將Pico投影集成到緊湊型工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)考量

投影顯示器的優(yōu)勢(shì)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(dāng)時(shí)英國(guó)皇家空軍制造出首個(gè)“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(dá)信息。 該設(shè)計(jì)里程碑利用了投影顯示器的一個(gè)基本特點(diǎn)， 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(yù)示著投影顯示器能夠產(chǎn)生重大影響。 這些特點(diǎn)相結(jié)合，將“顯示器”這一概念從獨(dú)立的組件轉(zhuǎn)變?yōu)榭呻S處按需進(jìn)行整合的集成式功能，預(yù)示著投影顯示器將帶來(lái)許多可能。

盡管這個(gè)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(yīng)用領(lǐng)域的潛力。 家居自動(dòng)化、數(shù)字標(biāo)牌、人機(jī)界面(HMI) / 浸入式技術(shù)等應(yīng)用都受益于一種現(xiàn)實(shí)技術(shù)，該技術(shù)在不使用時(shí)會(huì)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(lèi)似，近眼顯示器需要能夠適用于緊湊型工業(yè)設(shè)計(jì)的高品質(zhì)顯示技術(shù)。

對(duì)于今天的開(kāi)發(fā)人員、品牌和系統(tǒng)集成商來(lái)說(shuō)，將投影技術(shù)融入到新興和現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品中需要經(jīng)過(guò)3個(gè)基本步驟： 確定關(guān)鍵投影要求、選擇合適的投影技術(shù)，以及選擇供應(yīng)鏈。

要求-平衡練習(xí)

平衡優(yōu)勢(shì)(特性和功能)與限制(成本、尺寸、重量、能耗等)是成功開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的關(guān)鍵所在。 實(shí)現(xiàn)這種平衡的第一步是了解基本要求。 對(duì)于投影顯示器來(lái)說(shuō)，這意味著了解所需的分辨率、色域、亮度及對(duì)比度。 因此，本文的重點(diǎn)是介紹一些設(shè)計(jì)考量，將其作為把pico投影集成到工業(yè)顯示應(yīng)用時(shí)確定必要要求的一個(gè)步驟。

技術(shù)-選擇的盛宴

當(dāng)今的設(shè)計(jì)人員可從3種投影顯示技術(shù)中進(jìn)行選擇： 即2D MEMS陣列(德州儀器DLP技術(shù))、掃描鏡(包括單軸和雙軸)和LCD/LCoS。 最適合特定應(yīng)用的技術(shù)取決于具體的產(chǎn)品要求。 本文將對(duì)每種技術(shù)進(jìn)行評(píng)論，并探討分辨率、色域、亮度和對(duì)比度等方面。

供應(yīng)鏈-至關(guān)重要的最后一步

如果無(wú)法投入生產(chǎn)，那么最優(yōu)雅的設(shè)計(jì)也毫無(wú)價(jià)值。 因此，處理選擇合適的投影技術(shù)外，設(shè)計(jì)人員還必須考慮可用供應(yīng)鏈。 本文未提供詳細(xì)的供應(yīng)鏈分析，但應(yīng)該考慮的要素包括成品解決方案的供貨情況、定制設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)、交貨時(shí)間以及技術(shù)支持等。

所需分辨率- 細(xì)看

人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)(HVS)的分辨敏銳度是非常有用的路標(biāo)，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(duì)，而一個(gè)線對(duì)包含與白線相鄰的黑線，從而構(gòu)成高對(duì)比度特性。 由此得出以下關(guān)系：

(1)

借助這些公式確定投影機(jī)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(gè)交互式顯示器的目標(biāo)分辨率，一次觀看整個(gè)顯示器。 但是對(duì)于按需顯示器來(lái)說(shuō)，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(shù)

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

從理論上來(lái)說(shuō)，掃描鏡技術(shù)能夠打造出任何想要的分辨率。 在實(shí)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(duì)于第一階，顯示系統(tǒng)以類(lèi)似于HVS感知色彩的方式產(chǎn)生顏色。 人眼包含3個(gè)顏色受體(錐)，其中每個(gè)受體響應(yīng)不同的波長(zhǎng)范圍。 這些波長(zhǎng)范圍大致相當(dāng)于紅色、綠色和藍(lán)色。 投影顯示器以類(lèi)似的方式使用紅色、綠色和藍(lán)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(shí)上，激光產(chǎn)生的飽和度最高，其次是LED，然后是過(guò)濾后的白色光源(如燈或白色LED)。

1976 CIE色度圖(圖1)幫助實(shí)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(jiàn)單色光的全部范圍，圖內(nèi)的點(diǎn)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(zhǎng)(單位：nm)

現(xiàn)已規(guī)定了各種標(biāo)準(zhǔn)色域，如 Rec. 601 (NTSC)和Rec. 709 (sRGB)色域(圖1)。 這些色域是傳達(dá)顯示系統(tǒng)色域相對(duì)“大小”有用的參考點(diǎn)。 一種常見(jiàn)方式是計(jì)算顯示器色域三角形(在u’v’空間)的面積，以及與特定標(biāo)準(zhǔn)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(shí)需要考慮的因素還包括成本、尺寸、能耗和與所選顯示技術(shù)的兼容性。 對(duì)于這方面的討論，我們將專(zhuān)注于后者。

顏色與技術(shù)

開(kāi)發(fā)人員首先應(yīng)該考慮目標(biāo)色域，然后再考慮實(shí)現(xiàn)該色域所需的光源，最后考慮光源與投影顯示技術(shù)之間的兼容性。

2D MEMS和LCD/LCoS設(shè)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(shù)都能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的色域。 區(qū)別在于可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)光學(xué)效率。 這個(gè)問(wèn)題將在“亮度”部分進(jìn)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(yīng)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(guān)。

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

表1提供了一些尼特參考點(diǎn)。

表1 – 尼特參考點(diǎn)

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

屏幕增益是屏幕設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)。 增益為1的屏幕有兩個(gè)獨(dú)特的特點(diǎn)。 首先，它是朗伯型，這意味著從所有觀看角度來(lái)看，亮度似乎都一樣。 其次，它沒(méi)有吸收。 通過(guò)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(lái)，屏幕似乎更亮)。

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

亮度與技術(shù)

屏幕增益與投影技術(shù)無(wú)關(guān)，但組件的光學(xué)效率與投影技術(shù)密切相關(guān)，因?yàn)樗Q于特定的光引擎設(shè)計(jì)，而每種技術(shù)光引擎設(shè)計(jì)的架構(gòu)都完全不同。

在光學(xué)效率方面，有4個(gè)組件級(jí)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(gè)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(xué)元件的疏松物質(zhì)吸收的光，對(duì)于常用與投影機(jī)中的光學(xué)材料來(lái)說(shuō)非常這種損耗非常少。

衍射損耗源自于光波本質(zhì)，導(dǎo)致光線在遇到邊緣和小物體時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)移，其中“小”基于波長(zhǎng)階次。 衍射損耗因技術(shù)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(jiàn)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(wú)法捕捉光源產(chǎn)生的所有光。

開(kāi)發(fā)人員應(yīng)盡量選擇擁有較高的固有光學(xué)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(gòu)的顯示技術(shù)。

2D MEMS提供最大的靈活性，原因是它們擁有良好的光學(xué)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(shí)現(xiàn)最高的系統(tǒng)光學(xué)效率。 也可以使用LED和燈，但是系統(tǒng)光學(xué)效率會(huì)比較低。

掃描鏡需要高度準(zhǔn)直的光源，受此限制，它們只能與激光器配套使用。

所需對(duì)比度-無(wú)名英雄

對(duì)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(qiáng)度和顏色設(shè)定了的基準(zhǔn)。

投影系統(tǒng)黑色亮度取決于兩個(gè)因素： 顯示系統(tǒng)的內(nèi)在對(duì)比度和環(huán)境光亮度。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有時(shí)能夠控制環(huán)境光亮度，有時(shí)又無(wú)法控制(具體取決于應(yīng)用)，而光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)在對(duì)比度取決于多個(gè)系統(tǒng)因素，其中有些因素是設(shè)計(jì)人員能夠控制的。

量化顯示系統(tǒng)的對(duì)比度有兩種常見(jiàn)方式。 全開(kāi)/全關(guān)(FOFO)對(duì)比度方法，該方法先測(cè)量全白和全黑的光輸出，然后計(jì)算對(duì)比度。

ANSI對(duì)比度方法首先顯示ANSI 棋盤(pán)(16塊的黑色和白色圖案)，先測(cè)量所有白色盒子的亮度，然后測(cè)量所有黑色盒子的亮度。 ANSI對(duì)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(huì)認(rèn)為這兩種方法能夠得出相同的對(duì)比度，但事實(shí)并非如此。 要理解這一現(xiàn)象，需要把“對(duì)比度”作為“雜散光”的測(cè)量指標(biāo)。 然后，把每種方法看做是從系統(tǒng)的不同部分來(lái)測(cè)量雜散光。 具體而言，F(xiàn)OFO評(píng)估顯示面板產(chǎn)生的雜散光，而ANSI則評(píng)估光學(xué)系統(tǒng)的其余部分所產(chǎn)生的雜散光。

數(shù)學(xué)運(yùn)算可帶來(lái)更深入的洞察。 公式3展示了整體系統(tǒng)對(duì)比度(S)、顯示面板的內(nèi)在對(duì)比度(P)及光學(xué)系統(tǒng)其余部分的內(nèi)在對(duì)比度(K)這三者之間的關(guān)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(gè)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(duì)比度(S)如何隨著光對(duì)比度(K)而變化，為方便起見(jiàn)，假定P=1。 圖2表明，隨著光對(duì)比度的提高，系統(tǒng)對(duì)比度逐漸接近顯示面板對(duì)比度。 此外，還顯示了“收益遞減點(diǎn)”，那就是當(dāng)光對(duì)比度是顯示面板對(duì)比度的4到9倍時(shí)。

(圖字)系統(tǒng)對(duì)比度S;假設(shè)顯示面板對(duì)比度P=1;光學(xué)系統(tǒng)對(duì)比度K

圖2-系統(tǒng)對(duì)比度與光學(xué)系統(tǒng)對(duì)比度

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

(5)

如果沒(méi)有環(huán)境光(環(huán)境光=0)，則將本機(jī)投影機(jī)對(duì)比度 (CRPROJ_NATIVE) 作為WhitePROJECTED/BlackPROJECTED ，得出以下結(jié)論： 1) 當(dāng) Ambient = BlackPROJECTED時(shí)，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(huì)產(chǎn)生非常糟糕的顯示效果。

對(duì)比度與技術(shù)

在理想情況下，應(yīng)選擇具有最高內(nèi)在對(duì)比度的顯示技術(shù)，并根據(jù)需要優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)比度，以達(dá)到目標(biāo)整體對(duì)比度。

2D MEMS的內(nèi)在面板對(duì)比度取決于從MEMS結(jié)構(gòu)散發(fā)出來(lái)的光的數(shù)量。 將光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué)元件的尺寸，降低其成本，但會(huì)損失一些亮度。

LCD/LCoS的內(nèi)在對(duì)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(guān)”位置，這種能力因面板設(shè)計(jì)而異。

掃描鏡的對(duì)比度與激光驅(qū)動(dòng)電子器件能否完全關(guān)閉激光器息息相關(guān)。

結(jié)束語(yǔ)

本文探討了對(duì)顯示分辨率、色域、亮度和對(duì)比度等方面的要求。 此外，還討論了當(dāng)前可用的顯示技術(shù)是否能夠滿(mǎn)足這些要求。

掃描鏡顯示器通過(guò)使用激光器獲得了較高的分辨率、色域、亮度和對(duì)比度，但代價(jià)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(shí)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)的效率，當(dāng)使用LED和燈時(shí)，會(huì)受到所選偏振技術(shù)的限制。 其對(duì)比度取決于面板是否能夠完全將光偏振旋轉(zhuǎn)到“關(guān)”位置。

2D MEMS顯示器(德州儀器DLP®技術(shù))顯示器借助顯示面板的內(nèi)在分辨率實(shí)現(xiàn)較高的分辨率，而2D MEMS面板能夠提供常見(jiàn)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(xué)系統(tǒng)的效率，但沒(méi)有偏振限制。 2D MEMS的內(nèi)在對(duì)比度源自于MEMS結(jié)構(gòu)的散射，可借助較大的(較慢的)光圈光設(shè)計(jì)來(lái)減少這一影響。 目前領(lǐng)先的2D MEMS技術(shù)的一個(gè)非常獨(dú)特的特性是，能夠采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可增強(qiáng)感知亮度和對(duì)比度，或配置為降低能耗。