知識大放送 細(xì)說LED光源投影機(jī)技術(shù)

前言

     伴隨著信息時代的到來，計算機(jī)多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普遍應(yīng)用，大到指揮監(jiān)控中心、網(wǎng)管中心的建立，小到臨時會議、技術(shù)講痤的進(jìn)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(shù)已經(jīng)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(xué)系統(tǒng)設(shè)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(yùn)用于現(xiàn)今的前投影機(jī)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(guān)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(jīng)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(xiàn)范圍大。

（2）形成彩色圖像過程中的光能和畫質(zhì)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(jī)可靠性，也有利于小型輕量和低成本。

（5）LED開關(guān)速度高，容許更高的刷新率。這不僅能改善當(dāng)前投影機(jī)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(shù)

    2003年5月在巴爾的摩召開的國際SID（信息顯示學(xué)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(jī)原理樣機(jī)。個人投影第一次成為展會的熱門話題之一，那時就有人預(yù)言“小巧的個人投影將會改變消費(fèi)電子世界”。此后LED投影機(jī)不斷出現(xiàn)在相關(guān)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(jī)發(fā)展進(jìn)程中的分水嶺。有五家公司展出口袋式LED投影機(jī)，大部分為原理樣機(jī)，也有一款標(biāo)價的產(chǎn)品。大多注明采用電池供電，輸出光通量達(dá)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(yīng)三塊愛普生的D5 液晶面板，分辨率達(dá)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(xiàn)，這臺背投平滑的灰階過渡以及紅色與綠色的表現(xiàn)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了旁邊的等離子電視。
     當(dāng)然，LED作為投影技術(shù)中新興的照明光源，LED立即大量使用還存在技術(shù)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(kuò)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?wù)撟疃嗟木褪撬�的發(fā)光效率，在普通照明應(yīng)用方面，對LED器件的發(fā)光效率的提高有著更加強(qiáng)烈的需求，因此LED發(fā)光效率的提升有著強(qiáng)勁的動力，同時也給投影行業(yè)帶來巨大變革和機(jī)遇。

LED的光譜流明效率

2.

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

    電光源由電源驅(qū)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(zhuǎn)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(shù)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(shè)光通量呈現(xiàn)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(xiàn)光譜分布，而且電光源所消耗的電能不可能完全轉(zhuǎn)換為輻射光能，進(jìn)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(dāng)部分能量轉(zhuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(nèi)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(shè)LED的所有能量損耗均為0，或者說與LED發(fā)光相關(guān)的各個能量轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)的效率均為100%，則LED的流明效率即可達(dá)到其光譜流明效率數(shù)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(yīng)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(shù)等因素有關(guān)。目前蘭光LED+黃光熒光粉方式已經(jīng)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(jù)式（3）進(jìn)行近似計算，結(jié)果為ηLM = 320 lm/ W。

    當(dāng)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(dāng)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(guān)，還和單燈功率以及器件或芯片的集群組合方式有關(guān)。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(xué)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(yuǎn)未成熟，尚需不斷探索改進(jìn)。另一方面，更加有利于改進(jìn)投影引擎的相關(guān)性能，包括提高光效、亮度和色度均勻性，彩色重現(xiàn)方式和色溫調(diào)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(shù)的發(fā)展方向

    由于背投影電視在光學(xué)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(jīng)出現(xiàn)了輸出數(shù)百流明的光學(xué)引擎。

    但是對于前投影顯示技術(shù)，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(diǎn)，因此目前LED光源在前投影上的應(yīng)用主要集中在兩方面：

圖4
索尼展示的LED光源投影機(jī)

    一種是超小型的投影機(jī)（mini Projectors）或口袋式投影機(jī)（Pocket），這種投影機(jī)集中了LED光源技術(shù)和微顯技術(shù)的優(yōu)勢，是LED光源所特有的產(chǎn)品。它的特點(diǎn)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(jī)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(shè)備，包括DV、DC、手機(jī)、移動DVD、PMP等的顯示終端。

圖5
投影機(jī)集成到手機(jī)里

     另一種是將LED微型投影引擎（nano Projector）作為一個光學(xué)部件，內(nèi)置到其它個人移動圖像信息設(shè)備中，投影相關(guān)的結(jié)構(gòu)、電路和軟件設(shè)計由該設(shè)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(jī)中的應(yīng)用，投影機(jī)的構(gòu)架必將出現(xiàn)極大的變化，而這些都會影響到投影機(jī)產(chǎn)業(yè)甚至引起影視家電產(chǎn)業(yè)的巨大調(diào)整。

     四川瑞誠科技實業(yè)公司，作為國內(nèi)LED光源投影行業(yè)的先行者，已經(jīng)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(jī)。此投影機(jī)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(jìn)LED投影機(jī)的普及，加快LED投影機(jī)進(jìn)人家庭的步伐。這一切就讓我們拭目以待吧。