投影仪的成像原理是什么？
摘要：投影仪已广泛应用于演示和家庭影院。投影仪内部有三种生成投影图像的组件。根据所用元件的种类和数量，产品的特性也有所不同。此外，投影机特有的问题还包括：画面会因投影角度不同而失真，屏幕前方要留有一定的空间等。解决办法是采取畸变补偿、短焦距等措施。
投影仪是一种用于放大和显示图像的投影设备。目前，它已被用于会议室演示和通过连接家中的DVD播放器和其他设备在大屏幕上观看电影。在电影院，也开始取代旧胶片的数字电影放映机被用作硬盘数字数据的屏幕。
说到投影仪显示图像的原理，基本上所有类型的投影仪都是一样的。投影仪将光照射到图像显示元件上以产生图像，然后通过透镜将其投影。投影仪的图像显示元件包括使用光透射来产生图像的透射型和使用反射光来产生图像的反射型。无论是哪一种，投影灯光都分为红、绿、蓝三种颜色，然后产生各种颜色的图像。因为元素本身只能显示单色，所以需要用三个元素分别生成三个颜色分量。然后，三色图像通过棱镜合成一幅图像，最后通过透镜投射到屏幕上。
使用图像显示元件，分别产生红色、绿色和蓝色图像，然后通过合成进行投影。
图像元素包括三种类型。其中，有两种类型的液晶，即使用光透射液晶的透射型液晶元件和使用反射光的反射型液晶元件。后一种元件是DMD(数字微镜元件)，它为每个像素使用一个微镜，通过改变反射光的方向来生成图像。这三个组件各有利弊。
投影仪使用的反射式液晶元件一般采取以下三种措施：(1)无机材料制成的取向膜易于控制液晶；(2)通过减小液晶层的厚度来提高响应速度；(3)通过消除液晶中的屏障，即间隔物，提高了光的利用效率。
透射元件和反射液晶元件
与液晶面板结构相同的透射元件
通过A型液晶元件产生图像的原理与已经被广泛用作普通计算机显示屏的液晶显示器的原理相同。在日本，精工爱普生和索尼已经开始提供这种组件。投影仪中使用的液晶元件由高温多晶硅液晶制成。因为它不同于普通的液晶显示器，小像素产生的图像被放大到几百倍再投影，所以极其微小的缺陷放大后会非常明显，制造时需要相当高的精度。
透射式液晶元件的工作原理与液晶显示器完全相同。液晶分子的方向在通电后会发生变化，可以通过液晶分子的方向来调节是否让光线通过，从而显示白色和黑色。
它的缺点是光的利用效率差。这是因为透射式液晶面板由多层构成，因此只有大约30%的入射光可以通过。
透射型液晶元件的尺寸变得越来越小。一般透射式液晶元件在0.7-0.8英寸之间，但为了控制成本，主流投影机使用的元件都在0.7英寸左右。然而，元件越小，光透过的面积越小，因此图像越暗。所以在使用小元器件时，为了保证亮度，投射灯要大一些，为了提高光传输效率，光学系统也要大一些。“因为使用小型液晶面板时，为了保证亮度，必须照射更多的光线，所以机身反而会更大。尺寸在0.9英寸左右时，既能保证足够的亮度，又能设计得更小。”(高木清英，商品企划部经理
透射型液晶元件会由于长期使用而老化。这是因为用于调节液晶分子方向的取向膜和用于控制光线方向的偏振片是由有机材料制成的。由于投射灯功率大，不仅发热，而且光线强，会引起有机物质发生化学变化。由于投射灯的使用模式和用户的使用方法，材料的老化程度差异很大。
适用于视频回放的反射型液晶元件
在可以实现高图像质量的液晶元件中，有一种反射型液晶。最大的特点就是视频显示的响应速度非常快，而且因为对比度高，黑色显示的非常清晰。这种液晶适用于显示电影和其他视频。
目前，已有三家日本公司成功开发了这一组件。JVC、日立和索尼分别在1997年、2001年和2003年发布了这种组件。JVC的组件名是“D-ILA”，索尼的组件名是“SXRD”。
反射型液晶元件比透射型液晶元件具有更高的光利用效率，因此可以制造高亮度的投影仪。液晶部分下面有一层反射光线的薄膜，可以反射60-70%的光线。高对比度是由于当电压关闭时液晶的垂直排列。这种方法称为垂直定向。当没有施加压力时，它显示为黑色，因此可以更清楚地显示黑色。当显示暗画面时，反射式液晶元件的优点更容易理解。当黑色的衣服和头发显示在黑暗的屏幕上时，它们可以不受背景的影响而显示出来(JVC ILA中心策划经理Kyoshi Shibata)。
投影仪中使用的反射式液晶元件的高响应速度是由于在液晶部分采取了某些措施。通过将液晶层减小到小于2m，提高了响应速度。一般来说，为了保证液晶面板的厚度均匀，需要在液晶中加入一种叫做隔离物的辅助材料。该隔离物的厚度是液晶层的厚度。而JVC的D-ILA和索尼的SXRD在制造方法和封装材料上下足了功夫，在不使用垫片的情况下做到了2m的厚度。“通过取消间隔物，解决了像素显示部分会出现间隔物的问题。液晶盒的厚度由封装材料保证。”(索尼投影显示公司投影仪引擎部门总经理桥下彻)
如何使用镜头进行反射？
一些投影仪也使用微镜元件。这是德州仪器开发的DMD。由于DMD专利归该公司所有，因此只有该公司可以生产和供应。使用DMD的投影仪被称为DLP(数字光处理)投影仪。
DMD的每个像素都是一面镜子，在半导体衬底上有多少像素就有多少微镜。微镜的边长只有14微米.带有最多微镜的DMD约为800，000像素。图像由0.7英寸(对角线长度)底板上的大约800，000个微镜一个接一个地移动来显示。
每个微镜以对角线方向为轴左右倾斜。微镜通过静电引力移动。当对微镜本身施加20V的电压，在一个对角端的下方施加5V的电压，并且对另一个微镜施加0V的电压时，0V端的电势差很大，因此微镜将向这一侧移动。
利用微镜的角度来改变反射方向。当显示白色时，它被设置为朝向镜头的反射光的角度。当显示黑色时，光被吸收板吸收。结构图由日本德州仪器提供。
通过倾斜DMD的方向来改变光的反射角度，可以实现白色和黑色。当微镜向某个方向倾斜10度时，通过调整，光线会反射到透镜方向，当微镜向相反方向倾斜10度时，光线会反射到吸光板。以这种方式，当光向透镜反射时显示白色，当向光吸收板反射时显示黑色。中间色调是通过在极短的时间内反复切换黑白来实现的。
与液晶元件相比，DMD像素具有更高的图像显示性能。首先，对比度高。最高对比度为3000: 1。另外，对信号的响应速度快。响应速度在15微秒左右，几乎是液晶的1000倍。响应速度越快，视频图像显示越流畅。并且DMD的光利用效率更好。因为像素由微镜组成，所以90%的照射光将被反射出去。不过虽然性能高，但是每个像素的平均价格也高。
