第一設計學院|4個世紀,投影原理的前世今生,你知道多少?

2020-12-06 第一設計

《第一設計》為您精彩呈現!

新的科技手段之下,燈具的機械應用逐漸被具有創意的照明方式所取代,而無論是光源的革新,還是隨著照明設計專業性飛速提升所帶來的的地位提高,照明設計都在以強大的包容性,吸納越來越多的元素。以多元素豐富照明手段的趨勢,考驗著從業者,甚至反作用於市場,帶來日新月異的變化。

有人說:現代舞臺是一個不斷變化的藝術空間,各種藝術風格在其中交匯,表現出多樣化的藝術形式。那現代都市又何嘗不是?而無論是舞臺還是城市,追求的是寫實還是虛幻,燈光都是其繞不開的話題,投影機憑藉其「潮炫酷」帶來的科技快感、亦真亦幻的視覺享受一舉成為它們的寵兒。

知其然知其所以然,方得遊刃而餘;妙筆之所以生花,不過如此。所以才有此篇《4個世紀, 投影原理的前世今生,你知道多少?》

投影儀的前世

2000年前,先秦時期《墨經》記載:「景倒,在午有端,與景長,說在端」,墨家學派創始人墨翟(公元前470年至390年),最早進行了小孔成像實驗,對光的直線傳播進行了第一次科學解釋。希臘哲學家亞里斯多德(公元前384年至322年)也了解針孔相機的光學原理。

小孔成像實驗示意圖

17世紀由克裡斯蒂安·惠更斯(Christiaan Huygens)發明的一種早期投影儀。它通常用於教育和娛樂目的。第一個常見的用法是投射惡魔或其他可怕的圖像,不像今天很多的商業演示。

早期投影儀

燈籠也被稱為「提燈」。在18世紀後期,一些表演者用燈籠來製作恐怖節目。這些被稱為「幻影秀」。各種各樣的可怕的圖像被投射出來嚇唬觀眾,例如幽靈投射在煙霧上,給人一種可怕的外觀,圖像會在牆壁周圍移動。放映機通常在半透明的屏幕後面,觀眾看不見。這大大增加了節目的神秘感。

大型魔術燈

35毫米幻燈片放映機是大型魔術燈的直接後裔,在20世紀50年代首次廣泛使用,作為一種偶爾的家庭娛樂形式;家人和朋友會聚在一起觀看幻燈片,通常包括在假期和家庭活動中拍攝的講談膠捲。幻燈片放映機也廣泛應用於教育和其他機構。

35mm幻燈片放映機

第一臺彩色陰極射線管投影儀於20世紀50年代初問世,CRT(Cathode Ray Tube陰極射線顯像管)投影儀是一種視頻投影儀,它使用一個小的、高亮度的陰極射線管作為圖像生成元件。然後將圖像聚焦並放大到屏幕上,使用的鏡頭保持在陰極射線管前。大多數現代的陰極射線管投影機是彩色的,有三個獨立的陰極射線管(而不是一個單一的彩色陰極射線管),並有自己的鏡頭來實現彩色圖像。輸入的視頻信號的紅、綠、藍部分被處理並發送到各自的陰極射線管,這些陰極射線管的圖像通過它們的鏡頭聚焦以實現屏幕上的整體圖像。80年代中後期,CRT投影由於機體積大,畫面的細膩程度底,逐漸退出市場。

三槍CRT投影儀

投影儀的今生

1888年澳大利亞植物學家F.Reinitzer首先發現液態晶體(簡稱液晶)的存在,並開啟了之後相關的基礎研究與發展之門。1968年美國RCA公司科學家G.H.Heilmeier根據動態散射效應,將液晶做成顯示屏(LiquidCrystalDisplay,LCD),形成LCD產業的雛形。1989年,世界上第一臺LCD投影機誕生。

LCD技術利用液晶在電極的作用下發生排列變化,使透過LCD晶片的光源通過鏡頭投射出圖像。LCD(liquid crystal display,液晶顯示)投影機含有三片獨立的LCD玻璃面板,分別為視頻信號的紅、綠、藍三個分量。每個LCD面板都含有數以萬計(甚至上百萬)的液態晶體,可被配置為開、閉合、或部分閉合的不同位置來允許光線透過。每個單獨的液態晶體本質上都像一個快門或者百葉窗那樣運作,代表一個單獨的像素("圖元")。當紅綠藍三色透過不同的LCD面板時,液態晶體基於該時刻該像素的每種顏色需各要多少,即時地開啟和閉合。這個行為對光線進行了調製,從而產生出了投射到屏幕上的圖像。

1987年,德州儀器公司Larry Hornbeck博士研發出第一塊數字顯微鏡裝置(DMD),1996年,數據光學處理(DLP)技術正式商品化走向投影顯示市場。第一款DLP投影機面世,僅比LCD投影機晚了7年。

DLP技術的核心是由數以萬計被微型鏈連結固定的鏡片所組成的數字顯微鏡系統,這些鏡片沿光源前後傾斜,反射出或亮或暗的灰色陰影,經過色輪過濾後投射出彩色圖像。它的工作原理和LCD大不相同。與讓光線通過的玻璃面板不同,DLP晶片是一個由數以萬計(甚至上百萬)的微鏡片所組成的反射表面。每個微鏡片代表一個單獨的像素。

最初的DLP晶片雛形解析度僅16×16,而早期的DLP投影機亮度亦僅300流明,這意味著只有在較為黑暗的環境裡才能看到它。儘管如此,DLP技術的兩個差異化的市場戰略還是給其技術發展做出了很好的指導作用,並且迅速佔領市場,給LCD投影技術帶來很大壓力。

「便攜化」戰略,從一開始,DLP投影機已經嶄露出來的優勢就是「便攜」,儘管早期的DLP投影機標準重量達10.5公斤,但較之同期的LCD投影機已算輕便。

「高端」戰略,則是DLP投影機的另一大優勢所在。三片式DLP投影機(3DLP)被應用於高端的工程和影院項目,彌補了過去LCD投影機無法解決的高解析度和高穩定性的技術空白。

1995年,LCOS技術在市場的推動下被開始進行研究,1999年,INFOCOMM展覽會上,全世界首款LCOS投影機面世。

LCOS(LiquidCrystalonSilicon矽基液晶),這是一項從LCD發展起來的技術,其結構是在基板上塗上一層矽晶。實際上LCOS技術可以看作是取LCD和DLP兩家之長的改良型技術,它的基本原理與LCD技術相似,區別在於它利用的是與DLP相似的反射式架構。

LCOS投影技術較之目前兩種主流技術,具有高解析度、高光效率、高對比度和高色彩飽和度等優點,很多優秀的投影機是以LCoS技術製造的,但是LCOS面板的良率過低,不能有效降低成本,無法量產。

在LCD與DLP兩種技術的主導下,投影機在進行不斷的革新和變化,近年來以光源的革新最為引人注目,雷射投影、LED微型投影相繼出現……

投影機是光機電一體的複雜的系統產品, 需要光學, 機械,電子等多方面綜合的技術實現, 投影機的光源技術不斷的發展,有UHP,氙燈,LED,雷射磷粉,三色雷射,選擇高亮度投影機變得越來越複雜,雷射光源和不同的成像單元(3DLP,1DLP,LCD或者LCOS)為用戶的確增加了多種選擇的可能。

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