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液晶投影机
阅读:3635时间:2010-11-10 16:36:54

  液晶投影机是一种用液晶显示图像源的图像信号并且能够精确投影到屏幕上的一种新型投影机,液晶投影机的结构主要可分为照明、 分合光与成像等三个部分。它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,从而成为准确投影出影像的色彩。

组成

  1.照明部分

  照明部分主要又可细分为灯泡、灯罩和聚光系统。一个好的照明源需要在效率、色温、寿命、稳定性和安全性等处均满足要求,目前市面上可用於投影机的灯泡有卤素灯、金属卤化物灯、氙灯与超高压汞灯等诸多选择。其中卤素灯是在石英灯泡壳中加入钨丝灯丝,并充入氩气与微量卤素气体,卤素灯泡的寿命一般约在500~1000小时,价格较为便宜,仅用於低价投影机中。金属卤化物灯属於高强度气体放电灯,发光原理是利用极间距通过电流所形成的电子束与气体分子碰撞而激发产生光线,金属卤化物灯由於效率(一般在60-80lm/watt)及色温(一般大於是6000K)较高和弧距较短(Shortarcgap,一般短於6mm)因而颇适合拿来用於液晶投影显示器的照明系统;依照驱动的方式金属卤化物灯又可分成交流点灯与直流点灯两种,通常交流点灯型金属卤化物灯的发光效率较高,而直流点灯型金属卤化物灯的寿命较长,然而由於直流点灯型的弧距较短,故逐渐取代交流点灯型金属卤化物灯的的驱势。

  氙灯的点灯原理是於石英灯泡壳内填充氙气,当加大电流时,极间距内将放电,可产生色温约5800K,近乎自然光的连续光谱,是一种演色性相当好的的光源;由於氙灯可输入高功率而得到极高的输出亮度,因此氙灯几乎是高阶与高亮度投影机光源的唯一选择。超高压汞灯之结构与卤素灯类似,两者的灯壳材质皆为石英玻璃,且内部同样需加入卤素气体,唯超高压汞灯需另加入水银。超高压汞灯的工作原理是利用加入电压使极间距因产生高电位差而散出高热,进而将水银汽化,汞蒸汽在高电位差的环境下将受激发而放电。发光源辉度高与寿命长是超高压汞灯的特色,目前常用来做为DLP投影机的光源。

  灯罩主要可分为球面镜、抛物面镜和椭圆面镜三种。球面镜大多用在早期单片式液晶投影系统,配合卤素灯以及高数值孔镜的非球面聚光镜来完成单片式的照明系统。抛物面镜大多用在三片式非晶矽液晶面板上,这是由於考量成本、集光效率以及入射於液晶板上光线须要很好的准直性的结果。椭圆面镜虽然拥有较高的收光能力,但制作不易成本较高,一直到1.3”多晶矽液晶面板推出后才大量的使用。除了三种型式之外还有复合形灯罩,如两段式或三段式,每个区域用不同曲率来增加集光效率。另外还有一特殊的灯罩-正交式抛物面镜(OrthogonalParabolicReflector),它能将长弧距的灯泡有效率的会聚成一点。

  由於部分投影机光源所发射出的光分布并十分不均匀,加上经由反射面镜所射出的光为轴对称,因此须要一聚光系统或称为Integrator将光分布变均匀且将圆形照明分布转换成液晶面板的长方形(4:3或16:9)分布。Integrator目前常用的是透镜阵列组(LensArrays),第一7组透镜阵列将光源经反射面镜所射出的光区分成数个区块(长方形4:3或16:9分布),并将灯心成像在第二组透镜阵列上,第二组透镜阵列再将第一组透镜阵列所处的位置全部叠加在液晶面板上而达成均匀化的结果。

  2.分光合光部分

  三片式液晶投影显示器是利用光加成性来产生彩色,故须要把灯源所发射出的白光光谱区分成三束原色光,即红、蓝、绿三色光,分别经过液晶面板调变之后再合成一束光投影而出。分光部分大多用双色镜(DichroicMirrors),而合光部分则可分成双色镜或双色棱镜(DichroicPrism)两种。双色镜是在玻璃上蒸镀多层薄膜,使入射光的某一部份光谱穿透而其余部份的光谱则反射;而双色棱镜则是将该多层薄膜蒸镀在两块棱镜之间,因此双色镜制作容易且价格较双色棱镜便宜。但是由於在合光部分双色镜会引起三束不同路径的原色光有不同的色散差,故在高解析度液晶板的投影下,投影镜头的设计会相困难而使成本升高。此外,由於双色棱镜会液晶板的物距较短,故投影镜头的后焦可以设计较短同时拥有较大的相对孔径,能增加收集光线的能力,因而大多机种均采用双色棱镜的方式。另一方面由於光束有一定的发散角,入射於45度双色镜上会因为入射角度不同而引起光谱的位移,在要求银幕色彩均匀下该光谱的位移需要予以修正,通常解决方式是在双色镜上蒸镀上渐厚层,即不同的位置上薄膜的厚度有所变化,以使不同入射角度的光线有不同中心波长来作补偿。

  3.成像部分

  成像部分在於将液晶面板上的影像图案成像在银幕上,其中包含两个部分,一是投影镜头,一是银幕。投影镜头需要有相当的解析度以解析出液晶板上的每一画素,理论上,液晶面板上的解析度越高,投影镜头的解析度就需更好。由於液晶板至投影镜头之间存在一些光学元件如双色镜或双色棱镜,故投影镜头需要有相当长的后焦距,同时越大的相对孔径,则其收光能力越强。银幕则需忠实反应出所投影上去的影像图案,故要求银幕能够有保持色温的能力、不吸收能量同时各个方向的散射能力是一样的。有时为了增加光量度,会将银幕所散射出的光分布在角度上进行调整,以使能量能集中分布在水平的某些方向上(因为大部分观赏者都分布在某一垂直方向上且不可能以很大的水平视角看银幕)。

原理

  液晶投影机的种类与比较现今市面上常见的投影机中所使用的显示面板技术包括穿透式与反射式两大类,由於面板显像的原理不同,因而使得分合光系统与产品应用领域略有差异。

  1.穿透式投影机的原理

  穿透式投影机主要是利用光源穿过高温多晶矽的液晶面板以进行调变,由於电晶体与用以增强对比的黑色矩阵等元件,都会阻挡光线通过;此外,偏光片与液晶材料亦会吸收光线,虽然加装微透镜组可使开口率增加,但却会因结构复杂化而使制造困难度提高,成本也会因此而增加。

  2.反射式投影机的原理

  单片穿透式液晶投影机的亮度基於上述原因通常无法超过500流明,然而此一亮度已渐无法满足消费者需求,故目前市面上主流的穿透式投影机一般皆采三片式的结构。在面板使用的数量增多与光学系统趋向复杂的情况下,成本因而就居高不下,也促使反射式投影机应运而生。反射式投影机是利用一片类似镜子的面板来做为光源的调变器,由於决定面板是否反射光线的控制电路隐藏於反射镜面之后,故电晶体不会阻挡光线,因而能提高开口率、亮度与精确性。

发展趋势

  1.重量

  为了刺激需求快速成长,如何降低投影机的重量使其达到易於携带的效果向来是各家厂商积极研发的主要课题之一。目前业界常将投影机以重量区分为四种类型,分别是大於20磅的固定式、介於10~20磅的可携式、介於5~10磅的超可携式与小於5磅的微小可携式。去年投影机的市场中,超可携式产品的出货比重超过50[%],而可携式与微小可携式则各占约20[%]左右,但随着TI於DLP技术上的突破并扩增产能及InFocus、PLUS、Philips与Compaq等多家厂商竞相推出微小可携式的产品,今年此类型产品的市占率预计将可增加至34.5[%];受此影响,原为市场主流的可携式产品之市占率将於明年迅速下降至10[%]以下。

  2.亮度

  在不须关灯的情况下即可使用投影机,对於使用者而言是极具吸引力的特点,亦是厂商推出新产品时的重要诉求。虽然目前面板开口率已有显着提升,且市面上已出现多种可提供高亮度的灯泡,但由於发光效率仍有限,特别是对於小体积的超可携式或微小可携式产品,高亮度灯泡所带来的散热问题依旧是困扰各家厂商,故超过1500lm以上的产品,则还是以固定式与可携式较为常见。正因如此,依据光电协进会的预估,1500lm以上产品的市占率仅将从去年的13[%]增加至20[%],而500lm~1500lm的产品今年合计则仍将有77[%]的占有率,依然会是市场的主流。

  3.解析度

  在1999年以前,解析度为SVGA等级(800x600)的产品市场占有率皆超过50[%]以上,但如此的解析度已渐无法满足消费者对高画质影像的要求,透过厂商对面板制作技术的持续改010020030040050060019992000200120022003LCOSLCDDMD11善,越来越多解析度为XGA等级(1024x768)的产品出现在市面上,在可选择产品增多与厂商积极推广的情况下,自去年起XGA等级的产品已跃升为市场主流,市占率逼近60[%]。而今年此类产品的占有率更将提升至68[%]。此外,更高阶的SXGA等级(1280x1024)产品去年的市占率为4.8[%],今年将增加至8.8[%],投影机朝向高解析度发展几乎已成必然的趋势。

  4.连续结晶式液晶面板

  连续结晶技术是由Sharp与SemiconductorEnergyLaboratory两家公司所共同开发。连续结晶技术是利用固相长晶的方式,直接在玻璃基板上长出矽薄膜,并於长晶的过程中,设法将矽晶格的排列维持於原子晶格排列的等级,以制造出近似单晶矽的结构。由於电子在固相长晶的晶格中移动速度可达300cm2/Vs,约为在多晶矽晶格中的6倍,因此在表现动画时可得到较佳的影像品质。不过,虽此产品的性能十分优越,但以Sharp预计於今年推出采用此种技术的投影电视之售价高达350万日币来看,欲大量普及化,仍须在简化制程与电路整合上积极研发,以降低成本。

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