基于LED光源中微投影光学系统研究

黄继刚

（汉口学院，湖北 武汉 430212）

基于LED光源中微投影光学系统研究

黄继刚

（汉口学院，湖北 武汉 430212）

Led光源不仅体积较小、便于携带，而且其显色性好，能效较低、污染小、效率高、寿命长，为微投影技术的发展解决了光源难题。然而，led光源功率较低，限制着投影的范围，并且其三基色所形成的图像与原图存在一定的差距。Led光源的这些不足，需要在以后的发展中进行突破，以更好地满足微投影技术的发展需求。

led光源；传统光源；微投影技术

投影显示技术是通过光学系统将显示器上的图像在投影屏幕上进行放大的一门技术，能够在较小的空间里以比较低廉的成本实现大屏幕的成像，因此自投影系统问世以来就成为大屏幕显示的最优选择，而led光源的产生和应用则使得小型化投影系统的产生成为可能。led的全称叫做发光二极管，led技术自从1962年被研制出之后，便正式进入商业用途，随着科学技术和工业技艺的不断发展，led的芯片变得更加小巧，样式也更加多样化，发光波段也不断增长，为微型投影行业发展注入了新的动力。

1 投影技术中的传统光源简介

照明技术是投影显示技术的重要组成部分，而照明光源则是照明技术最核心的组成部分。在确定好照明系统的光源之后，后续的投影设计都是围绕照明光源而进行的。一般来说，选择投影系统的照明光源要考虑三个要素：第一，亮度效率以及寿命，最优的选择是亮度比较大、效率高以及耐用的光源。第二，驱动是否简单，操作是否便捷，体积大小是否便于携带。第三，光谱投影系统一般选择的光源要适合于三原色的显示，有着较好的发光光谱。在投影系统的后续设计方案中，要将选定的照明光源尽可能的接近发光体，那么设计起来就更为方便，照明效果也更好。在led光源产生和使用之前，投影照明系统中的传统光源一般可以分为卤素光源和气体放电光源两种。

（1）卤素光源。在充满了氩气的石英灯泡体中，加入微量的卤素气体之后就形成了卤素光源，卤素光源具有成本较低、价格低廉的优点，但卤素光源的体积较大，不便于携带；在投影使用的时候发热高，能耗也高，并且由于其色温较低，而产生的投影效果与实物有一定差距，真实感较差。在早期的投影产品中卤素光源使用较多，并且因其较为低廉的价格，现在在一些低端投影技术中，也仍然会用到卤素光源。

（2）气体放光电源。气体放光电源是目前投影市场上除了led光源之外使用最为广泛的主流光源，因其频谱宽、色温高、发光效率高，其产生的光源基本上可以覆盖整个可见光区域。目前市场上使用较多的气体放电光源，主要有超高压汞灯、金属卤化物灯和氙灯三种。超高压汞灯是由飞利浦公司所研制的一种理想的冷光源，有时也被称作UHP灯，UHP灯具有光衰小、使用寿命长、消耗低的优点，因此，在市场上的投影产品中应用最为广泛。而金属卤化灯的基本原理则是通过电子束与气体分子发生激烈碰撞所产生的辐射进行发光照明，金属卤化灯与其它光源相比，具有光效高、寿命长、色温高的优点，但金属卤化灯在使用的时候，功能消耗比较大。在这三种光源之中，氙灯的显色性最好，因其原理是在充满氙气的石英泡体内通过集结放电而发出光源，所以其色温能够达到5800k以上，拥有较高的亮度和功率范围，所以在一些性能比较好的大型高功率投影产品中使用会比较多，但氙灯的缺点在于其消耗性较高，寿命不及其他的光源。

2 led光源的优缺点

传统光源一般体积较大、不便于携带，大大限制了投影技术的发展和普及，使投影无法摆脱大型化的发展模式。因此，为了实现微投影技术的发展，就必须找到体积更小、更为便携的小型化光源，led光源技术就是顺应微投影技术发展而产生的新技术。

与传统光源相比，led光源有如下优点：

（1）与传统光源相比，led光源具环境友好性，传统光源在工作的时候，一般都需要重金属汞的参与，并且具有较高的能耗性。而led光源并不需要重金属汞的参与，并且无论是在其生产制造的过程中，还是在其实际的应用过程中，都不具有污染性，是一种清洁绿色能源。

（2）led光源在使用的过程中具有资源节约性，与传统光源不同，led在工作的时候所使用的是低压直流电源来供电，所以其能源消耗非常低，一般来说一个单位的led所需要的电量在0.03～1W之间。

（3）led光源具有较强的适应性，其在使用的时候并不像传统光源那样，对工作环境有着过高的标准要求，而是在大多数的环境中都可以使用。并且无论在任何环境下都不会影响led的响应速度，其速度一般都能保持微妙级别，led即开即亮。

（4）led光源是冷光源的一种，因其不同于传统光源的发光原理和封装结构，它的寿命与传统利用热辐射发光的光源相比，有了很大的提升，在不考虑其他因素的情况下，一个普通的led光源寿命多在5万到10万小时之间。

（5）led光源最大的优点在于它的体积小、便于携带，采用环氧树脂封装方式的led光源，在应对运输过程中可能存在的冲击、颠簸能力更强，具有更好的抗震性和耐冲性，更加便于携带运输和保存，推动着微投影技术的不断发展和普及。而在具体的应用过程中，led光源也有着传统光源所无法比拟的优越性。在使用时，led光源单色性好，具有很好的聚光效果，光亮的衰减度小，还可以根据目标图片的不同特点随时调整其光源的指向。以投影照明系统为例，如果利用传统的光源，要想得到三原色光，就必须利用色轮仪器，那么就必然会增加照明仪器可携带的难度。而使用led光源，如果想要得到三原色光，只需要用三个不同基色的led光源仪器，不需要再另外投入使用色轮，这样不仅减少了照明仪器的重量和体积，而且利用三种不同颜色的led灰度作为基础色，可以在计算机上形成上百万种不同的元素颜色，使图像在投影仪上显示的时候，色彩更加饱和，更具真实感。

已经具有了诸多优点的led灯，在具体的使用过程中仍然有其自身的局限性，一般来说，led灯作为投影光源的最大局限性在于其亮度不够。由于led灯体积较小，所以其总体的功率比UHP灯要低，这样就导致使用led灯作为光源的投影成像面的光通量比传统光源的光通量要低，不仅会导致显示器上的图片不够亮，而且限制着投影的范围不能过大。而基于三种基本灰色的led光源，虽然在计算机上可以形成上百万种不同的颜色，但这些不同颜色的发光体显示在投影仪上之后，会有一定的空间距离，导致其最终显示在仪器上的图像会与原本的图像存在着颜色和亮度上的微小差异，一定程度上降低了图片投影的效果。

［1］吴仍茂，屠大维，黄志华.LED照明系统的光照均匀性设计［J］.光学技术，2009，（1）.

［2］李澄，李农.非成像光学应用于LED照明的研究［J］.照明工程学报，2011，（5）.

［3］吴真绮.基于LED光源的微型投影仪照明系统研究［D］.南昌：南昌大学，2014.

Research on M icro Projection Optical System Based on LED Light Source

HUANG Ji-gang
（Hankou College，Wuhan，Hubei 430212，China）

LED lightsource isnotonly small volume and easy to carry，with good color rendering property，low efficiency，low pollution，high efficiency and long life，which provides light source for the development ofmicro projection technology.However，low power of LED light source limits the scope of projection.And the image formed by the three primary colors has a certain gap with the original image.Deficienciesof LED lightsource need to be improved in future development in order to bettermeet the developmentdemand ofmicroprojection technology.

LED lightsource；traditional lightsource；Micro projection technology

TN946.1

A

2095-980X（2016）11-0064-01

2016-10-12

黄继刚（1995-）男，湖北荆州人，大学本科，主要研究方向：光电信息科学与工程。