浅谈微型投影仪与计算机的集成设计与应用

李一琳

浅谈微型投影仪与计算机的集成设计与应用

李一琳

（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100160）

随着消费者对个人计算机应用体验的需求不断提升，显示屏幕尺寸小、价格高、不易移动等问题已经成为制约计算机应用发展的因素之一。微型投影仪具有尺寸小、性能高、投影屏幕尺寸可灵活调节等特点，将其与计算机结合成统一的系统，既可以提升投影性能，也对计算机的应用体验带来巨大的改变。主要探讨了将微型投影仪与计算机结合在一起的实现方式。DLP投影仪因其技术和工艺成熟、生态环境完善、产品尺寸小等特点，是目前主流的微型投影仪产品。将DLP微型投影仪与计算机结合在一起的系统目前主要有两种实现方式，这两种产品实现方式各有特点，也对应不同的设计难点。结合市面上已有的微型投影仪与计算机系统集成的具体案例，分析了集成系统的设计及应用场景。

计算机；微型投影仪；DLP；集成设计

1 引言

微型投影仪因其具有体积小、性能优、可移动性和性价比高的特点，近年来作为一个新型的电子科技产品逐渐走入人们的视野。随着微电子技术的高速发展，计算机CPU运算和集成能力已经满足大多数消费电子用户的场景需求，计算机集成的高性能音视频和网络传输单元也给用户带来更好的场景体验。将计算机与微型投影仪系统有机结合起来，不仅可以通过计算机的处理单元提升投影性能和拓宽投影仪的应用场景，同时微型投影仪的显示特性，也对计算机的显示应用带来巨大的便利。

结合计算机的技术特点、发展趋势和当前微型投影仪技术的分类、特点，对微型投影仪结合计算机的整体系统开发设计做了详细说明，并介绍了两者结合后一些实际应用案例的实现方式。

2 微型投影仪分类及技术发展

微型投影仪的尺寸比传统意义的投影仪小，严格来说，行业内对微型投影仪没有明确定义。按投影仪体积大小来看，微型投影仪的尺寸通常为手机大小，可以随身携带，重量一般在0.2～0.5 kg，一部分带有电池的微型投影仪重量可能会更大。

2.1 微型投影仪的技术分类

投影仪的工作原理是光源发出光，通过一系列的光学照明系统将光源的光均匀照射到显示芯片上，投影系统前端的投影镜头将显示芯片上的图像放大投射到相应的屏幕上。投影系统由微电子和光学两大部分共同实现，通过电路系统处理的图像信号使之在显示芯片上实现色阶以及灰阶并显示出图像，光学主要分为成像光学系统以及照明光学系统。

微型投影仪可以从不同的角度进行分类，从光源的角度分类，微型投影仪可分为LED光源和激光光源。激光光源因其安全隐患及成本问题，应用范围并不如LED光源的微型投影仪更加广泛。从显示芯片成像技术分类，可分为DLP技术、3LCD技术以及LCoS技术。

DLP是“Digital Light Processing”的缩写，DLP投影技术原理是RGB三色LED发出的光源经过照明光学系统均匀化处理后，穿过透镜投射在DMD芯片上，经过DMD芯片反射后通过投影镜头在投影屏幕上成像。其中，DLP投影技术的关键处理元件是TI（美国德州仪器）公司开发的数字微镜元件——DMD（Digital Micromirror Device），在一片小小的DMD芯片上有近百万个比头发丝还细微的小反射镜阵列，投影仪工作时通过对DMD芯片上的每个微反射镜翻转角度控制实现图像色阶以及灰阶。目前DLP技术是仅由美国德州仪器（TI）拥有并控制的微投技术。

3LCD微投影技术实现的基础是高穿透式高温多晶硅（HTPS）LCD显示面板。每一个3LCD光路系统都由3块HTPS构成。3LCD微投技术的一个关键部分是HTPS，每一块HTPS是由很多像素组成，每一个像素由以特定方式排列的液晶分子组成，根据液晶分子在不同电压下排列方式的变化，改变透过像素光线的振动方向，从而实现了从全黑到全白状态下不同灰阶的过渡。3LCD微投技术的另一个关键部分是分色棱镜。灯光源发出的光通过分色棱镜A分出红色光，再通过分色棱镜B分为绿色光和蓝色光，三种颜色的光分别投射到三块相对应的HTPS液晶板上，并经过中间的棱镜将三原色光进行混合后投射出不同颜色的图像。

LCoS（Liquid Crystal on Silicon）硅基液晶，是一种尺寸非常小的矩阵液晶显示装置，像素尺寸大小分布在7～ 20 μm。LCoS技术的显像原理与液晶LCD类似，通过微电路控制电压，使液晶发生扭转，通过液晶对偏振光的控制，对光进行开关，从而实现色阶以及灰阶。LCoS硅基液晶与液晶不同之处在于其本身是反射光控制，而液晶是透射光控制，LCoS本身从技术理论上透光率大于液晶LCD。

2.2 微型投影技术比较及发展趋势

从成像技术来看，DLP投影是反射式成像，3LCD是投射式成像技术，而LCoS更像是两种成像技术的结合，因此DLP在对比度上相对其他两种技术存在优势。DLP投影采用时序显示色彩，液晶的强项体现在亮度均匀性、色彩及细节的表现上，因此采用液晶技术的LCD和LCoS成像具有色彩鲜艳、饱和度高的优点。从光电转换效率来看，这三种技术实现的亮度效率大致相同。从生产制造工艺来看，LCoS技术采用的硅基液晶其铝反射电极层与液晶分子间的结合问题是整个制程中的关键难点，目前仍然是影响LCoS技术发展的制约因素。而德州仪器对DLP技术投影仪系统的实现制定了各个部分比较完善的参考指引，国内大多数光机开发厂商也都是以DLP技术的产品为主导。DLP的产品生态环境明显优于LCoS技术。

综合来讲，采用DLP技术的投影仪因其技术及工艺成熟、生态环境完善、尺寸小等特点，成为目前微型投影仪市场的主力产品。

从发展趋势来看，DMD是基于机械式镜片旋转的方式控制图像显示（大约每分钟5 000次），而LCoS技术却采用液晶材料的光学各向异性形成，是一种纯电子的操作，从长远来看LCoS技术更能够节约成本，还能保障成品率的优良比例，而微电子机械的结构特点决定了DMD芯片工艺的复杂性，在未来更高分辨率产品上的突破也许会成为难点。

3 微型投影仪与计算机系统的集成设计

微型投影仪作为一种显示终端，其固有的投射画面尺寸随投射距离变化的特点为计算机的应用带来巨大的便利。而计算机作为数据处理和集成运算单元，不仅为微型投影仪系统提供信号源，而且结合其各部分系统可以对投影仪的功能进行优化。

3.1 计算机与微型投影仪的系统结合方式

计算机（个人计算机）依据产品形态，可以分为台式计算机和笔记本。其中台式计算机依据是否集成显示终端又可以进一步分为传统台式计算机与一体型计算机。笔记本与一体型台式计算机因其本身带有显示终端，通常微型投影仪只是作为一个分离的辅助设备存在。而传统台式计算机即通常意义上的主机，需要连接显示器使用。因此，微型投影仪与台式计算机的结合在实际应用中更有意义。

从产品形态上来看，微型投影仪可以集成到台式计算机的机箱中，作为一个内置模块存在，也可以做成一个单独的模块放置在机箱外面，与机箱在形态上保持一致性并有机地连接在一起。下面针对这两种结合方式进行探讨。

根据投射比参数的大小，投影仪分为普通焦、短焦和超短焦。通常投射比大于1的投影仪定义为普通焦投影仪，而投射比小于0.4的投影仪被称作超短焦投影仪。如果采用普通焦投影仪，通常将画面投射到墙上，需要投影仪光机的镜头指向与墙面垂直，也就是镜头指向是水平的。因此光机在机箱内需要水平放置，并且实际设计中通常将光机放置在机箱靠近上面的部分，这是因为光机镜头的高度与投射画面的底边是同高的，如果光机的放置位置低会影响实际使用时画面的显示位置。

如果采用超短焦投影仪，通常是将画面投射到桌面，需要投影仪光机镜头指向垂直于水平桌面，也就是镜头指向是垂直的。这种情况下光机的摆放位置在传统的矩形机箱比较难以实现，通常要设计特殊的主机机箱结构与之配合。在实际的产品设计中，通常需要考虑产品定位的场景选择普通焦或超短焦的投影仪，并与计算机系统进行结合设计。

另外，微型投影仪系统包含电路系统模块与光机模块。与光机模块不同，电路模块的摆放位置则相对灵活。通常可以设计成一个单独的PCB板随光机的位置进行固定，也可以与计算机主板结合在一起。后者与主板有一定的成本优势并有利于前端图像信号源的质量。

微型投影仪与计算机的第二种结合方式，是微型投影仪作为单独的模块存在于计算机主机箱外，采用这种结合方式的系统设计较前一种方式更容易实现，而最终的产品形态可以从外观设计的角度进行充分发挥。微型投影仪与计算机系统之间的连接，包括数据和供电的连接，是该种结合方式中的设计重点。一般采用的供电方式是接触式供电，具体的实现方案可以采用类似Pogo pin的接触方式。采用电磁线圈的无线充电技术也具有可行性，需要产品根据自身的特定和定位进行选择。计算机与投影仪模块的数据通信主要是传输图像信息的HDMI信号，HDMI信号可以采用接触式或者线材的方式与计算机连接，也可以采用无线方式。如果采用无线方式，需要考虑无线信号的干扰、信号方向以及实现高清视频无延迟的传输。

3.2 集成微型投影仪的计算机系统设计重点

投影仪与计算机原本是不同类别的产品，将两者结合在一起必然会遇到一些设计难点，甚至在行业规范上也存在一些分歧，以下从几个重点的方面进行阐述。

光学模块对机构的精密度和误差控制的要求极高。不管光机的放置位置如何，在确定了光机方向的前提下，需要通过三点定位的方式保证光机在机构上的稳定性。光学模块的误差控制精度远超计算机机构的误差规范，这是由于光线投射的放大效应会将些微的误差体现到图像画面的倾斜甚至是畸变上。因此光机模块的固定方式及机构精密度通常是系统的设计重点。

投影仪中的LED光源发热量极高，而且LED温度过高会对图像颜色和亮度产生影响。如果将光机模块集成在计算机机箱内部，需要提高计算机整体系统散热能力。采用传统风冷的散热方式，可以通过提高风扇转速等方式提升散热效率，但需要关注由此带来的噪音过大问题。为保证整体的优化设计，需要在系统设计前期，提前考虑有利于散热的机箱构造及模块摆放位置。采用水冷的散热方式，也需要考虑水冷方式的成本及机箱构造问题。

另外，结合光学模块的特点，传统计算机领域的一些测试标准也面临着新问题。比如可靠性测试中的震动跌落等测试规范等，需要参考投影仪行业标准重新定义。

4 实际应用案例

市面上有一些投影仪与计算机系统有机结合的实际案例，以下是两款代表性的实际产品。

一款是索尼Xperia Touch，该产品将投影仪集成在搭载Android系统的机箱中，其采用的是本文提到的超短焦的投影仪。这款产品根据不同的应用场景既可以将画面投射到桌面上，也可以通过改变机箱的放置方式将画面投射到墙面上，并且其还具备红外触控功能，在投射到桌面时实现了类似触控屏幕的效果。该产品的微型投影仪是集成在主机箱中的，其供电和数据通信均是在机箱内部实现的。

另一款是联想Ideacentre610s，这款产品与投影仪系统的结合方式是本文描述的第二种，即分离模式。投影仪系统与计算机主机系统采用上下堆叠的形态，供电通过Pogo pin实现，HDMI信号传输通过60 GHz的无线技术实现。投影仪模块采用主流DLP技术，分辨率720p，投射比在1.0以上，用户场景是家庭剧院模式，即投射画面到墙上。另外此款产品预留了HDMI接口，投影仪模块也可以配合其他设备使用。

5 小结

本文探讨了集成微型投影仪的计算机系统设计，首先对微型投影仪技术特点和发展趋势进行了介绍，然后探讨了微型投影仪与计算机结合系统的两种具体实现方式和在实际产品设计中需要关注的重点，最后结合两个实际投影仪的产品案例进行了实际应用的探讨。由于笔者水平有限，不免有误，如有不当之处请读者指出，不胜感激。

［1］莫志君，张慧莉，余松煜.基于TI DLP技术的投影机驱动电路设计和实现［J］.光学仪器，2009（6）：48-51.

［2］屈碧香.基于RGB三色LED光源照明的DLP投影系统光路设计［D］.杭州：浙江大学，2013.

［3］李健敏.DLP投影仪光电成像原理及特点［J］.重庆科技学院学报（自然科学版），2008（4）：108-110.

［4］邱崧.基于LED光源的DLP投影系统的研究［D］.上海：华东师范大学，2007.

TN946.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.064

2095－6835（2019）24－0143－03

李一琳（1985—），女，研究方向为电子技术。

〔编辑：严丽琴〕