| cyqdesign | 2007-03-19 00:10 |
LED光源投影机技术详解伴随着信息时代的到来，计算机多媒体技术的迅猛发展，网络技术的普遍应用，大到指挥监控中心、网管中心的建立，小到临时会议、技术讲痤的进行，都渴望获得大画面、多色彩、高亮度以及高分辨的显示效果。投影显示技术已经成为解决彩色大画面显示非常有效的手段。 其中光源照明系统是整个投影光学系统设计的前提，目前UHP（超高压气体放电灯）作为投影光源灯，广泛运用于现今的前投影机和背投电视。而LED作为新型的照明光源也越来越受到人们的关注，与UHP灯相比，LED具有一系列优势[1]。 （1）从光源开始，LED就发出R、G、B基色光，白光UHP需经分光合光或者色轮滤光才能形成基色光。因此前者的色饱和度高，彩色再现范围大。 （2）形成彩色图像过程中的光能和画质损失小。 （3）节约投影引擎空间，有利于小型化、轻量化和低成本化。 （4）LED不辐射UHP灯固有的紫外光，同时引起发热的红外光相对而言也小得多。这有利于液晶投影成像器件的安全，提高可了整机可靠性，也有利于小型轻量和低成本。 （5）LED开关速度高，容许更高的刷新率。这不仅能改善当前投影机的易用性，也为新的彩色方式建立了前提条件。 （6）UHP是气体放电灯；而LED是固体发光器件，具有长得多的使用寿命。 迅猛发展的LED光源投影技术 2003年5月在巴尔的摩召开的国际SID（信息显示学会）年会上，美国Lumileds公司和飞利浦共同展示了口袋式（pocket）LED光源灯的投影机原理样机。个人投影第一次成为展会的热门话题之一，那时就有人预言“小巧的个人投影将会改变消费电子世界”。此后LED投影机不断出现在相关展会上，有时还成为研讨会的议题。 2005年1月的拉斯维加斯CES展会堪称LED投影机发展进程中的分水岭。有五家公司展出口袋式LED投影机，大部分为原理样机，也有一款标价的产品。大多注明采用电池供电，输出光通量达20～301m，可以投出明亮的20英寸画面。 2006的CES展上，LED光源投影显示的迅猛发展势头更加明显，在本次展会上共有5种LED照明式的微显背投电视(MDTVs)公开演示。  图1 三洋的LED背光LCD背投电视 当然，LED作为投影技术中新兴的照明光源，LED立即大量使用还存在技术难度，它需要使用高密度、高亮度器件，这就使其成本比弧光灯要高。另外，LED光源是扩展光源，需要采用一种有效方法将光耦合入投影系统。仅就LED器件本身，人们谈论最多的就是它的发光效率，在普通照明应用方面，对LED器件的发光效率的提高有着更加强烈的需求，因此LED发光效率的提升有着强劲的动力，同时也给投影行业带来巨大变革和机遇。 2. LED的光谱流明效率 LED作为照明光源应用时，其流明效率总是被首要关注的参数，我们在研制LED投影及其光源灯过程中，也经常自问LED光源灯何时会有多大光输出。[2] 电光源由电源驱动，输出光通量与输入电功率之比通常称为电光源的电光转换效率，也称电光源的流明效率或发光效率，表示为ηL，单位也是lm/W。 1瓦电功率和1瓦辐射功率在数值上等效，则单色可见光源灯的流明效率与光谱光视效率的表示相同， ηL（λ）= K（λ）= C×V（λ） （1） 设光通量呈现的相对能量光谱分布为E（λ），则流明效率可表示为 ηL（λ）= C×E（λ）×V（λ） （2） 组合（1）式和（2）式可知，如果全部光通量都集中在单色波长555nm，E（555）=V（555）=1，则最大流明效率为683 lm/w。通常，实用电光源灯发出的光通量不仅呈现光谱分布，而且电光源所消耗的电能不可能完全转换为辐射光能，进而形成有效的光通量输出。电能量损失、光能量损失以及相当部分能量转换成的热能损失，都使得流明效率下降。因此，电光源的流明效率将远远小于683 lm/w。 引入的光谱流明效率概念系指仅包含光通量光谱分布在内的流明效率。显然，光谱流明效率没有计入能量损耗对流明效率的影响。假设LED的所有能量损耗均为0，或者说与LED发光相关的各个能量转换和传输环节的效率均为100%，则LED的流明效率即可达到其光谱流明效率数值。因此，光谱流明效率就是LED流明效率ηL的理论极限，记为ηLM。由于光源一般具有一定的频谱宽度，因此ηLM应采用积分形式 ηLM = C∫ab E（λ）×V（λ）dλ/∫ab E（λ）dλ （3）  白光LED是色光的混合光源，不属于单色光源，必须考虑E（λ）对ηLM的影响。白光的E（λ）分布特性与白光方式、峰值波长和色温、显色指数等因素有关。目前兰光LED+黄光荧光粉方式已经大量实用，我们以此为例作简单的分析和评价。 某厂家的功率冷白光LED的E（λ）~λ如图1所示，兰光LED+黄光荧光粉白光方式，峰值波长分别为440 nm和550 nm，色温8000K左右。 根据式（3）进行近似计算，结果为ηLM = 320 lm/ W。 当兰光和黄光的能量混合比例或峰值波长变化时，E（λ）、色温和流明效率均随之变化。又当改变为其它白光方式时，E（λ）、色温和流明效率也随之改变。 投影期待LED光源要解决两方面问题。一方面，大幅提高光通量输出，这不仅与LED的流明效率密切相关，还和单灯功率以及器件或芯片的集群组合方式有关。近几年保持较高流明效率前提下的单灯功率大约只能停留在不超过5W。组合光源面积过大会带来投影光学引擎成本的增加和某些性能的劣化；反过来，光源面积过小、器件或芯片排列密度过高将不利于光的收集利用、热管理和可靠性，也会限制实际可用的光源系统输入功率和流明效率。用于投影灯的器件或芯片集群组合方式远未成熟，尚需不断探索改进。另一方面，更加有利于改进投影引擎的相关性能，包括提高光效、亮度和色度均匀性，彩色重现方式和色温调整的灵活性等。LED功率器件或芯片的光输出呈朗伯型分布，视角一般不小于120°，输出光束的几何形状不利于收集和传输，因此也不利于提高引擎的光效、亮度和色度均匀性。 LED光源投影技术的发展方向 由于背投影电视在光学引擎体积和成本方面的空间，在高亮度输出和引擎体积、热管理方面的矛盾并不突出，因此可以看见已经出现了输出数百流明的光学引擎。 但是对于前投影显示技术，由于使用环境的不同，在追求高亮度的同时还必须兼顾体积小、重量轻等特点，因此目前LED光源在前投影上的应用主要集中在两方面：  图3 芬兰UPStream Engineering公司推出的LED投影机  图4 索尼展示的LED光源投影机 一种是超小型的投影机（mini Projectors）或口袋式投影机（Pocket），这种投影机集中了LED光源技术和微显技术的优势，是LED光源所特有的产品。它的特点是体积非常小，一般它近于手掌大小，却可以投出30英寸左右的画面，输出大约50lm左右。整机功耗1 0多瓦，交直流两用，固定处有市电时交流供电，无市电可用时直流供电。通过接口的连接，用作其它个人移动图像信息设备，包括DV、DC、手机、移动DVD、PMP等的显示终端。  图5 投影机集成到手机里 另一种是将LED微型投影引擎（nano Projector）作为一个光学部件，内置到其它个人移动图像信息设备中，投影相关的结构、电路和软件设计由该设备整体考虑。。引擎本身功耗仅几瓦，直流供电，可投出约20英寸的画面。 由于照明光源的革命、LED器件在投影机中的应用，投影机的构架必将出现极大的变化，而这些都会影响到投影机产业甚至引起影视家电产业的巨大调整。
四川瑞诚科技实业公司，作为国内LED光源投影行业的先行者，已经研制出功率器件阵列的白光LED投影光源，并且已将此光源试用于LED前投影机。此投影机不仅噪声低、寿命长而且更加省电、轻便、小巧，价格更便宜，使用成本更低。这就势必促进LED投影机的普及，加快LED投影机进人家庭的步伐。这一切就让我们拭目以待吧。 |
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