LED光源在微投影系统上的应用

1 引言

随着蓝光LED 的问世， LED 三基色发光已齐备， 近年来被逐步应用于投影显示中。本文简要概括了LED 光源的特点， 对其在微投影机上的应用现状和应用优势进行了分析， 并归纳了目前主要存在的问题，最后对LED 光源在微投影系统上的应用前景进行了展望。

2 LED 简介

LED (Lighting emitting diode) 即发光二极管，它是利用固体半导体芯片作为发光材料， 在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射， 直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫色的光。

LED 作为21 世纪绿色、节能的第四代照明光源，具有广阔的发展前景。

2.1 LED 光源发展历史及研究现状

1964 年， 世界上第一支红色发光二极管研制成功， 之后出现了黄光LED, 绿光LED.1994 年， 蓝光LED 的研制成功使白光LED 的开发成为可能。

1996 年， 日本Nichia 公司成功开发出二波长白光(基于蓝光单晶片衬底上加以YAG 黄色荧光粉混合产生白光)LED 并成功实现商品化，同年在世界范围内取得了该项技术的专利。目前发展的方向是无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光的三波长白光LED, 实现商品化后它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯及二波长LED,成为新一代的光源。表1 为2007 年底各国白光LED 技术指标。

表1 国内外功率型白光LED技术指标对比(2007年12月)

2.2 LED 光源的特点

2.2.1 发光效率高

L 转ED 光源属于一次光源，在发光的过程中，电能直接变为光能。白炽灯、卤钨灯光效为12~24 lm/W,荧光灯为30~70 lm/W, 钠灯为90~140 lm/W,大部分的耗电变成热量损耗。LED 光效经过改良后可达到50~200 lm/W, 而且其光的单色性好、光谱窄、无需过滤可直接发出有色可见光。随着各国研究的深入，LED 的光效会进一步提高， 必将成为一种新型的照明光源。

2.2.2 耗电量少

LED 单管功率0.03~0.06 W, 采用直流或脉冲直流驱动， 单管驱动电压1.5~3.5 V, 电流15~18 mA,响应时间微秒级， 可高频操作。同样照明效果的情况下， 耗电量是白炽灯泡的1/8, 荧光灯管的1/2。

以桥梁护栏灯为例， 同样效果的一支日光灯40 多瓦， 而采用LED 每支只有6~8 W (以100 只LED 单管红、绿、蓝三色均布计算)， 而且可以七彩变化。

2.2.3 使用寿命长

LED 光源采用电子光场辐射发光， 无灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。一般来讲， 普通白炽灯的寿命约为1 000 h, 荧光灯、高强度气体放电灯的寿命也不超过10 000 h, LED 的使用寿命则可长达数万小时， 而且体积小、重量轻， 采用环氧树脂的封装结构可承受高强度的机械冲击和震动。

LED 灯具使用寿命可达5~10 年， 可以大大降低灯具的维护费用。

2.2.4 安全可靠性高， 控制方式灵活

LED 属冷光源， 发热量低， 无热辐射， 能精确控制光型及发光角度， 光色柔和无眩光， 不含汞、钠元素等可能危害环境的物质。通过微处理(CPU)系统可以控制发光强度， 调整发光方式。红、绿、蓝三色组合亮灭可实现8 种变化效果， 如采用灰度控制， 理论上能产生256 × 256 × 256 (16 777 216)种颜色效果， 真正意义上实现了光与艺术的完美结合。

3 LED 光源在投影机上的应用现状

采用LED 光源的投影机， 一方面， 它改变了原有光源所要求的复杂的光路结构; 另一方面， 由于LED 是冷光源， 工作过程中不会产生大量热量， 可以降低对投影机散热系统的要求， 减少散热方面的配置。所以， 投影机的体积就可以做到比原来小得多。在重量方面，LED 光源投影机一般都保持在1 kg以下， 有些甚至只有0.5 kg 左右， 这样的重量便于携带， 并且LED 投影机在功耗方面也比采用传统光源的投影机要小得多， 抛开散热装置的设计让传统投影机烦人的噪音彻底远离。

3.1 应用现状

应用LED 光源的投影产品最早亮相是在2003年5 月举行的SID 年会上， 以其袖珍的机身引起了很大的反响; 不过， 当时只是概念产品。真正具有实用意义的则是在2005 年1 月CES 展会上， 5 家公司同时展出了LED 光源的袖珍投影机， 人们才开始真正考虑LED 光源投影产品在应用方面的优势及弱点。又经过一年的技术和产品发展， 2006 年1 月CES 展会上LED 光源成为突出的亮点， 2006 年6 月SID 讨论会上发表了大量的LED 光源论文， 从而标志着进入LED 发展的新阶段。2008 年， LED 光源亮度瓶颈实现突破。投影机灯泡厂商德国欧司朗2008 年末宣布， 已经研发出了最新的LED 光源系统， 采用5 个LED 灯泡的这种光源亮度提升到了500 lm 以上。而在CES2009 消费电子展上展出的几款LED1080p 投影机也宣称亮度达到了700 lm 以上， 其中来自我国台湾地区的奇菱科技更是宣布其LED 投影机的亮度已经超过1 000 lm.这些产品无一不在说明， LED 光源的亮度已经非常接近普通投影灯的亮度。

目前， LED 光源主要应用于集成化小型投影原件和袖珍式小型机两种投影产品[5].集成化小型投影原件不做成独立机型， 其主要是与微型显示设备如手机、数码相机、笔记本电脑集成在一起， 电池供电， 可以投影约A4 纸或标准信纸大小的图像， 方便与他人共享画面。袖珍式掌上投影机则是完整独立机型， 体积小巧轻便， 一只手也可以轻易地拿起，携带方便， 可放于文件包内， 可交直流两用。

3.2 应用优势

3.2.1 体积小， 寿命长

LED 光源就是常见的发光二极管， 体积远比投影机所用的灯泡模组和散热系统小巧， 这也是能做成手掌大小迷你投影机的关键原因。普通投影机使用的灯泡寿命只有2 000~4 000 h, 且其光效会随使用时间的增加而减小， 如图1 所示。而LED 光源的寿命有几万小时， 可以在数年时间里无需考虑更换灯泡所付出的成本， 使用户的使用成本大幅度缩减。

图1 普通投影机灯泡光效和使用时间的关系

3.2.2 响应速度快

LED 不需要普通投影机灯泡的预热时间， 因此可以做到开机即亮， 且无需等待关机散热， 高压水银灯泡关闭后不能马上撤去散热气流， 否则会极易引起炸灯， 而LED 光源发热量不大， 也不用担心损坏， 所以即关即停。

3.2. 色彩范围宽

RGB LED 的三基色纯度很高，可以实现非常宽的色域范围(如图2 所示)， 而普通投影灯泡包含的光谱范围有限， 且需要色轮分色， 色彩纯度往往受到亮度需求的限制， 一般投影机的色域范围仅为NTSC 的60~70%, LED 光源投影机则可轻松达到100%以上， 色彩还原更好。

图2 LED光源宽的色彩范围

3.2.4 需色轮分色

单片DLP 的色彩来自于色轮对灯泡光线的分解， 色轮转速直接影响到画面色彩刷新速度， 常见的彩虹现象正是由于色轮的存在而产生的， 而RGBLED 3 种颜色发光体按照时间顺序轮流发光， 等效于色轮分色， 但速度可以达到相当于48 倍速色轮的范围， 彩虹现象大幅减少， 并且没有色轮高速转动带来的噪声。另外与UHP 灯相比， LED 光源不会发出紫外和红外波段的光， 系统中不需要UV 和IR滤光片， 这样投影系统就可以做得更小， 成本更低。图3、图4 分别为普通灯泡做光源时的系统结构图和三色LED 灯做光源时的系统结构图。

图3 普通灯泡做光源的系统结构图

图4 三色LED灯做光源的系统结构图

4 目前LED 作为投影机光源存在的问题

4.1 光通量有待提高

LED 的光效与传统投影机使用的UHP 和UHE灯相比仍有较大的差距。LED 光源要想成为传统投影机金属卤素灯泡以及流行的超高压汞灯泡的新型替代品， 就必须发出更多的光， 必须具有更高的能量转换效率， 目前世界各国均加紧了对LED 发光效率的研究。

4.2 生产成本高

生产成本高是影响LED 光源普及的主要原因。

但是， 近年来随着晶片生产技术的改良及各种专利技术的解禁(日本Nichia 日亚公司的专利保护期至2006 年)， 制造成本正在急剧下降， LED 光源正朝着高效率、低成本的方向发展， 这为LED 光源的广泛应用提供了有利条件。

4.3 产品的一致性、可靠性有待提高

由于投影需要由多个LED 单体组成， 其参数离散型是一个重要的技术问题。除了通过预选、分类尽量保证一致性外， 还必须设计合理的LED 排列结构和研究适合的驱动电路， 防止偶然产生的能量集中而烧毁部分LED.

4.4 光束质量差

目前， LED 器件或芯片的出射光束扩散角大，光学扩展量较大， 其几何形状不利于收集和传输，也不利于改进投影引擎的相关性能和成熟度。用LED 器件或芯片构建的投影光源是一种具有多个离散发光元件的扩展面光源， 对增大引擎光效， 提高亮度和均匀性等图像质量指标增加了难度， 如何高效率地利用LED 的光能成为一个非常有研究价值的问题。

5 结束语

LED 光源亮度瓶颈得到突破， 意味着LED 光源应用于投影机的时机已经成熟。LED 光源低发热量的优势可以让投影机体积做得更加小巧， 其2 万小时的寿命基本杜绝了投影机使用一段时间后需要更换灯泡的现象， 用户的使用成本将大幅度缩减， 这为投影机进入家庭市场带来了可能性。随着世界各国对LED 光源技术的深入研究和技术突破， LED 光源在不久的将来定能取代现有金属卤素灯泡以及流行的超高压汞灯泡， 成为投影机的新型光源。