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自制彩色投影机三要素

来源:投影时代 更新日期:2005-04-14 作者:佚名

    要做出一台自己满意的彩色投影机,主要由以下三个要素决定:

一、彩色液晶屏 

    它的性能决定彩投各项指标的上限,目前爱好者拿到的彩屏基本上是日本产的二手货,大部分是1994年以后生产的,液晶屏的正常寿命一般是2万小时,因此推断二手屏还有八成新。其主要品牌有夏普、东芝、CASIO、EPSON、NEC等;尺寸一般有22、3、4、5、56、62、8~101英寸等;像素在6~60万之间;像素类型有方点、六角型、竖条型;排列有品字形、一字形、方阵形等。从驱动方式分为模拟屏、数字屏两种(目前作液晶彩监及彩投的大都是模拟屏,数字屏由于技术和价格等原因尚未大量使用);输入口有6~21个脚,分别是电源正极、负极、R、G、B、S、H、V等等;输入方式有正驱动、负驱动两种。

  从工作原理上分又有真彩、伪彩之分,伪彩是彩色液晶技术刚刚出现时的一种权宜之计,其原理是在液晶屏底板上排列非常紧密的导电针状电极列阵,工作时用视频信号控制的电子束对这些列阵进行扫描,由于光电效应而改变液晶的透明度,它通过外加光源的照射来产生的图像较差,现已基本淘汰,特别是采用该方式的液晶屏与驱动板四周都用导线连接,因此无法用来做彩投。

  比较先进的是采用TFT有源驱动方式的液晶屏,即每个像素点都用一个薄膜晶体管来驱动,由于晶体管的高速开/关性能,控制液晶屏成为快速的光阀门,产生的图像清晰而明亮,有效地提高了图像的质量。

  在此需要特别说明的是,由于液晶光阀开关作用并非十分彻底,也就是说液晶在开的时候并不能全开,使光线100%通过,关的时候也没有全关,还有一小部分光漏过,因此再好的液晶屏对比度也不会很高,单纯提高亮度虽然会增加透过的光量,但同时会使原来漏光的地方漏得更多,对比度下降,图像质量并未有效提高,而且还可能造成液晶屏过热损坏。

  在业余条件下可供我们选择的彩屏很少,满足业余爱好者自制彩投的屏应该具有三个条件。首先必须是真彩模拟屏,其二是价格不能过高,第三是体积不能太大而像素要尽可能高。我认为,符合上述三个要求的彩屏有夏普3英寸屏、东芝4英寸屏、EPSON56英寸屏。

  上述三种屏性能的共同特点是:真彩模拟屏,输入口少,改制方便,像素适中,安装简便。且价格较低,容易被接受。夏普3英寸屏是比较常见的彩屏,国内厂家用来生产可视电话和可视门铃等。该屏为TFT真彩,体积小巧,光源很容易配套,像素约12万,呈六边型品字排列,图像颗粒感较明显,用来做60英寸以下背投或正投较好。东芝4英寸屏是市场上唯一有较大批量提供的二手彩屏,国内大量用来生产汽车彩监、手提VCD、可视电话门铃等,该屏是方点品字屏,面积约为3英寸屏的二倍,像素比3英寸屏高一些(约15万),光通量也高得多,图像较为细腻,与之配套的光源系统体积较大,灯泡功率也大,温度较高,制作中要细心调整才行。

  EPSON56英寸彩屏是目前我们能拿到质量指标最好的真彩屏,通称“爱普生6寸屏。”是最近才出现的低价优质屏,像素约30万,呈长条型品字排列,这种屏的图像放大到100英寸时与进口万元级彩投在观看效果上已不相上下。

  目前最新最好的是CASIO55英寸真彩屏,像素呈竖条型一字排列,与显像管相似,图像特别细腻,配合高清晰高亮度光源,效果完全可以与万元以上商品彩投相媲美,只是目前货源数量极少。还有正在开发的10英寸彩屏,像素达100万,这些都为自制彩投提供了广阔的前景。不过彩屏的尺寸越大,对光源系统的要求就越高,对散热问题也就是更加苛求,一是因为彩屏面积越大,要求光源辐射面积就越大,而灯泡都是点状发光,平衡问题较难解决;二是因为液晶屏的主体是玻璃,是不良导热体,面积越大,热量越不易传导,就会导致中间部分过热而损坏。

  曾经有不少朋友来信询问我们为什么不采用面积小像素高的彩屏,比如一些EPSON的彩屏,面积虽然只有09英寸,像素却高达100万。是的,这正是我们所梦寐以求的,但又有谁来提供呢?因为彩屏的生产技术掌握在发达国家的极少数公司手中,不要说我们在业余条件下,就是国家大型企业也要受到人家的限制。

二、光源 

  图像的质量取决于光源的质量,从光学的原理中我们知道,光的性能中有两个重要指标,一是光的强度,二是光的色温,可以用一句简单的话来概括,即光的强度就是它的亮度,光的色温就是光线中各单色光所占的比例。事实证明,一台较高指标的液晶彩色投影机,它的光源应该是又亮又白。

  所以,我们在自制彩投时,很大的一部分精力和费用是用在提高光源的亮度和“白度”上的。提高亮度看起来似乎很容易,只要增大灯泡的功率就可以了,但实际上并不简单,因为即使撇开能耗不说,温度就是一个大问题,散热问题解决不好,彩屏就不能正常工作,亮度高了温度就高,散热不好就会烧坏液晶屏,亮度低了达不到观看效果,所以亮度要掌握在一个合适的“度”的范围内。

  光源的“白度”即光的色温,色温低的白光所含的红、黄色的成分较多,颜色偏橙色,色温高的白光所含的蓝色的成分较多,颜色偏紫。国际上规定了A、B、C、D、E五种标准白色光源,其中E光源是最理想的白光,色温约5500K,非常接近自然光。实践证明,采用灯丝点燃方式的光源,色温较低,一般在3000K以下,颜色偏黄,即色调是暖色,采用高压气体放电点燃方式的光源,色温较高,一般在5000K以上,颜色偏蓝,色调为冷色。

  暖色调看起来会觉得红色鲜艳些,冷色调更接近自然的颜色,色彩还原更真实,人眼感觉更舒服。普通白炽灯和日光灯因为亮度低,体积大不适于做彩投,鉴于彩投所需要的小体积、高亮度、长寿命和较高色温的要求,我们现在用于自制彩投的光源有两种,一种是采用低压卤素灯,即电影放影用金属卤化物灯,电压12V~48V,功率100~400W,这种灯的特点是体积小、光效高,亮度和色温均能满足自制彩投的要求,特别是它无需复杂的驱动电路,而且造价特别低廉,所以成为自制彩投的首选光源。如对亮度和色温要求较高,就得使用高压金属卤化物气体放电灯作光源,这是一种在灯内充有水银、氩气和金属化合物的灯,在高压作用下水银蒸汽放电同时激发各种金属蒸汽放电产生强烈弧光的灯。

  这种灯包含了可见光全范围的发光频谱,具有鲜明的白色光且发光效率高,成为商品彩投的主流光源。使用这种光源时应特别注意,一是点亮时发热厉害,绝不能用手触及;二是点亮时有大量红外线及紫外线,不能用眼睛直视;三是有很高的触发电压;四是不能瞬间点燃,要有1~3分钟的预热。

  商品彩投为提高清晰度和亮度,多数采用三片液晶板,其光源也采用三路结构,灯泡发出的光经冷光反射镜、滤光片、分色镜、反射镜、聚焦镜或分光棱镜,最后通过投影镜投向影幕,其光源结构异常复杂,调整也异常繁琐,业余条件下根本无法做到。业余制作主要采取单路光源结构,即灯泡发出的光经过冷光反射镜、隔热镜、聚焦镜、液晶屏、镜头投向影幕。结构简单、调整方便,适于业余自制。

  光源结构上现在一般分为直接投影式和反射投影式两种,前者采用聚光碗反射、聚焦镜聚光的方法,光的利用率高,用较小功率的灯泡就有较强的照度,但其光平衡不易做好,辐射面小,主要用于4英寸以下彩屏,后者是采用凸透镜加菲涅尔透镜的灯箱式结构,辐射面大,光平衡度很好,适用于5英寸以上彩屏。散热效果也好,可以使用大功率灯泡,但光利用率稍低,特别要提醒大家的是,在调整直接投影式彩投时要特别注意各光学元件中轴线的重合和准确的相对距离,否则就会出现图像发虚、暗角等问题。关于彩投系统光源问题还有很多,如灯丝的类型、反光碗、隔热镜,尤其是光源的散热问题等。

三、镜头 

  镜头是整个机器的灵魂,再好的彩屏,再好的光源,最终都要通过镜头来实现图像的放大投影,可以说镜头的好坏关系到整机指标的优劣。投影机镜头的任务是尽可能地把已经很微弱的光线(因为液晶彩投光利用率很低,一般在1%~3%)无失真地投射出去,但是这两者又是一对矛盾,如果要保证在一定的近距离内画面无失真,则需要多组镜片的组合。这是因为镜头到画面是由点到面的关系,肯定存在光路长短不同的问题,这时单个镜片就不能准确聚焦,即画面的中间部位和边缘部分不能同时调整到清晰状态,这就要求镜头进行修正,靠单片镜头是无法实现修正任务的,需要多片镜头的组合。

  镜片越多修正效果越好,一般多在3片到9片,分为3组,二凸一凹。光线每通过一个镜片就会衰减一部分,镜片越多衰减就越厉害,尽管镜片经过真空镀膜处理来增强光通量,但还是存在衰减。另一个办法就是增加镜片的口径,口径越大则光通量越大,但成本也大大提高。

  对电子爱好者来说,光学方面的知识可能比较生疏,而自制彩投的关键恰恰不是电路部分而是光学部分,因为液晶屏我们只有选择的余地,没有可以下手的用武之地,光学部分我们的选择余地和下手空间才是最大的。文章题目中的三要素,光学部分占了两要素:光源和镜头。

  上面我们只对镜头作了简单描述,真正用在彩投上文章就大了,因为我们自制彩投使用的是照相机镜头,这里先引出两个镜头的专用术语,光圈和焦距,喜欢摄影者都知道,镜头的光圈是用数值来表示的,一般从16~2,当然还有到11、09的,为使用方便,一个镜头设置多挡光圈,光圈的数值越大,光圈就越小,光通量也越少,每一个镜头的最大光圈都用数值标在镜头的前方。实践证明,自制彩投选择光圈值最大不能大于35,最好是28~20,太大了光通量少,图像光线就不能全部通过,亮度可想而知。另一个术语就是焦距,焦距也是用数值来表示的,通常从50~210mm,当然还有短焦和长焦,超短和超长焦的。

  数值越小焦距越短,数值越大焦距越长,一个定焦镜头只有一种焦距,投影机对镜头焦距的要求正投一般在50~140mm,背投一般在35mm左右,焦距这个概念很重要,它决定了打满预定尺寸时投影机与影幕的距离,焦距越短,投影机与影幕的距离就越近,反之就越远,一般家庭空间有限,所以选择适当的焦距也很重要,我们一般选择焦距在75~90mm之间,这样投影机与屏幕的距离大约在2~3m,比较适合一般家庭。焦距低于50mm的,机器离屏幕太近,妨碍视线,焦距大于100mm时,机器离屏幕太远,一般家庭无法使用。当然更高级的办法是用变焦镜头,可以从55mm一直变到210mm,距离比较随意,不受地方的限制,但成本大幅度提高而且光圈大都是35左右,光通量明显偏小,只在商品彩投中较多使用。

  选择镜头还有一个问题就是镜头的“涵盖”,“涵盖”就是镜头能包容下多大的彩屏。比如135相机的镜头就只能涵盖3英寸屏,而4英寸屏就必须用120相机镜头才能涵盖,6英寸屏就无法用一般的镜头来涵盖。这个概念是我们编的,因为我们翻了很多光学方面的资料,找不到“涵盖”这个词,也没有这样的理论依据,但在实践中还必须遵守这个原则,如果4英寸屏用了135相机镜头,不管怎么调,四角都会出暗影。实践是检验真理的标准。

  在业余实践中,往往镜头来源较杂,我们还必须灵活使用镜头,比如一款俄罗斯产的镜头,光圈是20的,焦距是85mm,非常适合做彩投,但因为它是相机镜头,前边的镜片大,后面的镜片小,涵盖3英寸还可以,涵盖4英寸就不好,于是就把它倒过来用,涵盖就大大增强了,效果很明显,其实照相镜头和放大镜头要求是相反的,照相镜头对外是弱化的,对内是强化的。当然并不是任何镜头反用效果都好,只有那些前边镜片大的镜头反用效果才好。

  在投影机的镜头系统中还有一种是采用单片镜结构的,这是因为当液晶屏超过5英寸时,组合镜头已无法涵盖,只能借助大口径的单片镜,在这里需要说明的是单片镜具有很大的涵盖和很高的透光度,但必须是在较长光路的情况下使用,即焦距在260mm以上,镜头与彩屏距离在10cm以上,机器与影幕距离在35m以上,这是因为光路越长,画面中间与边缘的差距越小,像差就小,单片镜就可以校正。这种结构的投影系统我们并不陌生,普遍使用的书写投影仪就是一例。

  所以我们在使用6英寸屏(套件5、9、10、11)时毫无例外地使用了改制的投影仪形式。使用大尺寸的液晶屏是业余条件下获得高清晰和高亮度的唯一途径,上面说过,采用小尺寸液晶屏能大大减小体积和降低费用,但是我们难以得到高像素的小尺寸彩屏,要想获得高清晰和高亮度只能牺牲体积和能耗等,这就是业余与专业的不同。

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