多媒体教学投影机光源的选型

王雯娇

长春金融高等专科学校现代教育中心（吉林 长春 130012）

0 引言

多媒体投影是现代化技术在教学课堂中应用的鲜明体现，其具有图文并茂、屏幕大、画质高清等鲜明的优点，在课堂教学中发挥着显著作用。近年来，许多学校为了更好地满足新形势下的教学需求，在教学设备的选择上展开了一系列研究和实践，并加大了对多媒体教室建设的资金支持力度，配备了电脑、投影机、扩音设备、中央控制系统等现代化器材。其中，摄影机作为展现教学内容的主体，其使用的光源能在很大程度上影响甚至决定投影的质量，也涉及课堂的教学效果和教学质量。学校和教师应顺应时代发展，结合实际情况，对比分析不同设备类型光源，以作出最佳选择。

1 投影光源概述

通常意义上，投影显示技术是以光学系统和摄影空间为基础，通过图像放大的方法，将其显示到特定投影屏幕上的教学手段。投影光源在投影显示技术的应用中发挥着举足轻重的作用，是其重要组成部分。

1.1 投影光源的重要作用

就成像单元而言，无论其自身结构是何种形式，从光源到屏幕，100英寸的画面需要从1英寸的显示芯片中展现出来，在面积上就已经扩大了百倍，因此投影光源必须具备高亮度和一定的对比性，才能让学生看清教学内容。这也足以说明投影光源在成像单元结构中所发挥的重要作用。值得注意的是，如果同一台摄影机使用的投影光源前后不一，那么光源在色域、亮度、核对笔录上会存在一定的区别，投影所展现的效果也不一样。另外，如果投影画图的质量低下，会刺激感官，引起眼睛干涩和疲劳，若学生长时间接受该刺激，会使视力下降。特别是在高亮度和低对比度或低亮度的情况下，学生的用眼负担较重。换言之，投影机的光源质量会影响学生的身体健康。

1.2 投影光源的演变

投影机在社会生产与生活中的应用非常广泛，不仅可以在教学课堂上发挥作用，还可以满足家庭影院建设的需求。投影机在使用过程中经常处于高强度的工作状态，因而投影光源必须具备寿命长、散热性好等基本特点。从投影光源的发展历程看，其大致经过了三个主要阶段：第一阶段是早期的蜡烛和电灯，第二阶段是荧光灯和气体放电灯等气态光源，第三阶段是当下新兴的LED和激光等固态光源。目前，我国学校使用的投影机主要有两种类型，即LCD投影机和激光光源投影机。LCD投影机的灯泡以超高压泵灯为主，放电光源以气体形式为主；激光光源投影机主要以激光和LED为光源，属于固态光源。当前，LCD投影技术的发展已形成较为完善的体系，并且市场占有率较高，但其在后期的维护过程中需要花费大量财力和物力。激光光源投影机技术融合了最新的科研成果，在后期维护中并不需要花费过多时间，但现阶段售价较高。

2 投影机的类型

从成像原理的角度看，投影机包括三种主要类型。

（1）阴极射线管投影机，即CRT枪投影机。此为投影机市场发展的开山之作，在使用过程中，需要将信号逐步分解，投在红、绿、蓝三个荧光屏上。彼时，荧光粉在高压的作用下会被放大、汇聚，直至大荧幕上出现彩色图像。该投影机使用的室内光源具有主动性特点，发光源和成像均为CRT。

（2）液晶投影机，即LCD投影机。其结合了液晶显示技术和投影技术，属于非自发光投影机。从内部液晶板的片数看，LCD投影机又被分为单片式和三片式两种类型。在其应用早期，大多以单片式为主，当下，市场上的主流投影机都是三片式结构。三片式结构的LCD投影机可以在分光镜的作用下形成红、绿、蓝三束光源，然后透射在与之对应的液晶板上，再经过信号源的模数转换，调制到液晶板上，从而控制各种液晶单元的开和闭。产生色光之后，又会通过棱镜合成相应的彩色图像，再由投射物镜放在大荧幕上。

（3）数字光处理投影机。此为德州仪器公司研发的新型投影系统，以数字视频信号为主要信息来源，并将其转化成光脉冲信号，具有纯数字性的特点。并且，其与微电子机电技术相结合，积分器会将光源均匀分配，再使用光轮将光分成红、绿、蓝三种颜色，并透镜成像在数字显微片上，最后投影成具体图像。数字光处理投影机的体积偏大，而且亮度也无法满足课堂教学需求，因此在市场上没有得到有效拓展和延伸。目前，3LCD投影机占据的市场份额达近70%，发挥的作用是有效且深远的，这一投影机的光源类型和数字光处理投影机一致，都属于气态光源，气态光源也被称为投影机的传统光源。

3 投影机的传统光源

传统光源的使用主要涉及金属卤素灯、氙灯、超高压泵灯等。该类型灯具的发光率都超过了80 lm/W，并且色温特性大于4 000 K，发光光谱覆盖整个可见光的全部范围，能满足投影机在课堂中使用的基本需求。就金属卤素灯而言，其自身具有明显的高发热特点，而且使用寿命较短、衰减速度快，不能长时间应用在投影仪中，但胜在价格便宜，因而主要集中在低端产品的销售上。氙灯是利用氙气放电从而发光的电光源，其功率和体积大，但成本较高，在高亮的工程投影机中应用较为广泛。超高压泵灯的体积相对较小，发热量和功耗也较低，因而在小型商教投影机上的应用较为广泛。

文章以超高压泵灯为例展开详细说明。超高压泵灯属于高强度气体放电灯，需要在内部填充适量泵和惰性气体，在冷态不发光时，灯的两极都处于开路状态，通过电压之后，极间距间会产生电位差，并散发高热，此时泵会被汽化，然后放电并发光。这意味着，超高压泵灯具有两个较为鲜明的特点，一是泵和惰性气体的混合，二是内部具有很高的大气压力。超高压泵灯之所以会占据大量市场，与其独有的优势分不开。首先，超高压泵灯的亮度较高，可见光和长波紫外线的辐射效率十分高，且电弧的亮度极高，在部分明线光谱中，能制造高辉度点的光源。其次，超高压泵灯的色彩领域十分宽广，光的波长范围在380～780 nm，其能呈现的可见光波长几乎涵盖了原有的波长范围，当压力逐步增加，可见光部分也会变得更加强烈，色彩的展示会更加精准。最后，超高压泵灯的衰减率很低，使用寿命维持在3 000 h以上，在使用超过2 000 h后，才开始出现明显的衰减，且衰减幅度通常不超过20%。值得注意的是，超高压泵灯在使用过程中也存在一定的缺点，其自身的电热转化效率并不高，在使用过程中需要经历预热和散热才能达到灯泡光输出的最佳效果。通常情况下，超高压泵灯需要在启动2 min之后才能全光通量输出，发热量也较大，这就有可能带来一定的安全风险和隐患。在具体实践中，超高压泵灯在使用不到2 000 h时，就需要更换其灯泡，但灯泡的价格都在1 000～3 000元，且灯泡内填充物泵具有一定的毒害性，因此被替换的灯泡还具有一定的污染性[1]。这也间接说明，高质量、低能耗、长寿命的投影光源，不仅是投影机行业追求的目标，也是教学领域期盼的教学工具。

4 投影机的新型固态光源

通常，新型固态光源主要涉及LED光源和激光光源两类。该类型光源的发光效率极高，从理论上看，新型固态光源的发光效率是泵灯的3倍以上，而且具有寿命长、维护成本低、即开即亮、节能环保等优点。

4.1 LED光源

LED光源的核心是发光二极管，发光二极管是一种半导体器件，能将电能转化为可见光源。其主体是PN结，需要在两端加上电压，然后电流会从阳极流向阴极，半导体晶体就会发射不同颜色的光线。LED灯中的电流越强，发出的光源强度就越大。LED光源的寿命较长，而且色彩的还原性十分优越，显示图像的颜色鲜艳，噪声较低，成像结构相对简单，这就能在很大程度上缩小投影机的体积，并减少投影机的耗电量。

4.2 激光光源

激光光源具有亮度极高的特点。激光本身是定向发光的，光束的发散幅度极为有限，接近于平行状态，因而能量密度极高，是当下人工光源中亮度最高的光源种类。另外，激光光源的色域较广，自然界中有1 000多万种颜色，传统的光源只能表现30%左右的色彩，而激光投影机可以表现90%以上[2-3]。

5 传统光源和固态光源的比较

在投影显示技术一样的前提下，投影机的使用质量主要由光源决定。现在，很多学校采用的是LCD投影机，安装的是UHP灯泡，而UHP灯泡属于传统光源。课堂环境具有明显的特殊性，需要充足的光线，因此在同等亮度的教室环境，激光光源（固态光源）更具有优势，对比度和分辨率更高，色域范围也比普通的传统光源大，使用激光投影机同样会展示非常亮丽的投影，让学生可以看清投影内容，眼睛也比较放松，很少出现疲劳的状态。教师在讲课时会对着投影机，这样会严重影响眼睛，不过激光投影机的开关设计比较合理，使用时直接打开，不使用时即可关闭，操作起来方便快捷。然而，传统的投影机仅开关机就需要很长时间，反复开关机还会缩短灯泡的寿命。在安装投影机时，传统的投影机有很多限制性因素，如只可以安装在某一个固定的位置，而激光投影机则能随意安装，不受角度的限制和影响，侧面安装和倒置都可以。总之，从技术和投影画面等多个角度分析，固态光源与传统光源相比，有很多优点。

不过，固态光源主要是利用激光二极管，在使用时也有一定的劣势，红色和绿色的二极管在制作的过程中难度较大，价格也很高，因此目前激光投影机的售价比较昂贵，同等亮度的投影机会比传统投影机高出几倍的价格，消耗也较高，不过现在激光技术在不断完善，可以促进投影机的快速发展，全面垄断显示领域，未来的激光投影机发展前景良好[4]。

6 结束语

传统光源和新型固态光源在应用过程中各具优势，但新型固态光源投影机的发展更加符合时代的潮流。教师和学生在课堂上都要随时面对投影机，投影机的光源本身就具有一定的刺激性，在这种情况下，使用新型固态光源投影机，可以轻松实现即开即关，使用更加便捷。因此，学校应在未来设备投资的过程中，将重点逐步转移到新型固态光源的引进上，为学生创造更加优良的学习环境和氛围。