新型投影机高效光源：ED

马建设 贺丽云 苏 萍 刘 彤 林喜荣

(清华大学深圳研究生院，广东深圳 518055)

1 引言

近年来，随着投影产业的发展及投影技术的进步，投影机市场迅速扩大，大到大型会议室使用的投影机，小到口袋式微型投影机，逐渐应用于日常生活中［1］。大型投影机的发展和普及为各种大中型会议和各种展览提供了极大的方便，但是传统投影机技术的发展存在瓶颈，尤其是关键部件:光源［2］。投影机光源的用途是为非自发光投影机提供光源，而且投影机光源不仅要求高的光通量输出，还要求光源的扩展量尽可能小。然而传统光源体积大、功耗和发热量高，寿命很短，显然不适应投影机的发展［3～4］。

现在投影机采用的光源大多为气体放电灯，是一种成熟的电光源。随着LED光源的发展，其光效和光源亮度不断提高，最近开始出现在投影机光源市场中［5］。与投影机传统光源如气体放电灯相比，LED属于冷光源，具有发热量低、寿命长、色彩饱和度高等优点，应用LED作为光源的投影机可以做到手机般大小，而且超长的寿命可以使投影机摆脱经常更换灯泡的不便的问题［6］。但是在很长一段时间，由于LED自身发光功率的限制，一直阻碍它在投影仪领域的广泛应用［7］。随着大功率LED在发光功率方面的突破和性能的提升，LED在光学应用方面与传统光源之间的差距正在逐渐缩小。与白炽灯、荧光灯相比，LED光源寿命长、体积小，其应用在投影机光源上有很大的优势，同时也存在一些需要改进的地方［8］。

2 LED投影机光源的优势

LED光源投影机具体有哪些优势，为何说它将会成为未来投影机光源的主力军，下面我们逐个进行分析。

LED又称为发光二极管，很早之前就开始用在显示和照明领域。它的主体是一个PN结，在两端加上电压，电流会从LED阳极流向阴极，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，电流越强，发光越强。

与传统投影机光源相比LED所具有的优势如下:

2.1 寿命长

一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1000小时，气体放电灯的寿命也不超过10000小时。LED光源衰减缓慢，10000小时只衰减5%，寿命理论上可达100000小时。LED是固态冷光源，采用环氧树脂的封装结构，体内没有松动部件，可承受高强度的机械冲击和震动。LED的寿命有几万小时，可以在数年内无需考虑更换灯泡，使用户的使用成本大大缩减。

2.2 体积小

LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。体积远比投影机所用的灯泡模组和散热系统小，这也是能做成手掌大小迷你投影机的关键原因。

2.3 能耗低

LED采用直流或脉冲直流驱动，单颗驱动电压为1.5～3.6V，电流为15～30mA，也就是说它消耗的电能不超过0.1W，约为0.03～0.06W。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯的1/8，荧光灯的1/2。

2.4 光效高

LED光源属于一次光源，在发光的过程中，电能直接转化为光能。LED的发光效率每年约以20lm/W的速度提升，高亮度LED的发光效率现已达到150lm/W以上。而白炽灯、卤钨灯的光效为12～24lm/W，大部分的耗电变成了热能损耗。荧光灯为30～70lm/W，钠灯为90～140lm/W。

随着各国研究的深入，LED的光效会继续提高，必将成为一种新型的投影光源。

2.5 色纯度高

LED发出的光是单波峰的光，波峰半宽只有几十纳米，色彩更为鲜艳。

2.6 响应时间短

LED的响应时间为纳秒级。且LED不需要普通投影机灯泡的预热时间，因此可以做到开机即亮。高压水银灯灯泡关机后不能马上撤去散热气流，不然很容易引起炸灯。LED光源的发热量不大，不用等待关机散热，可以即关即停。

2.7 色彩范围宽

普通投影灯泡包含的色域有限，且需要色轮分色，色彩纯度往往受到亮度需求的限制。

LED的三基色色纯度很高，可以实现非常宽的色域范围。可采用LED三基色组合取代白光光源，通过微处理系统可以控制发光强度、调整发光方式，RGB三色组合的亮灭可以实现8种变化效果，如果采用灰度控制，理论上可以产生256×256×256种变化效果。投影机中的色轮及相关机械装置可以被取消，投影机可实现小型化、轻薄化。

2.8 不需色轮分色

普通投影机的色彩来自色轮对光源光线的分解，色轮转速直接影响到画面色彩刷新速度。常见的彩虹现象正是由于色轮的存在而产生的，而三基色LED灯按照时间顺序轮流发光，等效于色轮分色，速度可以达到相当于48倍速色轮的范围，彩虹现象大幅减少，并且没有色轮高速转动带来的噪声。而且LED光源不会发出紫外和红外波段的光，系统不需要UV和IR滤光片，这样投影系统可以做到更小，成本更低。

2.9 绿色环保

LED是由无毒的材料做成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。LED光谱集中在可见光波段，光谱中几乎没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源［8～9］。

3 LED投影存在的问题

虽然LED作为投影光源在投影机中已经得到了较为广泛的应用，但是LED在技术上还存在一些难以解决的问题:

3.1 产品一致性、可靠性较差

由于投影光源需要多个LED单体组成，其参数离散性是一个重要的技术问题。除了通过预选、分类保持一致性以外，还必须合理设计LED排列阵列和选用适当的驱动电路，防止偶然发生的能量集中而烧毁LED。

3.2 光学扩展量较大

目前LED芯片的出射光束扩散角大，光学扩展量较大，其几何形状不利于收集和传输。LED芯片构建的投影光源是一种具有多个离散发光元件的组合面光源，组合光源面积过大会带来成本的增加和某些性能的劣化;面积过小则LED芯片的排列密度过高，不利于光的收集和利用、散热等，因此为增大引擎光效、提高亮度和均匀性等图像质量指标增加了难度。

用于投影机光源的LED芯片集群组合方式还未成熟，如何高效率的利用LED的光能尚需不断探索改进。

3.3 价格较高

相比传统光源，LED的价格相对较高，这是影响LED普及的主要原因。

但是，近年来随着晶片生产技术的改良及各种专利技术的解禁，制造成本正在急剧下降，LED光源正朝着高效率、低成本的方向发展，这为LED的广泛应用提供了有利条件［8～9］。

4 LED在微型投影机中的应用现状

LED光源亮度瓶颈得到突破，意味着LED光源应用于投影机的时代已经来临。采用LED光源的投影机，不需要传统光源所要求的复杂光路结构，可以让投影机体积做得更加小巧［10］。由于LED是冷光源，工作过程中不会产生大量热量，降低了对投影机散热系统的要求，减少散热方面的配置，抛开散热装置的设计让普通投影机恼人的噪音彻底远离，投影机的体积也可以比原来小的多。

LED光源投影机比采用普通光源的投影机耗电量低，未来可以实现由电池供电，随时随地都可使用。而且LED超长的寿命基本上避免了使用一段时间后需要更换灯泡的现象，用户的使用成本大幅减少，这为投影机进入家庭市场带来了可能性。

LED光源投影机最早出现在2003年5月举办的SID年会上;不过，当时这只是概念产品。真正意义上LED光源投影机的出现是在2005年1月CES展会上，5家公司同时展出了LED作为光源的微型投影机。投影机灯泡厂商德国欧司朗在2008年底宣布，已经研发出了最新的LED光源系统，采用5个LED灯泡的这种光源亮度提升到了500lm以上。CES2009国际消费电子展会上，LED光源被广泛用于众多品牌的投影机中，几款LED光源投影机宣称亮度达到700lm以上，其中更有宣布亮度已经超过1000lm。这些产品无一不在说明，LED光源的亮度已经非常接近普通投影灯的亮度。随着各国对LED技术的深入研究和技术突破，LED光源在不久的将来定能成为取代传统光源的新型投影机光源［8］。

5 结束语

LED的发展已有几十年历史，特别是近几年半导体技术的迅猛发展，使得LED的发光效率逐年提高，而且造价不断下降。大功率高亮度LED的出现，在普通照明领域掀起了一场新的变革，而LED应用于投影机领域也终将带来一场意义深远的革命。LED光源以其完美的色彩表现、小巧的体积、超低的功耗将实现真正意义上实现随时随投影，特别是在全球能源短缺的背景下，LED光源在投影市场的应用更加引人注目。与此同时，LED本身所具有的光束发散角大、发光特性受温度影响大、价格高等也是其应用于投影光源急需解决的问题。

［1］高慧芳.LED照明颜色序列型LCOS微型投影仪设计［D］.浙江大学，2011.

［2］邱永华.浅谈光源在投影系统中的革命 ［J］.电子与封装，2010，10(10):44～48.

［3］沈培宏.投影机光源简述 ［J］.灯与照明，2009，33(2):57～59.

［4］甄艳坤，李岩，白燕.TIR透镜优化设计在LED微投影显示系统中的应用 ［J］.应用光学，2009，20(3):367～371.

［5］赵星，方志良，母国光.LED投影光源的色度学特性研究 ［J］.物理学报，2007，56(5):2537～2540.

［6］林鹏，孔茹斌，余建华，张琦，龚向东，刘伟杰，叶海舟，吴国城，罗良玉.基于FLCOS技术的微型投影机光学系统设计 ［J］.现代显示，2012，132(11):9～14.

［7］赵星，方志良，崔继承，张新，母国光.微型投影机光学引擎的研究［J］.光学学报，2007，27(5):913～918.

［8］陈宇航，韩雪，李守荣，梁光胜，袁伟.LED光源在微投影系统上的应用 ［J］.光机电信息，2009，26(9):18～22.

［9］张海翔.基于LCOS投影显示的LED照明设计与应用［D］.中国海洋大学，2009.

［10］黄立恩.LED微型投影色彩再现技术研究 ［D］.浙江大学信息学部，2010.