智能扬声器投影技术

[提示声] 本次演示将介绍基于 DLP 的 智能扬声器投影仪在投影到墙壁和桌面上时 采用的各种投影技术。 我们将了解几种常用的投影透镜 设计方法以及为了减小尺寸、 降低复杂性和成本而建议使用的设计概念。 智能扬声器投影仪通常 投影到墙壁或桌面上。 由于投影的图像平面靠近投影仪， 并且需要显示大图像，因此该光学设计 被称为“超短距”设计。 智能扬声器投影仪应用 通常采用三种光学设计架构。 第一种架构使用一个 非球面或自由形状的凸面镜。 由于投影透镜的光学器件的其余部分 会发散光线，因此 凸面镜通常比较大。 还需要具备较大的外壳和较大的开口， 以防止投影的光线 遇到阻碍。 在凸面镜的设计中，凸面镜通常 裸露在外而且没有保护措施， 目的是避免使用较大外壳， 而这样存在很多风险。 凸面镜的一个替代品是凹面镜。 凹面镜也可以是非球面或自由形状， 它会将光线汇聚起来，投到图像平面上。 这样就可以使用更小的反光镜和更小的外壳， 因为与凸面镜相比， 凹面镜的光线束更小。 在凹面镜设计中， 反光镜通常受到投影仪外壳的保护。 需要偏移图像，光线才能 在从反光镜向图像平面 反射之后避开透镜和机械结构。 数字微镜器件也称为 DMD， 可以通过移动该器件 以及设计可实现更大视场的投影透镜 来实现此图像偏移。 虽然这样能够得到光学曲面镜，但光学器件 也会因此变得更大、更加复杂。 必须注意的是，这些投影架构 可实现无直线失真的 图像。 成本更低的智能扬声器 光学设计无需使用曲面镜 即可实现简单的投影透镜倾斜。 通过相对于图像平面 倾斜投影透镜，就无需再 偏移光学图像，因此会导致 物体的体积变小、成本下降。 投影仪现在已相对于图像平面 进行倾斜，因此会产生 梯形失真并向图像的一侧 散焦。 可以通过一种叫做 Sheimpflug 的 光学方法来修复部分图像散焦。 如前所述，倾斜投影仪 不但会产生可以容忍的 梯形失真，还会导致图像向一侧 发生部分散焦。 为了纠正这一散焦问题，Sheimpflug 原理 声称可以倾斜物体平面 以补偿倾斜的图像平面，在本例中倾斜对象为 DMD。 这样，虽然图像仍会出现梯形失真， 但整个图像会准确聚焦。 随后即可通过电子失真校正 或图像处理来控制这一梯形失真， 以产生直线图像。 对于 Sheimpflug 原理，需要注意的是 在投影时很少使用这种方法。 由于每种用例中的 投影距离各不相同，投影图像的放大倍数 也会随之发生变化。 Sheimpflug 原理只适用于固定投影距离， 因为必须以图像放大倍数的 倒数为角度来倾斜物体或 DMD。 如果放大倍数发生变化， 就必须改变DMD 倾斜角度， 而这样需要使用昂贵的移动机械部件，因此不推荐使用。 对于具有固定投影距离的 智能扬声器应用，这种技术是可行的， 并具有多种优势，可以节约成本和 减小体积。 Sheimpflug 原理也可以与 DMD 偏移 结合使用。 如左侧所示， 只使用 DMD 偏移来获得图像偏移结果 会导致透镜尺寸变大、成本增加， 但直线失真情况会得到大幅改善。 而为这种方法加入部分 Sheimpflug 后， 透镜的尺寸会变小，成本会下降， 而且不会像只使用 Sheimpflug 时那样产生严重失真的图像。 镜头的大小会影响成本，可以将部分 DMD 偏移 与部分 Sheimpflug及其对镜头尺寸的影响 结合起来进行权衡， 最终确定可接受的失真量。 下面，我们用一个折衷分析示例来 揭示图像失真与透镜尺寸之间的关系， 具体情况取决于投影透镜的架构。 我们假设 DMD 的对角线为 0.23 英寸， 物体的光圈为 F 1.7，图像的对角线为 20 英寸， 投影距离为 8 英寸，图像偏移 3 英寸。 需要注意的是，图像尺寸、投影距离 和偏移量可以有其他变化， 但需要执行类似的折衷分析。 在这个表格中，我们可以看到， 只使用 DMD 偏移可以为这一组规格实现 160% 的偏移， 对于直径为 14.85毫米的投影透镜， 可以实现零失真。 而另一方面，我们也可以只使用 Sheimpflug 来实现图像偏移， 这样可以让透镜尺寸缩小到 10.36 毫米， 但为此付出的代价是，失真将高达 44.4%。 将 Sheimpflug 与100% DMD 偏移结合使用时， 直径为 11.46毫米的透镜 可以实现 13.1% 的图像失真。 客户可以在透镜尺寸与失真 之间进行权衡，以确定最终 产品可以接受的设计。 不过，这样就提出了一个问题： 实际可以实现多大的电子失真校正？ 通过使用图像处理， 可以将梯形失真图像校正为 直线图像。 不过，这样会导致局部分辨率下降 以及亮度变暗。 这里显示的是一个 具有 13.1%失真的图像， 该图像是根据将 100% DMD 偏移与部分 Sheimpflug 相结合的 架构而得出的。 正如您所见，需要将图像的 梯形形状裁剪为矩形形状。 可用的图像区域表明，有 10.5% 的投影图像区域 被裁剪，因此图像的亮度下降了 10.5%。 对角线为 0.23 英寸的DMD 最高可投影出 1080p 的分辨率，因此可以计算 被裁剪掉的图像区域的分辨率。 在本例中，以电子方式将梯形图像 校正为完全直线图像之后， 可以看到最高 1437 x 762像素的分辨率， 而不是 1080p分辨率。 当然，客户可以确定是否 需要校正全部梯形失真， 并适当恢复分辨率 和亮度。