电影放映机光学引擎及其相关问题之浅析

计 方

(浙江嘉兴电影集团有限公司,浙江嘉兴 314000)

1 光学引擎的构成

光学引擎是一个光、机、电的组合体,是整个放映机的核心。图1 所示的是科视CP2220 放映机的光学引擎及部件分解。

图1

将引擎进行分解,可以拆分为三个核心部件,见图2。

图2

剩余的零部件,都是为了安装这三个部件,并使之能正常工作而添加的一些附属件,有固定支架、冷却块、冷却管、弹簧片、螺丝、散热块等。

2 光学引擎的工作原理

图3是光学引擎的原理示意图。从光源发出的白光,经过TIR棱镜反射后,根据波长的不同,红、绿、蓝三色光被不同的分光镜全反射,并经过DMD 的受控反射以后,重新穿过TIR 棱镜进入镜头,从而在荧幕上形成图像。

图3

TIR 棱镜和分光镜的组合体,就是光学棱柱。TIR 棱镜是为了实现入射光和反射光的分离,分光镜是为了实现红、绿、蓝三色光的分离。经过DMD反射的三色光,还需要能够重新重合在一起形成白光,经过镜头成像在同一个焦点平面上。所以在整个光路中,对每一个光学部件的相对位置,都有严格的精度要求。这个精度就是由光学棱柱外部的这套金属结构件来实现的,充分体现了机械结构对光路精度的重要性。如果精度不良,就容易在画面中造成聚焦不实、汇聚不良的情况。

我们在观看电影的时候,画面有着明显的色彩变化和亮度变化。而这就是通过DMD 成像芯片来实现的。根据美国德州仪器提供的数据,DMD 是由很多个微小的镜片组成的,每一个小镜片就是一个像素。小镜片有0和1的两种状态。在0的状态,从小镜片反射过去的光,经过TIR 棱镜以后被投射到其他地方,并不能穿过镜头。只有小镜片在1的状态的时候,反射出去的光,才能经过镜头,投射到荧幕上。通过0 和1 的变化,实现了亮暗变化。而小镜片工作的时候,每秒钟可以翻转5000次。正是通过翻转次数的多少,来实现图像灰阶的效果。而色彩的变化,就是三色光分别在0和1状态,相互变化组合的结果。所以说,DMD 成像芯片是一个光和电相结合的产品。

驱动板的功能,就是接收了图像信号以后,把它转化成DMD 能够识别的数据命令,用来驱动DMD 成像芯片上每一个小镜片工作,实现翻转。小镜片的翻转顺序,也是严格按照行、场扫描的顺序进行。

3 光学引擎的常见问题及分析

通过对光学引擎的分析研究,使得对光学引擎每个部件的功能作用有了相当的了解,也就可以根据主要部件来对光学引擎的相关故障问题进行分析。

首先,光学引擎作为一个整体,有很多光学部件,为了散热,光学部件是直接裸露的。在工作过程中,光学部件的表面容易积灰,从而引起亮度下降。如果灰尘颗粒较大,还会产生漫反射现象,在画面中就会表现为色斑。所以,定期的清理维护工作,是很有必要的。

其次,如果光学棱柱发生故障,那么故障原因及其相应的不良表现,可能有以下几种:

(1)机械结构件变形或损毁。那将会引起光学玻璃之间的相互位置发生变化,导致图像的亮度变化,或者聚焦不良。由于影院很少会去动光学引擎,所以这种不良在实际使用中很少发生。

(2)固定用的机械螺丝发生松动。由于机器工作时候的抖动,叠加风机的震动,会造成紧固的螺丝发生松动。这种情况一般会对DMD 的固定安装产生影响,在画面中形成汇聚不良,这个可通过调节DMD 的位置来解决,如图4所示。

图4

(3)光学棱柱里面的光学玻璃发生碎裂。放映机在使用氙灯的时候,这个现象几乎没有遇到。但是近些年,随着激光机的增加,这个现象明显增多。图5是一个比较轻微的断裂现象。

图5

这个裂痕如果比较轻微,会影响到画面的亮度;如果裂痕比较严重的话,画面会非常暗,而且偏色,并有可能会有光线从镜头射出以后,投到天花板或者地上。

为什么断裂的情况在激光放映机上会经常发生?分析比较氙灯机和激光放映机的差异,最大的不同在于激光是冷光源。当关闭光源以后,玻璃棱柱和金属支架都开始降温冷却。而两者的热膨胀系数差异很大,金属部件冷却得快,就会对玻璃部件产生挤压,形成一种应力,每关机一次就会挤压一次,长此以往,造成棱柱断裂,也就理所当然了。所以激光替代氙灯的改装,最好对机器的散热系统也一起做出改动,而不是单纯的光源替换。

(4)DMD 成像芯片发生故障。DMD 芯片是美国德州仪器生产的产品,这个器件如果发生损坏,那就只能进行更换。在实际应用中,DMD 的不良,主要表现为少数几个的像素小镜片不会发生偏转了,一直都停留在0或者是1的位置。那在画面中,就相应的表现为是暗点或者亮点。在画面中,个别暗点的效果不明显,所以这里只收集到了亮点的照片,如图6所示。

图6

(5)驱动板发生故障。驱动板作为纯电子线路的产品,其发生故障的概率相对较高。由于驱动板的功能是控制DMD 的工作,所以其在故障现象上表现为对DMD 的驱动控制能力丧失,或者部分丧失。如果完全丧失了对DMD 芯片的控制,那么DMD 的小镜片就永远停在一个位置不发生翻转,图像就表现为全暗或者全亮;如果部分丧失了对DMD 芯片的控制,那么就是某行某列,或者某些行某些列发生故障,不能完整显示图像。典型的现象如图7所示。

图7

造成这些故障现象的原因,是因为驱动板上的电子元器件发生了损坏。由于电子元器件本身对环境的要求比较高,需要恒温恒湿无静电的环境,否则很容易发生损坏。所以放映间的环境,对电子产品的寿命,有着很重要的影响。

以上是从光学引擎的核心部件出发,对相关的故障现象及产生原因做了分析研究。光引擎是一个非常精密的仪器,对光引擎的故障排除和清洁,需要专业技术人员来处理,影城放映员不能擅自拆卸。影城要做到的是,保持良好的设备使用环境,使用时不超出设备自身能承受的各项技术指标,并经常地对设备进行保养,才能让设备运行稳定、画面质量最佳、使用寿命最长。下列措施将有助于改善使用环境,降低上述问题的发生:

(1)对放映间的门、窗、风道等增加除尘环节,在放映间内部添设空气净化设备,使得放映间的环境尽可能的接近无尘环境;

(2)放映设备的抽风管道一定要单独铺设,不能和商场里的其他商业体共用,以免油烟进入,污染放映设备;

(3)每隔3～4个月更换一次过滤网,每隔一年半左右做一次引擎的翻新清洁;

(4)放映间应该禁止存放易产生静电的物品,每个月都需要检测零地电压,发现异常应及时处理。在对放映设备进行常规维护的时候,要带上防静电手链;

(5)放映间的每套放映设备边上都要有温湿度计,能够随时观察环境状态。放映间需要配备空调和除湿机等设施,如果空气的温度和湿度超出放映设备所要求的,就应该马上启动空调或者除湿机,甚至同时开启;

(6)在安装空调的出风口的时候,应该尽量避免对着放映设备直接吹风。因为直接对着吹风,容易形成冷凝水,水滴滴落到放映机内部,容易造成电路短路或者腐蚀电路板;

(7)对放映设备进行维护或者拆装的时候,应该使用力矩螺丝刀,避免因用力过猛对光学棱柱的结构件造成损害。

以上措施的实施,会略微增加投入,但是在降低故障率方面,尤其是降低驱动板的故障率,效果还是比较明显的。在南方的梅雨季节,放映间环境良好的影院,故障率就很低,放映效果就很稳定。而放映间环境不达标的影院,就会三天两头的发生各种故障,尤其是驱动板的故障最多。因为空气中的水蒸气冷凝以后,冷凝水滴落的位置,基本都是在驱动板上,而驱动板上的灰尘,受潮以后马上就会形成电路短路,造成驱动板故障。

为了实现恒温恒湿并防尘的目的,有的厂家提出,在放映机外部再罩一个密闭的箱体,箱体内部配备有温度和湿度的传感器。设定好温度湿度,箱体就会自动调节以实现恒温恒湿的目的。这一理念虽然很好,但目前还停留在试验阶段,只有少数机器能做到。

为达到恒温恒湿并防尘的目的,还可采用电影放映机房双回路空气调节的方法,旨在尽量减轻因风机散热引起带入灰尘,以及大热天因风机散热引起空调失控等弊病。主要做法是:将放映机的散热风路通过软管单独分离出来,达到单独净化和降温之目的;再将放映机隔离在独立的小机房内,使小机房内的空调免受风机干扰,相对能充分发挥恒温恒湿之效果。

随着研究的深入,今后会出现更多的技术手段,以更经济、更有效的方式来不断降低放映设备的故障率,提升放映效果,为观众创造出更好的观影体验,这也将是电影行业用以提升自我市场竞争力的必然趋势。