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投影仪的成像原理是什么(投影技术详解之成像原理)

投影仪的成像原理

首先,投影的工作原理是利用凸透镜成像的原理而实现的。

我们在初中的时候有学过凸透镜成像,物体到透镜的距离大于2倍焦距时,成像效果为倒立、缩小的实像,我们常见的相机就是利用的这个原理。

投影仪的成像原理是什么(投影技术详解之成像原理)

而当物体到透镜的距离小于2倍焦距、大于1倍焦距时,成像效果即为倒立、放大的实像,这就是投影仪的基础工作原理。

投影仪的成像原理是什么(投影技术详解之成像原理)

投影仪的关键技术分支

了解了这一点,我们再来看目前在这个原理的基础上,投影仪成像的几个关键技术:

显像技术

目前主流投影仪的显像技术主要分为DLP/3DLP、LCD/3LCD、LCOS这三种技术,其中3DLP主要应用于影院及高端工程设备,家用比较常见的为另外几种。

DLP

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DLP技术的全称是“Digital Light Processing”,即为数字光处理,是指通过核心的DMD显示芯片进行数字处理,光线经过色轮后抵达芯片上,最后经过投影镜头投影成像。市面上的DMD芯片均由美国德州仪器研发。

3DLP

3DLP投影仪顾名思义就是采用了3块DMD芯片,这类投影仪的优点在于由于每个DMD芯片分别负责一种颜色,因此不需要在用到色轮,完全解决了DLP的彩虹效应问题,光源的利用率更高,同时可以大幅度提升色彩效果,提供无比强大的的对比度表现力。

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3dlp投影仪目前家用产品相对较少,这是由于3dlp投影的光路结构更为复杂,投影仪的体积相对较大,其散热产生的风噪也较高,目前很多影院配备的投影设备都为3dlp技术的设备。

LCD

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LCD投影技术的全称是liquidcrystal display,也就是我们常说的液晶显示技术,主要是利用液晶分子的光电效应改变液晶单元的透光率或者反射率以此实现画面显示。单片式LCD投影仪的原理就是通过灯泡照射液晶面板投射出大画面,这类产品称之为幻灯机都不为过,其主要缺点是画面光照不均匀,边缘虚焦,对比度低,色彩相对暗淡;优点为产品结构简单,价格低廉。

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具有一点动手能力的玩家都可以通过一个纸箱、镜头、手机屏幕、LED灯自己diy一台单LCD投影仪

现在稍微大一点的厂家已经几乎不做单LCD投影仪了,都不想因为这种产品影响自己的用户口碑,选择这类机器入门,很容易打破你对投影仪的幻想,目前主流的千元左右投影仪几乎都是采用的这类技术。

3LCD

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3LCD是单片式LCD的改进款,目前有且仅有爱普生在做3LCD的投影仪。3LCD将光源发出的光通过分光镜分解成R(红)、G(绿)、B(蓝)三种颜色的光,并使其分别透过各自的液晶板,再最后经过投影镜头投影成像。相比单片式lLCD,3LCD无论在色彩、对比度、光照均匀度上都有较大的提升。

LCOS

LOCS是结合了DLP和LCD两种技术的优势,DLP利用了反射投影技术,LCD则是透射液晶面板的技术,LCOS就是在液晶层下面加入反射技术,因此既获得了DLP技术的画面锐度,又有LCD甚至强于LCD的画面色彩。

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目前使用LCOS技术的投影仪厂家主要是索尼和JVC两家,这两家厂商出于对极致画面的追求,目前已经基本上放弃了1080P投影仪的产品线,主攻4K及8K领域,同时也是为数不多的能够制造原生4K家用投影仪的厂家。

光源技术

光源也是投影仪非常核心的部件之一,目前主流投影仪采用的基本为高压汞灯、LED、激光三种光源。

高压汞灯

说起高压汞灯,我发现很多知友都对它有一定的误解,认为这玩意灯泡寿命不长坏得快,换个灯成本非常高。实际上这个认知还停留在十几年前大家玩投影的时候:早期的投影仪,采用的金属卤素灯,寿命确实不长,通常在不到1000小时左右就开始有衰减,理论寿命也仅仅2000小时左右。随着灯泡技术的发展,面向家用的传统投影仪基本都已经采用超高压汞灯(UHE或UHP灯泡)来充当光源,这类灯泡的寿命普遍已经达到6000到12000小时左右,同时可以保证4000小时以上才会出现衰减。

高压汞灯的优点在于价格便宜,光谱较全,亮度可以做到比较高;缺点采用灯泡的机型体积不能做得太小,散热也比led要求更高,色域覆盖又比不上更加精准的激光光源。

LED

早在十多年以前,led光源就已经开始应用于投影仪领域,试图替代传统光源。led光源的优势在于光源寿命比较长,理论上在整个投影仪的生命周期内都不需要更换,同时led发热量相比高压汞灯要低,减少了部分散热需求,并缩短了光路系统,所以散热量和噪声都有更好的表现,使用led光源的机器也可以做得更加小巧。但led目前最致命的问题还是在于亮度和对比度较低,尤其是对比度几乎都惨不忍睹,就目前而言,追求画质的高端投影仪都不会选择led作为光源,看未来有没有新的技术突破。

激光

激光光源是目前应用于投影仪中最高端的光源,它拥有比高压钠灯更好的色域覆盖,同时也能达到甚至超越高压汞灯的亮度。但目前由于激光光源的成本较高,真正的好产品都价格不菲,比如jvc引以自豪的“宙斯”系列,无论色彩、亮度都是投影仪中的佼佼者,其系列产品的价格均在五位数到六位数。而一些万元内的激光光源产品,很多都是为了硬撑“激光光源”的噱头,在其他的核心部件上缩水严重,导致整体的效果并不理想。

镜头

投影仪的镜头是整个光路的最后一个环节,决定了投影仪画面的色彩、亮度、对焦清晰度等核心参数。投影仪的镜头从功能上分为定焦镜头变焦镜头,从材质上分为全玻璃镜头树脂镜头。

定焦镜头顾名思义,即机器通过镜头投射出的画面尺寸为固定尺寸,想要调节画面大小只能通过调整投影仪到幕布间的距离来控制,因此这类机器对位置摆放的要求比较高。当然目前定配备定焦镜头的机器也可以通过数码变焦的方式来拉伸或裁剪画面,但这种方式对画质的影响较大,不建议使用。

变焦镜头配备有专门的变焦环,可以通过在固定位置调节变焦环来改变画面尺寸,由于是光学变焦,因此对画质的实际影响比较小,投影仪的摆位相对也要更加灵活一些,但配备这类镜头的产品成本也随之较高。

投影仪的成像原理是什么(投影技术详解之成像原理)

投影仪的镜头均采用多片式结构,每一块镜片的作用大不相同,起到放大倍率、调整色差、控制聚焦范围和补偿的作用。

全玻璃镜头即镜头的每一片均由玻璃制成,玻璃镜片的耐热性强,加工研磨精度高,所呈现的画面色彩还原较好,整体通透感更强,对焦稳定性也要更高,但缺点依然是成本较高,对加工的技术要求比较高。

树脂镜头并非全树脂结构,往往是以玻璃镜片+树脂镜片相结合的方式,由于树脂对高温的耐性较差,在长期强光源照射的情况下,会产生轻微的形变,尽管非常细小,但会因此改变光线的折射,对应到屏幕上就会产品画面虚焦的情况,很多投影仪非常“贴心”的配备了智能对焦系统,就是由于投影仪在刚开机时热量较小,但使用半个小时以后温度升高,这个时候画面会开始有虚焦的问题。采用树脂+玻璃的方式,一是为了节约成本,二是树脂镜片加工往往注塑的方式,加工技术难度较低。因此在条件允许的情况下,优先选择全玻璃镜头的机器会要更好。

关于作者: 朵拉

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