（原创）关于diy液晶投影

  关于diy液晶投影
先说明一下，本人不是液晶投影diy爱好者，2000年本人曾帮一个开电子公司的朋友开发单片式LCD液晶投影项目，因资金问题中止项目，在开发中也算有一些体会，见时至今日仍有如此之多的爱好者，现将我的一些体会与大家分享。
声明一个重要问题：单片式液晶投影与现市面销售的专业投影机是有区别的，万元级的专业效果一般的diy爱好者还是难以做到的！
关于材料选用的问题，已有一些相关帖子，大家可以自己查询一下，我有几点需要说的是：1、液晶屏尽量选小一点的以10寸以下为宜，象素尽量不要小于640X480，要容易拆除背光，屏的行列驱动尽量在屏的边上，要注意的是行列驱动返折的屏（如果你没有办法解决高密度线的连接问题，建议不要选用行列驱动返折的屏）。2、屏的通光率要尽量选高的。3、灯选择20000流明以上，显色性85以上，色温5000k以上，光源小一些为佳。4。镜头，非专业镜头不要一味求短焦距，以避免相差过大。5、镇流器选用电子式能使灯更亮一些。6、菲镜的选用要考虑镜头焦距。7、散热不容小视。

一、    光学计算和设计制作
1、    原理图及关系式：

有如下关系式：
屏前光路（镜头端）         (L为投影画面尺寸，l为液晶屏尺寸)
   （f1为镜头焦距）

镜头后光路（灯端）         （f2为罗纹镜焦距）

其中镜头后光路关系式为无增光透镜时的计算，当有增光透镜时，可以进行计算，但考虑此处影响有限，可直接在无增光透镜的基础上调节得出。
2、设计制作
①    先以计划画面尺寸L和液晶屏尺寸屏尺寸l及镜头焦距f1用

先计算出幕至镜头的画面像距b，（若画面相距b太大，超出你的计划使用空间，可能是你的部件选择不太匹配，达不到你所想得到的画面尺寸），然后再计算出a的值。
②再确定合适的菲涅耳罗纹透镜至液晶屏的距离Δ（一般可取1厘米左右），由a值和罗纹镜焦距计算c值             


③计算好后先在机箱中画出光轴，并以a、b、Δ、c的值确定光源、罗纹镜、液晶屏、镜头的位置并做好标记。
④将各部件固定牢固，通电试投，作出适当调整。
⑤加上增光透镜并调节光源位置，使光源由罗纹镜成像刚好在镜头处。
⑥再试投调整满意后最后固定完善即可。
3、适当利用反射光路可以使结构紧凑并减小机器尺寸，如下图所示

  要注意的是：①反射镜应选用正面反射镜，②反射镜和光轴最好选用45度角以使设计简单一些。
4、为使光利用率更高，需注意以下事项：
①反光碗与光源中心的距离应尽量等于反光碗焦距，即光源中心应尽量位于反光碗焦点处；
②液晶屏与罗纹镜的距离应适中，过大会使罗纹镜的需求面积变大，过小会使罗纹镜的罗纹在幕上成像或幕上出现罗纹镜产生的光斑；
③为使设计简便，可选择罗纹镜焦距大约为镜头焦距的一半。
5、也可以利用原理中的几个关系式来确定所需部品的参数，然后定制或寻配，会使你的机器更专业。


二、关于提高投影系统画面亮度及改善效果的几点意见和体会：
   关于投影系统光输出总量（流明数LM）的计算理论上可以用以下公式,
   1、系统光输出总量＝光源光输出总量×系统光利用率η
   2、系统光利用率η＝η光总×η菲×η屏×η方×η镜头×η反×η整
      η光总＝光源总成的光利用率（利用角度起关键作用）
      η菲＝菲涅耳透镜透射率
      η屏＝液晶屏透射率
      η方＝矩形液晶屏对圆形光斑的光利用系数（4：3的屏比16：9的屏利用系数大）
      η镜头＝镜头透射率＝镜头每层镜片透射率n次方(n为镜头层数)
      η反＝反射镜光利用率＝每片反射镜光利用率n次方（n为反射镜片数,无反射镜时η反＝1）
      η整＝光通道整体利用率＝1－光通道整体损失率
    其中η屏即液晶屏透射率较为复杂，可依下式计算
        η屏＝η开×η偏×η膜×η导×η晶
          η开：TFT像素的开口率（一般约65%，屏越小分辨率越高生产工艺越老开口率越低）
          η偏：偏振片的透射率（约43%）
          η膜：彩膜透射率（约43%）
          η导：透明导电电极（ITO）透射率（一般约95%，生产工艺越老电极透射率越低）
          η晶：液晶材料的透射率（约100%）
       经计算可得一般彩色TFT-LCD透射率为η=0.07～0.09。也就是液晶屏的透射率η屏为8%左右。
   一般diy的机子系统光利用率η如下：
       η光总＝0.30～0.45（取0.40）
       η菲＝0.85～0.90（取0.90）
       η屏＝0.07～0.09（取0.09）
       η方＝0.50～0.65（取0.60）
       η镜头＝镜头透射率＝每层镜头透射率n次方=0.96～0.97的n次方（取3片，0.97的3次方=0.91）
       η反＝反射镜光利用率＝每片反射镜光利用率n次方=0.92～0.98的n次方（取1，无反射镜）
       η整＝0.98～0.99（取0.98）
   由此大概可以计算出
       该系统光利用率η＝η光总×η菲×η屏×η方×η镜头×η反×η整
                       ＝0.40×0.90×0.09×0.60×0.91×1×0.98
≈0.01733≈1.733%
       该投影系统光输出总量＝光源光输出总量×系统光利用率η
                           ＝15000LM×0.01733(取光源光输出总量为15000LM时)
                           ＝259.95流明
   结果非常之低,难以想象吧,实际结果的确如此,一般diy的机子亮度大约只有100～300流明，可能更低（还要想想你的光源是否有15000流明的光输出了）。拿你们的机子跟专业机比一比就会知道此言非虚，这就是为什么你们diy的号称可以与专业机媲美的机器即使在很暗的环境中看久了也会眼睛不舒服的主要原因了，当然还与光源的色温和显色性以及屏的对比度和图像锐利程度也有很大原因。
   以下是我以前开发单片式液晶投影过程中实验和研发的关于提高画面亮度及改善效果的几点意见和体会：
   1、光源总成部分要有合理改进
      1.1、对diy而言反光碗要有更大的包容性和角度收敛性，灯前聚光透镜要有更大的面积和角度收敛性。改进后η光总最大可达0.55，要注意选择和合理设计你的光源总成，有必要时大家联合起来定做反光碗和灯前聚光透镜。
      1.2、对生产单片式液晶投影的厂家而言可以采取一些更好的设计，可用菲涅耳横纵复合柱面透镜加复合菲涅耳透镜代替简单的灯前聚光透镜，这样不但可以利用更大的灯前角度，还能对屏后圆形光斑起到矩形矫正作用并有更大的光线收敛角度，取得大得多的灯前光线利用率，如有可能，将菲涅耳横纵复合柱面透镜和灯前聚光用菲涅耳透镜设计加工为弧面更好；采用非球形反光碗，可设计制作非回转带矩形矫正抛物型反光碗，并增加反光碗的包容角度以增加灯后光线利用率。改进后η光总最大可达0.80或更高，并使η方达到0.85以上。但此举若无精确的设计及精密生产工艺，容易造成画面明暗不均匀，且需要一定投资，但在此方面的改进对最终光输出有至关重要的影响。
   2、屏的透射率由上面计算可知主要的影响是开口率和偏振片及彩膜透射率。开口率无可改变，只能尽量选用通光性（开口率）更大的屏，彩膜是指红绿蓝彩染层和偏振片外加层。由偏振原理可知偏振片的透射率应为50%左右，但液晶屏的偏振片透射率只有约43%甚至更低。有条件的diy个人和厂家可以揭去屏前的偏振片，在屏前镜头后换用摄影用或定做专用偏振镜（注意调节偏振方向角度），可取得更高的屏透射率，最高可使η偏达48%，η膜达48%。不要小看这增加的看似很小的数值，它能使你的系统提升约50%以上的亮度（算算便知）。而且换用偏振镜后，你的画面会显得更加的锐利鲜艳、对比度也有一定提升，因为一般液晶屏（非专用屏）为直视型，对正面的偏振层做了防反射眩光、光线柔化漫射及表层加硬膜防划伤等处理，而这些对投影系统都是有害的。且液晶屏为保证厚度薄的前提下只能采用透光率较低的偏振片，远不如专用的偏振镜透光率高。此法对屏前偏振层有划痕的屏有一举两得的功效。屏后的偏振层我没有揭过，我不知道此偏振层是否和红绿蓝层合而为一，有条件有兴趣的可以揭开屏后偏振层试试，或许可行，如果可行，又可增加不少的系统亮度。注意，如揭掉屏后偏振层，尚应在屏后光源总成前也要加偏振镜并注意调节偏振方向角度。
   有条件的单片式液晶投影生产厂商可以向液晶屏生产厂家定做无背光无偏振层液晶屏正反两面玻璃蒸镀增透膜的液晶屏，如果订货量大，价格肯定比正常液晶屏要低的多，而且效果也会好很多。
   3、镜头不要一味的贪求过多层数（即更多的镜片片数），众所周知（由上面计算亦可得），层数（片数）越多光损失越大，在满足像差要求的前提下镜头层数（片数）越少越好，且要蒸镀增透膜，注意每层（片）都要镀。
   4、屏后菲涅耳罗纹透镜方面，可采用透射率更高的光学玻璃制作菲涅耳罗纹透镜，并蒸镀增透膜。要注意菲涅耳透镜聚焦的准确性，不可有变形或聚焦不准，不然会使光源在镜头附近的成像变大或散乱，致使巨多光线不能通过镜头到达投影幕，造成巨大光线损失或画面明暗不均匀。一般来说要选用罗纹尽量细密，材质尽量硬的为好，聚焦的准确性在太阳底下一试便知，要焦点越小越圆越好，焦点千万不要是8字形、矩形、一字形或一个无法缩成点的大圆圈。
   5、在整机系统光路中我们可以以液晶屏为界把整个光路分成屏前光路（镜头端）和屏后光路（光源端），首先要彻底隔断屏前光路和屏后光路，不要让其相互串扰；第二、屏前光路中各杂乱无章的反射光是影响画面对比度、锐度等使画质变差的重要原因，可将整个屏前光路通道做成高度光吸收的黑色粗糙哑色面，一定要使无用的各杂乱无章的反射光彻底吸收。屏后光路中因有些杂光会造成画面亮度不均匀，也应作适当处理。
   6、系统中屏表面、镜头内表面及光源等各部件易吸附较多灰尘、光路中亦会有较多游离态的灰尘，且不易清理，因这部分光密度巨大，这些灰尘对光线的阻碍也不容小视，所以要注意整机系统中风路系统的防尘除尘（可考虑在各通风口添加适当滤网）及整机系统的密封。此举亦可减少开机箱清理次数及灰尘对电路的影响。
   7、有的系统光输出量即使很大，环境也很暗，但画面效果还是不理想，感觉环境亮度还是太亮，这时可考虑是否有较严重整机漏光和幕上画面光线反射，因为系统的漏光和幕上画面光线反射也会使环境亮度增加，此时一要注意降低系统漏光，方法为（1）各漏光通风口风路可设成回廊式或合适的百叶式，（2）主机机箱各接缝要严密；二是降低幕上画面光线反射对环境的影响，可将投影放映环境设成深色哑面，避免天花板、地板、墙壁及家具等反光。
   8、解释一个误解，屏幕的画面亮度并不是镜头光输出量，而是镜头光输出量除以屏幕画面面积，我们感觉到的亮度不是总流明数，而是单位面积上的流明数，是个光强度值。因此，恒定的镜头光输出量时，投影画面越大，画面亮度越低；投影画面越小，画面亮度越高。要在综合考虑镜头光输出量、使用环境、使用方便及观赏舒适性等各方面因素选用合适的画幅尺寸，不可盲目求画幅巨大。
   以上各项如都能作出正确合适的调整改进，那么这个光学系统将会是成功的，如果我们做得够好，调整后的结果将可达：
       η光总＝0.8
       η菲＝0.93
       η屏＝0.14
       η方＝0.85
       η镜头＝0.91
       η反＝1(以无反射镜计算)
       η整＝0.99
   由此大概可以计算出
       该系统光利用率η＝η光总×η菲×η屏×η方×η镜头×η反×η整
                       ＝0.80×0.93×0.14×0.85×0.91×1×0.99
≈0.07976＝7.976%
       该投影系统光输出总量＝光源光输出总量×系统光利用率η
                           ＝12500LM×0.01733(取光源光输出总量为12500LM时)
                           ＝997.03流明
   现在可以只用12500流明的光源就可以轻易达到1000流明的系统光输出总量，怎么样？
   如果能选有80多流明/瓦的光源，理论上150多瓦就足够了。
   还够不够专业级，能不能和专业机拼市场？
   当然如果设计制作合理，还能做得更好。

三、关于噪音和干扰
   1、噪音问题
   整机系统中,噪音主要来源与以下两个方面：
   ①、风路噪音  风扇是主要原因,在风扇的选用中,不可盲目追求高转速,因为转速和噪音成正比。在风扇选用时,可优先选择低转速大口径,在减小噪音的同时增加风量。还有就是噪音与风扇所采用的工艺也有很大关系,一般来说从轴承形式分有一般轴瓦式,油封轴承式,滚珠轴承式,液态轴承式,磁悬浮式等形式;从外形上分有风扇式,风机式,滚轮式等形式;从风的流动方向上分为吹风式与吸风式等等等等,它们在价格,转速,噪音,口径,通风量上各有不同,要合理选择区别对待。还要适当注意光路的通道设计，避免通道中因空气流动而激发的噪音。
   ②、电源嚣叫  要注意选用电源和镇流器的品质,形式及合适的功率匹配，一般电感式的容易产生日光灯一样的嚣叫,相反电子式的一般要好一些。而且一般电子式的会使光源的频闪更不易察觉,亮度会更高,色温也会有所增强,还会增加功率因素减少耗电量并能延长一些灯的半衰期和使用寿命。某些气体放电灯与合适的电子镇流器配合还能做到即点即亮缩短光源启动时间和光源热启动。当然，电子式一般价格要贵一些。

   2、电磁干扰和屏蔽
   ①、系统中电源部分(包括镇流器)的电磁会对电视接收电路及解码电路造成颇大的信号干扰,可以在设计时将电源部分(包括镇流器)集中远离其它电路放置,并用金属皮或合适的金属网罩将此部分罩住。
   ②、电源及其它的电路对系统内及系统外的音频系统会有一些干扰,对人身健康也是不利的,因此要注意整机的电磁屏蔽及电路的合理优化设计。


四、关于梯形校正
   当系统不能和预定画面中心高度相同时，为满足画面高度,而将机器机身前端高度改变,使机器系统光轴与屏幕平面不垂直来改变图像高度，画面将呈现非矩形，同时画面有聚焦不一亮度不均匀的现象，即为投影的梯形现象。
   梯形现象是极度影响画面视觉效果的，而实际应用中，一般都会出现，所以投影机需要有一定的梯形校正能力。
   一般来说梯形校正有三种形式，一是电子梯形校正，二是光学梯形校正，三是光学电子兼而有之。
   1、电子梯形校正  所谓电子梯形校正是指通过解码的特殊算法使屏上画面呈现反梯形抵消将会出现的投影画面梯形，也叫数码梯形校正。
   但此方法实现较为困难，而单纯的电子梯形校正效果也很差。原因是：
   第一  此方法只是使投影画面变成矩形，未解决画面的聚焦不一而使投影画面很多地方模糊不清。
   第二  电子梯形校正的本质是使屏上画面出现反梯形，是通过解码的特殊算法实现的对梯形的短于标准画幅的行（或线）上的象素作插值模拟运算显示，但液晶屏因象素的恒定性所以画面插值效果很差，结果是某些象素被重复而有些又缺失，致使画面非常难看。如果不能理解可以用自己的液晶显示器或液晶屏试一下非标准分辨率下的文字显示效果，就会有所体会。但这方面对风景人物图片或动态视频影响较小一些。
   第三  此方法还会出现因放大倍率不同而出现画面亮度不均匀的现象，一般为从画面上部到下部亮度呈现线性变化。而且因屏上显示画面实际面积小于液晶屏面积（或计划的屏上画面面积）使通光面积减小而浪费较多的光降低光线利用率。
   此方式的优点是调节方便简单，理论上梯形校正角度可以做得很大（实际上受最终投影画面效果的制约不会有太大的调整）。此方式的难点在特殊算法的电路和软件方面。
   2、光学梯形校正  所谓光学梯形校正是指通过使光学部件有可调整性使系统光轴总是和投影幕垂直而使画面保持矩形，并有良好的画面显示效果。一般方法为不用近轴而用远轴或用半轴。原理图如下：

   从原理图可以看出，当实际物体沿垂直方向移动时像的位置也会改变。
   实际应用中，可以用以下的几种方式：
  图一

图二

        图三

   图一为菲镜、屏部分以及镜头部分均为可活动，可和系统整体形成相反角度旋转。
   图二为直接使屏和镜头上升或下降（注意：此时不需要抬高系统机身改变角度就能使画面上升或下降，但此方法要求屏很小以及镜头的广角度很大）。
图三为使用偏心菲涅耳罗纹镜先预设一定的显示高度（而不是机器中心对正投影幕中心），然后利用图一或图二的方法设定调节方式。
也有人提到通过在液晶屏前加罗纹镜并翻转此罗纹镜角度取得一定的梯形校正，此方法我没有试过，但从原理来看应该不可避免的会产生画面畸变和相差
   当然还有一些其他方法值得尝试，如只采用以上每种模式的部分调节而不是全部调节，又或将以上几种模式综合集中运用等等。但综合来说光学梯形校正的主要缺点为：
   1、会要求用到更大广角度的镜头或需要镜头有更大的涵盖面积。
   2、会要求液晶屏越小越好。
   3、有些方法会使机箱变得更大一些。
   4、如果机械调节部分没有精确的设计和精密的加工工艺，调节将会很困难。
但当设计和加工工艺较好时可使这些缺点变得小一些。
当然最简单的方法是选用或配合合适的投影台或投影机吊架。

因为文件是在word中先打好的，所以图不好弄上去。
本人qq：396046082
e-mail：wawoko@163.com
欢迎讨论！

[s:47] 快上图啊

我准备DIY了

WAWOKO你好 ,  我希望您到我的论坛来做投影技术的斑竹好吗？ 论坛刚刚开始运做，需要您这样的技术指导呀，我的论坛地址是 www.hengxingdiy.com   QQ  479747253

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