與灰塵告別 大屏顯示單元防塵問(wèn)題探討

1 前言

    1.1 大屏機(jī)芯使用大量的光學(xué)組件，而灰塵對(duì)光學(xué)組件而言危害相當(dāng)大，所以大屏對(duì)于灰塵的防護(hù)是相當(dāng)關(guān)鍵的。國(guó)內(nèi)少有文章討論灰塵造成的相關(guān)問(wèn)題，因此特別在此拋磚引玉，介紹一些與大屏顯示單元相關(guān)的防塵問(wèn)題。

    1.2 通常新機(jī)剛剛裝設(shè)完成的時(shí)候，一切都是很美好的、清晰度、對(duì)比度、亮度都是在最佳狀態(tài)，但是小小的灰塵卻能讓大屏的影像質(zhì)量在幾個(gè)月之內(nèi)快速的下降，甚至于造成機(jī)器無(wú)法工作。主要原因是大屏每日的工作時(shí)間特別長(zhǎng)，通常是24-7 的使用，也就是說(shuō)一天24小時(shí),每周七天連續(xù)工作。在大屏開(kāi)機(jī)的時(shí)候，散熱風(fēng)扇不斷的將空氣帶入冷卻機(jī)芯的組件，同時(shí)也將空氣中的塵埃帶入，因此累積非常多的灰塵量。前投影機(jī)每天平均約工作3小時(shí)，只有大屏顯示單元的八分之ㄧ，如果，前投影機(jī)5年需要清理保養(yǎng)一次，那大屏8個(gè)月就要拆機(jī)清理。如果裝設(shè)在灰塵較多的環(huán)境如煤礦坑附近，清理的時(shí)間可能更短，所以大屏對(duì)灰塵的要求相對(duì)而言是很?chē)?yán)格的。 、

    1.3 DLP投影技術(shù)是目前大屏機(jī)芯的主流技術(shù)，原因是DMD耐溫高(注1*)，可以從背面散熱，所以光路幾乎可以設(shè)計(jì)成全密閉式以排除灰塵的問(wèn)題。在前投影機(jī)業(yè)界紅遍半邊天的LCD技術(shù)，在大屏機(jī)芯市場(chǎng)之所以逐漸退卻，主因之ㄧ是因?yàn)長(zhǎng)CD是穿透式，只能用空氣直吹來(lái)散熱，因此對(duì)灰塵束手無(wú)策，無(wú)法達(dá)到大屏顯示單元對(duì)防塵的要求。以下就防塵相關(guān)議題逐一探討

    注1*： DMD是德州儀器公司(TI)的產(chǎn)品，也是DLP投影機(jī)的核心，中文名稱(chēng)為數(shù)字微鏡片裝置，功能有如一個(gè)微小的LCD顯示器，透過(guò)鏡頭投影放大，就是DLP投影機(jī)。

2 防塵等級(jí)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

    通用之防塵與防水等級(jí)規(guī)范源自于國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)組織，其規(guī)范之編號(hào)為IEC60529標(biāo)準(zhǔn)，防塵等級(jí)在技術(shù)規(guī)范上是和防水等級(jí)歸為同一類(lèi)，通稱(chēng)亦是一般所說(shuō)的IP防護(hù)等級(jí)。依照此一標(biāo)準(zhǔn)防塵等級(jí)分為6級(jí)，摘錄說(shuō)明如下

防水防塵等級(jí)以 IPXX 表示

第1個(gè)X表示：防止人體或固態(tài)異物接觸，侵入的保護(hù)等級(jí)

第2個(gè)X表示：防水保護(hù)等級(jí)

    以上若保護(hù)等級(jí)中的其中一項(xiàng)無(wú)需指定，該項(xiàng)以X表示，例如機(jī)芯無(wú)防水要求指定，則第2個(gè)X保留為X，下表列出防塵有關(guān)部份，基本上是以可進(jìn)入機(jī)器的物體大小來(lái)定義其等級(jí)

防止人體或固態(tài)異物接觸、侵入的保護(hù)形式
級(jí)別	保護(hù)程度	測(cè)試條件
IP0X	無(wú)	無(wú)
IP1X	可防手靠近	直徑50 mm 以上固態(tài)異物不得侵入
IP2X	可防手指靠近	直徑12 mm 以上固態(tài)異物不得侵入
IP3X	可防工具先端侵入	直徑2.5 mm 以上固態(tài)異物不得侵入
IP4X	可防電線之類(lèi)侵入	直徑1.0 mm 以上固態(tài)異物不得侵入
IP5X	可防塵	有礙正常動(dòng)作的粉塵不得侵入(注2**)
IP6X	完全防塵構(gòu)造	任何粉塵不得侵入-測(cè)試條件 (注3**)

    (注2**) IP6X 完全防塵構(gòu)造 任何粉塵不得侵入-測(cè)試條件 (注3**) 
    注2**：IP5X在大屏光路內(nèi)部，有礙正常動(dòng)作的粉塵大小約為 12 um (微米) 
    注3**：IP6X 粉塵顆粒 與IP5X相同，另外增加機(jī)器負(fù)壓測(cè)試 100mBar ( 機(jī)器需破壞開(kāi)口 )

3 大屏顯示單元的防塵要求等級(jí)

   本節(jié)將大屏顯示單元區(qū)分成箱體、控制盒、投影燈炮、光路4大部分，依照他們對(duì)灰塵的抵抗能力，建議他們必須具備的防塵等級(jí)要求

    3.1 箱體的防塵等級(jí)要求

    IP3X 箱體的防塵是第一層的簡(jiǎn)單防護(hù)，因?yàn)橄潴w是比較低精密度的機(jī)械結(jié)構(gòu)，又必須提供箱體內(nèi)部電子組件與燈泡散熱的空氣流動(dòng)，所以不需要精密防塵，也做不到精密防護(hù)。

    3.2 控制盒的防塵等級(jí)要求

    IP3X 控制盒內(nèi)容是一般的電子組件，對(duì)于灰塵不太敏感，與箱體需求同等級(jí)即可

    3.3 投影燈泡本身防塵等級(jí)要求

    IP5X 投影燈泡本身必須是全封閉的，因?yàn)闊粜臼怯檬�英玻璃制作，工作溫度約1100攝氏度，在燈芯積塵時(shí)，上方的灰塵較多，表面導(dǎo)熱的系數(shù)會(huì)改變，因而造成燈芯表面溫度不均勻而爆裂。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題不必?fù)?dān)心，燈炮廠家如飛利浦等已經(jīng)在出廠時(shí)做好了完全密封。

    3.4 投影燈泡外部環(huán)境防塵等級(jí)要求

    IP0X 投影燈泡外部不可以做太多的封閉，因?yàn)橥队盁襞莓a(chǎn)生大量的熱量，占機(jī)芯總產(chǎn)熱的70%以上， 需要大量空氣通過(guò)來(lái)散熱，封閉將造成燈泡溫度過(guò)高，產(chǎn)生爆燈或是降低燈泡壽命。另外燈炮外部如有灰塵堆積，也沒(méi)有大礙，拆下來(lái)清潔也相當(dāng)容易快速。

大屏顯示單元的防塵要求等級(jí)
項(xiàng)次	大屏顯示單元組件	適當(dāng)?shù)姆缐m等級(jí)	備注說(shuō)明
1	箱體的防塵等級(jí)要求	IP3X	需要提供大量空氣進(jìn)出散熱，不可密封
2	控制盒的防塵等級(jí)要求	IP3X	內(nèi)含產(chǎn)熱之電子組件，需要散熱不可密封
3	投影燈泡本身防塵等級(jí)要求	IP5X	燈芯表面不可有積塵，燈泡廠家已經(jīng)處理
4	投影燈泡外部環(huán)境防塵等級(jí)要求	IP0X	需要提供大量空氣進(jìn)出散熱，不可密封
5	光路部份防塵等級(jí)要求	IP5X	內(nèi)含精密光學(xué)組件，對(duì)灰塵非常敏感

   3.5 光路部份防塵等級(jí)要求

    光路部份是投影機(jī)芯精密光學(xué)組件所在的地方，其結(jié)構(gòu)如考附圖(一)。是指從投影燈泡光線入口起到鏡頭出口止的部份，在這光線入口與出口之間共有至少5件以上的精密的光學(xué)組件，每一個(gè)組件對(duì)灰塵都很敏感。這部份的防塵要求必須是5級(jí)以上，這里是廠家防塵技術(shù)差異的核心部份，也是本文論述的焦點(diǎn)，所謂的光機(jī)密封防塵指的就是這一部分。

 4 防塵的有效方法

   4.1 箱體做初級(jí)防護(hù)

    灰塵內(nèi)容物很多，有煙灰、纖維、棉絮、沙粒粉塵、頭發(fā)等�？梢栽谙潴w上裝設(shè)濾網(wǎng)，過(guò)濾大顆粒的灰塵如纖維、棉絮、頭發(fā)等，有些廠家也許想從箱體作精密的防塵措施，這是錯(cuò)誤的作法。箱體同時(shí)必須提供足夠的空氣流入，濾網(wǎng)孔徑太小會(huì)阻礙空氣流入也很容易堵塞濾網(wǎng)，造成機(jī)芯散熱不良，甚至于有防火的危險(xiǎn)，建議使用之濾網(wǎng)孔徑為0.3mm以上。

   4.2 光路部分完全密封

    大屏光機(jī)投影的核心組件是DMD，以XGA分辨率為例，有約80萬(wàn)顆的顯示單元在DMD表面上，每顆的尺寸大小約為20為微米，也就是說(shuō)只要20微米 (0.02mm) 以上的灰塵就會(huì)影響他的運(yùn)作，更小的灰塵逐漸的累積更是危險(xiǎn)。但是一般濾網(wǎng)的孔徑尺寸約0.1mm左右，約是粉塵的5倍大。也就是說(shuō)濾網(wǎng)無(wú)法阻擋有害灰塵的入侵，就算有非常密的濾網(wǎng)，濾網(wǎng)本身也會(huì)阻塞并且阻礙空氣流動(dòng)效率，因此光路唯一的方法就是完全密封，使用熱傳導(dǎo)方法將DMD的熱帶到光路結(jié)構(gòu)外面。

5 目前廠家機(jī)芯防塵的技術(shù)水平

    5.1 因?yàn)榉缐m是大屏顯示單元的基本要求，目前世界上知名的機(jī)芯與大屏顯示單元廠家如Barco(巴可)，Mitsubishi(三菱)，Christie(科視) ，Lumens等公司的產(chǎn)品，基本上都早已具備上述的防塵能力，當(dāng)然不同的機(jī)型之間可能有差異。其它公司的產(chǎn)品則因?yàn)閿?shù)據(jù)不全，無(wú)法判斷。使用者可以請(qǐng)廠家提供商關(guān)證明文件，以保證日后的質(zhì)量穩(wěn)定與維護(hù)容易。

6 灰塵可能帶來(lái)的常見(jiàn)問(wèn)題

   6.1 色輪損壞

    色輪的轉(zhuǎn)速相當(dāng)高，約每分7200轉(zhuǎn)，灰塵防護(hù)不好時(shí)，灰塵積累會(huì)逐漸附著在轉(zhuǎn)輪上，造成轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡，有如汽車(chē)輪子不平衡時(shí)，造成車(chē)身震動(dòng)一般原理。色輪會(huì)震動(dòng)傷害到馬達(dá)，另外也可能造成色輪轉(zhuǎn)速降低或不穩(wěn)定，造成故障。

   6.2 亮度下降

    環(huán)境落塵嚴(yán)重時(shí)，半來(lái)之內(nèi)亮度就有可能降低40%以上，通常新反射鏡片的反射率規(guī)格為98%以上，透鏡的透過(guò)律規(guī)格為97%以上，這些要求很高，以便得到高效率的輸出亮度，當(dāng)灰塵防護(hù)不好時(shí)，灰塵積累在光學(xué)組件表面，反射率與透過(guò)率就隨著時(shí)間遞減造成亮度下降。

   6.3 對(duì)比下降

    對(duì)比的定義是大屏顯示單元所能輸出最大的亮度值除以最暗的亮度值，當(dāng)在暗的場(chǎng)景時(shí)光學(xué)組件上的灰塵會(huì)反射雜散光，將不該從鏡頭投出的光投射出來(lái)，增加暗部的亮度。同樣的在亮部時(shí)有部分的光會(huì)被灰塵阻擋，減少光的反射量與透過(guò)量，而降低亮部的亮度值，這一來(lái)一往對(duì)比自然就下降了。

   6.4 清晰度下降，影像變得模糊

    清晰度會(huì)降低的原因是光學(xué)組件折射率改變的因素。當(dāng)鏡片或透鏡表面積塵時(shí)，即有如鏡片表面渡上一層不規(guī)則折射率的不良材料，導(dǎo)致于光的路徑改變，聚焦不在同一焦點(diǎn)上，讓成像變的模糊不清。

   6.5 亮度、對(duì)比、清晰度的變化狀況圖示

   注：本圖僅供定性參考，實(shí)際情況會(huì)因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境、機(jī)械設(shè)計(jì)而不同

7 清理機(jī)芯灰塵的成本與風(fēng)險(xiǎn)

    7.1 現(xiàn)場(chǎng)清潔是可以解決一點(diǎn)問(wèn)題，讓亮度回升一些。如果要回到裝機(jī)時(shí)的質(zhì)量，建議最好送回原廠清理。要在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)作好光路灰塵的清潔是很危險(xiǎn)的的事情。但是因?yàn)楣饴方M件太過(guò)于精密，拆開(kāi)之后必須要有專(zhuān)用的設(shè)備做組裝的調(diào)整與驗(yàn)證，這些工具通常是體積很大很難攜帶的固定式設(shè)備。

    7.2 清理灰塵的成本是難估計(jì)的，姑且把可能發(fā)生的間接與直接成本詳列如下：

• 機(jī)器無(wú)法工作成本 – 大屏必需要停機(jī)、拆出光機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)包裝、寄回原廠
• 運(yùn)送成本 – 將許多機(jī)器運(yùn)送回原廠，再送回重新組裝調(diào)整
• 人工成本 – 技術(shù)人員來(lái)回拆機(jī)，裝機(jī)，現(xiàn)性調(diào)適，色彩調(diào)適
• 管理成本 – 過(guò)程中的聯(lián)絡(luò)，時(shí)間安排
• 質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)成本 – 清理灰塵不是標(biāo)準(zhǔn)的制造流程，技術(shù)人員不會(huì)很熟練，設(shè)備不會(huì)很專(zhuān)業(yè)，重新組裝后的精度很不容易控制
• 時(shí)間等待成本 – 此一過(guò)程慢則2周，慢則更久

 8 如何辨識(shí)廠家的防塵的保證

     8.1 因?yàn)槭袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)因素，廠家有時(shí)夸大自己機(jī)器的防塵能力，有時(shí)用模糊的用詞蒙混，誤導(dǎo)用戶(hù)。以下是廠家常用的幾種含糊的方法。

• 僅說(shuō)明全密封防塵，沒(méi)有說(shuō)明防塵等級(jí)
• 防塵等級(jí)5級(jí)以下 　　
• 防塵等級(jí)5級(jí)，但是沒(méi)說(shuō)明測(cè)試粉塵顆粒尺寸（需小于12微米）
• 以箱體簡(jiǎn)單密封與濾網(wǎng)蒙混，聲稱(chēng)密封防塵
• 廠家沒(méi)有提供防塵測(cè)試報(bào)告
• 廠家不愿提供兩年以上之防塵相關(guān)服務(wù)保證，比如
  • 亮度持續(xù)時(shí)間保證 - 換新燈應(yīng)回復(fù)保持8成以上
  • 色輪使用時(shí)間保證

9 結(jié)語(yǔ)

    9.1 灰塵看起來(lái)是小東西，甚至都看不到，他的危害也不是很及時(shí)，通常安裝時(shí)看不到，危害要在啟用半年以后才慢慢顯現(xiàn)出來(lái)，也因?yàn)槿绱擞脩?hù)的權(quán)益受損更形嚴(yán)重。本文提供一些很實(shí)務(wù)的說(shuō)明，也簡(jiǎn)單的以光學(xué)機(jī)械原理解釋為何灰塵會(huì)造成問(wèn)題，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該足以讓一般用戶(hù)了解，并且在實(shí)際的采購(gòu)與維護(hù)上派上用場(chǎng)，如有疏漏之處，期望各方先進(jìn)不吝指教附圖

    (一) DLP大屏機(jī)芯光路系統(tǒng)圖

NO	英文名稱(chēng)	中文名稱(chēng)	功能
1.	UV Glass	UV 消光鏡	阻擋隔離紫外線
2.	Color Wheel	色輪	將白光分成R,G.,B,W 4段分時(shí)輸出
3.	Light Tunnel	積分柱	負(fù)責(zé)讓燈泡的光均勻化
4.	Condenser 1	聚光鏡1	第一段聚光
5.	Condenser 2	聚光鏡2	第二段聚光
6.	Condenser 3	聚光鏡3	第三段聚光
7.	Mirror	鏡子	反射光線，改變光路徑
8.	Condenser 4	聚光鏡4	第四段聚光
9.	TIR PRISM	全反射菱鏡	在最小的空間內(nèi)分離入射DMD及反射出DMD的光線路徑
10.	DMD Chip	DMD 芯片	提供數(shù)字影像
11.	DLP LENS	DLP 鏡頭	放大與聚焦影像

光路系統(tǒng)有11個(gè)精密光學(xué)組件，其功能名稱(chēng)如下表：