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投影仪核心技术DLP，拆机解密
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投影机中的核心组件DLP介绍。先看看明基投影机的DLP拆解
DLP的原理
核心组件1：色轮
色轮（COLOR WHEEL）在DLP投影机中的作用是色彩的分离和处理，只有单片式DLP和双片式DLP投影机需要安装色轮，三片式DLP投影机则不需要色轮。色轮通过高速旋转将复合光过滤成红、绿、蓝三原色光。
色轮的表面是非常薄的金属层，这层金属层采用的是真空镀膜技术，镀膜的厚度根据红绿蓝三色的光谱波长相对应。白色光通过金属镀膜层时，所对应的光谱波长的色彩将透过色轮，其它色彩则被阻挡和吸收，从而完成对白色光的分离和过滤。
目前单片DLP投影机，色彩与亮度是成倒数关系的，亮度提高，则色彩一定会损失，而色彩提高，亮度一定会降低，这是因为DLP投影机的颜色是通过色轮的RGB三色组合而成的，其光效率只能达到60%。当然，要提高光效率，可以用在色轮上增加一片无色的滤光片来实现。增加无色滤光片后，光效率可以提高20%左右，但由于无色滤光片透过的是白光，叠加在三原色光上，使画面比其原始的表现要明亮些，以至降低了色彩饱和度，使DLP的画面表现的色彩单薄，并且产生抖动或者说是闪烁感。
为了解决闪烁和彩虹现象，6倍速色轮的转速提高到360转/秒，为360Hz。一般高端的机器上采用，一般的倍数为4倍。
四段式色轮是在传统的三段式色轮增加了一段无色的滤光片，光效率可以提升了20%左右。但是由于无色滤光片透过的是白光，但是投影机的色彩饱和度却有了明显下降。因为透明滤片经过时，会冲淡前面的色彩，并且会造成有白点闪过的错觉，因此会让人感觉到画面抖动。这也是DLP投影机所被诟病的另外一个问题了——“色彩亮度”偏低。
五段式色轮是在四段式色轮上增加了黄色滤片，有效的利用了灯泡在580nm波长中的能量，明基将这种色轮称为“黄金色轮”，东芝将这种色轮称为“旋彩轮”。五段式色轮提升了DLP投影机的色彩表现，但是画质提升有限，画面抖动的现象也依然存在。
六段式色轮分为好几种，不同的DLP投影机制造商生产的六段式色轮可能都不相同。在各种六段式色轮中，其中应用最多的便是双重三段式色轮，这种色轮采用的是红绿蓝红绿蓝（RGBRGB）双重色段的排列方式，在RGB三段色轮的基础上，又增加了RGB滤片各一段。这样设计最大的好处便是提升了RGB颜色出现的频率，比如在1倍速色轮中RGB颜色出现的频率由三段式的60Hz提升到了120Hz。当然，由于取消了白色滤光片，采用6段式色轮的投影机亮度也大大下降。
核心组件2：DMD芯片
DMD芯片就完全掌握在了德州仪器的手中了。经过十多年的发展，DMD芯片不仅尺寸上从0.55吋到0.95吋，技术上也从SDR DMD芯片组发展到了DDR 芯片组，同时分辨率最高已经可以达到了4K（第一块DMD的分辨率仅为16×16），德州仪器甚至将DMD芯片称为世界上最精密的光学元器件。
DMD的作用就是将色轮透过来的三原色光混合在一起，并且通过数据控制转换为彩色图像。虽然看似简单，但是技术含量极高，那么DMD又是如何实现这一功能的呢？
DMD是一种整合的微机电上层结构电路单元，利用COMS SRAM记忆晶胞所制成。DMD上层结构的制造是从完整CMOS内存电路开始，再透过光罩层的使用，制造出铝金属层和硬化光阻层交替的上层结构，铝金属层包括地址电极、绞链(hinge)、轭(yoke)和反射镜，硬化光阻层做为牺牲层(sacrificiallayer)，用来形成两个空气间隙。铝金属经过溅镀沉积及等离子蚀刻处理，牺牲层则经过等离子去灰(plasma—ashed)处理，制造出层间的空气间隙。
如果从技术角度来看，DMD芯片的构造包括了电子电路、机械和光学三个方面。其中电子电路部分为控制电路，机械部分为控制镜片转动的结构部分，光学器件部分便是指镜片部分。当DMD正常工作的时候，光线经过DMD芯片，DMD表面布满了体积微小的可转动镜片便会通过转动来反射光线，每个镜片的旋转都是由电路来控制的。每个镜子一次旋转只反射一种颜色（例如，投射紫颜色像素的微镜只负责在投影面上反射红蓝光，而投射桔红色像素的微镜只负责在投影面上按比例反射红和绿光（红色的比例高、绿色比例低），镜子的旋转速度可达到上千转，如此之多的镜子以如此之快的速度进行变化，光线通过镜头投射到屏幕上以后，给人的视觉器官造成错觉，人的肉眼错将快速闪动的三原色光混在一起，于是在投影的图像上看到混合后的颜色。
DLP的优势
原生对比度高
机器小型化
光路采用封闭式
MD芯片采用的是半导体结构，在高温下运作镜片也不易发生太大的变化，所以DLP投影机采用封闭式光路，降低了灰尘进入了概率。
DLP的劣势
色彩还原能力不足，技术上依靠色轮和DMD芯片。
基于DLP技术的投影仪主要有：明基，优派，三洋等
智能大屏受热捧的背后 光峰科技推动光源技术发展
近年来，智能投影凭借其大屏、便携性和智能化等特性受到越来越多使用者的青睐。投影显示技术可以追溯到上世纪50年代CRT投影机的问世，此后光源技术的研发成为推动投影显示技术发展的重要因素之一，其中激光光源因其高亮度备受关注而成为研究重点，然而随着LED光源技术的成熟，特别是2010年以来LED光源的效率和亮度均得到大幅提升，LED光源在家用、教育等投影显示场景被越来越多地使用。在此基础上结合智能系统控制，智能投影被应用于更多场景并为普通消费者所接受。本文将从专利视角对智能投影显示中光源技术的发展进行分析。
笔者使用Incopat检索平台对投影光源技术进行了专利检索。截至2020年6月3日，全球范围内投影光源技术相关专利共4707件（合并简单同族后）。从申请量增长趋势上来看，自2001年以来，全球专利申请量在2005年至2009年、2010年至2014年、2015年至今经历了三次增长，而中国专利申请在2010年之前占比较低，自2010年起中国专利年申请量超过100件，申请量的增长得益于LED光源技术的发展，2015年以来年申请量均超过200件，投影光源技术发展迅速，智能投影市场十分活跃（图1）。
图1 全球及中国专利申请趋势
从当前专利申请量地域分布看，中、美、日三国专利申请量占到全球申请量四分之三以上，其中，中国以3687件申请占全球总申请量的36%，美国以2995件申请占全球总申请量的29%，日本以1238件申请占全球总申请量的12%（图2）。在中国进行专利布局的企业中，中国企业申请量为2035件占比76%，日本企业申请量为382件占比14%，美国企业申请量为108件占比4%。可见，经过近年发展，中国在投影显示用光源技术的研究和应用越来越多，日本企业在中国的专利布局数量要多于美国企业。
图2 全球申请人地域分布
在技术层面上，目前投影光源技术主要有三基色激光、蓝光激光+荧光色轮、LED+激光三种。三基色激光光源具有色彩丰富、色饱和度高等优点，理论上可实现自然界最丰富、最真实的色彩显示，采用三基色激光光源的投影设备可达到2万流明以上的亮度，但三色激光器成本较高，主要应用于数码影院、商务会议等高端应用场景，主要代表为比利时巴可（Barco）公司、日本NEC公司和美国科视（Christie）公司。巴可公司侧重于投影模块的技术布局，例如通过同步地调制光源和偏振转换元件来实现高亮度输出和紧凑结构（公开号：US20060132772A1）；通过在基本色光通道设置两个以上具有基本不同光谱特性的光源，来防止色彩偏移（公开号：US20060132403A1）。长期以来，三基色激光投影技术被国外公司所垄断，国内中视迪威激光显示技术有限公司、杭州中科极光科技有限公司（下称中科极光）等公司近年来不断取得突破，逐渐扩大市场份额。中科极光联合中国科学院理化技术研究所致力于小型化高性能三基色LD激光模组（公开号：CN1041663300A）、匀场照明与散斑消除（公开号：CN105116679A）等关键技术，开发出系列化激光投影显示产品。
从发光光谱构成来说，绿色所需比例最大，而绿色激光恰恰效率最低、成本最高，因此在三基色激光光源中存在对高亮度绿色激光高需求与低效率、高成本之间的矛盾。在此背景下，蓝光激光+荧光色轮技术应运而生，成功解决了激光显示在成本和用户体验之间的矛盾，占据激光投影显示的中端市场，成为当前智能投影中普遍采用的激光光源。
荧光色轮技术采用高功率蓝色激光激发含有红、绿等荧光粉的旋转荧光粉色轮产生红、绿光，仅使用蓝色激光光源使得成本大幅降低，同时可达到1万流明以上的最高亮度，能够适用大部分日常应用场景。在激光投影显示的荧光色轮技术分支，从全球范围专利申请地域分布来看，中国专利申请以668件占到全球申请量的60%，美国申请以249件紧随其后，日本、韩国申请量分居第三、四位。从专利申请人分布来看，海信集团有限公司、深圳光峰科技股份有限公司、卡西欧计算机株式会社的申请量占据前三位，佳世达科技股份有限公司、四川长虹电器股份有限公司、无锡视美乐激光显示科技有限公司在激光荧光色轮方面申请量也较多。上述公司围绕激光荧光色轮技术分别进行专利布局，研究方向各有侧重。深圳光峰科技股份有限公司以高功率蓝色激光激发转动荧光色轮产生白光为核心，围绕光源设计、色轮结构、荧光材料等技术点进行专利布局，攻克了可靠性和性价比方面的技术难题，获得了可稳定持久色彩显示。
目前，除了荧光色轮技术，深圳光峰科技股份有限公司还在整机结构、光路设计、棱镜结构、散热以及显示控制等方面进行了专利布局。海信集团有限公司则多使用蓝色、红色双色激光器，利用荧光色轮产生绿光从而实现彩色显示（公开号：US20190361331A9、CN107850826B），通过扩散片等光路设计增加激光光束的空间随机相位，减弱散斑效应（公开号：CN105116675A）。无锡视美乐激光显示科技有限公司改进筒状荧光色轮的光路设计和驱动方法（公开号：CN110967899A、CN110967898A），扩大激发区域的同时增强散热功能。
卡西欧计算机株式会社在三基色激光和蓝光激光+荧光色轮技术之间采取折中，使用LED+激光技术。该技术利用激光激发荧光粉产生绿色光，使用红色和蓝色LED产生红色和蓝色光，也取得了较好的效果。
随着LED光源效率和亮度的大幅提升，进一步提高LED光源亮度并最终替换激光光源从而实现成本控制成为研发方向之一。三洋电机株式会社通过改进LED光源透镜设计，使用蝇眼目镜聚集LED阵列光源的发射光（公开号：CN1677226A），较早研发了基于LED光源的小型正面投影仪。深圳光峰科技股份有限公司采用双面激发层状荧光材料进一步提升激发效率，获得基于LED的高亮度发光光源（公开号：CN102252169A）。总体而言，中国在激光投影显示领域关键技术上的专利申请增长迅速，尤其在蓝光激光+荧光色轮技术上技术领先，布局完善，在中端智能投影市场形成较强竞争力，但在高端激光投影显示方面还需要进一步发展。
来源：中国知识产权报
作者：张少鹏
作者单位：国家知识产权局专利局光电技术发明审查部
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