遍历关于智能投影机的若干环节（1）

新游戏开始了

投影机以及投影行业一直都是暮气沉沉活在边缘，从来都没有进入显示的主流视界，不管是身在其中的大玩家，例如，SONY、EPSON、TI、飞利浦、BENQ，以及曾经曾经的大玩家，IBM、INTEL、3M等，没有哪一家只以此为生，充其量只不过是个业务战略补充而已，基本上都是随时可以被抛弃的非核心资产。作为数年已经基本没有增长的行业来说，商业上的利益决定了行业的地位和命运。

商业环境中常见的投影机，全球市场数年来一直维持在1000万台左右，如死水一般停滞的市场一般会带来两个结果，其一是持续萎缩，被其他相关技术替代掉，目前来看办公室投影确有被玻璃屏显示器替代的趋势；其二是积极因素，去发现新大陆，当然这种发现一种是本行业被迫发生的，一种是交叉行业的外来野蛮人驱动的。这两个结果同时发生了，就是商用的市场会继续萎缩，而新大陆出现了，就是针对家用和个人的消费型市场开始引爆，整个行业的秩序和规矩将在未来的2-3年内发生根本改变，会有新的玩家、新的产业链条以及新的商业模式出现。

从去年到现在，针对家庭和个人的投影产品和市场开始渐入佳境，笔者作为这个新市场、新游戏的参与者，被各种来路的关注方问了太多问题，因此觉得有必要向有兴趣参与这个新市场的同行、有兴趣购买产品的消费者以及生态链上的伙伴们进行一些技术普及，尽可能从技术层面上解决一些通常的疑惑、误解，并尽我可能提供一些建议和指引，与同行、同行参考。

投影成像系统的结构

一个标准的投影成像系统如下图一所示，包括：信号来源及控制系统；投影光源系统；图像引擎系统；光学系统以及投影屏幕系统等五个组成部分。

信号来源及控制系统这个部分主要是处理各种外部信号使之接入投影图像引擎，常见的投影都有若干信号输入，如VGA/AV/HDMI等都是由这个子系统控制和处理的，传统的商用投影仪并不注重信号来自哪里，而新市场游戏规则的商业和体验核心恰恰是该部分。投影光源部分主要有几种，超高压汞灯；LED；激光以及混合光源，不同光源具有不同的特点以及适用环境。投影图像引擎系统是投影成像系统的核心，目前主流的主要有三种，LCD(3LCD)、DLP以及LCOS，谁才是未来？光学系统分为两个部分，前置部分负责处理光源，后置部分负责处理成像和投影。至于屏幕，最简单的最常用的屏幕就是一面白墙，当然也有适合土豪的超级菲涅尔无眩光冷屏。

投影影像引擎：LCD、DLP、LCoS

投影成像引擎的主要作用是把图像信号转变为光学信号，在目前的市场上销售的投影机主要采用了LCD、DLP、LCoS这三种成像引擎技术，而不同的成像引擎技术之间有着明显的差别，我们将给出这几种引擎的工作细节，并且给出评价，便于大家理解与选择。

透射模式的LCD成像引擎

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。目前使用LCD成像引擎的投影仪是目前是中端商用投影仪市场上主流。经过多年的发展，LCD成像引擎技术也不断地进行演进，从透射液晶板技术演进到了高温多晶硅LCD技术，从单片LCD演进到了3片LCD。LCD的投影成像技术一直是被日系厂商主导，核心厂商有Sony和Epson。

晶板投影机是利用了液晶的电光效应，通过电路控制液晶单元的透射率及反射率，从而产生不同灰度层次及多达16.70百万种色彩的靓丽图像。LCD液晶板的面积大小决定着投影机的结构和整体体积的大小，LCD液晶板面积小，则投影机的光学系统就能做得越小，从而使投影机越小。

很明显，由于透射的模式，投影过来的图像比较暗淡，目前使用这样技术的投影机已经渐渐退出市场，而被开口率和透过率更优的高温多晶硅取代。

所谓的高温多晶硅（HTPS）是一种新的多晶硅的制作工艺产生的多晶硅，就是将非晶体硅沉积在特殊的玻璃或者石英基板上，并且加热到 600º－1000ºC或者更高的温度。当这个层冷却下来，就能在基板上生成一种更精细的硅晶体，这种硅晶体具有更高的电子移动性，而开关晶体管的体积也因此变得更小，所以可以有更多的光通过液晶板。为了进一步提高光线透过率，还可以对多晶硅投射液晶板进行进一步的改进，使得它的亮度更高，例如在多晶硅液晶板后面加入了一层由很多微透镜组成的微透镜层，每个微透镜位于液晶面板的象素之后，它们可以尽可能的让每个象素之后的光线通过需要通过的晶体管的部分。使用了这种技术的投影机形成的图像明显的比没有采用这种技术的投影机生成的图像亮。总之，采用了各种改进之后的高温多晶硅面板的投影机，开口率可以达到85%以上。

LCD投影机可分为单片式和三片式两种，目前市场上液晶板投影机大都采用三片式LCD板，三片式液晶板投影机是用红、绿、蓝三块液晶板分别作为红、绿、蓝三色光的控制层。很冥想三片式液晶板投影机比单片式液晶板投影机具有更高的图像质量和更高的亮度。

在投影机中所使用的液晶板中每个液晶晶体代表一个象素，并没有针对红、绿、蓝让一个象素映射三个液晶晶体，那么LCD投影机是如何实现对于不同色彩的再现的呢？它其实是使用了三张LCD液晶板来分别再现三种颜色，然后再经过光学系统的把这些分离的颜色合成再一起，投影在屏幕上，就组成了一副完整的图像，这个就是3LCD投影机图像引擎的工作模式和核心原理。 

    实现这个功能的关键就在于分色镜和分色棱镜。分色镜和分色棱镜的主要特性就是在一定的条件下，会反射一种颜色但是会允许另一种颜色通过。分色镜一般是在玻璃基板上沉积金属氧化物形成的，它们可以精确的把不同颜色的光线分离开。

    下面的示意图二显示的就是利用3 LCD液晶板反射镜构建LCD投影机的结构示意图，我们根据示意图来看看这样的系统是如何工作的。下图底部的灯泡发出了白光通过光学系统来到成像引擎中，首先通过一个45度角的反射镜进入到透镜进行汇聚，经过汇聚的光线遇到第一个分色镜，这个分色镜允许蓝色光线通过，但是反射其它的光，所以没有了蓝色光的白光会变成黄色的光；蓝色的光线经过进一步的反射通过蓝色液晶板，所谓的蓝色液晶板就是主要控制图像蓝色的液晶板，控制器的发送指令控制哪些部分允许通过蓝色光线，哪些部分不允许通过；黄色的光遇到第二个分色镜，这个分色镜允许红色光线通过，但是却反射绿色光线，这样我们就从白光中分别得到了三种颜色；绿色和红色的处理过程同前面介绍的蓝色处理过程是一样的，这样三种液晶板分别决定了图像上不同的颜色，就把三种光线通过分色棱镜反射到投影镜头中进行合成，相对的位置关系保持不变，投影镜头把合成好的光线投射到屏幕上就形成了我们需要得到的全彩画面，也就是最终成像。

图二的右边，示意了液晶面板的像素如何开关。液晶面板由偏光片玻璃面板以及透明电极组成，其中透明电极是一个电子矩阵的晶体管和液晶材料，两个偏光片的极轴的相互垂直。晶体管用来改变液晶材料每 一个像素的偏振特性。要使光线通过，液晶材料将其旋转偏振轴90度，使光线通过第二偏光片。反之，通过改变偏振特性，光线未经偏振而不通过第二偏光片，该像素则相当于关闭状态。

从上面的示意图，我们可以看出3LCD的光学效率很低，主要是两个方面，一个是灯泡的白光经过分光系统后，只有RGB三个波段的光被利用，其他波长的光被丢弃；二是这些光透过LCD面板后，又有部分被衰减掉了，总的来说，LCD的投影系统光能利用率只有3%-5%。

反射模式的LCD成像引擎LCoS

LCD在光效率方面的劣势，促使了人们考虑用反射方式构建投影设备，LCoS应运而生。在反射模式投影机中，依然利用了液晶物质来反射或者阻断光线，这其中使用的最多的就是液晶硅面板LCoS（liquid crystal on silicon），它们是直接在单晶硅片上构建起来的，这样可以允许象素做的更小，液晶面板重量更轻，而且还可以将部分控制电路做在硅芯片之内从而进一步降低成本。

LCoS的成像原理类似于LCD技术，与我们常见的TFT-LCD面板技术不同的是，TFT-LCD两面都是以玻璃作为基板，而LoS仅上面采用了玻璃基本，而底面主要采用了单晶硅材料为基板，可见LCoS制程实际上结合了LCD和半导体CMOS制程技术。因此采用LCoS技术其光线不是穿过LCD板，而是采用反射方式形成彩色图像。它采用涂有液晶硅的面CMOS式集成电路芯片作为反射LCD的基片，用先进工艺磨平后镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极之上的玻璃基板相贴合，再注入液晶封装而成。

LCoS可采用FSC (Field Sequential Color)场序制彩色成像技术，利用白光和色轮提供RGB的三色色源，可有抛弃目前应用较多3LCoS面板结构，有效缩小其结构尺寸。

随着LED技术的发展，可以直接使用RGB三种纯色光，并采用时序方式控制RGB的发光，利用人的视觉残留，实现完整的画面输出。由于采用RGB纯色光，其实际色域相当高（可达到NTSC120%左右）。而且由于没有了色轮的影响，每种光利用率可做的很高，不过由于需要对三路独立的色光进行合光，其光机设计较复杂，控制得不好容易出现偏色、色彩不均匀等现象。同时由于其采用时间混色方式，故需要对三路RGB独立的LED光源进行PWM方式调光驱动，导致光源驱动成本高于色轮的机器。另由于时序LCOS采用的是时间混色方式，如果显示驱动设计不合理、面板刷新频率不够的话，很容易使投影画面出现彩虹现象。

不过从目前来看，上述的问题都已经得到了很好的解决，目前基于单色面板和RGB色时序驱动方式已经成为单LCoS和单DLP的主要实现方式，由于不需要分色让投影机内不再需要色轮这样的运动部件，而且光效率也大大提升，并且可以得到更加清晰稳定的画面。图四就是以色轮为核心的场序制驱动和以时序制驱动两者对比。

从上图可以很容易看出，时序的方式可以让设备更加便携，结构更加简单，这当然得益于LED的发展，可以给出亮度和纯度都很高的单色光，并且可以用极高的频率对其进行控制，实现时序发光、LCoS/DLP控制和视觉残留的完整时序链条，从而输出全彩动态画面。

数字微镜反射模式的DLP成像引擎

数字灯光处理（ Digital Light Processing）技术是TI基于DMD（ digital micromirror display）技术的基础上开发的，它同LCOS技术有着相当的区别，但是同LCOS技术一样都是采用反射光投影的技术。当然同LCOS技术的最大区别就在于使用的面板材料不同，它采用了表面覆盖有细小的方形铝质镜面的半导体芯片。

DMD是一个微镜阵列，如上图，每个微镜对应一个图像像素，微镜向光源倾斜+12°时，光反射到镜头上，相当于光开关的“开”状态。微镜向光源反方向倾斜(即-12°)时，光反射不到镜头上，相当于光开关的“关”。要显示某像素的特定颜色，颜色切换过程中DMD将该像素开关几次，通过这种方式，DLP引擎将RGB三种颜色混合成各种特定颜色。由于该过程极为迅速，观众只能看到最终混合的颜色图像。

这些镜面具有每秒钟切换（开关）5000次左右的能力，通过控制该点切换次数的快慢可以决定该点所控制图像的灰度等级，也就是说这些镜面每秒钟切换次数越快，再现图像的层次就会越丰富。

这种技术的优势就在于具有极高的反应速度，因为它使用了DLP芯片所以不需要同前面的纯光学系统那样同时产生红色、绿色和蓝色图像，而是分别的产生红色、绿色和蓝色图像然后利用人类的视觉暂留特性来实现不同颜色在屏幕上的组合。

图七是当下基于LED的DLP投影机的典型原理图，主要采用德州仪器的DMD核心显示器件（目前也有极少数厂家采用非TI的DMD模组），配以高亮度RGB-LED光源，以时序驱动方式来实现彩色图像的显示。由于DMD器件不存在偏振光损失，故其光机的实际电光效率可以做得很高，而且DMD是靠对光进行不同角度的反射来起到光阀作用控制光线，而LCOS液晶是通过液晶分子的偏转来关断光线的穿透，故液晶或多或少都会存在少许漏光的现象（特别是受面板表面温度），实际表现为暗场有不同程度透光，对比度相对比DLP要差。（未完待续）

本文作者：若愚智能创始人CTO 宋健

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