將Pico投影集成到緊湊型工業(yè)應用的設計考量

投影顯示器的優(yōu)勢在于其靈活的物理規(guī)格。 這種靈活性的早期示例發(fā)生在1942年，當時英國皇家空軍制造出首個“平視顯示器” (HUD)，讓飛行員能夠直接在視線范圍內(nèi)看到雷達信息。 該設計里程碑利用了投影顯示器的一個基本特點， 即將幾乎任何表面轉(zhuǎn)換成顯示器的能力。 此外，它還能利用小體積打造大圖像，預示著投影顯示器能夠產(chǎn)生重大影響。 這些特點相結(jié)合，將“顯示器”這一概念從獨立的組件轉(zhuǎn)變?yōu)榭呻S處按需進行整合的集成式功能，預示著投影顯示器將帶來許多可能。

盡管這個軍用顯示器示例早在幾十年前便已推出，但直到最近，隨著微型顯示器和固態(tài)照明源的商用，制造商們才得以完全發(fā)揮出投影顯示器在廣泛工業(yè)應用領域的潛力。 家居自動化、數(shù)字標牌、人機界面(HMI) / 浸入式技術等應用都受益于一種現(xiàn)實技術，該技術在不使用時會被隱藏，可將任何尺寸或形狀的表面轉(zhuǎn)變?yōu)轱@示器，如果需要的話，甚至能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榻换ナ斤@示器。 與此類似，近眼顯示器需要能夠適用于緊湊型工業(yè)設計的高品質(zhì)顯示技術。

對于今天的開發(fā)人員、品牌和系統(tǒng)集成商來說，將投影技術融入到新興和現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品中需要經(jīng)過3個基本步驟： 確定關鍵投影要求、選擇合適的投影技術，以及選擇供應鏈。

要求-平衡練習

平衡優(yōu)勢(特性和功能)與限制(成本、尺寸、重量、能耗等)是成功開發(fā)產(chǎn)品的關鍵所在。 實現(xiàn)這種平衡的第一步是了解基本要求。 對于投影顯示器來說，這意味著了解所需的分辨率、色域、亮度及對比度。 因此，本文的重點是介紹一些設計考量，將其作為把pico投影集成到工業(yè)顯示應用時確定必要要求的一個步驟。

技術-選擇的盛宴

當今的設計人員可從3種投影顯示技術中進行選擇： 即2D MEMS陣列(德州儀器DLP技術)、掃描鏡(包括單軸和雙軸)和LCD/LCoS。 最適合特定應用的技術取決于具體的產(chǎn)品要求。 本文將對每種技術進行評論，并探討分辨率、色域、亮度和對比度等方面。

供應鏈-至關重要的最后一步

如果無法投入生產(chǎn)，那么最優(yōu)雅的設計也毫無價值。 因此，處理選擇合適的投影技術外，設計人員還必須考慮可用供應鏈。 本文未提供詳細的供應鏈分析，但應該考慮的要素包括成品解決方案的供貨情況、定制設計機會、交貨時間以及技術支持等。

所需分辨率- 細看

人類視覺系統(tǒng)(HVS)的分辨敏銳度是非常有用的路標，可用于確定給定顯示系統(tǒng)所需的分辨率。

普通的觀察者可分辨每弧度50線對，而一個線對包含與白線相鄰的黑線，從而構成高對比度特性。 由此得出以下關系：

(1)

借助這些公式確定投影機分辨率要求取決于如何使用顯示器。 例如，這些公式直接確定某個交互式顯示器的目標分辨率，一次觀看整個顯示器。 但是對于按需顯示器來說，信息一次只覆蓋投影顯示區(qū)域的一部分，則需要更高的投影分辨率。

分辨率與技術

2D MEMS和 LCoS/LCD已廣泛用于常見的視頻和圖形分辨率(VGA、XGA、WXGA、720p、1080p等)中。

從理論上來說，掃描鏡技術能夠打造出任何想要的分辨率。 在實踐中，分辨率受到激光光斑尺寸(光斑尺寸越小，分辨率極限就越高)的限制，假定鏡掃描速率和激光脈沖速率都足夠高。 此外，激光光斑尺寸是光束質(zhì)量的函數(shù)(M2)，光束質(zhì)量越高通常成本也越高。

所需顏色-廣泛的選擇

對于第一階，顯示系統(tǒng)以類似于HVS感知色彩的方式產(chǎn)生顏色。 人眼包含3個顏色受體(錐)，其中每個受體響應不同的波長范圍。 這些波長范圍大致相當于紅色、綠色和藍色。 投影顯示器以類似的方式使用紅色、綠色和藍色原色的混合產(chǎn)生廣泛的顏色選擇。

影響屏幕上再現(xiàn)的顏色質(zhì)量的因素有很多。 光引擎的因素包括它能夠產(chǎn)生的色域，這取決于原色的飽和度。 事實上，激光產(chǎn)生的飽和度最高，其次是LED，然后是過濾后的白色光源(如燈或白色LED)。

1976 CIE色度圖(圖1)幫助實現(xiàn)了色域范圍的可視化。 在該圖中，外曲線邊界(光譜軌跡)表示可見單色光的全部范圍，圖內(nèi)的點表示HVS能夠感知的所有顏色。

圖1 – CIE u’v’ 色度圖

(圖字)CIE 1976 色度圖;

波長(單位：nm)

現(xiàn)已規(guī)定了各種標準色域，如 Rec. 601 (NTSC)和Rec. 709 (sRGB)色域(圖1)。 這些色域是傳達顯示系統(tǒng)色域相對“大小”有用的參考點。 一種常見方式是計算顯示器色域三角形(在u’v’空間)的面積，以及與特定標準色域三角形的比。 例如，“70% NTSC”的色域足夠做出質(zhì)量合理的顯示器，而100% NTSC的色域能夠提供感知性更好的顏色。

除了色域外，選擇光源時需要考慮的因素還包括成本、尺寸、能耗和與所選顯示技術的兼容性。 對于這方面的討論，我們將專注于后者。

顏色與技術

開發(fā)人員首先應該考慮目標色域，然后再考慮實現(xiàn)該色域所需的光源，最后考慮光源與投影顯示技術之間的兼容性。

2D MEMS和LCD/LCoS設備能夠與目前可用的任何光源(LED、激光、燈)結(jié)合使用。 因此，每種技術都能實現(xiàn)類似的色域。 區(qū)別在于可實現(xiàn)的系統(tǒng)光學效率。 這個問題將在“亮度”部分進行討論。

掃描鏡需要單模激光照明;因此它們能夠?qū)崿F(xiàn)非常大的色域。 但也需考慮散斑的繼發(fā)效應和激光器的成本。

所需的亮度-多亮才夠?

顯示器的亮度通常以多種方式量化： 流明和尼特。 流明(坎德拉*球面度)是光通量的SI單位，表示從顯示器發(fā)出的光的總量。 尼特(坎德拉/ 平方米)是亮度度量(每立體角、每投影源區(qū)域的光能)，與感知亮度有關。

用戶不會從尼特的角度來討論，但尼特是他們所體驗到的： 從顯示器區(qū)域發(fā)射出(或反射)的亮度。 由于投影機制造商通常不控制顯示屏，因此他們通常指標明光引擎流明輸出。

表1提供了一些尼特參考點。

表1 – 尼特參考點

一旦確定了亮度(尼特)要求，就能夠根據(jù)以下關系確定所需的屏幕增益和系統(tǒng)光學效率：

屏幕增益是屏幕設計的一個特點。 增益為1的屏幕有兩個獨特的特點。 首先，它是朗伯型，這意味著從所有觀看角度來看，亮度似乎都一樣。 其次，它沒有吸收。 通過減少屏幕吸收和/或重定向更多光到向軸上視角，可增加屏幕增益(這意味著在軸上角度的觀眾看來，屏幕似乎更亮)。

系統(tǒng)光效率表示從光源輸出到最后一個光學元件的輸出的傳輸效率。 對于2D MEMS或LCoS/LCD面板來說，最后一個光學元件可能是投影透鏡的一部分。 對于掃描鏡，最后一個光學元件可能是反射鏡本身。

亮度與技術

屏幕增益與投影技術無關，但組件的光學效率與投影技術密切相關，因為它取決于特定的光引擎設計，而每種技術光引擎設計的架構都完全不同。

在光學效率方面，有4個組件級因素： 反射損耗、吸收損耗、衍射損耗和幾何損失。 反射損耗包括在每個光接口反射損失的光，用抗反射涂層幾乎能夠完全消除反射損耗。

吸收損耗是指被每種光學元件的疏松物質(zhì)吸收的光，對于常用與投影機中的光學材料來說非常這種損耗非常少。

衍射損耗源自于光波本質(zhì)，導致光線在遇到邊緣和小物體時會轉(zhuǎn)移，其中“小”基于波長階次。 衍射損耗因技術而異。

幾何損耗源自光路上集光率失配。 在投影系統(tǒng)中，最常見的幾何損耗是光源與顯示面板的集光率失配。 如果光源的集光率大于顯示面板的集光率，那么顯示面板就無法捕捉光源產(chǎn)生的所有光。

開發(fā)人員應盡量選擇擁有較高的固有光學效率，并且能夠打造元件數(shù)量最少、與光源的集光率最匹配的光系統(tǒng)架構的顯示技術。

2D MEMS提供最大的靈活性，原因是它們擁有良好的光學效率，并且能夠匹配任何光源的集光率。

借助LCD/LCoS，偏振光源(激光)可實現(xiàn)最高的系統(tǒng)光學效率。 也可以使用LED和燈，但是系統(tǒng)光學效率會比較低。

掃描鏡需要高度準直的光源，受此限制，它們只能與激光器配套使用。

所需對比度-無名英雄

對比度是閃亮顯示器的秘訣，但具有諷刺意味的是，黑色是最重要的顏色。 顯示器能夠創(chuàng)造的黑色質(zhì)量為各種其他強度和顏色設定了的基準。

投影系統(tǒng)黑色亮度取決于兩個因素： 顯示系統(tǒng)的內(nèi)在對比度和環(huán)境光亮度。 系統(tǒng)設計人員有時能夠控制環(huán)境光亮度，有時又無法控制(具體取決于應用)，而光學系統(tǒng)的內(nèi)在對比度取決于多個系統(tǒng)因素，其中有些因素是設計人員能夠控制的。

量化顯示系統(tǒng)的對比度有兩種常見方式。 全開/全關(FOFO)對比度方法，該方法先測量全白和全黑的光輸出，然后計算對比度。

ANSI對比度方法首先顯示ANSI 棋盤(16塊的黑色和白色圖案)，先測量所有白色盒子的亮度，然后測量所有黑色盒子的亮度。 ANSI對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。

人們可能會認為這兩種方法能夠得出相同的對比度，但事實并非如此。 要理解這一現(xiàn)象，需要把“對比度”作為“雜散光”的測量指標。 然后，把每種方法看做是從系統(tǒng)的不同部分來測量雜散光。 具體而言，F(xiàn)OFO評估顯示面板產(chǎn)生的雜散光，而ANSI則評估光學系統(tǒng)的其余部分所產(chǎn)生的雜散光。

數(shù)學運算可帶來更深入的洞察。 公式3展示了整體系統(tǒng)對比度(S)、顯示面板的內(nèi)在對比度(P)及光學系統(tǒng)其余部分的內(nèi)在對比度(K)這三者之間的關系。

(3)

從公式3可衍生出公式4。

(4)

公式4顯示，S等于“P乘以一個比例因數(shù)”，其中比例因數(shù)取決于P/K比。圖2顯示了系統(tǒng)對比度(S)如何隨著光對比度(K)而變化，為方便起見，假定P=1。 圖2表明，隨著光對比度的提高，系統(tǒng)對比度逐漸接近顯示面板對比度。 此外，還顯示了“收益遞減點”，那就是當光對比度是顯示面板對比度的4到9倍時。

(圖字)系統(tǒng)對比度S;假設顯示面板對比度P=1;光學系統(tǒng)對比度K

圖2-系統(tǒng)對比度與光學系統(tǒng)對比度

公式5顯示了環(huán)境光亮度對所顯示的對比度 (CRDISPLAYED) 的影響。

(5)

如果沒有環(huán)境光(環(huán)境光=0)，則將本機投影機對比度 (CRPROJ_NATIVE) 作為WhitePROJECTED/BlackPROJECTED ，得出以下結(jié)論： 1) 當 Ambient = BlackPROJECTED時，隨著CRPROJ_NATIVE的增加，CRDISPLAYED 逐漸接近0.5 * CRPROJ_NATIVE ;2). 隨著 Ambient 逐漸接近 WhitePROJECTED，CRDISPLAYED 逐漸接近2，會產(chǎn)生非常糟糕的顯示效果。

對比度與技術

在理想情況下，應選擇具有最高內(nèi)在對比度的顯示技術，并根據(jù)需要優(yōu)化系統(tǒng)對比度，以達到目標整體對比度。

2D MEMS的內(nèi)在面板對比度取決于從MEMS結(jié)構散發(fā)出來的光的數(shù)量。 將光學系統(tǒng)設計為采用較大的(較慢的)光圈系數(shù)，可減少光散射，此外還能減小系統(tǒng)光學元件的尺寸，降低其成本，但會損失一些亮度。

LCD/LCoS的內(nèi)在對比度基本上取決于面板是否能夠完全將光偏振旋轉(zhuǎn)到“關”位置，這種能力因面板設計而異。

掃描鏡的對比度與激光驅(qū)動電子器件能否完全關閉激光器息息相關。

結(jié)束語

本文探討了對顯示分辨率、色域、亮度和對比度等方面的要求。 此外，還討論了當前可用的顯示技術是否能夠滿足這些要求。

掃描鏡顯示器通過使用激光器獲得了較高的分辨率、色域、亮度和對比度，但代價是犧牲色斑，另外激光器的成本也較高。

LCD/LCoS顯示器借助顯示面板的內(nèi)在分辨率實現(xiàn)較高的分辨率，從光源(LED、激光器、燈)獲得色域。 其亮度取決于光學系統(tǒng)設計可以實現(xiàn)的效率，當使用LED和燈時，會受到所選偏振技術的限制。 其對比度取決于面板是否能夠完全將光偏振旋轉(zhuǎn)到“關”位置。

2D MEMS顯示器(德州儀器DLP®技術)顯示器借助顯示面板的內(nèi)在分辨率實現(xiàn)較高的分辨率，而2D MEMS面板能夠提供常見分辨率(VGA、XGA、WXGA、720p、1080p等)，從光源(LED、激光器、燈)獲得色域。 同樣，該顯示器的亮度基于光學系統(tǒng)的效率，但沒有偏振限制。 2D MEMS的內(nèi)在對比度源自于MEMS結(jié)構的散射，可借助較大的(較慢的)光圈光設計來減少這一影響。 目前領先的2D MEMS技術的一個非常獨特的特性是，能夠采用數(shù)據(jù)處理技術，可增強感知亮度和對比度，或配置為降低能耗。