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　　1 引言

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

　　2 LED 簡(jiǎn)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(guò)載流子發(fā)生復(fù)合放出過(guò)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(kāi)發(fā)成為可能。

　　1996 年， 日本Nichia 公司成功開(kāi)發(fā)出二波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)商品化，同年在世界范圍內(nèi)取得了該項(xiàng)技術(shù)的專利。目前發(fā)展的方向是無(wú)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(zhǎng)白光LED, 實(shí)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(zhǎng)LED,成為新一代的光源。表1 為2007 年底各國(guó)白光LED 技術(shù)指標(biāo)。

　　表1 國(guó)內(nèi)外功率型白光LED技術(shù)指標(biāo)對(duì)比(2007年12月)

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　　2.2 LED 光源的特點(diǎn)

　　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(guò)程中，電能直接變?yōu)楣饽堋０谉霟簟Ⅺu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(guò)改良后可達(dá)到50~200 lm/W, 而且其光的單色性好、光譜窄、無(wú)需過(guò)濾可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。隨著各國(guó)研究的深入，LED 的光效會(huì)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(dòng)， 單管驅(qū)動(dòng)電壓1.5~3.5 V, 電流15~18 mA,響應(yīng)時(shí)間微秒級(jí)， 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(jì)算)， 而且可以七彩變化。

　　2.2.3 使用壽命長(zhǎng)

　　LED 光源采用電子光場(chǎng)輻射發(fā)光， 無(wú)燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點(diǎn)。一般來(lái)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(guò)10 000 h, LED 的使用壽命則可長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)， 而且體積小、重量輕， 采用環(huán)氧樹(shù)脂的封裝結(jié)構(gòu)可承受高強(qiáng)度的機(jī)械沖擊和震動(dòng)。

　　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(fèi)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(wú)熱輻射， 能精確控制光型及發(fā)光角度， 光色柔和無(wú)眩光， 不含汞、鈉元素等可能危害環(huán)境的物質(zhì)。通過(guò)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(shí)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(shí)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(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量熱量， 可以降低對(duì)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(lái)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(kāi)散熱裝置的設(shè)計(jì)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(huì)上， 以其袖珍的機(jī)身引起了很大的反響; 不過(guò)， 當(dāng)時(shí)只是概念產(chǎn)品。真正具有實(shí)用意義的則是在2005 年1 月CES 展會(huì)上， 5 家公司同時(shí)展出了LED 光源的袖珍投影機(jī)， 人們才開(kāi)始真正考慮LED 光源投影產(chǎn)品在應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)及弱點(diǎn)。又經(jīng)過(guò)一年的技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展， 2006 年1 月CES 展會(huì)上LED 光源成為突出的亮點(diǎn)， 2006 年6 月SID 討論會(huì)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(shí)現(xiàn)突破。投影機(jī)燈泡廠商德國(guó)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(gè)LED 燈泡的這種光源亮度提升到了500 lm 以上。而在CES2009 消費(fèi)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(lái)自我國(guó)***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(guò)1 000 lm.這些產(chǎn)品無(wú)一不在說(shuō)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(dú)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(dú)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(shì)

　　3.2.1 體積小， 壽命長(zhǎng)

　　LED 光源就是常見(jiàn)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(huì)隨使用時(shí)間的增加而減小， 如圖1 所示。而LED 光源的壽命有幾萬(wàn)小時(shí)， 可以在數(shù)年時(shí)間里無(wú)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。

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　　圖1 普通投影機(jī)燈泡光效和使用時(shí)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(shí)間， 因此可以做到開(kāi)機(jī)即亮， 且無(wú)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(huì)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(shí)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。

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　　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(lái)自于色輪對(duì)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(jiàn)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(shí)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(méi)有色輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的噪聲。另外與UHP 燈相比， LED 光源不會(huì)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(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和三色LED 燈做光源時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

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　　圖3 普通燈泡做光源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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　　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(wèn)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(guó)均加緊了對(duì)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(lái)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L(zhǎng)ED 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(gè)LED 單體組成， 其參數(shù)離散型是一個(gè)重要的技術(shù)問(wèn)題。除了通過(guò)預(yù)選、分類盡量保證一致性外， 還必須設(shè)計(jì)合理的LED 排列結(jié)構(gòu)和研究適合的驅(qū)動(dòng)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(gè)離散發(fā)光元件的擴(kuò)展面光源， 對(duì)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(gè)非常有研究?jī)r(jià)值的問(wèn)題。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　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(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。LED 光源低發(fā)熱量的優(yōu)勢(shì)可以讓投影機(jī)體積做得更加小巧， 其2 萬(wàn)小時(shí)的壽命基本杜絕了投影機(jī)使用一段時(shí)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(chǎng)帶來(lái)了可能性。隨著世界各國(guó)對(duì)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(lái)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。