知識大放送 細說LED光源投影機技術

前言

     伴隨著信息時代的到來，計算機多媒體技術的迅猛發(fā)展，網絡技術的普遍應用，大到指揮監(jiān)控中心、網管中心的建立，小到臨時會議、技術講痤的進行，都渴望獲得大畫面、多色彩、高亮度以及高分辨的顯示效果。投影顯示技術已經成為解決彩色大畫面顯示非常有效的手段。

     其中光源照明系統(tǒng)是整個投影光學系統(tǒng)設計的前提，目前UHP（超高壓氣體放電燈）作為投影光源燈，廣泛運用于現今的前投影機和背投電視。而LED作為新型的照明光源也越來越受到人們的關注，與UHP燈相比，LED具有一系列優(yōu)勢[1]。

（1）從光源開始，LED就發(fā)出R、G、B基色光，白光UHP需經分光合光或者色輪濾光才能形成基色光。因此前者的色飽和度高，彩色再現范圍大。

（2）形成彩色圖像過程中的光能和畫質損失小。

（3）節(jié)約投影引擎空間，有利于小型化、輕量化和低成本化。

（4）LED不輻射UHP燈固有的紫外光，同時引起發(fā)熱的紅外光相對而言也小得多。這有利于液晶投影成像器件的安全，提高可了整機可靠性，也有利于小型輕量和低成本。

（5）LED開關速度高，容許更高的刷新率。這不僅能改善當前投影機的易用性，也為新的彩色方式建立了前提條件。

（6）UHP是氣體放電燈；而LED是固體發(fā)光器件，具有長得多的使用壽命。

迅猛發(fā)展的LED光源投影技術

    2003年5月在巴爾的摩召開的國際SID（信息顯示學會）年會上，美國Lumileds公司和飛利浦共同展示了口袋式（pocket）LED光源燈的投影機原理樣機。個人投影第一次成為展會的熱門話題之一，那時就有人預言“小巧的個人投影將會改變消費電子世界”。此后LED投影機不斷出現在相關展會上，有時還成為研討會的議題。

     2005年1月的拉斯維加斯CES展會堪稱LED投影機發(fā)展進程中的分水嶺。有五家公司展出口袋式LED投影機，大部分為原理樣機，也有一款標價的產品。大多注明采用電池供電，輸出光通量達20～301m，可以投出明亮的20英寸畫面。

     2006的CES展上，LED光源投影顯示的迅猛發(fā)展勢頭更加明顯，在本次展會上共有5種LED照明式的微顯背投電視(MDTVs)公開演示。

                圖1 三洋的LED背光LCD背投電視

      圖1是在展會期間展示的三洋的LED背光LCD背投電視，采用RGB-LED 的液晶背投，分別用三種顏色的LED光源對應三塊愛普生的D5 液晶面板，分辨率達到1920x1080，屏幕尺寸為55英寸。旁邊是作為對比的等離子電視，通過對比不難發(fā)現，這臺背投平滑的灰階過渡以及紅色與綠色的表現都遠遠超過了旁邊的等離子電視。
     當然，LED作為投影技術中新興的照明光源，LED立即大量使用還存在技術難度，它需要使用高密度、高亮度器件，這就使其成本比弧光燈要高。另外，LED光源是擴展光源，需要采用一種有效方法將光耦合入投影系統(tǒng)。僅就LED器件本身，人們談論最多的就是它的發(fā)光效率，在普通照明應用方面，對LED器件的發(fā)光效率的提高有著更加強烈的需求，因此LED發(fā)光效率的提升有著強勁的動力，同時也給投影行業(yè)帶來巨大變革和機遇。

LED的光譜流明效率

2.

     LED作為照明光源應用時，其流明效率總是被首要關注的參數，我們在研制LED投影及其光源燈過程中，也經常自問LED光源燈何時會有多大光輸出。[2]

    電光源由電源驅動，輸出光通量與輸入電功率之比通常稱為電光源的電光轉換效率，也稱電光源的流明效率或發(fā)光效率，表示為ηL，單位也是lm/W。

    1瓦電功率和1瓦輻射功率在數值上等效，則單色可見光源燈的流明效率與光譜光視效率的表示相同，
                   ηL（λ）= K（λ）= C×V（λ）                           （1）
    設光通量呈現的相對能量光譜分布為E（λ），則流明效率可表示為
                   ηL（λ）= C×E（λ）×V（λ）                           （2）
    組合（1）式和（2）式可知，如果全部光通量都集中在單色波長555nm，E（555）=V（555）=1，則最大流明效率為683 lm/w。通常，實用電光源燈發(fā)出的光通量不僅呈現光譜分布，而且電光源所消耗的電能不可能完全轉換為輻射光能，進而形成有效的光通量輸出。電能量損失、光能量損失以及相當部分能量轉換成的熱能損失，都使得流明效率下降。因此，電光源的流明效率將遠遠小于683 lm/w。

    引入的光譜流明效率概念系指僅包含光通量光譜分布在內的流明效率。顯然，光譜流明效率沒有計入能量損耗對流明效率的影響。假設LED的所有能量損耗均為0，或者說與LED發(fā)光相關的各個能量轉換和傳輸環(huán)節(jié)的效率均為100%，則LED的流明效率即可達到其光譜流明效率數值。因此，光譜流明效率就是LED流明效率ηL的理論極限，記為ηLM。由于光源一般具有一定的頻譜寬度，因此ηLM應采用積分形式

ηLM = C∫ab  E（λ）×V（λ）dλ/∫ab  E（λ）dλ                  （3）

    白光LED是色光的混合光源，不屬于單色光源，必須考慮E（λ）對ηLM的影響。白光的E（λ）分布特性與白光方式、峰值波長和色溫、顯色指數等因素有關。目前蘭光LED+黃光熒光粉方式已經大量實用，我們以此為例作簡單的分析和評價。

    某廠家的功率冷白光LED的E（λ）~λ如圖1所示，蘭光LED+黃光熒光粉白光方式，峰值波長分別為440 nm和550 nm，色溫8000K左右。

    根據式（3）進行近似計算，結果為ηLM = 320 lm/ W。

    當蘭光和黃光的能量混合比例或峰值波長變化時，E（λ）、色溫和流明效率均隨之變化。又當改變?yōu)槠渌�白光方式時，E（λ）、色溫和流明效率也隨之改變。

    投影期待LED光源要解決兩方面問題。一方面，大幅提高光通量輸出，這不僅與LED的流明效率密切相關，還和單燈功率以及器件或芯片的集群組合方式有關。近幾年保持較高流明效率前提下的單燈功率大約只能停留在不超過5W。組合光源面積過大會帶來投影光學引擎成本的增加和某些性能的劣化；反過來，光源面積過小、器件或芯片排列密度過高將不利于光的收集利用、熱管理和可靠性，也會限制實際可用的光源系統(tǒng)輸入功率和流明效率。用于投影燈的器件或芯片集群組合方式遠未成熟，尚需不斷探索改進。另一方面，更加有利于改進投影引擎的相關性能，包括提高光效、亮度和色度均勻性，彩色重現方式和色溫調整的靈活性等。LED功率器件或芯片的光輸出呈朗伯型分布，視角一般不小于120°，輸出光束的幾何形狀不利于收集和傳輸，因此也不利于提高引擎的光效、亮度和色度均勻性。

LED光源投影技術的發(fā)展方向

    由于背投影電視在光學引擎體積和成本方面的空間，在高亮度輸出和引擎體積、熱管理方面的矛盾并不突出，因此可以看見已經出現了輸出數百流明的光學引擎。

    但是對于前投影顯示技術，由于使用環(huán)境的不同，在追求高亮度的同時還必須兼顧體積小、重量輕等特點，因此目前LED光源在前投影上的應用主要集中在兩方面：

圖4
索尼展示的LED光源投影機

    一種是超小型的投影機（mini Projectors）或口袋式投影機（Pocket），這種投影機集中了LED光源技術和微顯技術的優(yōu)勢，是LED光源所特有的產品。它的特點是體積非常小，一般它近于手掌大小，卻可以投出30英寸左右的畫面，輸出大約50lm左右。整機功耗1 0多瓦，交直流兩用，固定處有市電時交流供電，無市電可用時直流供電。通過接口的連接，用作其它個人移動圖像信息設備，包括DV、DC、手機、移動DVD、PMP等的顯示終端。

圖5
投影機集成到手機里

     另一種是將LED微型投影引擎（nano Projector）作為一個光學部件，內置到其它個人移動圖像信息設備中，投影相關的結構、電路和軟件設計由該設備整體考慮。。引擎本身功耗僅幾瓦，直流供電，可投出約20英寸的畫面。

     由于照明光源的革命、LED器件在投影機中的應用，投影機的構架必將出現極大的變化，而這些都會影響到投影機產業(yè)甚至引起影視家電產業(yè)的巨大調整。

     四川瑞誠科技實業(yè)公司，作為國內LED光源投影行業(yè)的先行者，已經研制出功率器件陣列的白光LED投影光源，并且已將此光源試用于LED前投影機。此投影機不僅噪聲低、壽命長而且更加省電、輕便、小巧，價格更便宜，使用成本更低。這就勢必促進LED投影機的普及，加快LED投影機進人家庭的步伐。這一切就讓我們拭目以待吧。