摘要： 隨著藍光LED 的問世， LED 三基色發光已齊備， 近年來被逐步應用于投影顯示中。本文簡要概括了LED 光源的特點， 對其在微投影機上的應用現狀和應用優勢進行了分析， 并歸納了目前主要存在的問題，最后對LED 光源在微投影系統上的應用前景進行了展望。

1 引言

目前， LED 光源技術的發展和應用逐漸成為人們關注的焦點。LED 技術的運用使投影機發生了實質性的變革。與傳統的燈泡相比， LED 光源套件在體積、使用壽命、功耗及發熱、色彩表現等方面具有非常明顯的優勢， 而且不含有害物質。在投影機上使用LED 光源， 可使投影機做得非常輕巧， 實現了真正意義上的隨身攜帶， 開創了投影機技術發展的新局面。

2 LED 簡介

LED （Lighting emitting diode） 即發光二極管，它是利用固體半導體芯片作為發光材料， 在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射， 直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫色的光。

LED 作為21 世紀綠色、節能的第四代照明光源，具有廣闊的發展前景。

2.1 LED 光源發展歷史及研究現狀

1964 年， 世界上第一支紅色發光二極管研制成功， 之后出現了黃光LED， 綠光LED.1994 年， 藍光LED 的研制成功使白光LED 的開發成為可能。

1996 年， 日本Nichia 公司成功開發出二波長白光（基于藍光單晶片襯底上加以YAG 黃色熒光粉混合產生白光）LED 并成功實現商品化，同年在世界范圍內取得了該項技術的專利。目前發展的方向是無機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產生白光的三波長白光LED， 實現商品化后它將取代熒光燈、緊湊型節能熒光燈及二波長LED，成為新一代的光源。表1 為2007 年底各國白光LED 技術指標。

表1 國內外功率型白光LED技術指標對比

2.2 LED 光源的特點

2.2.1 發光效率高

L 轉ED 光源屬于一次光源，在發光的過程中，電能直接變為光能。白熾燈、鹵鎢燈光效為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 光效經過改良后可達到50~200 lm/W， 而且其光的單色性好、光譜窄、無需過濾可直接發出有色可見光。隨著各國研究的深入，LED 的光效會進一步提高， 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動， 單管驅動電壓1.5~3.5 V， 電流15~18 mA，響應時間微秒級， 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、藍三色均布計算）， 而且可以七彩變化。

2.2.3 使用壽命長

LED 光源采用電子光場輻射發光， 無燈絲發光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。一般來講， 普通白熾燈的壽命約為1 000 h， 熒光燈、高強度氣體放電燈的壽命也不超過10 000 h， LED 的使用壽命則可長達數萬小時， 而且體積小、重量輕， 采用環氧樹脂的封裝結構可承受高強度的機械沖擊和震動。

LED 燈具使用壽命可達5~10 年， 可以大大降低燈具的維護費用。

2.2.4 安全可靠性高， 控制方式靈活

LED 屬冷光源， 發熱量低， 無熱輻射， 能精確控制光型及發光角度， 光色柔和無眩光， 不含汞、鈉元素等可能危害環境的物質。通過微處理（CPU）系統可以控制發光強度， 調整發光方式。紅、綠、藍三色組合亮滅可實現8 種變化效果， 如采用灰度控制， 理論上能產生256 × 256 × 256 （16 777 216）種顏色效果， 真正意義上實現了光與藝術的完美結合。

3 LED 光源在投影機上的應用現狀

采用LED 光源的投影機， 一方面， 它改變了原有光源所要求的復雜的光路結構； 另一方面， 由于LED 是冷光源， 工作過程中不會產生大量熱量， 可以降低對投影機散熱系統的要求， 減少散熱方面的配置。所以， 投影機的體積就可以做到比原來小得多。在重量方面，LED 光源投影機一般都保持在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 投影機在功耗方面也比采用傳統光源的投影機要小得多， 拋開散熱裝置的設計讓傳統投影機煩人的噪音徹底遠離。

3.1 應用現狀

應用LED 光源的投影產品最早亮相是在2003年5 月舉行的SID 年會上， 以其袖珍的機身引起了很大的反響； 不過， 當時只是概念產品。真正具有實用意義的則是在2005 年1 月CES 展會上， 5 家公司同時展出了LED 光源的袖珍投影機， 人們才開始真正考慮LED 光源投影產品在應用方面的優勢及弱點。又經過一年的技術和產品發展， 2006 年1 月CES 展會上LED 光源成為突出的亮點， 2006 年6 月SID 討論會上發表了大量的LED 光源論文， 從而標志著進入LED 發展的新階段。2008 年， LED 光源亮度瓶頸實現突破。投影機燈泡廠商德國歐司朗2008 年末宣布， 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500 lm 以上。而在CES2009 消費電子展上展出的幾款LED1080p 投影機也宣稱亮度達到了700 lm 以上， 其中來自我國臺灣地區的奇菱科技更是宣布其LED 投影機的亮度已經超過1 000 lm.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。

目前， LED 光源主要應用于集成化小型投影原件和袖珍式小型機兩種投影產品［5］。集成化小型投影原件不做成獨立機型， 其主要是與微型顯示設備如手機、數碼相機、筆記本電腦集成在一起， 電池供電， 可以投影約A4 紙或標準信紙大小的圖像， 方便與他人共享畫面。袖珍式掌上投影機則是完整獨立機型， 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， 可交直流兩用。

3.2 應用優勢

3.2.1 體積小， 壽命長

LED 光源就是常見的發光二極管， 體積遠比投影機所用的燈泡模組和散熱系統小巧， 這也是能做成手掌大小迷你投影機的關鍵原因。普通投影機使用的燈泡壽命只有2 000~4 000 h， 且其光效會隨使用時間的增加而減小， 如圖1 所示。而LED 光源的壽命有幾萬小時， 可以在數年時間里無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。

圖1 普通投影機燈泡光效和使用時間的關系

3.2.2 響應速度快

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， 且無需等待關機散熱， 高壓水銀燈泡關閉后不能馬上撤去散熱氣流， 否則會極易引起炸燈， 而LED 光源發熱量不大， 也不用擔心損壞， 所以即關即停。

3.2. 色彩范圍寬

RGB LED 的三基色純度很高，可以實現非常寬的色域范圍（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， 一般投影機的色域范圍僅為NTSC 的60~70%， LED 光源投影機則可輕松達到100%以上， 色彩還原更好。

圖2 LED光源寬的色彩范圍

3.2.4 需色輪分色

單片DLP 的色彩來自于色輪對燈泡光線的分解， 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RGBLED 3 種顏色發光體按照時間順序輪流發光， 等效于色輪分色， 但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。另外與UHP 燈相比， LED 光源不會發出紫外和紅外波段的光， 系統中不需要UV 和IR濾光片， 這樣投影系統就可以做得更小， 成本更低。圖3、圖4 分別為普通燈泡做光源時的系統結構圖和三色LED 燈做光源時的系統結構圖。

圖3 普通燈泡做光源的系統結構圖

圖4 三色LED燈做光源的系統結構圖

4 目前LED 作為投影機光源存在的問題

4.1 光通量有待提高

LED 的光效與傳統投影機使用的UHP 和UHE燈相比仍有較大的差距。LED 光源要想成為傳統投影機金屬鹵素燈泡以及流行的超高壓汞燈泡的新型替代品， 就必須發出更多的光， 必須具有更高的能量轉換效率， 目前世界各國均加緊了對LED 發光效率的研究。

4.2 生產成本高

生產成本高是影響LED 光源普及的主要原因。

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（日本Nichia 日亞公司的專利保護期至2006 年）， 制造成本正在急劇下降， LED 光源正朝著高效率、低成本的方向發展， 這為LED 光源的廣泛應用提供了有利條件。

4.3 產品的一致性、可靠性有待提高

由于投影需要由多個LED 單體組成， 其參數離散型是一個重要的技術問題。除了通過預選、分類盡量保證一致性外， 還必須設計合理的LED 排列結構和研究適合的驅動電路， 防止偶然產生的能量集中而燒毀部分LED.

4.4 光束質量差

目前， LED 器件或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，也不利于改進投影引擎的相關性能和成熟度。用LED 器件或芯片構建的投影光源是一種具有多個離散發光元件的擴展面光源， 對增大引擎光效， 提高亮度和均勻性等圖像質量指標增加了難度， 如何高效率地利用LED 的光能成為一個非常有研究價值的問題。

5 結束語

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機已經成熟。LED 光源低發熱量的優勢可以讓投影機體積做得更加小巧， 其2 萬小時的壽命基本杜絕了投影機使用一段時間后需要更換燈泡的現象， 用戶的使用成本將大幅度縮減， 這為投影機進入家庭市場帶來了可能性。隨著世界各國對LED 光源技術的深入研究和技術突破， LED 光源在不久的將來定能取代現有金屬鹵素燈泡以及流行的超高壓汞燈泡， 成為投影機的新型光源。

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