投影显示器的优势在于其灵活的物理规格。这种灵活性的早期示例发生在 1942 年,当时英国皇家空军制造出首个“平视显示器” (HUD),让飞行员能够直接在视线范围内看到雷达信息。 该设计里程碑利用了投影显示器的一个基本特点, 即将几乎任何表面转换成显示器的能力。 此外,它还能利用小体积打造大图像,预示着投影显示器能够产生重大影响。 这些特点相结合,将“显示器”这一概念从独立的组件转变为可随处按需进行整合的集成式功能,预示着投影显示器将带来许多可能。

 

尽管这个军用显示器示例早在几十年前便已推出,但直到最近,随着微型显示器和固态照明源的商用,制造商们才得以完全发挥出投影显示器在广泛工业应用领域的潜力。 家居自动化、数字标牌、人机界面(HMI) / 浸入式技术等应用都受益于一种现实技术,该技术在不使用时会被隐藏,可将任何尺寸或形状的表面转变为显示器,如果需要的话,甚至能够转变为交互式显示器。 与此类似,近眼显示器需要能够适用于紧凑型工业设计的高品质显示技术。

 

对于今天的开发人员、品牌和系统集成商来说,将投影技术融入到新兴和现有工业产品中需要经过 3 个基本步骤: 确定关键投影要求、选择合适的投影技术,以及选择供应链。

 

要求 - 平衡练习

平衡优势(特性和功能)与限制(成本、尺寸、重量、能耗等)是成功开发产品的关键所在。 实现这种平衡的第一步是了解基本要求。 对于投影显示器来说,这意味着了解所需的分辨率、色域、亮度及对比度。 因此,本文的重点是介绍一些设计考量,将其作为把 pico 投影集成到工业显示应用时确定必要要求的一个步骤。

 

技术 - 选择的盛宴

当今的设计人员可从 3 种投影显示技术中进行选择: 即 2D MEMS 阵列(德州仪器 DLP® 技术)、扫描镜(包括单轴和双轴)和 LCD/LCoS。 最适合特定应用的技术取决于具体的产品要求。 本文将对每种技术进行评论,并探讨分辨率、色域、亮度和对比度等方面。

 

供应链 - 至关重要的最后一步

如果无法投入生产,那么最优雅的设计也毫无价值。 因此,处理选择合适的投影技术外,设计人员还必须考虑可用供应链。 本文未提供详细的供应链分析,但应该考虑的要素包括成品解决方案的供货情况、定制设计机会、交货时间以及技术支持等。

 

所需分辨率 - 细看

人类视觉系统(HVS)的分辨敏锐度是非常有用的路标,可用于确定给定显示系统所需的分辨率。

 

普通的观察者可分辨每弧度 50 线对,而一个线对包含与白线相邻的黑线,从而构成高对比度特性。 由此得出以下关系:

 

 

借助这些公式确定投影机分辨率要求取决于如何使用显示器。 例如,这些公式直接确定某个交互式显示器的目标分辨率,一次观看整个显示器。 但是对于按需显示器来说,信息一次只覆盖投影显示区域的一部分,则需要更高的投影分辨率。

 

分辨率与技术

2D MEMS 和 LCoS/LCD 已广泛用于常见的视频和图形分辨率(VGA、XGA、WXGA、720p、1080p 等)中。

 

从理论上来说,扫描镜技术能够打造出任何想要的分辨率。 在实践中,分辨率受到激光光斑尺寸(光斑尺寸越小,分辨率极限就越高)的限制,假定镜扫描速率和激光脉冲速率都足够高。 此外,激光光斑尺寸是光束质量的函数(M2),光束质量越高通常成本也越高。  

 

所需颜色 - 广泛的选择

对于第一阶,显示系统以类似于 HVS 感知色彩的方式产生颜色。 人眼包含 3 个颜色受体(锥),其中每个受体响应不同的波长范围。 这些波长范围大致相当于红色、绿色和蓝色。 投影显示器以类似的方式使用红色、绿色和蓝色原色的混合产生广泛的颜色选择。

 

影响屏幕上再现的颜色质量的因素有很多。 光引擎的因素包括它能够产生的色域,这取决于原色的饱和度。 事实上,激光产生的饱和度最高,其次是 LED,然后是过滤后的白色光源(如灯或白色 LED)。

 

1976 CIE 色度图(图 1)帮助实现了色域范围的可视化。 在该图中,外曲线边界(光谱轨迹)表示可见单色光的全部范围,图内的点表示 HVS 能够感知的所有颜色。

 


图 1 – CIE u’v’ 色度图
(图字)CIE 1976 色度图;
波长(单位:nm)

 

现已规定了各种标准色域,如 Rec. 601 (NTSC)和 Rec. 709 (sRGB)色域(图 1)。 这些色域是传达显示系统色域相对“大小”有用的参考点。 一种常见方式是计算显示器色域三角形(在 u’v’空间)的面积,以及与特定标准色域三角形的比。 例如,“70% NTSC”的色域足够做出质量合理的显示器,而 100% NTSC 的色域能够提供感知性更好的颜色。

 

除了色域外,选择光源时需要考虑的因素还包括成本、尺寸、能耗和与所选显示技术的兼容性。 对于这方面的讨论,我们将专注于后者。

 

颜色与技术

开发人员首先应该考虑目标色域,然后再考虑实现该色域所需的光源,最后考虑光源与投影显示技术之间的兼容性。

 

2D MEMS 和 LCD/LCoS 设备能够与目前可用的任何光源(LED、激光、灯)结合使用。 因此,每种技术都能实现类似的色域。 区别在于可实现的系统光学效率。 这个问题将在“亮度”部分进行讨论。

 

扫描镜需要单模激光照明;因此它们能够实现非常大的色域。 但也需考虑散斑的继发效应和激光器的成本。

 

所需的亮度 - 多亮才够?

显示器的亮度通常以多种方式量化: 流明和尼特。 流明(坎德拉*球面度)是光通量的 SI 单位,表示从显示器发出的光的总量。 尼特(坎德拉 / 平方米)是亮度度量(每立体角、每投影源区域的光能),与感知亮度有关。

 

用户不会从尼特的角度来讨论,但尼特是他们所体验到的:  从显示器区域发射出(或反射)的亮度。 由于投影机制造商通常不控制显示屏,因此他们通常指标明光引擎流明输出。

 

表 1 提供了一些尼特参考点。

表 1 – 尼特参考点

 

一旦确定了亮度(尼特)要求,就能够根据以下关系确定所需的屏幕增益和系统光学效率:
 

 

屏幕增益是屏幕设计的一个特点。 增益为 1 的屏幕有两个独特的特点。 首先,它是朗伯型,这意味着从所有观看角度来看,亮度似乎都一样。 其次,它没有吸收。 通过减少屏幕吸收和 / 或重定向更多光到向轴上视角,可增加屏幕增益(这意味着在轴上角度的观众看来,屏幕似乎更亮)。

 

系统光效率表示从光源输出到最后一个光学元件的输出的传输效率。 对于 2D MEMS 或 LCoS/LCD 面板来说,最后一个光学元件可能是投影透镜的一部分。 对于扫描镜,最后一个光学元件可能是反射镜本身。

 

亮度与技术

屏幕增益与投影技术无关,但组件的光学效率与投影技术密切相关,因为它取决于特定的光引擎设计,而每种技术光引擎设计的架构都完全不同。

 

在光学效率方面,有 4 个组件级因素: 反射损耗、吸收损耗、衍射损耗和几何损失。 反射损耗包括在每个光接口反射损失的光,用抗反射涂层几乎能够完全消除反射损耗。

 

吸收损耗是指被每种光学元件的疏松物质吸收的光,对于常用与投影机中的光学材料来说非常这种损耗非常少。

 

衍射损耗源自于光波本质,导致光线在遇到边缘和小物体时会转移,其中“小”基于波长阶次。 衍射损耗因技术而异。

 

几何损耗源自光路上集光率失配。 在投影系统中,最常见的几何损耗是光源与显示面板的集光率失配。 如果光源的集光率大于显示面板的集光率,那么显示面板就无法捕捉光源产生的所有光。

 

开发人员应尽量选择拥有较高的固有光学效率,并且能够打造元件数量最少、与光源的集光率最匹配的光系统架构的显示技术。

 

2D MEMS 提供最大的灵活性,原因是它们拥有良好的光学效率,并且能够匹配任何光源的集光率。

 

借助 LCD/LCoS,偏振光源(激光)可实现最高的系统光学效率。 也可以使用 LED 和灯,但是系统光学效率会比较低。

 

扫描镜需要高度准直的光源,受此限制,它们只能与激光器配套使用。

 

所需对比度 - 无名英雄

对比度是闪亮显示器的秘诀,但具有讽刺意味的是,黑色是最重要的颜色。 显示器能够创造的黑色质量为各种其他强度和颜色设定了的基准。

 

投影系统黑色亮度取决于两个因素: 显示系统的内在对比度和环境光亮度。 系统设计人员有时能够控制环境光亮度,有时又无法控制(具体取决于应用),而光学系统的内在对比度取决于多个系统因素,其中有些因素是设计人员能够控制的。

 

量化显示系统的对比度有两种常见方式。 全开 / 全关(FOFO)对比度方法,该方法先测量全白和全黑的光输出,然后计算对比度。

 

ANSI 对比度方法首先显示 ANSI 棋盘(16 块的黑色和白色图案),先测量所有白色盒子的亮度,然后测量所有黑色盒子的亮度。 ANSI 对比度是指白色亮度的平均值除以黑色亮度的平均值得出的比率。

 

人们可能会认为这两种方法能够得出相同的对比度,但事实并非如此。 要理解这一现象,需要把“对比度”作为“杂散光”的测量指标。 然后,把每种方法看做是从系统的不同部分来测量杂散光。 具体而言,FOFO 评估显示面板产生的杂散光,而 ANSI 则评估光学系统的其余部分所产生的杂散光。

 

数学运算可带来更深入的洞察。 公式 3 展示了整体系统对比度(S)、显示面板的内在对比度(P)及光学系统其余部分的内在对比度(K)这三者之间的关系。

(3)   

 

从公式 3 可衍生出公式 4。

 

(4) 

 

公式 4 显示,S 等于“P 乘以一个比例因数”,其中比例因数取决于 P/K 比。图 2 显示了系统对比度(S)如何随着光对比度(K)而变化,为方便起见,假定 P=1。 图 2 表明,随着光对比度的提高,系统对比度逐渐接近显示面板对比度。 此外,还显示了“收益递减点”,那就是当光对比度是显示面板对比度的 4 到 9 倍时。


(图字)系统对比度 S;假设显示面板对比度 P=1;光学系统对比度 K

 

图 2- 系统对比度与光学系统对比度

 

公式 5 显示了环境光亮度对所显示的对比度 (CRDISPLAYED) 的影响。

 

(5)  

 

如果没有环境光(环境光=0),则将本机投影机对比度 (CRPROJ_NATIVE) 作为 WhitePROJECTED/BlackPROJECTED ,得出以下结论: 1) 当 Ambient = BlackPROJECTED 时,随着 CRPROJ_NATIVE 的增加,CRDISPLAYED 逐渐接近 0.5 * CRPROJ_NATIVE ;2). 随着 Ambient 逐渐接近 WhitePROJECTED,CRDISPLAYED 逐渐接近 2,会产生非常糟糕的显示效果。

 

对比度与技术

在理想情况下,应选择具有最高内在对比度的显示技术,并根据需要优化系统对比度,以达到目标整体对比度。

 

2D MEMS 的内在面板对比度取决于从 MEMS 结构散发出来的光的数量。 将光学系统设计为采用较大的(较慢的)光圈系数,可减少光散射,此外还能减小系统光学元件的尺寸,降低其成本,但会损失一些亮度。

 

LCD/LCoS 的内在对比度基本上取决于面板是否能够完全将光偏振旋转到“关”位置,这种能力因面板设计而异。

 

扫描镜的对比度与激光驱动电子器件能否完全关闭激光器息息相关。


结束语

本文探讨了对显示分辨率、色域、亮度和对比度等方面的要求。 此外,还讨论了当前可用的显示技术是否能够满足这些要求。

 

扫描镜显示器通过使用激光器获得了较高的分辨率、色域、亮度和对比度,但代价是牺牲色斑,另外激光器的成本也较高。

 

LCD/LCoS 显示器借助显示面板的内在分辨率实现较高的分辨率,从光源(LED、激光器、灯)获得色域。 其亮度取决于光学系统设计可以实现的效率,当使用 LED 和灯时,会受到所选偏振技术的限制。 其对比度取决于面板是否能够完全将光偏振旋转到“关”位置。

 

2D MEMS 显示器(德州仪器 DLP 技术)显示器借助显示面板的内在分辨率实现较高的分辨率,而 2D MEMS 面板能够提供常见分辨率(VGA、XGA、WXGA、720p、1080p 等),从光源(LED、激光器、灯)获得色域。 同样,该显示器的亮度基于光学系统的效率,但没有偏振限制。 2D MEMS 的内在对比度源自于 MEMS 结构的散射,可借助较大的(较慢的)光圈光设计来减少这一影响。 目前领先的 2D MEMS 技术的一个非常独特的特性是,能够采用数据处理技术,可增强感知亮度和对比度,或配置为降低能耗。