投影天下

    师爱香 邱元阳

    

    

    编者按：在教育信息化和信息技术辅助教学的过程中，投影机起到了非常重要的作用。投影机是一种应用十分广泛的大屏幕影像设备，曾经每一间多媒体教室、会议室，几乎都少不了它的身影。经过几十年的发展和市场竞争，投影机在不断地更新换代，其应用领域也不断扩展，不仅投影机厂家之间存在竞争，而且投影机与其他大屏显示设备也在展开竞争。

    ● 前世今生：投影机发展简史

    1640年，奇瑟发明了一种叫魔法灯的幻灯机，运用镜头及镜子反射光线的原理，将一连串的图片反射在墙面上，这被认为是世界上第一台投影机。

    不过也有人认为更早利用光影技术的形式还有中国古代的皮影戏，这可以追溯到公元前100多年。而走马灯和万花筒也可以看作早期幻灯机的原型。但能将光学图像投射到墙壁上的最早发现却可能是小孔成像，公元前400多年的墨子就已经做了第一个小孔成倒像实验，并解释了小孔成像的原因。

    1654年，犹太籍德国人基夏尔记述了最初幻灯机的发明：采用烛光为光源，外壳用铁皮敲成一个方箱，顶部有排气筒，正前方装有一个圆筒，圆筒中用一块可滑动的凸透镜形成简单的镜头，镜头和铁皮箱之间有一块可调节焦距的面板，箱内装有蜡烛。使用时，把幻灯机置于暗房内，将幻灯片插入凸透镜后面的槽中，点燃蜡烛，光源通过反光镜反射汇聚，通过透明画片和镜头，形成一束光柱映在墙幕上。

    1845年，幻灯机开始工业化生产，光源从蜡烛、油灯、汽灯一直到电灯，不断改进，并增加了凹面反射镜的散热结构。幻灯片也从玻璃手工绘制发展到赛璐珞胶卷照相移片法生产，并能自动输片，这种幻灯机结构基本上稳定到现在。

    20世纪50年代，随着集成电路技术的发展，出现了CRT投影机。CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）投影机有三个镜头，分别投射出红绿蓝三种颜色来达到投影目的，色彩丰富，还原性好，投影技术开始出现在剧院、会议室等场所。

    但是，CRT投影机调试复杂，需要空间大，风扇噪音大，其使用范围受到很大限制，直到被LCD投影机淘汰。

    1989年，爱普生推出了世界上第一台LCD投影机，利用液晶在电极的作用下发生排列变化，影响其液晶单元透光率和反射率，产生具有不同灰度层次及颜色的图像。1996年爱普生又推出了3LCD技术，在稳定性和色彩表现方面有了突破，独步投影市场十余年。之后索尼也加入到LCD芯片研发行列，LCD投影技术被爱普生和索尼两家垄断。LCD投影机有两种机型，即液晶板投影机与液晶光阀投影机。

    1996年，德州仪器公司的数字光学处理（Digital Light Processing，DLP）技术走向投影显示市场，第一款DLP投影机面世。DLP技术的核心是由数以万计被微型链链接固定的镜片所组成的数字显微镜装置（Digital Micromirror Device，DMD），这些镜片沿光源前后倾斜，反射出或亮或暗的灰色阴影，经过色轮过滤后投射出彩色图像。2003年之后，DLP投影机凭借便携化优势后来居上，与LCD投影机两分天下。

    1999年，JVC在INFOCOMM展览会上推出了全世界首款LCOS投影机。LCOS（Liquid Crystal on Silicon）也是一项从LCD发展起来的技术，其结构是在基板上涂上一层硅晶，可以看作是综合LCD和DLP之长的改良技术，它的基本原理与LCD技术相似，但利用的是与DLP相似的反射式架构。LCOS技术具有高分辨率、高光效率、高对比度和高色彩饱和度等优点，在发展初期被普遍看好，但是由于面板的良品率过低，成本控制和量产难度较大，短短4年之后多家大型厂商就相继宣布中止LCOS计划，面临发展停滞。

    2000年富可视推出全球第一台DVI笔记本投影机，2001年东芝推出世界上最短焦的投影机，2002年东芝推出世界上第一台无线投影机，2003年NEC推出全球首款镜面反射超短焦投影机，2006年东芝推出球最轻的LED口袋型投影机，2007年HP推出全球第一台内置DVD投影机，2008年德州仪器推出全球第一台家用LED投影机，2008年奥图码率先推出全球第一台手机投影机，2009年尼康发明世界第一款投影相机……

    2012年，明基发布了全球首台激光投影机，采用蓝核光引擎，在色彩、能效、对比度、光源寿命、环保效能上都有长足的进步。2013年，索尼在中国大陆发布了全球首台3LCD全激光光源投影机。

    激光投影机可提供明亮清晰的画面细节和领先同级别产品的高亮度，并且具备丰富的功能和强大的节能优势，这也预示着投影机市场新一轮技术升级换代的开始。

    ● 分门别类：投影机的工作原理

    投影机又称投影仪，是一种可以将图像或视频投射到幕布上的设备。它本身是没有显示屏幕的，只输出比较强的光信号，这些光再投射到幕布甚至墙面上，就能实现较大的观看屏幕，从而丰富观看体验。

    而投影机的信号来源，也往往是通过不同的接口，连接计算机、电视机、机顶盒、DVD、游戏机、相机、DV、手机等设备，接受这些设备视频信号的输入，再转换为光发射出来，其本身一般不作为信号源。

    從光源发生上来看，投影机可以分为CRT投影机、LCD投影机、DLP投影机、LED投影机、激光投影机等。

    1.CRT投影机

    CRT投影机又名三枪投影机，主要是由三个CRT管组成。CRT即阴极射线管，主要是由电子枪、偏转线圈及管屏组成。CRT投影机把输入的信号源分解到R（红）、G（绿）、B（蓝）三个CRT管的荧光屏上，荧光粉在高压作用下发光，经过光学系统放大和会聚，在大屏幕上显示出彩色图像。

    2.LCD投影机

    LCD投影机分为液晶板投影机和液晶光阀投影机两类，一般指的是液晶板投影机，它是利用金属卤素灯或UHP（冷光源）提供外光源，将液晶板作为光的控制层，通过控制系统产生的电信号控制相应像素的液晶，液晶透明度的变化控制了通过液晶的光的强度，产生具有不同灰度层次及颜色的信号，显示输出图像，属于被动式投影方式。液晶光阀投影机则是采用CRT管和液晶光阀作为成像器件，亮度和分辨率都能达到很高。

    LCD投影机有三片机、单片机，通常三片机是用红绿蓝三块液晶板分别作为红绿蓝三色光的控制层，光源发射出来的白色光经过镜头组汇聚到达分色镜组，红色光首先被分离出来，投射到红色液晶板上，液晶板上相应的像素接收到来自信号源的电子信号，呈现为不同的透明度，以透明度表示的图像信息被投射，生成了图像中的红色光信息。绿色光被投射到绿色液晶板上，形成图像中的绿色光信息，同样蓝色光经蓝色液晶板生成图像中的蓝色光信息（如下页图1）。

    3.DLP投影机

    DLP投影机（如下页图2）以反射式DMD为基础，是一种纯数字的显示方式，图像中的每一个像素点都是由数字式控制的三原色生成，每种颜色有8位到10位的灰度等级。DLP技术的这种数字特性可以获得精确数字灰度等级以及颜色再现，与透射式液晶显示LCD技术相比，投射出来的画面更加细腻，不需要偏振光，在光效率的应用上较高，像素间距很小，形成几乎可以无缝的画面图像。因此，DLP投影机一般对比度都比较高，黑白图像清晰锐利，暗部层次丰富，细节表现丰富，在表现计算机信号黑白文本时画面精确，色彩纯正，边缘轮廓清晰。

    根据DMD数字微镜的片数，DLP投影机也有单片、两片、三片之分。目前，市场上出现的大多为单片DLP投影机，机身较小，便于携带。三片DLP投影机，使用三片DMD芯片分别反射三原色中的一种颜色，已经不需要再使用色轮来滤光了，亮度可达到12000ANSI流明，抛弃了传统意义上的会聚，可随意变焦，但分辨率不高，可用于对亮度要求非常高的特殊场合。

    4.LCOS投影机

    LCOS是一种全新的数码成像技术，它采用半导体CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片，CMOS芯片上涂有薄薄的一层液晶硅，控制电路置于显示装置的后面，可以提高透光率，从而实现更大的光输出和更高的分辨率。LCD投影机是利用光源穿过LCD作调变，属于穿透式，而LCOS投影机中是利用反射的架构，所以光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板，属于反射式。

    LCOS技术的投影机通常都采用三片LCOS面板，LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板，无法让光线直接穿过，因此在LCOS投影机系统中，LCOS面板前均加了PBS（Polarization Beam Spliter，偏极化分光镜），将入射LCOS面板的光束与反射后的光束分开（如图3）。除了PBS以外，LCOS投影机的主要结构在导光及分光合光部分的设计与LCD投影机大同小异。

    由于LCOS的晶体管及驱动线路都置于硅基板内，位于反射面之下，不占表面面积，因此，光源利用效率高，画面上像素栅格结构几乎不可见，分辨率也比穿透式LCD高，像素边缘显得更加平滑，有效消除了图像的锯齿现象。

    LCOS投影机在制造时分为半导体CMOS制造及液晶面板贴合封装。液晶面板贴合封装制造难度很大，良品率较低，导致最终产品价格较高。

    5.DLV投影机

    DLV（Digital Light Valve，数码光路真空管），简称数字光阀，它是将CRT透射式投影技术与DLP反射式投影技术结合在一起。其技术核心是将小管径CRT作为投影机的成像面，并采用氙灯作为光源，将成像面上的图像射向投影面。利用CRT投影机的高分辨率和可调性特点，与氙灯光源高亮度和色彩还原好的特点相结合，使得DLV投影机不仅分辨率、对比度、色彩饱和度很高，而且亮度也很高，适合于环境光较强、观众较多的场合，但是价格高，体积大。

    6.LED投影机

    LED投影机采用LED光源，发光原理不同于传统UHE、UHP灯泡，在发光过程中不会产生大量热量，光源寿命可以达到2万小时以上，解决了传统投影机频繁更换灯泡的问题，揭开了投影机发展的新篇章。

    LED投影机的亮度一般在500流明以下，虽然亮度较低，但是功率小，发热量小，可以做成微型产品，其便携性和易操作性上的优势非常明显，再结合智能化的趋势，有可能会取代传统投影机。

    7.激光投影机

    激光投影机是通过激发态粒子在受激辐射作用下发射激光，使用激光光束来透射出画面，其光学部件主要由红绿蓝三色光阀、合束X棱镜、投影镜头和驱动光阀组成。红、绿、蓝三色激光内经过相应的光学元件和处理芯片的扩束后再透射到X棱镜将三束激光整合，然后再由投影物镜将整合后的激光透射到投影幕布上，完成整个激光投影显示过程。激光投影机在各方面性能上的表现都比较优秀。

    8.投影光源和灯泡

    投影机的光源可以分为传统光源、LED光源、激光光源。

    传统投影机的显影原理，主要是由金属卤素灯、氙气灯等发光，集光至面板，将面板的影像经反射或透射投射出影像，再经过分光、合光系统，最后将影像投射到屏幕显像。因此，影响投影机使用寿命的因素主要就是液晶板和灯泡。

    传统投影机使用金属卤素灯作为光源，在点亮状态时，灯泡两端电压在60～80V之间，灯泡内气体压力大于10kg/cm，温度则有上千度，灯丝处于半熔状态。因此，在开机状态下严禁震動和搬移投影机，防止灯泡炸裂，停止使用后不能马上断开电源，关机后要让机器风扇继续运行，散热完成后自动停机。在机器散热状态断电造成损坏是投影机最常见的返修原因，减少开关机次数也对灯泡寿命有益。

    另外，金属卤素灯还存在衰减问题，一般在使用1000小时左右之后，发射光线的亮度不断衰减，色饱和度下降，对比度降低，投射出来的图像质量受到严重影响，这时就不得不更换灯泡，而灯泡的价格不菲，这也增加了投影机的使用成本。

    传统光源除了金属卤素灯，还有超高压汞灯类的UHE和UHP。UHE（Ultra High Efficiency）灯价格比金属卤素灯高，滤除了红外线，灯泡寿命提高到5000小时，用于中低端的投影机;UHP（Ultra High Performance）灯价格较高，投影的效果也较好，发出的光是理想的冷光源，并能抑制闪烁，亮度可以达到3000流明，灯泡寿命超过1万小时，主要用于高端家用投影机和商务投影机。

    LED光源是新兴的投影机光源形式，寿命更长，而且色彩纯正，饱和度更高，国产投影机用得比较多，如小米、当贝、极米、坚果等。

    激光是所有投影光源中表现最好的，包括对比度、亮度、饱和度等多种参数都相当出色，但是激光投影的价格也比较贵，主要用于高端投影机市场。

    9.投影机的技术参数

    （1）分辨率

    分辨率是显示设备最重要的参数之一，其表示方法是用画面中水平像素数乘以垂直像素数。投影机的分辨率是指它们的核心光引擎（DMD芯片、LCD面板、LCOS面板等）的物理分辨率，也称标准分辨率。另外，投影可以接收的信号的分辨率也有一定的范围，一般会有一个最高支持分辨率的指标，高于投影机物理分辨率时会用插值方法来实现正常显示。

    （2）亮度

    投影机亮度是投影机光输出的总光通量，用来描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是流明。投影机亮度来源于机身内的光源，本质上也就是投影机灯泡的亮度，目前投影机灯泡的单个亮度可以做到3000流明以上，亮度不够会影响色彩效果和画面质量。

    （3）对比度

    對比度是画面白黑的亮度比值，反映显示系统能够呈现的亮度动态范围和灰度层次。在视觉感受上，对比度越大，从黑到白的亮度对比度越强烈、灰度渐变层次越丰富，能够获得更锐利、更细腻的视觉感受，显示彩色图片时，能够获得鲜明艳丽的效果。如果对比度较低，画面灰调会集中在一个较小的范围，有种灰蒙蒙的感觉，缺乏细节表现，色彩的层次感也会很差。

    （4）几类投影机的性能参数对比（如下表）

    从投影机实现技术上来看，当前主流的主要有3LCD、DLP和LCOS三种。3LCD投影技术相对于单DLP投影技术，在色彩上有更好的表现力，但是在亮度和3D效果上是弱点;单DLP投影技术在亮度上拥有出色的表现，但是在色彩表现力方面存在缺陷;LCOS投影技术在各方面表现都比较均衡，但成本较高，体积也较大。

    3LCD投影技术主要是爱普生、索尼、松下等日系厂商使用;DLP投影技术是美国德州仪器的技术，他们自己不生产投影机，只是生产DMD芯片供给其他厂商，如坚果、极米、明基;而LCOS投影技术主要是索尼、佳能的投影机在用。

    激光投影机于2012年在市场上推出，已开始应用于教育、家庭及其他应用场景。而LED投影机则在微型投影和智能投影中大显身手。

    ● 精彩纷呈：投影机的应用领域

    从细分领域来看，目前，投影机行业可被划分为商务投影机、教育投影机、家用投影机、工程投影机、微型投影机及影院投影机等。

    商务投影机，主要用于会议室、展厅等，并兼顾便携和移动性能。而教育投影机，大部分都用在学校的多媒体教室中。

    工程投影机的投影面积更大、距离更远、亮度很高，而且一般还支持多灯泡模式，支持镜头更换和网络控制，目前广泛应用于博物馆、纪念馆、展览馆、科技馆等。有的展览馆中还会使用3D全息投影来展示珍贵物品的全方位细节。

    随工业化的发展，制造业中又出现了一种常用的检测仪器——测量投影机。测量投影机在早期称作轮廓投影机，后来都安装上高精度的光栅尺，因此称为测量投影机。按照比对标准的不同又将其分为轮廓投影机和数字式投影机，用于将产品零件通过光的照射后放大，然后用标准胶片或光栅尺等确定产品的尺寸。

    在家用领域，家庭影院一直是家庭娱乐中的奢侈追求，而家庭影院中，又少不了家用投影机。目前的家用投影机的主流已经在向激光投影方向发展，同时兼顾3D效果、色彩质量和节能特色。万元上下的家用激光投影机已经出现。

    当然，如果想达到专业影院的效果，还是需要影院投影机来完成。为了满足3D电影的需要，影院投影机一般采用双投影机或双镜头投影机，两个投影机分别投射不同偏振光方向的左右机位画面，观众配戴偏振光眼镜观看。

    影院投影机实现了数字化的电影放映系统，价格在20万元上下，甚至上百万元。但目前效果最好的仍然是IMAX影院系统，当然价格也比较昂贵。2008年IMAX采用数字技术，以DLP技术支持投映，分辨率为2K，屏幕缩小到几米;2013年推出激光镭射数字IMAX，投影分辨率提升至4K。

    影院投影机不仅能用于电影院和剧院，还常用于博物馆、大会堂、监控中心、指挥中心、航空控制中心等场所。

    ● 胜者为王：投影机的竞争对手

    投影机应用的最主要目的，就是实现大屏幕观看场景，而其竞争对手，主要也就是大屏幕液晶显示系统。

    1.投影机VS大屏幕液晶

    投影机在使用过程中，环境防尘和通风散热都是要解决的问题，还有一直困扰多年的灯泡寿命问题。

    以常用的LCD投影机来说，多晶硅LCD板不耐高温，又怕灰尘。灰尘颗粒的遮挡会严重影响显示效果，而高温则直接影响液晶板的寿命。为了散热，投影机中会设计有专门的风扇，风扇吹过来的高速气流通过滤尘网后还是会夹带一些微波尘粒，影响较明显的就是镜头上的灰尘，需要定期清洁。保持进风口的畅通，以及环境防尘禁烟和及时清洁过滤网，都十分必要。有的机型在LCD板附近装有温度传感器，当进风口及滤尘网被堵塞，气流不畅时，投影机内温度会迅速升高，这时温度传感器会报警并立即切断灯源电路。

    LED投影机和激光投影机的出现，虽然解决了灯泡寿命问题，但是LED的低亮度并不适合学校教室，激光投影机的价格成本也不适合教育机构。目前，在学校的多媒体教室解决方案中，除了“短焦投影机+一体化电子白板”，也有不少直接采用大屏幕液晶一体机，甚至液晶触摸屏。

    虽然短焦投影机避免了光线遮挡，并充分利用了投影强度，但它与屏幕尺寸会产生矛盾。在商务交流和大型会议环境中，大屏幕的液晶拼接系统逐渐占据了主流，这也得益于液晶显示技术的发展和成本的降低。各种监控中心和指挥中心也都不约而同地采用了液晶拼接系统，但是液晶拼接系统的安装比较专业，并且拼接后就固定下来，不方便移动，因而投影机特别是DLP投影机和LED投影机方便的移动性能仍有优势。

    2.投影机VS大屏幕电视机

    在家用投影市场，同时也在发生着客厅争夺战，一方面是传统的大屏幕液晶电视，另一方面就是正在发力的家用投影机。因为网络电视的普及，电视接收很少再使用天线或者有线电视，基本上过渡到了数字影音时代，“投影机+电视机”或者“投影机+机顶盒”成为家庭实现超大屏幕影视娱乐的廉价策略。

    在超大尺寸显示画面下，投影拥有了比电视更强的视觉冲击力。在体验过投影机之后，很多用户还会为这种观影沉浸感所折服，进而转化为购买欲望。智能投影厂商还给投影机增加了各种易用功能，使其体验向电视靠拢。如智能语音控制、内置高品质音箱、更易用的梯形校正，以及运动补偿等画质增强技术，让大家对投影机的接受程度更高，投影的观影体验也有了进一步提升。

    3.投影机VS激光电视

    但是，在未来的客厅竞争中，家用投影機是否能成为王者，犹未可知。因为，在普通液晶电视之后，还有一位姗姗来迟的主角——激光电视。

    在智能投影普及的同时，激光电视的市场也在悄然生长。激光电视是将使用激光光源的DLP数字电影放映技术和电视技术结合，形成的第四代电视显示技术。相较传统的投影机，激光投影的优点更加突出：激光光源有着2万小时的超长寿命，激光的亮度更高，图像色彩显示更丰富，并且开机不需要预热，关机也不需要散热;激光电视不需要提前布线，和传统电视一样是前置式的，放在原有电视柜上就能投放上百英寸的大屏。

    从本质上来说，激光电视跟激光投影机可以算作同一类产品。激光电视是包括了激光投影设备和专用投影幕的完整系统，不过它是超短焦激光投影，因此，投影机与激光电视的竞争，其实也就是普通家用智能投影机与家用激光投影机的竞争。对于激光投影机来说，无论是性能、画质还是使用寿命，无可争议地都要远优质于普通投影机，它的最大的问题在于价格，大部分在万元以上，是普通智能投影机的好几倍。

    ● 未来可期：投影机的发展趋势

    在9月份刚结束的InfoComm China 2020（国际视频集成设备及技术展）中，各种新型的投影设备和技术惊艳亮相。其中，各类激光投影机是各厂商极力展示的，也代表了高端投影机的发展方向。

    与其说投影机属于大屏化实现设备，这不如说它属于无屏化显示设备，这关系到投影效果的核心参数，以及亮度、对比度、色彩、分辨率等要素。

    针对不同的细分领域，投影机将会朝着液晶投影、激光投影、高清投影、智能投影、微型投影等各个方向同时发展，投影手机、投影笔记本、投影相机、迷你投影机、手腕投影机、多功能手镯投影机等各种融合形式也将层出不穷。商用与家用、长焦与短焦、3D与智能、正投与背投，都会有各自的用武之地。

    从市场反应来看，商用领域的投影机增长已显疲软，而家用的投影产品需求量却在激增。尤其是对于家用激光投影机来说，价格的进一步下降可能会化解用大屏方案去争夺中小屏市场的尴尬。

    从出货量上看，2018年度投影机市场前五大厂商是Epson、BenQ（明基）、XGIMI（极米）、Sony和NEC;而2019年中国投影机市场排名前五大厂商已是极米、Epson、坚果、BenQ、NEC，家用消费市场的前五大厂商分别为极米、坚果、小米、Epson和海信，可见国内厂商的竞争力已日渐提升，尤其是在家用市场上。2020年国内的投影机领域，成都的极米科技仍然稳步领跑，紧跟其后的是瑞视达、坚果、微影、米家等。

    对于家用投影来说，支持3D、多屏互动和梯形校正已成为智能投影的常规功能。投影机的语音识别功能、激光雷达测量技术加持下的无感自动对焦和无感自动梯形校正以及画幕自动对齐，也会给用户带来更加惊艳的使用体验。

    而微型化投影机则是娱乐方向的另一个发展趋势。尽管微型投影机推出时间不长，但是却非常受关注，较小的体积使它可以方便地与各类消费电子产品结合甚至整合，其应用可以遍及非专业领域的各个角落，让分享无处不在。一方面，LED光源亮度已得到提升，另一方面，微型投影芯片的量产也降低了成本，随着投影与手机、笔记本电脑、便携播放设备等产品的结合，微型投影机将成为另一类消费电子产品。

    ● 结束语

    技术的成熟会不断缩小产品之间的性能差异，包括不同品牌和不同技术产品之间的差异。但市场是最终的裁判，产品质量、独特优势、性价比、个性化、用户体验都会形成不同的市场竞争力。

    市场需求促进技术进步，技术革新又丰富应用场景。在信息技术领域，每一项技术都在更新和完善，以适应社会的进步，满足信息时代应用多元化的需求。