多媒體教學投影機光源的選型

王雯嬌

長春金融高等?？茖W?，F(xiàn)代教育中心（吉林 長春 130012）

0 引言

多媒體投影是現(xiàn)代化技術在教學課堂中應用的鮮明體現(xiàn)，其具有圖文并茂、屏幕大、畫質高清等鮮明的優(yōu)點，在課堂教學中發(fā)揮著顯著作用。近年來，許多學校為了更好地滿足新形勢下的教學需求，在教學設備的選擇上展開了一系列研究和實踐，并加大了對多媒體教室建設的資金支持力度，配備了電腦、投影機、擴音設備、中央控制系統(tǒng)等現(xiàn)代化器材。其中，攝影機作為展現(xiàn)教學內容的主體，其使用的光源能在很大程度上影響甚至決定投影的質量，也涉及課堂的教學效果和教學質量。學校和教師應順應時代發(fā)展，結合實際情況，對比分析不同設備類型光源，以作出最佳選擇。

1 投影光源概述

通常意義上，投影顯示技術是以光學系統(tǒng)和攝影空間為基礎，通過圖像放大的方法，將其顯示到特定投影屏幕上的教學手段。投影光源在投影顯示技術的應用中發(fā)揮著舉足輕重的作用，是其重要組成部分。

1.1 投影光源的重要作用

就成像單元而言，無論其自身結構是何種形式，從光源到屏幕，100英寸的畫面需要從1英寸的顯示芯片中展現(xiàn)出來，在面積上就已經擴大了百倍，因此投影光源必須具備高亮度和一定的對比性，才能讓學生看清教學內容。這也足以說明投影光源在成像單元結構中所發(fā)揮的重要作用。值得注意的是，如果同一臺攝影機使用的投影光源前后不一，那么光源在色域、亮度、核對筆錄上會存在一定的區(qū)別，投影所展現(xiàn)的效果也不一樣。另外，如果投影畫圖的質量低下，會刺激感官，引起眼睛干澀和疲勞，若學生長時間接受該刺激，會使視力下降。特別是在高亮度和低對比度或低亮度的情況下，學生的用眼負擔較重。換言之，投影機的光源質量會影響學生的身體健康。

1.2 投影光源的演變

投影機在社會生產與生活中的應用非常廣泛，不僅可以在教學課堂上發(fā)揮作用，還可以滿足家庭影院建設的需求。投影機在使用過程中經常處于高強度的工作狀態(tài)，因而投影光源必須具備壽命長、散熱性好等基本特點。從投影光源的發(fā)展歷程看，其大致經過了三個主要階段：第一階段是早期的蠟燭和電燈，第二階段是熒光燈和氣體放電燈等氣態(tài)光源，第三階段是當下新興的LED和激光等固態(tài)光源。目前，我國學校使用的投影機主要有兩種類型，即LCD投影機和激光光源投影機。LCD投影機的燈泡以超高壓泵燈為主，放電光源以氣體形式為主；激光光源投影機主要以激光和LED為光源，屬于固態(tài)光源。當前，LCD投影技術的發(fā)展已形成較為完善的體系，并且市場占有率較高，但其在后期的維護過程中需要花費大量財力和物力。激光光源投影機技術融合了最新的科研成果，在后期維護中并不需要花費過多時間，但現(xiàn)階段售價較高。

2 投影機的類型

從成像原理的角度看，投影機包括三種主要類型。

（1）陰極射線管投影機，即CRT槍投影機。此為投影機市場發(fā)展的開山之作，在使用過程中，需要將信號逐步分解，投在紅、綠、藍三個熒光屏上。彼時，熒光粉在高壓的作用下會被放大、匯聚，直至大熒幕上出現(xiàn)彩色圖像。該投影機使用的室內光源具有主動性特點，發(fā)光源和成像均為CRT。

（2）液晶投影機，即LCD投影機。其結合了液晶顯示技術和投影技術，屬于非自發(fā)光投影機。從內部液晶板的片數(shù)看，LCD投影機又被分為單片式和三片式兩種類型。在其應用早期，大多以單片式為主，當下，市場上的主流投影機都是三片式結構。三片式結構的LCD投影機可以在分光鏡的作用下形成紅、綠、藍三束光源，然后透射在與之對應的液晶板上，再經過信號源的模數(shù)轉換，調制到液晶板上，從而控制各種液晶單元的開和閉。產生色光之后，又會通過棱鏡合成相應的彩色圖像，再由投射物鏡放在大熒幕上。

（3）數(shù)字光處理投影機。此為德州儀器公司研發(fā)的新型投影系統(tǒng)，以數(shù)字視頻信號為主要信息來源，并將其轉化成光脈沖信號，具有純數(shù)字性的特點。并且，其與微電子機電技術相結合，積分器會將光源均勻分配，再使用光輪將光分成紅、綠、藍三種顏色，并透鏡成像在數(shù)字顯微片上，最后投影成具體圖像。數(shù)字光處理投影機的體積偏大，而且亮度也無法滿足課堂教學需求，因此在市場上沒有得到有效拓展和延伸。目前，3LCD投影機占據(jù)的市場份額達近70%，發(fā)揮的作用是有效且深遠的，這一投影機的光源類型和數(shù)字光處理投影機一致，都屬于氣態(tài)光源，氣態(tài)光源也被稱為投影機的傳統(tǒng)光源。

3 投影機的傳統(tǒng)光源

傳統(tǒng)光源的使用主要涉及金屬鹵素燈、氙燈、超高壓泵燈等。該類型燈具的發(fā)光率都超過了80 lm/W，并且色溫特性大于4 000 K，發(fā)光光譜覆蓋整個可見光的全部范圍，能滿足投影機在課堂中使用的基本需求。就金屬鹵素燈而言，其自身具有明顯的高發(fā)熱特點，而且使用壽命較短、衰減速度快，不能長時間應用在投影儀中，但勝在價格便宜，因而主要集中在低端產品的銷售上。氙燈是利用氙氣放電從而發(fā)光的電光源，其功率和體積大，但成本較高，在高亮的工程投影機中應用較為廣泛。超高壓泵燈的體積相對較小，發(fā)熱量和功耗也較低，因而在小型商教投影機上的應用較為廣泛。

文章以超高壓泵燈為例展開詳細說明。超高壓泵燈屬于高強度氣體放電燈，需要在內部填充適量泵和惰性氣體，在冷態(tài)不發(fā)光時，燈的兩極都處于開路狀態(tài)，通過電壓之后，極間距間會產生電位差，并散發(fā)高熱，此時泵會被汽化，然后放電并發(fā)光。這意味著，超高壓泵燈具有兩個較為鮮明的特點，一是泵和惰性氣體的混合，二是內部具有很高的大氣壓力。超高壓泵燈之所以會占據(jù)大量市場，與其獨有的優(yōu)勢分不開。首先，超高壓泵燈的亮度較高，可見光和長波紫外線的輻射效率十分高，且電弧的亮度極高，在部分明線光譜中，能制造高輝度點的光源。其次，超高壓泵燈的色彩領域十分寬廣，光的波長范圍在380～780 nm，其能呈現(xiàn)的可見光波長幾乎涵蓋了原有的波長范圍，當壓力逐步增加，可見光部分也會變得更加強烈，色彩的展示會更加精準。最后，超高壓泵燈的衰減率很低，使用壽命維持在3 000 h以上，在使用超過2 000 h后，才開始出現(xiàn)明顯的衰減，且衰減幅度通常不超過20%。值得注意的是，超高壓泵燈在使用過程中也存在一定的缺點，其自身的電熱轉化效率并不高，在使用過程中需要經歷預熱和散熱才能達到燈泡光輸出的最佳效果。通常情況下，超高壓泵燈需要在啟動2 min之后才能全光通量輸出，發(fā)熱量也較大，這就有可能帶來一定的安全風險和隱患。在具體實踐中，超高壓泵燈在使用不到2 000 h時，就需要更換其燈泡，但燈泡的價格都在1 000～3 000元，且燈泡內填充物泵具有一定的毒害性，因此被替換的燈泡還具有一定的污染性[1]。這也間接說明，高質量、低能耗、長壽命的投影光源，不僅是投影機行業(yè)追求的目標，也是教學領域期盼的教學工具。

4 投影機的新型固態(tài)光源

通常，新型固態(tài)光源主要涉及LED光源和激光光源兩類。該類型光源的發(fā)光效率極高，從理論上看，新型固態(tài)光源的發(fā)光效率是泵燈的3倍以上，而且具有壽命長、維護成本低、即開即亮、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

4.1 LED光源

LED光源的核心是發(fā)光二極管，發(fā)光二極管是一種半導體器件，能將電能轉化為可見光源。其主體是PN結，需要在兩端加上電壓，然后電流會從陽極流向陰極，半導體晶體就會發(fā)射不同顏色的光線。LED燈中的電流越強，發(fā)出的光源強度就越大。LED光源的壽命較長，而且色彩的還原性十分優(yōu)越，顯示圖像的顏色鮮艷，噪聲較低，成像結構相對簡單，這就能在很大程度上縮小投影機的體積，并減少投影機的耗電量。

4.2 激光光源

激光光源具有亮度極高的特點。激光本身是定向發(fā)光的，光束的發(fā)散幅度極為有限，接近于平行狀態(tài)，因而能量密度極高，是當下人工光源中亮度最高的光源種類。另外，激光光源的色域較廣，自然界中有1 000多萬種顏色，傳統(tǒng)的光源只能表現(xiàn)30%左右的色彩，而激光投影機可以表現(xiàn)90%以上[2-3]。

5 傳統(tǒng)光源和固態(tài)光源的比較

在投影顯示技術一樣的前提下，投影機的使用質量主要由光源決定?，F(xiàn)在，很多學校采用的是LCD投影機，安裝的是UHP燈泡，而UHP燈泡屬于傳統(tǒng)光源。課堂環(huán)境具有明顯的特殊性，需要充足的光線，因此在同等亮度的教室環(huán)境，激光光源（固態(tài)光源）更具有優(yōu)勢，對比度和分辨率更高，色域范圍也比普通的傳統(tǒng)光源大，使用激光投影機同樣會展示非常亮麗的投影，讓學生可以看清投影內容，眼睛也比較放松，很少出現(xiàn)疲勞的狀態(tài)。教師在講課時會對著投影機，這樣會嚴重影響眼睛，不過激光投影機的開關設計比較合理，使用時直接打開，不使用時即可關閉，操作起來方便快捷。然而，傳統(tǒng)的投影機僅開關機就需要很長時間，反復開關機還會縮短燈泡的壽命。在安裝投影機時，傳統(tǒng)的投影機有很多限制性因素，如只可以安裝在某一個固定的位置，而激光投影機則能隨意安裝，不受角度的限制和影響，側面安裝和倒置都可以?？傊?，從技術和投影畫面等多個角度分析，固態(tài)光源與傳統(tǒng)光源相比，有很多優(yōu)點。

不過，固態(tài)光源主要是利用激光二極管，在使用時也有一定的劣勢，紅色和綠色的二極管在制作的過程中難度較大，價格也很高，因此目前激光投影機的售價比較昂貴，同等亮度的投影機會比傳統(tǒng)投影機高出幾倍的價格，消耗也較高，不過現(xiàn)在激光技術在不斷完善，可以促進投影機的快速發(fā)展，全面壟斷顯示領域，未來的激光投影機發(fā)展前景良好[4]。

6 結束語

傳統(tǒng)光源和新型固態(tài)光源在應用過程中各具優(yōu)勢，但新型固態(tài)光源投影機的發(fā)展更加符合時代的潮流。教師和學生在課堂上都要隨時面對投影機，投影機的光源本身就具有一定的刺激性，在這種情況下，使用新型固態(tài)光源投影機，可以輕松實現(xiàn)即開即關，使用更加便捷。因此，學校應在未來設備投資的過程中，將重點逐步轉移到新型固態(tài)光源的引進上，為學生創(chuàng)造更加優(yōu)良的學習環(huán)境和氛圍。