新型投影機高效光源：ED

馬建設 賀麗云 蘇 萍 劉 彤 林喜榮

(清華大學深圳研究生院，廣東深圳 518055)

1 引言

近年來，隨著投影產業的發展及投影技術的進步，投影機市場迅速擴大，大到大型會議室使用的投影機，小到口袋式微型投影機，逐漸應用于日常生活中［1］。大型投影機的發展和普及為各種大中型會議和各種展覽提供了極大的方便，但是傳統投影機技術的發展存在瓶頸，尤其是關鍵部件:光源［2］。投影機光源的用途是為非自發光投影機提供光源，而且投影機光源不僅要求高的光通量輸出，還要求光源的擴展量盡可能小。然而傳統光源體積大、功耗和發熱量高，壽命很短，顯然不適應投影機的發展［3～4］。

現在投影機采用的光源大多為氣體放電燈，是一種成熟的電光源。隨著LED光源的發展，其光效和光源亮度不斷提高，最近開始出現在投影機光源市場中［5］。與投影機傳統光源如氣體放電燈相比，LED屬于冷光源，具有發熱量低、壽命長、色彩飽和度高等優點，應用LED作為光源的投影機可以做到手機般大小，而且超長的壽命可以使投影機擺脫經常更換燈泡的不便的問題［6］。但是在很長一段時間，由于LED自身發光功率的限制，一直阻礙它在投影儀領域的廣泛應用［7］。隨著大功率LED在發光功率方面的突破和性能的提升，LED在光學應用方面與傳統光源之間的差距正在逐漸縮小。與白熾燈、熒光燈相比，LED光源壽命長、體積小，其應用在投影機光源上有很大的優勢，同時也存在一些需要改進的地方［8］。

2 LED投影機光源的優勢

LED光源投影機具體有哪些優勢，為何說它將會成為未來投影機光源的主力軍，下面我們逐個進行分析。

LED又稱為發光二極管，很早之前就開始用在顯示和照明領域。它的主體是一個PN結，在兩端加上電壓，電流會從LED陽極流向陰極，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，電流越強，發光越強。

與傳統投影機光源相比LED所具有的優勢如下:

2.1 壽命長

一般來講，普通白熾燈的壽命約為1000小時，氣體放電燈的壽命也不超過10000小時。LED光源衰減緩慢，10000小時只衰減5%，壽命理論上可達100000小時。LED是固態冷光源，采用環氧樹脂的封裝結構，體內沒有松動部件，可承受高強度的機械沖擊和震動。LED的壽命有幾萬小時，可以在數年內無需考慮更換燈泡，使用戶的使用成本大大縮減。

2.2 體積小

LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環氧樹脂里面，所以它非常小，非常輕。體積遠比投影機所用的燈泡模組和散熱系統小，這也是能做成手掌大小迷你投影機的關鍵原因。

2.3 能耗低

LED采用直流或脈沖直流驅動，單顆驅動電壓為1.5～3.6V，電流為15～30mA，也就是說它消耗的電能不超過0.1W，約為0.03～0.06W。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈的1/8，熒光燈的1/2。

2.4 光效高

LED光源屬于一次光源，在發光的過程中，電能直接轉化為光能。LED的發光效率每年約以20lm/W的速度提升，高亮度LED的發光效率現已達到150lm/W以上。而白熾燈、鹵鎢燈的光效為12～24lm/W，大部分的耗電變成了熱能損耗。熒光燈為30～70lm/W，鈉燈為90～140lm/W。

隨著各國研究的深入，LED的光效會繼續提高，必將成為一種新型的投影光源。

2.5 色純度高

LED發出的光是單波峰的光，波峰半寬只有幾十納米，色彩更為鮮艷。

2.6 響應時間短

LED的響應時間為納秒級。且LED不需要普通投影機燈泡的預熱時間，因此可以做到開機即亮。高壓水銀燈燈泡關機后不能馬上撤去散熱氣流，不然很容易引起炸燈。LED光源的發熱量不大，不用等待關機散熱，可以即關即停。

2.7 色彩范圍寬

普通投影燈泡包含的色域有限，且需要色輪分色，色彩純度往往受到亮度需求的限制。

LED的三基色色純度很高，可以實現非常寬的色域范圍。可采用LED三基色組合取代白光光源，通過微處理系統可以控制發光強度、調整發光方式，RGB三色組合的亮滅可以實現8種變化效果，如果采用灰度控制，理論上可以產生256×256×256種變化效果。投影機中的色輪及相關機械裝置可以被取消，投影機可實現小型化、輕薄化。

2.8 不需色輪分色

普通投影機的色彩來自色輪對光源光線的分解，色輪轉速直接影響到畫面色彩刷新速度。常見的彩虹現象正是由于色輪的存在而產生的，而三基色LED燈按照時間順序輪流發光，等效于色輪分色，速度可以達到相當于48倍速色輪的范圍，彩虹現象大幅減少，并且沒有色輪高速轉動帶來的噪聲。而且LED光源不會發出紫外和紅外波段的光，系統不需要UV和IR濾光片，這樣投影系統可以做到更小，成本更低。

2.9 綠色環保

LED是由無毒的材料做成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。LED光譜集中在可見光波段，光譜中幾乎沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源［8～9］。

3 LED投影存在的問題

雖然LED作為投影光源在投影機中已經得到了較為廣泛的應用，但是LED在技術上還存在一些難以解決的問題:

3.1 產品一致性、可靠性較差

由于投影光源需要多個LED單體組成，其參數離散性是一個重要的技術問題。除了通過預選、分類保持一致性以外，還必須合理設計LED排列陣列和選用適當的驅動電路，防止偶然發生的能量集中而燒毀LED。

3.2 光學擴展量較大

目前LED芯片的出射光束擴散角大，光學擴展量較大，其幾何形狀不利于收集和傳輸。LED芯片構建的投影光源是一種具有多個離散發光元件的組合面光源，組合光源面積過大會帶來成本的增加和某些性能的劣化;面積過小則LED芯片的排列密度過高，不利于光的收集和利用、散熱等，因此為增大引擎光效、提高亮度和均勻性等圖像質量指標增加了難度。

用于投影機光源的LED芯片集群組合方式還未成熟，如何高效率的利用LED的光能尚需不斷探索改進。

3.3 價格較高

相比傳統光源，LED的價格相對較高，這是影響LED普及的主要原因。

但是，近年來隨著晶片生產技術的改良及各種專利技術的解禁，制造成本正在急劇下降，LED光源正朝著高效率、低成本的方向發展，這為LED的廣泛應用提供了有利條件［8～9］。

4 LED在微型投影機中的應用現狀

LED光源亮度瓶頸得到突破，意味著LED光源應用于投影機的時代已經來臨。采用LED光源的投影機，不需要傳統光源所要求的復雜光路結構，可以讓投影機體積做得更加小巧［10］。由于LED是冷光源，工作過程中不會產生大量熱量，降低了對投影機散熱系統的要求，減少散熱方面的配置，拋開散熱裝置的設計讓普通投影機惱人的噪音徹底遠離，投影機的體積也可以比原來小的多。

LED光源投影機比采用普通光源的投影機耗電量低，未來可以實現由電池供電，隨時隨地都可使用。而且LED超長的壽命基本上避免了使用一段時間后需要更換燈泡的現象，用戶的使用成本大幅減少，這為投影機進入家庭市場帶來了可能性。

LED光源投影機最早出現在2003年5月舉辦的SID年會上;不過，當時這只是概念產品。真正意義上LED光源投影機的出現是在2005年1月CES展會上，5家公司同時展出了LED作為光源的微型投影機。投影機燈泡廠商德國歐司朗在2008年底宣布，已經研發出了最新的LED光源系統，采用5個LED燈泡的這種光源亮度提升到了500lm以上。CES2009國際消費電子展會上，LED光源被廣泛用于眾多品牌的投影機中，幾款LED光源投影機宣稱亮度達到700lm以上，其中更有宣布亮度已經超過1000lm。這些產品無一不在說明，LED光源的亮度已經非常接近普通投影燈的亮度。隨著各國對LED技術的深入研究和技術突破，LED光源在不久的將來定能成為取代傳統光源的新型投影機光源［8］。

5 結束語

LED的發展已有幾十年歷史，特別是近幾年半導體技術的迅猛發展，使得LED的發光效率逐年提高，而且造價不斷下降。大功率高亮度LED的出現，在普通照明領域掀起了一場新的變革，而LED應用于投影機領域也終將帶來一場意義深遠的革命。LED光源以其完美的色彩表現、小巧的體積、超低的功耗將實現真正意義上實現隨時隨投影，特別是在全球能源短缺的背景下，LED光源在投影市場的應用更加引人注目。與此同時，LED本身所具有的光束發散角大、發光特性受溫度影響大、價格高等也是其應用于投影光源急需解決的問題。

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