微显示投影机

12.6　微显示投影机

放映投影光学系统既属于经典光学系统的范畴，也可视为一类新兴光学系统。自从微显示器件即空间光调制器件（Spatial Light Modulator，SLM）开发成功后，有了新的图像源；加上多媒体新技术可提供丰富的图像资料，以及电子计算机作为投影显示的控制中心，使投影显示系统获得了新的生命力。

微显示投影技术结合了光学和成熟的半导体技术，是一种性能价格比很高的实现大尺寸高分辨率的显示技术。微显示投影光学系统（即光学引擎）主要由光源、照明光路、空间光调制器、分色合色系统和投影物镜等几个主要部分组成（如图12.29框图所示）。光源为系统提供足够的光通量；照明光路收集光源发出的光通量，为空间光调制器提供高效、均匀和形状合适的照明光斑；分色系统将白色照明光路分为依时间或空间顺序排列的红、绿、蓝三单色光路；空间光调制器（SLM）在图像信号的控制下对单色照明光进行调制，并经过特定的光学元件或光路形成相应的图像显示；进而由合色系统将单色光路合并为同一光路；再经由投影物镜成像在屏幕上，形成放大的彩色图像。空间光调制器本身不发光，而是根据输入信号改变显示媒质的某些电光特性，如反射率、透射率、折射率、双折射效应、散射等，经外加光源照射，将显示器件上的信息转变为图像，经光学系统读出并投影在屏幕上。

图12.29　投影显示光学系统的基本组成

按照空间光调制器件的不同，目前主要有TFT－LCD（Thin Film Transistor Liquid Crystal Device）、LCoS（Liquid Crystalon Silicon）、DLP（Digital Light Process）三种显示技术。下面介绍以LCD、LCoS和DMD等为图像源的微显示投影机光学原理。

1）TFT－LCD投影机光学成像原理

TFT－LCD投影机是液晶显示技术和投影技术相结合的产物。液晶面板被分隔成一个个小的矩形单元，如图12.30所示，矩形单元的数目就决定了投影机的物理分辨率，它利用液晶的电光效应，通过电路控制液晶各单元的透射率，从而产生不同灰度层次及色彩的图像。TFT－LCD投影机的优点是体积小、重量轻、操作简单、成本低等。LCD投影机按照液晶板的片数可分为单片式和三片式。目前，常见的是三片式液晶板投影机。

图12.31为三片式TFT－LCD投影机光学系统示意图。由光源发出的光经反光镜后，通过复眼积分器和分色系统将白光分成红（R）、绿（G）、蓝（B）三色光，分别照在R、G、B三块液晶板上，图像信号由驱动电路写入三块液晶板中，再经过系统中的合色棱镜合成彩色图像，最后由投影物镜投射到屏幕上形成彩色图像显示。

图12.30　LCD像素的微观结构

图12.31　三片式TFT－LCD投影机光学系统示意图

为了在液晶板上获得亮度均匀的照明，三片式TFT－LCD采用双排复眼透镜积分器照明方式，如图12.32所示。整个复眼照明系统由集成反光碗的光源、复眼透镜和后继照明透镜组组成。复眼透镜由一系列小透镜拼合而成，也可以称为透镜阵列。复眼照明系统是投影显示系统中常见的一种照明结构，能够将光源发出的圆形光斑转换为显示器件需要的矩形光斑（如图12.33所示），同时还可以有效地提高系统的能量利用率和照明均匀性。

图12.32　投影机双排复眼照明系统

图12.33　照明光斑形状的转换

其工作原理是：发光电弧位于抛物反光碗的焦点上，发出的光线经冷抛物反光碗反射后成为近准直光束，投射在第一排复眼透镜上，并由第一排复眼的小透镜会聚成像在第二排复眼透镜上，从而将一个光源分成多个子光源。第二排复眼透镜位于第一排复眼透镜的焦平面上，它的每个小透镜将前排复眼对应的小透镜重叠成像于无穷远，然后由后继照明透镜组成像于空间光调制器的表面上。准直透镜同时又把第二排复眼透镜（第一排复眼所成的多个光源像）成像在投影物镜的出瞳处（无穷远处），从而形成柯拉照明结构。由于光源的整个光束被分为多个细光束照明，每个细光束的均匀性优于整个宽光束的均匀性，而且对称位置上的细光束光斑相互叠加，进一步补偿了细光束的不均匀性，因而采用双排复眼透镜的系统可以获得良好的照明均匀性。

图12.31中双排复眼透镜的照明系统发出的白光（R、G、B）经反射镜1反射，由聚光镜1汇聚后，经分色镜1分成两束光，使蓝色光线B通过，而其它的R、G光线被反射。蓝色光B经过反射镜2反射通过蓝色液晶板。所谓蓝色液晶板主要是用来控制图像的蓝色，通过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，从而形成蓝色图像；R、G光遇到分色镜2分色，只允许红光R通过，而绿光G反射。这样，光源发出的白光就被分成了红、绿、蓝三基色。尔后，红光和绿光经过和蓝光一样的处理过程到达精确的位置穿过液晶体，分别形成红色和绿色图像；最后通过合色棱镜将红、绿、蓝三基色图像准确合色，再经过投影物镜准确地投射到屏幕上，显现出与原图像一致的彩色图像。

2）DLP投影机光学成像原理

数字光处理器（DLP）技术是德州仪器公司（TI）发展的微显示技术，其核心器件是数字微反射器芯片DMD。以DMD为核心，包括围绕DMD的电子电路和光学引擎等，构成了DLP投影技术。根据所使用DMD芯片个数的不同，DLP投影机有单片、两片和三片之分，它们分别应用于不同的领域。图12.34是三片DLP投影机光学系统示意图，图12.35是单片DLP投影机光学系统示意图。三片式系统结构复杂，成本高，通常只应用于对亮度有非常高要求的场合；单片式系统结构简单，成本适当，且性能稳定，是目前应用最为广泛的DLP投影产品。下面主要介绍单片DLP投影系统光学成像原理。

图12.34　三片DLP投影机光学系统示意图

图12.35　单片DLP投影机光学系统示意图

在单片DLP投影机中，其光学投影系统是由光源、聚光镜、集成光棒、色轮（色滤光片）、中继透镜、DMD芯片、全反射（TIR）棱镜和投影物镜等部分组成。其中，DMD是一种利用MEMS技术制造的全数字微型反射镜阵列，它由数十万到上百万个可以移动翻转的微反射镜构成的光开关阵列组成。每一个微反射镜为一个像素，每个微反射镜都有独立的驱动电极、支撑柱、转向轴，如图12.36所示。DLP投影技术的最大特点是它的全数字化特性，即数字电信号输入－数字光信号输出。DLP投影显示系统接收数字视频信号输入，通过DMD控制器将代表图像信息的数据存入每个DMD微镜下面的CMOS单元内，然后根据此数据控制DMD微镜的翻转状态，每一片微镜都能转动两个方向，电极在电压驱动下，微镜可以进行正负10°的倾斜，使各微镜分别在“开”/“关”两种状态间进行高速切换。当微镜处于+ 10°的状态时，对应着信号的开，由光源发出的光经由微镜元反射到投影镜头，并聚焦于屏幕上形成相应的亮态像素；当微镜处于－10°的状态时，对应着信号的关，将光线反射到光吸收器而无法投射到屏幕上，相应的像素即为暗态。这样便实现了明、暗像素的显示，如图12.37所示。

由光源发出的白色光，经过聚光透镜后会聚到色滤光片上，该色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色相间组成的一个色轮圆盘，在电机的驱动下连续转动，顺序产生R、G、B单色光输出。入射光线经过色滤光片后被焦光透镜变成平行光照射到DMD上，而DMD受视频图像信号的控制，使其上面的成千上万个微反射镜分别在“开”或“关”的位置间进行往复切换。处于“开”位置的微反射镜将使光线反射进入到成像光学系统中，相应地在投影屏幕上产生一个亮点；而那些处于“关”位置的微反射镜将使光线反射到成像光学系统之外，作为杂散光被吸收掉，相应地在投影屏幕上产生一个暗点。这样，通过整个DMD芯片上的所有微反射镜反射后，通过成像光学系统，最后将在投影屏幕上形成一个完整的视频图像画面。应该指出，经DMD反射光线后产生的图像本身是黑白的，而彩色视频图像的颜色是由色滤光片处理后添加上去的。

图12.36　DMD芯片的反射镜阵列及像素的基本结构图

图12.37　DMD光开关原理

DLP投影显示照明光学系统常采用集成光棒（方棒）照明系统，如图12.38所示，主要由光源、反光碗、UV/IR阻挡滤光片、光腔（积分光学器件－方棒）以及相应的照明成像系统组成。DLP投影显示系统采用金属卤化物灯作为白光光源，反光碗通常与光源集成在一起，该光源的光谱范围宽，光能量高，有利于获得较高的图像显示亮度，但同时也产生了大量的红外辐射和紫外辐射，这些辐射是有害的，必须进行特殊处理，以免对光学系统产生不利影响。为了减少进入光学引擎中的来自光源的红外辐射，在光源反光碗的表面镀有冷光反射膜，该冷光反射膜对可见光具有高反射性，增加了可见光的集聚，而对红外辐射具有高透射性能，增大了红外热量的散射，从而使光源辐射的热量被最大程度地透射释放掉，不能进入光学投影系统，增加了光学系统的稳定性。另外，冷光反射膜也不影响光源的色温。此外，UV/IR阻挡滤光片能够高效阻挡这些不需要的红外（IR）和紫外（UV）辐射，使其不能进入光学系统，同时又对可见光具有很高的透过性，实现了光通量输出最大化。

图12.38　方棒照明系统的结构图

图12.39　光源阵列展开的示意图

与复眼照明系统类似，光腔方棒收集反光碗反射的光能，同时起到调整光斑形状的作用，以适合显示器件DMD通常具有的4：3或16：9的矩形形状要求，减小由于照明光斑形状不匹配而产生的能量损失。光腔内表面镀有高反射率膜，最大程度地减少了光损失，提高了光均匀性，同时也减小了闪烁现象和对灰尘的敏感程度。另一方面，采用这种光腔结构，缩短了系统光程，使整个光学引擎结构更加紧凑。

如图12.39所示，光源发出的光线经反射碗反射后会聚成像在方棒的入射端，进入方棒的光线由于空间角度不同，在方棒内发生不同次数的反射。光线每发生一次反射，就可以将光源关于反射面对称为一个新的虚拟光源，经过多次反射后，就可以将实际光源展开为二维光源阵列，阵列中每个光源的像对应着具有相应反射次数的光线，而阵列的行数和列数由在横向和竖向具有最大的入射角的光线发生的反射次数决定，这些光源重叠照明空间光调制器，最终获得均匀照明光场。

单片式DLP显示技术中采用一个高速旋转的色滤光片（色轮）进行分色，如图12.40所示。在DLP投影显示系统中，色滤光片由专用电机控制器控制连续稳定转动，运转的时序信号由集成在色滤光片上的时间索引传感器提供，色滤光片的转速可以灵活设定与控制，通常为60Hz或120Hz，最高转速为11000rpm。当色轮高速旋转时，光线按照时间顺序依次透过色轮上的色段，得到相应的颜色（见图12.41），并照射在DMD上，DMD开关与色轮同步，由于颜色交替非常迅速，利用人眼的视觉暂留特性，各色图像叠加后，人眼便能看到彩色图像。

图12.40　六段式色轮

图12.41　DLP投影彩色显示原理示意图

在DLP投影显示光学引擎中，TIR棱镜用来分离入射照明光与由DMD反射回来的成像光，其结构和功能示意图如图12.42所示。入射照明光进入棱镜后，经过棱镜内部的TIR全反射膜的反射，照亮DMD芯片，从DMD反射回来的图像光完全透过TIR棱镜，而没有反射，最后，由成像透镜将图像成像到投影屏幕上。TIR棱镜能高效地分离和照明光路，其高性能的AR增透膜允许最大化的光输出（透射率高达约99％），实现了最大化的亮度均匀性和出色的对比度，优化的TIR棱镜与投影镜头组合，使光学引擎结构更加紧凑。

DLP投影系统的主要特点表现在以下几个方面：①高亮度；②全数字化；③精确的灰度和彩色再现能力；④无缝的电影图像质量；⑤完全没有X射线辐射，体积小、重量轻；⑥高可靠性和经久不变的亮度与对比度。

3）LCoS投影机光学系统原理

LCoS投影显示技术是一种反射型液晶投影技术，采用以液晶光电效应为基础的反射式显示芯片作为空间光调制器，是半导体技术与液晶技术相结合的新技术。LCoS显示芯片的基本结构如图12.43所示，在硅片上利用半导体制作驱动面板（CMOS－LCD），然后在电晶体上利用研磨技术磨平，并镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极的玻璃（ITO）基板贴合，注入液晶进行封装。由于驱动电路隐藏在金属反射电极的背面，液晶工作在反射状态，所以显示芯片开口率可达90％以上，即使增加像素点也不会降低开口率。与TFT－LCD显示芯片的光能利用率相比，LCoS显示芯片光能利用率达到40％，解决了TFT－LCD显示芯片构造上高分辨率和高亮度相对立的问题。

图12.42　亮态和暗态时TIR棱镜中光束的传播

目前LCoS显示芯片的设计、制造水平已取得显著的进步，分辨率从320×240到2048×2048的LCoS显示芯片己经应用于投影显示产品中。

在LCoS投影系统中，有源矩阵电路为每个像素的控制电极与共用透明电极（ITO）之间的控制电压，薄液晶层夹在像素电极与公共电极之间，其基本结构如图12.44所示。其中，铝像素电极同时也起反射镜作用。入射的S线偏振光经偏振分束装置（PBS）反射后照射到LCoS液晶片上，有源矩阵电路根据图像信息对每个像素施加不同的电压，由于液晶的电光效应，部分反射光转变成携带图像信息的P线偏振光，通过有效面积上的铝镜阵列反射后透过PBS，然后放大投影在屏幕上或者直接投影到观察者的视网膜上。

图12.43　LCoS显示芯片单元结构截面图

图12.44　LCoS投影系统示意图

按照LCoS显示芯片的片数，LCoS投影显示系统结构也分为三片式和单片式结构。单片式因结构尺寸的小型化、成本低等优点，多开发作为廉价的民用产品。而三片式的优点在于画质与光输出方面，因此用作专业级民用，成为现代投影仪的主流。

三片式LCoS投影仪的普通光学系统如图12.45所示。传统的色分离合成光学系统与透过式液晶投影仪基本相同，LCoS投影显示系统的三片式结构从整体上分为RGB三条光路。三个偏光分离PBS分别配置在红绿蓝的光阀前。S偏振光被PBS反射，用分色镜（DM）分离出的红绿蓝各光束分别照射到对应的光阀上，在各光阀分别形成与该颜色对应的图像，由各光阀将入射S偏振光调制成P偏振光，通过PBS后，由分色棱镜（DP）进行色合成再通过投影透镜投影在屏幕上。整个系统与三片式TFT－LCD投影显示系统不同之处在于，由于所采用LCoS显示芯片是反射型显示器件，需要在分合光系统中利用偏振分光镜PBS将入射LCoS显示芯片上的光束与反射后的光束分开，以满足LCoS显示芯片的偏振光照明要求，因此存在装置重量增大、投影透镜后焦距变长、F数变小、光利用效率降低等问题。

三色分解合成棱镜（Color Separation Prism）结构如图12.46所示，光学系统由一个PBS与飞利浦型棱镜组成。这个结构可以简化LCoS投影仪光学系统。

图12.45　采用X－Cube三片式LCoS投影显示系统结构示意图

图12.46　飞利浦型棱镜结构

与三片式LCoS投影显示系统相比较，目前单片式LCoS投影显示系统更具有一定的发展空间，单片式LCoS投影显示系统通常采用时间分色法。图12.47是单片式LCoS投影显示系统结构示意图，其最大的优点在于仅需要一块LCoS显示芯片，通过色轮快速旋转切换的方式，可将光源产生的白光循序形成红、蓝、绿三原色光，并将三原色光与显示芯片产生的红、蓝、绿画面同步形成分色影像，再借助人眼视觉特性，最后在人脑产生彩色的投影画面。从图中可以看出，由于采用反射方式，照明光路和投影光路部分重合，使得整体光学结构的体积大大减小；但也有不足之处：白光经过色轮后的光源通量仅为先前的1/3，亮度明显降低，并且要求LCoS显示芯片应具有快的反应速度，以完成红、蓝、绿画面的快速切换合成影像。

图12.47　应用色轮的单片式LCoS投影光学系统的基本结构