浅谈光源在投影系统中的革命

邱永华

（广东女子职业技术学院，广州 510450）

1 引言

伴随着信息时代的到来、计算机多媒体技术的迅猛发展和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、技术讲座的进行，都渴望获得大画面、多色彩、高亮度以及高分辨率的显示效果。投影显示技术已经成为解决大画面显示非常有效的手段。在这些大画面投影系统中，光源照明系统是整个投影光学系统设计的前提，没有光，就没有图像被投射出来。

作为照明的灯其实有很多种，主要分为两大类：白炽灯和碘钨灯等热辐射型灯；高低压气体放电灯。在这两大类照明灯中，只有UHP灯、UHE灯和金属卤素灯既能达到投影机所要求的光亮度（这些灯的发光效率都在80流明/瓦特以上）、色温要求（这些灯的色温特性都在4 000K以上），又具有覆盖整个可见光（360nm～760nm）全部范围的发光频谱，因而当仁不让地担当了投影机内的发光光源。

2 UHP光源

目前投影系统中用到的光源大多为UHP（ultra high performance）灯，短弧超高压汞灯。UHP是飞利浦公司发明的一种专利技术，当灯泡衰竭时会即刻熄灭。UHP灯泡能产生大光量，并能有效地抑制闪烁情况的发生，而且外形小巧，亮度衰减更小。 其寿命较长，一般标称6 000h，最长的甚至标称12 000h，累计工作4 000h后亮度也不会出现明显的衰减。

因为UHP灯泡发出的光是理想的冷光源，所以现普遍应用在正投投影机和DLP背投拼接墙上，另外UHP灯泡也应用于家用大屏幕背投电视上。

UHP的特性有：

（1）UHP 能够激发出最高的亮度，平均值高达1Gcd/m2；

（2）UHP 是最有效率的系统，短间距电极能够应用于更小尺寸的面板；

（3）UHP 拥有较长的使用寿命，光源寿命于前投应用领域可达1 000h～6 000h；

（4）由高压板产生的脉冲与光源之间的相互作用，能有效稳定电极以抑制闪烁的发生。

灯泡由其灯泡杯的面型可分为两种：P（抛物面）型和E（椭球面）型（如图2）。

超高压汞灯泡的组成主要由发光管、反射罩和连接电极组成（如图3）。

高压汞灯的典型结构为：灯中心部分是放电管，用石英玻璃制成。管内充有一定量的汞和氩。用钨作主电极并填充碱土金属氧化物电子发射物质。电极和石英玻璃用钼箔实现非匹配气密封接。启动一般采用辅助电极，它通过一个40k Ω～60k Ω的电阻和不相邻的电极连接。外壳除起保护作用外还可防止环境对灯的影响。外壳内表面涂以荧光粉，成为荧光高压汞灯。荧光粉的作用是补充高压汞灯中不足的红色谱线，同时提高灯的光效。

超高压汞灯泡的工作原理为：

（1）点灯初期先施加数千伏至数十千伏脉冲高压，使灯管的绝缘失效并受到始动电源器的电流限制，之后电力逐渐增加大约1min后，达到稳定点灯状态。

（2）超高压水银灯可分为AC点灯方式与DC点灯方式两种。

A C点灯方式可藉由点灯器的设计改善闪烁（flicker）现象，相较之下DC点灯方式本身闪烁现象比较少，投影机的照度可任意增减调整，对投影机而言乃是一大优势。

DC点灯方式比较容易小型化，不过DC点灯方式的阳极容量（volume）很大，容易产生配光平衡与发光管热流不均等问题。

然而使用UHP灯也存在许多问题。例如在一个单片式的投影仪系统中，要用分光系统将白光分为三种原色光，因此需要三片分色镜。这在一定程度上会提高成本以及增加系统的尺寸。另外U V（Ultraviolet）～ IR（Infra-red）滤色片也会增加成本。由于每个光学元件亦会产生一定的损耗，因此降低了最终光学输出。将白光分为R、G、B三色光以后，每一个颜色的光谱还是较大，因此减少了系统色域。UHP灯的平均寿命虽然已经达到5 000h，但始终限制了投影机的使用时间。此外，UHP灯的驱动电压过高，冷却灯泡体积大，价格高，使用汞蒸气还有爆炸的危险等。

3 LED光源

为了解决UHP的上述问题，越来越多的人开始关注LED（1ight-emitting diode），许多投影显示开始使用LED作为光源。

LED 光源是一种新的光源，它处于不断的快速发展中，光效不断提高，价格不断下降，这使它的竞争力不断提高。虽然目前采用LED作背投光源流明成本比较高，但它更长的寿命和更高的图像质量可以弥补这点，而且它的流明成本也在不断下降。

LED（发光二极管）是一种固态半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体芯片，半导体芯片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

与传统的投影仪光源相比，LED有许多优点：

（1）寿命超长，几乎不需考虑使用时间的问题。LED发光原理不同于传统UHE、UHP灯泡，它在发光过程中不会产生大量热量，因此寿命可以达到10 000h以上。

（2）超便携，超静音，发热极低。由于LED是冷光源，工作中不会产生大量热量，并且减化了原有光源要求的复杂光路结构，这样就可以降低对投影机散热系统的要求，体积就可以做到比原来小得多。

（3）特别省电。LED投影机体积小巧，发热量低，点亮灯泡功耗远比点亮传统UHP灯（超能灯）、UHE灯和金属卤素灯功耗要少得多，大概20多瓦的功耗，用户无需担心耗电问题。

（4）价格可以接受。和那些价格高昂的进口UHP或UHE光源相比，LED光源比传统光源造价要低廉得多。不但光源成本降低了，由于节省了散热系统，精简了光路结构，总成本也可以得到很好的控制。

目前LED光源在前投影上的应用主要集中在两方面：一种是超小型的投影机或口袋式投影机，这种投影机集成了LED光源技术和微技术的优势，是LED光源所特有的产品。它的特点是体积非常小，一般接近手掌大小，却可以投出762mm左右的画面，输出大约50hn左右。整机功耗十多瓦，交直流两用，固定处有市电时用交流供电，无市电可用时直流供电。通过接口的连接，用作其他个人移动图像信息设备，包括DV、DC、手机、移动DVD、PMP等显示终端。

第二类以背投电视为主，LED背投电视样机在2005年CES展会首次亮相，2006年CES上多达5家公司展示LED背投电视，背投分辨率高，价格远低于同尺寸平板电视。

4 结论

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。

［1］楚鹏.投影机的现代化革命——浅谈投影机LED光源技术[J].家电大视野，2006，12.

［2］范朝勋.LED投影发展和趋势述评[J].现代显示，2006，12.