发表于2005年<电子报>

    从2000年初以来的投影机DIY热潮，催生了国产液晶投影机制造产业（非OEM类），并涌现出了一批国产中小投影机制造企业，据统计目前全国有一定产量的整机厂家约15家，配套钣金加工、表面处理、光学冷加工、光学镀膜、光学设计、电路设计开发、光源及其驱动设计生产、液晶及其驱动解决方案的从业厂家约50家等，市场份额在近3年保持了100%以上的年增长额度，颇似90年代发烧音响的消费热潮和市场状况。本文主要分析近年来国产液晶投影机技术发展的主流方向。

    首先要说明一点的是，单片液晶投影机的光利用率是很低的，而三片式液晶投影机在滤色片（对于三片式投影机，RGB三色光、三色屏分别照射、投影、成像避免了滤色片上66%的巨大光损失）及偏振片（三片式投影机：采用PBS转换系统，避免了在液晶入射偏振片上约50%的巨大光损失）上的光损失很小，光效一般比同规格的单片投影高出3倍以上。这也是三片式液晶投影机的巨大优势，但三片式方案一般成本较高（液晶投影与DLP投影、LCOS投影均如此），所以在DLP、LCOS投影技术中很少有民用的三片式方案。应该说单片液晶投影机在光学技术上并不领先，但也不过时，目前单片投影技术还广泛地应用在液晶背投、DLP投影机、DLP背投、LCOS投影机上。

    目前国产投影机还主要是单片液晶方式，单片液晶投影机具有结构较为简单，成本较低，性能稳定(合理设计情况下去，可靠性超过三片LCD及DLP投影机)，对比度较高（可以通过合理的光学设计，超出同规格三片液晶投影机的水准,甚至超出液晶片本身的对比度水准），目前国外还有像美国科视（专业、高可靠工程投影机）、日本夏普（视频投影机）等保持生产，它的最大缺点是光利用率较低，所以一般单片液晶投影机不能输出高亮度，不太适合电教、商务演示等用途，但在歌舞娱乐、影视商用、家庭影院等需要完善的视频性能（解像度、色彩还原、合理的响应速度、对比度等），但对亮度要求并不太高的环境下，有着广泛的用途，加上目前在价格上明显优势，国产单片液晶投影机在歌舞娱乐、家庭影院等市场中渐呈燎原之势。
    
    光学设计：更高的亮度（光输出）

    虽然投影机还具有光均匀、白场相关色温、显色性、对比度（同时与光、电设计关联）等多种性能指标，但亮度无疑是其中最重要的性能指标，一台投影机的亮度、解像度就基本决定了该投影机的档次。

    就人眼的视觉要求、一般性环境情况、黑色表现等综合情况而言，家庭影院、KTV、中小影视厅等环境而言，一般需要100—1200ANSI流明的亮度，虽然，夏普、三洋、东芝、爱普生、SONY等品牌的主流家庭影院用途的投影机亮度也不高（一般标称600—1800ANSI流明，实测一般为500—900ANSI流明），相对目前国产机型的实际亮度一般还停留在70—350ANSI流明的水平，仍有较大差距，因此亮度的提升非常重要。

    国产投影机的开发者们经历了加大投影灯泡到提高对灯泡光输出利用率上的思路变化。单纯加大投影灯泡的光输出虽然可以一定程度地提高投影机的亮度，但效果十分有限，比如一些投影厂家用到了575W的大功率镝灯，但投影机的实际亮度还停留在150ANSI流明的水平，同时导致整机体积、成本大幅度上升，可靠性却直线下降的情况，根本无法投入实际市场。

    一台单片液晶投影机能达到什么样的光利用率？我们可以参考下面的估算办法：
    (1)、反光碗（仅指球形反光碗）、投影灯泡、聚光镜组合系统的光利用率：25—45%
    (2)、菲涅尔镜的光利用率（透过率，并考虑镀宽带增透膜的情况）：约85--95%，2-3片组合即为：(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%（滤色片）*（50—65）%（液晶实际开口率）*65%（界面反射、检偏、吸收等其他损失）=5.3%--7.0%
    (4)、镜头的光利用率：60—90%
    (5)、如果采用隔热玻璃（反热或吸热型），则利用率一般在65—85%
    (6)、如果采用折射方式，反射镜的光利用率：82—98%
    (7)、光路设计、固有损失，其它影响的光利用率：80—90%

    综合（1）～（7）后的整机总光利用率：0.24%--2.5%，也就是说，对于一只150W（光输出约14000ANSI流明）的灯泡，正常情况（不考虑PCS转换）可以设计出：亮度在34—350ANSI流明的投影机，如果设计不当（器件或光路）的话，可能会降低到35ANSI流明以下，科学而完善设计可达到330ANSI流明以上，可见光利用率的弹性幅度可以高达10倍，而一般150—575W投影灯泡自身光输出变化幅度仅在2--5倍左右（且伴随着可靠性、成本、体积等的急剧变化），可见提高光利用率的意义大于投影灯泡的自身因素。

    当然投影灯泡是液晶投影的显示之源，投影灯泡的选择、设计也非常重要。投影灯泡主要有如下参数：
    1）电参数：启动电压、工作（驱动）方式（交流、直流）、工作管压、灯电流。
    2）机械参数：安装尺寸。
    3）光学参数：光效（XX流明/W）、相关色温（K）、光效-时间特性、色温稳定性、发光点（电弧）尺寸、显色性、寿命（半衰寿命或失效寿命）、批量一致性，一般要求光效高（大于60lum/W）、相关色温适中（6000—12000K），光效、色温在寿命的70%以上时间内稳定，电弧长度小于5mm（接近点光源状态）、显色指数大于70，寿命大于1500小时，批量产品的指标一致性在15%以内。

    从种类上看，投影光源主要有：
投影用金卤（镝）灯：优点：价格低，色温适中、光效高，致命缺点：寿命短，多在200小时左右，特殊设计的产品也很少超过1500小时的有效寿命。
    氙灯：显色性好，启动迅速，但光效低（仅30—50流明/W）。
双壳双端金卤灯：在国产投影机中常用，寿命长（一般在6000--10000小时），综合指标好，价格低，但体积大，电弧较长（约10--19mm），不是理想的点光源，不适合光效率的抛物形、椭球形反光碗，不宜用于3寸以下的液晶片。这类金卤灯的光效在使用的前100小时会逐渐的衰减10%左右，在100—200小时之间会反而上升（接近、甚至超过新灯的效果），200小时后就进入单调的光效下降阶段，直到寿命终结。常见双壳双端金卤灯在200—240V（非管点压）之间的光输出变化/电压变化率=2.8：1。适当地提高输入电压或功率（在确保灯泡有效使用寿命情况下）并减小电弧间距，可明显地提高光输出。
    UHP灯（可翻译为：超高压汞灯或超高性能灯或PHILIPS投影灯）或类似超高压汞灯（图10为安装于灯杯中的UHP）：综合指标最好（光效高、发光点小，显色好、寿命长，体积小），但技术、工艺极其复杂，目前国外仅PHLIPS、OSRAM等少数厂家生产，国内刚批量投产的仅北京爱华、广东华星之光，价格一般在1200—3500元（含灯杯）。

    除了投影灯泡，白光LED在将来完全可能成为理想的投影光源，目前白光LED发光效率产业化产品已从15流明/w提高到25流明/w，研究水平为32流明/w，最高水平已达44.3流明/w。色温 在2500K-6000K之间，显色指数Ra80左右。寿命 5万小时至10万小时。工艺与材料的不断改进，预计到2020年白光LED的光效将达到200 流明/w，超越目前所有品种的投影灯泡。白光LED阵列所能提供的聚光、光均匀、安装等优点也是其他投影灯泡难以比拟的。　

    目前，国产单片液晶投影系统提高亮度的主要方案在：
    (1)、反光碗—灯泡--聚光镜系统的优化：合理化地增大反光碗、聚光镜对灯泡光输出的有效包容立体角度。
    (2)、光路合理化设计：主要是平衡光学设计上光利用率与光均匀性矛盾。
    (3)、灯泡的实验、选择、特性定制，
    (4)、镜头合理化设计：主要涉及相对孔径、色相差、解像力、后工作距、放大率。
    (5)、各器件镀膜工艺（增透膜、反射膜、隔热反热膜等）：包括反光碗、聚光镜、菲涅尔镜、镜头、表面反射镜、甚至液晶片本身。未经镀膜处理的透射性光学表面平均反射损失在4%左右，在一台投影机中这样的表面多达15—20个，未做镀膜处理可能的光损失高达：60%以上！
    (6)、各器件几何、光学规格，光学器件的材质优化。
    (7)、更专业一些，则可以考虑对投影光源输出进行PCS转换，不过对于目前非理想点光源、较大尺寸液晶而言，低成本解决的难度非常高，完善的方案预计可以提高20—45%左右的光利用率。

    国产单片液晶投影机典型光路结构情况中图一、图二所示。

    
    图一、图二描述了基本的光束轮廓，图2是在图1的基础上增加1片表面镀膜的反射镜，来延长光路，缩小机身的尺寸，尽量做到小巧一些，但会导致2—15%左右的光损失（视镀膜材料、工艺而定）。具体的液晶显示图象的放大、成像原理可以参见大学光学教材有关“投影仪”、“电影机”或“幻灯机”的相关光学仪器的原理分析、讲述，近年的《电子制作》、《电子报》等报刊也有一些介绍文章，科学出版社的“现代显示技术”丛书也是不错的参考资料（如：《显示技术基础》、《彩色液晶显示》、《大屏幕显示》等）。另外在中华液晶资讯网（http://www.china-tft.com/）、光学在线（http://www.photics.net/）、焦点光学（http://www.focus-optics.com）、光学设计在线、飞达光学(http://www.33tt.com )、优利讯光学（http://www.optics.unaxis.cn/），光学学报、瑞诚（www.scrc-tech.com）、多维、亚视,等网站上也有较多的关于单片液晶投影机技术的介绍。采用ZEMAX、TRACEPRO等专业CAD软件是定量优化投影机光路设计的重要武器。单片液晶投影机看似极其简单，但要设计出优秀的商业机型，除了全面的电子技术外，还会涉及到复杂的几何光学、薄膜光学、色度学、光谱学、热力学、空气动力学、结构力学等内容。瑞诚RC-1208VDT、OPTOMA  EP585是单片液晶投影机设计的经典。

在液晶投影机的开发中，除了至关重要的光路外，液晶屏及其驱动的选用和开发也是关键技术之一。

    国产单片投影机从早期10万像素机(如:2000年瑞诚套件4,解像度约为220*170*3)的出现，到近期推出的100~240万像素(如:640*480*3,800*480*3，800*600*3，1024*768*3)的投影机，其像素阵列或分辨率的展现，全由液晶屏本身的像素点决定。10万像素的投影机已为过眼云烟，33万像素投影机也将会很快被100万像素以上的机型替代。100万以上像素的液晶屏中，又有传统的4：3液晶屏和新型的16（15）：9液晶屏。这些液晶屏一般均为世界级的大公司所生产，如日立、松下、夏普、东芝、爱普生、LG、索尼以及台湾的元太、联友等公司。目前国产的单片投影机（100万像素以上），大多采用数字屏，其主流品种为：

    1）、7寸日立TX18D11VM1CAA液晶屏，该款液晶屏的优势在于像素高（800X480），且屏幕为16(15)：9方式，可以做出目前流行的16：9终端显示设备。

    2）、7寸松下EDTCB18QCF液晶屏，该屏性能、尺寸与日立TX18D11VM1CAA相同，且数字接口定义完全相同，大多驱动板可以直接互换使用。由于这两款都是7英寸800x480的16：9液晶屏，既可以满足看16：9的大片，也可以由驱动板改变算法显示主流的4：3电视节目。是非常理想的单片液晶投影机液晶屏。

    3）、夏普LQ64SP1/2/3/4/5液晶屏，该类屏为6.4英寸800x600的4:3投影专用液晶屏,其光透过率高、开口率高，且像素较高，是做单片投影机的优选品类（曾广泛用于数家知名品牌的正投及背投产品）。

    4）、夏普 LQ64P312/311液晶屏，该款屏为6.4英寸640x480的4:3投影专用液晶屏，其尺寸和LQ64SP1/2/3/4/5类相同，只是其分辨率要低些。该款屏也是做单片投影机的优选品种。目前市面上另有夏普LQ64D343、RLCDP0019CEZZ、RLCDP0032CEZZ与此类似，均可选用。

    5）、夏普LQ08V3DG01液晶屏，该款为8英寸640x480的4:3液晶屏。该屏主要因为尺寸偏大，影响整机体积，只有很少厂家采用。

    6）、其他如：元太3.5英寸640X480液晶屏，东芝5.6英寸 640X480液晶屏及其他厂家的640X480—1024*768）液晶屏也可考虑采用，如：5寸元太P50CB4、4.7寸hannstar  HSD11150MX46-A，TMDISPLAY5.6寸LTD056ETOS,东芝4寸：LTM04C395、LTM04C380S、4寸LTM04C380K，4寸AND   ADNPSI04C380K-HB，6.3寸NEC  NL10276BC12-02 、NL10276BC12-01。  

    对于单片液晶投影机，选用哪种液晶屏对投影出图像的分辨率和画质是至关重要，对于分辨率和画质的影响，大家都可以到书刊上找到解释，在此不再重复。但在投影机的开发中，却不能仅仅考虑分辨率和画质，而作为单片投影机来说，还需要选用液晶屏的透光率较高。这是由于目前国内厂家开发的投影机，都属透射式光路，而非反射式光路（三片LCD、DLP、LCOS投影机均采用反射式光路，区分主要是光在显物体上的路径），而一般液晶板的总光透过率在4%---6%之间，不要小看这百分之几的差异，在投出画面亮度上却可反映出较大的变化。比如用一款光透过率为4%的液晶屏制作的投影机，其亮度（光输出）为240流明，而换为光透过率为6%的同规格液晶屏，在同一台机器上所测量的亮度（光输出）将提升到360流明。从此例可以看出，一款液晶屏对投影机的光学设计是也非常重要的。在目前主流产品所选用的液晶屏中，其光的透过率排序依次为：LQ64P312/311 > LQ64SP1/2/3/4/5 > LQ08V3DG01 > TX18D11VM1CAA > EDTCB18QCF。

    选用液晶屏的同时，还需要注意液晶屏本身的特殊功能，其主要为上/下翻转、左/右镜像功能。有了这些功能，可使得液晶驱动板的方案选择更加灵活。以上列举的液晶屏中，仅有夏普屏自带上/下翻转、左/右镜像功能，即只要给定相应的控制信号即可对其进行控制，而更多的数字液晶屏是不带上/下翻转、左/右镜像功能的，这样给开发者们带来了极大的考验。如果熟悉国产单片液晶投影机市场的不难发现，很多厂家的产品目前还不具备翻转功能，而是根据客户需要，生产不同的正放机型和吊装机型，甚至干脆只有正放机型。这些设计都会给使用者带来一些不便。而目前市面上类似性价比的产品仅仅RC-1208VDT具有上/下翻转、左/右镜像功能，我们期望其他的厂家尽快完善这一功能。

    液晶屏的使用，均离不开其对应的驱动板。对于不同的液晶屏，其驱动方式也不完全一样。当然，在此所说的驱动板，实为信号处理板，而非液晶屏的阵列驱动。这是因为一般的液晶屏厂家都给液晶屏配备了阵列驱动，用户只需要对信号进行变换，并满足阵列驱动板的接口协议即可。通常，模拟屏的接口主要有：R、G、B输入端，行、场同步信号输入端，及图像上下翻转、左右镜像控制端，某些屏阵列驱动板上还有PLA/NTSC制式转换端等。而数字液晶屏的接口就多一些，虽然输入的同样是R、G、B信号，但对于不同的屏，其灰度级数是不一样的，有些是6阶的，有些是8阶的（色彩、层次效果明显较好）。也就是说将R、G、B三基色信号各分成6位或8位进行处理。一般来说，数字屏具有TTL或LVDS接口，但由于厂家不同，各屏的引脚定义也不完全一样。但大致包括：6位或8位R、G、B信号，时钟信号、行场同步信号，以及有些屏自带的图像上下翻转、左右镜像控制端等。常用液晶屏驱动芯片有：

    1）、Pixelworks公司的:PW168、PW463、PW465等型号。
    2）、Genesis公司的:Gm5020、Gmzan3、gm5221等型号。
    3）、MXIC公司的:MX88L284、MX88L285等型号。
    4)、Syntek公司的:STK6005等型号。
    5）、Myson公司的:MTL005F等型号。
    6）、在市场上还有很多公司如Realtek、Mstar、Mst、Samsung等也有专用液晶驱动芯片。

    作为用于投影机的液晶驱动板，除了有驱动部分，还包括有视频数字解码和VGA信号处理等芯片。视频解码电路的设计，将是影响图像质量的关键，所以一般投影机厂家不会在图像质量处理上省钱。常用数字解码芯片有：
    1）、Philips公司的:SAA7115、SAA7114、SAA7111等型号。
    2）、 Samsung公司的:S5D0127等型号。
    3）、Ti公司的:Tvp5150、Tvp5156等型号。
    4）、Teckwell公司的:TW99、TW98等型号。
将上述驱动芯片与解码芯片任意组合，都将可构成一套完整的液晶屏驱动方案。

    由目前国内单片液晶投影机的设计来看，不论从技术实力还是市场需求，都将会引导出更新的产品。而近年国产单片液晶投影机的液晶屏及驱动板的采用，其发展趋势为：
    1）、液晶屏的小尺寸、高像素化。为了缩小整机体积，满足更高的视频显示要求，提高市场竞争力，故此单片液晶片的选择将会在3.5~7寸范围内选择，而分辨率将会在640X480~1024X768之间选择。（注：如果是16：9的屏，则会在800X480、1280*720间选择）
    2）、驱动板的功能需要更加完善，包括图像上下翻转、左右镜像功能，电子梯形校正功能、色温调整功能，对于16：9的液晶屏还应包括有16：9/4：3 显示模式切换功能等其他辅助功能。
    3）、驱动板的信号接口丰富化,为了满足视频信号发展需要，以后的投影机信号源输入接口应该包括：VGA，DVI，HDTV，Cvbs，S-VIDEO，YCbCr,TV等。
    4）、视频信号的格式应满足PAL/NTSC 双制式，调试菜单应该多语言调试菜单，TV伴音制式也应该满足多国（或地区）的需要。                                     

    投影机出了前面所介绍的关键技术外，还有一项重要的技术——整机控制技术。投影机的整机控制包括：开/关机过程控制、光源散热系统控制、机内温度监测控制、报警提示及保护控制等方面。

    目前国内厂家多数直接利用液晶驱动板进行控制开关机，再配以单独的光源控制、光源散热控制、机内温度控制和安全报警保护等系统进行集成。这些完成单独功能的电路有些厂家直接购买成品电路板进行拼装，连线较为复杂，可靠性低，有些采用专用器件，但大多采用单片机自己编程实现这些功能。采用单片机设计，不仅可以完善这些功能，还可根据厂家自身的技术优势开发一些实用功能。目前国内单片投影机中常见的单片机设计框图如下：

    1）、开机检测：检测开机的信号，有些是检测解码板给出的开机信号，有些是直接检测红外遥控的开机信号或机身按键信号。检测解码板的开机信号比较通用，因为开发者可以减少红外遥控信号及机身按键信号的开发，而直接利用原解码的开关机信号。而这种设计将会给待机状态的解码板完全供电，是采用早期电视机控制的同类设计办法。比较新型的设计是将开关机信号直接与主板分离，在待机状态时，仅整机控制部分电路工作，解码板电源断开，有效减少解码板故障率。(注：由于投影机的画面调整等全包含于解码板上，故此一般整个红外遥控核心都在解码板上。)

    2）、开机控制：在检测到开机信号后，并不是立即执行开机动作。而是需要对系统进行自检。自检包括：机内温度检测、风机运行情况检测、光源检测等其他项目。在自检正常后，才执行风机快速运转操作、点灯操作、点屏操作。在这期间，同样会对温度、电压、风机运行状况、光源情况等进行实时监控。在开机时段，为了使投影机正常启动，都会将其他操作进行禁止，在开机正常后才进行解禁。

    3）、风机控制与检测：他们是一组对应控制关系，首先是启动控制，再进行检测，根据检测情况再进行实时控制，以确保投影机系统安全可靠工作。

    4）、温度检测：该项检测是一个单独的项目，它本质上是独立的。即只要一到温度极限，则立即关闭系统，以安全保护系统。但也有将其与风机运转进行联动控制的，即风机的运转再不仅是受本身好坏或运行状况的控制，还将受到温度的控制，即智能风机控制系统。

    5）、安全保护：该部分其实是一个执行部分，他对所有的影响整机安全的参数都进行实时控制处理，以急时提示用户进行相关操作处理或关闭系统、禁止系统运行等。

    6）、操作禁止与开启：该项设置主要是防止用户在开机或关机运行时段进行误操作而有效保护投影机。

    7）、警音控制与监听音：警音是指投影机在对某种状态下发出的对应提示音，指明投影机目前的工作状态，在国产单片投影机中，有些采用 “嘟~~嘟~”警音提示，叫了半天用户不知所云，仅对专业的人群如维修工程师有提示作用，有的警音采用了人性化的语音提示，也有些还采用OSD显示，既将报警提示以浅显易懂的图形叠加显示在屏幕上，全球通用不存在语言方面的障碍。使用语音提示，可直观地告诉用户投影机出现的故障点及危险程度，非常亲切友好。监听音是指投影机中附加有对显示信号的音频放大播放功能，而某些厂家的投影机关闭投影机后，都还有伴音，这种设计是欠科学的，即待机状态电路也在通电工作，白白浪费电能，与日益提倡的绿色环保精神背道而驰。所以，设计较周全的机型，在待机状态下，机内几乎不工作，耗电应在2~4W以下，国际公认的努力目标是小于1W。

    8）、关机检测和关机操作：执行的是开机检测和开机控制的逆过程。液晶投影机，基本都作了二次关机的设计，预防误触开关机键，不想关机而被关机，因为投影机的开关不象彩电，关机后可以立马又开机，投影灯泡热启动电压很高，而电路往往不能提供如此高的触发电压，灯泡的冷却一般需要3~5分钟，也即投影机的再启动最少间隔3~5分钟，很不方便。故此，对于关机时都将对第一次执行的关机动作进行一次提示予以确认，如果是误操作，可进行相应的操作返回，有的机型可直接返回，如确认关机，再按一次关机键即可。（注：每个厂家设计的二次关机操作都不一样，但在产品说明书上均有详细介绍。）

    整机控制系统中，一般都采用AT89C2051、AT89C51或PIC16F73等芯片。一般而言，这个顺序代表了功能、性能的档次高低。AT89C2051的电路复杂、成本低，可靠性一般，而AT89C51虽然I/O口较多，但对承担整机控制还是有些不足，常常是功能可以做得多些，但基本上都需要外围器件支持，硬件多，且性能一般。由PIC系列单片机组成的整机控制系统，具有高可靠性、高稳定性，且电路简单，整个电路几乎都可由单片机本身完成，是单片投影机整机控制的优选方案之一。

    虽然投影机的整机控制不是关键的核心技术，但对整机的稳定性和功能扩展都起着重要作用。不论是在自己组装投影机，还是选购投影机，这些知识都是很有必要了解的。