LCD与DMD显示器件投影机图像效果及性能的设计开发
LCD与DMD显示器件投影机图像效果及性能的设计开发 在多媒体系统中，投影机性能直接影响多媒体教学效果。本文通过对多媒体教学中常用的LCD显示器件投影机(LCD投 影机)、DMD显示器件投影机(DLP及LED激光混合光源投影机) 的光源、分光系统、显示器件进行分析、对比和研究，得出 三种投影机在亮度、对比度、色彩还原方面的区别以及在显 示文本、图形、图像方面的优劣。为充分发挥投影机的性能 及投影机选型提供参考。
1投影机基本原理、光路结构及特点 LCD(Liquid Crystal Display)投影机的显示器件是液 晶板，现在教学上常用的是三片液晶板投影机。此类投影机 的基本原理是用信号控制液晶板的透光率实现成像，属于透 射式。它的光源一般采用超高压汞灯，需要光学镜组消除红 外光和紫外光对液晶板的影响，灯泡工作时间一般为2 000 小时。它的分光系统是分光板(特定的波长光反射，特定波 长光透射)，光路较复杂(如图1所示)。
图1 3LCD投影机光路示意图 DLP(Digital Light Processor)投影机的显示器件是 DMD(Digital Micromirror Device)，它分一片DMD投影机和 三片DMD投影机，由于价格原因，在教学领域一般使用一片DMD投影机。本文测试的是一片DMD投影机，其光路如图2所 示；
三片DMD投影机的光路如图3所示。此类投影机的基本原 理是用信号控制DMD微反射镜转换角度实现光线是否参与成 像的，因而属于反射式。它的光源与LCD基本相同，分光系 统是色轮(特定的波长光透射，其他光被吸收)。
图2 1DLP投影机光路示意图[2] 图3 3DLP投影机光路示 意图[3] LED激光混合光源投影机的显示器件也是DMD芯片，它的 工作原理与DLP基本相同，其最大特点是使用了激光混合光 源和色轮(如图4所示)。激光混合光源是一种利用激光激发 荧光色轮发光的光源技术，基本原理是根据需要的光波波长， 在荧光色轮上镀上相应的荧光粉膜层，用激光二极管发出的 激光轰击荧光粉，激发出相应波长的光。DLP的色轮是透过 与色轮镀膜相对应波长的光，而LED激光混合光源的色轮是 激光束轰击荧光粉，使荧光粉发出所需要的波长的光(这部 分色轮面积相当于光源)和透过蓝色激光(色轮上没有荧光 粉部分)。LED激光二极管工作时是低压直流，所以产生的热 量很少且可以随时通断电，它发出的光波段很窄，没有红外 光和紫外光，不需要光学组件消除红外光和紫外光；
由于光 的波段窄，不需要分光镜，光路相对简单，彩色还原好，LED 工作寿命长，一般2万小时以上且发光特性平稳。图4 LED激光混合光源投影机示意图 由于LED激光混合光源投影机是新技术，笔者对单列LED 激光混合光源投影机工作原理做简要介绍。
激光二极管发出蓝色激光，经反射镜和准直镜后，再经 分光镜反射和透镜组射到荧光色轮上，荧光色轮受到激光束 的轰击，不同的荧光粉激发出不同波长的光，此光按原路返 回，经分光镜投射到投影镜头，色轮上没有荧光粉的部分透 过蓝色激光，再经相应的反射镜和透镜，射到分光镜的另一 面，并经它反射到投影镜头，在投影幕布上形成图像。此投 影机激光光源是一列激光二极管，为了提高亮度，卡西欧公 司推出蓝色激光+红LED+蓝LED三路光源投影机(如图5所示) 投影机的亮度达到4 000 lm(XJ-H1750)。
图5 LED激光混合光源投影机示意图[3] 2性能比较 2.1 理论分析比较 通过对以上三类投影机基本原理、光路结构及特点的分 析、研究可知。在光源方面：LCD和DLP投影机的光源都采用 超高压汞灯，热量高，开机时需要预热时间，并且产生红外 光和紫外光，需要光学系统消除，使光学系统复杂，一般灯 泡寿命2 000小时。而LED激光混合光源置于投影机内，发光时产生的热量很少，没有红外光和紫外光，不需要消除红外 光和紫外光的光学系统，结构相对简单，并且开机不需预热 (如图6所示)，灯泡寿命一般2万小时(如图7所示)。
图6 LED混合光源投影机开机时间示意图 图7 两种光源工作时间示意图 在光束分光方面：LCD投影机分光系统采用分光板，在 分光板各工作面镀上与反射光或透射光相对应的金属膜，光 源的光射到分光板上，按需要将特定的光进行反射和投射， 达到分光的目的。但这种分光板波段宽，彩色还原相对差。
DLP投影机分光是靠色轮，光源光经光学组件均化后投射到 色轮上，色轮使特定的光透过，其余的光被阻拦，达到分色 的目的。有些投影机为了提高亮度，在色轮的一定区域上不 镀任何滤光膜，使光源的白光通过，这虽然提高了亮度，但 牺牲了色彩的纯度，由于它靠色轮旋转分色，并且色轮离光 源较近，由于温度高，色轮镀膜层容易脱落，也影响色彩还 原。LED激光混合光源，没有分光系统，所以没有上述问题， 彩色还原效果较好。
在成像器件方面：LCD投影机是采用透射式原理，光线 要穿过液晶板，在经过液晶板时要有一定的光能转化成热能， 加速了液晶板老化，使液晶板透光率下降，影响图像亮度和 对比度，又因红、绿、蓝衰减不一致，使图像偏色。DLP投影机采用反射式原理，核心器件是DMD，由上百万个微反射 镜组成，控制反射镜旋转角度来决定光线参与成像与否。DLP 的性能不受工作时间影响，对比度和亮度比LCD好，由于色 轮分光不如LCD分光镜效果好，色彩还原较差(见表1)。
表1 三种投影机性能比较 注：***—不同品牌的1DLP投影机；
*—厂家未提供 测量环境：亮度和对比度在办公室、晚上测量(要求暗 室)，投影机各项指标调到正常状态，图像最大[4]，投影面 积1平方米(长1.2米，高0.9米)。
亮度测量：测量图8中9点的照度，取平均值。
对比度测量：测量图9中白、黑各点照度，取白、黑平 均值之比。色度在教室测量，被测投影机用同一幕布和计算 机，被测图像为色域图(如图10所示)，由于没有色度计，采 用目测，被测投影机的色域图中的红、绿、蓝、白、黄区域 进行细致比较，比较3个循环，对投影机彩色还原给予定性 评价。
照度仪：型号HCJYET HT-8318。
图8 亮度测试点示意图 图9 测试对比度示意图 图10 色域图 通过以上理论和实际比较可知，在投影图像效果方面：DLP灰度等级要好于LCD，适合于显示图表、文字；
在彩色还 原方面，LCD要优于DLP，适合于彩色图形、图像，在快速移 动图像时，DLP会出现彩虹效应，即出现红、绿、蓝单色现 象，不适合动态视频，LCD优于DLP；
LED激光混合投影机属 于反射式，但它没有色轮，它发挥DLP的优点，在彩色还原 和动态图像方面又优于LCD和DLP，不足之处是价格高，亮度 不理想。
在防尘和寿命方面：LCD最差，DLP略好，LED激光混合 光源最好。
3结束语 通过对LCD，DLP及LED激光混合光源投影机的基本原理、 结构、光源、分光系统、显示器件的分析、对比可知，在价 位基本相同的情况下，在亮度方面，对于新投影机，LCD与 DLP两者区别不大，但随使用时间延长，LCD的亮度下降明显 快于DLP；
在对比度方面，DLP优于LCD，对于图表、文字的 显示，DLP较适合；
在色度还原方面，LCD好于DLP，对于彩 色要求高，图形、图像多的使用情景，LCD较适合；
LED激光 混合光源投影机集LCD和DLP的优点，并有独特的超长寿命、 超宽色域、瞬间开关、节能环保特点。LED激光混合光源将 取代超高压汞灯光源，是投影机光源的发展方向。参考文献 [1] 谢观平,石燕飞.液晶投影机工作原理及除尘方法浅 析[J].科技创新与应用,2012(8):6-7. [2] 徐佳.基于LED的DLP投影显示光学引擎研究[D].上 海:华东师范大学,2008. [3] 卡西欧XJ-H1750投影机供应商提供资料.