與灰塵告別 大屏顯示單元防塵問題探討

1 前言

    1.1 大屏機(jī)芯使用大量的光學(xué)組件，而灰塵對光學(xué)組件而言危害相當(dāng)大，所以大屏對于灰塵的防護(hù)是相當(dāng)關(guān)鍵的。國內(nèi)少有文章討論灰塵造成的相關(guān)問題，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)量在幾個月之內(nèi)快速的下降，甚至于造成機(jī)器無法工作。主要原因是大屏每日的工作時(shí)間特別長，通常是24-7 的使用，也就是說一天24小時(shí),每周七天連續(xù)工作。在大屏開機(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，所以大屏對灰塵的要求相對而言是很嚴(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)芯市場之所以逐漸退卻，主因之ㄧ是因?yàn)長CD是穿透式，只能用空氣直吹來散熱，因此對灰塵束手無策，無法達(dá)到大屏顯示單元對防塵的要求。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，中文名稱為數(shù)字微鏡片裝置，功能有如一個微小的LCD顯示器，透過鏡頭投影放大，就是DLP投影機(jī)。

2 防塵等級的國際標(biāo)準(zhǔn)

    通用之防塵與防水等級規(guī)范源自于國際電工委員會(IEC)組織，其規(guī)范之編號為IEC60529標(biāo)準(zhǔn)，防塵等級在技術(shù)規(guī)范上是和防水等級歸為同一類，通稱亦是一般所說的IP防護(hù)等級。依照此一標(biāo)準(zhǔn)防塵等級分為6級，摘錄說明如下

防水防塵等級以 IPXX 表示

第1個X表示：防止人體或固態(tài)異物接觸，侵入的保護(hù)等級

第2個X表示：防水保護(hù)等級

    以上若保護(hù)等級中的其中一項(xiàng)無需指定，該項(xiàng)以X表示，例如機(jī)芯無防水要求指定，則第2個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)器的物體大小來定義其等級

防止人體或固態(tài)異物接觸、侵入的保護(hù)形式
級別	保護(hù)程度	測試條件
IP0X	無	無
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-測試條件 (注3**)

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

3 大屏顯示單元的防塵要求等級

   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，依照他們對灰塵的抵抗能力，建議他們必須具備的防塵等級要求

    3.1 箱體的防塵等級要求

    IP3X 箱體的防塵是第一層的簡單防護(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，所以不需要精密防塵，也做不到精密防護(hù)。

    3.2 控制盒的防塵等級要求

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

    3.3 投影燈泡本身防塵等級要求

    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)會改變，因而造成燈芯表面溫度不均勻而爆裂。不過這個問題不必?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， 需要大量空氣通過來散熱，封閉將造成燈泡溫度過高，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，也沒有大礙，拆下來清潔也相當(dāng)容易快速。

大屏顯示單元的防塵要求等級
項(xiàng)次	大屏顯示單元組件	適當(dāng)?shù)姆缐m等級	備注說明
1	箱體的防塵等級要求	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	光路部份防塵等級要求	IP5X	內(nèi)含精密光學(xué)組件，對灰塵非常敏感

   3.5 光路部份防塵等級要求

    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，每一個組件對灰塵都很敏感。這部份的防塵要求必須是5級以上，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，也就是說只要20微米 (0.02mm) 以上的灰塵就會影響他的運(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。也就是說濾網(wǎng)無法阻擋有害灰塵的入侵，就算有非常密的濾網(wǎng)，濾網(wǎng)本身也會阻塞并且阻礙空氣流動效率，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，無法判斷。使用者可以請廠家提供商關(guān)證明文件，以保證日后的質(zhì)量穩(wěn)定與維護(hù)容易。

6 灰塵可能帶來的常見問題

   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)，灰塵積累會逐漸附著在轉(zhuǎn)輪上，造成轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動不平衡，有如汽車輪子不平衡時(shí)，造成車身震動一般原理。色輪會震動傷害到馬達(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，反射率與透過率就隨著時(shí)間遞減造成亮度下降。

   6.3 對比下降

    對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)在暗的場景時(shí)光學(xué)組件上的灰塵會反射雜散光，將不該從鏡頭投出的光投射出來，增加暗部的亮度。同樣的在亮部時(shí)有部分的光會被灰塵阻擋，減少光的反射量與透過量，而降低亮部的亮度值，這一來一往對比自然就下降了。

   6.4 清晰度下降，影像變得模糊

    清晰度會降低的原因是光學(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)場清潔是可以解決一點(diǎn)問題，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。要在用戶現(xiàn)場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件太過于精密，拆開之后必須要有專用的設(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)器無法工作成本 – 大屏必需要停機(jī)、拆出光機(jī)、現(xiàn)場包裝、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)人員來回拆機(jī)，裝機(jī)，現(xiàn)性調(diào)適，色彩調(diào)適
• 管理成本 – 過程中的聯(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)人員不會很熟練，設(shè)備不會很專業(yè)，重新組裝后的精度很不容易控制
• 時(shí)間等待成本 – 此一過程慢則2周，慢則更久

 8 如何辨識廠家的防塵的保證

     8.1 因?yàn)槭袌龈偁幰蛩�，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。以下是廠家常用的幾種含糊的方法。

• 僅說明全密封防塵，沒有說明防塵等級
• 防塵等級5級以下 　　
• 防塵等級5級，但是沒說明測試粉塵顆粒尺寸（需小于12微米）
• 以箱體簡單密封與濾網(wǎng)蒙混，聲稱密封防塵
• 廠家沒有提供防塵測試報(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

    9.1 灰塵看起來是小東西，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，也因?yàn)槿绱擞脩舻臋?quán)益受損更形嚴(yán)重。本文提供一些很實(shí)務(wù)的說明，也簡單的以光學(xué)機(jī)械原理解釋為何灰塵會造成問題，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該足以讓一般用戶了解，并且在實(shí)際的采購與維護(hù)上派上用場，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	中文名稱	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個精密光學(xué)組件，其功能名稱如下表：