激光工程機(jī)，激光電影機(jī)及國內(nèi)特有的激光電視近期在國內(nèi)火熱，德州儀器（TI）也將發(fā)展激光微投用于無屏電視。為什 么激光光源會(huì)取代UHP燈泡甚至LED光源 ? 激光投影機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？

一.為何有了環(huán)保的LED 半導(dǎo)體光源，還需要激光？

　　高壓汞燈(UH P) 光源在投影機(jī)發(fā)展史占很重要的地位。由于 UH P發(fā)展將近二十年，他的好處是投影機(jī)的集光系統(tǒng)由此變得很 簡(jiǎn)單，又因技術(shù)成熟，所以價(jià)格低廉，以致至今還是占領(lǐng)主流市 場(chǎng)位置。

　　但UH P含有鹵素及汞元素等有毒有害物質(zhì)，被列為對(duì)環(huán)境不 友好的產(chǎn)品。因此近幾年來TI極力開發(fā)半導(dǎo)體光源，以取代UH P 燈。首先，在LED光源的設(shè)計(jì)上，LED可以即開即關(guān)，無高壓?jiǎn)?動(dòng)點(diǎn)燈干擾系統(tǒng)運(yùn)作問題，光譜色彩純正，超長壽命達(dá)60,000小 時(shí)；但其發(fā)光面積大，對(duì)投影機(jī)芯片（DM D）的收光效率不佳， 因此投影機(jī)亮度不易超過2,000 ANSI。

　　這對(duì)于主流應(yīng)用2,500-3,000 ANSI 才足夠的需求，的確沒能 拿到入場(chǎng)券。LED光源投影機(jī)，只在有特殊用途的電視墻及家庭 劇院占有一席之地。

　　因此TI繼續(xù)尋求更高亮度的半導(dǎo)體光源，三年前開發(fā)出藍(lán)色 激光加上熒光粉的組合光源。

　　為何沒有設(shè)計(jì)RGB純激光的光源？

　?。?）成本考慮:

　　激光二極管目前的技術(shù)，以藍(lán)色最為成熟，以光瓦計(jì)價(jià)，藍(lán) 色：USD 3/W 。紅色次之：USD 12/W ，綠色最貴：USD 20/W 。 因此，以純激光RGB二極管來組成光源，其成本太高，一般應(yīng)用 在高端電影院市場(chǎng)。以成本考慮，設(shè)計(jì)光波長轉(zhuǎn)換的方法，以藍(lán) 色激光去激發(fā)熒光輪，以產(chǎn)生較長波長的光線如綠色，黃色或紅 色，是比較現(xiàn)實(shí)可行的。

　　（2）色彩考慮：

　　色彩的優(yōu)或普通，完全取決于光譜的分布寬廣。LED有較佳 色彩，熒光激發(fā)光色彩純度稍弱。

　　想辦法讓光譜分布集中，采用顏色飽和及色域?qū)拸V的方法。 作法上有，以色輪做光譜窄化，選用LED 或甚至采重成本以RGB 激光都可以擴(kuò)大色域范圍。

　　將亮度、色彩及成本最佳組合產(chǎn)生的結(jié)果是，以最有效率的 藍(lán)色激光（技術(shù)最成熟），去激發(fā)熒光粉（這技術(shù)在白光LED是 成熟的）以產(chǎn)生綠色及紅色的光，加上激光本身的藍(lán)光，完整提 供投影機(jī)的RGB三原色。

二.激光與LED 光源的比較

　　我們從技術(shù)角度比較激光與LED 的差異，讓大家理解在主流 市場(chǎng)激光為什么會(huì)被青睞？

　　請(qǐng)看圖1、圖2組件基本結(jié)構(gòu)。激光也是具有LED PN二極管 的架構(gòu)，但激光在組件上增加了光的共振腔，可以精密地篩選特 定波長的光，在腔室內(nèi)不斷共振聚積能量，并透過準(zhǔn)直鏡投光 出去，以產(chǎn)生高密度聚焦的光束。相對(duì)來說，LED的聚光架構(gòu)簡(jiǎn) 單，所以發(fā)光的角度大，光密度較低。

圖1 激光二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 LED 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　在投影光學(xué)里，我們關(guān)注光的集光效率，叫Etendue (光展 量）= A*Ω，是一個(gè)發(fā)（收）光面積乘以發(fā)光角的一個(gè)數(shù)據(jù)。請(qǐng) 看圖3。

圖3 光展量（Etendue）的圖示

　　光源部分，As : 發(fā)光面積，Ωs: 發(fā)光角度；

　　顯示部分(DM D)，Ai : DM D面積，Ωi: DM D收光角度。

　　這里有一個(gè)準(zhǔn)則，光源光展量 越小越好，顯示的光展量越大越好。 A i*Ωi決定光源被收納的有效性。光 源系統(tǒng)發(fā)光的E tendue等于顯示系統(tǒng) 的E tendue時(shí)是最佳的組合。當(dāng)光源 Etendue大于顯示組件，部分光源就不會(huì)被納入而浪費(fèi)掉了。

圖4 投影用LED 光源外觀

　　以下我們從光展量及電光效率，來比較LED與激光的優(yōu)劣性。

　　光展量：激光有數(shù)十到百倍的優(yōu)勢(shì)

　　光展量＝面積＊發(fā)光角

　　LED發(fā)光面積4.8×2.2m m (OSRAM P3W )，發(fā)光角約60°。

　　激光光源發(fā)光面積30×1 um，發(fā)光角5°×24 °(雙軸不對(duì)稱)

　　由以上數(shù)字即可看出單顆激光在光展量上有百倍以上優(yōu)勢(shì) （聚旋光性佳）。

　　電光效率：激光等同1.4倍LED的能原效率

　　激光功耗 : 2.5A x 4.3V = 10.75W ；

　　激光光能輸出: 3.6W ；

　　電光效率：3.6/10.75 = 33% 。

　　LED功耗 : 3.55V x 36A = 127.8W ；

　　LED光能輸出：30W ；

　　電光效率：30/127.8 = 23%

　　驅(qū)動(dòng)器效率損失：激光驅(qū)動(dòng)省5%能耗

　　激光驅(qū)動(dòng)器以2.5A 運(yùn)作，LED 是36A ，電流大通過電路阻 抗，其損耗就大，至少有5% 的差異。

　　以組件電光轉(zhuǎn)換效率、驅(qū)動(dòng)器損耗及集光效率的光展量等參 數(shù)來看，激光有較佳的節(jié)能效果。

　　換個(gè)講法，可以采用較小面積的D M D 面板，以縮小光機(jī)體 積，仍然可以保持亮度。

三.激光與U H P燈泡的比較

　　無須更換燈

　　UH P燈的壽命一般在2,000-3,000 小時(shí)，但激光在全功率下 至少有20,000小時(shí)壽命，相較之下有約10倍壽命。若以每天用滿 8小時(shí)，一年工作250天，可以整整用上10年。幾乎投影機(jī)有生之 年都不用換燈，免除擾人的換燈售后服務(wù)及昂貴的費(fèi)用。

　　光源強(qiáng)度可以自我設(shè)計(jì)

　　U H P光源及LED 都只能從廠家提供的幾個(gè)瓦數(shù)里做設(shè)計(jì)選 擇，但激光光源可以讓廠家設(shè)計(jì)自己要的亮度。以前高亮的工程 機(jī)所需要雙燈或多燈的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在可以做激光單燈設(shè)計(jì)。目前率 先找到定位的投影機(jī)是高亮工程機(jī)，所有工程機(jī)廠家都已導(dǎo)入激 光光源。

四.激光投影機(jī)的光源模塊如何實(shí)現(xiàn)？

　　激光投影機(jī)的光源不再只是一個(gè)組件（如UH P，LED ），它 是一個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)沒有標(biāo)準(zhǔn)?？梢砸蛄炼取⑸始俺?本，產(chǎn)生多種組合的架構(gòu)。目前產(chǎn)業(yè)界的設(shè)計(jì)考慮著重于色彩質(zhì) 量及亮度的要求。因LED 光譜，激光光譜及熒光粉激發(fā)光譜的特 性不同，激發(fā)的熒光亮度高，因此產(chǎn)生多種設(shè)計(jì)架構(gòu)。

　　以藍(lán)色激光激發(fā)熒光粉以產(chǎn)生的綠色紅色或黃色光，其光譜 分布較寬廣，請(qǐng)看圖5，會(huì)導(dǎo)致色域較限縮。寬光譜是熒光粉的 天生掣肘，可以外加色輪以修整光譜以得到較寬廣的色域。

圖5 激發(fā)的熒光光譜分布及色域圖

圖6 LED 光譜分布及色域圖

圖7 激光光源模組

　　相較LED 光譜較集中，激光可以有較寬的色域。請(qǐng)看圖6。

　　以下我們探討激光光源模塊的結(jié)構(gòu)及其使用的組件。

　　激光光源模塊的主要組成是：

　　1.激光二極管：發(fā)光組件，是藍(lán)光激光二極管；

　　2.波長轉(zhuǎn)換熒光輪：接受藍(lán)色激光刺激，以產(chǎn)生長波長綠 色，黃色及紅色光的組件；

圖8 反射式激光光源架構(gòu)圖

　　3.聚光合光光學(xué)部品：聚焦激光到熒光輪，并收集激發(fā)光成 平行光，以提供光源給投影芯片。

　　激光光源架構(gòu)依光路可分：

　　1.反射式：TI 的建議設(shè)計(jì)是以反射式熒光輪，加上色輪過濾 光以構(gòu)成符合色彩REC.709要求。其光路復(fù)雜但可以提供較高流 明輸出。請(qǐng)看圖8。

　　2.穿透式：以穿透式熒光輪內(nèi)建色輪，二輪合一的設(shè)計(jì)，可 以簡(jiǎn)化光學(xué)設(shè)計(jì)。但其缺點(diǎn)是亮度無法大幅提升，因熒光輪會(huì)吸 光產(chǎn)生熱。請(qǐng)看圖9。

圖9 穿透式式激光光源架構(gòu)圖

　　激光光源架構(gòu)依發(fā)光源分為：

　　1、純RGB 激光：可以得到非常廣的色域，但價(jià)格很高，只 合適高檔應(yīng)用。請(qǐng)看圖10。

圖10 純RG B 激光光源架構(gòu)及超廣色域

　　2、藍(lán)色激光熒光輪光源：這是典型的激光光源架構(gòu)，光路 較單一化，但色域較小。一般會(huì)用色輪來優(yōu)化色域。請(qǐng)看圖11。

圖11 典型的激光光源架構(gòu)

　　3、激光及LED 混和式光源：用以改善紅光純度：以紅色 LED 取代紅色熒光激發(fā)光，綠色光還是由激光激發(fā)熒光粉以產(chǎn) 生。請(qǐng)看圖12、13。

圖12 紅色LED 與激光熒光混合光源

　　用以改善藍(lán)光純度：藍(lán)色光以LED來提供，綠色，紅色及黃 色光由激光激發(fā)熒光粉以產(chǎn)生。

圖13 藍(lán)色LED 與激光熒光混合光源

五.激光光機(jī)未來發(fā)展方向：

　　熒光輪的演進(jìn)：改善散熱及涂布均勻，對(duì)于熒光輪的轉(zhuǎn)換效 率，影響因素主要有兩個(gè)。

　　1.工作溫度：熱會(huì)讓轉(zhuǎn)換效率變差及影響信賴性。

　　因此，現(xiàn)在工藝上努力解決的問題是散熱，嘗試以陶瓷或 玻璃與熒光粉混和，取代早期的硅膠可以讓熒光輪更耐熱。增加 信賴性及可以操作在更高溫，以減輕散熱的要求或可以耐更高瓦 數(shù)的激光。另外，熒光輪采用鋁鏡基板取代之前的銀鏡基板，可 以增加散熱能力。

　　2.熒光粉涂布的厚度：太厚或太薄的熒光粉轉(zhuǎn)換效率均不是 最好。

　　從前是用涂布的方式涂上光粉，容易有厚薄不均問題。現(xiàn)在 改用印刷方式，可以產(chǎn)生一致的厚度。紅光熒光粉對(duì)熱的耐受性 不好且轉(zhuǎn)換效率比黃色低，成本高壽命短，因此現(xiàn)行設(shè)計(jì)采用黃 色熒光粉再外加色輪去過濾以產(chǎn)生紅色光譜。

　　為了縮減光學(xué)空間，嘗試以穿透式的熒光輪來達(dá)到二 合一的效果（熒光輪加色輪）。穿透式熒光輪，激光進(jìn)入光有部 分被反射無法進(jìn)入熒光粉，又因其吸熱較多因此轉(zhuǎn)換效率比反射 式差。因此穿透式熒光輪投影機(jī)，不使用于2,000 流明以上的機(jī) 器。

　　激光二極管組件的演進(jìn)：增加整合度，減輕系統(tǒng)廠生產(chǎn)工 時(shí)。請(qǐng)看圖14。

圖14 激光半導(dǎo)體的演進(jìn)

　　早期投影機(jī)廠家開發(fā)激光光源，是以購入激光二極管顆粒， 自行將多個(gè)組件組合做光線調(diào)校對(duì)正。近期激光組件廠家，提供 已經(jīng)調(diào)校對(duì)正的模塊，讓系統(tǒng)廠家降低生產(chǎn)的障礙了，并減少與 客戶的技術(shù)服務(wù)。另外有一種新型型態(tài)出現(xiàn)，將二十個(gè)激光二極 管的晶圓直接焊接在銅基板上，可縮小組件尺寸，以利于光機(jī)系 統(tǒng)廠縮小體積的設(shè)計(jì)。

六.總結(jié)

　　激光投影機(jī)還在成長初級(jí)階段，組件廠及系統(tǒng)廠無不絞盡腦 汁，提高性能降低成本及增加信賴性。目前為了普及激光，組件 廠先以降低每光瓦的價(jià)錢為手段，熒光輪廠家則改善熒光輪的散 熱及耐熱能力，并嘗試達(dá)到更高的熒光粉發(fā)光效率，耐熱及長壽 命。往后幾年看，激光一定會(huì)有很多驚人的進(jìn)展。

內(nèi)容來源：InfoAV China
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