影仪可以通过驱动电路将图像信号转换成电信号，去精确控制相应像素的液晶，产生具有不同灰度层次及颜色的图像。

3．光学系统

图7—4为典型的三片式液晶投影仪光学系统示意图。

图7—4中，由光源发出的白色强光经反光碗后，再通过复眼照明系统、偏振转换系统和分光镜将形成分成红、绿、蓝三色光，这三种颜色的光线在精确的位置上分别透射过RGB三色液晶面板；图像信号源经过模数转换，加载到液晶板上，信号源控制每一个液晶体中光线的通过与否以及通过光线的多少。

三种颜色再经过系统中的合色棱镜合光，最后由投影物镜放大成像到屏幕上形成彩色图像。

这一工作过程中，照明系统，分色合色系统和投影透镜构成了投影仪的核心，共同实现投影显示，通常被称为“光学引擎”。

投影显示系统光学引擎的方案有很多种，其区别主要体现在所采用的分色合色系统不同。

在三片式LCD液晶投影仪中，采用的是二向色滤光镜进行分光、合色棱镜进行合像。

如图7—4所示，采用两片二向色镜，两次分色形成R、G、B三基色光束。

每束光再经反射镜与聚光镜控制传输的方向，使单色光分别投射到对应的三块液晶板上，形成单色图像；合色棱镜由四块直角棱镜胶合而成，主要作用是将从液晶板输入的单色光像合

成为彩色图像，并将形成的彩色光像输送到投影物镜系统，进而放大成像到屏幕上供使用者进行观察或测量。

光学引擎的另外两个组成部分：

照明系统和投影透镜决定了整个系统的大部分性能，如光能利用率、照明均匀性，放大率、分辨率等。

对它们的设计既包括经典的传统光学设计理论，又包含了非成像光学及照明光学和成像光学的匹配。

下面分别对照明系统和投影透镜的设计进行介绍。

7．3液晶投影仪照明系统的设计

照明系统是投影显示光学引擎的重要组成部分。

由于投影显示是通过光调制器在均匀的照明面上调制图像，并将图像放大显示，最终屏幕上得到的亮度、均匀性、颜色特性等指标都与照明系统直接相关。

照明系统的分析和设计一直是投影显示的研究重点，其关键是提高光能利用率和照明均匀性。

液晶投影仪中，照明系统的作用就是收集光源发出的光能，并使光源在液晶板上形成亮度均匀的照明光斑。

这一过程中，一方面可以从成像光学出发，根据液晶板对数值孔径及照明光斑的尺寸等方面的要求初步确定照明系统的结构参数；另一方面，应根据非成像光学的相关理论，从光源的发光特性、光源与液晶板之间的能量匹配等条件出发，将能量利用率和照明均匀性作为主要的设计指标，对照明系统进行优化。

因此，投影仪照明系统的设计体现了成像光学与非成像光学设计的结合。

照明系统设计时需要考虑以下几点。

①提高光源的利用率，使光能尽可能多地进入后续成像系统；同时，充分考虑系统的各项能量损失，通过设计使照明系统输出光通量能够满足投影机的输出最大光通量的指标要求。

②照明系统应具有将光源发出的圆形光束进行整形的能力，以满足投影仪液晶板4：

3或16：

9的矩形形状的要求，减小由于照明光斑形状不匹配而产生的能量损失；液晶投影仪经常采用的光斑整形的方法是采用复眼透镜和方棒透镜。

③液晶投影仪要求输出照度具有高均匀性，由于光源发出的光束通常情况下都不均匀，需要通过照明系统实现匀光。

上面提到的复眼透镜和方棒除了可以完成光束整形外，另一个重要的作用就是提供均匀的照明。

‘

④照明系统需设计成为像方远心光路。

由于液晶面板的光学特性，在大角度光束照明时会引起图像颜色的反转以及对比度的下降，所以照射在液晶板上的光束的主光线应该平行于光轴，且光束孔径角需约束在一定范围以内。

而与照明系统匹配的投影物镜，其相对孔径直接关系到像平面光照度，要获得足够的照度，又要求系统有较大的孑L径。

这就需要设计者权衡考虑，采取合理的结构形式。

目前液晶投影仪的F数通常都在1-6～2．8之间。

⑤选择正确的结构形式。

液晶投影照明系统通常采用复眼柯勒照明的结构形式。

如前所述，采用复眼透镜阵列能够将圆形光斑转换为液晶板所需要的矩形光斑，又能够有效地提高系统的照明均匀性。

图7—5为这一典型结构形式示意图。

系统采用了双排复眼透镜阵列。

每排复眼透镜阵列由一系列相同的矩形小透镜组成。

光源发出的光经过抛物面反射聚光镜后成为近似的准直光束，投射在第一排复眼透镜上，并通过第一排复眼的各个小透镜成像到第二排复眼透镜上，这样就在第二排复眼透镜上形成多个二次光源。

同时，由于第二排复眼透镜位于第一排复眼的像方焦平面上，它的每个小透镜又将第一排复眼对应的小透镜成像于无穷远，再通过后续聚光透镜组成像于液晶板表面。

第二排复眼透镜上的多个二次光源又通过后续透镜组成像在投影物镜的入瞳上，从而形成柯勒照明结构。

由于整个宽光束被分为多个细光束照明，而每个细光束的均匀性必然优于整个宽光束的均匀性，而且对称位置上的细光束相互叠加，使细光束的不均匀性又能获得进一步的补偿，因而可以获得较好的均匀照明。

照明系统中复眼透镜的设计是一个较为复杂的过程，设计参数较多，主要需考虑以下四个问题。

（1）全口径

为充分利用光能，复眼透镜阵列应具有一定的大小。

其大小主要由光源的发光面尺寸及照明系统的孔径角决定。

（2）小透镜个数

为了充分发挥透镜阵列的作用，应选择适当的小透镜数目。

透镜个数太少，失去了利用小透镜将宽光束分裂为细光束的作用。

个数增加能改善高斯光束的照明均匀性，但增加太多又会提高加工的成本和难度，又由于照明系统像差的影响，并不能使照明均匀性获得更进一步的提高。

因而应当根据光源的发光特性及照明均匀性的要求来确定小透镜的数目。

（3）透镜阵列的形状和排列

复眼透镜需实现将光源的圆光斑转化为矩形光斑的作用，因此小透镜的长宽比要与液晶板的长宽比例相同：

4：

3或16：

9。

同时透镜阵列的排列方式应9,--方面考虑：

能量利用率、照明均匀性及液晶板的形状。

图7—6为一种典型的透镜阵列排列。

（4）小透镜焦距及口径

小透镜的口径应满足使整个液晶板面获得照明，因而液晶板的尺寸也就确定了小透镜的相对孔径。

根据成像关系，可以确定其焦距。

7．4液晶投影仪投影物镜的设计

液晶投影仪中，投影物镜组作为成像部分将液晶面板上的图像信息放大成像到屏幕上进行显示。

系统的放大率，投影光束的大小，光能量分布以及屏幕上的成像质量都取决于投影物镜。

由于液晶投影仪的光学引擎是一个有机的整体，在设计投影物镜组时，应充分考虑它与照明系统和分色合色系统的匹配，保证与照明系统的光瞳衔接，保证像平面的光照度；同时还要保证成像清晰，物像之间变形要小。

液晶投影物镜的光学特性通常用放大率，焦距，视场角，相对孔径和工作距离表示。

（1）放大率

（5）工作距离

投影仪工作距离指物平面到投影物镜第一面的距离。

工作距离的大小直接影响到投影仪的使用范围。

在液晶投影仪中，从液晶面板到投影物镜之间的工作距离应该满足合色棱镜的尺寸要求。

投影物镜工作时类似于倒置的照相物镜。

因此，在进行结构形式的考虑时，可以参考照相物镜的形式，也可以在一些典型照相物镜的形式上加以改进，如选用匹兹瓦尔型物镜、天塞物镜、双高斯物镜等。

设计时应主要考虑以下方面。

①常见的用于礼堂、影院、教室等进行投影观察、演示讲解的正投影液晶投影仪，由于投影距离较长，一般采用中、长焦镜头。

这一类镜头相对孔径较大，视场相对较小，因此主要校正球差、彗差、轴向色差。

②短焦镜头主要应用在投影距离受限制的特殊场合，由于视场增大，除上述像差之外，系统还需校正像散、场曲、畸变。

由于大视场的情况下，像平面边缘光照度按COS4∞的规律显著下降，为了克服这一缺点，可以考虑适当加入光阑彗差，使斜光束的口径加大，从而实现整个视场均匀照明。

对于三片式系统，因为R、G和B三原色的图像分别投影到屏上，因此边缘色差、倍率色差和各个颜色的畸变都要求严格控制。

③为与照明系统相匹配，液晶投影仪中投影物镜一般采用物方远心光路。

④液晶投影仪应当保证有较长的后工作距离。

后工作距离是指由透镜最后一面到像面之间的距离。

为满足这一要求，通常可以采用反摄远物镜的形式。

反摄远物镜的基本结构由一个负的前组和一个正的后组构成，如图7—7所示。

这种物镜的后工作距离比一般物镜大得多。

反摄远物镜的另一个优点是由于前组透镜对光束起发散的作用，轴外光束通过后和光轴的倾斜角大大减小，使后组透镜对应的视场角减小，对像差校正有利，可以获得较高的成像质量。

根据投影仪不同光学特性的要求，反摄远物镜可以采用不同的结构形式。

在进行像差校正时，前组和后组透镜作为整体一起校正像差。

反摄远物镜的结构形式多种多样，这就要求对各种结构形式作具体分析，以便在尽可能校正好像差的前提下，实现结构形式的简单化和结构尺寸的小型化。

液晶投影机的的原理与应用

简单来说，液晶投影机约可解构为光学系统、LCD液晶模组及电子三部分，其中光学系统不但复杂，牵涉的技术层面及范畴也相当广泛，包括光学规格量测、光学系统架构、光学设计、光源模组、分合光元件、投影镜头及银幕等。

至于LCD液晶模组则是控制投影机显示影像的装置，主要考量为RGB图元排列、液晶特性等，包括了常见的矽结晶TFT（薄膜电晶体）制程技术，对于影像解析度有直接的影响。

最后的电子部分是将输入的电子影像讯号加以处理，之后将所要显示的色彩电子讯号传输给LCD液晶模组。

液晶投影的基本原理，就是利用LCD液晶模组来调变由光源射出投影至萤幕的色光，而为了准确投影出影像的色彩，因此需要将光源的颜色分离成R、G、B三色，之后再合并为一并利用投影镜头投射在萤幕上。

液晶投影机因接受电子讯号的不同，分为无法连接电脑的Video型及可连接电脑的Data型两种，若依观赏者跟萤幕前后位置的不同又可分为前投射式（FrontProjector）与背投射式（与萤幕一体型）（RearProjector）两种，且因使用液晶面板的片数不同，可再分为单片式与三片式两种。

1 LCD投影机

LCD投影机是液晶技术、照明科技以及集成电路的发展带来的高科技产物。

其关键技术是液晶板的制造。

LCD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。

现在的LCD投影机最高支持分辨率可以达到1600×1200（UXGA），使用时间可以延长至8小时以上，具有很高的亮度和高保真的图像色彩，可以方便地接入各种视频信号。

它们体积小巧，重量轻，便于携带。

使得投影机的发展进入了一个崭新的纪元。

2 LCD投影机品牌

LCD投影机的底层技术——液晶板一直只有Sony和Epson两家公司具备研发和生产能力，经过多年发展，液晶板技术日臻成熟。

液晶板技术一直致力于提高性能和降低加工成本两个方面。

在提高性能方面它主要是通过提高开口率来提高光效率，另外还采用微镜阵列技术来提高液晶板的透光率，降低显示图像的像素化，使图像更细腻。

目前LCD投影机在亮度指标和图像精细程度方面都已经达到相当高的水平。

除了高端影院产品外，在普通应用产品和低端高性能投影机产品中，LCD产品保持了对单片DLP产品的亮度领先优势。

LCD投影机的生产厂家主要为日韩厂商。

巴可投影机巴可公司是一家为专业市场设计并开发可视化解决方案的全球领先技术公司。

巴可活跃于全球，在欧洲、北美和亚太地区都拥有自己的市场销售、客户服务机构和生产研发基地。

巴可投影机属于高端产品，一般音响工程或家庭不会用到。

巴可大中国区目前在全国，包括香港和台湾，共设有6个办事机构，并在北京昌平设有研发和生产基地。

科视投影机科视是为世界级的组织提供视觉解决方案的领先厂商，提供适用于商用、娱乐和行业的各种应用。

松下投影机 Panasonic集团是全球性电子厂商，从事各种电器产品的生产、销售等事业活动。

1978年，中国国家领导人参观了我集团日本电视机工厂。

NEC投影机NEC（日本电气株式会社）成立于1899年，总部位于日本东京，是全球500强企业之一

EPSON投影机epson投影机这么多年来，一直手广大消费者的青睐。

3 LCD投影机性能详解

1.输出分辨率是指投影机投出的图像的分辨率。

或叫物理分辨率、实际分辨率，即LCD液晶板的分辨率。

在LCD液晶板上通过网格来划分液晶体，一个液晶体为一个象素点。

那么，输出分辨率为800x600时，就是说在LCD液晶板的横向上划分了800个象素点，竖向上划分了600个象素点。

物理分辨率越高，则可接收分辨率的范围越大，则投影机的适应范围越广。

通常用物理分辨率来评价液晶投影机的价值。

2.最大输入分辨率是指投影机可接收比物理分辨率大的分辨率，通过压缩算法将信号投出。

1）早期的投影机都采取抽线算法,即：

线性压缩技术。

此算法有掉线问题。

2）各家厂商的产品都已推出新算法用于压缩信号。

3.LCD液晶板液晶有活性液晶体和非活性液晶体。

非活性液晶体反射光，一般用于笔记本电脑、胶片投影仪上。

而活性液晶体具有透光性，做成LCD液晶板，用在投影机上。

通过控制系统，可以控制通过LCD的光的亮度、颜色、对比度等。

LCD液晶板的大小决定着投影机的大小。

LCD越小，则投影机的光学系统就能做得越小，从而使投影机越小。

而要在很小的LCD上做到高分辨率，并且保持高亮度，其技术之难是可想而知的。

目前，会议室用投影机多为1.32英寸的LCD液晶板,便携式投影机为0.9英寸的LCD液晶板。

2000年将有物理分辨率为SVGA和XGA的0.7英寸液晶板推出。

评价液晶投影机时，除了LCD板的大小，还要看投影机使用LCD板的个数。

市场上有单个液晶板、三个液晶板的投影机。

液晶板多，则像素数大。

像素是组成图像的基本单位，像素数越大，则图像越细腻。

像素数=物理分辨率x液晶板个数

例如：

SVGA机型像素数=（800x600）x3

4.水平扫描线也叫视频扫描线。

主要用于评价视频信号的质量。

缺省指NTSC制式。

一般，VCD为220线，LD为450线，DVD为500线。

投影机的最高支持线数为700线。

5.亮度国际标准单位是ANSI流明。

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。

各种品牌的投影机由于测定环境的不同，虽然ANSI流明相同，但实际的亮度不同。

6.颜色现在，几乎所有的投影机都支持24位真彩色。

所以要评价投影机的色彩还原度，不仅看颜色，还要看对比度.

7.对比度

是黑与白的比值，也就是从黑到白的渐变层次。

比值越大，从黑到白的渐变层次就越多，从而色彩表现越丰富。

8.画面尺寸是指投出的画面的大小。

要投放需要的尺寸，需将投影机放在与幕相应的距离上。

根据各机型不同,画面尺寸与投影距离的关系有所不同。

9.投影距离是指投影机镜头与幕之间的距离。

10.均匀度是指投出画面的中间亮度与周围亮度的比值。

一般将中间定义为100%。

11.镜头F是镜头的透光度。

F越小，镜头的透光性越好。

是镜头的放大比率。

77/55=1.4，就是说，在一固定的位置上，画面可放大1.4倍。

12．吊顶功能将投影机倒置吊在屋顶上进行投影。

如下图所示：

13.背投功能将投影机放在背透幕的后面进行投影。

如下图所示：

14.梯形校正有些投影机能提供了电子梯形校正功能，可以轻松地校正由于仰射或吊顶投影而产生的画面梯形变形。

15.水平扫描频率又叫行频。

投影机的水平扫描频率都有一个范围。

如果来自计算机的输入信号的水平扫描频率超出此范围，则投影机将无法投放（NOSIGNAL）。

16.垂直扫描频率又叫桢频。

如果来自计算机的输入信号的垂直扫描频率超出此范围，则投影机将无法投放（NOSIGNAL）。

在范围之内，将计算机的垂直扫描频率设定为高值时，投影效果好。

17.计算机输入接口是指计算机显示信号的输入接口。

会议室用机型一般有两个接口，可同时连接两台计算机，便携机种一般只做一个接口。

18.计算机输出接口是指计算机显示信号的输出接口。

通过此接口可连接显示器。

如投影机没有此接口，要想连接显示器，可使用VGA分配器来实现。

19.视频信号对于视频信号可支持三种制式：

NTSC、PAL、SECAM

20.标准视频输入具有标准视频输入接口（RCA）。

标准视频信号在输出时要进行编码，将信号压缩后输出，接收时还要进行解码。

这样会损失一些信号。

21.S视频输入具有S视频输入接口（SVideo）。

由于S视频信号不需要进行编码、解码，所以没有信号损失，因此S视频信号比标准视频信号质量好。

22.音频输入输出具有音频输入输出接口。

可将计算机、录像机等的音频信号输入进来，通过自带扬声器播放。

还可以通过音频输出接口，连接功放、外接喇叭。

23.电源功率电源功率越小，机器所产生的热量就小，这样机器连续投影时间就长。

为了使用安全，投影机里一般装有过热保护装置。