将Pico投影集成到紧凑型工业应用的设计考量 紧凑型, 工业, 投影

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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。