謝于迪,李 強(qiáng)
(國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,北京 100015)
截至2011年底,我國(guó)共完成包括平板電視、空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)在內(nèi)的21種家用、商用電器產(chǎn)品的能效標(biāo)準(zhǔn)制定,完成4種交通工具、10種照明器具和8種工業(yè)設(shè)備的能效標(biāo)準(zhǔn)制定。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)用能產(chǎn)品的能源利用效率水平或能源消耗水平進(jìn)行了規(guī)定,設(shè)定了產(chǎn)品的能效限定值,即規(guī)定測(cè)試條件下所允許的用能產(chǎn)品的最大耗電量或最低能效值,是產(chǎn)品在能效領(lǐng)域的市場(chǎng)準(zhǔn)入要求,未達(dá)到最低要求的產(chǎn)品不允許生產(chǎn)銷(xiāo)售,這屬于強(qiáng)制要求。國(guó)標(biāo)委于2011年底下達(dá)開(kāi)展投影機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)制定的任務(wù),國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(下文簡(jiǎn)稱(chēng)質(zhì)檢中心)結(jié)合多年投影機(jī)測(cè)試經(jīng)驗(yàn),對(duì)投影機(jī)技術(shù)分類(lèi)、市場(chǎng)情況、測(cè)試方法和現(xiàn)階段能效水平進(jìn)行研究,為標(biāo)準(zhǔn)的制定做準(zhǔn)備。
投影機(jī)分類(lèi)方式眾多,主要有按工作原理分類(lèi)、按光源分類(lèi)、按使用場(chǎng)合分類(lèi)、按光輸出量分類(lèi)等多種方式。
投影機(jī)按成像器件和工作原理的不同,主要分為發(fā)光型、反射型和透過(guò)型三類(lèi),如圖1所示,使用最廣泛的是液晶投影機(jī)和DLP投影機(jī)。
圖1 投影機(jī)工作原理分類(lèi)圖
液晶投影機(jī)以三片液晶板為主流結(jié)構(gòu)。利用金屬鹵素?zé)艋蚋邏汗療舻茸鳛橥夤庠?,屬于被?dòng)式的投影方式。強(qiáng)光通過(guò)分光鏡形成RGB三束光,分別透射過(guò)RGB三色液晶板;信號(hào)源經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換,調(diào)制到液晶板上,控制液晶單元的開(kāi)啟、閉合,從而控制光路的通斷,再經(jīng)合光棱鏡合光,由光學(xué)鏡頭放大,顯示在大屏幕上。LED燈也作為液晶投影機(jī)的光源,開(kāi)始在投影機(jī)中使用。
以DMD(Digital Micormirror Device)數(shù)字微鏡反射器作為光閥成像器件的DLP投影機(jī),為反射型投影機(jī)。光源發(fā)出的光束通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的濾光片,被分成紅、綠、藍(lán)三種單色光,然后被投射到DMD上,通過(guò)控制微鏡的“開(kāi)、關(guān)”狀態(tài),控制圖像每個(gè)像素的亮、暗,在屏幕上生成投影圖像。
DLP的對(duì)比度和光輸出較高,LCD的色彩保真度較好。
投影機(jī)的光源是影響成像效果和使用時(shí)間的重要器件,傳統(tǒng)光源為金屬鹵素?zé)襞荩òl(fā)熱高,不宜長(zhǎng)時(shí)間使用)、氙燈和超高壓汞燈泡(UHE和UHP燈)。UHP燈泡是現(xiàn)在使用最廣泛的光源,外形小巧,在相同功耗下,能產(chǎn)生大光量,壽命較長(zhǎng),當(dāng)衰竭時(shí)即刻熄滅,一般可以正常使用4 000 h以上。固態(tài)(半導(dǎo)體)光源主要包括LED燈、激光光源和LED激光混合光源。用LED燈做投影機(jī)光源可以用白光源LED,也可以用RGB三基色LED,用RGB三基色LED比用白光LED的照明效率高。與傳統(tǒng)高壓汞燈相比,激光光源是一種無(wú)汞環(huán)保光源,壽命可以達(dá)到10 000/20 000 h(普通/節(jié)能模式),采用增強(qiáng)型智能節(jié)能技術(shù),結(jié)合激光光源即開(kāi)即關(guān)的特性,可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。
教育市場(chǎng):主要針對(duì)于學(xué)校,主要參數(shù)為2 500~3 500 lm;商務(wù)市場(chǎng):主要針對(duì)于企事業(yè)小型會(huì)議室,主要參數(shù)為3000~3500 lm;工程用機(jī):主要針對(duì)于大型的階梯教室商場(chǎng)及戶外廣告,主要參數(shù)為10 000~35 000 lm;娛樂(lè)市場(chǎng)用機(jī):主要針對(duì)于KTV場(chǎng)所,主要參數(shù)為2 500~3 000 lm。
光輸出≥5 000 lm的產(chǎn)品為高檔機(jī),多用于電影、工程等領(lǐng)域;500 lm〈光輸出〈5 000 lm為傳統(tǒng)機(jī);光輸出≤500 lm,稱(chēng)為微型投影機(jī),分為便攜性和口袋機(jī)兩類(lèi),便攜型依靠外接電源供電,口袋機(jī)依靠電池供電。
近年來(lái),新興的投影機(jī)還包括3D投影機(jī)和短焦投影機(jī)[1]。
短焦投影機(jī)能在較短的距離里投影出更大的畫(huà)面,可以避免投影機(jī)光線對(duì)演講者眼睛的直射,也避免演講者的影子被投射在屏幕上遮擋畫(huà)面。目前所采用的技術(shù)主要有兩大類(lèi),一個(gè)是通過(guò)廣角式魚(yú)眼鏡頭,采用直接投射方式;另一種是增加反光鏡,采用反射方式。魚(yú)眼鏡頭用在投影機(jī)上投影距離縮短,畫(huà)面變大,但容易產(chǎn)生線性畸變。投射比在0.5~0.6時(shí),短焦技術(shù)一般采用投射式。反射式即投影機(jī)鏡頭將影像投射在反射鏡上,再由反射鏡投射到投影屏幕上,容易出現(xiàn)圖像的變形和亮度不均,對(duì)工藝技術(shù)的要求高。當(dāng)投射比在0.28~0.3時(shí),短焦技術(shù)一般采用反射式。短焦和超短焦投影機(jī)因?yàn)橥渡渚嚯x非常短,所以使用傳統(tǒng)的照度計(jì)進(jìn)行測(cè)試存在一定的問(wèn)題。
投影機(jī)的分類(lèi)影響標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)測(cè)試方法的選擇,能效指數(shù)是否需要分類(lèi)要求等問(wèn)題。在對(duì)投影機(jī)進(jìn)行種類(lèi)細(xì)分和行業(yè)調(diào)研后發(fā)現(xiàn),依照投影機(jī)按照光輸出的不同進(jìn)行分類(lèi)是最合理的方式。
投影機(jī)的主要用途為教學(xué)、辦公等商業(yè)用途,家用量較小。主要銷(xiāo)售方式為招投標(biāo)方式,直接向消費(fèi)者進(jìn)行銷(xiāo)售的較少。2011年中國(guó)投影機(jī)市場(chǎng)分布情況如圖2所示,出貨量為160萬(wàn)臺(tái),日立(HITCHI)、愛(ài)普生(EPSON)、明基(BENQ)、NEC、索尼(SONY)、宏基(ACER)、奧圖碼(OPTOMA)為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主流投影機(jī)銷(xiāo)售品牌,國(guó)內(nèi)品牌雅圖(ACTO)銷(xiāo)量最大,技術(shù)實(shí)力也較為領(lǐng)先。
圖2 2011年中國(guó)市場(chǎng)投影機(jī)銷(xiāo)量統(tǒng)計(jì)(市場(chǎng)占有率)
預(yù)計(jì)2012年總銷(xiāo)量將接近200萬(wàn)臺(tái),預(yù)測(cè)情況如圖3所示[2]。
圖3 中國(guó)投影機(jī)市場(chǎng)出貨量
投影機(jī)屬于CCC強(qiáng)制目錄下的產(chǎn)品,在安全性能方面需符合《GB 4943信息技術(shù)設(shè)備的安全》標(biāo)準(zhǔn)的要求,在電磁兼容性能方面需符合《GB 9254信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)的要求。
目前我國(guó)存在著5個(gè)投影機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)。2006年由信息產(chǎn)業(yè)部頒布了《SJ/T 11340液晶前投影機(jī)通用規(guī)范》和《SJ/T 11346電子投影機(jī)測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn),兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)正在修訂過(guò)程中。另外,還有《GB/T 19259—2003視頻投影器通用技術(shù)條件》和《SJ/T 11298—2003數(shù)字投影機(jī)的通用規(guī)范》。各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試方法和指標(biāo)要求都有一定的差別,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的適用范圍也不太清晰。2011年新頒布了《GB/T 28037—2011信息技術(shù)投影機(jī)通用規(guī)范》。
目前在投影機(jī)行業(yè)內(nèi)被廣泛認(rèn)可和普遍使用的性能標(biāo)準(zhǔn)為日本投影機(jī)協(xié)會(huì)提出的《ISO/IEC 21118 Information to be included in specification sheets-Data projectors》。在投影機(jī)的招投標(biāo)領(lǐng)域,主要采信此標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:投影機(jī)的光輸出、對(duì)比度和照度均勻性的最低限值滿足規(guī)格書(shū)中的標(biāo)稱(chēng)值的80%以上即判定為合格。
目前國(guó)內(nèi)外尚未針對(duì)投影機(jī)(正投)能源效率或能耗要求進(jìn)行國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定,投影機(jī)的能效問(wèn)題尚未引起各方關(guān)注。中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心頒布《CQC6102—2009投影機(jī)節(jié)能環(huán)保認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》,開(kāi)展節(jié)能認(rèn)證,入選政府采購(gòu)清單需具備節(jié)能認(rèn)證證書(shū)。
投影機(jī)使用量大,特別是在教育、商務(wù)領(lǐng)域。且投影機(jī)日開(kāi)機(jī)時(shí)間長(zhǎng),單臺(tái)耗能大,是亟待出臺(tái)能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定和控制的用能產(chǎn)品。
依據(jù)《CQC6102—2009投影機(jī)節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的投影機(jī)能效測(cè)試方法,國(guó)家廣播電視產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心通過(guò)開(kāi)展節(jié)能認(rèn)證的測(cè)試工作,完成國(guó)標(biāo)制定的測(cè)試方法研究和數(shù)據(jù)累計(jì)。
4.1.1 能效指數(shù)測(cè)試方法
能效指數(shù)是指投影機(jī)在開(kāi)機(jī)(工作)狀態(tài)下,投影機(jī)的光輸出與整機(jī)消耗功率的比值[3]。能效指數(shù)主要考核投影機(jī)的光電轉(zhuǎn)換效率。
使用極限八灰階測(cè)試信號(hào)調(diào)整投影機(jī)狀態(tài),改變投影機(jī)的亮度和對(duì)比度設(shè)置,達(dá)到極限八灰階將將清晰可辨的程度,作為測(cè)試狀態(tài)。使用100%全白場(chǎng)測(cè)試信號(hào),進(jìn)行亮度測(cè)試,測(cè)試位置如圖4所示,其中P0為圖像中心點(diǎn);P1~P8分別為圖像寬度、高度的1/6。
圖4 測(cè)試位置示意圖
將被測(cè)機(jī)到投影面的水平距離調(diào)整到最佳位置(如無(wú)特殊要求,調(diào)整到使投影圖像最大并且面積為1 m2),如圖5所示。
圖5 測(cè)試設(shè)備示意圖
用照度計(jì)測(cè)量投影機(jī)1 m2投射面上9個(gè)點(diǎn)P0~P8的照度值L0~L8,以勒克斯(lx)表示。L0~L8的9個(gè)讀數(shù)的平均值La再乘以投影圖像的面積S,就是該投影機(jī)的光輸出(或光通量)L(lm)。在測(cè)量投影機(jī)光輸出的同時(shí),用功率計(jì)測(cè)量此時(shí)整機(jī)消耗功率,測(cè)量結(jié)果用W表示。計(jì)算獲得投影機(jī)的能效指數(shù)Eff,即
該測(cè)試方法主要設(shè)計(jì)理念為在測(cè)試光輸出的同時(shí)考核功耗,即呈現(xiàn)全白場(chǎng)信號(hào)下的投影機(jī)光電轉(zhuǎn)換效率。行業(yè)接受度較高,建議在新能效標(biāo)準(zhǔn)中采用該測(cè)試方法。
4.1.2 待機(jī)能耗測(cè)試方法
待機(jī)能耗和關(guān)機(jī)能耗主要考核投影機(jī)在非使用狀態(tài)下的功耗情況,因?yàn)椴糠滞队皺C(jī)處于長(zhǎng)期通電,累積功耗大,所以這兩項(xiàng)指標(biāo)也較為重要。
將投影機(jī)調(diào)節(jié)到待機(jī)狀態(tài),待其風(fēng)扇完全停止工作后,處于待機(jī)狀態(tài)至少20 min之后,用功率計(jì)測(cè)量10 min,其平均功率為待機(jī)狀態(tài)能耗。
該方法為待機(jī)測(cè)試的通用方式,不存在爭(zhēng)議,可直接在能效標(biāo)準(zhǔn)中采用。
4.1.3 參數(shù)要求
在《CQC6102—2009投影機(jī)節(jié)能環(huán)保技術(shù)規(guī)范》規(guī)定,對(duì)于重量大于2.0 kg、小于5.0 kg的產(chǎn)品,能效指數(shù)Eff≥7.5 lm/W(流明/瓦)。對(duì)于重量小于(含)2.0 kg的產(chǎn)品,或重量大于(含)5.0 kg的雙燈產(chǎn)品,能效指數(shù)Eff≥7.0 lm/W。
投影機(jī)待機(jī)方式的能耗應(yīng)不大于5 W;投影機(jī)關(guān)閉方式的能耗應(yīng)不大于2.5 W,無(wú)關(guān)閉方式的投影機(jī),只考核待機(jī)方式下單位時(shí)間能耗。
該參數(shù)要求以投影機(jī)的重量為劃分條件,存在一定的缺陷:第一,行業(yè)內(nèi)對(duì)投影機(jī)的既有分類(lèi)方式中沒(méi)有按重量分類(lèi)的先例;第二,投影機(jī)能效差異主要由成像方式和光源差異產(chǎn)生,微型投影機(jī)以LED燈為光源,亮度低,能效指數(shù)相對(duì)較低;高亮度投影機(jī)使用在電影放映、工程投影等場(chǎng)合,對(duì)可靠性和使用時(shí)間要求較高,對(duì)能效的要求可相對(duì)調(diào)低。建議標(biāo)準(zhǔn)以500 lm和5 000 lm光輸出為能效指數(shù)要求分類(lèi)的條件。
對(duì)2012年2月至4月的節(jié)能認(rèn)證測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),完成測(cè)試型號(hào)(基礎(chǔ)型號(hào),不含擴(kuò)展型號(hào))36個(gè),其中相關(guān)信息統(tǒng)計(jì)完全的28個(gè)型號(hào),覆蓋HITACHI,EPSON和PANASONIC三個(gè)主流品牌。因?yàn)楣?jié)能認(rèn)證針對(duì)行業(yè)內(nèi)能效水平較高,有望納入政府采購(gòu)目錄的產(chǎn)品,所以據(jù)此得出的分析數(shù)據(jù)反映的是行業(yè)中上能效水平。
4.3.1 樣品說(shuō)明
36臺(tái)樣機(jī)中,35個(gè)型號(hào)為三片式LCD投影機(jī),僅1個(gè)型號(hào)為PDP投影機(jī)。按行業(yè)內(nèi)認(rèn)可度最大的光輸出進(jìn)行分類(lèi),8個(gè)型號(hào)為5 000 lm以上的高檔機(jī),其余28個(gè)投影機(jī)的亮度分布在2 000~5 000 lm,屬于傳統(tǒng)機(jī)(500 lm〈光輸出〈5 000 lm),檢測(cè)樣本不包括微型投影機(jī)。
4.3.2 產(chǎn)品能效指數(shù)
36臺(tái)測(cè)試測(cè)試樣品能效指數(shù)分布在7.0~16.0區(qū)間范圍內(nèi)。主要集中在[9.0,11.5]的范圍內(nèi),占到樣本總量的72.2%。特別是能效指數(shù)[9.5,10.0]區(qū)間內(nèi),樣本數(shù)為11個(gè),接近總樣本數(shù)的1/3(見(jiàn)圖6)。
圖6 能效指數(shù)分布
36臺(tái)測(cè)試樣本均值為12.88,遠(yuǎn)高于CQC節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求。能效指數(shù)最低的產(chǎn)品為1臺(tái)標(biāo)稱(chēng)燈泡功率為340 W×2的雙燈投影機(jī),重量為22 kg,光輸出5 898 lm,功耗846 W,能效指數(shù)7.0。能效指數(shù)最高的產(chǎn)品為1臺(tái)單燈投影機(jī),光輸出4 157 lm,功耗僅258 W,能效指數(shù)16.1。
4.3.3 待機(jī)功率
近年來(lái)投影機(jī)的待機(jī)功率明顯下降,36個(gè)測(cè)試樣本中,91.7%的產(chǎn)品待機(jī)功率低于0.8 W,75%的產(chǎn)品待機(jī)功率低于0.5 W,均值為0.48 W(見(jiàn)圖7)。因?yàn)橥队皺C(jī)很多情況下都處于待機(jī)狀態(tài),所以該項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
圖7 待機(jī)功率分布
建議標(biāo)準(zhǔn)將所有用途的正投影機(jī)都涵蓋在內(nèi),包括普通最常見(jiàn)的教學(xué)、商用投影機(jī),電影放映等工程類(lèi)投影機(jī),以及近幾年發(fā)展迅猛的微投影機(jī)。這些投影機(jī)雖然工作差異很大,適用場(chǎng)合各有不同,但作為投影機(jī)產(chǎn)品,都具有使用時(shí)間長(zhǎng)、單位時(shí)間功耗大等問(wèn)題,因此建議將其都包括在內(nèi)。
背投影單元因?yàn)闇y(cè)試方法的差異,建議不包括在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍內(nèi),但背投影光機(jī)可以納入到標(biāo)準(zhǔn)的考核范圍中來(lái)。
整個(gè)業(yè)內(nèi)對(duì)調(diào)整極限八灰度后,測(cè)試九點(diǎn)平均光輸出和對(duì)應(yīng)的功耗,計(jì)算能效指數(shù)(單位lm/W)的方式認(rèn)可度較高,建議采用該方式作為能效指數(shù)的測(cè)試方法。待機(jī)功率測(cè)試方法統(tǒng)一,并無(wú)爭(zhēng)議。
投影機(jī)分類(lèi)方式眾多,但有些分類(lèi)方式不應(yīng)作為對(duì)能效指數(shù)差異化要求的原因,例如成像器件差異、燈泡種類(lèi)差異、使用環(huán)境差異等。但建議根據(jù)光輸出的差異,分別制定能效指數(shù)的要求,具體分檔指標(biāo)有待進(jìn)一步試驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。
對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,光輸出低于5 000 lm的28臺(tái)投影機(jī)皆為單燈投影機(jī),其能效指數(shù)分布于整體,樣本分布相似,能效指數(shù)差異較大,分布很廣。
光輸出高于5 000 lm的8臺(tái)產(chǎn)品,2臺(tái)為單燈投影機(jī)(光輸出低于5 500 lm),6臺(tái)為雙燈投影機(jī)(光輸出分布在5 898~8 269 lm)。高光輸出的單燈投影機(jī),能效指數(shù)較高,都大于12 lm/W。雙燈投影機(jī)亮度較大,但能效指數(shù)較低,最大為10.4 lm/W,最低為7.2 lm/W。且光輸出大于5 000 lm的投影機(jī),多為雙燈投影機(jī),建議根據(jù)投影機(jī)的光輸出指標(biāo),分檔設(shè)定能效指數(shù)要求。
投影機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的制定,主要難點(diǎn)在于現(xiàn)有產(chǎn)品能效情況的統(tǒng)計(jì)和投影機(jī)產(chǎn)品未來(lái)能效提升趨勢(shì)的評(píng)估。能效情況統(tǒng)計(jì)需要涵蓋更多的產(chǎn)品類(lèi)型,特別是加大對(duì)微型投影機(jī)的能效情況分析。
投影機(jī)集成度高,結(jié)構(gòu)相對(duì)明晰,主要分為主板(信號(hào)處理部分)、光機(jī)系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)(包括風(fēng)扇等)、點(diǎn)燈系統(tǒng)(包括燈泡及其驅(qū)動(dòng)電路)等部分。主要耗能為電燈系統(tǒng),占到整機(jī)功耗的70%以上,所以在標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注燈泡的能效發(fā)展趨勢(shì)。
大致的功率數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 投影機(jī)各主要模塊功率分布 W
投影機(jī)產(chǎn)品未來(lái)能效提升趨勢(shì)評(píng)估需首選對(duì)主要器件功率分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),重點(diǎn)剖析對(duì)能效影響顯著的器件光效提高或能耗降低的趨勢(shì),力爭(zhēng)使標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的能效指數(shù)能夠帶動(dòng)行業(yè)整體能效水平提升。
[1] 李維善,陳琛,張禹,等.基于ZEMAX軟件的短焦數(shù)字投影鏡頭的設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué),2010(5):714-717.
[2] 教育市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,短焦投影已成主流[EB/OL].[2012-07-26].http://www.itavcn.com/news/201207/20120726/26784.shtml.
[3]CQC6102—2009,投影機(jī)節(jié)能環(huán)保認(rèn)證技術(shù)規(guī)范[S].2009.