未來影像之光

投影機正在面臨前所未有的變革，小型化已經是大勢所趨，未來它很有可能代替顯示器或電視成為我們主要的顯示設備，但要實現這些還要仰仗最近不斷涌現的新技術。

在今年年初的美國消費電子展上，TI正式對外推出了僅有筆尖大小卻能提供滿足720p標準分辨率的DMD成像芯片。這引起了業界極大的關注，因為這可能使微型投影機擁有更高的實用價值，成為市場中一股新崛起的力量。然而，事實并沒有那么簡單，自該芯片發布至今，采用該芯片的投影機產品仍舊僅能提供幾百流明的亮度，雖然這些產品在實用性上已經比以往提升了很多，但是仍舊不具備與傳統主流投影機產品分庭抗禮的實力。

這是因為，投影機是一套完整的系統，單單是成像元件的升級并不足以拉動整個行業產生巨變。光源、鏡頭組、散熱系統等方面也會對投影機的發展產生重要影響。不過這些核心部件正在悄悄發生著一些變革，而這些變革有可能徹底改變目前投影機產品的形態和應用領域。

長壽之光

傳統投影機所采用的高壓汞燈雖然能夠提供出色的亮度，但是巨大的功耗、可憐的壽命和恐怖的發熱量嚴重制約了投影機的小型化之路。與之相比，LED和激光等新型固態光源由于壽命長、體積小等特性正在逐漸得到小型投影機的青睞，其中尤以LED光源的發展最為迅猛。但是目前LED也存在一些致命問題，如在發光亮度提高到一定程度時，LED的發光效率卻會直線下降。

發光效率下降不僅帶來了電能消耗的提高，更重要的是LED工作時的發熱量會大幅增加，這使得投影機散熱系統的設計難度加大，而且也直接導致投影機體積無法進一步縮小。產生這一問題的關鍵原因在于，流經LED的電流密度越高，發光效率就會越低，而且這一技術難題至今無法逾越，只能通過一系列的技術手段將其優化，例如改進LED的內部結構。

傳統LED芯片采用的“ThinGaN”技術是在芯片表面設置金屬的N型網格，這個網格會擋住光線，減少主動發光區域。將網格之間的間距加大，或者將金屬線路縮小可以提高光線的利用率，但這會明顯降低電流傳輸的效率，并引發負面影響。從結構上解釋，極細的金屬線路會導致電流無法均勻地從芯片表面經過，接近輸入源的電流會比較大，這使得芯片表面的一個局部會出現電流相對較高的現象。這是因為金屬網格本身存在電阻，距離輸入源遠的地方電流會在電阻的影響下產生衰減，而這一現象會在電流被提高后變得愈發明顯，因此隨著功率和電流的加大，LED發光效率下降的趨勢也會越來越明顯。

為了解決這個問題，歐司朗推出了UX:3結構的新型LED，其對LED結構采用的革新思路與目前相機的感光元件背照式CMOS的改進理念類似，都是通過改變線路層的位置來提高發光（受光）的效率。具體而言，歐司朗將金屬網格由原來的放置于N極上方，轉而改為放在P極下方，之后通過一系列通孔結構穿過P極建立金屬網格與N極的連接，平均每平方毫米都會采用數十個通孔。這樣一來，便可使電壓均勻地施加到N型GaN類半導體層上。

由于消除了電流密度局部較高的問題，因此可明顯控制LED發光效率低的現象。例如，采用UX:3的藍色LED芯片，在1平方毫米的芯片上輸入350mA的電流所產生的光輸出功率比ThinGaN大約高10%，而且隨著電流的增大，UX:3和ThinGaN的差距也就越來越明顯。通過這樣的技術，歐司朗成功地將紅色薄膜LED的發光效率提升了30%，在這種新結構平臺的幫助下，LED的發光效率還有望進一步提升。

通孔工序帶來的另外一個好處是，它能夠使LED芯片內部的熱量分布更均勻，而不會集中在某一處，這對散熱更加有利。同時為了更好地散熱，歐司朗在進行LED封裝時還采用了陶瓷散熱基板，陶瓷材質可以幫助LED更快地散熱。另外，歐司朗還通過改良晶膜結構來減少LED內部的電阻，從而實現更高的能源利用率和更少的發熱。

由于增加了通孔的工序，因此LED制造工序會有所增加，但這些制作工序并不特殊，而且通孔深度通常為幾百納米，加工難度并不算大，因此不會給成品率帶來多大影響。而且通過合理的設計，UX:3結構的LED每平方毫米最高工作電流可達到3A。

除了提升紅光的發光效率外，歐司朗還在2010年年底對外發布了新型的綠光LED原型產品（預計今年能夠量產），新型的綠光LED內部配備了綠色熒光轉換器，亮度是其前代產品的兩倍，發光表面也十分均勻。目前的原型產品已經可以實現410lm的亮度，發光波長為553nm。綠光LED效率的提升對投影機系統整體亮度的提升意義重大，因為對于投影機而言，要想發出白光，綠光的比例必須大于紅光或藍光，因此綠光LED亮度的提升將可以顯著地提升整個光路系統的亮度，采用上述LED原型的系統理論上可以提供2000lm的總體亮度。

另外，在LED的發光效率提升后，實現暖白色光線的方案也可以得到優化，以往的白色光通過藍光LED加熒光粉進行轉換獲得，而當紅光與綠光的發光效率提升后，通過3色混合將獲得更好的白光，歐司朗已經將暖白光LED光源的發光效率提高到142lm/W，在2755K的色溫下，LED的顯色指數高達81。

提升光效

實際上，通過改良LED結構來提高投影機的輸出亮度只是最為常規的一種方式，通過改良光路結構，提高對光的利用率同樣可以獲得不錯的效果。美國的Wavien公司借助歐司朗等廠商提供的LED光源，配合自己獨特的光路設計，在現有光源技術下實現了更好的輸出表現。

與傳統的紅、綠、藍3色獨立工作并最終合成彩色圖像的光路結構不同，Wavien的RLT（Recycling LED Technology，LED光線回收技術）將3色LED整合到一個模塊中，該模塊僅用了6個LED燈就實現了傳統光路結構中17個LED燈的效果，Wavien的CEO Kenneth Li表示，在下一代產品中，實現相同效果僅需3個LED。

Wavien公司采用了多種技術手段來實現這一目的，首先是雙拋物面反射的光路結構，在該結構中LED中的一部分光線首先被一個小光碗？反射，以保證所有LED發出的光線都能夠被盡可能多地匯聚在一起，之后匯聚起來的光線通過大的反光碗？再次進行反射和匯聚并被投射到成像元件上，以使LED所發出的光線能夠被盡可能地利用。另外，Wavien還能夠提供一種被稱為RLP（Recycling Light Pipe，光線回收管道）的技術，該技術可以幫助LED光線在進行傳輸時提升40%的效率。

迷你的成像元件

光源及其輔助的驅動電路和散熱系統會在投影機內部占用較大的空間，而其他空間則往往被成像元件和鏡頭光路系統所占用。為了減少體積，最傳統的做法就是不斷地縮小成像元件的體積，如像TI那樣推出Pico DLP芯片。但是DLP、LCD還是LCoS等成像元件，都需要建立一套完整的光路結構，以保證成像元件產生的圖像能夠通過光路結構投射出來。而光路結構受到光學原理的限制，體積無法隨意縮小，這大大阻礙了微型投影機的發展。而位于德國的Fraunhofer研究所最近推出的投影機成像元件的原型則有望徹底改變這一現狀。

該技術最大限度地縮小了光路與成像元件的距離，其將大量的微型鏡頭放置在LCD之前，每個微型鏡頭都對應自己的LCD顯示模塊，液晶屏產生的圖像可以直接通過微型鏡頭投射到投影幕上。

在最早期的原型產品中，整個模塊包含45個微型鏡頭組，每個鏡頭組對應紅、綠、藍3色光源和一個分辨率為200×200的LCD。每個LCD的成像內容通過微透鏡被投射出來后，會相互彼此疊加并產生最終的圖像，這一設計思路來自于昆蟲復眼的成像原理，目前這種成像原理主要的應用是將不同光源進行混合。采用這種光路結構的原型產品厚度僅為6mm，能夠很容易地集成到任何一部手機內，但是它能夠提供的亮度卻是以往類似體積設備的近10倍。目前的原型模塊能產生800×480的分辨率和11lm的亮度，而目前達到類似亮度的傳統微型投影機體積要比這個原型大很多，在相同體積下，采用新的成像模塊的投影機將產生90lm的亮度。

該技術下一步的發展方向是，進一步縮小液晶面板每個像素的體積，從現在的8.5μm縮小到3μm以下。另外，這種技術還存在一個局限，那就是要增大投影機面積就需要采用較厚的微型鏡頭，這可能會導致整個成像元件體積增大。

為了使整個成像結構更加緊湊，液晶層需要借助一種透明材料被緊緊地壓在鏡頭背后，傳統的玻璃材質并不適用，因為玻璃的熔點太高，在玻璃被融化并用于貼合之前液晶層已經被損壞，傳統的透明有機聚合材料則恰恰相反，盡管可以壓住液晶面板但是由于熔點太低有可能在光源熱量的影響下融化變形。因此Fraunhofer研究所開發出了一種有機和無機材料混合的材料，其具有出色的透光性，且能滿足制作和使用的溫度需求。

精簡鏡頭組

縮小光路結構的另外一種方式是減少投影機光路中的鏡片數量，使光路結構更簡化。但是這種簡化有一定的限度，無論技術和材料如何進步，投影機光路中的基本鏡片數都是無法過分精簡的，而Varioptic公司采用的仿生學技術制造的液體光學鏡頭將有可能徹底改變這一現狀，該技術最早出現于2004年，不過直到今年才有一些手機產品開始采用該鏡頭。該鏡頭采用了類似人眼的晶狀體結構，它會根據人眼的視點改變形狀，進而改變焦點。Varioptic的液體可變焦光學鏡頭由兩層液體組成，一層油狀液體做為鏡頭用于實現變焦，另外一層則為導電液體用于實現電潤濕功能。電潤濕是一種微流體現象，是一種利用油與水界面固有的自然力以及為利用這些力量而開發出的技術。它使用一種在電壓影響下可以改變親水或疏水特性的以油膜做為介質的高疏水材料，形成分離的油相和水相。通過改變電壓，該材料會因為更親水或更疏水而改變形狀，進而實現變焦。

除了體積小巧外，這種鏡頭還具備多種好處，首先其變焦能力在相同體積下要比傳統鏡頭強很多，直徑3mm的鏡頭屈光度可以達到40，這幾乎是人眼的10倍；另外由于幾乎沒有機械結構，因此液體鏡頭的耐用性會更佳，經過3000萬次變焦測試后，其性能幾乎不會有任何下降，而傳統的光學變焦系統往往只有幾十萬次的壽命；由于液體鏡頭結構簡單，且基本采用柔性材質，因此在機械強度上要明顯優于普通的玻璃鏡頭組或樹脂鏡頭組；液體鏡頭的變焦功耗也更低，其只需要15mW即可正常工作，是目前傳統鏡頭的十分之一。

隨著新型技術的發展和不斷走向成熟，我們相信微型投影機將最終可以被輕易地集成進手機等數字移動終端中，而且在亮度和分辨率等方面也將達到現有投影技術的主流水準。屆時，困擾數字移動終端的圖像輸出問題將迎刃而解，更重要的是固態光源等技術很有可能將投影機從昂貴嬌氣的專業產品變成耐用且價格低廉的消費品。屆時，投影機也將不再是現在這種模樣，小型化的模塊可能會被嵌入到任何一個需要進行輸出的設備中，頭頂的燈泡將能夠投射出色彩斑斕的圖案來裝點墻壁，枕邊的鬧鐘也將能投出動人的美景，從清早就給你帶來好的心情。

責任編輯：李濤 li_tao@chip.cn

收稿日期：2011-07-18

“綠光LED亮度雙倍提升，這是一次巨大的飛躍，將突破LED僅適用于小型投影機的限制。LED具有超高的色彩飽和度，因此圖像的效果更卓越。此外，LED投影機開關切換的響應速度更快，并支持無級調光模式。因此，它們可以根據環境光度自動調整自身亮度?！?/p>

VolkerMertens 歐司朗光電半導體德國總部的市場總監

綠色激光

目前很多激光光源已經被用于投影機成像或輔助成像，例如卡西歐的混合式投影機就使用了LED和激光兩種光源。但是，使用傳統方法制造的激光二級管發光的光譜比較有限，并不是投影機需要的最合適的波長范圍。例如典型的紅色激光二極管波長在640nm~650nm之間，而人眼最敏感的波長范圍是620nm~640nm，最重要的是，綠色激光技術發展的極不順利，可用于投影的綠色激光光源十分有限。今年，EpiCrystals公司已經推出了倍頻式GaAs綠色激光器，波長為532nm，散板降低率大于70%，目前該產品已經開始進行試生產，估計到2012年開始供應市場。

混合光源的優勢

實際上，投影機的發光源并非只能同時采用一種技術，通過混合多種光源，借助不同光源的優勢，在現有產品技術條件下甚至可以收到更好的效果。例如由卡西歐推出的采用激光和LED混合光源的投影機產品。該系列投影機混合使用藍色激光、紅色LED作為光源，其中藍色激光不僅用于提供成像中所需的藍色，還會通過照射磷光體產生綠色光，以解決LED綠色光亮度不夠的缺陷。通過雙光源混合，卡西歐實現了2000lm的亮度。