國產(chǎn)單片液晶投影技術(shù)發(fā)展(一)

    從2000年初以來的投影機DIY熱潮，催生了國產(chǎn)液晶投影機制造產(chǎn)業(yè)（非OEM類），并涌現(xiàn)出了一批國產(chǎn)中小投影機制造企業(yè)，據(jù)統(tǒng)計目前全國有一定產(chǎn)量的整機廠家約15家，配套鈑金加工、表面處理、光學冷加工、光學鍍膜、光學設計、電路設計開發(fā)、光源及其驅(qū)動設計生產(chǎn)、液晶及其驅(qū)動解決方案的從業(yè)廠家約50家等，市場份額在近3年保持了100%以上的年增長額度，頗似90年代發(fā)燒音響的消費熱潮和市場狀況。本文主要分析近年來國產(chǎn)液晶投影機技術(shù)發(fā)展的主流方向。

    首先要說明一點的是，單片液晶投影機的光利用率是很低的，而三片式液晶投影機在濾色片（對于三片式投影機，RGB三色光、三色屏分別照射、投影、成像避免了濾色片上66%的巨大光損失）及偏振片（三片式投影機：采用PBS轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，避免了在液晶入射偏振片上約50%的巨大光損失）上的光損失很小，光效一般比同規(guī)格的單片投影高出3倍以上。這也是三片式液晶投影機的巨大優(yōu)勢，但三片式方案一般成本較高（液晶投影與DLP投影、LCOS投影均如此），所以在DLP、LCOS投影技術(shù)中很少有民用的三片式方案。應該說單片液晶投影機在光學技術(shù)上并不領先，但也不過時，目前單片投影技術(shù)還廣泛地應用在液晶背投、DLP投影機、DLP背投、LCOS投影機上。

    目前國產(chǎn)投影機還主要是單片液晶方式，單片液晶投影機具有結(jié)構(gòu)較為簡單，成本較低，性能穩(wěn)定(合理設計情況下去，可靠性超過三片LCD及DLP投影機)，對比度較高（可以通過合理的光學設計，超出同規(guī)格三片液晶投影機的水準,甚至超出液晶片本身的對比度水準），目前國外還有像美國科視（專業(yè)、高可靠工程投影機）、日本夏普（視頻投影機）等保持生產(chǎn)，它的最大缺點是光利用率較低，所以一般單片液晶投影機不能輸出高亮度，不太適合電教、商務演示等用途，但在歌舞娛樂、影視商用、家庭影院等需要完善的視頻性能（解像度、色彩還原、合理的響應速度、對比度等），但對亮度要求并不太高的環(huán)境下，有著廣泛的用途，加上目前在價格上明顯優(yōu)勢，國產(chǎn)單片液晶投影機在歌舞娛樂、家庭影院等市場中漸呈燎原之勢。
   
    光學設計：更高的亮度（光輸出）

    雖然投影機還具有光均勻、白場相關色溫、顯色性、對比度（同時與光、電設計關聯(lián)）等多種性能指標，但亮度無疑是其中最重要的性能指標，一臺投影機的亮度、解像度就基本決定了該投影機的檔次。

    就人眼的視覺要求、一般性環(huán)境情況、黑色表現(xiàn)等綜合情況而言，家庭影院、KTV、中小影視廳等環(huán)境而言，一般需要100—1200ANSI流明的亮度，雖然，夏普、三洋、東芝、愛普生、SONY等品牌的主流家庭影院用途的投影機亮度也不高（一般標稱600—1800ANSI流明，實測一般為500—900ANSI流明），相對目前國產(chǎn)機型的實際亮度一般還停留在70—350ANSI流明的水平，仍有較大差距，因此亮度的提升非常重要。

    國產(chǎn)投影機的開發(fā)者們經(jīng)歷了加大投影燈泡到提高對燈泡光輸出利用率上的思路變化。單純加大投影燈泡的光輸出雖然可以一定程度地提高投影機的亮度，但效果十分有限，比如一些投影廠家用到了575W的大功率鏑燈，但投影機的實際亮度還停留在150ANSI流明的水平，同時導致整機體積、成本大幅度上升，可靠性卻直線下降的情況，根本無法投入實際市場。

    一臺單片液晶投影機能達到什么樣的光利用率？我們可以參考下面的估算辦法：
    (1)、反光碗（僅指球形反光碗）、投影燈泡、聚光鏡組合系統(tǒng)的光利用率：25—45%
    (2)、菲涅爾鏡的光利用率（透過率，并考慮鍍寬帶增透膜的情況）：約85--95%，2-3片組合即為：(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%（濾色片）*（50—65）%（液晶實際開口率）*65%（界面反射、檢偏、吸收等其他損失）=5.3%--7.0%<BR< p>
    (4)、鏡頭的光利用率：60—90%
    (5)、如果采用隔熱玻璃（反熱或吸熱型），則利用率一般在65—85%
    (6)、如果采用折射方式，反射鏡的光利用率：82—98%
    (7)、光路設計、固有損失，其它影響的光利用率：80—90%

    綜合（1）～（7）后的整機總光利用率：0.24%--2.5%，也就是說，對于一只150W（光輸出約14000ANSI流明）的燈泡，正常情況（不考慮PCS轉(zhuǎn)換）可以設計出：亮度在34—350ANSI流明的投影機，如果設計不當（器件或光路）的話，可能會降低到35ANSI流明以下，科學而完善設計可達到330ANSI流明以上，可見光利用率的彈性幅度可以高達10倍，而一般150—575W投影燈泡自身光輸出變化幅度僅在2--5倍左右（且伴隨著可靠性、成本、體積等的急劇變化），可見提高光利用率的意義大于投影燈泡的自身因素。

    當然投影燈泡是液晶投影的顯示之源，投影燈泡的選擇、設計也非常重要。投影燈泡主要有如下參數(shù)：
    1）電參數(shù)：啟動電壓、工作（驅(qū)動）方式（交流、直流）、工作管壓、燈電流。
    2）機械參數(shù)：安裝尺寸。
    3）光學參數(shù)：光效（XX流明/W）、相關色溫（K）、光效-時間特性、色溫穩(wěn)定性、發(fā)光點（電�。┏叽�、顯色性、壽命（半衰壽命或失效壽命）、批量一致性，一般要求光效高（大于60lum/W）、相關色溫適中（6000—12000K），光效、色溫在壽命的70%以上時間內(nèi)穩(wěn)定，電弧長度小于5mm（接近點光源狀態(tài)）、顯色指數(shù)大于70，壽命大于1500小時，批量產(chǎn)品的指標一致性在15%以內(nèi)。

    從種類上看，投影光源主要有：
投影用金鹵（鏑）燈：優(yōu)點：價格低，色溫適中、光效高，致命缺點：壽命短，多在200小時左右，特殊設計的產(chǎn)品也很少超過1500小時的有效壽命。

    氙燈：顯色性好，啟動迅速，但光效低（僅30—50流明/W）。
雙殼雙端金鹵燈：在國產(chǎn)投影機中常用，壽命長（一般在6000--10000小時），綜合指標好，價格低，但體積大，電弧較長（約10--19mm），不是理想的點光源，不適合光效率的拋物形、橢球形反光碗，不宜用于3寸以下的液晶片。這類金鹵燈的光效在使用的前100小時會逐漸的衰減10%左右，在100—200小時之間會反而上升（接近、甚至超過新燈的效果），200小時后就進入單調(diào)的光效下降階段，直到壽命終結(jié)。常見雙殼雙端金鹵燈在200—240V（非管點壓）之間的光輸出變化/電壓變化率=2.8：1。適當?shù)靥岣咻斎腚妷夯蚬β剩ㄔ诖_保燈泡有效使用壽命情況下）并減小電弧間距，可明顯地提高光輸出。

    UHP燈（可翻譯為：超高壓汞燈或超高性能燈或PHILIPS投影燈）或類似超高壓汞燈（圖10為安裝于燈杯中的UHP）：綜合指標最好（光效高、發(fā)光點小，顯色好、壽命長，體積�。�，但技術(shù)、工藝極其復雜，目前國外僅PHLIPS、OSRAM等少數(shù)廠家生產(chǎn)，國內(nèi)剛批量投產(chǎn)的僅北京愛華、廣東華星之光，價格一般在1200—3500元（含燈杯）。

    除了投影燈泡，白光LED在將來完全可能成為理想的投影光源，目前白光LED發(fā)光效率產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品已從15流明/w提高到25流明/w，研究水平為32流明/w，最高水平已達44.3流明/w。色溫 在2500K-6000K之間，顯色指數(shù)Ra80左右。壽命 5萬小時至10萬小時。工藝與材料的不斷改進，預計到2020年白光LED的光效將達到200 流明/w，超越目前所有品種的投影燈泡。白光LED陣列所能提供的聚光、光均勻、安裝等優(yōu)點也是其他投影燈泡難以比擬的。　

    目前，國產(chǎn)單片液晶投影系統(tǒng)提高亮度的主要方案在：
    (1)、反光碗—燈泡--聚光鏡系統(tǒng)的優(yōu)化：合理化地增大反光碗、聚光鏡對燈泡光輸出的有效包容立體角度。
    (2)、光路合理化設計：主要是平衡光學設計上光利用率與光均勻性矛盾。
    (3)、燈泡的實驗、選擇、特性定制，
    (4)、鏡頭合理化設計：主要涉及相對孔徑、色相差、解像力、后工作距、放大率。
    (5)、各器件鍍膜工藝（增透膜、反射膜、隔熱反熱膜等）：包括反光碗、聚光鏡、菲涅爾鏡、鏡頭、表面反射鏡、甚至液晶片本身。未經(jīng)鍍膜處理的透射性光學表面平均反射損失在4%左右，在一臺投影機中這樣的表面多達15—20個，未做鍍膜處理可能的光損失高達：60%以上！
    (6)、各器件幾何、光學規(guī)格，光學器件的材質(zhì)優(yōu)化。
    (7)、更專業(yè)一些，則可以考慮對投影光源輸出進行PCS轉(zhuǎn)換，不過對于目前非理想點光源、較大尺寸液晶而言，低成本解決的難度非常高，完善的方案預計可以提高20—45%左右的光利用率。

    國產(chǎn)單片液晶投影機典型光路結(jié)構(gòu)情況中圖一、圖二所示。

圖一

    圖一、圖二描述了基本的光束輪廓，圖2是在圖1的基礎上增加1片表面鍍膜的反射鏡，來延長光路，縮小機身的尺寸，盡量做到小巧一些，但會導致2—15%左右的光損失（視鍍膜材料、工藝而定）,具體的液晶顯示圖象的放大、成像原理可以參見有關“投影儀”、“電影機”或“幻燈機”的相關光學儀器的原理分析、講述，以及關于單片液晶投影機技術(shù)的介紹。采用ZEMAX、TRACEPRO等專業(yè)CAD軟件是定量優(yōu)化投影機光路設計的重要武器。單片液晶投影機看似極其簡單，但要設計出優(yōu)秀的商業(yè)機型，除了全面的電子技術(shù)外，還會涉及到復雜的幾何光學、薄膜光學、色度學、光譜學、熱力學、空氣動力學、結(jié)構(gòu)力學等內(nèi)容。瑞誠RC-1208VDT、OPTOMA  EP585是單片液晶投影機設計的經(jīng)典。