与灰尘告别 大屏显示单元防尘问题探讨

1 前言

    1.1 大屏机芯使用大量的光学组件，而灰尘对光学组件而言危害相当大，所以大屏对于灰尘的防护是相当关键的。国内少有文章讨论灰尘造成的相关问题，因此特别在此抛砖引玉，介绍一些与大屏显示单元相关的防尘问题。

    1.2 通常新机刚刚装设完成的时候，一切都是很美好的、清晰度、对比度、亮度都是在最佳状态，但是小小的灰尘却能让大屏的影像质量在几个月之内快速的下降，甚至于造成机器无法工作。主要原因是大屏每日的工作时间特别长，通常是24-7 的使用，也就是说一天24小时,每周七天连续工作。在大屏开机的时候，散热风扇不断的将空气带入冷却机芯的组件，同时也将空气中的尘埃带入，因此累积非常多的灰尘量。前投影机每天平均约工作3小时，只有大屏显示单元的八分之ㄧ，如果，前投影机5年需要清理保养一次，那大屏8个月就要拆机清理。如果装设在灰尘较多的环境如煤矿坑附近，清理的时间可能更短，所以大屏对灰尘的要求相对而言是很严格的。 、

    1.3 DLP投影技术是目前大屏机芯的主流技术，原因是DMD耐温高(注1*)，可以从背面散热，所以光路几乎可以设计成全密闭式以排除灰尘的问题。在前投影机业界红遍半边天的LCD技术，在大屏机芯市场之所以逐渐退却，主因之ㄧ是因为LCD是穿透式，只能用空气直吹来散热，因此对灰尘束手无策，无法达到大屏显示单元对防尘的要求。以下就防尘相关议题逐一探讨

    注1*： DMD是德州仪器公司(TI)的产品，也是DLP投影机的核心，中文名称为数字微镜片装置，功能有如一个微小的LCD显示器，透过镜头投影放大，就是DLP投影机。

2 防尘等级的国际标准

    通用之防尘与防水等级规范源自于国际电工委员会(IEC)组织，其规范之编号为IEC60529标准，防尘等级在技术规范上是和防水等级归为同一类，通称亦是一般所说的IP防护等级。依照此一标准防尘等级分为6级，摘录说明如下

防水防尘等级以 IPXX 表示

第1个X表示：防止人体或固态异物接触，侵入的保护等级

第2个X表示：防水保护等级

    以上若保护等级中的其中一项无需指定，该项以X表示，例如机芯无防水要求指定，则第2个X保留为X，下表列出防尘有关部份，基本上是以可进入机器的物体大小来定义其等级

防止人体或固态异物接触、侵入的保护形式
级别	保护程度	测试条件
IP0X	无	无
IP1X	可防手靠近	直径50 mm 以上固态异物不得侵入
IP2X	可防手指靠近	直径12 mm 以上固态异物不得侵入
IP3X	可防工具先端侵入	直径2.5 mm 以上固态异物不得侵入
IP4X	可防电线之类侵入	直径1.0 mm 以上固态异物不得侵入
IP5X	可防尘	有碍正常动作的粉尘不得侵入(注2**)
IP6X	完全防尘构造	任何粉尘不得侵入-测试条件 (注3**)

    (注2**) IP6X 完全防尘构造 任何粉尘不得侵入-测试条件 (注3**) 
    注2**：IP5X在大屏光路内部，有碍正常动作的粉尘大小约为 12 um (微米) 
    注3**：IP6X 粉尘颗粒 与IP5X相同，另外增加机器负压测试 100mBar ( 机器需破坏开口 )

3 大屏显示单元的防尘要求等级

   本节将大屏显示单元区分成箱体、控制盒、投影灯炮、光路4大部分，依照他们对灰尘的抵抗能力，建议他们必须具备的防尘等级要求

    3.1 箱体的防尘等级要求

    IP3X 箱体的防尘是第一层的简单防护，因为箱体是比较低精密度的机械结构，又必须提供箱体内部电子组件与灯泡散热的空气流动，所以不需要精密防尘，也做不到精密防护。

    3.2 控制盒的防尘等级要求

    IP3X 控制盒内容是一般的电子组件，对于灰尘不太敏感，与箱体需求同等级即可

    3.3 投影灯泡本身防尘等级要求

    IP5X 投影灯泡本身必须是全封闭的，因为灯芯是用石英玻璃制作，工作温度约1100摄氏度，在灯芯积尘时，上方的灰尘较多，表面导热的系数会改变，因而造成灯芯表面温度不均匀而爆裂。不过这个问题不必担心，灯炮厂家如飞利浦等已经在出厂时做好了完全密封。

    3.4 投影灯泡外部环境防尘等级要求

    IP0X 投影灯泡外部不可以做太多的封闭，因为投影灯泡产生大量的热量，占机芯总产热的70%以上， 需要大量空气通过来散热，封闭将造成灯泡温度过高，产生爆灯或是降低灯泡寿命。另外灯炮外部如有灰尘堆积，也没有大碍，拆下来清洁也相当容易快速。

大屏显示单元的防尘要求等级
项次	大屏显示单元组件	适当的防尘等级	备注说明
1	箱体的防尘等级要求	IP3X	需要提供大量空气进出散热，不可密封
2	控制盒的防尘等级要求	IP3X	内含产热之电子组件，需要散热不可密封
3	投影灯泡本身防尘等级要求	IP5X	灯芯表面不可有积尘，灯泡厂家已经处理
4	投影灯泡外部环境防尘等级要求	IP0X	需要提供大量空气进出散热，不可密封
5	光路部份防尘等级要求	IP5X	内含精密光学组件，对灰尘非常敏感

   3.5 光路部份防尘等级要求

    光路部份是投影机芯精密光学组件所在的地方，其结构如考附图(一)。是指从投影灯泡光线入口起到镜头出口止的部份，在这光线入口与出口之间共有至少5件以上的精密的光学组件，每一个组件对灰尘都很敏感。这部份的防尘要求必须是5级以上，这里是厂家防尘技术差异的核心部份，也是本文论述的焦点，所谓的光机密封防尘指的就是这一部分。

 4 防尘的有效方法

   4.1 箱体做初级防护

    灰尘内容物很多，有烟灰、纤维、棉絮、沙粒粉尘、头发等。可以在箱体上装设滤网，过滤大颗粒的灰尘如纤维、棉絮、头发等，有些厂家也许想从箱体作精密的防尘措施，这是错误的作法。箱体同时必须提供足够的空气流入，滤网孔径太小会阻碍空气流入也很容易堵塞滤网，造成机芯散热不良，甚至于有防火的危险，建议使用之滤网孔径为0.3mm以上。

   4.2 光路部分完全密封

    大屏光机投影的核心组件是DMD，以XGA分辨率为例，有约80万颗的显示单元在DMD表面上，每颗的尺寸大小约为20为微米，也就是说只要20微米 (0.02mm) 以上的灰尘就会影响他的运作，更小的灰尘逐渐的累积更是危险。但是一般滤网的孔径尺寸约0.1mm左右，约是粉尘的5倍大。也就是说滤网无法阻挡有害灰尘的入侵，就算有非常密的滤网，滤网本身也会阻塞并且阻碍空气流动效率，因此光路唯一的方法就是完全密封，使用热传导方法将DMD的热带到光路结构外面。

5 目前厂家机芯防尘的技术水平

    5.1 因为防尘是大屏显示单元的基本要求，目前世界上知名的机芯与大屏显示单元厂家如Barco(巴可)，Mitsubishi(三菱)，Christie(科视) ，Lumens等公司的产品，基本上都早已具备上述的防尘能力，当然不同的机型之间可能有差异。其它公司的产品则因为数据不全，无法判断。使用者可以请厂家提供商关证明文件，以保证日后的质量稳定与维护容易。

6 灰尘可能带来的常见问题

   6.1 色轮损坏

    色轮的转速相当高，约每分7200转，灰尘防护不好时，灰尘积累会逐渐附着在转轮上，造成转轮的转动不平衡，有如汽车轮子不平衡时，造成车身震动一般原理。色轮会震动伤害到马达，另外也可能造成色轮转速降低或不稳定，造成故障。

   6.2 亮度下降

    环境落尘严重时，半来之内亮度就有可能降低40%以上，通常新反射镜片的反射率规格为98%以上，透镜的透过律规格为97%以上，这些要求很高，以便得到高效率的输出亮度，当灰尘防护不好时，灰尘积累在光学组件表面，反射率与透过率就随着时间递减造成亮度下降。

   6.3 对比下降

    对比的定义是大屏显示单元所能输出最大的亮度值除以最暗的亮度值，当在暗的场景时光学组件上的灰尘会反射杂散光，将不该从镜头投出的光投射出来，增加暗部的亮度。同样的在亮部时有部分的光会被灰尘阻挡，减少光的反射量与透过量，而降低亮部的亮度值，这一来一往对比自然就下降了。

   6.4 清晰度下降，影像变得模糊

    清晰度会降低的原因是光学组件折射率改变的因素。当镜片或透镜表面积尘时，即有如镜片表面渡上一层不规则折射率的不良材料，导致于光的路径改变，聚焦不在同一焦点上，让成像变的模糊不清。

   6.5 亮度、对比、清晰度的变化状况图示

   注：本图仅供定性参考，实际情况会因为工作环境、机械设计而不同

7 清理机芯灰尘的成本与风险

    7.1 现场清洁是可以解决一点问题，让亮度回升一些。如果要回到装机时的质量，建议最好送回原厂清理。要在用户现场作好光路灰尘的清洁是很危险的的事情。但是因为光路组件太过于精密，拆开之后必须要有专用的设备做组装的调整与验证，这些工具通常是体积很大很难携带的固定式设备。

    7.2 清理灰尘的成本是难估计的，姑且把可能发生的间接与直接成本详列如下：

• 机器无法工作成本 – 大屏必需要停机、拆出光机、现场包装、寄回原厂
• 运送成本 – 将许多机器运送回原厂，再送回重新组装调整
• 人工成本 – 技术人员来回拆机，装机，现性调适，色彩调适
• 管理成本 – 过程中的联络，时间安排
• 质量风险成本 – 清理灰尘不是标准的制造流程，技术人员不会很熟练，设备不会很专业，重新组装后的精度很不容易控制
• 时间等待成本 – 此一过程慢则2周，慢则更久

 8 如何辨识厂家的防尘的保证

     8.1 因为市场竞争因素，厂家有时夸大自己机器的防尘能力，有时用模糊的用词蒙混，误导用户。以下是厂家常用的几种含糊的方法。

• 仅说明全密封防尘，没有说明防尘等级
• 防尘等级5级以下 　　
• 防尘等级5级，但是没说明测试粉尘颗粒尺寸（需小于12微米）
• 以箱体简单密封与滤网蒙混，声称密封防尘
• 厂家没有提供防尘测试报告
• 厂家不愿提供两年以上之防尘相关服务保证，比如
  • 亮度持续时间保证 - 换新灯应回复保持8成以上
  • 色轮使用时间保证

9 结语

    9.1 灰尘看起来是小东西，甚至都看不到，他的危害也不是很及时，通常安装时看不到，危害要在启用半年以后才慢慢显现出来，也因为如此用户的权益受损更形严重。本文提供一些很实务的说明，也简单的以光学机械原理解释为何灰尘会造成问题，这些数据应该足以让一般用户了解，并且在实际的采购与维护上派上用场，如有疏漏之处，期望各方先进不吝指教附图

    (一) DLP大屏机芯光路系统图

NO	英文名称	中文名称	功能
1.	UV Glass	UV 消光镜	阻挡隔离紫外线
2.	Color Wheel	色轮	将白光分成R,G.,B,W 4段分时输出
3.	Light Tunnel	积分柱	负责让灯泡的光均匀化
4.	Condenser 1	聚光镜1	第一段聚光
5.	Condenser 2	聚光镜2	第二段聚光
6.	Condenser 3	聚光镜3	第三段聚光
7.	Mirror	镜子	反射光线，改变光路径
8.	Condenser 4	聚光镜4	第四段聚光
9.	TIR PRISM	全反射菱镜	在最小的空间内分离入射DMD及反射出DMD的光线路径
10.	DMD Chip	DMD 芯片	提供数字影像
11.	DLP LENS	DLP 镜头	放大与聚焦影像

光路系统有11个精密光学组件，其功能名称如下表：