[原创]大屏幕背投电视原理

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第八章  大屏幕背投电视原理
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4 C% a/ o, i9 H, R% j/ ~8.1        概述
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近年来，随着电视技术的不断发展和人们消费观念的转变，重量轻、体积小、超大屏幕（40″~70″）的背投电视逐渐成为人们消费的热点。自90年代中期以来，索尼、东芝、松下、日立、三星等国外公司相继在中国市场推出背投电视，使国内背投电视的市场不断成熟。98年，国内共销售背投电视8万台，99年则上升到13万台，预计2000年将达到16~18万台。随着以长虹为代表的国产背投电视的推出，更加快了国内背投电视市场的成熟。中国已成为除美国之外的背投电视最大消费市场。

$ r+ ^! c. O# t! [8.2        背投电视原理及系统构成
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. C- a( A4 \5 }1 ?目前，市面上可见的背投电视主要有两种：CRT背投电视和液晶背投电视。本文主要介绍使用最多的CRT背投电视。如图8.1所示：
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图8.1  CRT背投电视示意图
简单地说，背投电视的成像原理是：由电路机芯板产生的R、G、B信号分别加在红、绿、蓝三只单色投影管上，经三只单色投影管还原后的图像通过光学透镜放大几十倍后由反射镜反射到屏幕上，最后在屏幕上合成彩色图像。由于三只投影管和投影镜头并非都正对屏幕放置，三种图像信号由投影管还原后投射到屏幕上所经过的光路各不相同，必然导致红、绿、蓝三基色信号在屏幕上不能完全重合在一起,，引起会聚失真。因此背投电视还必须增加专门的会聚电路来校正会聚失真。会聚电路分为模拟会聚电路和数字会聚电路两种，模拟会聚电路由于电路复杂、可靠性差已逐渐被淘汰，目前，市面上的背投电视一般均采用数字会聚电路。
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7 _9 A+ L& T  ~6 r" ~, w8.3.光学部件介绍
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背投电视与传统的CRT电视相比，除了有机芯板、CRT、机壳外，还包括复杂的光学系统，光学系统主要包括投影管、液冷耦合系统、投影镜头、反射镜、投影屏。下面对这些部件作一简单介绍。

一．投影管（PRT）
投影管是背投电视的关键部件之一，目前主要有7″和9″两种规格，屏幕尺寸为40″~65″的背投电视一般均采用7″投影管，65″以上的背投电视则主要使用9″投影管。
从外型上看，PRT与普通CRT、CDT大致相同。与普通CRT不同的是：投影管是单色管，没有荫罩，不存在普通CRT的色纯漂移现象，因此，在整机中不需要消磁电路。与普通CRT由球面向平面的发展趋势不同，为减小周边亮度的下降，投影管的荧光粉面通常做成内凹的曲面，曲率半径分别为-350mm(7″管)和 –600mm（9″管）。由于投影管高压高，一般均工作在31Kv左右，在高速电子轰击下产生的X射线比普通CRT严重。因此，要求投影管玻壳材料的X射线吸收系数比普通CRT大。在实际运用中，一般都在投影管四周粘贴铅带以减小X射线泄漏。
为了从大屏幕上得到清晰的高亮度图像，要求投影管必须具有高亮度、高分辨率的特点。以松下P16LNM07投影管为例，在阳极电流Ik为200uA情况下，R、G、B管的亮度分别为2940cd/m2、5050 cd/m2、850 cd/m2，分辨率为1260 TVL（R、G）和960 TVL（B）。为适应大电流密度的需要，投影管使用的是钨浸渍阴极，通常能得到比氧化物阴极高20%～50%的电流密度（氧化物阴极的电流密度约为0.5A/cm2）。

; w, C, l9 l9 A在使用方面，由于投影管亮度高，荧光粉很容易灼伤，因此不允许出现关机亮点。如果采用泄放型消亮电路,则要求泄放时间很短,必须在行场扫描结束以前彻底泄放完毕, 所以一般多采用截止型关机消亮电路（残余电荷通过高压电容中的分压电阻泄放掉）。对于背投电视来说，为防止投影管灼伤，普通电视机中维修使用的水平亮线状态是不允许使用的；电路中也必须设计各种保护电路，以防止行、场扫描电路出现故障时灼伤投影管。另外，要求投影管持续显示静止图像的时间不得超过20分钟以防止局部灼伤，这一点，希望广大维修人员在维修和调试过程中引起注意。
- ~& t  H( T% k5 o另外，由于投影管高压高、放电面积小、阳极帽（高压帽）与DY之间爬电距离小等特性，很容易出现阳极放电导致器件损坏，尤其是阳极帽与DY之间的放电最容易导致扫描电路器件的损坏。因此，要求投影管的阳极帽面积小、厚度大，并用专用绝缘硅胶固定在投影管上。在安装阳极帽时应注意投影管阳极和阳极帽上不能粘有灰尘等异物，以免在以后的使用过程中出现跳火现象。

二．液冷耦合系统
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由于投影管束流大、亮度高，荧光粉表面温升较大。因此，在实际运用中必须增加降温措施。如图8.2所示

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图8.2  背投电视液冷耦合系统示意图
8 f! G, ~! V* h& A. H- \+ {% ?  I在投影管和光学透镜之间填充了沸点高、透明度高的冷却液（乙二醇或丙三醇）以降低投影管表面温度、延长其使用寿命。冷却液的作用除了降低投影管表面温度以外，同时也是投影电视光学系统的重要组成部分，作为投影管和光学透镜之间的光学耦合系统，它能有效地减小投影管的光晕现象，提高小面积对比度。因此，其主要技术指标如折射率、粘度、透明度和填充厚度等是不能随意更改的。如需要更换冷却液，要尽量使用技术指标与原装冷却液相同的化学材料。如果因冷却液泄漏需要增加冷却液的灌注量，务必使用成分与原装冷却液相同的材料，以免不同成分的冷却液在高温下发生化学反应，从而影响图像的质量。
' n& H+ ?6 i# P: R: Z0 Q冷却腔的作用除了密封冷却液之外，另一个主要作用是散热。如果在使用过程中出现冷却液严重泄漏现象，机内将出现跳火现象并导致元器件损坏。因此，在维修或更换器件时应避免发生漏液现象。另外，在灌注冷却液的过程当中，应避免产生气泡和混进杂质以免影响图像质量，因为，投影管表面或冷却液中一个很小的疵点都将被投影镜头放大数十倍后成像于屏幕上。
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三．        投影镜头
- u  J7 {4 B  @  E$ y投影镜头是背投电视光学系统的关键。一只镜头通常由5枚镜片组成：1枚玻璃球面镜加4枚塑料非球面镜（1枚塑料非球面镜可相当于10多片玻璃球面镜的作用）。玻璃球面镜由于温度特性很好、易于大曲率半径加工等特点主要用于起放大作用，其他4枚塑料非球面镜主要用于补偿各种像差。由投影镜头引起的图像畸形失真（像差）主要有以下几种：
①．        球面像差失真(spherical aberration)。这种失真是由于通过投影镜头中心的光束焦点与通过透镜周边的光束焦点不同引起的。
- E  C. P3 D( z) B; Z$ a3 u②．        彗形像差失真(coma aberration)。这是由轴向偏差引起的，即倾斜输入的光束彼此不在同一点聚焦，从而使一个光点图像看起来象彗星尾巴一样。
  o* a8 [2 L8 B: G③．        图像扭曲失真(pincushion distortion)。图像扭曲失真分桶形失真和枕形失真两种，桶形失真是指图像实际高度低于理想图像高度；枕形失真是指图像实际高度高于理想图像高度。
④．        图像弯曲失真(curvature of field)。当借助于平面调整聚焦时，周边部分的焦点不同于屏幕中心焦点，从而产生图像弯曲失真。
" N$ [& u2 E( ^" r⑤．        轴向色偏差失真(axis aberration)。这是由每种波长的光（红、绿、蓝）的折射率不同引起。通常，镜头焦距越长，轴向色偏差失真越大。
& c% Q1 h1 h! b⑥．        倍率色偏差失真(chromatic aberration of magnification)。这是因投影镜头对不同波长的光线具有不同的倍率，使红、绿、蓝单色图像尺寸不同，而引起色偏移产生的失真。
⑦．        像散（散光）失真(astigmatism aberration)。像散失真是由于通过镜头横向部分光束的焦点与通过纵向部分光束的焦点不一致，导致图像在水平方向和垂直方向不能同时达到最佳聚焦效果。
. Y6 Y( f$ B0 F投影镜头的组成如图8.3所示:



                     



% K- B: ]+ k7 e0 ^; l图8.3  投影镜头组成示意图
通常L1～L4组成一个组件，其中：
L1镜片的主要作用是补偿球面像差失真和慧形像差失真；
8 Y* V8 I4 \1 M2 ^! m( NL2镜片的主要作用是补偿球面像差失真；
7 T) N1 f- i# ^# m" tL3镜片的主要作用是将图像放大；
* d; V2 {$ r4 |L4镜片的主要作用是补偿慧形像差失真；
3 C1 l4 ^; O1 V$ _: lL5镜片（或称作C碗）固定在冷却腔上，主要作用是补偿球面弯曲失真，同时起到密封冷却液的作用。
L1～L4组件与L5镜片共同组成一只完整的投影镜头。为适应不同尺寸屏幕的需要，L1～L4组件上设有焦距调节阀，改变透镜的焦距，成像位置将发生相应的变化。
4 s4 k0 X4 O( B; @四．        反射镜
7 C( b" z9 o/ R# z为节省空间、减小体积，经透镜放大后的图像并非直接成像于投影屏上，而是通过反射镜将光投向屏幕。反射镜根据材料的不同可分为两种：玻璃反射镜和薄膜反射镜。薄膜反射镜的特点是反射率高、重量轻、不易受损，但价值昂贵，根据反射膜的不同又分为银膜和铝膜两种。玻璃反射镜根据反射面的不同又分为表面反射和里面反射两种（薄膜反射均属于表面反射），主要区别是反射膜镀在玻璃镜的第1面还是第2面，如图8.4所示，里面反射镜与表面反射镜相比，出射光要多损失4%，但制造成本低、且易于清洗。绝大多数背投电视均采用玻璃反射镜。

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1 F  ?9 A- d! C/ u) p1 T) A9 Z+ G图8.4 背投电视玻璃反射镜示意图
5 u9 i5 S8 V& S+ g" W3 U- \% B* \五．        投影屏
& k& Z: Y" Y( i; @# r1 a  z/ @背投电视的屏幕是一个技术含量很高的产品，其性能与整机的亮度、对比度、视角度、亮度均匀性、聚焦性能、色偏移等密切相关。背投电视的显示屏分为里外两层，每一层的作用等价于一组光学透镜。如图8.5所示，靠近观众的一层称做双凸透镜层，另一层称做菲涅耳透镜层。

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" U; H* ]) B$ E6 Y9 o" ~图8.5  投影屏幕结构示意图
1 m" ?" N. O( D. X双凸透镜层的作用是：
3 {) _: E  k* `% x( w' b5 r) H2 R1.        将来自菲涅耳层的光线向视区分配。
2.        分配红、绿、蓝光的放大量。
& b. x7 g. q! T" u3.        吸收外界环境光以提高图像对比度。
& D- U( k! {4 i/ r, m5 ^双凸透镜层的主要技术参数有屏幕峰值增益Go、水平扩散角βH和垂直扩散角βV。屏幕增益Go主要反映屏幕中央亮度水平，Go越大，屏幕中央亮度越高（但亮度均匀性越差）；水平扩散角βH和垂直扩散角βV主要反映水平和垂直方向的视角大小，扩散角越大，视角越大。屏幕增益Go和扩散角二者是互相矛盾的。换句话说，屏幕增益越大，屏中央亮度越高，但观看视角越小，亮度均匀性越差。在屏幕参数的设计上，应根据整机的实际效果和侧重点来决定，而不能片面地追求某一个指标。双凸透镜层的另外两个重要指标是屏幕节距和黑条率。双凸透镜层的结构如图8.6所示，
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图8.6 双凸透镜层结构示意图
& V7 f  a; h* q- Y6 g节距的大小决定了屏幕的最大清晰度。通常，背投电视的屏幕节距在0.7～1.1mm之间。双凸透镜层的内外两层透镜呈竖直柱状排列，在外凸透镜之间（每一层透镜由很多个小透镜组成）需要进行黑化处理以吸收外界环境光从而增强图像对比度。由此可见，双凸透镜的黑条率直接影响背投电视的整机对比度。
菲涅耳透镜层的作用是将从投影镜头射出的发散光变成平行光或收敛光，因此，菲涅耳透镜的焦距应近似等于从透镜到屏幕中心的距离。与双凸透镜层的透镜排列方式不同，菲涅耳透镜层的透镜排列方式是以屏幕中心为原点呈环状排列。其结构示意图如图8.7所示，


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图8.7  菲涅耳透镜层结构示意图
- g6 G) @, Y. f% V: g& Z从图中可以看出，菲涅耳透镜层的远离观众一面是光滑的；靠近观众一面是不光滑的，有毛刺感。在使用过程中应注意屏幕的安装方向。
投影屏的制造材料是PMMA（有机塑料），很容易划伤。因此一定要由接受过专业培训的人员并配备专业防护手套才能对投影屏进行操作。
+ v0 u* c* z* @( b+ e通常，在双凸透镜层的外面（面向观众）还加有一层保护屏，保护屏的主要作用是：一、保护投影屏免遭划伤。二、减少外界环境光对图像的影响，提高图像层次感。在没有保护屏的情况下，外界环境光可穿透屏幕入射到反射镜上，并通过反射镜再次反射到屏幕上，从而降低了图像的对比度；增加保护屏可以有效地提高图像对比度，但外界灯光如日光灯等可通过保护屏的反射直接射到观众眼里。因此，保护屏尤其适合在环境光较明亮情况下使用，如柜台展示等；在环境较暗且有灯光的情况下则不装保护屏更为适宜。
   

8．5 背投电视光学系统设计简介
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背投电视的光学系统设计是一个复杂的系统工程，需要系统设计人员具有很强的工程光学专业知识。本文只简单介绍背投电视光学系统设计思路，具体的设计过程不再叙述。
$ M/ U: j+ F( p; c5 s' _; X首先，应根据底座模具确定投影管的安装位置和相对于屏幕的安装角度，投影管与反射镜的安装角度是一一对应的，投影管安装角度固定之后，反射镜的安装角度随之而定。改变投影管相对于屏幕的安装角度，屏幕的安装高度和整机体积也要做相应变化，因此，在确定投影管和反射镜的安装角度时应充分考虑屏幕的安装高度和整机体积。
% j" i2 l, z! ^& Y' }+ {其次，应根据屏幕尺寸大小和投影镜头的有效口径来确定光程（光线从投影镜头投射到屏幕中心的传播距离）的大小 ，根据光程可以确定反射镜的安装位置以及反射镜的形状和面积。
$ G; C* _' i2 r. c' N2 _9 L6 Q5 j3 c第三，根据底座的大小确定三只投影管之间的安装角度（G管正对屏幕安装，R、B管与G管之间有一夹角）；三只投影管安装位置固定后，根据投影管之间的角度、光程大小、投影镜头参数等来计算R（B）透镜相对 R（B）管的安装角度。根据这两个角度来设计投影管安装支架和冷却液密封圈（决定透镜的角度）。
' k) V- A1 N4 I最后，根据投影管之间的角度、透镜的安装角度、光程以及整机要求等来设计屏幕的参数。
* Z7 d5 G9 d- U2 V另外，背投电视光学系统的防尘设计也是很重要的。如缺乏必要的防尘措施，长时间使用后很容易在投影镜头和反射镜表面积累灰尘，导致图像质量的下降。
4 w- R, g/ M5 }* ]: K9 t; Y+ S需要指出的是：背投电视光学系统的各个环节是互相影响、互相制约的，要求专业设计人员对背投电视各组成部分的作用及技术参数有全面、系统的了解后才能进行整机的光学系统设计。

xiaolangfeng

真长见识呀！

zhouxiaoj

我已经收藏

谢谢

lzhh

哪天有时间传上一份43寸背投的电路图给大家看看，呵呵

冬日暖阳

可以去投电子报。

zhangxihui

太好了！

ourit315

好！

feng4510

图在何方？

modem100

好

modem100

好

阿丙

没图？

szdd

谢谢

follower

不错,谢谢!!~