DLP投影机测试指标及其含义-视听检测技术

2021-01-05 09:33 zhiye
通常,评估DLP投影仪的性能可以通过一系列规格指标来判定
 
如亮度、对比度、分辨率、投射比、刷新帧率、畸变等
 
那么,这些指标分别是什么含义呢?
 
 
1-亮度
 
亮度是指发光体或反光体表面发光或反光强弱的物理量
 
人眼从一个方向观察光源
 
在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比,定义为该光源单位的亮度
 
即单位投影面积上的发光强度
 
 
随着工业投影仪应用的扩展,DLP投影仪光源按波段可分为紫外光、可见光和红外光
 
通常,衡量可见光投影仪亮度的指标是流明,单位为lm
 
衡量紫外光和红外光投影仪亮度的指标是光功率,单位为W
 
这两者都是投影仪输出总的光通量
 
可见光投影仪的亮度可以通过照度计测量出照度,单位为勒克斯lux,然后乘以投影面积计算得出
 
紫外光和红外光投影仪可以通过光功率密度计先测量光功率密度值,单位为mW/cm2,然后乘以投影面积计算得出
 
投影仪的有效亮度主要受光源亮度、光利用率以及成像屏幕共同决定的
 
光源亮度越高,通常投影仪可显示的投影图案亮度也越高,越利于观看
 
光利用率高低取决光学系统中光能量的损耗的多少,不同类型的光源,光利用率也不太一样
 
通常Laser>LED>Lamp
 
投影仪投影图案到屏幕上,屏幕将光线反射到人眼,人眼才能看到画面
 
普通远距离投影仪投射到屏幕时,由于距离较远,即使投影到墙面或非专业屏幕
 
大部分光线都能反射到人眼,效果还不错
 
近两年流行的超短焦投影仪,由于投影仪距离屏幕很近,投影到屏幕时
 
不同位置投射到屏幕的入射光角度相差很大,导致反射进入人眼的光线也相差很大
 
为了保证显示效果,超短焦投影仪通常需要配备专门的黑珊屏幕或菲涅尔屏幕
 
这种屏幕可以有效提高成像效果
 
 
2-光照度
 
由于不同投影仪投影画面尺寸大小不同
 
相同光通量的投影仪,投影画面尺寸越大,单位面积上的亮度就越低
 
因此,引入一个新的指标光照度
 
光照度是衡量投影机单位面积上的亮度
 
可见光照度的单位是勒克司,单位lux,表示被摄主体表面单位面积上接受的光通量
 
1勒克司等于1流明/平方米,即被摄主体每平方米的面积上,距离一米、发光强度为1烛光的光源,垂直照射的光通量
 
紫外光和红外光照度通常用光功率密度来衡量,单位为mW/cm2
 
 
3-分辨率
 
DLP投影机的分辨率通常由DMD的分辨率决定
 
DMD芯片分辨率取决于集成的数字微镜数量的多少
 
通常,DMD芯片尺寸越大,集成的微镜数量也越多,分辨率也就越高
 
随着半导体制造工艺的提升,可以把单个微镜尺寸做的越来越小
 
如目前DMD芯片微镜尺寸就有13.6微米、10.8微米、7.6微米甚至5.4微米的
 
相同尺寸的DMD芯片,单个微镜尺寸越小,微镜数量越多,分辨率自然也越高


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4-对比度
 
在投影机行业有2种对比度测试方法
 
一种是全开/全关对比度测试方式,即测试投影机输出的全白屏幕与全黑屏幕亮度比值
 
这种方法测出来的对比度称为Full On Full Off,即FOFO对比度
 
另一种是ANSI对比度,它采用ANSI标准测试方法测试对比度
 
ANSI对比度测试方法采用16点黑白相间色块
 
8个白色区域亮度平均值和8个黑色区域亮度平均值之间的比值即为ANSI对比度
 
这两种测量方法得到的对比度值差异比较大
 
这也是不同厂商的产品在标称对比度上差异大的一个重要原因
 
对比度的实现与投影机的成像器件和光路设计密切相关
 
对于LCD投影机来说,首当其冲的因素就是液晶板的像素透光率与阻光率
 
这个差值越大,投影机的对比度也越大
 
目前大多数LCD投影机产品的标称对比度都在400:1(ANSI)左右,
 
而大多数DLP投影机的标称对比度都在1500:1(全白/全黑)以上
 
 
5-刷新率
 
投影图像每秒钟刷新的次数。
 
消费类投影仪通常采用HDMI接口传输视频流信号,即DLP里的Video模式
 
格式为24bit彩色图形,刷新速率通常为50Hz或60Hz
 
刷新帧率越高,观看动态视频时越流畅
 
尤其是在观看高速运动画面时,效果更佳震撼
 
而工业类投影除了具有video模式外,还额外提供pattern sequence模式
 
这个模式允许用户将1至8bit图片存储在投影仪的内部flash中
 
然后按照需求配置曝光时间,并可以与相机等外部设别实时的帧同步
 
由于图片可以按不同灰度等级存储并显示,因此刷新帧率最高可达几千Hz
 
非常适合结构光三维扫描等应用
 
 
6-光均匀性
 
光均匀性是指投影仪在投影白色图像时,投影区域内不同位置亮度的均匀程度
 
亮度的均匀性反映了边缘亮度与中心亮度的差异,用百分比来表示
 
通常情况下,投影区域中心最亮,越靠近边缘越暗
 
如图所示,将投影区域平分为9个区域,分别为E1,E2……E9
 
使用照度计分别测出9个区域中心点的照度值E(i),求取9个区域的平均值E(avg)
 
不同的厂家有不同的测量方法,测量出的数据也会有较大差别
 
以下是3种比较常见的测量方法
 
 
(1)BenQ使用国际标准化组织ISO定义的方法,将外角读数的平均值除以中心读数
 
即(E1+E2+E3+E4+E6+E7+E8+E9)E5
 
(2)日立使用最小的外角读数,除以所有9个读数的平均值
 
即E1,E2,E3,E4,E6,E7,E8,E9中的最小值,除以E1,E2,E3,E4,E5,E6,E7,E8,E9这9个区域的平均值
 
(3)还有些厂家,使用最小值除以最大值
 
即E1,E2,E3,E4,E5,E6,E7,E8,E9中的最小值,除以其中的最大值
 
即Min{E1,E2,E3,E4,E5,E6,E7,E8,E9}/Max{E1,E2,E3,E4,E5,E6,E7,E8,E9}
 
目前一般采用第2中方法,画面均匀度在85%以上,有些出色的投影机可以达到95%以上
 
影响投影光均匀性的主要是内部的匀光照明系统
 
目前投影仪内部匀光的器件主要是积分棒和复眼透镜两种
 
 
 
积分棒基本原理是光线经过该棒,在棒内会经过多次的反射后出射
 
假设入射时是一个光源,经过多次的反射后,会形成多束光
 
出射时会形成多个光源镜像
 
这样,就相当于把一个光源在能量层面上均匀化了.这就是它的均匀照明的原理
 
 
复眼透镜又叫蝇眼透镜,它由一系列小透镜单元拼合而成
 
RGB LED经各自的准直透镜后,再经过X-Plate合光
 
三路合光的准直光束直接入射到复眼透镜,形成多个光斑
 
这多个光斑再经过中继系统,每个小透镜单元的光斑都在照明目标面上重叠,形成均匀的照明区域
 
 
对于相同的照明要求,积分棒匀光系统结构更为复杂,体积也更大
 
因此目前绝大部分DLP投影仪均采用复眼透镜匀光系统
 
 
7-投影幅面
 
投影出来的画面尺寸,如50寸、100寸等
 
投影幅面与投射比、投影距离等有关
 
通常,投影仪里投影屏幕越远,投影幅面越大
 
投射比越小,相同投影距离投射的画面也越大
 
目前市面上的一些激光电视,基本都是采用超短焦镜头
 
在非常近的距离,可以投射上百寸的画面
 
 
8-投影距离
 
投影距离是指投影机镜头最前端到投影屏幕的距离
 
 
9-投射比
 
投射比是指投影机成像清晰时,投影距离与投射画面宽度的比值
 
如图所示,假设投影仪镜头到投影屏幕的距离为D,投影画面宽度为W,则投射比T=D/W
 
投射比的大小,主要取决于投影机镜头
 
镜头的视场角越大,投射比数值越小,反之则越大
 
针对多少投射比成为长焦、中焦、短焦,业界有多种不同说法
 
我们采用相对应用较多的区分方法
 
普通投影机的投射比,通常在1.5-1.9 之间
 
当投射比小于1 时,我们通常称之为短焦镜头
 
短焦镜头可简单划分为三类
 
第一类,是镜头投射比在0.4以内,现阶段都是反射式超短焦投影机
 
第二类,投射比在0.4至0.7之间的产品,普遍采用鱼眼镜头,可以简称为短焦投影机
 
第三类,是镜头投射比在0.65到1之间的普通短焦产品
 
鱼眼镜头投射式是一种极端的广角镜头
 
为使镜头达到最大的视角,这种镜头的前镜呈抛物状向镜头前部凸出
 
与鱼的眼睛颇为相似,因此得名
 
鱼眼镜头属于一种特殊的超广角镜头
 
它的视角力求达到或超出人眼所能看到的范围,因此能在短距离投射出大画面
 
反射式镜头是采用反射式的光学技术
 
即投影机镜头将影像投射在反射镜上,再由反射镜投射到投影屏幕上
 
中间通过自由曲面镜头反射,这种投射方式原理看似简单,可实际上对工艺技术的要求反而更高
 
由于投影图像经过反射才达到屏幕,图像很容易因为反射镜的一点微小的误差而在投影幕上造成图像的变形和亮度不均
 
因此制造此类短焦投影机对光学组件的设计和加工工艺要求是相当高的,有一定的技术壁垒
 
目前,只有采用反射式镜头的投射比才能做到小于0.4,而成为真正的超短焦投影机
 
 
 
10-焦距
 
许多DLP投影仪在产品规格中对其光学设计的细节纰漏极少
 
通常情况下,给出的参数通常是投射比,而没有给出镜头焦距等参数
 
其实,镜头的焦距可以通过投射比来确定
 
 
如图所示,从DMD的一条边至屏幕上的对应的边的光线所形成的是全等三角形
 
由图可以得到公式,计算出投射比T
 
投影仪的焦距计算方式如公式所示
 
f=1/(1/d1+1/d2)
 
d1和d2可根据投射比和已知数据计算的出,公式如图所示
 
d1=T*w,d2=T*W
 
其中T为投射比,小w为DMD芯片的宽度,大W为投影画面的宽度
 
已知T,d1和d2,就可以直接根据焦距公式计算出焦距了
 
以DLP3010光机为例
 
光机型号为OPR305120,规格参数如下
 
已知投射比T=1.99,DLP3010芯片的宽度为6.912mm
 
在标准工作距离120mm位置,投影画面宽度为60.4mm
 
因此,可以计算出d1=T*w=1.99*6.912mm=13.755mm,d2=T*W=1.99*60.4mm=120.196mm
 
由此可以得出焦距f=1/(1/d1+1/d2)=1/(1/13.755+1/120.196)=12.35mm
 
 
首先,必须知道采用的DMD的芯片宽度,可以在对应规格信号的datasheet中查到
 
此图是常见型号的DMD分辨率及对应的芯片尺寸


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11-放大倍数
 
DLP投影仪的放大倍数是屏幕成像大小与成像器件DMD尺寸的比值
 
屏幕上的投影图像越大,放大倍数就越大
 
同一个投影仪,投射比保持不变,成像大小随着投影距离线性变化
 
通常,普通投影仪的放大倍率大于1
 
对于某些特殊应用,也会采用放大倍率小于1的镜头,因此实际投影的图案尺寸比DMD还小
 
假设投射比T=1.5,当投影距离为1m时,投影画面宽度为66.7cm
 
当距离为2m时,投影画面宽度为1.33m
 
此时,投影图像单位面积的亮度,即照度也将变为投影距离为1m时的四分之一
 
 
放大倍率计算公式为M=d2/d1=W/w
 
如果增加DMD至光瞳中心的距离d1,则在d2的成像将可以小于DMD的尺寸,这意味着缩倍是可行的
 
实际上,缩倍值的限制因素包括DMD能与透镜分开的物理距离、镜头数值孔径的大小以及光的衍射等
 
 
12-偏移offset
 
offset是一种用于衡量 DMD 相对于光轴产生的移位的尺度
 
消费类投影仪由于需要放置在桌面,或吊装在房屋上,为了方便观看和安装
 
通常使用offset为100%的投影仪,即偏轴投影仪
 
结构光3D扫描应用,通常使用0% offset的DLP投影仪,即同轴的DLP投影仪
 
同轴的DLP投影仪不仅可以与相机安装在同一水平高度,而且通常光均匀性也更好
 
这也是区分工业投影和消费投影最简单明了的一种方式
 
 
那么,offset为0%和100%的投影仪,有什么区别呢?
 
如图所示,offset为0%的DLP投影仪,光轴穿过DMD的中心
 
我们知道,投影仪的亮度由中心向四周是逐渐减弱的
 
也就是说,同轴的DLP投影仪亮度是上下左右对称,亮度均匀性通常来说相对偏轴要好一些
 
而偏轴的DLP投影仪,由于光轴位于DMD的一条边的中心,亮度均匀性则相对较差
 
此外,在结构光3D相机系统中
 
通常为了减小设备尺寸,会将相机和DLP投影仪安装在同一水平面上
 
这样,整机设备高度能尽量高做小
 
从这个方面来说,同轴的DLP投影仪更加适合结构光应用
 
 
13-畸变
 
对于消费类投影仪,一般在短焦的镜头中较易出现,在长焦镜头中可不考虑这个参数
 
工业应用中,如3D打印,结构光3D扫描,畸变太大的话,会对打印或者扫描效果影响较大
 
所以,畸变越小越好
 
 
14-投影精度
 
投影精度是指投影画面单个像素点的大小,或者可以理解为投影仪投影的最细的线条宽度
 
 
15-景深
 
在聚焦完成后,焦点前后的范围内所呈现的清晰图像,这一前一后的距离范围,便叫做景深、光圈、镜头、及拍投影距离是影响景深的重要因素

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