用于模擬訓練的LED 照明光源白皮書

從發(fā)明之初，投影技術就成為大型高分辨率圖像顯示的主要技術。多年來，投影機的發(fā)展與計算機圖像和視頻信源的進步并駕齊驅，并緊隨更高分辨率和更大尺寸銀幕的趨勢。

然而，在某些應用中往往需要在更大的投影范圍上達到更高的像素密度，這是任何單獨的定焦投影機所無法提供的，尤其是模擬訓練(ST)，其訓練過程經常要求在寬視場中達到“肉眼極限分辨率”的目標。以上應用最好的實現(xiàn)方式是將多臺投影機布置成一個投影陣列，然后將每臺投影機所投射出的圖像拼接在一起，形成更高像素數(shù)的合成影像。所獲得的獨立圖像可以是經過邊緣拼接的，也可以是經圖像重疊和邊緣融合后得到的無縫整體圖。

挑戰(zhàn)

投影陣列給圖像的投影應用帶來了許多特殊的工程挑戰(zhàn)，這在（不同投影機所投射的）相互毗連的圖像在曲面上進行邊緣融合時表現(xiàn)得尤其明顯。作為一家設計和制造用于陣列投影顯示設備的老牌公司，科視–其投影設備依次基于陰極射線管（CRT），硅基液晶以及DLP?技術–這些年來，已經提出能應對這些挑戰(zhàn)的專用解決方案。[1]

ChristieTWIST?將ChristieDLP?投影機的內部的變形和融合模塊與外部電腦中運行的軟件相結合，解決了圖像融合過程中曲面上多個重疊定焦矩陣圖像的幾何圖形的投影和精確拼接問題。ChristieAutoCal?則能適應精確拼接和融合的投影陣列校正維護工作。ChristieAdvancedColor?則解決了顯示陣列中多重畫面的精確色彩匹配問題。ChristieMotoBlend?的電動光學融合技術可在暗色調的場景中保持良好的對比度，同時對不同的黑電平進行融合，而高速模擬過程中由人眼追蹤而導致的圖像拖影和二重像問題則可通過AccuFrame?解決。

下一解決方案

投影陣列目前的主要挑戰(zhàn)在于投影機定向的可靠性和靈活性、投影機安裝的簡易性以及使用一定時間后的性能維護。而所有這些都會受到投影機光源性能的極大影響。

數(shù)字投影機通常使用高壓氣體放電（HID）燈照射一個或多個微型顯示器?，F(xiàn)今，這些燈一般基于超高壓下的氙蒸氣或汞蒸氣放電。隨著適用于ST陣列投影的投影機從模擬式（CRT和光閾式）逐漸發(fā)展為數(shù)字式，以集成電路為主要形式的固態(tài)元件在投影機內部架構中也占據(jù)了越來越大的比例–其中就包括DLP?技術的微型顯示器。但投影機的光源依然頑固地保持著非固態(tài)，直到現(xiàn)在也是如此。

固態(tài)發(fā)光二極管(led)的出現(xiàn)取代了HID燈。正如ChristieMatrixStIM?投影系統(tǒng)所表現(xiàn)的那樣，它帶來了操作上和性能上的許多顯而易見的優(yōu)勢，并可解決投影陣列中現(xiàn)存的一些難題。

從操作上來說，LED的主要優(yōu)勢是高可靠性和長壽命。例如，根據(jù)LED制造商LuminusDevices公司基于數(shù)百萬小時的儀器實際使用測試得出的可靠數(shù)據(jù)，我們可以預測，在投影應用中的標準操作條件下，其中值壽命將超過80,000小時。[2]這個數(shù)字遠高于HID燈的預期壽命，后者從某些高功率氙氣燈500小時的短壽命到某些低功率、超高壓汞蒸氣燈所能達到的（最多）約10,000小時的長壽命不等。[3][4]

更長的光源壽命意味著由燈泡故障和更換造成的故障時間大幅縮短，同時這也意味整個陣列的故障時間也大為縮短。這一點，對滿足在寬視場上達到“肉眼極限”分辨率的大型投影陣列而言更為重要。它還意味著用戶可通過避免經常更換燈泡而造成的原材料和勞動力損耗來降低產品的擁有成本，包括妥善處理廢舊燈泡的成本。由于汞蒸氣燈中含有的汞在許多國家都受到環(huán)保限制，因而更換燈泡對環(huán)境帶來的影響也不容忽視。

由于LED不產生紫外線（UV），因此也能潛在提升投影機光學系統(tǒng)的平衡可靠性。相比之下，HID燈所產生的大量紫外光必須在進入投影機的光學器件之前消除，因為紫外光會加速光學涂層及其他材料，特別是基于有機化合物的材料的老化。[5]當然，通過精心設計能夠減輕這一問題所帶來的影響，但是諸如液晶顯示(LCD)和硅基液晶(LCoS)這類采用偏光材料的投影技術一直以來就對紫外線極其敏感。[6]

作為固態(tài)元件，LED也十分堅實。它們可以承受極高程度的加速及震動。例如，用于投影應用的LED在機械完整性測試中被證實可承受1500g/0.5ms的沖擊以及高達20g的連續(xù)振動。[2]這些數(shù)字遠超出那些用于ST的運動平臺的典型加速度分布。

固態(tài)還帶來了另一個優(yōu)點，那就是LED可被安裝于任意方向上。相比之下，HID燈的可靠操作則幾乎總是將燈的主軸限制在水平方向上，只能允許有限的傾斜。[3]而專用投影機在設計過程中需要考慮到其在典型的陣列構型中的使用，那么沒有此類方向限制的投影機無疑會在安裝的選擇上帶來更大的靈活性。

LED在操作上的另一優(yōu)勢則利用LED的技術潛力，使之容易產生特定波長的近紅外光(NIR)并對其加以控制。通過結合投影機光路中的窄帶和近紅外LED以及常見的紅色、綠色和藍色LED，ChristieMatrixStIM?投影系統(tǒng)可產生NIR圖像，從而在不損害圖像可見光譜段顯色性的同時實際模擬夜視儀(NVGs)效果。這種被稱作InfraScene?的功能，可以帶來更加真實的NVG訓練。準確控制從NIR光到RGB光的平衡能力也使得投影機的輸出光譜可以根據(jù)現(xiàn)有或新NVG技術而改變。這種分離的NIR通道所帶來的靈活性是定焦濾光投影機所不能提供的。

更高的性能

LED照明技術可提供許多性能優(yōu)勢。舉例來說，LED不但具有更長的使用壽命，精密的投影機設計使得它們的亮度幾乎不會隨著使用時間的增加而減弱。根據(jù)典型設備的長期老化數(shù)據(jù)，我們可預測，即使在最大建議接點溫度下，經過20,000小時的運行，預期紅光和藍光亮度僅會發(fā)生20%的衰減，而綠光的衰減將小于5%。[2]相比之下，HID燈的亮度則會在使用后數(shù)百小時內從其峰值輸出迅速減弱，并在使用壽命結束時衰減50%（根據(jù)典型定義）。[3]

光輸出的下降速度越慢，規(guī)定時間內與峰值亮度密切相關的平均亮度值就越高。）對于投影陣列來說更重要的是，由于單個拼接圖像在其未修正態(tài)中的亮度差別不大，使得在陣列上進行整體圖像的亮度均勻性維護變得更加容易了。

要在一組陣列式圖像上保持亮度的均勻性，就需要對各個單獨投射圖像的相對強度進行很好的控制。在這方面LED也顯示出優(yōu)勢。人們可大范圍地電子控制LED的亮度，在設備特性僅發(fā)生微變或不變的情況下，其控制潛力可達100%（從全白到全黑）。而另一方面，HID燈的亮度控制范圍則通常會受到很大的局限：對于某些汞蒸氣燈來說，其控制范圍僅有20%，而對于氙氣燈，其數(shù)值也不過才50%

對LED光輸出精確控制的能力不僅能實現(xiàn)位于陣列中的投影機的峰值亮度的平衡，也可實現(xiàn)黑電平及色彩的精確平衡。因為各個紅色，綠色和藍色LED均被獨立控制，任何顏色失衡都可輕易得到實時修正，從而可實現(xiàn)穩(wěn)定的色彩以及兩臺投影機間精確的色彩拼接。當然，在投影陣列上平衡圖像屬性的能力并不會憑空產生，而必須由人們將其設計為一套解決方案才能實現(xiàn)。ChristieArrayLOC?就是這樣一套解決方案，它可在高達128臺投影機的投影陣列上，提供亮度、黑電平和色彩方面的實時和連續(xù)自動平衡。

涉及黑電平時，如果投影陣列合成的總黑電平值高出應用要求的話，控制和平衡就幾乎不起什么作用了。特別是夜間應用的ST，更要求黑電平盡可能的低。而LED在這方面的優(yōu)點則是當需要時其可將光輸出“撥回”至零。

人們通常認為色彩是繼對比度、分辨率和亮度之后在圖像質量方面最重要決定因素。而這也是LED的最大優(yōu)點之一。投影機中所使用的每個紅色、綠色和藍色LED均會發(fā)射出波長范圍極窄的光，典型的藍光主波長為460nm，綠光為525nm，而紅光為625nm。因此，LED投影機本身色域相對較大。CIE色度圖(1931)上三角形面積所定義的典型LED投影機的色域幾乎比通常用于成像的標準sRGB的色域大了將近70%。

只要對數(shù)據(jù)源進行正確編碼，LED照明所具有的更大色域將使其以超出常規(guī)燈泡技術的光譜性能精確再現(xiàn)真實物體色彩。顯然，通過降低原色的飽和度，諸如sRGB的標準色域可被精確渲染。由于LED的各原色都可被完全獨立控制，上述目標可在極少甚至完全不犧牲其他性能參數(shù)的情況下實現(xiàn)。

對于投影陣列，更為重要的一點是，擁有大色域值的投影機也將使整個投影陣列達到更廣的色域，這是因為任何公共色域不可避免地會受其中每一臺投影機所能達到的色域范圍的限制。例如，對于那些僅能在標稱數(shù)值上達到sRGB色域的投影顯示，由于誤差的影響，陣列的合成色域可能會比sRGB色域要小.

另外非常重要的一點是，LED最終使得單片DLP?投影機的設計能適應關鍵應用的要求。以一個傳統(tǒng)HID燈作為光源，單片DLP?系統(tǒng)依賴于使用機械色輪以在每一視頻幀期間內（通常為一秒鐘的1/60）進行原色間的循環(huán)。作為機械裝置，色輪是投影機整體可靠性的一大弱點。因為輪的轉速會受到實際限制，因此每幀顏色可循環(huán)的次數(shù)也會受到限制，色輪也會造成色分離假象（所謂的“彩虹”效應）并使圖像不能用于特定應用中。例如，由于人眼部的快速掃視或頭部的快速運動，從色輪式投影機中投射出的黑底白色的圖像會分裂為多條色帶。

LED的使用完全淘汰了色輪。人們可以利用LED間的轉換來進行原色的電循環(huán)。將LED的高轉換速度與DLP裝置的高速相結合便可帶來極高的變化率，通常為每幀間RGB循環(huán)24次，相較而言，使用色輪最多只能循環(huán)六次。投影陣列可獲益于單片DLP投影機相較于三片投影系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢，比如更小的封裝體積，更簡單的光學和電子學器件，以及可用于圖像精確融合的對應RGB像素點等。自然地，所有DLP系統(tǒng)都具有數(shù)字微鏡裝置（DMD）的優(yōu)點，其設計提供了固有的卓越灰度跟蹤和圖像均勻性，以及其它許多特性。DMD因其穩(wěn)定的可重復色彩、長壽命及其靈敏清晰的圖像而著稱。

迎接挑戰(zhàn)

使用LED作為光源會給投影陣列帶來超越HID燈泡的諸多優(yōu)勢，這在ST的應用方面尤為明顯，然而，有效地開發(fā)那些優(yōu)勢仍需克服許多重大挑戰(zhàn)。

首先，從LED中發(fā)出的光，就其光通量（原流明）和光譜特征而言，都依賴于設備的驅動電流和接點溫度。特別地，這兩個因素都可以改變LED放出光的峰值波長，而這將改變圖像的色域。[7]顯然，電流和接點溫度都必須被精確地控制。經過數(shù)年的研究，科視公司已經發(fā)展了對應這類控制的諸多專利技術，并申報多項專利。

第二，接點溫度也會對LED的可靠性以及光輸出隨時間衰減的速度產生影響。因此，良好的熱量控制和系統(tǒng)冷卻技術對于將系統(tǒng)溫度降至最小值、增強可靠性以及保持投影機使用壽命期間的最優(yōu)性能都是極為重要的。

最后則是亮度的問題。毫無疑問，目前LED還不能實現(xiàn)許多汞蒸氣燈的高水平光輸出，更不用說與高功率氙氣燈相比了。在這三大光源技術間存在著明顯的光輸出級別的界線。然而，在一些應用中，LED可達到的屏幕亮度非常合適，并且LED在圖像表現(xiàn)及操作上的優(yōu)勢更顯得尤為重要。比如夜間應用的ST，就是此類應用中的一種。

然而，在過去幾年中，隨著光通量的迅速增長，LED照明技術所帶來的巨大優(yōu)勢將激勵此項技術迅猛發(fā)展。隨著這股趨勢繼續(xù)延續(xù)，基于LED技術的投影機很快就將能提供足夠的亮度，以滿足更多應用的要求。

科視的優(yōu)勢

LED技術既不是全新的，也不是未經證實的。甚至對于投影顯示，它也不是全新的：PhlatLight?LED背投電視以及所謂的“袖珍”前置屏幕投影機早已面世。接下來的幾年內，許多可應用于家庭影院和商務演示的小型、前置屏幕LED投影機將不斷涌現(xiàn)。隨著PhlatLight?等公司對大尺寸LED亮度的快速改進，用LED作為投影機的照明光源正在迅速成為主流。

然而，LED照明在對應模擬訓練投影陣列中的應用則是全新的。這帶來了大量獨特及富有挑戰(zhàn)性的新需求，其中大多數(shù)是用戶或商用光投影顯示中沒有提到過的。要滿足這些需求，就必須設計專門的解決方案。

科視公司在設計和制造滿足特定市場需要的專用產品方面的記錄，以及為投影陣列技術中存在的特殊挑戰(zhàn)提出解決方案的革新史早已得到業(yè)界的公認。ChristieMatrixStIM?投影系統(tǒng)是科視公司最新的產品，它集成了用于NVG模擬的InfraScene?LED技術與可實現(xiàn)陣列智能自我調節(jié)的ChristieArrayLOC?技術。該產品的幾大技術革新成功發(fā)掘了LED技術的固有優(yōu)勢，從而可提供高度可靠和免維護的環(huán)境可擴展無縫顯示系統(tǒng)。它帶來了訓練體驗的革命。