投影仪光源的演变

投影仪光源的演变

投影仪光源的演变历程是一部人类视觉技术发展的缩影。从19世纪的火焰光源到21世纪的激光投影，每一次技术革新都为视觉呈现带来了革命性的变化。本文将带您穿越时空，探索投影仪光源的演变之路。

两千年前，人类开始尝试使用火和油灯来创造引人入胜的光影效果。如今，视频投影仪已成为创造大规模视觉效果的首选工具。无论是商业影院、家庭影院还是地标建筑的改造，投影仪之所以能够产生我们今天所见的明亮、丰富多彩的图像，源于过去 200 年来发生巨大变化的光源。

早些年

1820年代，人们发现将氢气和氧气燃烧产生的火焰对准圆柱形的氧化钙块（即生石灰），直到燃烧到白炽开启了“Limelight 时代”。这一巧妙的发现使特殊活动的户外照明变得实用，并在世纪之交之前在戏剧表演的投影和舞台照明应用中广受欢迎。

灯泡照明几乎在1870年代白炽灯问世之初就成为电影放映机的输出源，与电力传输的普及基本同步。早期的商业电影院过渡到亮度惊人的碳弧光灯1900年代初，碳弧灯首次出现在照明中，这种照明技术一直沿用到1960年代末。早期投影系统中碳弧灯的使用限制在于碳棒电极在使用不到24分钟就需要更换。这一特性影响了电影胶片的长度，以著名的每秒XNUMX帧的速度拍摄帧率。它还提倡使用两台投影仪来简化从卷轴到卷轴的转换。

15 kW短弧氙灯用于IMAX电影放映机

1940年代中期，氙气放电及其发出的明亮白光（由与太阳光相似的波长的近乎连续且均匀的光谱分布组成）的发现引发了人们对其商业开发和应用的兴趣。1950年底之前，氙弧灯首次公开展示的是投影光源。氙气灯比碳弧灯更胜一筹，因为它的照明亮度高，显色指数(CRI)接近100，从而实现准确的色彩呈现。与所取代的碳弧灯相比，氙弧灯的另一个实际优势是其输出稳定且无闪烁，在其显著延长的使用寿命（以数百小时计算）内，所需的调整和维护要少得多。

氙气光谱输出

氙弧灯提供的可见照明质量使其成为数十年来商业投影系统的黄金标准。尽管氙弧灯在将输入功率转换为可见光方面效率相对较低，但其设计和输出可以扩展以支持当今使用的所有尺寸的商用投影仪 - 其中最强大的投影仪需要液体冷却来管理运行过程中产生的强烈热量。然而，氙气灯作为现代投影光源的一个缺点是使用寿命相对较短 - 大约500到2500小时，具体取决于灯的尺寸和使用情况。作为长期运行的消耗品，氙气灯模块的更换成本可能高达数千美元。

15 kW IMAX 灯的端视图，显示了液体冷却端口

当今消费级投影系统中使用的超高性能 (UHP) 灯泡模块是一种高压汞灯技术。虽然成本仅为氙气灯系统的一小部分，并且效率更高，但它们产生的光谱输出不太一致，在蓝色和黄绿色处有明显的峰值。UHP 灯的使用寿命在全亮度下可达 2000-4000 小时，有些设计声称在降低功率（降低亮度）操作下可达 15000 小时。汞蒸气灯中相对少量的汞（约 15 毫克至 50 毫克）是一种有毒废物，需要妥善处理和处置。

UHP投影灯模组

打破蓝色障碍

1960年代初，发光二极管 (LED) 和可见激光二极管的推出激发了投影显示设计师的梦想，他们希望开发出一种具有高色纯度的高效固态光源。然而，有一种颜色一直存在问题。几十年后，到了1990年代初，一位名叫中村修二最终解决了制造具有适当特性的半导体材料以产生足够效率和寿命的蓝光的主要挑战。 Nakamura 的坚持不懈促成了1992年首次蓝色 LED 演示，四年后，研究人员应用类似技术推出了第一款低功耗蓝色激光二极管，开辟了投影机光源的新时代。

首款采用激光技术投影图像的显示器是三菱 LaserVue 电视（型号 L65-A90），于2008年推出。LaserVue 使用红、绿、蓝 (RGB) 激光作为光源，并采用德州仪器 DLP（数字光处理）DMD（数字微镜设备）芯片提供像素控制。这款背投高清电视以其高饱和度的色彩描绘和良好的画面对比度让评论家赞叹不已。

三菱 LaserVue 电视

两年后，即2010年，卡西欧推出了一款混合激光、荧光粉和 LED 照明正面投影仪，XJ-A130，被认为是首批面向消费者的激光视频投影仪之一。XJ-A130 的 DLP 光引擎采用红色 LED 和蓝色激光发射器，可激发分段玻璃轮上的荧光粉材料产生绿色原色。该公司强调了投影仪的紧凑设计以及没有含汞灯泡模块。

卡西欧XJ-A130混合激光投影仪

固态的未来和陷阱

LED 和激光作为现代投影系统光源的主要优势在于使用寿命长、色纯度高以及达到最大输出的时间短（即启动速度快）。许多基于这些固态光源的投影光引擎声称可以运行 20000 小时或更长时间，直到达到不理想的光输出衰减。然而，这些照明技术也存在技术缺陷和相关成本，限制了它们的普遍接受度——至少目前如此。

目前，LED 照明提供的效率优势是在相对较低的功率水平下实现的。向普通 LED 提供过多的功率会导致一种称为“光衰”的情况，即当功率输入超过某个阈值时，设备效率会越来越低。导致光衰的确切原因LED 光衰在竞争研究人员中引起了激烈的争论，目前还没有一个普遍认同的答案。这导致照明设计使用许多低功率 LED 来实现所需的输出，同时保持良好的能源效率。高功率 LED 设计确实存在，但它们牺牲了效率并排出更多的废热——降低了它们相对于基于灯泡的光源的优势。

投影中使用的激光光源经过多年的迭代，经过精心设计，以避免影响图像质量的相关伪影。其中一种伪影是“散斑”，当高度准直的激光光束与自身发生干涉时，就会产生闪烁的颗粒状图案。激光斑点通常在光与粗糙或不平坦的表面相互作用时会看到，可以通过多种技术将其最小化，包括优化的屏幕材料，光学扩散器和调制技术，这些技术可以使伪影变得不那么明显。

一个例子的液晶散斑消除器

使用蓝色激光（荧光）激发荧光粉材料或与 LED 结合作为光源的投影仪持续流行，其目的是通过混合光谱不同但外观相似的颜色来降低成本、延长使用寿命并减少可能产生的散斑伪影，或者避免在更容易注意到的颜色（例如红色和绿色）中产生激光散斑。事实上，现代消费和商业投影仪中的激光器是灯泡的替代品，为 DLP 芯片等像素调制器提供照明，LCoS 微型显示器或 LCD 面板提供了整合散斑减少策略的更多机会。

给我看看颜色

国际电信联盟 (ITU) 标准中定义的超高清电视 (UHDTV) 的红、绿、蓝三原色被称为BT.2020和BT.2100本质上是类似激光的光源，具有非常窄的光谱带——实际上，每个光谱带都是单一波长的单色。与使用带灯的滤色器的低效率或 LED 相对有限的亮度相比，针对这些原色进行适当调整的激光器是希望准确呈现现代视频格式（如HDR10和杜比视界。

杜比影院是当今商业视频投影领域最先进的典范。杜比影院于2014年推出，与科视Christie Digital设计和实施 RGB 激光双投影系统，该系统提供出色的亮度和宽广的色域覆盖范围，超过 BT.95 中定义的色彩空间的 2020%。这些投影机中的激光光源的额定使用寿命为 50000 小时，并具有多波长原色，当与高增益屏幕一起使用时，可最大限度地减少潜在的斑点伪影，这对 3D 演示尤其有用。体验杜比影院演示（或商业同等产品）令人难以置信的丰富色彩和出色的画面对比度应该是每个电影爱好者的愿望清单。

高效的未来

Barco 和海信最近展示了一款激光 DLP 投影仪原型，该投影仪采用了光相位调制器，通过动态地将投影仪的光源集中到图像高光部分，并减少图像较暗部分的光源，从而提高对比度。这种“投影仪局部调光”在视觉上令人印象深刻。它可以让他们在家中重现商业级影院体验，并在不太理想的观看环境中提高性能。

提高效率是所有投影系统的目标——在可预见的未来，LED 和激光将主导投影仪照明。LED 光衰最终将得到解决，使它们能够以更少的废热驱动更高的光输出水平——与激光照明相比，成本可能更低。消费级 RGB 激光投影仪正在迅速成熟，它们抛弃了荧光粉，提供与商用投影仪相当的色域覆盖范围，并仍然是当今优质视频内容的首选光源。