光学投影系统的结构组成

1.LCD光学投影系统的结构组成

LCD投影仪的光学投影系统是LCD投影仪的核心部件，如图5-1所示为典型LCD液晶投影仪的光学投影系统的结构组成。可以看到，其主要是由投影镜头、液晶板、投影镜片（反光镜、组合透镜、分光棱镜、分光镜、聚光镜、旋转透镜、滤光镜）等部分构成的。

（1）投影镜头

投影镜头是由多个镜片组成的，由聚焦透镜、可变焦距的透镜（变焦透镜）、辅助聚焦透镜和成像透镜等部分构成。所有的透镜都安装在同一轴线上，并可以轴向移动（微调）。图5-2所示为不同类型投影镜头的实物外形。

图5-3所示为变焦镜头的内部结构示意图。变焦镜头可以通过变焦驱动电机改变镜头的伸缩长度，透镜组的排列距离也随之改变，当透镜移动时镜头的焦点距离会随之变化，在变化的过程中始终能使聚焦点处于摄像元件的感光面上，从而保证将最好的图像呈现到银幕上。

（2）合光棱镜

图5-4所示为合光棱镜的结构示意图。常见的机型一般都设置了R、G、B三组不同基色各自的液晶面板和聚光镜。

图5-1 典型液晶投影仪的光学系统的结构组成（三洋液晶PLC-XU40型投影仪）

（3）液晶板

液晶板是将液晶与偏光板合在一起来显示图像的。图5-5所示为液晶板的结构示意图，主要是由背部光源、偏光板、玻璃基板、透明导电膜（像素电极）、定向膜、液晶体、彩色滤光片（滤光镜）、玻璃基板等构成。

1）偏光板：控制输入输出光的部分。

2）玻璃基板：防止电极对其他部分漏电。

图5-2 不同类型投影镜头的实物外形

图5-3 变焦镜头的内部结构示意图

图5-4 合光棱镜的结构示意图（三洋液晶PLC-UF15）

3）透明导电膜（像素电极）：驱动液晶板的电极，采用不妨碍显示材料。

4）定向膜：使液晶分子按一定方向排列的薄膜。

5）液晶体：介于固体和液晶之间的不同于三态的物质态。

6）彩色滤光片（滤光镜）：安装R、G、B的各个彩色滤光片，以恢复色彩。

7）背部光源：由液晶板背面照射光，以使画面变亮。

图5-5 液晶板的结构示意图

目前，液晶投影仪光学系统多采用全彩色液晶器件，实现全彩色显示，其实现方法一般来说有两种，即加色混合法和减色混合法。

【1对1点拨】

彩色滤光片由像素和晶体管组成，彩色滤光片（滤光镜）结构如图5-6所示。依据三基色的发光原理，每个像素又由红、绿、蓝3个子像素组成，每一个子像素就是一个单色滤光镜。也就是说，如果一个TFT-LCD显示屏的分辨率为1280×1024的话，那么，彩色滤光片应该分别由1280×1024×3个子像素和同样数量的晶体管组成。

图5-6 彩色滤光片结构

图5-7所示为在显示白色及三原色状态下液晶面板像素结构。为了精确控制每个像素的亮度和显示的颜色，就需要在每个像素之后，安装一个类似于百叶窗的开关，仅在“百叶窗”打开时光线可以透进来，而在“百叶窗”关闭时光线就无法透进来。这个开关就是晶体管，而控制其开关的则是水平驱动电路。驱动电路的作用是生成精确控制的电场，其控制方式为主动矩阵式，对屏幕上的各个像素实施主动的、独立的控制。

图5-7 在显示白色及三原色状态下液晶面板像素结构

【1对1点拨】

彩色液晶显示板的显示原理如图5-8和图5-9所示。在液晶层（液晶快门）的前面，设置由R、G、B栅条组成的滤波器，光穿过R、G、B栅条，就可以看到彩色光。由于每个像素单元的尺寸很小，从远处看就是R、G、B合成的颜色。这样液晶层设在光源和栅条之间，实际上它很像一个快门，每秒钟快门的变化与投影幕画面同步。如果液晶层前面不设彩色栅条，就会显示单色（例如黑白图像）图像。

图5-8 彩色液晶屏的显示原理（彩色液晶显示板）

图5-9 彩色液晶屏的显示原理（单色液晶显示板）(www.xing528.com)

（4）投影镜片（光学装置）

投影镜片是投影仪的光学装置，投影镜片主要是有聚光镜、滤光镜、UV滤光镜、分光镜、反光镜、光源反射板、冷光镜等镜片，不同的镜片各自的功能也有所不同。

1）聚光镜：使从光源来的光成为平行光照LCD液晶板，在理论上，点光源的位置应该在聚光透镜的聚焦点处。

2）滤光镜：透射可见光，反射或滤除不需要的紫外线/红外线。

3）反光镜：仅反射可见光中的红、绿、蓝光。

4）分光镜：不同颜色的分光镜反射对应颜色的光线，投射剩余其他色光。如R分光镜智能反射R色光，其他色光均被透射；G分光镜只能反射G色光，其他色光均被透射；B分光镜只能反射B色光，其他色光均被透射。

（5）投影灯（灯泡组件）

目前投影仪中普遍使用的金属卤素灯泡、UHE灯泡和UHP灯泡作为光源。图5-10所示为不同类型投影灯的实物外形图，主要是由灯口、反射器、灯架和投影灯电源接口等部分构成。

图5-10 不同类型投影灯的实物外形图

【1对1链接】

金属卤素灯泡的优点是价格便宜，缺点是发热量大，一般使用2000h左右亮度就会降低到原先的一半左右，由于发热量高，对投影仪散热系统要求高，投影仪工作时噪声过大。

UHE灯泡的价格相比金属卤素灯泡低，在使用2000h以前亮度几乎不衰减。由于发热量低，UHE灯泡习惯上被称为冷光源，其优点是使用寿命长；但由于价格较高，一般应用在中高档投影仪中。

图5-11 金属卤素灯投影灯的内部结构

图5-11所示为金属卤素灯投影灯的内部结构，主要是由反射器、灯口、电极、电极导线等构成的。

【1对1点拨】

投影灯泡靠弧光放电发光，如图5-12所示。为了产生弧光，需要在灯泡两个电极之间先施加击穿电压。以大部分投影仪使用的金属卤素灯为例，在起辉过程中，电子镇流器加在灯泡两端高压脉冲的峰值有近2000V。为了保证可靠点灯，一般使用电子镇流器驱动灯泡。

图5-12 投影灯泡靠弧光放电发光

2.DLP光学投影系统的结构组成

DLP投影仪的光学系统也是其核心部件。图5-13所示为典型DLP液晶投影仪的光学系统的结构组成，可以看到，其主要是由投影镜头、投影镜片（分光镜、透镜、棱镜、聚光镜）DMD芯片、色轮、投影灯等部分构成的。

图5-13 典型液晶投影仪的光学系统的结构组成（夏普XV-Z100A型投影仪）

1）UV/IR滤镜：从灯泡中过滤有害的UV和IR射线；

2）混合棒：确认光射线的均匀性；

3）光照镜：从混合棒出来的光聚焦到反射镜；

4）反射镜：将光照镜传递来的光线反射到聚光透镜上；

5）聚光透镜：对反射镜反射的光线进行聚光，投影仪DMD芯片上；

6）投影镜头：经过DMD芯片处理并反射的光线通过投影镜头投射至银幕上。

（1）DMD芯片

DMD芯片又称数字光芯，是DLP投影仪的核心部件，它是采用超大规模集成电路制作的半导体芯片，使用数据信号进行驱动和控制，可以将内部微镜以每点输入源的彩色分量的速率开/关来反射光。图5-14所示为常见的DMD芯片实物外形图。

图5-14 常见的DMD芯片实物外形图

（2）色轮

色轮是将光线从光源分离出R、G、B和W色彩。图5-15所示为色轮的实物外形，由图可知主要是有红色、蓝色、绿色、白色、黄色各色和数据线构成。

图5-15 色轮的实物外形