新型投影機(jī)高效光源：ED

馬建設(shè) 賀麗云 蘇 萍 劉 彤 林喜榮

(清華大學(xué)深圳研究生院，廣東深圳 518055)

1 引言

近年來，隨著投影產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及投影技術(shù)的進(jìn)步，投影機(jī)市場迅速擴(kuò)大，大到大型會議室使用的投影機(jī)，小到口袋式微型投影機(jī)，逐漸應(yīng)用于日常生活中［1］。大型投影機(jī)的發(fā)展和普及為各種大中型會議和各種展覽提供了極大的方便，但是傳統(tǒng)投影機(jī)技術(shù)的發(fā)展存在瓶頸，尤其是關(guān)鍵部件:光源［2］。投影機(jī)光源的用途是為非自發(fā)光投影機(jī)提供光源，而且投影機(jī)光源不僅要求高的光通量輸出，還要求光源的擴(kuò)展量盡可能小。然而傳統(tǒng)光源體積大、功耗和發(fā)熱量高，壽命很短，顯然不適應(yīng)投影機(jī)的發(fā)展［3～4］。

現(xiàn)在投影機(jī)采用的光源大多為氣體放電燈，是一種成熟的電光源。隨著LED光源的發(fā)展，其光效和光源亮度不斷提高，最近開始出現(xiàn)在投影機(jī)光源市場中［5］。與投影機(jī)傳統(tǒng)光源如氣體放電燈相比，LED屬于冷光源，具有發(fā)熱量低、壽命長、色彩飽和度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用LED作為光源的投影機(jī)可以做到手機(jī)般大小，而且超長的壽命可以使投影機(jī)擺脫經(jīng)常更換燈泡的不便的問題［6］。但是在很長一段時間，由于LED自身發(fā)光功率的限制，一直阻礙它在投影儀領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用［7］。隨著大功率LED在發(fā)光功率方面的突破和性能的提升，LED在光學(xué)應(yīng)用方面與傳統(tǒng)光源之間的差距正在逐漸縮小。與白熾燈、熒光燈相比，LED光源壽命長、體積小，其應(yīng)用在投影機(jī)光源上有很大的優(yōu)勢，同時也存在一些需要改進(jìn)的地方［8］。

2 LED投影機(jī)光源的優(yōu)勢

LED光源投影機(jī)具體有哪些優(yōu)勢，為何說它將會成為未來投影機(jī)光源的主力軍，下面我們逐個進(jìn)行分析。

LED又稱為發(fā)光二極管，很早之前就開始用在顯示和照明領(lǐng)域。它的主體是一個PN結(jié)，在兩端加上電壓，電流會從LED陽極流向陰極，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，電流越強(qiáng)，發(fā)光越強(qiáng)。

與傳統(tǒng)投影機(jī)光源相比LED所具有的優(yōu)勢如下:

2.1 壽命長

一般來講，普通白熾燈的壽命約為1000小時，氣體放電燈的壽命也不超過10000小時。LED光源衰減緩慢，10000小時只衰減5%，壽命理論上可達(dá)100000小時。LED是固態(tài)冷光源，采用環(huán)氧樹脂的封裝結(jié)構(gòu)，體內(nèi)沒有松動部件，可承受高強(qiáng)度的機(jī)械沖擊和震動。LED的壽命有幾萬小時，可以在數(shù)年內(nèi)無需考慮更換燈泡，使用戶的使用成本大大縮減。

2.2 體積小

LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常小，非常輕。體積遠(yuǎn)比投影機(jī)所用的燈泡模組和散熱系統(tǒng)小，這也是能做成手掌大小迷你投影機(jī)的關(guān)鍵原因。

2.3 能耗低

LED采用直流或脈沖直流驅(qū)動，單顆驅(qū)動電壓為1.5～3.6V，電流為15～30mA，也就是說它消耗的電能不超過0.1W，約為0.03～0.06W。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈的1/8，熒光燈的1/2。

2.4 光效高

LED光源屬于一次光源，在發(fā)光的過程中，電能直接轉(zhuǎn)化為光能。LED的發(fā)光效率每年約以20lm/W的速度提升，高亮度LED的發(fā)光效率現(xiàn)已達(dá)到150lm/W以上。而白熾燈、鹵鎢燈的光效為12～24lm/W，大部分的耗電變成了熱能損耗。熒光燈為30～70lm/W，鈉燈為90～140lm/W。

隨著各國研究的深入，LED的光效會繼續(xù)提高，必將成為一種新型的投影光源。

2.5 色純度高

LED發(fā)出的光是單波峰的光，波峰半寬只有幾十納米，色彩更為鮮艷。

2.6 響應(yīng)時間短

LED的響應(yīng)時間為納秒級。且LED不需要普通投影機(jī)燈泡的預(yù)熱時間，因此可以做到開機(jī)即亮。高壓水銀燈燈泡關(guān)機(jī)后不能馬上撤去散熱氣流，不然很容易引起炸燈。LED光源的發(fā)熱量不大，不用等待關(guān)機(jī)散熱，可以即關(guān)即停。

2.7 色彩范圍寬

普通投影燈泡包含的色域有限，且需要色輪分色，色彩純度往往受到亮度需求的限制。

LED的三基色色純度很高，可以實(shí)現(xiàn)非常寬的色域范圍?？刹捎肔ED三基色組合取代白光光源，通過微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強(qiáng)度、調(diào)整發(fā)光方式，RGB三色組合的亮滅可以實(shí)現(xiàn)8種變化效果，如果采用灰度控制，理論上可以產(chǎn)生256×256×256種變化效果。投影機(jī)中的色輪及相關(guān)機(jī)械裝置可以被取消，投影機(jī)可實(shí)現(xiàn)小型化、輕薄化。

2.8 不需色輪分色

普通投影機(jī)的色彩來自色輪對光源光線的分解，色輪轉(zhuǎn)速直接影響到畫面色彩刷新速度。常見的彩虹現(xiàn)象正是由于色輪的存在而產(chǎn)生的，而三基色LED燈按照時間順序輪流發(fā)光，等效于色輪分色，速度可以達(dá)到相當(dāng)于48倍速色輪的范圍，彩虹現(xiàn)象大幅減少，并且沒有色輪高速轉(zhuǎn)動帶來的噪聲。而且LED光源不會發(fā)出紫外和紅外波段的光，系統(tǒng)不需要UV和IR濾光片，這樣投影系統(tǒng)可以做到更小，成本更低。

2.9 綠色環(huán)保

LED是由無毒的材料做成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。LED光譜集中在可見光波段，光譜中幾乎沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源［8～9］。

3 LED投影存在的問題

雖然LED作為投影光源在投影機(jī)中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是LED在技術(shù)上還存在一些難以解決的問題:

3.1 產(chǎn)品一致性、可靠性較差

由于投影光源需要多個LED單體組成，其參數(shù)離散性是一個重要的技術(shù)問題。除了通過預(yù)選、分類保持一致性以外，還必須合理設(shè)計(jì)LED排列陣列和選用適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路，防止偶然發(fā)生的能量集中而燒毀LED。

3.2 光學(xué)擴(kuò)展量較大

目前LED芯片的出射光束擴(kuò)散角大，光學(xué)擴(kuò)展量較大，其幾何形狀不利于收集和傳輸。LED芯片構(gòu)建的投影光源是一種具有多個離散發(fā)光元件的組合面光源，組合光源面積過大會帶來成本的增加和某些性能的劣化;面積過小則LED芯片的排列密度過高，不利于光的收集和利用、散熱等，因此為增大引擎光效、提高亮度和均勻性等圖像質(zhì)量指標(biāo)增加了難度。

用于投影機(jī)光源的LED芯片集群組合方式還未成熟，如何高效率的利用LED的光能尚需不斷探索改進(jìn)。

3.3 價格較高

相比傳統(tǒng)光源，LED的價格相對較高，這是影響LED普及的主要原因。

但是，近年來隨著晶片生產(chǎn)技術(shù)的改良及各種專利技術(shù)的解禁，制造成本正在急劇下降，LED光源正朝著高效率、低成本的方向發(fā)展，這為LED的廣泛應(yīng)用提供了有利條件［8～9］。

4 LED在微型投影機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

LED光源亮度瓶頸得到突破，意味著LED光源應(yīng)用于投影機(jī)的時代已經(jīng)來臨。采用LED光源的投影機(jī)，不需要傳統(tǒng)光源所要求的復(fù)雜光路結(jié)構(gòu)，可以讓投影機(jī)體積做得更加小巧［10］。由于LED是冷光源，工作過程中不會產(chǎn)生大量熱量，降低了對投影機(jī)散熱系統(tǒng)的要求，減少散熱方面的配置，拋開散熱裝置的設(shè)計(jì)讓普通投影機(jī)惱人的噪音徹底遠(yuǎn)離，投影機(jī)的體積也可以比原來小的多。

LED光源投影機(jī)比采用普通光源的投影機(jī)耗電量低，未來可以實(shí)現(xiàn)由電池供電，隨時隨地都可使用。而且LED超長的壽命基本上避免了使用一段時間后需要更換燈泡的現(xiàn)象，用戶的使用成本大幅減少，這為投影機(jī)進(jìn)入家庭市場帶來了可能性。

LED光源投影機(jī)最早出現(xiàn)在2003年5月舉辦的SID年會上;不過，當(dāng)時這只是概念產(chǎn)品。真正意義上LED光源投影機(jī)的出現(xiàn)是在2005年1月CES展會上，5家公司同時展出了LED作為光源的微型投影機(jī)。投影機(jī)燈泡廠商德國歐司朗在2008年底宣布，已經(jīng)研發(fā)出了最新的LED光源系統(tǒng)，采用5個LED燈泡的這種光源亮度提升到了500lm以上。CES2009國際消費(fèi)電子展會上，LED光源被廣泛用于眾多品牌的投影機(jī)中，幾款LED光源投影機(jī)宣稱亮度達(dá)到700lm以上，其中更有宣布亮度已經(jīng)超過1000lm。這些產(chǎn)品無一不在說明，LED光源的亮度已經(jīng)非常接近普通投影燈的亮度。隨著各國對LED技術(shù)的深入研究和技術(shù)突破，LED光源在不久的將來定能成為取代傳統(tǒng)光源的新型投影機(jī)光源［8］。

5 結(jié)束語

LED的發(fā)展已有幾十年歷史，特別是近幾年半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得LED的發(fā)光效率逐年提高，而且造價不斷下降。大功率高亮度LED的出現(xiàn)，在普通照明領(lǐng)域掀起了一場新的變革，而LED應(yīng)用于投影機(jī)領(lǐng)域也終將帶來一場意義深遠(yuǎn)的革命。LED光源以其完美的色彩表現(xiàn)、小巧的體積、超低的功耗將實(shí)現(xiàn)真正意義上實(shí)現(xiàn)隨時隨投影，特別是在全球能源短缺的背景下，LED光源在投影市場的應(yīng)用更加引人注目。與此同時，LED本身所具有的光束發(fā)散角大、發(fā)光特性受溫度影響大、價格高等也是其應(yīng)用于投影光源急需解決的問題。

［1］高慧芳.LED照明顏色序列型LCOS微型投影儀設(shè)計(jì)［D］.浙江大學(xué)，2011.

［2］邱永華.淺談光源在投影系統(tǒng)中的革命 ［J］.電子與封裝，2010，10(10):44～48.

［3］沈培宏.投影機(jī)光源簡述 ［J］.燈與照明，2009，33(2):57～59.

［4］甄艷坤，李巖，白燕.TIR透鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)在LED微投影顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用 ［J］.應(yīng)用光學(xué)，2009，20(3):367～371.

［5］趙星，方志良，母國光.LED投影光源的色度學(xué)特性研究 ［J］.物理學(xué)報(bào)，2007，56(5):2537～2540.

［6］林鵬，孔茹斌，余建華，張琦，龔向東，劉偉杰，葉海舟，吳國城，羅良玉.基于FLCOS技術(shù)的微型投影機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.現(xiàn)代顯示，2012，132(11):9～14.

［7］趙星，方志良，崔繼承，張新，母國光.微型投影機(jī)光學(xué)引擎的研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(5):913～918.

［8］陳宇航，韓雪，李守榮，梁光勝，袁偉.LED光源在微投影系統(tǒng)上的應(yīng)用 ［J］.光機(jī)電信息，2009，26(9):18～22.

［9］張海翔.基于LCOS投影顯示的LED照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用［D］.中國海洋大學(xué)，2009.

［10］黃立恩.LED微型投影色彩再現(xiàn)技術(shù)研究 ［D］.浙江大學(xué)信息學(xué)部，2010.