国产单片液晶投影技术发展(一)

    从2000年初以来的投影机DIY热潮，催生了国产液晶投影机制造产业（非OEM类），并涌现出了一批国产中小投影机制造企业，据统计目前全国有一定产量的整机厂家约15家，配套钣金加工、表面处理、光学冷加工、光学镀膜、光学设计、电路设计开发、光源及其驱动设计生产、液晶及其驱动解决方案的从业厂家约50家等，市场份额在近3年保持了100%以上的年增长额度，颇似90年代发烧音响的消费热潮和市场状况。本文主要分析近年来国产液晶投影机技术发展的主流方向。

    首先要说明一点的是，单片液晶投影机的光利用率是很低的，而三片式液晶投影机在滤色片（对于三片式投影机，RGB三色光、三色屏分别照射、投影、成像避免了滤色片上66%的巨大光损失）及偏振片（三片式投影机：采用PBS转换系统，避免了在液晶入射偏振片上约50%的巨大光损失）上的光损失很小，光效一般比同规格的单片投影高出3倍以上。这也是三片式液晶投影机的巨大优势，但三片式方案一般成本较高（液晶投影与DLP投影、LCOS投影均如此），所以在DLP、LCOS投影技术中很少有民用的三片式方案。应该说单片液晶投影机在光学技术上并不领先，但也不过时，目前单片投影技术还广泛地应用在液晶背投、DLP投影机、DLP背投、LCOS投影机上。

    目前国产投影机还主要是单片液晶方式，单片液晶投影机具有结构较为简单，成本较低，性能稳定(合理设计情况下去，可靠性超过三片LCD及DLP投影机)，对比度较高（可以通过合理的光学设计，超出同规格三片液晶投影机的水准,甚至超出液晶片本身的对比度水准），目前国外还有像美国科视（专业、高可靠工程投影机）、日本夏普（视频投影机）等保持生产，它的最大缺点是光利用率较低，所以一般单片液晶投影机不能输出高亮度，不太适合电教、商务演示等用途，但在歌舞娱乐、影视商用、家庭影院等需要完善的视频性能（解像度、色彩还原、合理的响应速度、对比度等），但对亮度要求并不太高的环境下，有着广泛的用途，加上目前在价格上明显优势，国产单片液晶投影机在歌舞娱乐、家庭影院等市场中渐呈燎原之势。
   
    光学设计：更高的亮度（光输出）

    虽然投影机还具有光均匀、白场相关色温、显色性、对比度（同时与光、电设计关联）等多种性能指标，但亮度无疑是其中最重要的性能指标，一台投影机的亮度、解像度就基本决定了该投影机的档次。

    就人眼的视觉要求、一般性环境情况、黑色表现等综合情况而言，家庭影院、KTV、中小影视厅等环境而言，一般需要100—1200ANSI流明的亮度，虽然，夏普、三洋、东芝、爱普生、SONY等品牌的主流家庭影院用途的投影机亮度也不高（一般标称600—1800ANSI流明，实测一般为500—900ANSI流明），相对目前国产机型的实际亮度一般还停留在70—350ANSI流明的水平，仍有较大差距，因此亮度的提升非常重要。

    国产投影机的开发者们经历了加大投影灯泡到提高对灯泡光输出利用率上的思路变化。单纯加大投影灯泡的光输出虽然可以一定程度地提高投影机的亮度，但效果十分有限，比如一些投影厂家用到了575W的大功率镝灯，但投影机的实际亮度还停留在150ANSI流明的水平，同时导致整机体积、成本大幅度上升，可靠性却直线下降的情况，根本无法投入实际市场。

    一台单片液晶投影机能达到什么样的光利用率？我们可以参考下面的估算办法：
    (1)、反光碗（仅指球形反光碗）、投影灯泡、聚光镜组合系统的光利用率：25—45%
    (2)、菲涅尔镜的光利用率（透过率，并考虑镀宽带增透膜的情况）：约85--95%，2-3片组合即为：(0.85--0.95)*(0.85--0.95)*(0.85--0.95)=61%--90%
    (3)、液晶屏的光利用率：50%（偏振）*33%（滤色片）*（50—65）%（液晶实际开口率）*65%（界面反射、检偏、吸收等其他损失）=5.3%--7.0%<BR< p>
    (4)、镜头的光利用率：60—90%
    (5)、如果采用隔热玻璃（反热或吸热型），则利用率一般在65—85%
    (6)、如果采用折射方式，反射镜的光利用率：82—98%
    (7)、光路设计、固有损失，其它影响的光利用率：80—90%

    综合（1）～（7）后的整机总光利用率：0.24%--2.5%，也就是说，对于一只150W（光输出约14000ANSI流明）的灯泡，正常情况（不考虑PCS转换）可以设计出：亮度在34—350ANSI流明的投影机，如果设计不当（器件或光路）的话，可能会降低到35ANSI流明以下，科学而完善设计可达到330ANSI流明以上，可见光利用率的弹性幅度可以高达10倍，而一般150—575W投影灯泡自身光输出变化幅度仅在2--5倍左右（且伴随着可靠性、成本、体积等的急剧变化），可见提高光利用率的意义大于投影灯泡的自身因素。

    当然投影灯泡是液晶投影的显示之源，投影灯泡的选择、设计也非常重要。投影灯泡主要有如下参数：
    1）电参数：启动电压、工作（驱动）方式（交流、直流）、工作管压、灯电流。
    2）机械参数：安装尺寸。
    3）光学参数：光效（XX流明/W）、相关色温（K）、光效-时间特性、色温稳定性、发光点（电弧）尺寸、显色性、寿命（半衰寿命或失效寿命）、批量一致性，一般要求光效高（大于60lum/W）、相关色温适中（6000—12000K），光效、色温在寿命的70%以上时间内稳定，电弧长度小于5mm（接近点光源状态）、显色指数大于70，寿命大于1500小时，批量产品的指标一致性在15%以内。

    从种类上看，投影光源主要有：
投影用金卤（镝）灯：优点：价格低，色温适中、光效高，致命缺点：寿命短，多在200小时左右，特殊设计的产品也很少超过1500小时的有效寿命。

    氙灯：显色性好，启动迅速，但光效低（仅30—50流明/W）。
双壳双端金卤灯：在国产投影机中常用，寿命长（一般在6000--10000小时），综合指标好，价格低，但体积大，电弧较长（约10--19mm），不是理想的点光源，不适合光效率的抛物形、椭球形反光碗，不宜用于3寸以下的液晶片。这类金卤灯的光效在使用的前100小时会逐渐的衰减10%左右，在100—200小时之间会反而上升（接近、甚至超过新灯的效果），200小时后就进入单调的光效下降阶段，直到寿命终结。常见双壳双端金卤灯在200—240V（非管点压）之间的光输出变化/电压变化率=2.8：1。适当地提高输入电压或功率（在确保灯泡有效使用寿命情况下）并减小电弧间距，可明显地提高光输出。

    UHP灯（可翻译为：超高压汞灯或超高性能灯或PHILIPS投影灯）或类似超高压汞灯（图10为安装于灯杯中的UHP）：综合指标最好（光效高、发光点小，显色好、寿命长，体积小），但技术、工艺极其复杂，目前国外仅PHLIPS、OSRAM等少数厂家生产，国内刚批量投产的仅北京爱华、广东华星之光，价格一般在1200—3500元（含灯杯）。

    除了投影灯泡，白光LED在将来完全可能成为理想的投影光源，目前白光LED发光效率产业化产品已从15流明/w提高到25流明/w，研究水平为32流明/w，最高水平已达44.3流明/w。色温 在2500K-6000K之间，显色指数Ra80左右。寿命 5万小时至10万小时。工艺与材料的不断改进，预计到2020年白光LED的光效将达到200 流明/w，超越目前所有品种的投影灯泡。白光LED阵列所能提供的聚光、光均匀、安装等优点也是其他投影灯泡难以比拟的。　

    目前，国产单片液晶投影系统提高亮度的主要方案在：
    (1)、反光碗—灯泡--聚光镜系统的优化：合理化地增大反光碗、聚光镜对灯泡光输出的有效包容立体角度。
    (2)、光路合理化设计：主要是平衡光学设计上光利用率与光均匀性矛盾。
    (3)、灯泡的实验、选择、特性定制，
    (4)、镜头合理化设计：主要涉及相对孔径、色相差、解像力、后工作距、放大率。
    (5)、各器件镀膜工艺（增透膜、反射膜、隔热反热膜等）：包括反光碗、聚光镜、菲涅尔镜、镜头、表面反射镜、甚至液晶片本身。未经镀膜处理的透射性光学表面平均反射损失在4%左右，在一台投影机中这样的表面多达15—20个，未做镀膜处理可能的光损失高达：60%以上！
    (6)、各器件几何、光学规格，光学器件的材质优化。
    (7)、更专业一些，则可以考虑对投影光源输出进行PCS转换，不过对于目前非理想点光源、较大尺寸液晶而言，低成本解决的难度非常高，完善的方案预计可以提高20—45%左右的光利用率。

    国产单片液晶投影机典型光路结构情况中图一、图二所示。

图一

    图一、图二描述了基本的光束轮廓，图2是在图1的基础上增加1片表面镀膜的反射镜，来延长光路，缩小机身的尺寸，尽量做到小巧一些，但会导致2—15%左右的光损失（视镀膜材料、工艺而定）,具体的液晶显示图象的放大、成像原理可以参见有关“投影仪”、“电影机”或“幻灯机”的相关光学仪器的原理分析、讲述，以及关于单片液晶投影机技术的介绍。采用ZEMAX、TRACEPRO等专业CAD软件是定量优化投影机光路设计的重要武器。单片液晶投影机看似极其简单，但要设计出优秀的商业机型，除了全面的电子技术外，还会涉及到复杂的几何光学、薄膜光学、色度学、光谱学、热力学、空气动力学、结构力学等内容。瑞诚RC-1208VDT、OPTOMA  EP585是单片液晶投影机设计的经典。