介紹
自從問世以來，投影技術一直是用于顯示大型高分辨率圖像的主要技術。多年來，投影機的發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。本文介紹的是控制室應用，在控制室中，可以對電力和其它公用事業、工廠流程、通訊網絡、交通路線和其它許多重要設施進行監控。實現這些應用的最佳方式是將多臺背投設備組合成一個視頻墻。這樣的拼接陣列可以產生一個組合圖像，像素數比單臺投影機的像素數高得多。
視頻墻挑戰
視頻墻對投影機提出了一系列重大挑戰。 這些挑戰主要涉及可靠性、購置總成本、設置的方便性和性能的長期維護。所有這些都受到投影機光源屬性的重要影響。
數字投影機通常使用高強度氣體放電(HID)燈，照射一個或多個微型顯示器。在這樣的燈中，通過玻璃密封套中的一個電弧點燃含氙氣或汞蒸氣的高壓氣體，汞蒸氣是最常見的。HID燈的屬性與主要由固態元件(包括微型顯示器)構成的現代數字投影機形成鮮明對比。投影機的光源依然頑固地保持著非固態，直到現在也是如此。
現在已經出現了固態發光二極管(LED)取代HID燈的應用(見圖1)。正如Christie EnteroTM LED背投系統所表現的那樣，這一技術帶來了設備運行和性能上的許多顯而易見的優勢，可以解決投影陣列(尤其是視頻墻)中存在的一些難題。
設備運行的優點
從設備運行上來說，LED的主要優勢是高可靠性和長壽命。例如，根據LED制造商Luminus Devices公司基于數百萬小時的儀器實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設備運行條件下，其中值壽命將超過50,000小時，有可能高達80,000小時。這個數字遠高于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。LED的高可靠性意味著用戶無需經常更換燈泡，避免原材料和勞動力損耗，從而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保限制，因而更換燈泡對環境帶來的影響也不容忽視。
更長的光源壽命還意味著由燈泡故障和更換造成的視頻墻投影機的停機時間大幅縮短。LED與生俱來的可靠性還可能意味著在長期使用視頻墻的過程中不需要更換任何投影機的光源。
由于LED不產生紫外線(UV)，因此不僅比HID燈之類的光源更可靠，而且還能潛在提升投影機光學系統的平衡可靠性。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它材料的老化，特別是基于有機化合物的材料。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。
在單片DLP?投影機的例子中，使用LED作為代替HID燈的光源，可以提高投影的可靠性。以一個傳統HID燈作為光源，單片DLP?系統依賴于使用機械色輪在每一視頻幀期間內進行三原色間的循環。色輪過濾掉了來自燈所提供的連續光譜中的原色。
遺憾的是，作為活動的機械裝置，色輪是投影機整體可靠性的一大弱點。LED的使用完全淘汰了色輪(見圖2)。通過快速切換受控制的紅、綠、藍LED，根據需要開關，可以實現三原色的電子循環，不降低可靠性。
性能優點
LED發光還具有很多性能優勢。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。根據典型設備的長期老化數據，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生20%的衰減，而綠光的衰減將小于5%。相比之下，HID燈的亮度則會在使用后數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%(根據典型定義)。(見圖3)[Page]
光輸出的下降速度越慢，規定時間內與峰值亮度密切相關的平均亮度值就越高。對于視頻墻來說更重要的是，由于單個拼接圖像在其未修正狀態中的亮度差別不大，使得在視頻墻上進行整體圖像的亮度均勻性維護變得更加容易了。要在一視頻墻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也顯示出優勢。人們可大范圍地電子控制LED的亮度，在設備特性僅發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，其數值也不過才50%。
對LED光輸出精確控制的能力不僅能實現視頻墻中的投影機的峰值亮度的平衡，也可實現黑電平及色彩的精確平衡。因為基于LED的投影機使用獨立的紅、綠、藍LED，其亮度均被獨立控制，任何顏色失衡都可輕易得到實時修正，從而顯示穩定的色彩。視頻墻投影機之間可以進行通訊，便于在投影機之間實現精確的色彩匹配。另外，這個過程還可以完全自動完成。例如，Christie ArrayLOC?可以在多達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自動平衡。
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的決定因素。而這也是LED的最大優點之一。投影機中所使用的每個紅色、綠色和藍色LED均會發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。如圖4所示，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控制室顯示的歐洲廣播聯盟(EBU)的色域大了將近70%。
只要對數據源進行正確編碼，LED照明所具有的更大色域將使其以超出常規燈泡技術的光譜性能精確再現真實物體色彩。 顯然，通過降低原色的飽和度，諸如EBU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它性能參數的情況下實現。
對于視頻墻，更為重要的一點是，擁有大色域值的投影機也將使整個視頻墻達到更廣的色域，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值上達到EBU色域的投影顯示，由于誤差的影響，視頻墻的合成色域可能會比EBU色域要小。
另外非常重要的一點是，LED真的消除了以前與單片DLP?投影機聯系在一起的色彩序列瑕疵。采用HID燈的投影機的色輪的速度僅限于每秒幾百轉，這意味著每秒RGB色彩循環的次數也是有限的。因此，色輪也會造成色彩分離假象（所謂的“彩虹”效應），眼睛或頭部快速移動時可以看到。例如，黑底白色的圖像會分裂為多條色帶。
在LED投影機中，LED的切換可以實現色輪的功能，切換的速度非常快，色彩變化的速度遠遠超出了每個觀察者的閃爍融合閾限。盡管并非每個人都看到相同的程度的色彩分離現象，但對于那些具有敏銳的色彩感的人來說，這仍然是一個不錯的進展。
迎接挑戰
盡管與HID燈相比，使用LED作為光源對于視頻墻有許多優勢，但要有效地發揮這些優勢，還需要克服很多挑戰。
首先，從LED中發出的光，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。顯然， 電流和接點溫度都必須被精確地控制。 經過數年的研究，科視公司已經發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冷卻技術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。然而，在許多應用中，LED可達到的屏幕亮度非常合適，并且LED在圖像表現及設備運行上的優勢更顯得尤為重要。控制室視頻墻就是此類應用中的一種。[Page]
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勢將激勵此項技術迅猛發展。隨著這股趨勢繼續延續，在今后幾年，亮度將進一步提高。
優勢
LED發光技術的優勢已經在眾多投影產品（如家用背投電視和所謂的“袖珍式”正投投影機）中得到驗證。隨著Luminus Devices公司對PhlatLight?等大尺寸LED亮度的快速改進，肯定會出現更多產品和范圍更廣的應用。
不過，要克服控制室應用中的挑戰，就需要設計專門的解決方案，如Christie EnteroTM背投顯示系統LED系列產品。它們所體現的創新技術充分發揮了LED的固有優勢，可以提供一個高度可靠和幾乎不需要維護的視頻墻解決方案。
參考文獻：
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