用于模擬訓(xùn)練的LED 照明光源白皮書

從發(fā)明之初，投影技術(shù)就成為大型高分辨率圖像顯示的主要技術(shù)。多年來，投影機(jī)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)圖像和視頻信源的進(jìn)步并駕齊驅(qū)，并緊隨更高分辨率和更大尺寸銀幕的趨勢(shì)。

然而，在某些應(yīng)用中往往需要在更大的投影范圍上達(dá)到更高的像素密度，這是任何單獨(dú)的定焦投影機(jī)所無法提供的，尤其是模擬訓(xùn)練(ST)，其訓(xùn)練過程經(jīng)常要求在寬視場(chǎng)中達(dá)到“肉眼極限分辨率”的目標(biāo)。以上應(yīng)用最好的實(shí)現(xiàn)方式是將多臺(tái)投影機(jī)布置成一個(gè)投影陣列，然后將每臺(tái)投影機(jī)所投射出的圖像拼接在一起，形成更高像素?cái)?shù)的合成影像。所獲得的獨(dú)立圖像可以是經(jīng)過邊緣拼接的，也可以是經(jīng)圖像重疊和邊緣融合后得到的無縫整體圖。

挑戰(zhàn)

投影陣列給圖像的投影應(yīng)用帶來了許多特殊的工程挑戰(zhàn)，這在（不同投影機(jī)所投射的）相互毗連的圖像在曲面上進(jìn)行邊緣融合時(shí)表現(xiàn)得尤其明顯。作為一家設(shè)計(jì)和制造用于陣列投影顯示設(shè)備的老牌公司，科視–其投影設(shè)備依次基于陰極射線管（CRT），硅基液晶以及DLP?技術(shù)–這些年來，已經(jīng)提出能應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的專用解決方案。[1]

ChristieTWIST?將ChristieDLP?投影機(jī)的內(nèi)部的變形和融合模塊與外部電腦中運(yùn)行的軟件相結(jié)合，解決了圖像融合過程中曲面上多個(gè)重疊定焦矩陣圖像的幾何圖形的投影和精確拼接問題。ChristieAutoCal?則能適應(yīng)精確拼接和融合的投影陣列校正維護(hù)工作。ChristieAdvancedColor?則解決了顯示陣列中多重畫面的精確色彩匹配問題。ChristieMotoBlend?的電動(dòng)光學(xué)融合技術(shù)可在暗色調(diào)的場(chǎng)景中保持良好的對(duì)比度，同時(shí)對(duì)不同的黑電平進(jìn)行融合，而高速模擬過程中由人眼追蹤而導(dǎo)致的圖像拖影和二重像問題則可通過AccuFrame?解決。

下一解決方案

投影陣列目前的主要挑戰(zhàn)在于投影機(jī)定向的可靠性和靈活性、投影機(jī)安裝的簡(jiǎn)易性以及使用一定時(shí)間后的性能維護(hù)。而所有這些都會(huì)受到投影機(jī)光源性能的極大影響。

數(shù)字投影機(jī)通常使用高壓氣體放電（HID）燈照射一個(gè)或多個(gè)微型顯示器?，F(xiàn)今，這些燈一般基于超高壓下的氙蒸氣或汞蒸氣放電。隨著適用于ST陣列投影的投影機(jī)從模擬式（CRT和光閾式）逐漸發(fā)展為數(shù)字式，以集成電路為主要形式的固態(tài)元件在投影機(jī)內(nèi)部架構(gòu)中也占據(jù)了越來越大的比例–其中就包括DLP?技術(shù)的微型顯示器。但投影機(jī)的光源依然頑固地保持著非固態(tài)，直到現(xiàn)在也是如此。

固態(tài)發(fā)光二極管(led)的出現(xiàn)取代了HID燈。正如ChristieMatrixStIM?投影系統(tǒng)所表現(xiàn)的那樣，它帶來了操作上和性能上的許多顯而易見的優(yōu)勢(shì)，并可解決投影陣列中現(xiàn)存的一些難題。

從操作上來說，LED的主要優(yōu)勢(shì)是高可靠性和長(zhǎng)壽命。例如，根據(jù)LED制造商LuminusDevices公司基于數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的儀器實(shí)際使用測(cè)試得出的可靠數(shù)據(jù)，我們可以預(yù)測(cè)，在投影應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)操作條件下，其中值壽命將超過80,000小時(shí)。[2]這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)高于HID燈的預(yù)期壽命，后者從某些高功率氙氣燈500小時(shí)的短壽命到某些低功率、超高壓汞蒸氣燈所能達(dá)到的（最多）約10,000小時(shí)的長(zhǎng)壽命不等。[3][4]

更長(zhǎng)的光源壽命意味著由燈泡故障和更換造成的故障時(shí)間大幅縮短，同時(shí)這也意味整個(gè)陣列的故障時(shí)間也大為縮短。這一點(diǎn)，對(duì)滿足在寬視場(chǎng)上達(dá)到“肉眼極限”分辨率的大型投影陣列而言更為重要。它還意味著用戶可通過避免經(jīng)常更換燈泡而造成的原材料和勞動(dòng)力損耗來降低產(chǎn)品的擁有成本，包括妥善處理廢舊燈泡的成本。由于汞蒸氣燈中含有的汞在許多國(guó)家都受到環(huán)保限制，因而更換燈泡對(duì)環(huán)境帶來的影響也不容忽視。

由于LED不產(chǎn)生紫外線（UV），因此也能潛在提升投影機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的平衡可靠性。相比之下，HID燈所產(chǎn)生的大量紫外光必須在進(jìn)入投影機(jī)的光學(xué)器件之前消除，因?yàn)樽贤夤鈺?huì)加速光學(xué)涂層及其他材料，特別是基于有機(jī)化合物的材料的老化。[5]當(dāng)然，通過精心設(shè)計(jì)能夠減輕這一問題所帶來的影響，但是諸如液晶顯示(LCD)和硅基液晶(LCoS)這類采用偏光材料的投影技術(shù)一直以來就對(duì)紫外線極其敏感。[6]

作為固態(tài)元件，LED也十分堅(jiān)實(shí)。它們可以承受極高程度的加速及震動(dòng)。例如，用于投影應(yīng)用的LED在機(jī)械完整性測(cè)試中被證實(shí)可承受1500g/0.5ms的沖擊以及高達(dá)20g的連續(xù)振動(dòng)。[2]這些數(shù)字遠(yuǎn)超出那些用于ST的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的典型加速度分布。

固態(tài)還帶來了另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是LED可被安裝于任意方向上。相比之下，HID燈的可靠操作則幾乎總是將燈的主軸限制在水平方向上，只能允許有限的傾斜。[3]而專用投影機(jī)在設(shè)計(jì)過程中需要考慮到其在典型的陣列構(gòu)型中的使用，那么沒有此類方向限制的投影機(jī)無疑會(huì)在安裝的選擇上帶來更大的靈活性。

LED在操作上的另一優(yōu)勢(shì)則利用LED的技術(shù)潛力，使之容易產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的近紅外光(NIR)并對(duì)其加以控制。通過結(jié)合投影機(jī)光路中的窄帶和近紅外LED以及常見的紅色、綠色和藍(lán)色LED，ChristieMatrixStIM?投影系統(tǒng)可產(chǎn)生NIR圖像，從而在不損害圖像可見光譜段顯色性的同時(shí)實(shí)際模擬夜視儀(NVGs)效果。這種被稱作InfraScene?的功能，可以帶來更加真實(shí)的NVG訓(xùn)練。準(zhǔn)確控制從NIR光到RGB光的平衡能力也使得投影機(jī)的輸出光譜可以根據(jù)現(xiàn)有或新NVG技術(shù)而改變。這種分離的NIR通道所帶來的靈活性是定焦濾光投影機(jī)所不能提供的。

更高的性能

LED照明技術(shù)可提供許多性能優(yōu)勢(shì)。舉例來說，LED不但具有更長(zhǎng)的使用壽命，精密的投影機(jī)設(shè)計(jì)使得它們的亮度幾乎不會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而減弱。根據(jù)典型設(shè)備的長(zhǎng)期老化數(shù)據(jù)，我們可預(yù)測(cè)，即使在最大建議接點(diǎn)溫度下，經(jīng)過20,000小時(shí)的運(yùn)行，預(yù)期紅光和藍(lán)光亮度僅會(huì)發(fā)生20%的衰減，而綠光的衰減將小于5%。[2]相比之下，HID燈的亮度則會(huì)在使用后數(shù)百小時(shí)內(nèi)從其峰值輸出迅速減弱，并在使用壽命結(jié)束時(shí)衰減50%（根據(jù)典型定義）。[3]

光輸出的下降速度越慢，規(guī)定時(shí)間內(nèi)與峰值亮度密切相關(guān)的平均亮度值就越高。）對(duì)于投影陣列來說更重要的是，由于單個(gè)拼接圖像在其未修正態(tài)中的亮度差別不大，使得在陣列上進(jìn)行整體圖像的亮度均勻性維護(hù)變得更加容易了。

要在一組陣列式圖像上保持亮度的均勻性，就需要對(duì)各個(gè)單獨(dú)投射圖像的相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行很好的控制。在這方面LED也顯示出優(yōu)勢(shì)。人們可大范圍地電子控制LED的亮度，在設(shè)備特性僅發(fā)生微變或不變的情況下，其控制潛力可達(dá)100%（從全白到全黑）。而另一方面，HID燈的亮度控制范圍則通常會(huì)受到很大的局限：對(duì)于某些汞蒸氣燈來說，其控制范圍僅有20%，而對(duì)于氙氣燈，其數(shù)值也不過才50%

對(duì)LED光輸出精確控制的能力不僅能實(shí)現(xiàn)位于陣列中的投影機(jī)的峰值亮度的平衡，也可實(shí)現(xiàn)黑電平及色彩的精確平衡。因?yàn)楦鱾€(gè)紅色，綠色和藍(lán)色LED均被獨(dú)立控制，任何顏色失衡都可輕易得到實(shí)時(shí)修正，從而可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的色彩以及兩臺(tái)投影機(jī)間精確的色彩拼接。當(dāng)然，在投影陣列上平衡圖像屬性的能力并不會(huì)憑空產(chǎn)生，而必須由人們將其設(shè)計(jì)為一套解決方案才能實(shí)現(xiàn)。ChristieArrayLOC?就是這樣一套解決方案，它可在高達(dá)128臺(tái)投影機(jī)的投影陣列上，提供亮度、黑電平和色彩方面的實(shí)時(shí)和連續(xù)自動(dòng)平衡。

涉及黑電平時(shí)，如果投影陣列合成的總黑電平值高出應(yīng)用要求的話，控制和平衡就幾乎不起什么作用了。特別是夜間應(yīng)用的ST，更要求黑電平盡可能的低。而LED在這方面的優(yōu)點(diǎn)則是當(dāng)需要時(shí)其可將光輸出“撥回”至零。

人們通常認(rèn)為色彩是繼對(duì)比度、分辨率和亮度之后在圖像質(zhì)量方面最重要決定因素。而這也是LED的最大優(yōu)點(diǎn)之一。投影機(jī)中所使用的每個(gè)紅色、綠色和藍(lán)色LED均會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)范圍極窄的光，典型的藍(lán)光主波長(zhǎng)為460nm，綠光為525nm，而紅光為625nm。因此，LED投影機(jī)本身色域相對(duì)較大。CIE色度圖(1931)上三角形面積所定義的典型LED投影機(jī)的色域幾乎比通常用于成像的標(biāo)準(zhǔn)sRGB的色域大了將近70%。

只要對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行正確編碼，LED照明所具有的更大色域?qū)⑹蛊湟猿龀Ｒ?guī)燈泡技術(shù)的光譜性能精確再現(xiàn)真實(shí)物體色彩。顯然，通過降低原色的飽和度，諸如sRGB的標(biāo)準(zhǔn)色域可被精確渲染。由于LED的各原色都可被完全獨(dú)立控制，上述目標(biāo)可在極少甚至完全不犧牲其他性能參數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于投影陣列，更為重要的一點(diǎn)是，擁有大色域值的投影機(jī)也將使整個(gè)投影陣列達(dá)到更廣的色域，這是因?yàn)槿魏喂采虿豢杀苊獾貢?huì)受其中每一臺(tái)投影機(jī)所能達(dá)到的色域范圍的限制。例如，對(duì)于那些僅能在標(biāo)稱數(shù)值上達(dá)到sRGB色域的投影顯示，由于誤差的影響，陣列的合成色域可能會(huì)比sRGB色域要小.

另外非常重要的一點(diǎn)是，LED最終使得單片DLP?投影機(jī)的設(shè)計(jì)能適應(yīng)關(guān)鍵應(yīng)用的要求。以一個(gè)傳統(tǒng)HID燈作為光源，單片DLP?系統(tǒng)依賴于使用機(jī)械色輪以在每一視頻幀期間內(nèi)（通常為一秒鐘的1/60）進(jìn)行原色間的循環(huán)。作為機(jī)械裝置，色輪是投影機(jī)整體可靠性的一大弱點(diǎn)。因?yàn)檩喌霓D(zhuǎn)速會(huì)受到實(shí)際限制，因此每幀顏色可循環(huán)的次數(shù)也會(huì)受到限制，色輪也會(huì)造成色分離假象（所謂的“彩虹”效應(yīng)）并使圖像不能用于特定應(yīng)用中。例如，由于人眼部的快速掃視或頭部的快速運(yùn)動(dòng)，從色輪式投影機(jī)中投射出的黑底白色的圖像會(huì)分裂為多條色帶。

LED的使用完全淘汰了色輪。人們可以利用LED間的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行原色的電循環(huán)。將LED的高轉(zhuǎn)換速度與DLP裝置的高速相結(jié)合便可帶來極高的變化率，通常為每幀間RGB循環(huán)24次，相較而言，使用色輪最多只能循環(huán)六次。投影陣列可獲益于單片DLP投影機(jī)相較于三片投影系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，比如更小的封裝體積，更簡(jiǎn)單的光學(xué)和電子學(xué)器件，以及可用于圖像精確融合的對(duì)應(yīng)RGB像素點(diǎn)等。自然地，所有DLP系統(tǒng)都具有數(shù)字微鏡裝置（DMD）的優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)提供了固有的卓越灰度跟蹤和圖像均勻性，以及其它許多特性。DMD因其穩(wěn)定的可重復(fù)色彩、長(zhǎng)壽命及其靈敏清晰的圖像而著稱。

迎接挑戰(zhàn)

使用LED作為光源會(huì)給投影陣列帶來超越HID燈泡的諸多優(yōu)勢(shì)，這在ST的應(yīng)用方面尤為明顯，然而，有效地開發(fā)那些優(yōu)勢(shì)仍需克服許多重大挑戰(zhàn)。

首先，從LED中發(fā)出的光，就其光通量（原流明）和光譜特征而言，都依賴于設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電流和接點(diǎn)溫度。特別地，這兩個(gè)因素都可以改變LED放出光的峰值波長(zhǎng)，而這將改變圖像的色域。[7]顯然，電流和接點(diǎn)溫度都必須被精確地控制。經(jīng)過數(shù)年的研究，科視公司已經(jīng)發(fā)展了對(duì)應(yīng)這類控制的諸多專利技術(shù)，并申報(bào)多項(xiàng)專利。

第二，接點(diǎn)溫度也會(huì)對(duì)LED的可靠性以及光輸出隨時(shí)間衰減的速度產(chǎn)生影響。因此，良好的熱量控制和系統(tǒng)冷卻技術(shù)對(duì)于將系統(tǒng)溫度降至最小值、增強(qiáng)可靠性以及保持投影機(jī)使用壽命期間的最優(yōu)性能都是極為重要的。

最后則是亮度的問題。毫無疑問，目前LED還不能實(shí)現(xiàn)許多汞蒸氣燈的高水平光輸出，更不用說與高功率氙氣燈相比了。在這三大光源技術(shù)間存在著明顯的光輸出級(jí)別的界線。然而，在一些應(yīng)用中，LED可達(dá)到的屏幕亮度非常合適，并且LED在圖像表現(xiàn)及操作上的優(yōu)勢(shì)更顯得尤為重要。比如夜間應(yīng)用的ST，就是此類應(yīng)用中的一種。

然而，在過去幾年中，隨著光通量的迅速增長(zhǎng)，LED照明技術(shù)所帶來的巨大優(yōu)勢(shì)將激勵(lì)此項(xiàng)技術(shù)迅猛發(fā)展。隨著這股趨勢(shì)繼續(xù)延續(xù)，基于LED技術(shù)的投影機(jī)很快就將能提供足夠的亮度，以滿足更多應(yīng)用的要求。

科視的優(yōu)勢(shì)

LED技術(shù)既不是全新的，也不是未經(jīng)證實(shí)的。甚至對(duì)于投影顯示，它也不是全新的：PhlatLight?LED背投電視以及所謂的“袖珍”前置屏幕投影機(jī)早已面世。接下來的幾年內(nèi)，許多可應(yīng)用于家庭影院和商務(wù)演示的小型、前置屏幕LED投影機(jī)將不斷涌現(xiàn)。隨著PhlatLight?等公司對(duì)大尺寸LED亮度的快速改進(jìn)，用LED作為投影機(jī)的照明光源正在迅速成為主流。

然而，LED照明在對(duì)應(yīng)模擬訓(xùn)練投影陣列中的應(yīng)用則是全新的。這帶來了大量獨(dú)特及富有挑戰(zhàn)性的新需求，其中大多數(shù)是用戶或商用光投影顯示中沒有提到過的。要滿足這些需求，就必須設(shè)計(jì)專門的解決方案。

科視公司在設(shè)計(jì)和制造滿足特定市場(chǎng)需要的專用產(chǎn)品方面的記錄，以及為投影陣列技術(shù)中存在的特殊挑戰(zhàn)提出解決方案的革新史早已得到業(yè)界的公認(rèn)。ChristieMatrixStIM?投影系統(tǒng)是科視公司最新的產(chǎn)品，它集成了用于NVG模擬的InfraScene?LED技術(shù)與可實(shí)現(xiàn)陣列智能自我調(diào)節(jié)的ChristieArrayLOC?技術(shù)。該產(chǎn)品的幾大技術(shù)革新成功發(fā)掘了LED技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)，從而可提供高度可靠和免維護(hù)的環(huán)境可擴(kuò)展無縫顯示系統(tǒng)。它帶來了訓(xùn)練體驗(yàn)的革命。