用于模拟训练的LED 照明光源白皮书

用于模拟训练的LED 照明光源白皮书

引言：

从发明之初，投影技术就成为大型高分辨率图像显示的主要技术。多年来，投影机的发展与计算机图像和视频信源的进步并驾齐驱，并紧随更高分辨率和更大尺寸银幕的趋势。

然而，在某些应用中往往需要在更大的投影范围上达到更高的像素密度，这是任何单独的定焦投影机所无法提供的，尤其是模拟训练(Samp;T)，其训练过程经常要求在宽视场中达到“肉眼极限分辨率”的目标。以上应用最好的实现方式是将多台投影机布置成一个投影阵列，然后将每台投影机所投射出的图像拼接在一起，形成更高像素数的合成影像。所获得的独立图像可以是经过边缘拼接的，也可以是经图像重叠和边缘融合后得到的无缝整体图。

挑战

投影阵列给图像的投影应用带来了许多特殊的工程挑战，这在（不同投影机所投射的）相互毗连的图像在曲面上进行边缘融合时表现得尤其明显。作为一家设计和制造用于阵列投影显示设备的老牌公司，科视–其投影设备依次基于阴极射线管（CRT），硅基液晶以及DLP?技术–这些年来，已经提出能应对这些挑战的专用解决方案。[1]

ChristieTWIST?将ChristieDLP?投影机的内部的变形和融合模块与外部电脑中运行的软件相结合，解决了图像融合过程中曲面上多个重叠定焦矩阵图像的几何图形的投影和精确拼接问题。ChristieAutoCal?则能适应精确拼接和融合的投影阵列校正维护工作。ChristieAdvancedColor?则解决了显示阵列中多重画面的精确色彩匹配问题。ChristieMotoBlend?的电动光学融合技术可在暗色调的场景中保持良好的对比度，同时对不同的黑电平进行融合，而高速模拟过程中由人眼追踪而导致的图像拖影和二重像问题则可通过AccuFrame?解决。

下一解决方案

投影阵列目前的主要挑战在于投影机定向的可靠性和灵活性、投影机安装的简易性以及使用一定时间后的性能维护。而所有这些都会受到投影机光源性能的极大影响。

数字投影机通常使用高压气体放电（HID）灯照射一个或多个微型显示器。现今，这些灯一般基于超高压下的氙蒸气或汞蒸气放电。随着适用于Samp;T阵列投影的投影机从模拟式（CRT和光阈式）逐渐发展为数字式，以集成电路为主要形式的固态元件在投影机内部架构中也占据了越来越大的比例–其中就包括DLP?技术的微型显示器。但投影机的光源依然顽固地保持着非固态，直到现在也是如此。

固态发光二极管(LED)的出现取代了HID灯。正如ChristieMatrixStIM?投影系统所表现的那样，它带来了操作上和性能上的许多显而易见的优势，并可解决投影阵列中现存的一些难题。

从操作上来说，LED的主要优势是高可靠性和长寿命。例如，根据LED制造商LuminusDevices公司基于数百万小时的仪器实际使用测试得出的可靠数据，我们可以预测，在投影应用中的标准操作条件下，其中值寿命将超过80,000小时。[2]这个数字远高于HID灯的预期寿命，后者从某些高功率氙气灯500小时的短寿命到某些低功率、超高压汞蒸气灯所能达到的（最多）约10,000小时的长寿命不等。[3][4]

更长的光源寿命意味着由灯泡故障和更换造成的故障时间大幅缩短，同时这也意味整个阵列的故障时间也大为缩短。这一点，对满足在宽视场上达到“肉眼极限”分辨率的大型投影阵列而言更为重要。它还意味着用户可通过避免经常更换灯泡而造成的原材料和劳动力损耗来降低产品的拥有成本，包括妥善处理废旧灯泡的成本。由于汞蒸气灯中含有的汞在许多国家都受到环保限制，因而更换灯泡对环境带来的影响也不容忽视。

由于LED不产生紫外线（UV），因此也能潜在提升投影机光学系统的平衡可靠性。相比之下，HID灯所产生的大量紫外光必须在进入投影机的光学器件之前消除，因为紫外光会加速光学涂层及其他材料，特别是基于有机化合物的材料的老化。[5]当然，通过精心设计能够减轻这一问题所带来的影响，但是诸如液晶显示(LCD)和硅基液晶(LCoS)这类采用偏光材料的投影技术一直以来就对紫外线极其敏感。[6]

作为固态元件，LED也十分坚实。它们可以承受极高程度的加速及震动。例如，用于投影应用的LED在机械完整性测试中被证实可承受1500g/0.5ms的冲击以及高达20g的连续振动。[2]这些数字远超出那些用于Samp;T的运动平台的典型加速度分布。

固态还带来了另一个优点，那就是LED可被安装于任意方向上。相比之下，HID灯的可靠操作则几乎总是将灯的主轴限制在水平方向上，只能允许有限的倾斜。[3]而专用投影机在设计过程中需要考虑到其在典型的阵列构型中的使用，那么没有此类方向限制的投影机无疑会在安装的选择上带来更大的灵活性。

LED在操作上的另一优势则利用LED的技术潜力，使之容易产生特定波长的近红外光(NIR)并对其加以控制。通过结合投影机光路中的窄带和近红外LED以及常见的红色、绿色和蓝色LED，ChristieMatrixStIM?投影系统可产生NIR图像，从而在不损害图像可见光谱段显色性的同时实际模拟夜视仪(NVGs)效果。这种被称作InfraScene?的功能，可以带来更加真实的NVG训练。准确控制从NIR光到RGB光的平衡能力也使得投影机的输出光谱可以根据现有或新NVG技术而改变。这种分离的NIR通道所带来的灵活性是定焦滤光投影机所不能提供的。

更高的性能

LED照明技术可提供许多性能优势。举例来说，LED不但具有更长的使用寿命，精密的投影机设计使得它们的亮度几乎不会随着使用时间的增加而减弱。根据典型设备的长期老化数据，我们可预测，即使在最大建议接点温度下，经过20,000小时的运行，预期红光和蓝光亮度仅会发生20%的衰减，而绿光的衰减将小于5%。[2]相比之下，HID灯的亮度则会在使用后数百小时内从其峰值输出迅速减弱，并在使用寿命结束时衰减50%（根据典型定义）。[3]

光输出的下降速度越慢，规定时间内与峰值亮度密切相关的平均亮度值就越高。）对于投影阵列来说更重要的是，由于单个拼接图像在其未修正态中的亮度差别不大，使得在阵列上进行整体图像的亮度均匀性维护变得更加容易了。

要在一组阵列式图像上保持亮度的均匀性，就需要对各个单独投射图像的相对强度进行很好的控制。在这方面LED也显示出优势。人们可大范围地电子控制LED的亮度，在设备特性仅发生微变或不变的情况下，其控制潜力可达100%（从全白到全黑）。而另一方面，HID灯的亮度控制范围则通常会受到很大的局限：对于某些汞蒸气灯来说，其控制范围仅有20%，而对于氙气灯，其数值也不过才50%

对LED光输出精确控制的能力不仅能实现位于阵列中的投影机的峰值亮度的平衡，也可实现黑电平及色彩的精确平衡。因为各个红色，绿色和蓝色LED均被独立控制，任何颜色失衡都可轻易得到实时修正，从而可实现稳定的色彩以及两台投影机间精确的色彩拼接。当然，在投影阵列上平衡图像属性的能力并不会凭空产生，而必须由人们将其设计为一套解决方案才能实现。ChristieArrayLOC?就是这样一套解决方案，它可在高达128台投影机的投影阵列上，提供亮度、黑电平和色彩方面的实时和连续自动平衡。

涉及黑电平时，如果投影阵列合成的总黑电平值高出应用要求的话，控制和平衡就几乎不起什么作用了。特别是夜间应用的Samp;T，更要求黑电平尽可能的低。而LED在这方面的优点则是当需要时其可将光输出“拨回”至零。

人们通常认为色彩是继对比度、分辨率和亮度之后在图像质量方面最重要决定因素。而这也是LED的最大优点之一。投影机中所使用的每个红色、绿色和蓝色LED均会发射出波长范围极窄的光，典型的蓝光主波长为460nm，绿光为525nm，而红光为625nm。因此，LED投影机本身色域相对较大。CIE色度图(1931)上三角形面积所定义的典型LED投影机的色域几乎比通常用于成像的标准sRGB的色域大了将近70%。

只要对数据源进行正确编码，LED照明所具有的更大色域将使其以超出常规灯泡技术的光谱性能精确再现真实物体色彩。显然，通过降低原色的饱和度，诸如sRGB的标准色域可被精确渲染。由于LED的各原色都可被完全独立控制，上述目标可在极少甚至完全不牺牲其他性能参数的情况下实现。

对于投影阵列，更为重要的一点是，拥有大色域值的投影机也将使整个投影阵列达到更广的色域，这是因为任何公共色域不可避免地会受其中每一台投影机所能达到的色域范围的限制。例如，对于那些仅能在标称数值上达到sRGB色域的投影显示，由于误差的影响，阵列的合成色域可能会比sRGB色域要小.

另外非常重要的一点是，LED最终使得单片DLP?投影机的设计能适应关键应用的要求。以一个传统HID灯作为光源，单片DLP?系统依赖于使用机械色轮以在每一视频帧期间内（通常为一秒钟的1/60）进行原色间的循环。作为机械装置，色轮是投影机整体可靠性的一大弱点。因为轮的转速会受到实际限制，因此每帧颜色可循环的次数也会受到限制，色轮也会造成色分离假象（所谓的“彩虹”效应）并使图像不能用于特定应用中。例如，由于人眼部的快速扫视或头部的快速运动，从色轮式投影机中投射出的黑底白色的图像会分裂为多条色带。

LED的使用完全淘汰了色轮。人们可以利用LED间的转换来进行原色的电循环。将LED的高转换速度与DLP装置的高速相结合便可带来极高的变化率，通常为每帧间RGB循环24次，相较而言，使用色轮最多只能循环六次。投影阵列可获益于单片DLP投影机相较于三片投影系统的独特优势，比如更小的封装体积，更简单的光学和电子学器件，以及可用于图像精确融合的对应RGB像素点等。自然地，所有DLP系统都具有数字微镜装置（DMD）的优点，其设计提供了固有的卓越灰度跟踪和图像均匀性，以及其它许多特性。DMD因其稳定的可重复色彩、长寿命及其灵敏清晰的图像而著称。

迎接挑战

使用LED作为光源会给投影阵列带来超越HID灯泡的诸多优势，这在Samp;T的应用方面尤为明显，然而，有效地开发那些优势仍需克服许多重大挑战。

首先，从LED中发出的光，就其光通量（原流明）和光谱特征而言，都依赖于设备的驱动电流和接点温度。特别地，这两个因素都可以改变LED放出光的峰值波长，而这将改变图像的色域。[7]显然，电流和接点温度都必须被精确地控制。经过数年的研究，科视公司已经发展了对应这类控制的诸多专利技术，并申报多项专利。

第二，接点温度也会对LED的可靠性以及光输出随时间衰减的速度产生影响。因此，良好的热量控制和系统冷却技术对于将系统温度降至最小值、增强可靠性以及保持投影机使用寿命期间的最优性能都是极为重要的。

最后则是亮度的问题。毫无疑问，目前LED还不能实现许多汞蒸气灯的高水平光输出，更不用说与高功率氙气灯相比了。在这三大光源技术间存在着明显的光输出级别的界线。然而，在一些应用中，LED可达到的屏幕亮度非常合适，并且LED在图像表现及操作上的优势更显得尤为重要。比如夜间应用的Samp;T，就是此类应用中的一种。

然而，在过去几年中，随着光通量的迅速增长，LED照明技术所带来的巨大优势将激励此项技术迅猛发展。随着这股趋势继续延续，基于LED技术的投影机很快就将能提供足够的亮度，以满足更多应用的要求。

科视的优势

LED技术既不是全新的，也不是未经证实的。甚至对于投影显示，它也不是全新的：PhlatLight?LED背投电视以及所谓的“袖珍”前置屏幕投影机早已面世。接下来的几年内，许多可应用于家庭影院和商务演示的小型、前置屏幕LED投影机将不断涌现。随着PhlatLight?等公司对大尺寸LED亮度的快速改进，用LED作为投影机的照明光源正在迅速成为主流。

然而，LED照明在对应模拟训练投影阵列中的应用则是全新的。这带来了大量独特及富有挑战性的新需求，其中大多数是用户或商用光投影显示中没有提到过的。要满足这些需求，就必须设计专门的解决方案。

科视公司在设计和制造满足特定市场需要的专用产品方面的记录，以及为投影阵列技术中存在的特殊挑战提出解决方案的革新史早已得到业界的公认。ChristieMatrixStIM?投影系统是科视公司最新的产品，它集成了用于NVG模拟的InfraScene?LED技术与可实现阵列智能自我调节的ChristieArrayLOC?技术。该产品的几大技术革新成功发掘了LED技术的固有优势，从而可提供高度可靠和免维护的环境可扩展无缝显示系统。它带来了训练体验的革命。

参考文献：

[1]L.Paul,“HighSpeedSimulationSolutions:ChristieTotalView?IntegratedSolutions”.Image2008Conference

[2]PhlatLight?RELiabilityWhitePaper,LuminusDevices,2008

[3]F.Shuda,“CermaxLampEngineeringGuide”.PerkinElmerInc,1998

[4]P.Pekarskietal:“UHPLampsforProjectionSystems”.InternationalConferenceonPhenomenainIonizedGases,2003

[5]Y.Gigase,“CatastrophicDegradationofOrganicOpticalThinFilmComponents”.ReliabilityPhysicsSymposiumProceedings,2006

[6]J.Tidd,“LongTermDataProjectorDisplayTechnologyandPerformanceStudyInterimWhitePaper”.IntertekETLSemko,2005

[7]ApplicationNote:“BrightnessandColorCharacteristicsofPhlatLight?Products”.LuminusDevices.

作者简介

AlenKoebe从1983年起开始涉足科视投影机及其相关技术的系统和细节设计。作为首席设计师，其设计经历从早期的全模拟式CRT投影机贯穿到最高亮度的三片DLP模型机的整个设计领域。