LED電視光源技術(shù)：概覽及DLP的優(yōu)勢

概要

本文將探討發(fā)光二極管（Light Emitting Diode；LED）技術(shù)及其應(yīng)用于電視機產(chǎn)品所造成的影響。本文將著重該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，及其應(yīng)用于DLP產(chǎn)品的特殊優(yōu)勢。 介紹

LED已經(jīng)成為一種關(guān)鍵的照明技術(shù)，用途廣泛。自發(fā)明伊始 ，LED就被應(yīng)用在包括手表、計算器、遙控器、指示燈在內(nèi)的各種常見產(chǎn)品和家用設(shè)備。LED技術(shù)發(fā)展迅速，隨著亮度和效率的不斷提高，新的應(yīng)用更是層出不窮。 LED歷史

自20世紀初期，科學(xué)家們就不斷尋找能夠發(fā)光的各種物質(zhì)。1907年，亨利·約瑟夫·讓德發(fā)現(xiàn)碳化硅（SiC）能夠發(fā)光。在接下來的50年中，不斷有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)能夠發(fā)光的化合物。到了20世紀50年代，隨著對砷化鎵（GaAs）研究的不斷深入，LED的發(fā)現(xiàn)終于水到渠成。

①貝爾實驗室、惠普、IBM、孟山都及RCA等公司在20世紀60年代首先開始了LED的研究?；萜蘸兔仙蕉甲钕仍?968年推出了基于鎵砷磷的商用紅光LED。在70年代早期，隨著德州儀器、惠普和Sinclair等公司推出計算器和電子表等全新的產(chǎn)品，LED應(yīng)用暴增。其它諸如指示燈和字母數(shù)字顯示器等應(yīng)用很快成為LED的主流應(yīng)用，并延續(xù)至今。

② LED技術(shù)背景

顧名思義，LED就是會發(fā)光的二極管。二極管是最基本的半導(dǎo)體組件，其作用是在一定可控的范圍內(nèi)導(dǎo)電。最簡單的二極管由電的不良導(dǎo)體構(gòu)成，并對其進行改性（摻雜）以增加自由電子。高電子含量材料（稱為N型材料）與低電子含量材料（稱為P型材料）相連，為自由電子流動建立了通路。這個連接被稱為PN連接。

LED就是擁有PN連接的二極管半導(dǎo)體，在通電后釋放光子。該過程被稱為注入發(fā)光，發(fā)生于電子從N型材料填充到P型材料低能量孔的過程中。高能電子進入低能量孔時會釋放能量，產(chǎn)生光子。P型和N型材料層所使用的材料，以及兩者之間的間距決定了生成光線的波長和能量水平。

有多種材料可以用來生產(chǎn)LED，而目前比較普遍的應(yīng)用是砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)和氮化銦鎵(InGaN)。磷化鋁銦鎵一般用來產(chǎn)生紅光和黃光；而氮化銦鎵一般用來產(chǎn)生藍光和綠光——這些材料生成的光子都在可視光譜之內(nèi)。結(jié)合新的生產(chǎn)架構(gòu)，它們可以被做成極亮的LED，用于一般照明和汽車照明。一些架構(gòu)開始應(yīng)用額外的磷化物以生成白光，憑借極低的能量消耗和更長的壽命與普通白熾燈和熒光燈展開競爭。

全球LED產(chǎn)量已達每月40億只左右，主要生產(chǎn)廠商集中在臺灣、日本和美國，而臺灣地區(qū)以占全球總產(chǎn)量50%的份額居于首位。多數(shù)廠家只是對LED晶粒進行封裝，只有少數(shù)幾家有能力實際生產(chǎn)LED晶粒。圖1描述了LED市場中低亮度和高亮度LED各自所占的份額。

③ LED技術(shù)突破

近來晶粒材料和封裝生產(chǎn)方面的創(chuàng)新使LED亮度達到極高水平。基板使用了新的材料，提高了導(dǎo)熱性能，從而吸收更多的能量，發(fā)出更亮的光。亮度的提升帶來了新的LED應(yīng)用，如汽車照明、交通信號，以及最新的電視顯示屏。圖2描述了新的架構(gòu)。

磷化鋁銦鎵和氮化銦鎵生產(chǎn)水平的顯著提升使藍光和綠光的亮度分別得以提高，而其它顏色（如琥珀和青色）也隨即問世。這些改進使整個系統(tǒng)能以等同于利用普通燈泡技術(shù)的亮度忠實地再現(xiàn)色彩，且壽命更長。其它的性能改進包括系統(tǒng)層的特性，如瞬時顯像，無水銀，無色彩刷新偽像，動態(tài)可調(diào)亮度，以及更寬的色域。圖3 將LED和通用參考標準 (Rec. 709)的色域范圍作了比較。

LED照明的色域非常寬（比高清電視的色彩標準[Rec. 709]寬40%），因而色彩的忠實度更高。對于壽命和色彩還原度都有極高要求的電視機產(chǎn)品而言，LED技術(shù)尤其具有吸引力。隨著LED技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其對于電視機產(chǎn)業(yè)的影響也與日俱增。圖4描述了LED技術(shù)的演進，以及未來幾年的亮度效率。④

LED技術(shù)挑戰(zhàn)

控制LED晶粒的熱穩(wěn)定性是LED發(fā)旋旋光性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。LED架構(gòu)發(fā)出的漫射光從PN結(jié)構(gòu)的表面和四周射向各個方向（在180度空間內(nèi)均勻分布）。盡管這看起來效率很高，但實際上大部分光都被鄰近的晶粒、基板，或者其它LED表面吸收了。這一吸收造成了整個LED裝置熱負荷的增加。為了獲得最大的光輸出和可靠性，熱的問題必須妥善處理。此外，對于需要將光能集中到小型顯示設(shè)備（如DLP高清電視）成像的應(yīng)用而言，任何超出系統(tǒng)光學(xué)徑角的光都不可用，且還有可能造成熱度并增加系統(tǒng)能耗。因此, 控制對光的吸收，將光的發(fā)散形狀和系統(tǒng)的光學(xué)徑角相對應(yīng)并提升熱效率，將熱從晶粒中發(fā)散出去，對于提高LED的產(chǎn)出和可用性都至為關(guān)鍵。

對于傳統(tǒng)的應(yīng)用而言，LED一般以連續(xù)波的模式驅(qū)動（100%負載循環(huán)）。但對高亮度應(yīng)用而言，這一模式并沒有優(yōu)勢。由于PN連接的平均溫度決定了LED的輸出亮度和壽命，因此需要以較小的負載循環(huán)來驅(qū)動LED。負載循環(huán)小了之后，LED的電流負載可以更高，并在PN連接平均溫度較低的情況下增加光的輸出。實現(xiàn)這一點的挑戰(zhàn)在于，驅(qū)動電路必須能產(chǎn)生快速變換的波形，在幾個微秒之內(nèi)交換極大的電流。這對于LED電源驅(qū)動器的設(shè)計無疑是一個挑戰(zhàn)。不過解決方案已經(jīng)被設(shè)計出來，可以輕易地解決這一難題。

更高的溫度負載帶來的另一個挑戰(zhàn)是色移。隨著PN連接溫度的變化，輸出光線的波長會發(fā)生10nm以上的偏移。這一色移不僅會影響該顏色的色點，還會影響到整個系統(tǒng)的白點，因為白色是由各種顏色混合而成的。為了從根本上解決色移的問題，LED必須以較低的功率運行，或保持極高的熱穩(wěn)定性。不過隨著對系統(tǒng)反饋的回應(yīng)，以及恰當?shù)碾娫纯刂蒲菟?，現(xiàn)今的技術(shù)已經(jīng)可以在維持高亮度效率的同時實現(xiàn)白色的穩(wěn)定性。

使用LED照明的DLP電視

德州儀器已經(jīng)開發(fā)出了充分利用LED照明技術(shù)優(yōu)勢的DLP高清電視，其亮度性能已經(jīng)能與基于燈泡的系統(tǒng)相媲美。通過使用新一代的高亮度LED，實施獨特的反饋系統(tǒng)，DLP高清電視已經(jīng)能夠充分利用LED照明的優(yōu)勢。圖5描述了該系統(tǒng)的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)。

通過獨特的反饋算法，德州儀器證明了任何可能影響白點的色移都可以被控制在不為肉眼察覺的范圍內(nèi)。

目前，運用LED技術(shù)的DLP產(chǎn)品都使用了德州儀器的DSP部件實時處理系統(tǒng)信息，在廣大的操作溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定性，并最大化亮度和可靠性。 DLP產(chǎn)品性能優(yōu)勢

LED技術(shù)的快速交換能力與DLP技術(shù)的快速交換性能天衣無縫的互相搭配。利用DMD和LED的高速性，色彩的刷新率遠遠高過現(xiàn)有設(shè)計水平；色彩的隨意排列也成為可能。最終，圖像色深更大，動態(tài)效果更佳， 亮度亦更高。增加LED的交換頻率可以實現(xiàn)更大的能源驅(qū)動，并減小PN連接的熱負荷。DLP技術(shù)的快速交換能力充分利用LED新開發(fā)的色彩，通過單個DMD設(shè)備實現(xiàn)多重色彩配置，從而獲得更大靈活性。在DLP系統(tǒng)中，LED無需極化，只要將光精確地從DMD鏡面反射出去。光線按需取用，效率極高，使亮度和系統(tǒng)的效率達到最大，并減少發(fā)熱。最終的結(jié)果是系統(tǒng)的成本降低，亮度提高，色域加寬，遠遠超越利用普通照明源的傳統(tǒng)系統(tǒng)。

結(jié)論

隨著LED技術(shù)不斷提高亮度和穩(wěn)定性，LED照明很可能成為未來多項應(yīng)用的主流光源。今后的技術(shù)發(fā)展將進一步利用LED快速交換能力以提升視頻的性能和對比度，而無需通過光電機械部件；生成的可調(diào)節(jié)色域?qū)⑦h遠超過傳統(tǒng)照明源。新產(chǎn)品將很快獲益于上述基本性能，提供全新的獨特設(shè)計——包括瞬時顯像，更佳的色彩，以及經(jīng)由DLP微鏡陣列的高速響應(yīng)帶來的更佳圖像質(zhì)量。隨著LED和DLP技術(shù)雙劍合璧，DLP高清電視的性能和可靠性甚至將大大超越現(xiàn)有的DLP高清電視產(chǎn)品。