投影機固態(tài)光源發(fā)展趨勢（上）

鄭文欽

高壓汞燈（UHP）從1990年代有投影機開始就存在。直到2007才有LED光源在投影機的萌芽，但至今都還無法撼動高壓汞燈的占有率。原因是汞燈的技術成熟，不需再投資研發(fā)，因此成本是最大優(yōu)勢。但由于環(huán)保意識提高，無毒化學氣體及節(jié)能高效率的固態(tài)光源的出現，導致全球興起對光源破壞性科技的探討，以取代愛迪生發(fā)明的燈泡及熒光燈，龐大的照明市場吸引大量資源投入研發(fā)制造，讓固態(tài)光源的光效率每年以兩倍的速度增加。另外，由于其節(jié)能省碳減緩地球暖化速率，在各國政府的政策支持下，2012成為固態(tài)光源元年，固態(tài)光源正在改變路燈及家庭照明市場。

投影機技術的領導巨擘德州儀器公司，正在利用這技術革新的時代，全力投注以固態(tài)光源來取代傳統高壓汞燈的設計，宣稱無燈的設計（LampFree）。其理由一者是環(huán)保；二者燈壽命增長幾乎免換燈，對使用者有省維護及換燈的好處，少掉使用成本；三者，固態(tài)光源有馬上亮及易于點亮控制的特點，免除需要高壓20KV點燈瞬間，增加系統可靠性；第四，半導體技術是目前科技史上進展最快且可以期待的，性能/成本比最佳的技術。

投影機光源的特殊要求

雖與照明光源共享半導體技術及材料，但光源應用于投影機有以下的考慮。

·光效率：光源的光多少比率會被投影面板接收并投射出去，這是光源及投影面板光展量（Entendue）的相對關系。

由于投影機對光源的要求有其特殊光學要求，集光效率是一個重要考慮，集光效率與顯示的投影面板尺寸有相互關系。光源光展量（Entendue）越小，光通量被面板移轉過去的百分比越高。

LED由于發(fā)光面積大，發(fā)光立體角大，因此其光展量大，若投影面板尺寸小于0.7”，則效率相當低，達不到2，000流明。因此LED雖較早開發(fā)量產，但遲遲無法成為投影市場主流。

激光的光展量很小，因其光線非常集中且能量高（如圖2），因此激光是尋求高流明的一個解法。

·光源的色譜色域是否與標準REC-709（ITU-R國際電信組織定義的HDTV色域要求）接近或具有更寬廣的色域。REC-709色域如圖4。

·電光轉換效率，以相同頻譜455nm（藍色頻譜）來比較。激光約有兩倍的效能于LED。

以藍色LED來看，其電光效率24光瓦/160電瓦=15%。

激光則是29光瓦/90電瓦=32%

由集光效率及電光轉換效率成積即為投影機的效率，中國CQC6102-2009數字投影機環(huán)保節(jié)能要求，要求投影機所耗的電與所發(fā)出的光量必須大于7流明/瓦特。一般LED光機要超過規(guī)范不是容易的事。但對于激光則是相當容易的事。

·成本高低： LED產業(yè)有非常大的照明應用基礎，因此造就了有效率的分工體系，及大量的原材料，因此有非常好的成本優(yōu)勢。而激光目前成本非常高無法跟LED比。但從未來趨勢看，由于激光制造也是半導體制程，因此當它成為主流應用時，可以期待成本大幅下降。

投影機固態(tài)光源的演進史

如同各種技術在初期會有各種方式存在，各種方法都在極力解決一種問題，但并不能解決所有問題。固態(tài)光源在投影機的應用設計演進，是依據技術的成熟度以漸進方式地解決效能不足。在此我們將闡述近五年來的投影激光源的演進歷史。2007年TI提出LED光源取代UHP光源，后來2010年TI再提出激光光源架構。

純LED光源： 這是最早被提出的，但由于光效不佳，因此不被前投接納，但在背投機芯中因其長壽命及飽和色彩而漸呈主流。對微型投影則因空間的優(yōu)勢及光源控制容易而獲得認可。

混和光源（激光加LED）： 為了解決LED光源的亮度不足2，000流明，但又要保有好的色彩，因此產生了混和光源。

激光光源： 由于混和光源采用激光及LED組件，導致設計復雜化。盡管在電源及光學架構都有兩套，但亮度還是被LED所限。因而構想純藍色激光加上熒光輪以產生紅綠光并經過色輪以優(yōu)化投射光的色域。這種設計亮度就沒有限制，你可以依據亮度需求而增加激光二極管個數（其限制只在于散熱）。

三色激光光源： 這是對激光光源色彩飽和度不足的改善。這是由于熒光轉化的光線頻譜分布廣，及藍色激光無法改變光譜，另外排除熒光輪及色輪以增加系統信賴度而衍生的設計。

各種投影機光源技術的優(yōu)缺點

LED投影機

相較于UHP光源，LED光源有以下特色：

優(yōu)點： 瞬間開機，只需等一秒即達全亮，而以前UHP需要30秒的開機等待，及關燈風扇冷卻時間；可靠性增長，無轉動的色輪（純粹靠RGB LED順序切換來產生順序的RGB畫面）；無彩虹效應，相當于360-480Hz的轉換速度；燈源超長壽命達60，000小時，以7×24使用可以達七年無需換燈，省下維修費用；色域范圍大于Rec709。

缺點： 光效率不高，約6-8流明/瓦；LED驅動器成本高：由于需要快速切換RGB；設計復雜，熱需精心設計，需加Heatsink&HeatPipe才能把熱帶走；整體成本高；驅動器貴，光學部件多，散熱模塊復雜且價格昂貴。

LED是以RGB輪流切換方式進行發(fā)光。若要達到1，000流明，必須LED瓦特數達120-150瓦。目前只有Luminus及OSRAM才有提供這種高功率。目前業(yè)界LED光機能做到的高亮也只有1，200流明。

混和光源（LED，激光，熒光輪）投影機

為了提升投影機亮度因此就有一種想法，即提升綠色光源亮度以提升總體亮度至2，000流明，（這是前投機的基本要求門坎，達到這個亮度才能滿足會議室及教室的應用）。

以藍色激光發(fā)出強光激發(fā)轉動的綠色熒光輪，以產生高亮綠光同時有激光藍色，以取代純的綠光及藍光LED。這是取巧于人眼對綠光最敏感，可以提供較多的亮度感覺。又可以省下藍色光源。

但這設計架構的亮度提升，會受限于色溫質量的要求。白色色溫是依據紅綠藍的比率組合，一般以0.3：0.59：0.11作為最適組合。因此紅色光源能量沒提升，就會限制總亮度。并且綠光的頻譜相對LED較不純，因此導致色域在綠色是縮小的。且藍色光是延用激光基本波長，因此藍色會有紫色的視覺感。

相較于LED光源，（為了提升亮度又不降低色域太多）。

優(yōu)點： 光效率增加，亮度提升可以至2，000流明。

缺點： 彩虹效應較明顯，因其轉動速度約120-240Hz（熒光輪速度的限制）；系統可靠性較低，因增加一個動件熒光輪（約20，000-50，000小時的壽命）；燈壽命較短：激光目前的壽命只有20，000小時；電源系統復雜，兩套驅動系統LED，激光；？光源光路系統復雜，兩套聚光方式，紅色LED需聚光，與藍色激光與綠色激發(fā)光匯聚；色域范圍略小于Rec709（綠的較弱）。

激光投影機（激光，熒光輪及色輪）

為改善混合光源的復雜光學，電子設計及亮度依然受限于紅色LED，因此又產出了純藍色激光加熒光輪及色輪的設計，以產生好的色彩及高亮度。透過色輪將熒光轉換光色彩優(yōu)化。因此可以隨心所欲產生所要的色域，但必須犧牲亮度來成就色彩。色輪與熒光輪是以同步方式在運轉。

相較于混和光源的比較。

優(yōu)點： 亮度提升，可以至2，500-3，000流明（純依賴激光二極管的個數）；光效率提升，可以達到12-16流明/瓦特，符合CQC6102-2009數字投影機環(huán)保節(jié)能要求；光學系統單一化，只要對激光激發(fā)的光做收光；激光驅動電路簡化，激光驅動不用復雜地做脈沖電流切換，只要提供一恒定電流；亮度可以依需求而自制，可以使用16，20或32顆激光二極管，無須像LED或UHP受限于廠商的有限的組件型號，而需要合并雙燈以提升亮度。

缺點： 系統可靠性降低，因增加一個色輪。

RGB三色激光投影機

由于純激光加熒光輪及色輪的投影機，在機器里有兩個移動的動件，機器的穩(wěn)定性會降低（色輪壽命約為2-5萬小時）。需要更廣的色域的應用，對于頻譜轉換的色彩效果不滿意，如圖11.2所示，光的純度不符需求。因此在高端應用如營業(yè)劇院及家庭劇院，就需設計RGB三色激光光源。

相較于激光投影機與三色激光投影機的差異。

優(yōu)點： 可靠性增加，沒有熒光輪及色輪動件，增長系統可靠性；超寬廣的色域，RGB光譜集中；集光效率好，激光發(fā)光光展量小，因此面板幾乎完全投射出去；光學系統設計簡單，鏡頭焦深長，鏡頭設計容易，可以對焦在曲面上。

缺點： 組件成本高，紅色及綠色激光二極管制作不易，尤其是綠色，售價超級高，尤其綠色激光二極管其能量只能紅色及藍色的1/5，不超過0.6W（相對B-3.5W）；需克服激光斑點問題，增加電路及結構以克服激光斑點問題。

主流的光源架構：激光光源（激光，熒光輪及色輪）

綜合以上的分析比較，基于價錢壽命性能的綜合考慮，能占據主流市場的，應是激光投影機。

前投機在會議室或教室的應用占投影機絕大多數市場，其要求亮度大于2，000流明及成本便宜。因LED亮度有限制，混和光源系統復雜，三色激光成本高，只有激光光源方案才能期待。因激光才能提供高流明又可以期待成本的下降。而半導體的組件只要有量，價錢的下降是可以預期的。LED及LCD電視產業(yè)都是一個好范例。

激光投影機即將是主流市場接納的技術，我們下面將說明其工作原理及其發(fā)展趨勢。

激光熒光輪光源的工作原理

一個BankL1藍色激光二極管（約20-32個，個數因亮度需求而不同）。

透過C1/C2鏡片聚焦及DM1（雙色組件）反射抵達熒光輪（PW1）處。熒光輪（PW1）以兩倍的視頻幀速率轉動，光打到紅綠黃熒光粉而激發(fā)出相對應的紅光、綠光和黃光。因熒光輪的轉動，而產生順序紅綠黃光，透過光學的反射及聚焦最后達到色輪CW1被優(yōu)化后，進入光的積分柱LT1。藍光則不激發(fā)熒光輪，以穿透方式（圖示的熒光輪藍色區(qū)）經由C4、M2、C5、M3、C6、M4、C7光抵達DM1并被反射至C8，聚光到色輪CW1，之后便進入光均勻通道LT1，再到光機內部（光機內部則與UHP，LED光源光機無異）。

未完待續(xù)