遍历关于智能投影机的若干环节（2）

投影光源：高压气体光源和固体光源

投影机目前广泛使用两类光源，一类就是俗称的“灯泡”，目前大量的商用投影机都使用这样的光源，这类光源主要包括：UHP/UHE/金属卤素灯等。另一类相比传统的气体光源，叫新光源或固体光源，包括LED/激光/混合光源等，这类光源的特点是都是固体发光。

高压气体放电光源

其实无论是UHE、UHP、UHM，还是短弧疝灯，再或是金属卤素灯，它们的发光原理都是一样的，就是在一个充满高压气体的灯管里使得两根相距1毫米左右的电极尖端产生高压放电，从而激发气体产生可见光，只不过当这个气体是汞蒸汽时，这个灯就叫“超高压汞灯”，而当这个气体是氙气时，那这个灯就是“氙灯”，同样的道理也就有了“金属卤素灯”了。而众多灯泡生产厂家们通过将气体、灯杯外形、接口或是驱动方式（交流或直流）进行改变就产生出来了UHE、UHP、UHM、SHP、HID等等数十种型号。

 

UHP是一种理想的冷光源，但由于价格较高，一般应用于高档投影机上。UHP灯产生冷光，外形小巧，在相同功耗下，能产生大光量，寿命较长，当衰竭时，即刻熄灭。优点是使用寿命长，一般可以正常使用4000小时以上，亮度衰减很小。UHP光源的电弧亮度能超过小面积高效投影装置所需的1Gcd/m2，为了达到更好的集光效果，近年来UHP光源的电弧极距减少到1.0mm，其寿命达10000小时以上，功率为200瓦，配备于投影仪产品，重量4公斤，体积2升左右，其屏幕照度超过1100流明，能够达到明亮的XGA显示水平。 

UHE也是一种冷光源，UHE灯泡是目前中档投影机中广泛采用的理想光源。优点是价格适中，在使用4000小时以前亮度几乎不衰减。

金属卤素灯发热高，对投影机散热系统要求高，不宜做长时间（4小时以上）投影使用，多用于低端投影产品。金属卤素灯产生暖光，要求较大功率才能产生与UHP灯同等的光度，使用寿命较短，与UHP灯不同的是，金属卤素灯坏时表现为渐渐熄灭。金属卤素灯泡的优点是价格便宜，缺点是半衰期短，一般使用1000小时左右亮度就会降低到原先的一半左右。淘宝很多便宜的投影灯泡都是这种灯。

至于氙灯，虽然其光谱更为接近自然光，而且色彩也更好，还可以实现UHP灯泡不具备的随时开关等特点，但是价格昂贵一般都要数万数十万，而且使用寿命有限，所以同样难以在主流投影机当中普及。

新光源或固体光源

LED、激光以及混合光源等新光源的出现大大地拓宽了投影市场的想象力，这些固体光源的长寿命，在产品的生命周期内，完全不必换“灯泡”，这一点扫清了投影机从商用空间进入家庭空间的最大障碍，在加上这些光源的功耗低、体积小等特点，让投影机有了更多新的应用场景。

所谓LED光源，顾名思义就是以发光二极管（LED）作为投影机的光源来代替传统光源，LED光源分为两类，一是以单色的白光LED作为光源；二是以红、绿、蓝三色LED作为光源。而使用了LED光源的投影机一般被简称为LED投影机，其整体结构和成像原理与传统投影机基本相同，市场上最为常见的是RGB LED+DLP、RBG LED+LCOS和白光LED+CFLCOS三种类型的LED投影机。

激光光源，顾名思义就是以由全固态激光器产生的激光作为投影机光源来代替传统光源，激光光源也分为两类，一是以单色激光为光源；二是以红、绿、蓝三色激光作为光源。

激光光源的投影机的整体结构和成像原理与传统投影机也是基本相同，最为常见的就是单色激光+DLP技术和单色激光+3LCD技术，较少见到RGB激光+DLP技术。图十一就是使用单色蓝色激光，通过蓝色激光照射荧光粉激发了高亮度白色荧光作为投影光源的，通过3LCD作为图像引擎实现的投影机，而DLP的图像引擎处理模式是使用可以激发RGB不同颜色光的荧光粉色轮来实现的，这些投影机也被称为LPD。这种通过激光激发荧光粉的技术从本质上来讲应该不是直接使用激光进行混合，而是使用荧光，这样的好处是消除了激光带来的安全隐患，但是亮度自然就无法达到更加理想的状态，一般最多可以达到5000流明。

单独使用RGB三种颜色的激光投影产品，还都处在实验阶段，目前都面临着安全性和技术的这两个障碍。

混合光源是综合利用LED和激光两种光源的长处而形成的一种新兴光源，它试图规避LED亮度低和激光偏色严重这两个最大的弊端来开拓一条脱离传统光源的新路，目前还处于起步阶段，不过很多公司开始面向商用市场推出混合光源的产品。

上图的混合光源结构是来自蓝色激光、红色LED发光体（或包括蓝色LED），部分蓝色激光发射到磷光体上产生出绿色光线，从而构成RGB三原色光线。混合光源投影机目前也是采用DLP投影技术，三原色光线照射到DMD芯片，经过芯片的调制形成图像并投射出去。混合光源的优势，是生产成本相对较低，在亮度上也相较LED光源有明显优势，达到3000流明应该不是什么问题，另外，投影机内部结构和单纯LED比较类似，相差不多。

投影光源比较列表

上图中光源的寿命是与其工作的流明成反比，就是说工作的功率越大、流明越高寿命就越短，如超高压汞灯如果工作在2万流明，那么寿命最多就一千小时，如果工作在5000流明，那么寿命可以超过4000小时。

关于LED的亮度问题，目前的LED芯片受限制于自身散热，功率越大流明越高，自身发热就越大，芯片温度上升，亮度会迅速下降，目前市面上的LED投影机一般从几十个流明到几百个流明不等，市面上LED投影机最大的流明大概750流明左右。

关于激光光源上图表格上标定的是5000流明，这里要说明一下，受限于美国国家标准学会、食品管理局、药品管理以及欧盟相关标准：民用激光器不能超过1mW，工业用激光器不能

超过5mW（特种设备和试验机型可特批），在这样的限制之下，所有在售的激光投影机的亮度不可能超过5000流明。但作为最有前途的新兴光源，各大厂商都在进一步试验高亮度的激光投影机，目前最高亮度已经接近10万流明。相对法规健全的美国市场来说，当前的中国市场还没有标准，因此，有可能会变成激光光源投影的试验场，所以现在超高亮度的激光投影已经开始在户外、表演场地开始使用，当然这也将带来很大的不确定性，一旦安全事故发生可能会影响整个行业的发展。

现在来看，安全可控的、亮度提升的混合光源投影机是目前进入家庭的最佳选择，应该这种所谓的过渡光源其实可以看作拥有了LED和激光两者基因的优良杂交品。

投影机的光学光路以及投影镜头

光学系统在投影机中在一般人看来似乎没有什么值得深究的地方，只要光源亮度足够到在显示屏上成像就可以了，但是实际情况并不是这么简单的。投影的光学部分按照其相对图像引擎的位置分为两个部分，一部分叫前光路负责处理光源，使之满足要求输入图像引擎；另一部份叫后光路负责从图像引擎输出的光线，使之通过镜头成像在屏幕上。

在光学系统中有许多需要解决的问题，首先就是光量子的控制问题，其次亮度的均匀性也是一个令人头痛的问题，还有针对激光光源的扩束、消除相干光，最后还有就是投影镜头的光学处理等。

当把一个光源放到一个凹面镜之内的焦点，光源发射出来的部分光线会投射到凹面镜上并且发生反射，这些经过反射的光线会汇聚在另外一个焦点。凹面镜的这种特性同凸透镜类似，都可以用于汇聚光线从而使得尽可能的管线都传送到成像引擎中，这样屏幕因为得到更多的光能而显得更亮，不论何种图像引擎，这部分的处理都是前光路的核心。当然前面提到的光源是理想状态下的点光源，而实际的光源即使做的非常的小也无法达到理想状态下“点”的程度，也就是说实际的光源是由无数个点光源组成，它们之中绝大多数都没有精确的位于凹面镜的焦点上而是仅仅在焦点的附近，这样大部分的点光源的反射光线将会汇聚在另外一个焦点之外的地方。也就是说当光源越大，在第二个焦点得到的光线的汇聚性就越差，也就是说越不像是一个点而是一个面区域。

从上面的图我们还能看到有很多光线（大部分是来自光源未经反射的部分）并没有达到会聚区域，这样就会引起了一系列的问题：这些发散的光线因为距离汇聚区域相当的远，所以不可能被传送到成像引擎，这将导致屏幕亮度的降低和投影机本身发热量的增加。部分发散光线可能会经过一定的途径进入投影机的光学系统最后来到屏幕上，这样将会降低总体图像的对比度－－比如原来是黑色的背景，因为这些光线的存在而变成了灰色。 

所以有效的控制光源的尺寸将是更好的控制光源的一种方式。从前面的介绍知道理想的光源应该是无限小并且没有任何亮度或者光通量损失，当然在实际中是做不到这一点的。

从这个原则上我们也可以看出出一些光源的特点，UHP/UHE基本的发光直径都在1mm左右，激光的线束更窄以至于不得不扩束， LED发光面积也差不多，但是亮度要小很多了。

均光

不管什么投影光源，都需要进行处理，使进入图像引擎的光变成一个均匀的面光源，最终成像在屏幕上，使得这个屏幕亮度均匀。在投影机中，光学系统是光线从光源到成像引擎的通道，这个部分可以进一步提高光源效率和稳定性。 

光学系统的一个任务是将从光源发出并且经过椭圆形凹面镜汇聚的光线进一步的集中到成像引擎中，另外一个任务就是使得光源亮度更加统一，因为一般的情况下，大多数的“灯泡”发出的光都是中间的亮度高，越到边缘部分它的亮度就越暗。在矩形的显示屏上，我们往往会发现边角的图像的亮度比中心的亮度低。 

解决这个问题的一个方法就是利用一系列的微透镜将光源发出的光从原来中间亮边缘暗的圆形光转变为亮度均匀的矩形光。另一个方法就是更加有趣，让光线通过一个矩形的修正棒（rod）－这种设备一般的是由磨光玻璃、石英或者内表面为高反射率的反射镜等材料构成的光学设备。在这样的设备中光线经过多次的反射会从一端达到另一端，而在另一端得到的光源就是亮度基本一致的矩形光源了。

 

上图显示的就是光线从灯泡中发出经过凹面反射镜的汇聚，然后进入到矩形修正棒，在其内经过数次的反射就可以在另一端得到亮度均匀的矩形光源了。从光强分布图上，未经过修正棒之前的光强分布接近于高斯分布，经过整理之后的就接近于矩形分布了。

投影镜头

图像引擎处理后，后光路系统就要开始工作，尽可能把图像系统出来的图像（光线）传输到屏幕上，实现清晰图像显示，在这其中投影镜头就是核心器件了。

对于投影机来说，镜头是投影机光路中的最后一个环节，镜头做的好坏，光圈值能否做的最小，和亮度是有直接关系的，光圈的大小和f值成反比，f值越小，光圈越大，投影影象的亮度就高。F是镜头的透光度。F越小，镜头的透光性越好。f是镜头的放大比率，如，f=1.4时，就是说，在一固定的位置上，画面可放大1.4倍。镜头的光圈是用数值来表示的，一般从1.6-2.0，为使用方便，一个镜头设置多档光圈，光圈的数值越大，光圈就越小，光通量也越少，每一个镜头的最大光圈都用数值标在镜头的前方。

焦距也是用数值来表示的，通常从50-210，分为短焦、标准和长焦，还有超短和超长焦的。数值越小焦距越短，数值越大焦距越长，投影机对镜头焦距的要求正投一般在50-140，背投一般在35左右，焦距决定了打满预定尺寸时投影机与影幕的距离，焦距越短，投影机与影幕的距离就越近，反之就越远。如果要在短距离投射大画面就需要选择短焦镜头的投影机，反之则需要选择长焦镜头。一般的投影机都为标准镜头。

镜头的焦距决定了该镜头在投影机与银幕距离一定的条件下所能形成影像的大小。那么镜头的焦距越短，则投影在银幕上的影像就越大。  

在投影机的选择上，在一般的应用场所，在同样的价格上，应优先挑选标准镜头，标准镜头在投射影象的色彩还原、图象几何畸变上是最优秀的！对于狭小的应用空间，要想大尺寸的投射影象，应该优先考虑使用短焦或超短焦镜头。

对于宽大的应用场所，在资金充裕的情况下，例如数码影院，优先考虑长焦镜头，因为这样的安装方式，优点是很多的，首先，投影机的风机噪音在观看者的影响得到了很好的抑制，其次在观看者对投影机的影响（抽烟者的烟灰、就餐者的食物残屑、热饮蒸汽）因素中，长焦投影机的影响是最小的。

对于家庭用户来讲，标准的投影镜头和超短焦的是两个主要选项，标准的适合小空间或小尺寸的移动状态下的投影，例如在书房，随时在墙面上投影个30寸的图像，而超短焦适合在客厅或卧室使用，直接把投影机放在电视柜上，就可以在距离墙50厘米的地方投影出80寸的图像，实现影院效果，而且不会被人员走动遮挡。

信号和内容来源：投影演化的智能核心

作为信号输入和控制部分。传统投影仪提供了多种信号端子，通过这些信号端子输入各种内容和信号，通过投影仪展示出来。

通常投影仪都会有VGA/DVI/CVBS/S端子/分量/音频输出等，新一些的投影仪还会有HDMI输入，通过这些输入接口，各种内容和信号被输入到了投影机中，并且显示出来。作为办公场景来说，这样就能基本满足要求，达到目标。

和投影仪相比，电视的主要场景都是在家庭中，连接上有线电视线后，通过遥控器就能收看各种电视节目，随着投影技术发展，投影的屏幕和电视屏幕基本区别不大，某些情况下可以相互替代，因此，电视的发展道路和模式对投影也有借鉴意义。

最近几年传统电视已经完全转到了智能电视领域，现在来看电视厂家基本上不再生产非智能电视，所谓的智能电视就是具有全开放式平台，搭载了操作系统，用户在欣赏普通电视内容的同时，可自行安装和卸载各类应用软件，持续对功能进行扩充和升级的新电视产品。智能电视能够不断给用户带来有别于使用有线数字电视接收机（机顶盒）的、丰富的个性化体验。

目前电视已经完成了智能化的转变，同样流程将再次投影仪市场重演，而且由于有智能电视的成熟系统转换会更加快捷，只不过这些智能投影仪将不再只出现在办公室里，而更多地出现在家里、用户的背包里。

上面的图十七是两台智能投影仪的界面，还是投影仪吗？更像电视机！

智能投影的两个机会：随身私人电视和普通人的家庭影院

投影进入个人或家庭的机会，除了自身技术进步外，主要来自于电视市场的缝隙，也就是目前的玻璃面板电视机无法实现而用户又有需求的部分，所以我们从这个缝隙来分析智能投影未来的机会。

 

以电视为代表的智能屏幕正在向着更开放和更私人两个方向上快速分裂与演化，以此满足碎片化的空间时间和影院体验。很明显，不论是私人的方向还是开放的方向，目前的LCD/LED玻璃屏很难满足要求，它们无法做到一个可以随身带走的50寸屏幕，而100寸的大屏对于这些玻璃屏来说已经是天价了也是极限。

而便携和更大屏幕恰恰是投影技术的优势，既然有需求，原有的电视工业无法满足这个需求，这就是投影技术面临的两个机会：随身的移动私人电视和普通人的家庭影院，就像一个是笔记本一个是台式机。对于随身私人电视而言，要可以随时填补碎片化空间和时间，只要有一面墙，不管是卧室、天花板、厨房、书房甚至是厕所，都可以使用；它同样也可以出现办公室、会议室、咖啡馆甚至长途BUS上。无论何时、何地随开随用。

而对于普通人而非土豪的家庭影院而言，价格是关键因素，要普通人用的起。安装简单，操作容易，最好开箱即用，就像家庭影院领域的方便面。当然基本的效果也是关键，屏幕要能达到70寸以上，亮度对比度要能够接受，内置音箱要过要比电视好一些等。

对于以上两种场景的产品，都要做到内部自有内容，无需外部供给，只要连网，应有尽有，如同智能电视一般的操控体验。

如何组合出现在的和将来的智能投影机？

我们上面用了大量篇幅介绍了关于投影机的各种组件，下面我们就要设计产品来满足我们看到的两个机会，看看该如何组合制造出我们现在以及未来想要的投影机。

首先是投影图像引擎的选择，虽然我们在上文解释了各种图像引擎的工作原理，但是并没有进行比较，下面我们就给出详细的比较，看看那一款图像引擎可以适合我们现在和未来的个人和家庭需求。下面对比的需求主要针对3片LCD、单片LCoS和单片DLP进行，并且假设三者采用的光源和光路镜头都一样情况下。

从图十九我们可以看出，3LCD无论价格还是性能比较适合商用，当前针对个人和家庭的投影产品来说，DLP基本上最好的选择，它的特点非常适合收看视频等娱乐使用，事实上针对随身移动私人电视来说，0.3英寸的DMD是最好的选择，它可以支持SD(854x480)和HD（1280X720）两种分辨率，并且功耗较低，可以使用锂电池供电，移动性很出色。而针对普通人的家庭影院可以选用0.45英寸的DMD(1280X800)。

当前选择DLP，有成熟的产业链保证可以快速实现产品，但是对于未来的产品，完全绑在TI的战车上也不可取，因此，要保持对于LCoS的关注，毕竟目前的电视已经进入了4K时代，LCoS对国内厂商来说是个机会，可以在芯片层次上进入投影的竞技场，通过芯片整合产业链，面对国内蓬勃的个人和家庭投影市场。

目前国家正在加大对集成电路的投资和扶持力度，这对LCoS是个利好，据说已经有厂家开始准备发布自己的LCoS芯片，希望未来的智能投影可以有一颗中国公司设计制造的LCoS核心，并且能形成完整的生态链条，尽快推出产品。

选完图像引擎，下面来选择光源，很显然高压的气体放电光源不适合个人或家庭使用，也无法便携，所以固体光源或新光源成为首选。

在固体光源中，LED是当前投影光源最为成熟的光源，所以现在的针对个人和家庭的投影机，RGB三色LED光源唯一选择，从几十流明到几百流明，虽然亮度较低，但是已经完全可用。

针对未来的个人和家用投影机，LED+激光（蓝激光+绿荧光提+红蓝LED）混合光源目前来看比较现实，可以达到3000流明而且安全性也有保障。置于纯激光的高亮度光源，估计要在解决了安全性后，才能考虑进入家庭。

另外，目前LED投影光源的提供商主要是欧美厂商，而在激光光源以及激光投影技术方面，国内部分厂商有优势，有些产品的质量已经可以和国外巨头相比。

投影光源和图像引擎选择完毕后，我们考虑下光学部分，首先考虑移动性和家庭环境，最好方式是采用时序制模式进行图像投影和合成，而不考虑有运动部件色轮的场序制模式，不论LED光源还是混合光源，不论DLP还是LCoS都支持这样的光学模式，具体参见图七和图十二。

投影镜头选择方面，考虑到空间的碎片行，针对个人的随身私人电视最好采用标准镜头，这样针对不同环境和空间可以灵活根据距离调整，由于其可以电池驱动所以位置可以非常灵活。而针对家庭的家庭影院，一般来说位置相对固定，可以采用标准镜头或超短焦镜头，标准镜头一般需要吊装，而超短焦镜头可以直接放置在电视柜上而无需麻烦的吊装。目前可以提供可靠高质量投影镜头的厂商大部分是日系、欧美和台系厂商。

完成光路和镜头的选择，我们最后对智能部分芯片和操作系统进行选择，这个部分相对成熟，基本是具有计算和解码能力的多核SOC和Android系统，不过由于INTEL的加入，这个部分又有新选择，X86的CPU(ATOM系列)和Windows8，这个新选择比较适合个人使用，增加了投影机对强大的工作流的支持，甚至可以作为生产工具使用而不只是娱乐。这个所谓的OTTTV部分就在几个月前，不管是电视软件还是SOC芯片，国内的厂商都处于非常领先的地位上，但现在已经归零，希望智能投影可以利用这些技术遗产，继续领跑。

上面我们完成针对个人和家庭的智能投影机的各个部件的选择，详情见下图。

在我们对比了投影各个组件和原理后，我们给出了图二十，现在的和不远未来的智能投影的某种可能的组合，当然真实的产品从外观到硬件软件还有无数细节，而对于智能投影来说，硬件是第一道门槛，进入门槛后软件和内容才是核心。

到此为止，我们基本上遍历了智能投影机的各个模块及其框架和原理，但并未深入到每个模组或模块的细节当中，有机会可以继续遍历，哪怕一个不显眼的透镜都可能有很多厂家很多人有数百个秘密在其中，只有这样才能有好的产品，我们也才能知道，磨镜片哪家更强？光源哪家最强？那种荧光体寿命最持久？

让我们一起来遍历吧！（完）

本文作者：若愚智能创始人CTO 宋健

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