全息投影器硬件设计思路与规划.docx

1、全息投影器硬件设计思路与规划全息投影器硬件设计一、硬件总体设计思路与规划本产品是一款突破常规的投影显示模式的投影产品，由于引入了当下最新的全息影像技，使它不再依赖于屏幕显示，从而使我们的产品有更广阔的市场。基于此我们将对我们的产品做一下规划。对硬件的设计主要分为光源设计模块、电源设计模块、接口设计模块以及其他为提高产品安全性与稳定性而增加的模块。这些模块的设计将设备可能会在不同的场合使用而产生的各种因素都考虑到硬件设计中，对所有的因素集中分析、综合考虑，提出了一套合理性较高设计方案。二、主要部件设计2.1光源设计2.1.1设计思路与规划 传统的投影机是以灯泡作为光源发射，而我们的设备采用激光作

2、为投影光源，可充分发挥激光光源分色分时特性，采用光谱合成以及分时工作的模式，直接应用于照明光学图像芯片，抛弃过去在光机中一定使用到的UV、红外、偏振镜、复眼透镜这样的一些光学器件，是投影机从根本上发生变化。激光作为光源记录全息图H，再以与原参考光一致的再现激光照明全息图，在全息图平面上得到与原记录物光完全一致的再现光。对相干长度有限的激光器，如He-Ne激光，被记录物体的大小或景深非常有限，这时应采取对物体分区照明的方法扩大被摄物体的景深，对相干长度较长的激光器，如带标准具的Ar+激光器，记录的场景可达数米。激光再现全息图的缺点是再现光必须用激光，这在很大程度上限制了它的使用。激光再现全息的另

3、一种类型是脉冲全息，全息记录通常在防震的全息台上进行，记录的物体一般为静物，而脉冲全息无须在全息台上记录，并可对生物或其他运动物体进行全息记录，它的记录光源是脉冲的宽度相当窄的脉冲激光器。脉冲全息在在全息干涉计量和全息电影中有广泛的应用。2.1.2基本激光成像电路图 2.1.3具体设计 用单波长激光记录的全息图是单色的。彩色全息术的目的则是记录和再现彩色三维全息图像。与普通彩色印刷技术一样，彩色全息术涉及两个基本问题：三原色信息的获取和三原色信息的再现。三原色的获取目前有两种方法，一种是用含有三原色的单台激光器或多台单色复合激光器作为光源，照明彩色物体获取三原色信息；另一种方法是对彩色二维图片

4、进行类似于彩色印刷的分色处理，以黑白的三原色图片作为全息记录的物。在获得三原色信息后，并不是对三原色信息进行普通的全息记录就能得到彩色全息图。例如用含有三原色的激光替代单色激光作普通全息记录，我们在同一张全息干板上得到的是三幅全息图，它们分别由红、绿、蓝激光相干而成，当用三色激光再现时，每一波长的激光将再现三幅不同大小和位置略有不同的全息图，三个波长的激光将再现九幅全息图，它们重迭在一起，图像显得模糊不清，这一现象称为色串扰。所以，解决色串扰是彩色全息的重要研究课题，激光再现彩色全息常用编码技术或多方向参考光解决色串扰，而白光彩色全息常采用彩虹全息或反射全息方法解决色串扰利用激发态粒子在受激辐

5、射作用下发光的电光源。是一种相干光源。自从1960年美国的T.H.梅曼制成红宝石激光器以来，各类激光光源的品种已达数百种，输出波长范围从短波紫外直到远红外。激光光源可按其工作物质(也称激活物质)分为固体激光源（晶体和钕玻璃）、气体激光源（包括原子、离子、分子、准分子）、液体激光源（包括有机染料、无机液体、螯合物）和半导体激光源4种类型。激光光源由工作物质、泵浦激励源和谐振腔 3部分组成。工作物质中的粒子（分子、原子或离子）在泵浦激励源的作用下，被激励到高能级的激发态，造成高能级激发态上的粒子数多于低能级激发态上的粒子数，即形成粒子数反转。粒子从高能级跃迁到低能级时，就产生光子，如果光子在谐振腔

6、反射镜的作用下，返回到工作物质而诱发出同样性质的跃迁，则产生同频率、同方向、同相位的辐射。如此靠谐振腔的反馈放大循环下去，往返振荡，辐射不断增强，最终即形成强大的激光束输出。 为记录彩色全息图，必须要选择合适的全息记录材料。卤化银记录介质是常用的全息记录介质。在彩色全息中或直接用全色干板，如柯达649F、Agfa8E56等，或用红敏和蓝敏的卤化银分别对红光和蓝绿光感光，然后再将这两种材料复合。折射率调制位相型的记录材料是另一种比较理想的材料。现已有红敏的重铬酸明胶，全色的光致聚合物，特别是杜邦公司的光致聚合物已进入商品化阶段。在彩色全息的记录方法的研究中有一点应值得注意，在目前的最大的显示全息

7、市场模压全息中，作为母板的感光材料是仅感蓝绿光的光致抗蚀剂材料，为了实现彩色模压全息，必须在制作方法上解决非全色记录材料的彩色记录问题。2.2电源设计2.2.1设计思路与规划 电源是所以电子设备工作的动力来源，由于我们的设备主要在露天环境中使用，所以提供稳定、可靠、耐用的电压使我们设计的重点。2.2.2关键技术 目前国内市场使用模块电源的主要供应商为VICOR、ASTEC、LAMBDA、ERICCSON以及POWER-ONE。为实现高功率密度，在电路上，早期采用准谐振和多谐振技术，但这一技术器件应力高，且为调频控制，不利于磁性器件的优化。后来这一技术发展为高频软开关和同步整流。由于采用零电压和

8、零电流开关，大大降低了器件的开关损耗，同时由于器件的发展，使模块的开关频率大为提高，一般PWM可达500kHz以上。大大降低了磁性器件的体积，提高了功率密度。2.2.3具体设计 降低热阻，改善散热为改善散热和提高功率密度，中大功率模块电源大都采用多块印制板叠合封装技术，控制电路采用普通印制板置于顶层，而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。早期的中大功率模块电源采用陶瓷基板改善散热，这种技术为适应大功率的需要，发展成为直接键合铜技术(Direct Copper Bond，DCB)，但因为陶瓷基板易碎，在基板上安装散热器困难，功率等级不能做得很大。后来这一技术发展为用绝缘金属基板(Insuta

9、lted Mental Substrate，IMS)直接蚀刻线路。最为常见的基板为铝基板，它在铝散热板上直接敷绝缘聚合物，再在聚合物上敷铜，经蚀刻后，功率器件直接焊接在铜上。为了避免直接在IMS上贴片造成热失配，还可以直接采用铝板作为衬底，控制电路和功率器件分别焊于多层(大于四层，做变压器绕阻)FR-4印制板上，然后把焊有功率器件的一面通过导热胶粘接在已成型的铝板上固定封装。不少模块电源为了更利于导热、防潮、抗震，进行了压缩密封。最常用的密封材料是硅树脂，但也有采用聚氨酯橡胶或环氧树脂材料。后两种方式绝缘性能好，机械强度高，导热性能好，成为近年来模块电源的发展趋势之一，是提高模块功率密度的关键

10、技术。 二次集成和封装技术为提高功率密度，近年开发的模块电源无一例外采用表面贴装技术。由于模块电源的发热量严重，采用表面贴装技术一定要注意贴片器件和基板之间的热匹配，为了简化这些问题，最近出现了MLP(Multilayer Polymer)片状电容，它的温度膨胀系数和铜、环氧树脂填充剂以及FR4 PCB板都很接近，不易出现象钽电容和磁片电容那样因温度变化过快而引起电容失效的问题。另外为进一步减小体积，二次集成技术发展也很快，它是直接购置裸芯片，经组装成功能模块后封装，焊接于印制板上，然后键合。这一方式功率密度更高，寄生参数更小，因为采用相同材料的基片，不同器件的热匹配更好，提高了模块电源的抗冷

11、热冲击能力。 扁平变压器和磁集成技术磁性元件往往是电源中体积最大、最高的器件，减小磁性元件的体积就提高了功率密度。在中大功率模块电源中，为满足标准高度的要求，大部分的专业生产厂家自己定做磁芯。而现有的磁性供应商只有飞利浦可以提供通用的扁平磁芯，且这种变压器的绕组制作也存在一定难度。采用这种磁芯可以进一步减小体积，缩短引线长度，减小寄生参数。CPES一直在研究一种磁集成技术，福州大学的陈为教授3年前在CPES研究了磁集成技术，他们做的一个样机是半桥电路，输出整流采用倍流整流技术，而且输出端的两个电感跟主变压器集成在一个铁芯里，最后达到的功率密度为300W/in3。倍流整流技术适用于输出电流大，对

12、di/dt要求高的场合，比如在实现VRM的电路中就常常用这种整流电路。2.3 接口设计2.3.1设计思路与规划 随着技术的发展很多接口已经不再使用，而且很多接口可以相互转换，所以我们在对接口的设计时将对一些淘汰的接口进行精简。将主流的接口与通用接口留下了其他的将会删去。让设备看起来不是千疮百孔。2.3.2HDMI接口HDMI是目前投影机上除了DVI外唯一的数字接口，但通常仅出现在高端产品中。HDMI是High Definition Multimedia Interface的英文缩写，中文名叫做高清晰多媒体接口，可以高品质地传输未经压缩的高清视频和多声道音频数据，最高数据传输速度为5Gbps，同

13、时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。HDMI不仅可以满足目前最高画质1080P的分辨率，还能支持DVD Audio等最先进的数字音频格式，支持八声道96kHz或立体声192kHz数码音频传送，而且只用一条HDMI线连接，免除数字音频接线。2.3.3 USB接口USB是现在出现频率越来越多的投影机接口了。USB来源于电脑，全称Universal Serial Bus，也就是通用串行总线，具有可热插拔，支持资源丰富等特点。USB在投影机上的主要用途一方面可以连接各类采用USB接口的移动存储以实现脱机投影，另一方面则可以通过USB电缆进行投影连接。不过目前并不

14、是所有的厂商都支持USB直连投影方式。2.3.4 蓝牙技术基于蓝牙技术的用于远程投影机接口的架构，在这种架构中使用蓝牙联网协议为一个HTTPCAN网关提供底层的传输（物理）媒介。借助运行在TCU上的嵌入式HTTP服务器的帮助，服务技术人员可以从启动蓝牙功能的便携式电脑的网络浏览器上来监视和控制INV上的各个节点。这个无线接口提供了方便的访问途径，对投影机进行访问。蓝牙信号的收发采用蓝牙模块实现。此蓝牙模块是公司最近推出的遵循蓝牙V1.1标准的无线信号收发芯片，主要特性有：具有片内数字无线处理器DRP（DigitalRadioProcessor）、数控振荡器，片内射频收发开关切换，内置ARM7嵌

15、入式处理器等。接收信号时，收发开关置为收状态，射频信号从天线接收后，经过蓝牙收发器直接传输到基带信号处理器。基带信号处理包括下变频和采样，采用零中频结构。数字信号存储在RAM（容量为32KB）中，供ARM7处理器调用和处理，ARM7将处理后的数据从编码接口输出到其他设备，信号发过程是信号收的逆过程，此外，还包括时钟和电源管理模块以及多个通用I/O口，供不同的外设使用。的主机接口可以提供双工的通用串口，可以方便地和PC机的RS232通信，也可以和DSP的缓冲串口通信。2.3.5 RJ45接口这个接口相信不用我多说，用户都知道，是标准的网络设备接口，同样来源于电脑。它的作用就是可以让投影机通过网线

16、与PC相连，用户可以从PC端对投影机进行控制、设置等操作。在很多投影机中我们还看不到这种接口，所以我们将RJ45接口加入我们的投影机中.三、功能需求3.1防水 在户外工作，少不了的风吹雨淋，让人不断地给自己送雨衣或者雨伞，不如自己学会水性，由于空气的湿气和氧化作用导致插接件氧化接触面减少，加上震动和变形的细微影响，插接件微米级的镀层没有形成紧接触，导致信号或电源中断，导致投影发生故障。这种故障有时候又不容易发现，而且为了这种故障而使维修人员大费周折完全没有必要。所以设计时我们就要把这点纳入到他的非功能需求之中。让他在户外工作更加游刃有余。3.1.1关键技术 线路板防水胶是防水胶的一种，专用于P

17、CB线路板，由树脂、和防水添加剂组成，具有疏水防潮、抗辐射、透明度高、无毒无污染、耐高低温、抗老化、耐侯性好等优点线路板防水胶是一种单组份低粘度有机硅树脂，由树脂、和防水添加剂组成。能形成防水绝缘保护胶，能在各种印刷板上生成保护膜，防止漏电和短路。其透明的丙烯酸保护膜能防止弱酸、碱、酒精、防水绝缘保护胶能在各种印刷电路板上生成保护膜，防止漏电和短路护膜，防止漏电和短路。使用本品保护的线路板可以再上锡3.1.2 具体实现 将液体刷涂、喷涂在电路板表面或将整块电路板浸入液体中再晾干均可，并可用紫外光检测未涂部位，便于补涂；防潮油经13分钟室温风干后紧密附着于电路板表面，24小时后性质稳定；常温常压

18、下贰拾年不变性。经防潮油处理过的电路板置入水中24小时，取出风干后，电路板和电子元器件无任何腐蚀，性能不变；本防潮油耐-60+200摄氏度高低温，耐20000伏高压。广泛应用在空调、电冰箱及通讯网络等精密电路板设备上3.2防雷击科技越来越先进，楼房也越来越高，将该投影放在高建筑物上以便让更多的人看到，无疑是个很不错的选择，但放得越高受雷击的概率也就越大，为它专门配备避雷设备又显得太麻烦，所以在研发时就将这一点考虑进去，并使投影仪器拥有这种功能显得很重要，没人愿意使用一款打一次雷就得去爬上高楼维修一次的设备。3.3防暴晒 这款投影仪可在室内使用，也可以在户外使用，在户外使用时，一般是固定在建筑物

19、上，或者高杆上，不是每个建筑物或这高干上面能给他提供阴凉，靠“人”不如靠自己，所以让他有很强的耐温性能对于他在户外生存提供了很强的保障，同时也是他不间断工作的保障。3.4 每天可工作24小时随着社会的发展，人们的工作时间模式早已不是早出晚归，由于人们生活的多元化以及对城市夜景美观化的需求，需要这种这种投影仪器不光在白天正常工作，晚上它也是必不可少。3.5有多种安装角度 根据不同用户对不同应用的需求，他们在固定投影时可能要求横式也可能要求竖式，所以对我们的投影我们要求他们至少要有两种不同的固定角度方式来满足不同用户可能提出的不同要求。3.6良好的散热性设备处于恶劣的外部环境下，它们遭受太阳的热辐

20、射和设备本身发热的影响，消除这两种热源的影响对电子设备的可靠工作至关重要，电子系统本身可能并没有包含对抗恶劣环境条件的设计，为了满足在户内和户外环境下保护电子设备我们要求该设备具有良好散热性能。3.6.1设计思路与规划投影机散热性能对于投影机的使用寿命有着直接的影响，因此作为技术人员甚至一般用户，应该多少要懂得投影机的散热知识。也许有人会说，散热还不简单：多加几个排风扇或者把排风扇的功率加大一点不就可以了吗！没有这么简单，因为简单地加大排风扇功率或增加排风扇数量，会引起噪音或者增加投影机体积，而静音设计和小体形设计同样是投影机追求的重要目标。投影机光源是最大的热量来源：液晶投影机的投射成像技术

21、要求光源输出强度高，而设备本身体积小，热量很集中，整个投影机75%的功率都耗散在一个只有拳头大小的空间内。如果温度太高，就会对光源的发光质量产生严重的影响，由于失透处大量阻挡光线，使该局部区域温度异常升高，进而引起失透区域进一步扩大，从而使亮度迅速衰减，并且很可能导致光源的破坏光源发出的光经过光学系统会聚后，会聚于液晶板，虽然经过了UV/IR镀膜、冷反光镜等多种滤除红外线的措施，但仍有很多热量集中在液晶板、偏振片等小面积器件上。液晶板自身的物理性质决定了它的工作温度不允许太高，其他光学部件一旦温度超过其承受范围也会造成光学元器件的损坏。开关电源产生热量：除了光学系统以外，投影机的开关电源也是一

22、个重要的热源。开关电源承担着给投影机电路部分和灯泡供电的任务。由于采用比例脉宽调制的方法进行降压和稳压、稳功率，其功率开关管和变压器都工作在较高的频率上，产生的开关损耗使温度升高。由于电源体积小，因此热量集中。电源温度过高，会导致电解电容干涸，功率开关管烧毁。3.6.2 关键技术由于投影机属于高精尖的光机电一体化产品，内部元器件对温度十分敏感，加之内部构造的复杂性，其自身对于温度的要求比较苛刻，因此投影机同众多电脑部件一样涉及到散热的问题。目前商务教育投影机整体朝着便携、超便携投影发展，投影机重量越来越小，散热要求就更高，而且投影机的亮度整体也在提高，这意味着产生的热量也越来越高。这一切对投影

23、机的散热技术都提出了更高的要求。NEC易拆型双通道散热系统，采取底部散热的方式。这种方式不仅可以让投影机适应外部40度的高温，并且有效地降低了机器的整体噪音，给用户一个更安静的环境。NEC VT580使用使用了易拆型双通道散热系统。独特的结构设计，在突然发生断电后能将热量锁定在灯泡周围，防止高温传导到其他主要配件中，造成更大损失。而灯泡本身也采用了独特的热传导材料，避免突然断电后的高热量对灯芯造成损害，底部的散热窗也能及时排除大量热量。风扇口也特别手工添加了密封条，把通风散热的损耗降低到最低。 3.7清晰度对于一款投影设备，为用户投射出清晰的画面是必不可少的，无论你的其他性能多么稳健，无论你的

24、外表多么华丽，无法保证画质，只能是宣兵夺主。没有用户会选择这样的设备。所以投影的良好画质是设计的重点。3.8 短投功能的选择 什么是短投功能？简单地说就是有时候你想在离目标2米远的地方投100寸的画面，但如果没有选择到一款短投功能很强的投影机，你是不可能做得到的，那么你可能需要3米以上才能投到你想要的100寸的画面。因此，设计时我们应该保证我们的投影必须能够将画面3米投到80100寸左右。以便使我们的投影性能更高。 3.9快速开关机功能 使用投影机最让人恼火的自然是投影机开关机时的漫长等待。由于光源预热以及关机后散热的缘故，其持续时间一般会长达90秒钟左右。所谓“即关即拔”，是指演示结束后无需

25、等待风扇冷却而立即关闭电源。该技术使得切断电源后投影机会取出预先储蓄起来的电来保持内置电路，使冷却风扇继续转动。而“自动关机设定”，是指投影机在使用者设定时间内，若检测到输入接口无讯号传输，投影机便自行启动智能关机系统。即便是会议结束后一时忘记关机，也不必担心。我们认为该项技术更为经济实用，不但能减少电力浪费，还能提高使的安全性 。 3.10 投影机重量的选择 如果应用环境不需要吊装，那么选择的时候要特别考虑机身重量，以便能适应室内桌面便携使用和外出移动办公的需要。所以我们要求我们的投影仪器的重量控制在3公斤以内。3.11有存贮功能 该投影是一款全新的智能设备，我们要求它具有和控制端断开后也能

26、够独立显示信息的能力，要使它具备这样的功能，拥有自己的存贮器显然是必不可少的。 3.12具有无线通信能力 物联网是当下一种新兴的技术，随着IPV4向IPV6的过渡，各种设备将要求有自己的IP，对于远端的投影能够通过无线网实现无线远端控制以及信息的交换已经是不可阻挡的潮流。在设计时我们将要求将无线通行的功能加入到我们的投影中。3.13自动调节工作模式 我们的投影具有感光功能（对光变化的敏感性要较为迟钝，不能对设备的光源调节得态频繁），根据感受到的不同的外界亮度来调节自身光源，从而实现强光下也能公众能够比较清晰的看到投影投射出的画面，在夜晚，由于外界处于黑暗状态，只需要很少的光就可以是公众看到投射

27、出的画面，如果还是按照白天发光时所需要的亮度只能造成浪费，不能够实现社会低碳节能要求，所以，我们要求我们的投影具有自动调节工作模式的功能，自动的根据外界的变化选择发光的亮度。 3.14可防尘 在户外安装的投影，无法保证不受各种粉尘的侵扰，所以我们再设计投影时要为它安装专门的防尘处理设备。在投影的外部镜片出也要加入一个自动扫描刷，可让其自动对镜片实现简单的除尘工作。这样可以减少维护人员的不少工作量3.15减低噪声短期内风扇散热方法依然是液晶投影机的主要散热方式，这就使得投影机必然存在着程度不同的噪音。为了减少风扇噪音对用户产生的影响，考虑提高风扇的散热效率的同时也会尽量考虑降低风扇噪音。散热效率和减少噪音看来是一对矛盾体。除了前面提到的外置高温热保护延迟装置以外，专业耐高温投影机也将问世。这种投影机通过对投影机内部散热进行全面设计改进，包括散热方式、散热材料的改进，并且增加远程机内温度数据传输功能，将从根本上解决投影机长时间连续工作的问题。另外，新兴的LED光源投影机和激光投影机会不太需要考虑散热问题，也许是对投影机散热问题的一个最好解决。