LED光源可以在微投影上如何應(yīng)用

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

1 引言

目前， LED 光源技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用逐漸成為人們關(guān)注的焦點。LED 技術(shù)的運用使投影機(jī)發(fā)生了實質(zhì)性的變革。與傳統(tǒng)的燈泡相比， LED 光源套件在體積、使用壽命、功耗及發(fā)熱、色彩表現(xiàn)等方面具有非常明顯的優(yōu)勢， 而且不含有害物質(zhì)。在投影機(jī)上使用LED 光源， 可使投影機(jī)做得非常輕巧， 實現(xiàn)了真正意義上的隨身攜帶， 開創(chuàng)了投影機(jī)技術(shù)發(fā)展的新局面。

2 LED 簡介

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)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過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 的開發(fā)成為可能。

1996 年， 日本Nichia 公司成功開發(fā)出二波長白光（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 并成功實現(xiàn)商品化，同年在世界范圍內(nèi)取得了該項技術(shù)的專利。目前發(fā)展的方向是無機(jī)紫外光晶片加紅、藍(lán)、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光的三波長白光LED， 實現(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LED，成為新一代的光源。表1 為2007 年底各國白光LED 技術(shù)指標(biāo)。

表1 國內(nèi)外功率型白光LED技術(shù)指標(biāo)對比

2.2 LED 光源的特點

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)過改良后可達(dá)到50~200 lm/W， 而且其光的單色性好、光譜窄、無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。隨著各國研究的深入，LED 的光效會進(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， 單管驅(qū)動電壓1.5~3.5 V， 電流15~18 mA，響應(yīng)時間微秒級， 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)三色均布計算）， 而且可以七彩變化。

2.2.3 使用壽命長

LED 光源采用電子光場輻射發(fā)光， 無燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。一般來講， 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10 000 h， LED 的使用壽命則可長達(dá)數(shù)萬小時， 而且體積小、重量輕， 采用環(huán)氧樹脂的封裝結(jié)構(gòu)可承受高強(qiáng)度的機(jī)械沖擊和震動。

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， 無熱輻射， 能精確控制光型及發(fā)光角度， 光色柔和無眩光， 不含汞、鈉元素等可能危害環(huán)境的物質(zhì)。通過微處理（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， 工作過程中不會產(chǎn)生大量熱量， 可以降低對投影機(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， 拋開散熱裝置的設(shè)計讓傳統(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 年會上， 以其袖珍的機(jī)身引起了很大的反響； 不過， 當(dāng)時只是概念產(chǎn)品。真正具有實用意義的則是在2005 年1 月CES 展會上， 5 家公司同時展出了LED 光源的袖珍投影機(jī)， 人們才開始真正考慮LED 光源投影產(chǎn)品在應(yīng)用方面的優(yōu)勢及弱點。又經(jīng)過一年的技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展， 2006 年1 月CES 展會上LED 光源成為突出的亮點， 2006 年6 月SID 討論會上發(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 光源亮度瓶頸實現(xiàn)突破。投影機(jī)燈泡廠商德國歐司朗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LED 燈泡的這種光源亮度提升到了500 lm 以上。而在CES2009 消費電子展上展出的幾款LED1080p 投影機(jī)也宣稱亮度達(dá)到了700 lm 以上， 其中來自我國臺灣地區(qū)的奇菱科技更是宣布其LED 投影機(jī)的亮度已經(jīng)超過1 000 lm.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。

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， 方便與他人共享畫面。袖珍式掌上投影機(jī)則是完整獨立機(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

3.2.1 體積小， 壽命長

LED 光源就是常見的發(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， 且其光效會隨使用時間的增加而減小， 如圖1 所示。而LED 光源的壽命有幾萬小時， 可以在數(shù)年時間里無需考慮更換燈泡所付出的成本， 使用戶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)熱時間， 因此可以做到開機(jī)即亮， 且無需等待關(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 的色彩來自于色輪對燈泡光線的分解， 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RGBLED 3 種顏色發(fā)光體按照時間順序輪流發(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， 并且沒有色輪高速轉(zhuǎn)動帶來的噪聲。另外與UHP 燈相比， LED 光源不會發(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的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和三色LED 燈做光源時的系統(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， 目前世界各國均加緊了對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， 近年來隨著晶片生產(chǎn)技術(shù)的改良及各種專利技術(shù)的解禁（日本Nichia 日亞公司的專利保護(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LED 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LED 單體組成， 其參數(shù)離散型是一個重要的技術(shù)問題。除了通過預(yù)選、分類盡量保證一致性外， 還必須設(shè)計合理的LED 排列結(jié)構(gòu)和研究適合的驅(qū)動電路， 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離散發(fā)光元件的擴(kuò)展面光源， 對增大引擎光效， 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 的光能成為一個非常有研究價值的問題。

5 結(jié)束語

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)的時機(jī)已經(jīng)成熟。LED 光源低發(fā)熱量的優(yōu)勢可以讓投影機(jī)體積做得更加小巧， 其2 萬小時的壽命基本杜絕了投影機(jī)使用一段時間后需要更換燈泡的現(xiàn)象， 用戶的使用成本將大幅度縮減， 這為投影機(jī)進(jìn)入家庭市場帶來了可能性。隨著世界各國對LED 光源技術(shù)的深入研究和技術(shù)突破， LED 光源在不久的將來定能取代現(xiàn)有金屬鹵素?zé)襞菀约傲餍械某邏汗療襞荩?成為投影機(jī)的新型光源。