淺談光源在投影系統(tǒng)中的革命

邱永華

（廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510450）

1 引言

伴隨著信息時(shí)代的到來(lái)、計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展和網(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(shí)會(huì)議、技術(shù)講座的進(jìn)行，都渴望獲得大畫(huà)面、多色彩、高亮度以及高分辨率的顯示效果。投影顯示技術(shù)已經(jīng)成為解決大畫(huà)面顯示非常有效的手段。在這些大畫(huà)面投影系統(tǒng)中，光源照明系統(tǒng)是整個(gè)投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提，沒(méi)有光，就沒(méi)有圖像被投射出來(lái)。

作為照明的燈其實(shí)有很多種，主要分為兩大類(lèi)：白熾燈和碘鎢燈等熱輻射型燈；高低壓氣體放電燈。在這兩大類(lèi)照明燈中，只有UHP燈、UHE燈和金屬鹵素?zé)艏饶苓_(dá)到投影機(jī)所要求的光亮度（這些燈的發(fā)光效率都在80流明/瓦特以上）、色溫要求（這些燈的色溫特性都在4 000K以上），又具有覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光（360nm～760nm）全部范圍的發(fā)光頻譜，因而當(dāng)仁不讓地?fù)?dān)當(dāng)了投影機(jī)內(nèi)的發(fā)光光源。

2 UHP光源

目前投影系統(tǒng)中用到的光源大多為UHP（ultra high performance）燈，短弧超高壓汞燈。UHP是飛利浦公司發(fā)明的一種專(zhuān)利技術(shù)，當(dāng)燈泡衰竭時(shí)會(huì)即刻熄滅。UHP燈泡能產(chǎn)生大光量，并能有效地抑制閃爍情況的發(fā)生，而且外形小巧，亮度衰減更小。 其壽命較長(zhǎng)，一般標(biāo)稱(chēng)6 000h，最長(zhǎng)的甚至標(biāo)稱(chēng)12 000h，累計(jì)工作4 000h后亮度也不會(huì)出現(xiàn)明顯的衰減。

因?yàn)閁HP燈泡發(fā)出的光是理想的冷光源，所以現(xiàn)普遍應(yīng)用在正投投影機(jī)和DLP背投拼接墻上，另外UHP燈泡也應(yīng)用于家用大屏幕背投電視上。

UHP的特性有：

（1）UHP 能夠激發(fā)出最高的亮度，平均值高達(dá)1Gcd/m2；

（2）UHP 是最有效率的系統(tǒng)，短間距電極能夠應(yīng)用于更小尺寸的面板；

（3）UHP 擁有較長(zhǎng)的使用壽命，光源壽命于前投應(yīng)用領(lǐng)域可達(dá)1 000h～6 000h；

（4）由高壓板產(chǎn)生的脈沖與光源之間的相互作用，能有效穩(wěn)定電極以抑制閃爍的發(fā)生。

燈泡由其燈泡杯的面型可分為兩種：P（拋物面）型和E（橢球面）型（如圖2）。

超高壓汞燈泡的組成主要由發(fā)光管、反射罩和連接電極組成（如圖3）。

高壓汞燈的典型結(jié)構(gòu)為：燈中心部分是放電管，用石英玻璃制成。管內(nèi)充有一定量的汞和氬。用鎢作主電極并填充堿土金屬氧化物電子發(fā)射物質(zhì)。電極和石英玻璃用鉬箔實(shí)現(xiàn)非匹配氣密封接。啟動(dòng)一般采用輔助電極，它通過(guò)一個(gè)40k Ω～60k Ω的電阻和不相鄰的電極連接。外殼除起保護(hù)作用外還可防止環(huán)境對(duì)燈的影響。外殼內(nèi)表面涂以熒光粉，成為熒光高壓汞燈。熒光粉的作用是補(bǔ)充高壓汞燈中不足的紅色譜線，同時(shí)提高燈的光效。

超高壓汞燈泡的工作原理為：

（1）點(diǎn)燈初期先施加數(shù)千伏至數(shù)十千伏脈沖高壓，使燈管的絕緣失效并受到始動(dòng)電源器的電流限制，之后電力逐漸增加大約1min后，達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)燈狀態(tài)。

（2）超高壓水銀燈可分為AC點(diǎn)燈方式與DC點(diǎn)燈方式兩種。

A C點(diǎn)燈方式可藉由點(diǎn)燈器的設(shè)計(jì)改善閃爍（flicker）現(xiàn)象，相較之下DC點(diǎn)燈方式本身閃爍現(xiàn)象比較少，投影機(jī)的照度可任意增減調(diào)整，對(duì)投影機(jī)而言乃是一大優(yōu)勢(shì)。

DC點(diǎn)燈方式比較容易小型化，不過(guò)DC點(diǎn)燈方式的陽(yáng)極容量（volume）很大，容易產(chǎn)生配光平衡與發(fā)光管熱流不均等問(wèn)題。

然而使用UHP燈也存在許多問(wèn)題。例如在一個(gè)單片式的投影儀系統(tǒng)中，要用分光系統(tǒng)將白光分為三種原色光，因此需要三片分色鏡。這在一定程度上會(huì)提高成本以及增加系統(tǒng)的尺寸。另外U V（Ultraviolet）～ IR（Infra-red）濾色片也會(huì)增加成本。由于每個(gè)光學(xué)元件亦會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，因此降低了最終光學(xué)輸出。將白光分為R、G、B三色光以后，每一個(gè)顏色的光譜還是較大，因此減少了系統(tǒng)色域。UHP燈的平均壽命雖然已經(jīng)達(dá)到5 000h，但始終限制了投影機(jī)的使用時(shí)間。此外，UHP燈的驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高，冷卻燈泡體積大，價(jià)格高，使用汞蒸氣還有爆炸的危險(xiǎn)等。

3 LED光源

為了解決UHP的上述問(wèn)題，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注LED（1ight-emitting diode），許多投影顯示開(kāi)始使用LED作為光源。

LED 光源是一種新的光源，它處于不斷的快速發(fā)展中，光效不斷提高，價(jià)格不斷下降，這使它的競(jìng)爭(zhēng)力不斷提高。雖然目前采用LED作背投光源流明成本比較高，但它更長(zhǎng)的壽命和更高的圖像質(zhì)量可以彌補(bǔ)這點(diǎn)，而且它的流明成本也在不斷下降。

LED（發(fā)光二極管）是一種固態(tài)半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體芯片，半導(dǎo)體芯片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)芯片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。

與傳統(tǒng)的投影儀光源相比，LED有許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）壽命超長(zhǎng)，幾乎不需考慮使用時(shí)間的問(wèn)題。LED發(fā)光原理不同于傳統(tǒng)UHE、UHP燈泡，它在發(fā)光過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量熱量，因此壽命可以達(dá)到10 000h以上。

（2）超便攜，超靜音，發(fā)熱極低。由于LED是冷光源，工作中不會(huì)產(chǎn)生大量熱量，并且減化了原有光源要求的復(fù)雜光路結(jié)構(gòu)，這樣就可以降低對(duì)投影機(jī)散熱系統(tǒng)的要求，體積就可以做到比原來(lái)小得多。

（3）特別省電。LED投影機(jī)體積小巧，發(fā)熱量低，點(diǎn)亮燈泡功耗遠(yuǎn)比點(diǎn)亮傳統(tǒng)UHP燈（超能燈）、UHE燈和金屬鹵素?zé)艄囊俚枚啵蟾?0多瓦的功耗，用戶(hù)無(wú)需擔(dān)心耗電問(wèn)題。

（4）價(jià)格可以接受。和那些價(jià)格高昂的進(jìn)口UHP或UHE光源相比，LED光源比傳統(tǒng)光源造價(jià)要低廉得多。不但光源成本降低了，由于節(jié)省了散熱系統(tǒng)，精簡(jiǎn)了光路結(jié)構(gòu)，總成本也可以得到很好的控制。

目前LED光源在前投影上的應(yīng)用主要集中在兩方面：一種是超小型的投影機(jī)或口袋式投影機(jī)，這種投影機(jī)集成了LED光源技術(shù)和微技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是LED光源所特有的產(chǎn)品。它的特點(diǎn)是體積非常小，一般接近手掌大小，卻可以投出762mm左右的畫(huà)面，輸出大約50hn左右。整機(jī)功耗十多瓦，交直流兩用，固定處有市電時(shí)用交流供電，無(wú)市電可用時(shí)直流供電。通過(guò)接口的連接，用作其他個(gè)人移動(dòng)圖像信息設(shè)備，包括DV、DC、手機(jī)、移動(dòng)DVD、PMP等顯示終端。

第二類(lèi)以背投電視為主，LED背投電視樣機(jī)在2005年CES展會(huì)首次亮相，2006年CES上多達(dá)5家公司展示LED背投電視，背投分辨率高，價(jià)格遠(yuǎn)低于同尺寸平板電視。

4 結(jié)論

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(huì)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。

［1］楚鵬.投影機(jī)的現(xiàn)代化革命——淺談投影機(jī)LED光源技術(shù)[J].家電大視野，2006，12.

［2］范朝勛.LED投影發(fā)展和趨勢(shì)述評(píng)[J].現(xiàn)代顯示，2006，12.