LED光源在微投影系統(tǒng)上的應(yīng)用

1 引言

隨著藍(lán)光LED 的問(wèn)世， LED 三基色發(fā)光已齊備， 近年來(lái)被逐步應(yīng)用于投影顯示中。本文簡(jiǎn)要概括了LED 光源的特點(diǎn)， 對(duì)其在微投影機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析， 并歸納了目前主要存在的問(wèn)題，最后對(duì)LED 光源在微投影系統(tǒng)上的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2 LED 簡(jiǎn)介

LED (Lighting emitting diode) 即發(fā)光二極管，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料， 在半導(dǎo)體中通過(guò)載流子發(fā)生復(fù)合放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射， 直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫色的光。

LED 作為21 世紀(jì)綠色、節(jié)能的第四代照明光源，具有廣闊的發(fā)展前景。

2.1 LED 光源發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀

1964 年， 世界上第一支紅色發(fā)光二極管研制成功， 之后出現(xiàn)了黃光LED, 綠光LED.1994 年， 藍(lán)光LED 的研制成功使白光LED 的開(kāi)發(fā)成為可能。

1996 年， 日本Nichia 公司成功開(kāi)發(fā)出二波長(zhǎng)白光(基于藍(lán)光單晶片襯底上加以YAG 黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光)LED 并成功實(shí)現(xiàn)商品化，同年在世界范圍內(nèi)取得了該項(xiàng)技術(shù)的專(zhuān)利。目前發(fā)展的方向是無(wú)機(jī)紫外光晶片加紅、藍(lán)、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光的三波長(zhǎng)白光LED, 實(shí)現(xiàn)商品化后它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈及二波長(zhǎng)LED,成為新一代的光源。表1 為2007 年底各國(guó)白光LED 技術(shù)指標(biāo)。

表1 國(guó)內(nèi)外功率型白光LED技術(shù)指標(biāo)對(duì)比(2007年12月)

2.2 LED 光源的特點(diǎn)

2.2.1 發(fā)光效率高

L 轉(zhuǎn)ED 光源屬于一次光源，在發(fā)光的過(guò)程中，電能直接變?yōu)楣饽?。白熾燈、鹵鎢燈光效為12~24 lm/W,熒光燈為30~70 lm/W, 鈉燈為90~140 lm/W,大部分的耗電變成熱量損耗。LED 光效經(jīng)過(guò)改良后可達(dá)到50~200 lm/W, 而且其光的單色性好、光譜窄、無(wú)需過(guò)濾可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。隨著各國(guó)研究的深入，LED 的光效會(huì)進(jìn)一步提高， 必將成為一種新型的照明光源。

2.2.2 耗電量少

LED 單管功率0.03~0.06 W, 采用直流或脈沖直流驅(qū)動(dòng)， 單管驅(qū)動(dòng)電壓1.5~3.5 V, 電流15~18 mA,響應(yīng)時(shí)間微秒級(jí)， 可高頻操作。同樣照明效果的情況下， 耗電量是白熾燈泡的1/8, 熒光燈管的1/2。

以橋梁護(hù)欄燈為例， 同樣效果的一支日光燈40 多瓦， 而采用LED 每支只有6~8 W (以100 只LED 單管紅、綠、藍(lán)三色均布計(jì)算)， 而且可以七彩變化。

2.2.3 使用壽命長(zhǎng)

LED 光源采用電子光場(chǎng)輻射發(fā)光， 無(wú)燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點(diǎn)。一般來(lái)講， 普通白熾燈的壽命約為1 000 h, 熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈的壽命也不超過(guò)10 000 h, LED 的使用壽命則可長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)， 而且體積小、重量輕， 采用環(huán)氧樹(shù)脂的封裝結(jié)構(gòu)可承受高強(qiáng)度的機(jī)械沖擊和震動(dòng)。

LED 燈具使用壽命可達(dá)5~10 年， 可以大大降低燈具的維護(hù)費(fèi)用。

2.2.4 安全可靠性高， 控制方式靈活

LED 屬冷光源， 發(fā)熱量低， 無(wú)熱輻射， 能精確控制光型及發(fā)光角度， 光色柔和無(wú)眩光， 不含汞、鈉元素等可能危害環(huán)境的物質(zhì)。通過(guò)微處理(CPU)系統(tǒng)可以控制發(fā)光強(qiáng)度， 調(diào)整發(fā)光方式。紅、綠、藍(lán)三色組合亮滅可實(shí)現(xiàn)8 種變化效果， 如采用灰度控制， 理論上能產(chǎn)生256 × 256 × 256 (16 777 216)種顏色效果， 真正意義上實(shí)現(xiàn)了光與藝術(shù)的完美結(jié)合。

3 LED 光源在投影機(jī)上的應(yīng)用現(xiàn)狀

采用LED 光源的投影機(jī)， 一方面， 它改變了原有光源所要求的復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu); 另一方面， 由于LED 是冷光源， 工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量熱量， 可以降低對(duì)投影機(jī)散熱系統(tǒng)的要求， 減少散熱方面的配置。所以， 投影機(jī)的體積就可以做到比原來(lái)小得多。在重量方面，LED 光源投影機(jī)一般都保持在1 kg以下， 有些甚至只有0.5 kg 左右， 這樣的重量便于攜帶， 并且LED 投影機(jī)在功耗方面也比采用傳統(tǒng)光源的投影機(jī)要小得多， 拋開(kāi)散熱裝置的設(shè)計(jì)讓傳統(tǒng)投影機(jī)煩人的噪音徹底遠(yuǎn)離。

3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

應(yīng)用LED 光源的投影產(chǎn)品最早亮相是在2003年5 月舉行的SID 年會(huì)上， 以其袖珍的機(jī)身引起了很大的反響; 不過(guò)， 當(dāng)時(shí)只是概念產(chǎn)品。真正具有實(shí)用意義的則是在2005 年1 月CES 展會(huì)上， 5 家公司同時(shí)展出了LED 光源的袖珍投影機(jī)， 人們才開(kāi)始真正考慮LED 光源投影產(chǎn)品在應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)及弱點(diǎn)。又經(jīng)過(guò)一年的技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展， 2006 年1 月CES 展會(huì)上LED 光源成為突出的亮點(diǎn)， 2006 年6 月SID 討論會(huì)上發(fā)表了大量的LED 光源論文， 從而標(biāo)志著進(jìn)入LED 發(fā)展的新階段。2008 年， LED 光源亮度瓶頸實(shí)現(xiàn)突破。投影機(jī)燈泡廠商德國(guó)歐司朗2008 年末宣布， 已經(jīng)研發(fā)出了最新的LED 光源系統(tǒng)， 采用5 個(gè)LED 燈泡的這種光源亮度提升到了500 lm 以上。而在CES2009 消費(fèi)電子展上展出的幾款LED1080p 投影機(jī)也宣稱(chēng)亮度達(dá)到了700 lm 以上， 其中來(lái)自我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的奇菱科技更是宣布其LED 投影機(jī)的亮度已經(jīng)超過(guò)1 000 lm.這些產(chǎn)品無(wú)一不在說(shuō)明， LED 光源的亮度已經(jīng)非常接近普通投影燈的亮度。

目前， LED 光源主要應(yīng)用于集成化小型投影原件和袖珍式小型機(jī)兩種投影產(chǎn)品[5].集成化小型投影原件不做成獨(dú)立機(jī)型， 其主要是與微型顯示設(shè)備如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦集成在一起， 電池供電， 可以投影約A4 紙或標(biāo)準(zhǔn)信紙大小的圖像， 方便與他人共享畫(huà)面。袖珍式掌上投影機(jī)則是完整獨(dú)立機(jī)型， 體積小巧輕便， 一只手也可以輕易地拿起，攜帶方便， 可放于文件包內(nèi)， 可交直流兩用。

3.2 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.2.1 體積小， 壽命長(zhǎng)

LED 光源就是常見(jiàn)的發(fā)光二極管， 體積遠(yuǎn)比投影機(jī)所用的燈泡模組和散熱系統(tǒng)小巧， 這也是能做成手掌大小迷你投影機(jī)的關(guān)鍵原因。普通投影機(jī)使用的燈泡壽命只有2 000~4 000 h, 且其光效會(huì)隨使用時(shí)間的增加而減小， 如圖1 所示。而LED 光源的壽命有幾萬(wàn)小時(shí)， 可以在數(shù)年時(shí)間里無(wú)需考慮更換燈泡所付出的成本， 使用戶(hù)的使用成本大幅度縮減。

圖1 普通投影機(jī)燈泡光效和使用時(shí)間的關(guān)系

3.2.2 響應(yīng)速度快

LED 不需要普通投影機(jī)燈泡的預(yù)熱時(shí)間， 因此可以做到開(kāi)機(jī)即亮， 且無(wú)需等待關(guān)機(jī)散熱， 高壓水銀燈泡關(guān)閉后不能馬上撤去散熱氣流， 否則會(huì)極易引起炸燈， 而LED 光源發(fā)熱量不大， 也不用擔(dān)心損壞， 所以即關(guān)即停。

3.2. 色彩范圍寬

RGB LED 的三基色純度很高，可以實(shí)現(xiàn)非常寬的色域范圍(如圖2 所示)， 而普通投影燈泡包含的光譜范圍有限， 且需要色輪分色， 色彩純度往往受到亮度需求的限制， 一般投影機(jī)的色域范圍僅為NTSC 的60~70%, LED 光源投影機(jī)則可輕松達(dá)到100%以上， 色彩還原更好。

圖2 LED光源寬的色彩范圍

3.2.4 需色輪分色

單片DLP 的色彩來(lái)自于色輪對(duì)燈泡光線(xiàn)的分解， 色輪轉(zhuǎn)速直接影響到畫(huà)面色彩刷新速度， 常見(jiàn)的彩虹現(xiàn)象正是由于色輪的存在而產(chǎn)生的， 而RGBLED 3 種顏色發(fā)光體按照時(shí)間順序輪流發(fā)光， 等效于色輪分色， 但速度可以達(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(méi)有色輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的噪聲。另外與UHP 燈相比， LED 光源不會(huì)發(fā)出紫外和紅外波段的光， 系統(tǒng)中不需要UV 和IR濾光片， 這樣投影系統(tǒng)就可以做得更小， 成本更低。圖3、圖4 分別為普通燈泡做光源時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和三色LED 燈做光源時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 普通燈泡做光源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 三色LED燈做光源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 目前LED 作為投影機(jī)光源存在的問(wèn)題

4.1 光通量有待提高

LED 的光效與傳統(tǒng)投影機(jī)使用的UHP 和UHE燈相比仍有較大的差距。LED 光源要想成為傳統(tǒng)投影機(jī)金屬鹵素?zé)襞菀约傲餍械某邏汗療襞莸男滦吞娲罚?就必須發(fā)出更多的光， 必須具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率， 目前世界各國(guó)均加緊了對(duì)LED 發(fā)光效率的研究。

4.2 生產(chǎn)成本高

生產(chǎn)成本高是影響LED 光源普及的主要原因。

但是， 近年來(lái)隨著晶片生產(chǎn)技術(shù)的改良及各種專(zhuān)利技術(shù)的解禁(日本Nichia 日亞公司的專(zhuān)利保護(hù)期至2006 年)， 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L(zhǎng)ED 光源的廣泛應(yīng)用提供了有利條件。

4.3 產(chǎn)品的一致性、可靠性有待提高

由于投影需要由多個(gè)LED 單體組成， 其參數(shù)離散型是一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題。除了通過(guò)預(yù)選、分類(lèi)盡量保證一致性外， 還必須設(shè)計(jì)合理的LED 排列結(jié)構(gòu)和研究適合的驅(qū)動(dòng)電路， 防止偶然產(chǎn)生的能量集中而燒毀部分LED.

4.4 光束質(zhì)量差

目前， LED 器件或芯片的出射光束擴(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，也不利于改進(jìn)投影引擎的相關(guān)性能和成熟度。用LED 器件或芯片構(gòu)建的投影光源是一種具有多個(gè)離散發(fā)光元件的擴(kuò)展面光源， 對(duì)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， 如何高效率地利用LED 的光能成為一個(gè)非常有研究?jī)r(jià)值的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。LED 光源低發(fā)熱量的優(yōu)勢(shì)可以讓投影機(jī)體積做得更加小巧， 其2 萬(wàn)小時(shí)的壽命基本杜絕了投影機(jī)使用一段時(shí)間后需要更換燈泡的現(xiàn)象， 用戶(hù)的使用成本將大幅度縮減， 這為投影機(jī)進(jìn)入家庭市場(chǎng)帶來(lái)了可能性。隨著世界各國(guó)對(duì)LED 光源技術(shù)的深入研究和技術(shù)突破， LED 光源在不久的將來(lái)定能取代現(xiàn)有金屬鹵素?zé)襞菀约傲餍械某邏汗?strong>燈泡， 成為投影機(jī)的新型光源。