用于模擬訓練的LED 照明光源白皮書(shū)

從發(fā)明之初，投影技術(shù)就成為大型高分辨率圖像顯示的主要技術(shù)。多年來(lái)，投影機的發(fā)展與計算機圖像和視頻信源的進(jìn)步并駕齊驅?zhuān)⒕o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(wú)法提供的，尤其是模擬訓練(ST)，其訓練過(guò)程經(jīng)常要求在寬視場(chǎng)中達到“肉眼極限分辨率”的目標。以上應用最好的實(shí)現方式是將多臺投影機布置成一個(gè)投影陣列，然后將每臺投影機所投射出的圖像拼接在一起，形成更高像素數的合成影像。所獲得的獨立圖像可以是經(jīng)過(guò)邊緣拼接的，也可以是經(jīng)圖像重疊和邊緣融合后得到的無(wú)縫整體圖。

挑戰

投影陣列給圖像的投影應用帶來(lái)了許多特殊的工程挑戰，這在（不同投影機所投射的）相互毗連的圖像在曲面上進(jìn)行邊緣融合時(shí)表現得尤其明顯。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(xiàn)管（CRT），硅基液晶以及DLP?技術(shù)–這些年來(lái)，已經(jīng)提出能應對這些挑戰的專(zhuān)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(guò)程中曲面上多個(gè)重疊定焦矩陣圖像的幾何圖形的投影和精確拼接問(wèn)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(huà)面的精確色彩匹配問(wèn)題。ChristieMotoBlend?的電動(dòng)光學(xué)融合技術(shù)可在暗色調的場(chǎng)景中保持良好的對比度，同時(shí)對不同的黑電平進(jìn)行融合，而高速模擬過(guò)程中由人眼追蹤而導致的圖像拖影和二重像問(wèn)題則可通過(guò)AccuFrame?解決。

下一解決方案

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

數字投影機通常使用高壓氣體放電（HID）燈照射一個(gè)或多個(gè)微型顯示器?，F今，這些燈一般基于超高壓下的氙蒸氣或汞蒸氣放電。隨著(zhù)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了越來(lái)越大的比例–其中就包括DLP?技術(shù)的微型顯示器。但投影機的光源依然頑固地保持著(zhù)非固態(tài)，直到現在也是如此。

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

從操作上來(lái)說(shuō)，LED的主要優(yōu)勢是高可靠性和長(cháng)壽命。例如，根據LED制造商LuminusDevices公司基于數百萬(wàn)小時(shí)的儀器實(shí)際使用測試得出的可靠數據，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(guò)80,000小時(shí)。[2]這個(gè)數字遠高于HID燈的預期壽命，后者從某些高功率氙氣燈500小時(shí)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(shí)的長(cháng)壽命不等。[3][4]

更長(cháng)的光源壽命意味著(zhù)由燈泡故障和更換造成的故障時(shí)間大幅縮短，同時(shí)這也意味整個(gè)陣列的故障時(shí)間也大為縮短。這一點(diǎn)，對滿(mǎn)足在寬視場(chǎng)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(zhù)用戶(hù)可通過(guò)避免經(jīng)常更換燈泡而造成的原材料和勞動(dòng)力損耗來(lái)降低產(chǎn)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(lái)的影響也不容忽視。

由于LED不產(chǎn)生紫外線(xiàn)（UV），因此也能潛在提升投影機光學(xué)系統的平衡可靠性。相比之下，HID燈所產(chǎn)生的大量紫外光必須在進(jìn)入投影機的光學(xué)器件之前消除，因為紫外光會(huì )加速光學(xué)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(guò)精心設計能夠減輕這一問(wèn)題所帶來(lái)的影響，但是諸如液晶顯示(LCD)和硅基液晶(LCoS)這類(lèi)采用偏光材料的投影技術(shù)一直以來(lái)就對紫外線(xiàn)極其敏感。[6]

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

固態(tài)還帶來(lái)了另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，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(zhuān)用投影機在設計過(guò)程中需要考慮到其在典型的陣列構型中的使用，那么沒(méi)有此類(lèi)方向限制的投影機無(wú)疑會(huì )在安裝的選擇上帶來(lái)更大的靈活性。

LED在操作上的另一優(yōu)勢則利用LED的技術(shù)潛力，使之容易產(chǎn)生特定波長(cháng)的近紅外光(NIR)并對其加以控制。通過(guò)結合投影機光路中的窄帶和近紅外LED以及常見(jiàn)的紅色、綠色和藍色LED，ChristieMatrixStIM?投影系統可產(chǎn)生NIR圖像，從而在不損害圖像可見(jiàn)光譜段顯色性的同時(shí)實(shí)際模擬夜視儀(NVGs)效果。這種被稱(chēng)作InfraScene?的功能，可以帶來(lái)更加真實(shí)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現有或新NVG技術(shù)而改變。這種分離的NIR通道所帶來(lái)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(shù)可提供許多性能優(yōu)勢。舉例來(lái)說(shuō)，LED不但具有更長(cháng)的使用壽命，精密的投影機設計使得它們的亮度幾乎不會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間的增加而減弱。根據典型設備的長(cháng)期老化數據，我們可預測，即使在最大建議接點(diǎn)溫度下，經(jīng)過(guò)20,000小時(shí)的運行，預期紅光和藍光亮度僅會(huì )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(huì )在使用后數百小時(shí)內從其峰值輸出迅速減弱，并在使用壽命結束時(shí)衰減50%（根據典型定義）。[3]

光輸出的下降速度越慢，規定時(shí)間內與峰值亮度密切相關(guān)的平均亮度值就越高。）對于投影陣列來(lái)說(shuō)更重要的是，由于單個(gè)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(jìn)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(gè)單獨投射圖像的相對強度進(jìn)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?xún)H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(huì )受到很大的局限：對于某些汞蒸氣燈來(lái)說(shuō)，其控制范圍僅有20%，而對于氙氣燈，其數值也不過(guò)才50%

對LED光輸出精確控制的能力不僅能實(shí)現位于陣列中的投影機的峰值亮度的平衡，也可實(shí)現黑電平及色彩的精確平衡。因為各個(gè)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(shí)時(shí)修正，從而可實(shí)現穩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(huì )憑空產(chǎn)生，而必須由人們將其設計為一套解決方案才能實(shí)現。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(shí)時(shí)和連續自動(dòng)平衡。

涉及黑電平時(shí)，如果投影陣列合成的總黑電平值高出應用要求的話(huà)，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(diǎn)則是當需要時(shí)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(zhì)量方面最重要決定因素。而這也是LED的最大優(yōu)點(diǎn)之一。投影機中所使用的每個(gè)紅色、綠色和藍色LED均會(huì )發(fā)射出波長(cháng)范圍極窄的光，典型的藍光主波長(cháng)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%。

只要對數據源進(jìn)行正確編碼，LED照明所具有的更大色域將使其以超出常規燈泡技術(shù)的光譜性能精確再現真實(shí)物體色彩。顯然，通過(guò)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的情況下實(shí)現。

對于投影陣列，更為重要的一點(diǎn)是，擁有大色域值的投影機也將使整個(gè)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(huì )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(chēng)數值上達到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(huì )比sRGB色域要小.

另外非常重要的一點(diǎn)是，LED最終使得單片DLP?投影機的設計能適應關(guān)鍵應用的要求。以一個(gè)傳統HID燈作為光源，單片DLP?系統依賴(lài)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(jìn)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(diǎn)。因為輪的轉速會(huì )受到實(shí)際限制，因此每幀顏色可循環(huán)的次數也會(huì )受到限制，色輪也會(huì )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(dòng)，從色輪式投影機中投射出的黑底白色的圖像會(huì )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(lái)進(jìn)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(lái)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的獨特優(yōu)勢，比如更小的封裝體積，更簡(jiǎn)單的光學(xué)和電子學(xué)器件，以及可用于圖像精確融合的對應RGB像素點(diǎn)等。自然地，所有DLP系統都具有數字微鏡裝置（DMD）的優(yōu)點(diǎn)，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因其穩定的可重復色彩、長(cháng)壽命及其靈敏清晰的圖像而著(zhù)稱(chēng)。

迎接挑戰

使用LED作為光源會(huì )給投影陣列帶來(lái)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(kāi)發(fā)那些優(yōu)勢仍需克服許多重大挑戰。

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(lài)于設備的驅動(dòng)電流和接點(diǎn)溫度。特別地，這兩個(gè)因素都可以改變LED放出光的峰值波長(cháng)，而這將改變圖像的色域。[7]顯然，電流和接點(diǎn)溫度都必須被精確地控制。經(jīng)過(guò)數年的研究，科視公司已經(jīng)發(fā)展了對應這類(lèi)控制的諸多專(zhuān)利技術(shù)，并申報多項專(zhuān)利。

第二，接點(diǎn)溫度也會(huì )對LED的可靠性以及光輸出隨時(shí)間衰減的速度產(chǎn)生影響。因此，良好的熱量控制和系統冷卻技術(shù)對于將系統溫度降至最小值、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(wèn)題。毫無(wú)疑問(wèn)，目前LED還不能實(shí)現許多汞蒸氣燈的高水平光輸出，更不用說(shuō)與高功率氙氣燈相比了。在這三大光源技術(shù)間存在著(zhù)明顯的光輸出級別的界線(xiàn)。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(lèi)應用中的一種。

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

科視的優(yōu)勢

LED技術(shù)既不是全新的，也不是未經(jīng)證實(shí)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(lái)的幾年內，許多可應用于家庭影院和商務(wù)演示的小型、前置屏幕LED投影機將不斷涌現。隨著(zhù)PhlatLight?等公司對大尺寸LED亮度的快速改進(jìn)，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(lái)了大量獨特及富有挑戰性的新需求，其中大多數是用戶(hù)或商用光投影顯示中沒(méi)有提到過(guò)的。要滿(mǎn)足這些需求，就必須設計專(zhuān)門(mén)的解決方案。

科視公司在設計和制造滿(mǎn)足特定市場(chǎng)需要的專(zhuān)用產(chǎn)品方面的記錄，以及為投影陣列技術(shù)中存在的特殊挑戰提出解決方案的革新史早已得到業(yè)界的公認。ChristieMatrixStIM?投影系統是科視公司最新的產(chǎn)品，它集成了用于NVG模擬的InfraScene?LED技術(shù)與可實(shí)現陣列智能自我調節的ChristieArrayLOC?技術(shù)。該產(chǎn)品的幾大技術(shù)革新成功發(fā)掘了LED技術(shù)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(wú)縫顯示系統。它帶來(lái)了訓練體驗的革命。