反射式高亮度LED带动液晶投影机变革
2007-02-08
作者：admin
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摘要： 反射式高亮度LED带动液晶投影机变革
编者按：近年来，电视机市场逐步转变成为数码电视、前投式电视、背投式电视类的大型电视市场。这类投射型电视的显示器使用的光源，无一例外的都是超高压水银灯，超高压水银灯在照明时，为了把蒸汽压控制在200大气压左右而使用了大量的水银。众所周知，水银的危害很大，为防止造成公害，避免使用水银，目前寻找其替代品的开发研究很多，但是水银是确保照明发光功率的必要条件，实在很难找到其它方便且适用的替代品。
不过，照明时伴随电流增大造成的电极消耗，高电压和高费用，灯的使用寿命等问题又不得不解决，目前无水银灯仅限于惰性气体照明灯，和微波照明式的无电极灯。另一方面，2000年后，因为LED的功率提高，它作为小型卤素灯的替代光源受到了世人的瞩目。
■CES 2006展览上以LED为光源的液晶投影机首度被发表
从2006年初开始，以发光二极管为光源的液晶投影机相继被发表，用以来代替传统超高压水银灯的R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）三色发光二极管（LED）作为光源后，业者便积极的设计出小型且以电池驱动前投式液晶投影机，而且使用发光二极管作为光源的背投式液晶投影机，色彩表现范围也超出100％的NTSC比。
2006年1月，在美国拉斯维加斯召开的「CES 2006」上，利用LED为光源的液晶投影机首度公开，因此，在此之前一直处于秘密研发状态的各大业者，随后便向市场陆续公开研制的发光二极管光源背投式液晶投影机。
此外，为了开发出更具特色的产品，以半导体雷射为光源的液晶投影机，也在积极地进行研发中，可以预见的是，随著光源的不断变化，液晶投影机也将发生巨大变革。
其实，因为发光二极管具有很多优点，利用LED为液晶投影机光源的想法，从很早以前就有业者开始投入开发，例如，可以达到小型化、电池驱动、扩大色彩表现范围、延长使用寿命等等的特色。
传统里，液晶投影机都是使用超高压水银灯为光源，但是由于超高压水银灯启动时，需要有数10KV的高压（照明的瞬间会达到数百KV），因此，灯泡的温度同时也会达到800℃900℃，在这样的高耗电机构下，就必须使用交流（AC）电源驱动，及复杂的电源电路和必要的散热解决方案。
且因超高压水银灯和萤光灯发光的原理是一样的，所以依靠汞的激励来产生紫外线而发出高亮光源，因此从点灯开始，达到一定的亮度为时需要一定的启动时间，而使用完毕关灯后的散热，也需要耗费很长时间来达到冷却的状态。因为这样的种种不便，液晶投影机相关业者便急需找到一种新的光源来替代超高压水银灯。
■以LED作为光源 可大幅度改善性能
目前市场上主流的液晶投影机，是将超高压水银灯的白色光，特别分离成红绿蓝三种颜色，以达到高色域表现能力，但是，如果可以，能够把红绿蓝三色光，直接利用可发光光源元件才是未来的发展趋势。
各液晶投影机生产商会投入大量精力到LED液晶投影机的开发上，是因为以发光二极管作为光源，可以具备大幅度性能改善的空间。在过去，LED的发光效率和光通量都不是很充足，尚不具备成为液晶投影机光源的性能。但近年来，随著性能的大幅度提高，各大业者都认为LED已经具备了可以成为液晶投影机光源的特性，开始进行实际的研发。
但在实际应用中不难发现，LED在前投式液晶投影机和背投式液晶投影机中的使用情况并不太一样。背投式LED液晶投影机的投影表现，虽然不能说已经达到了与背投式超高压水银灯液晶投影机相同的水平，但基本上，也达到了同等的亮度。
另一方面，因为被期待作为小型化的应用情况，前投式LED液晶投影机在亮度上的障碍就比较小，也不需要为了减小散热设备和光学系统而大费周章的进行机构设计，所以很容易保持所需要的亮度。
从2006年初开始，以发光二极管为光源的液晶投影机相继被发表，用以来代替传统超高压水银灯的R（红色）、G（绿色）、B（蓝色）三色发光二极管（LED）作为光源后，业者便积极的设计出小型且以电池驱动前投式液晶投影机，而且使用发光二极管作为光源的背投式液晶投影机，色彩表现范围也超出100％的NTSC比。
2006年1月，在美国拉斯维加斯召开的「CES 2006」上，利用LED为光源的液晶投影机首度公开，因此，在此之前一直处于秘密研发状态的各大业者，随后便向市场陆续公开研制的发光二极管光源背投式液晶投影机。
此外，为了开发出更具特色的产品，以半导体雷射为光源的液晶投影机，也在积极地进行研发中，可以预见的是，随著光源的不断变化，液晶投影机也将发生巨大变革。
其实，因为发光二极管具有很多优点，利用LED为液晶投影机光源的想法，从很早以前就有业者开始投入开发，例如，可以达到小型化、电池驱动、扩大色彩表现范围、延长使用寿命等等的特色。
传统里，液晶投影机都是使用超高压水银灯为光源，但是由于超高压水银灯启动时，需要有数10KV的高压（照明的瞬间会达到数百KV），因此，灯泡的温度同时也会达到800℃900℃，在这样的高耗电机构下，就必须使用交流（AC）电源驱动，及复杂的电源电路和必要的散热解决方案。
且因超高压水银灯和萤光灯发光的原理是一样的，所以依靠汞的激励来产生紫外线而发出高亮光源，因此从点灯开始，达到一定的亮度为时需要一定的启动时间，而使用完毕关灯后的散热，也需要耗费很长时间来达到冷却的状态。因为这样的种种不便，液晶投影机相关业者便急需找到一种新的光源来替代超高压水银灯。
■以LED作为光源 可大幅度改善性能
目前市场上主流的液晶投影机，是将超高压水银灯的白色光，特别分离成红绿蓝三种颜色，以达到高色域表现能力，但是，如果可以，能够把红绿蓝三色光，直接利用可发光光源元件才是未来的发展趋势。
各液晶投影机生产商会投入大量精力到LED液晶投影机的开发上，是因为以发光二极管作为光源，可以具备大幅度性能改善的空间。在过去，LED的发光效率和光通量都不是很充足，尚不具备成为液晶投影机光源的性能。但近年来，随著性能的大幅度提高，各大业者都认为LED已经具备了可以成为液晶投影机光源的特性，开始进行实际的研发。
但在实际应用中不难发现，LED在前投式液晶投影机和背投式液晶投影机中的使用情况并不太一样。背投式LED液晶投影机的投影表现，虽然不能说已经达到了与背投式超高压水银灯液晶投影机相同的水平，但基本上，也达到了同等的亮度。
另一方面，因为被期待作为小型化的应用情况，前投式LED液晶投影机在亮度上的障碍就比较小，也不需要为了减小散热设备和光学系统而大费周章的进行机构设计，所以很容易保持所需要的亮度。
▲一般高功率LED与反射式LED散热方式比较。（制图：卢庆儒）
虽然说有这样的优势，但相对的，前投式LED液晶投影机的亮度，与前投式超高压水银灯液晶投影机相比就差得多，能够投射出来的亮度只有1020流明，这样的亮度根本不可能像前投式超高压水银灯液晶投影机那样，在明亮的会议室里也可清晰的把影像放大到3040寸。
大部分的液晶投影机生产者对于前投式LED液晶投影机的销售模式和前景都感到有一定程度的困难，虽然前投式LED液晶投影机的诉求点是体积小，而且可利用电池供电驱动，但使用时投影效果却是远远比不上传统的产品，一般的消费者根本不会接受，市场前景似乎是很不明朗。
所以有液晶投影机的业者认为，虽然以目前来说，前投式LED液晶投影机马上就可以投入市场，但因亮度的问题，使得在营销上还是有一些困难，能够期待的是，只有当LED液晶投影机的亮度，超过现在的使用超高压水银灯时，例如说超过100流明，才会更容易提高消费者对这项产品的接受度。所以目前大多有能力开发LED液晶投影机的业者，在产品投入市场时机上，采取了相当保守的态度。
因此，很多液晶投影机业者都相当关心东芝，及较早之前投入市场的其它业者，前投式LED液晶投影机的销售情况，因为大多后进或准备很多业者投入这一市场的业者，都以东芝及先前进入市场业者的成果作为风向球。会有这样情况出现的原因是因为，若东芝和其它业者能够成功，那么就可以开始推出同类型产品进入市场。
但东芝也不是相当大胆且无计划的成为投式LED液晶投影机市场上的锋，仔细观察可以发现，东芝所凭借的是本身和其它屏幕业者所共同开发的22.5寸折叠式投影屏幕。
根据资料显示，这款折叠式投影屏幕可以抑制外光的反射，也就是说，即使在明亮的场所，例如光线明亮的会议室里，因为可以达到高对比度而能够清晰的显示出投射影像。
■LED的亮度输出量 仍不能和超高压水银灯相比
不过，还是必须清醒地认识到这样一个事实：虽然说因为LED发光效率的提高，每个LED的亮度输出量和过去相比有相对的提高，但仍然不能和发光功率60流明／瓦以上，全光束为10000流明的光源相比。
所以当各业者在不遗余力的进行关于LED光源技术的研究开发的时候，发现与超高压水银灯不同的是，如果期望有效的利用LED作为背光源的话，仍旧需要解决相当多的问题，因为每个LED生产业者间细微的技术差别，就会造成产品的亮度等性能出现落差，所以如何有效利用LED，就成了每个液晶投影机生产商面临的问题。
LED不像超高压水银灯是点光源，而是面积只有几个mm大小LED芯片的光，会散射到四面八方，为了聚集这些光，还需要配合包括1寸大小的DMD等元件，这样的结构设计是相当复杂的，所以，从这方面可以很容易就看出各个业者之间技术能利的高低。
为了解决这难题，三洋电机就开发了能更有效聚集LED光线的光学产品，并应用在液晶投影机的机构中，和传统应用在LED上的普通采光透镜相比较，这款光学透镜对光的利用率，经过模拟验证预计可以达到1.41倍，不过经过实际测量之后，利用率却是高达到1.34倍，虽然有这么高的光利用率，但仍旧无法完全将所有从LED散射出来的光都加以有效利用，也就是说，还是有一些光会被浪费或无法透过这个光学元件加以聚集使用。
如果为了提高LED液晶投影机的亮度等性能，只是单纯从光机引擎上做努力还是不够的，因为LED本身的改良和性能提高也很重要。很多业者已经意识到了这一点，例如，印度的OSTAR在2005年底发表应用于液晶投影机的LED模块OSTAR，该模块使用了自己生产的LED-ThinGaN。
以传统的架构来说，一般的LED只有50％的光会从芯片表面散射出来，但是这款新型的LED却有97％的光都是从芯片表面激发出来，如此一来，就能够大幅度的提高效率和亮度。OSTAR表示，目前发表的模块产品安装了4个1mm平方的LED芯片，相当适合0.55寸的显示元件应用。
■安装Optical Collimator透镜可提高光的利用率
因应光通量不足的标准型LED光源，目前可以采用两种方式来调节光，一种是和传统的HID光源属于同一照明系统，想法是，将透镜装在焦点上，这样的结构很简单，但是效率却是相当低。另一种是在光源前面安装Optical Collimator透镜的方式，而提高光的利用率，这样的做法事实上比第一种方式的效率高了许多。
不过，有一点需要注意的是，对这两种方式而言，为了提高光调节效率，都必须使用很大的透镜。反射式LED的基本构造，与传统的炮弹型LED完全不同（炮弹型LED：把树脂透镜安装在发光元件上，而达到对光的调节），而且也与芯片型LED也不同（芯片型LED：在散热性能高的电路基板上，配备发光元件再向四周反射光线），反射式LED是把发光元件和反射镜相对的安装，发光元件放射出来的光，一旦碰撞到反射面就可以被调节放射到LED外部。
只是因为透明树脂的透光率、反射面的反射率等原因，才会发生一部分光的流失，但是90％的光可以有效的利用发射到外部。目前，所有的LED设计都是根据发光元件和反射面相对安装的结构来完成的，所以必须要让外形尽可能地变小，而现实高发光效率的目标。但是传统的封装LED为了提高利用率，所以在外形上不得不设计的很大。
为了得到光输出功率很大的射线光源，发光元件的大小具有相当性的关键。如果期望提高光通量的话，就必须要增加发光元件的大小，才能耐得住用来激发光线的大电流。但另一方面，从光学系统角度来看，却有发光元件越小，可以提高光的利用效率，这是相当矛盾且必须面对的问题。
如果从这一点的定律来看的话，液晶投影机所使用的发光元件，应该尽量的朝向小型化发展，并且必须应用在散热性较好的封装型LED上。因为用来作为光输出量高，且光调节性能高的LED结构，需要依靠简化散热电路、扩大搭载发光元件路径的截面，来确保一定的散热性能，而在这样的条件需求下，反射型LED可以说事散热路径是最简单的。
大部分的液晶投影机生产者对于前投式LED液晶投影机的销售模式和前景都感到有一定程度的困难，虽然前投式LED液晶投影机的诉求点是体积小，而且可利用电池供电驱动，但使用时投影效果却是远远比不上传统的产品，一般的消费者根本不会接受，市场前景似乎是很不明朗。
所以有液晶投影机的业者认为，虽然以目前来说，前投式LED液晶投影机马上就可以投入市场，但因亮度的问题，使得在营销上还是有一些困难，能够期待的是，只有当LED液晶投影机的亮度，超过现在的使用超高压水银灯时，例如说超过100流明，才会更容易提高消费者对这项产品的接受度。所以目前大多有能力开发LED液晶投影机的业者，在产品投入市场时机上，采取了相当保守的态度。
因此，很多液晶投影机业者都相当关心东芝，及较早之前投入市场的其它业者，前投式LED液晶投影机的销售情况，因为大多后进或准备很多业者投入这一市场的业者，都以东芝及先前进入市场业者的成果作为风向球。会有这样情况出现的原因是因为，若东芝和其它业者能够成功，那么就可以开始推出同类型产品进入市场。
但东芝也不是相当大胆且无计划的成为投式LED液晶投影机市场上的锋，仔细观察可以发现，东芝所凭借的是本身和其它屏幕业者所共同开发的22.5寸折叠式投影屏幕。
根据资料显示，这款折叠式投影屏幕可以抑制外光的反射，也就是说，即使在明亮的场所，例如光线明亮的会议室里，因为可以达到高对比度而能够清晰的显示出投射影像。
■LED的亮度输出量 仍不能和超高压水银灯相比
不过，还是必须清醒地认识到这样一个事实：虽然说因为LED发光效率的提高，每个LED的亮度输出量和过去相比有相对的提高，但仍然不能和发光功率60流明／瓦以上，全光束为10000流明的光源相比。
所以当各业者在不遗余力的进行关于LED光源技术的研究开发的时候，发现与超高压水银灯不同的是，如果期望有效的利用LED作为背光源的话，仍旧需要解决相当多的问题，因为每个LED生产业者间细微的技术差别，就会造成产品的亮度等性能出现落差，所以如何有效利用LED，就成了每个液晶投影机生产商面临的问题。
LED不像超高压水银灯是点光源，而是面积只有几个mm大小LED芯片的光，会散射到四面八方，为了聚集这些光，还需要配合包括1寸大小的DMD等元件，这样的结构设计是相当复杂的，所以，从这方面可以很容易就看出各个业者之间技术能利的高低。
为了解决这难题，三洋电机就开发了能更有效聚集LED光线的光学产品，并应用在液晶投影机的机构中，和传统应用在LED上的普通采光透镜相比较，这款光学透镜对光的利用率，经过模拟验证预计可以达到1.41倍，不过经过实际测量之后，利用率却是高达到1.34倍，虽然有这么高的光利用率，但仍旧无法完全将所有从LED散射出来的光都加以有效利用，也就是说，还是有一些光会被浪费或无法透过这个光学元件加以聚集使用。
如果为了提高LED液晶投影机的亮度等性能，只是单纯从光机引擎上做努力还是不够的，因为LED本身的改良和性能提高也很重要。很多业者已经意识到了这一点，例如，印度的OSTAR在2005年底发表应用于液晶投影机的LED模块OSTAR，该模块使用了自己生产的LED-ThinGaN。
以传统的架构来说，一般的LED只有50％的光会从芯片表面散射出来，但是这款新型的LED却有97％的光都是从芯片表面激发出来，如此一来，就能够大幅度的提高效率和亮度。OSTAR表示，目前发表的模块产品安装了4个1mm平方的LED芯片，相当适合0.55寸的显示元件应用。
■安装Optical Collimator透镜可提高光的利用率
因应光通量不足的标准型LED光源，目前可以采用两种方式来调节光，一种是和传统的HID光源属于同一照明系统，想法是，将透镜装在焦点上，这样的结构很简单，但是效率却是相当低。另一种是在光源前面安装Optical Collimator透镜的方式，而提高光的利用率，这样的做法事实上比第一种方式的效率高了许多。
不过，有一点需要注意的是，对这两种方式而言，为了提高光调节效率，都必须使用很大的透镜。反射式LED的基本构造，与传统的炮弹型LED完全不同（炮弹型LED：把树脂透镜安装在发光元件上，而达到对光的调节），而且也与芯片型LED也不同（芯片型LED：在散热性能高的电路基板上，配备发光元件再向四周反射光线），反射式LED是把发光元件和反射镜相对的安装，发光元件放射出来的光，一旦碰撞到反射面就可以被调节放射到LED外部。
只是因为透明树脂的透光率、反射面的反射率等原因，才会发生一部分光的流失，但是90％的光可以有效的利用发射到外部。目前，所有的LED设计都是根据发光元件和反射面相对安装的结构来完成的，所以必须要让外形尽可能地变小，而现实高发光效率的目标。但是传统的封装LED为了提高利用率，所以在外形上不得不设计的很大。
为了得到光输出功率很大的射线光源，发光元件的大小具有相当性的关键。如果期望提高光通量的话，就必须要增加发光元件的大小，才能耐得住用来激发光线的大电流。但另一方面，从光学系统角度来看，却有发光元件越小，可以提高光的利用效率，这是相当矛盾且必须面对的问题。
如果从这一点的定律来看的话，液晶投影机所使用的发光元件，应该尽量的朝向小型化发展，并且必须应用在散热性较好的封装型LED上。因为用来作为光输出量高，且光调节性能高的LED结构，需要依靠简化散热电路、扩大搭载发光元件路径的截面，来确保一定的散热性能，而在这样的条件需求下，反射型LED可以说事散热路径是最简单的。
▲ 一般LED模块与OSTAR的LED模块光取出效率比较。（制图：卢庆儒）
■芯片型LED和Optical Collimator透镜搭配 可得高均匀的光线
液晶投影机用的光学单元基本上是由芯片型LED和Optical Collimator透镜构成，光通量可达60流明左右，同时，由于使用了聚光透镜和右通道，因此可获得匀称度相当高的射线光。
从LED光学系统方面来看，发光元件、光学透镜，或透镜大小间的关系，与光分布可调性有很大联系。使用同样的透镜，如果能够扩大发光元件或加大光分布角度，那么一直存在的，轴向发光强度的差异问题就能解决。
另一种是，使用反射型LED的光学单元，因为外形形状较小，所以光分布特性也很好，在800Ma直流电流供应下，照明的发光强度为红光330k lx、绿光650k lx、蓝光470k lx。但实际应用中，将会变成脉冲照明，需要在发光波形较为稳定的情况下使用会比较好。
整体来说，可以应用于液晶投影机的LED光源还需要不断改进其发光效率和光学系统。目前来讲，可以说反射型LED的效率是最高的，并运用很小的空间就能放射射线光的光源。今后，随著大型、可配备大光束发光元件的反射光学系统，和高效率的合成白色光源的光学系统的研究开发，可以期待更好的成果的出现，LED的应用会越来越广泛。
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