投影機能效標準制定的技術預研

謝于迪，李 強

（國家廣播電視產品質量監督檢驗中心，北京 100015）

截至2011年底，我國共完成包括平板電視、空調、冰箱、洗衣機在內的21種家用、商用電器產品的能效標準制定，完成4種交通工具、10種照明器具和8種工業設備的能效標準制定。標準對用能產品的能源利用效率水平或能源消耗水平進行了規定，設定了產品的能效限定值，即規定測試條件下所允許的用能產品的最大耗電量或最低能效值，是產品在能效領域的市場準入要求，未達到最低要求的產品不允許生產銷售，這屬于強制要求。國標委于2011年底下達開展投影機能效標準制定的任務，國家廣播電視產品質量監督檢驗中心（下文簡稱質檢中心）結合多年投影機測試經驗，對投影機技術分類、市場情況、測試方法和現階段能效水平進行研究，為標準的制定做準備。

1 投影機的分類

投影機分類方式眾多，主要有按工作原理分類、按光源分類、按使用場合分類、按光輸出量分類等多種方式。

1.1 按工作原理分類

投影機按成像器件和工作原理的不同，主要分為發光型、反射型和透過型三類，如圖1所示，使用最廣泛的是液晶投影機和DLP投影機。

圖1 投影機工作原理分類圖

液晶投影機以三片液晶板為主流結構。利用金屬鹵素燈或高壓汞燈等作為外光源，屬于被動式的投影方式。強光通過分光鏡形成RGB三束光，分別透射過RGB三色液晶板；信號源經過模數轉換，調制到液晶板上，控制液晶單元的開啟、閉合，從而控制光路的通斷，再經合光棱鏡合光，由光學鏡頭放大，顯示在大屏幕上。LED燈也作為液晶投影機的光源，開始在投影機中使用。

以DMD（Digital Micormirror Device）數字微鏡反射器作為光閥成像器件的DLP投影機，為反射型投影機。光源發出的光束通過高速旋轉的濾光片，被分成紅、綠、藍三種單色光，然后被投射到DMD上，通過控制微鏡的“開、關”狀態，控制圖像每個像素的亮、暗，在屏幕上生成投影圖像。

DLP的對比度和光輸出較高，LCD的色彩保真度較好。

1.2 按光源分類

投影機的光源是影響成像效果和使用時間的重要器件，傳統光源為金屬鹵素燈泡（發熱高，不宜長時間使用）、氙燈和超高壓汞燈泡（UHE和UHP燈）。UHP燈泡是現在使用最廣泛的光源，外形小巧，在相同功耗下，能產生大光量，壽命較長，當衰竭時即刻熄滅，一般可以正常使用4 000 h以上。固態（半導體）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。與傳統高壓汞燈相比，激光光源是一種無汞環保光源，壽命可以達到10 000/20 000 h（普通/節能模式），采用增強型智能節能技術，結合激光光源即開即關的特性，可以實現節能效果。

1.3 按用途分類

教育市場：主要針對于學校，主要參數為2 500～3 500 lm；商務市場：主要針對于企事業小型會議室，主要參數為3000～3500 lm；工程用機：主要針對于大型的階梯教室商場及戶外廣告，主要參數為10 000～35 000 lm；娛樂市場用機：主要針對于KTV場所，主要參數為2 500～3 000 lm。

1.4 按光輸出量分類

光輸出≥5 000 lm的產品為高檔機，多用于電影、工程等領域；500 lm〈光輸出〈5 000 lm為傳統機；光輸出≤500 lm，稱為微型投影機，分為便攜性和口袋機兩類，便攜型依靠外接電源供電，口袋機依靠電池供電。

1.5 其他主流投影機

近年來，新興的投影機還包括3D投影機和短焦投影機[1]。

短焦投影機能在較短的距離里投影出更大的畫面，可以避免投影機光線對演講者眼睛的直射，也避免演講者的影子被投射在屏幕上遮擋畫面。目前所采用的技術主要有兩大類，一個是通過廣角式魚眼鏡頭，采用直接投射方式；另一種是增加反光鏡，采用反射方式。魚眼鏡頭用在投影機上投影距離縮短，畫面變大，但容易產生線性畸變。投射比在0.5～0.6時，短焦技術一般采用投射式。反射式即投影機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，容易出現圖像的變形和亮度不均，對工藝技術的要求高。當投射比在0.28～0.3時，短焦技術一般采用反射式。短焦和超短焦投影機因為投射距離非常短，所以使用傳統的照度計進行測試存在一定的問題。

投影機的分類影響標準制定時測試方法的選擇，能效指數是否需要分類要求等問題。在對投影機進行種類細分和行業調研后發現，依照投影機按照光輸出的不同進行分類是最合理的方式。

2 各品牌市場占有情況

投影機的主要用途為教學、辦公等商業用途，家用量較小。主要銷售方式為招投標方式，直接向消費者進行銷售的較少。2011年中國投影機市場分布情況如圖2所示，出貨量為160萬臺，日立（HITCHI）、愛普生（EPSON）、明基（BENQ）、NEC、索尼（SONY）、宏基（ACER）、奧圖碼（OPTOMA）為國內市場的主流投影機銷售品牌，國內品牌雅圖（ACTO）銷量最大，技術實力也較為領先。

圖2 2011年中國市場投影機銷量統計（市場占有率）

預計2012年總銷量將接近200萬臺，預測情況如圖3所示[2]。

圖3 中國投影機市場出貨量

3 相關檢測標準

3.1 安全、電磁兼容強制性標準

投影機屬于CCC強制目錄下的產品，在安全性能方面需符合《GB 4943信息技術設備的安全》標準的要求，在電磁兼容性能方面需符合《GB 9254信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》標準的要求。

3.2 性能推薦性標準

目前我國存在著5個投影機性能標準。2006年由信息產業部頒布了《SJ/T 11340液晶前投影機通用規范》和《SJ/T 11346電子投影機測量方法》標準，兩項標準正在修訂過程中。另外，還有《GB/T 19259—2003視頻投影器通用技術條件》和《SJ/T 11298—2003數字投影機的通用規范》。各項標準中規定的測試方法和指標要求都有一定的差別，標準規定的適用范圍也不太清晰。2011年新頒布了《GB/T 28037—2011信息技術投影機通用規范》。

目前在投影機行業內被廣泛認可和普遍使用的性能標準為日本投影機協會提出的《ISO/IEC 21118 Information to be included in specification sheets-Data projectors》。在投影機的招投標領域，主要采信此標準，標準規定：投影機的光輸出、對比度和照度均勻性的最低限值滿足規格書中的標稱值的80%以上即判定為合格。

3.3 能效標準

目前國內外尚未針對投影機（正投）能源效率或能耗要求進行國家或行業標準的制定，投影機的能效問題尚未引起各方關注。中國質量認證中心頒布《CQC6102—2009投影機節能環保認證技術規范》，開展節能認證，入選政府采購清單需具備節能認證證書。

投影機使用量大，特別是在教育、商務領域。且投影機日開機時間長，單臺耗能大，是亟待出臺能效標準進行規定和控制的用能產品。

4 投影機測試方法研究和數據摸底

依據《CQC6102—2009投影機節能環保技術規范》中規定的投影機能效測試方法，國家廣播電視產品質量監督檢驗中心通過開展節能認證的測試工作，完成國標制定的測試方法研究和數據累計。

4.1 測試方法

4.1.1 能效指數測試方法

能效指數是指投影機在開機（工作）狀態下，投影機的光輸出與整機消耗功率的比值[3]。能效指數主要考核投影機的光電轉換效率。

使用極限八灰階測試信號調整投影機狀態，改變投影機的亮度和對比度設置，達到極限八灰階將將清晰可辨的程度，作為測試狀態。使用100%全白場測試信號，進行亮度測試，測試位置如圖4所示，其中P0為圖像中心點；P1～P8分別為圖像寬度、高度的1/6。

圖4 測試位置示意圖

將被測機到投影面的水平距離調整到最佳位置（如無特殊要求，調整到使投影圖像最大并且面積為1 m2），如圖5所示。

圖5 測試設備示意圖

用照度計測量投影機1 m2投射面上9個點P0～P8的照度值L0～L8，以勒克斯（lx）表示。L0～L8的9個讀數的平均值La再乘以投影圖像的面積S，就是該投影機的光輸出（或光通量）L（lm）。在測量投影機光輸出的同時，用功率計測量此時整機消耗功率，測量結果用W表示。計算獲得投影機的能效指數Eff，即

該測試方法主要設計理念為在測試光輸出的同時考核功耗，即呈現全白場信號下的投影機光電轉換效率。行業接受度較高，建議在新能效標準中采用該測試方法。

4.1.2 待機能耗測試方法

待機能耗和關機能耗主要考核投影機在非使用狀態下的功耗情況，因為部分投影機處于長期通電，累積功耗大，所以這兩項指標也較為重要。

將投影機調節到待機狀態，待其風扇完全停止工作后，處于待機狀態至少20 min之后，用功率計測量10 min，其平均功率為待機狀態能耗。

該方法為待機測試的通用方式，不存在爭議，可直接在能效標準中采用。

4.1.3 參數要求

在《CQC6102—2009投影機節能環保技術規范》規定，對于重量大于2.0 kg、小于5.0 kg的產品，能效指數Eff≥7.5 lm/W（流明/瓦）。對于重量小于（含）2.0 kg的產品，或重量大于（含）5.0 kg的雙燈產品，能效指數Eff≥7.0 lm/W。

投影機待機方式的能耗應不大于5 W；投影機關閉方式的能耗應不大于2.5 W，無關閉方式的投影機，只考核待機方式下單位時間能耗。

該參數要求以投影機的重量為劃分條件，存在一定的缺陷：第一，行業內對投影機的既有分類方式中沒有按重量分類的先例；第二，投影機能效差異主要由成像方式和光源差異產生，微型投影機以LED燈為光源，亮度低，能效指數相對較低；高亮度投影機使用在電影放映、工程投影等場合，對可靠性和使用時間要求較高，對能效的要求可相對調低。建議標準以500 lm和5 000 lm光輸出為能效指數要求分類的條件。

4.2 測試情況介紹

對2012年2月至4月的節能認證測試數據進行了統計，完成測試型號（基礎型號，不含擴展型號）36個，其中相關信息統計完全的28個型號，覆蓋HITACHI，EPSON和PANASONIC三個主流品牌。因為節能認證針對行業內能效水平較高，有望納入政府采購目錄的產品，所以據此得出的分析數據反映的是行業中上能效水平。

4.3 數據統計分析

4.3.1 樣品說明

36臺樣機中，35個型號為三片式LCD投影機，僅1個型號為PDP投影機。按行業內認可度最大的光輸出進行分類，8個型號為5 000 lm以上的高檔機，其余28個投影機的亮度分布在2 000～5 000 lm，屬于傳統機（500 lm〈光輸出〈5 000 lm），檢測樣本不包括微型投影機。

4.3.2 產品能效指數

36臺測試測試樣品能效指數分布在7.0～16.0區間范圍內。主要集中在[9.0，11.5]的范圍內，占到樣本總量的72.2%。特別是能效指數[9.5，10.0]區間內，樣本數為11個，接近總樣本數的1/3（見圖6）。

圖6 能效指數分布

36臺測試樣本均值為12.88，遠高于CQC節能標準的要求。能效指數最低的產品為1臺標稱燈泡功率為340 W×2的雙燈投影機，重量為22 kg，光輸出5 898 lm，功耗846 W，能效指數7.0。能效指數最高的產品為1臺單燈投影機，光輸出4 157 lm，功耗僅258 W，能效指數16.1。

4.3.3 待機功率

近年來投影機的待機功率明顯下降，36個測試樣本中，91.7%的產品待機功率低于0.8 W，75%的產品待機功率低于0.5 W，均值為0.48 W（見圖7）。因為投影機很多情況下都處于待機狀態，所以該項指標應重點關注。

圖7 待機功率分布

5 投影機能效標準制定建議

5.1 適用范圍

建議標準將所有用途的正投影機都涵蓋在內，包括普通最常見的教學、商用投影機，電影放映等工程類投影機，以及近幾年發展迅猛的微投影機。這些投影機雖然工作差異很大，適用場合各有不同，但作為投影機產品，都具有使用時間長、單位時間功耗大等問題，因此建議將其都包括在內。

背投影單元因為測試方法的差異，建議不包括在標準的適用范圍內，但背投影光機可以納入到標準的考核范圍中來。

5.2 測試方法

整個業內對調整極限八灰度后，測試九點平均光輸出和對應的功耗，計算能效指數（單位lm/W）的方式認可度較高，建議采用該方式作為能效指數的測試方法。待機功率測試方法統一，并無爭議。

5.3 能效指數要求

投影機分類方式眾多，但有些分類方式不應作為對能效指數差異化要求的原因，例如成像器件差異、燈泡種類差異、使用環境差異等。但建議根據光輸出的差異，分別制定能效指數的要求，具體分檔指標有待進一步試驗和數據統計。

對測試數據進行分析，光輸出低于5 000 lm的28臺投影機皆為單燈投影機，其能效指數分布于整體，樣本分布相似，能效指數差異較大，分布很廣。

光輸出高于5 000 lm的8臺產品，2臺為單燈投影機（光輸出低于5 500 lm），6臺為雙燈投影機（光輸出分布在5 898～8 269 lm）。高光輸出的單燈投影機，能效指數較高，都大于12 lm/W。雙燈投影機亮度較大，但能效指數較低，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，多為雙燈投影機，建議根據投影機的光輸出指標，分檔設定能效指數要求。

6 其他需要開展的工作

投影機標準的制定，主要難點在于現有產品能效情況的統計和投影機產品未來能效提升趨勢的評估。能效情況統計需要涵蓋更多的產品類型，特別是加大對微型投影機的能效情況分析。

6.1 投影機主要功能模塊能耗統計

投影機集成度高，結構相對明晰，主要分為主板（信號處理部分）、光機系統、散熱系統（包括風扇等）、點燈系統（包括燈泡及其驅動電路）等部分。主要耗能為電燈系統，占到整機功耗的70%以上，所以在標準制定時應重點關注燈泡的能效發展趨勢。

大致的功率數據如表1所示。

表1 投影機各主要模塊功率分布 W

投影機產品未來能效提升趨勢評估需首選對主要器件功率分布情況進行統計，重點剖析對能效影響顯著的器件光效提高或能耗降低的趨勢，力爭使標準設定的能效指數能夠帶動行業整體能效水平提升。

[1] 李維善，陳琛，張禹，等.基于ZEMAX軟件的短焦數字投影鏡頭的設計[J].應用光學，2010（5）：714-717.

[2] 教育市場競爭激烈，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，投影機節能環保認證技術規范[S].2009.