投影机能效标准制定的技术预研

2013-07-25谢于迪

电视技术 2013年16期

谢于迪，李强

（国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015）

截至2011年底，我国共完成包括平板电视、空调、冰箱、洗衣机在内的21种家用、商用电器产品的能效标准制定，完成4种交通工具、10种照明器具和8种工业设备的能效标准制定。标准对用能产品的能源利用效率水平或能源消耗水平进行了规定，设定了产品的能效限定值，即规定测试条件下所允许的用能产品的最大耗电量或最低能效值，是产品在能效领域的市场准入要求，未达到最低要求的产品不允许生产销售，这属于强制要求。国标委于2011年底下达开展投影机能效标准制定的任务，国家广播电视产品质量监督检验中心（下文简称质检中心）结合多年投影机测试经验，对投影机技术分类、市场情况、测试方法和现阶段能效水平进行研究，为标准的制定做准备。

1 投影机的分类

投影机分类方式众多，主要有按工作原理分类、按光源分类、按使用场合分类、按光输出量分类等多种方式。

1.1 按工作原理分类

投影机按成像器件和工作原理的不同，主要分为发光型、反射型和透过型三类，如图1所示，使用最广泛的是液晶投影机和DLP投影机。

图1 投影机工作原理分类图

液晶投影机以三片液晶板为主流结构。利用金属卤素灯或高压汞灯等作为外光源，属于被动式的投影方式。强光通过分光镜形成RGB三束光，分别透射过RGB三色液晶板；信号源经过模数转换，调制到液晶板上，控制液晶单元的开启、闭合，从而控制光路的通断，再经合光棱镜合光，由光学镜头放大，显示在大屏幕上。LED灯也作为液晶投影机的光源，开始在投影机中使用。

以DMD（Digital Micormirror Device）数字微镜反射器作为光阀成像器件的DLP投影机，为反射型投影机。光源发出的光束通过高速旋转的滤光片，被分成红、绿、蓝三种单色光，然后被投射到DMD上，通过控制微镜的“开、关”状态，控制图像每个像素的亮、暗，在屏幕上生成投影图像。

DLP的对比度和光输出较高，LCD的色彩保真度较好。

1.2 按光源分类

投影机的光源是影响成像效果和使用时间的重要器件，传统光源为金属卤素灯泡（发热高，不宜长时间使用）、氙灯和超高压汞灯泡（UHE和UHP灯）。UHP灯泡是现在使用最广泛的光源，外形小巧，在相同功耗下，能产生大光量，寿命较长，当衰竭时即刻熄灭，一般可以正常使用4 000 h以上。固态（半导体）光源主要包括LED灯、激光光源和LED激光混合光源。用LED灯做投影机光源可以用白光源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。与传统高压汞灯相比，激光光源是一种无汞环保光源，寿命可以达到10 000/20 000 h（普通/节能模式），采用增强型智能节能技术，结合激光光源即开即关的特性，可以实现节能效果。

1.3 按用途分类

教育市场：主要针对于学校，主要参数为2 500～3 500 lm；商务市场：主要针对于企事业小型会议室，主要参数为3000～3500 lm；工程用机：主要针对于大型的阶梯教室商场及户外广告，主要参数为10 000～35 000 lm；娱乐市场用机：主要针对于KTV场所，主要参数为2 500～3 000 lm。

1.4 按光输出量分类

光输出≥5 000 lm的产品为高档机，多用于电影、工程等领域；500 lm〈光输出〈5 000 lm为传统机；光输出≤500 lm，称为微型投影机，分为便携性和口袋机两类，便携型依靠外接电源供电，口袋机依靠电池供电。

1.5 其他主流投影机

近年来，新兴的投影机还包括3D投影机和短焦投影机[1]。

短焦投影机能在较短的距离里投影出更大的画面，可以避免投影机光线对演讲者眼睛的直射，也避免演讲者的影子被投射在屏幕上遮挡画面。目前所采用的技术主要有两大类，一个是通过广角式鱼眼镜头，采用直接投射方式；另一种是增加反光镜，采用反射方式。鱼眼镜头用在投影机上投影距离缩短，画面变大，但容易产生线性畸变。投射比在0.5～0.6时，短焦技术一般采用投射式。反射式即投影机镜头将影像投射在反射镜上，再由反射镜投射到投影屏幕上，容易出现图像的变形和亮度不均，对工艺技术的要求高。当投射比在0.28～0.3时，短焦技术一般采用反射式。短焦和超短焦投影机因为投射距离非常短，所以使用传统的照度计进行测试存在一定的问题。

投影机的分类影响标准制定时测试方法的选择，能效指数是否需要分类要求等问题。在对投影机进行种类细分和行业调研后发现，依照投影机按照光输出的不同进行分类是最合理的方式。

2 各品牌市场占有情况

投影机的主要用途为教学、办公等商业用途，家用量较小。主要销售方式为招投标方式，直接向消费者进行销售的较少。2011年中国投影机市场分布情况如图2所示，出货量为160万台，日立（HITCHI）、爱普生（EPSON）、明基（BENQ）、NEC、索尼（SONY）、宏基（ACER）、奥图码（OPTOMA）为国内市场的主流投影机销售品牌，国内品牌雅图（ACTO）销量最大，技术实力也较为领先。

图2 2011年中国市场投影机销量统计（市场占有率）

预计2012年总销量将接近200万台，预测情况如图3所示[2]。

图3 中国投影机市场出货量

3 相关检测标准

3.1 安全、电磁兼容强制性标准

投影机属于CCC强制目录下的产品，在安全性能方面需符合《GB 4943信息技术设备的安全》标准的要求，在电磁兼容性能方面需符合《GB 9254信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》标准的要求。

3.2 性能推荐性标准

目前我国存在着5个投影机性能标准。2006年由信息产业部颁布了《SJ/T 11340液晶前投影机通用规范》和《SJ/T 11346电子投影机测量方法》标准，两项标准正在修订过程中。另外，还有《GB/T 19259—2003视频投影器通用技术条件》和《SJ/T 11298—2003数字投影机的通用规范》。各项标准中规定的测试方法和指标要求都有一定的差别，标准规定的适用范围也不太清晰。2011年新颁布了《GB/T 28037—2011信息技术投影机通用规范》。

目前在投影机行业内被广泛认可和普遍使用的性能标准为日本投影机协会提出的《ISO/IEC 21118 Information to be included in specification sheets-Data projectors》。在投影机的招投标领域，主要采信此标准，标准规定：投影机的光输出、对比度和照度均匀性的最低限值满足规格书中的标称值的80%以上即判定为合格。

3.3 能效标准

目前国内外尚未针对投影机（正投）能源效率或能耗要求进行国家或行业标准的制定，投影机的能效问题尚未引起各方关注。中国质量认证中心颁布《CQC6102—2009投影机节能环保认证技术规范》，开展节能认证，入选政府采购清单需具备节能认证证书。

投影机使用量大，特别是在教育、商务领域。且投影机日开机时间长，单台耗能大，是亟待出台能效标准进行规定和控制的用能产品。

4 投影机测试方法研究和数据摸底

依据《CQC6102—2009投影机节能环保技术规范》中规定的投影机能效测试方法，国家广播电视产品质量监督检验中心通过开展节能认证的测试工作，完成国标制定的测试方法研究和数据累计。

4.1 测试方法

4.1.1 能效指数测试方法

能效指数是指投影机在开机（工作）状态下，投影机的光输出与整机消耗功率的比值[3]。能效指数主要考核投影机的光电转换效率。

使用极限八灰阶测试信号调整投影机状态，改变投影机的亮度和对比度设置，达到极限八灰阶将将清晰可辨的程度，作为测试状态。使用100%全白场测试信号，进行亮度测试，测试位置如图4所示，其中P0为图像中心点；P1～P8分别为图像宽度、高度的1/6。

图4 测试位置示意图

将被测机到投影面的水平距离调整到最佳位置（如无特殊要求，调整到使投影图像最大并且面积为1 m2），如图5所示。

图5 测试设备示意图

用照度计测量投影机1 m2投射面上9个点P0～P8的照度值L0～L8，以勒克斯（lx）表示。L0～L8的9个读数的平均值La再乘以投影图像的面积S，就是该投影机的光输出（或光通量）L（lm）。在测量投影机光输出的同时，用功率计测量此时整机消耗功率，测量结果用W表示。计算获得投影机的能效指数Eff，即

该测试方法主要设计理念为在测试光输出的同时考核功耗，即呈现全白场信号下的投影机光电转换效率。行业接受度较高，建议在新能效标准中采用该测试方法。

4.1.2 待机能耗测试方法

待机能耗和关机能耗主要考核投影机在非使用状态下的功耗情况，因为部分投影机处于长期通电，累积功耗大，所以这两项指标也较为重要。

将投影机调节到待机状态，待其风扇完全停止工作后，处于待机状态至少20 min之后，用功率计测量10 min，其平均功率为待机状态能耗。

该方法为待机测试的通用方式，不存在争议，可直接在能效标准中采用。

4.1.3 参数要求

在《CQC6102—2009投影机节能环保技术规范》规定，对于重量大于2.0 kg、小于5.0 kg的产品，能效指数Eff≥7.5 lm/W（流明/瓦）。对于重量小于（含）2.0 kg的产品，或重量大于（含）5.0 kg的双灯产品，能效指数Eff≥7.0 lm/W。

投影机待机方式的能耗应不大于5 W；投影机关闭方式的能耗应不大于2.5 W，无关闭方式的投影机，只考核待机方式下单位时间能耗。

该参数要求以投影机的重量为划分条件，存在一定的缺陷：第一，行业内对投影机的既有分类方式中没有按重量分类的先例；第二，投影机能效差异主要由成像方式和光源差异产生，微型投影机以LED灯为光源，亮度低，能效指数相对较低；高亮度投影机使用在电影放映、工程投影等场合，对可靠性和使用时间要求较高，对能效的要求可相对调低。建议标准以500 lm和5 000 lm光输出为能效指数要求分类的条件。

4.2 测试情况介绍

对2012年2月至4月的节能认证测试数据进行了统计，完成测试型号（基础型号，不含扩展型号）36个，其中相关信息统计完全的28个型号，覆盖HITACHI，EPSON和PANASONIC三个主流品牌。因为节能认证针对行业内能效水平较高，有望纳入政府采购目录的产品，所以据此得出的分析数据反映的是行业中上能效水平。

4.3 数据统计分析

4.3.1 样品说明

36台样机中，35个型号为三片式LCD投影机，仅1个型号为PDP投影机。按行业内认可度最大的光输出进行分类，8个型号为5 000 lm以上的高档机，其余28个投影机的亮度分布在2 000～5 000 lm，属于传统机（500 lm〈光输出〈5 000 lm），检测样本不包括微型投影机。

4.3.2 产品能效指数

36台测试测试样品能效指数分布在7.0～16.0区间范围内。主要集中在[9.0，11.5]的范围内，占到样本总量的72.2%。特别是能效指数[9.5，10.0]区间内，样本数为11个，接近总样本数的1/3（见图6）。

图6 能效指数分布

36台测试样本均值为12.88，远高于CQC节能标准的要求。能效指数最低的产品为1台标称灯泡功率为340 W×2的双灯投影机，重量为22 kg，光输出5 898 lm，功耗846 W，能效指数7.0。能效指数最高的产品为1台单灯投影机，光输出4 157 lm，功耗仅258 W，能效指数16.1。

4.3.3 待机功率

近年来投影机的待机功率明显下降，36个测试样本中，91.7%的产品待机功率低于0.8 W，75%的产品待机功率低于0.5 W，均值为0.48 W（见图7）。因为投影机很多情况下都处于待机状态，所以该项指标应重点关注。

图7 待机功率分布

5 投影机能效标准制定建议

5.1 适用范围

建议标准将所有用途的正投影机都涵盖在内，包括普通最常见的教学、商用投影机，电影放映等工程类投影机，以及近几年发展迅猛的微投影机。这些投影机虽然工作差异很大，适用场合各有不同，但作为投影机产品，都具有使用时间长、单位时间功耗大等问题，因此建议将其都包括在内。

背投影单元因为测试方法的差异，建议不包括在标准的适用范围内，但背投影光机可以纳入到标准的考核范围中来。

5.2 测试方法

整个业内对调整极限八灰度后，测试九点平均光输出和对应的功耗，计算能效指数（单位lm/W）的方式认可度较高，建议采用该方式作为能效指数的测试方法。待机功率测试方法统一，并无争议。

5.3 能效指数要求

投影机分类方式众多，但有些分类方式不应作为对能效指数差异化要求的原因，例如成像器件差异、灯泡种类差异、使用环境差异等。但建议根据光输出的差异，分别制定能效指数的要求，具体分档指标有待进一步试验和数据统计。

对测试数据进行分析，光输出低于5 000 lm的28台投影机皆为单灯投影机，其能效指数分布于整体，样本分布相似，能效指数差异较大，分布很广。

光输出高于5 000 lm的8台产品，2台为单灯投影机（光输出低于5 500 lm），6台为双灯投影机（光输出分布在5 898～8 269 lm）。高光输出的单灯投影机，能效指数较高，都大于12 lm/W。双灯投影机亮度较大，但能效指数较低，最大为10.4 lm/W，最低为7.2 lm/W。且光输出大于5 000 lm的投影机，多为双灯投影机，建议根据投影机的光输出指标，分档设定能效指数要求。