淺談微型投影儀與計算機的集成設計與應用

李一琳

淺談微型投影儀與計算機的集成設計與應用

李一琳

（國家知識產權局專利局專利審查協作北京中心，北京 100160）

隨著消費者對個人計算機應用體驗的需求不斷提升，顯示屏幕尺寸小、價格高、不易移動等問題已經成為制約計算機應用發展的因素之一。微型投影儀具有尺寸小、性能高、投影屏幕尺寸可靈活調節等特點，將其與計算機結合成統一的系統，既可以提升投影性能，也對計算機的應用體驗帶來巨大的改變。主要探討了將微型投影儀與計算機結合在一起的實現方式。DLP投影儀因其技術和工藝成熟、生態環境完善、產品尺寸小等特點，是目前主流的微型投影儀產品。將DLP微型投影儀與計算機結合在一起的系統目前主要有兩種實現方式，這兩種產品實現方式各有特點，也對應不同的設計難點。結合市面上已有的微型投影儀與計算機系統集成的具體案例，分析了集成系統的設計及應用場景。

計算機；微型投影儀；DLP；集成設計

1 引言

微型投影儀因其具有體積小、性能優、可移動性和性價比高的特點，近年來作為一個新型的電子科技產品逐漸走入人們的視野。隨著微電子技術的高速發展，計算機CPU運算和集成能力已經滿足大多數消費電子用戶的場景需求，計算機集成的高性能音視頻和網絡傳輸單元也給用戶帶來更好的場景體驗。將計算機與微型投影儀系統有機結合起來，不僅可以通過計算機的處理單元提升投影性能和拓寬投影儀的應用場景，同時微型投影儀的顯示特性，也對計算機的顯示應用帶來巨大的便利。

結合計算機的技術特點、發展趨勢和當前微型投影儀技術的分類、特點，對微型投影儀結合計算機的整體系統開發設計做了詳細說明，并介紹了兩者結合后一些實際應用案例的實現方式。

2 微型投影儀分類及技術發展

微型投影儀的尺寸比傳統意義的投影儀小，嚴格來說，行業內對微型投影儀沒有明確定義。按投影儀體積大小來看，微型投影儀的尺寸通常為手機大小，可以隨身攜帶，重量一般在0.2～0.5 kg，一部分帶有電池的微型投影儀重量可能會更大。

2.1 微型投影儀的技術分類

投影儀的工作原理是光源發出光，通過一系列的光學照明系統將光源的光均勻照射到顯示芯片上，投影系統前端的投影鏡頭將顯示芯片上的圖像放大投射到相應的屏幕上。投影系統由微電子和光學兩大部分共同實現，通過電路系統處理的圖像信號使之在顯示芯片上實現色階以及灰階并顯示出圖像，光學主要分為成像光學系統以及照明光學系統。

微型投影儀可以從不同的角度進行分類，從光源的角度分類，微型投影儀可分為LED光源和激光光源。激光光源因其安全隱患及成本問題，應用范圍并不如LED光源的微型投影儀更加廣泛。從顯示芯片成像技術分類，可分為DLP技術、3LCD技術以及LCoS技術。

DLP是“Digital Light Processing”的縮寫，DLP投影技術原理是RGB三色LED發出的光源經過照明光學系統均勻化處理后，穿過透鏡投射在DMD芯片上，經過DMD芯片反射后通過投影鏡頭在投影屏幕上成像。其中，DLP投影技術的關鍵處理元件是TI（美國德州儀器）公司開發的數字微鏡元件——DMD（Digital Micromirror Device），在一片小小的DMD芯片上有近百萬個比頭發絲還細微的小反射鏡陣列，投影儀工作時通過對DMD芯片上的每個微反射鏡翻轉角度控制實現圖像色階以及灰階。目前DLP技術是僅由美國德州儀器（TI）擁有并控制的微投技術。

3LCD微投影技術實現的基礎是高穿透式高溫多晶硅（HTPS）LCD顯示面板。每一個3LCD光路系統都由3塊HTPS構成。3LCD微投技術的一個關鍵部分是HTPS，每一塊HTPS是由很多像素組成，每一個像素由以特定方式排列的液晶分子組成，根據液晶分子在不同電壓下排列方式的變化，改變透過像素光線的振動方向，從而實現了從全黑到全白狀態下不同灰階的過渡。3LCD微投技術的另一個關鍵部分是分色棱鏡。燈光源發出的光通過分色棱鏡A分出紅色光，再通過分色棱鏡B分為綠色光和藍色光，三種顏色的光分別投射到三塊相對應的HTPS液晶板上，并經過中間的棱鏡將三原色光進行混合后投射出不同顏色的圖像。

LCoS（Liquid Crystal on Silicon）硅基液晶，是一種尺寸非常小的矩陣液晶顯示裝置，像素尺寸大小分布在7～ 20 μm。LCoS技術的顯像原理與液晶LCD類似，通過微電路控制電壓，使液晶發生扭轉，通過液晶對偏振光的控制，對光進行開關，從而實現色階以及灰階。LCoS硅基液晶與液晶不同之處在于其本身是反射光控制，而液晶是透射光控制，LCoS本身從技術理論上透光率大于液晶LCD。

2.2 微型投影技術比較及發展趨勢

從成像技術來看，DLP投影是反射式成像，3LCD是投射式成像技術，而LCoS更像是兩種成像技術的結合，因此DLP在對比度上相對其他兩種技術存在優勢。DLP投影采用時序顯示色彩，液晶的強項體現在亮度均勻性、色彩及細節的表現上，因此采用液晶技術的LCD和LCoS成像具有色彩鮮艷、飽和度高的優點。從光電轉換效率來看，這三種技術實現的亮度效率大致相同。從生產制造工藝來看，LCoS技術采用的硅基液晶其鋁反射電極層與液晶分子間的結合問題是整個制程中的關鍵難點，目前仍然是影響LCoS技術發展的制約因素。而德州儀器對DLP技術投影儀系統的實現制定了各個部分比較完善的參考指引，國內大多數光機開發廠商也都是以DLP技術的產品為主導。DLP的產品生態環境明顯優于LCoS技術。

綜合來講，采用DLP技術的投影儀因其技術及工藝成熟、生態環境完善、尺寸小等特點，成為目前微型投影儀市場的主力產品。

從發展趨勢來看，DMD是基于機械式鏡片旋轉的方式控制圖像顯示（大約每分鐘5 000次），而LCoS技術卻采用液晶材料的光學各向異性形成，是一種純電子的操作，從長遠來看LCoS技術更能夠節約成本，還能保障成品率的優良比例，而微電子機械的結構特點決定了DMD芯片工藝的復雜性，在未來更高分辨率產品上的突破也許會成為難點。

3 微型投影儀與計算機系統的集成設計

微型投影儀作為一種顯示終端，其固有的投射畫面尺寸隨投射距離變化的特點為計算機的應用帶來巨大的便利。而計算機作為數據處理和集成運算單元，不僅為微型投影儀系統提供信號源，而且結合其各部分系統可以對投影儀的功能進行優化。

3.1 計算機與微型投影儀的系統結合方式

計算機（個人計算機）依據產品形態，可以分為臺式計算機和筆記本。其中臺式計算機依據是否集成顯示終端又可以進一步分為傳統臺式計算機與一體型計算機。筆記本與一體型臺式計算機因其本身帶有顯示終端，通常微型投影儀只是作為一個分離的輔助設備存在。而傳統臺式計算機即通常意義上的主機，需要連接顯示器使用。因此，微型投影儀與臺式計算機的結合在實際應用中更有意義。

從產品形態上來看，微型投影儀可以集成到臺式計算機的機箱中，作為一個內置模塊存在，也可以做成一個單獨的模塊放置在機箱外面，與機箱在形態上保持一致性并有機地連接在一起。下面針對這兩種結合方式進行探討。

根據投射比參數的大小，投影儀分為普通焦、短焦和超短焦。通常投射比大于1的投影儀定義為普通焦投影儀，而投射比小于0.4的投影儀被稱作超短焦投影儀。如果采用普通焦投影儀，通常將畫面投射到墻上，需要投影儀光機的鏡頭指向與墻面垂直，也就是鏡頭指向是水平的。因此光機在機箱內需要水平放置，并且實際設計中通常將光機放置在機箱靠近上面的部分，這是因為光機鏡頭的高度與投射畫面的底邊是同高的，如果光機的放置位置低會影響實際使用時畫面的顯示位置。

如果采用超短焦投影儀，通常是將畫面投射到桌面，需要投影儀光機鏡頭指向垂直于水平桌面，也就是鏡頭指向是垂直的。這種情況下光機的擺放位置在傳統的矩形機箱比較難以實現，通常要設計特殊的主機機箱結構與之配合。在實際的產品設計中，通常需要考慮產品定位的場景選擇普通焦或超短焦的投影儀，并與計算機系統進行結合設計。

另外，微型投影儀系統包含電路系統模塊與光機模塊。與光機模塊不同，電路模塊的擺放位置則相對靈活。通常可以設計成一個單獨的PCB板隨光機的位置進行固定，也可以與計算機主板結合在一起。后者與主板有一定的成本優勢并有利于前端圖像信號源的質量。

微型投影儀與計算機的第二種結合方式，是微型投影儀作為單獨的模塊存在于計算機主機箱外，采用這種結合方式的系統設計較前一種方式更容易實現，而最終的產品形態可以從外觀設計的角度進行充分發揮。微型投影儀與計算機系統之間的連接，包括數據和供電的連接，是該種結合方式中的設計重點。一般采用的供電方式是接觸式供電，具體的實現方案可以采用類似Pogo pin的接觸方式。采用電磁線圈的無線充電技術也具有可行性，需要產品根據自身的特定和定位進行選擇。計算機與投影儀模塊的數據通信主要是傳輸圖像信息的HDMI信號，HDMI信號可以采用接觸式或者線材的方式與計算機連接，也可以采用無線方式。如果采用無線方式，需要考慮無線信號的干擾、信號方向以及實現高清視頻無延遲的傳輸。

3.2 集成微型投影儀的計算機系統設計重點

投影儀與計算機原本是不同類別的產品，將兩者結合在一起必然會遇到一些設計難點，甚至在行業規范上也存在一些分歧，以下從幾個重點的方面進行闡述。

光學模塊對機構的精密度和誤差控制的要求極高。不管光機的放置位置如何，在確定了光機方向的前提下，需要通過三點定位的方式保證光機在機構上的穩定性。光學模塊的誤差控制精度遠超計算機機構的誤差規范，這是由于光線投射的放大效應會將些微的誤差體現到圖像畫面的傾斜甚至是畸變上。因此光機模塊的固定方式及機構精密度通常是系統的設計重點。

投影儀中的LED光源發熱量極高，而且LED溫度過高會對圖像顏色和亮度產生影響。如果將光機模塊集成在計算機機箱內部，需要提高計算機整體系統散熱能力。采用傳統風冷的散熱方式，可以通過提高風扇轉速等方式提升散熱效率，但需要關注由此帶來的噪音過大問題。為保證整體的優化設計，需要在系統設計前期，提前考慮有利于散熱的機箱構造及模塊擺放位置。采用水冷的散熱方式，也需要考慮水冷方式的成本及機箱構造問題。

另外，結合光學模塊的特點，傳統計算機領域的一些測試標準也面臨著新問題。比如可靠性測試中的震動跌落等測試規范等，需要參考投影儀行業標準重新定義。

4 實際應用案例

市面上有一些投影儀與計算機系統有機結合的實際案例，以下是兩款代表性的實際產品。

一款是索尼Xperia Touch，該產品將投影儀集成在搭載Android系統的機箱中，其采用的是本文提到的超短焦的投影儀。這款產品根據不同的應用場景既可以將畫面投射到桌面上，也可以通過改變機箱的放置方式將畫面投射到墻面上，并且其還具備紅外觸控功能，在投射到桌面時實現了類似觸控屏幕的效果。該產品的微型投影儀是集成在主機箱中的，其供電和數據通信均是在機箱內部實現的。

另一款是聯想Ideacentre610s，這款產品與投影儀系統的結合方式是本文描述的第二種，即分離模式。投影儀系統與計算機主機系統采用上下堆疊的形態，供電通過Pogo pin實現，HDMI信號傳輸通過60 GHz的無線技術實現。投影儀模塊采用主流DLP技術，分辨率720p，投射比在1.0以上，用戶場景是家庭劇院模式，即投射畫面到墻上。另外此款產品預留了HDMI接口，投影儀模塊也可以配合其他設備使用。

5 小結

本文探討了集成微型投影儀的計算機系統設計，首先對微型投影儀技術特點和發展趨勢進行了介紹，然后探討了微型投影儀與計算機結合系統的兩種具體實現方式和在實際產品設計中需要關注的重點，最后結合兩個實際投影儀的產品案例進行了實際應用的探討。由于筆者水平有限，不免有誤，如有不當之處請讀者指出，不勝感激。

［1］莫志君，張慧莉，余松煜.基于TI DLP技術的投影機驅動電路設計和實現［J］.光學儀器，2009（6）：48-51.

［2］屈碧香.基于RGB三色LED光源照明的DLP投影系統光路設計［D］.杭州：浙江大學，2013.

［3］李健敏.DLP投影儀光電成像原理及特點［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2008（4）：108-110.

［4］邱崧.基于LED光源的DLP投影系統的研究［D］.上海：華東師范大學，2007.

TN946.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.064

2095－6835（2019）24－0143－03

李一琳（1985—），女，研究方向為電子技術。

〔編輯：嚴麗琴〕