激光投影的扫描装置
采用面阵空间光调制器的激光投影成像的工作原理示意图 激光散斑严重影响了成像的清晰度
激光投影显示
图像信号加到光调制器上，控制激光束的强度。 行、场同步信号加到光束扫描器件（光偏转器）上，使激 光束按一定的规律在屏幕上扫描形成图像
基于扫描的激光投影显示
扫描装置：多面棱转镜扫描系统
优点：偏转角精确，不易受外界因素和使用时间的影 响，选址电压低
DMD的光开关原理
DMD开关原理： 入射光相对于未 扭转平面24°入 射，扭转片左端 接触着陆电极， 相应像素显示亮 为白色，相反情 况显示暗像素为 黑色
DLP投影系统如何实现灰度
DMD每个单元为一个光开关，只实现黑与白
用二进制权重脉冲宽度光调制技术可以实现DLP投影 系统的灰度
大屏幕投影显示
1.大屏幕显示的特点和发展历史 2.三种有代表性的投影显示 3.未来最有希望的投影显示技术
大屏幕显示的特点
大视角
• 有亲临，自 然和宽广的 感觉
临场感
• 具有足够的 亮度和对比 度
高清晰度
• 要求画面分 辨率足够高
大屏幕投影显示的历史
— CRT投影显示（1940-1992）
将小型高亮度 的CRT图像放大投影到屏幕上。 红、绿、蓝CRT投影管组合，彩色CRT投影系统 首先在美国普及，至2005年仍是主要投影显示
液晶投影显示
工作 原理
• 液晶元件作为光阀或光调制器
• 光源发出光照在元件上，将形成 的图像放大投影至屏幕
主要 种类
• 透射型液晶投影显示 • 反射性液晶投影显示（LCoS)
透射型液晶投影显示
第一、二代： VGA分辨率，开口率0.3~0.4的非晶硅TFT 驱动，输出光通量200lm
第三、四代： UVGA（1200×1600像素），开口率0.5的 高温多晶硅TFT驱动，输出光通量7000lm以上。
主要作用： – 将从光源发出并且经过椭球形凹面镜汇 聚的光线进一步的集中到光阀中 – 使光源亮度分布更加均匀
早期柯勒（Kohler）照明系统 常规的带有匀光器的照明系统 匀光器
早期柯勒（KOHLER）照明系统
光源与投影透镜的入射孔在光学上是共轭的，作为 光阀的幻灯片放在聚焦透镜和投影透镜之间。
激光投影的优点
寿命长,室温寿命可达十万个小时 色谱纯净，彩色效果理想 功耗低 平行光，光学系统简单小巧，景深无穷大 清晰度高，屏幕尺寸灵活
激光投影的缺点
人眼安全性
– 激光电视是利用激光束投射成像, 所以在大屏幕 高亮度情况下，投射出大功率激光束，特别是流 明数大于200的前投激光系统，如直接照射到观 看者的眼睛，其安全性就不容忽视。
LCOS投影显示
CF-LCoS投影机的光学系统（彩色滤色膜）
LCOS投影显示
相比LCD技术
– LCoS具有色彩鲜艳、灰度优秀、黑色深沉、画面明亮、网格化情况较少 和更加节能的特点。
相比单片式DLP技术
– 三片式LCoS投影技术具有更高的光学利用效率、更加丰满的色彩表现， 没有色彩断裂现和观赏者眩晕现象等特点。
• PWM技术，以8bitPWM为例，每一位构成，按图像 帧时间的1/256，2/256，4/256…，128/256时间权 分割，127的PWM（01111111）在一幅图像的 49.6%控制微镜为开，则图像显示49.6%的亮度
DLP投影系统举例
单片式DLP投影机
DLP投影系统举例
三片式DLP投影机
匀光器——匀光棒方式
光线从光源中发出经过凹面反射镜的会聚，然后进入到矩形 匀光棒，在其内经过数次的反射就可以在另一端得到亮度均 匀的矩形光源了。进入匀光棒之前的光强分布接近于高斯分 布，经过整理之后的就接近于矩形分布了
光学系统
用于色分离及色合成 偏振分光棱镜 冷镜与冷滤光器 分色镜 立方合色棱 TIR棱镜
垄断下的成本阴影（TI) 高亮度的优势不一定有用，与环境有关 昂贵的色彩代价 不可回避的噪声（噪声风扇）
LCOS投影显示
反射式液晶光阀元件的结构示意
LCoS将控 制电路放 在显示液 晶的后面， 开口率可 以大于 90%
LCOS投影显示
CS-LCoS 投影机的光学系统(彩色时序）
分色镜：透过绿 光，反射红光和 蓝光 准直透镜：消色 差透镜，使入射 光在微显示面上 均匀化 PBS:将入射光偏 振化，S偏振光 反射到 微显示 面，P通过
常规的带有匀光器的照明系统
集光区，光源发出 的光束被椭球形凹 面镜会聚，经过前 置平板玻璃到达匀 光棒的入口，光束 在匀光棒中经多次 全反射匀化后从出 口处出来；
照明区，从匀光棒出来的光束经照明透镜投射在微显 示面上，并且被调制； 投射区，已被调制的光束经投射透镜投射在屏幕上
匀光器——透镜矩阵方式
基于扫描的激光投影显示
振镜扫 描系统
扫描 系统
• 小镜子固定在由磁场线圈 驱动的固定轴上，实现小 角度范围的来回绕轴转动
• 一个多面棱镜作为行扫描， 一个振镜作为场扫描
一维线性栅状光阀（GLV)
阵列由一系列可 交替排列的固定 微细条和可以借 助电场力上下运 动的微细条组成
上下交替排列的 微细条会改变入 射光的方向，被 改变方向的激光 光束进入投射镜 投射到屏幕
分辨率受限
– 背片像素的最小物理尺寸是8μm，小于这个尺寸，由于液晶的边界效应， 分辨率受损。
光学系统成本高
激光投影的扫描装置
激光具有很高的色纯度，选用合适的 元件可以 得到色彩优异的画面
“线扫描”， 日本索尼公司。 “点扫描”， 德国LDT公司、韩国三星司
我国拥有完整的自主知识产权链，2006年 推出200英寸背投激光显示机。
相比三芯片DLP投影机 – 三片式LCoS投影机在分辨率上的优势更是DLP投影机无可比拟的.DLP技
术由于其微电子机械学结构的原因导致其分辨率难以达到2K以上，
LCOS投影显示
缺点：
制作成本高
– 将背板转变为有源矩阵液晶光阀的成品率低
长期稳定性差
– 工作500~1000小时后，液晶受强光长时间照射会发黄，产生区域性的不 均匀性。
画面看得见像素结构
– 观众好像经过窗格子在观看画面。
3LCD显示芯片技术被少数企业垄断
– 主要是日本的爱普生和索尼，爱普生是市场唯一的3LCD显示 芯片供应商
DLP投影显示
DLP(Digital Light Processing):数字光处理器，核心 器件是数字微透镜（Digital Micro-mirror Device, DMD）
大屏幕投影显示的历史
现代投影显示系统
1992至今
• 1992是投影显示技术发展史上转折点
• DLP、 LCD和LCoS技术的进步以及威胁到油膜光阀 和液晶光阀投影系统，并与CRT投影系统展开竞争
主要种类
• 液晶投影显示 • DLP（Digital Light Processing）投影显示 • LCoS投影显示（反射型液晶投影仪）
DLP投影系统的技术优势
高亮度和对比度，且可靠性高持久不变 高清晰度 精确的灰度和彩色再现能力 无缝电影质量图像 低噪声低失真，灰度等级高 环保健康，体积小，质量轻
与LCD比较DLP投影机的缺点
DMD可连续使用20年，但投影仪寿命不决定于 DMD，一般有3000多小时就会出现图像衰减
油膜很薄、透明，在静电作用下变形不大，如果 用光源直接投射到屏幕，得不到高对比度的图像。
纹影光学系统
• 由两个光栅和透镜组成。 经过第一光栅的光线被纹 影透镜恰好会聚到第二光 栅的不透光条纹上
• 如果油膜是平的，入射光 全部不能到达屏幕 ，当 油膜有变形时，会有部分 光线通过
光电导式液晶光阀
写入光为电视图 像，投射在高灵 敏度的CdS光电 导层上
一种把电子学、机械和光学功能 集成在单片半导体的微光学机电系统 （MOEMS）
DLP投影显示
镜片固定在轭上，扭力铰链 结构连接轭和支柱。 该结构允许镜片旋转±10°
支柱连接偏置/复位总线， 总线使偏置或复位电压提供 给每个镜片
DMD上单独镜片的结构分解示意图
DLP投影显示
DMD的微反射镜及其底层结构的显微照片
光电导层与液晶 层串联。
其两端的导电层 为电极，用于施 加电压。
光电导式液晶光阀
• 输入光图像通过光电导层转化成液晶层上的电压 分布图像。 • CdTe挡光层，起隔离作用，防止光源的光漏到 光敏层中
• 产品典型参数，分辨率1000×1000像素，用 500W氙灯作为光源，投射光通量达500lm。 • 体积庞大，结构复杂，上世纪90年代售价高达 15万美元，只能作为高端产品用于指挥、调度中 心等处的大屏幕显示
价格昂贵
投影系统
投影系统示意图
投影系统的光源
超高压（UHP)水银灯
—功率在100~300W之间，效率是60~70lm/W,寿命
在3000~6000之间，色温为7500~10000K
金属卤化物灯 —交流型功率为150~300W,效率在65~80lm/W,寿命
越长效率越低
氙灯 卤素灯
投影系统的照明系统
高温多晶硅TFT制造工艺需经历1000℃高温，所以需 制作在石英基板上，只适合小尺寸光阀。
主流光阀规格：
– SXGS/UXGA级， 1.8英寸，光量输出5000~7000lm； – XGA/SXGA， 1.3~1.8英寸，光量输出3200~5000lm； – SVGA/VGA， 0.7~0.9英寸， 光量输出1000~1400lm。
三片式透射型 液晶投影仪
照明光源光线，先通过双排复眼透镜将光线均匀化，经过偏振
片将白光转变成偏振光；
用三个分色镜将白光分解为红绿蓝三基色光束，并照射到三片 液晶光阀上，形成三幅三基色图像。 再由投影透镜将这三幅图像投射到屏幕上，显示彩色图像