投影顯示器的優勢在于其靈活的物理規格。 這種靈活性的早期示例發生在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生重大影響。 這些特點相結合，將“顯示器”這一概念從獨立的組件轉變為可隨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照明源的商用，制造商們才得以完全發揮出投影顯示器在廣泛工業應用領域的潛力。 家居自動化、數字標牌、人機界面（HMI） / 浸入式技術等應用都受益于一種現實技術，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變為顯示器，如果需要的話，甚至能夠轉變為交互式顯示器。 與此類似，近眼顯示器需要能夠適用于緊湊型工業設計的高品質顯示技術。

　　對于今天的開發人員、品牌和系統集成商來說，將投影技術融入到新興和現有工業產品中需要經過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

　　平衡優勢（特性和功能）與限制（成本、尺寸、重量、能耗等）是成功開發產品的關鍵所在。 實現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，那么最優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（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）

　　（2）

　　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量的函數（M2），光束質量越高通常成本也越高。

　　所需顏色-廣泛的選擇

　　對于第一階，顯示系統以類似于HVS感知色彩的方式產生顏色。 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生廣泛的顏色選擇。

　　影響屏幕上再現的顏色質量的因素有很多。 光引擎的因素包括它能夠產生的色域，這取決于原色的飽和度。 事實上，激光產生的飽和度最高，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）

　　現已規定了各種標準色域，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

　　開發人員首先應該考慮目標色域，然后再考慮實現該色域所需的光源，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）結合使用。 因此，每種技術都能實現類似的色域。 區別在于可實現的系統光學效率。 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；因此它們能夠實現非常大的色域。 但也需考慮散斑的繼發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： 從顯示器區域發射出（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。

　　環境尼特

　　表1 – 尼特參考點［1］

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

　　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，導致光線在遇到邊緣和小物體時會轉移，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生的所有光。

　　開發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量最少、與光源的集光率最匹配的光系統架構的顯示技術。

　　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）可實現最高的系統光學效率。 也可以使用LED和燈，但是系統光學效率會比較低。

　　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。 顯示器能夠創造的黑色質量為各種其他強度和顏色設定了的基準。

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

　　量化顯示系統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的不同部分來測量雜散光。 具體而言，FOFO評估顯示面板產生的雜散光，而ANSI則評估光學系統的其余部分所產生的雜散光。

　　數學運算可帶來更深入的洞察。 公式3展示了整體系統對比度（S）、顯示面板的內在對比度（P）及光學系統其余部分的內在對比度（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”，其中比例因數取決于P/K比。圖2顯示了系統對比度（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）系統對比度S；假設顯示面板對比度P=1；光學系統對比度K

　　圖2-系統對比度與光學系統對比度

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

　　（5）

　　如果沒有環境光（環境光=0），則將本機投影機對比度 （CRPROJ_NATIVE） 作為WhitePROJECTED/BlackPROJECTED ，得出以下結論： 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，應選擇具有最高內在對比度的顯示技術，并根據需要優化系統對比度，以達到目標整體對比度。

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

　　LCD/LCoS的內在對比度基本上取決于面板是否能夠完全將光偏振旋轉到“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動電子器件能否完全關閉激光器息息相關。

　　結束語

　　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在分辨率實現較高的分辨率，從光源（LED、激光器、燈）獲得色域。 其亮度取決于光學系統設計可以實現的效率，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在分辨率實現較高的分辨率，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的效率，但沒有偏振限制。 2D MEMS的內在對比度源自于MEMS結構的散射，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，能夠采用數據處理技術，可增強感知亮度和對比度，或配置為降低能耗。