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投影机固态光源市场未来发展趋势分析
http://www.ceiea.com 2014年01月17日 13:50 中国教育装备网
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  核心提示:投影机技术的领导巨擘德州仪器公司,正在利用这技术革新的时代,全力投注以固态光源来取代传统高压汞灯的设计,宣称无灯的设计。
  
  投影机技术的领导巨擘德州仪器公司,正在利用这技术革新的时代,全力投注以固态光源来取代传统高压汞灯的设计,宣称无灯的设计(LampFree)。其理由一者是环保;二者灯寿命增长几乎免换灯,对使用者有省维护及换灯的好处,少掉使用成本;三者,固态光源有马上亮及易于点亮控制的特点,免除需要高压20KV点灯瞬间,增加系统可靠性;第四,半导体技术是目前科技史上进展最快且可以期待的,性能/成本比最佳的技术。
  
  由模拟技术的高压汞灯,转移到固态光源
  
  高压汞灯(UHP)从1990年代有投影机开始就存在。直到2007才有LED光源在投影机的萌芽,但至今都还无法撼动高压汞灯的占有率。原因是汞灯的技术成熟,不需再投资研发,因此成本是最大优势。但由于环保意识提高,无毒化学气体及节能高效率的固态光源的出现,导致全球兴起对光源破坏性科技的探讨,以取代爱迪生发明的灯泡及荧光灯,庞大的照明市场吸引大量资源投入研发制造,让固态光源的光效率每年以两倍的速度增加。另外,由于其节能省碳减缓地球暖化速率,在各国政府的政策支持下,2012成为固态光源元年,固态光源正在改变路灯及家庭照明市场。
  
  投影机技术的领导巨擘德州仪器公司,正在利用这技术革新的时代,全力投注以固态光源来取代传统高压汞灯的设计,宣称无灯的设计(LampFree)。其理由一者是环保;二者灯寿命增长几乎免换灯,对使用者有省维护及换灯的好处,少掉使用成本;三者,固态光源有马上亮及易于点亮控制的特点,免除需要高压20KV点灯瞬间,增加系统可靠性;第四,半导体技术是目前科技史上进展最快且可以期待的,性能/成本比最佳的技术。
  
  投影机光源的特殊要求
  
  虽与照明光源共享半导体技术及材料,但光源应用于投影机有以下的考虑。
  
  光效率:光源的光多少比率会被投影面板接收并投射出去,这是光源及投影面板光展量(Entendue)的相对关系。
  
  由于投影机对光源的要求有其特殊光学要求,集光效率是一个重要考虑,集光效率与显示的投影面板尺寸有相互关系。光源光展量(Entendue)越小,光通量被面板移转过去的百分比越高。
  
  LED由于发光面积大,发光立体角大,因此其光展量大,若投影面板尺寸小于0.7”,则效率相当低,达不到2,000流明。因此LED虽较早开发量产,但迟迟无法成为投影市场主流。
  
  激光的光展量很小,因其光线非常集中且能量高(如图2),因此激光是寻求高流明的一个解法。
  
  ·光源的色谱色域是否与标准REC-709(ITU-R国际电信组织定义的HDTV色域要求)接近或具有更宽广的色域。
  
  ·电光转换效率,以相同频谱455nm(蓝色频谱)来比较。激光约有两倍的效能于LED。
  
  以蓝色LED来看,其电光效率24光瓦/160电瓦=15%。
  
  激光则是29光瓦/90电瓦=32%
  
  由集光效率及电光转换效率成积即为投影机的效率,中国CQC6102-2009数字投影机环保节能要求,要求投影机所耗的电与所发出的光量必须大于7流明/瓦特。一般LED光机要超过规范不是容易的事。但对于激光则是相当容易的事。
  
  ·成本高低:LED产业有非常大的照明应用基础,因此造就了有效率的分工体系,及大量的原材料,因此有非常好的成本优势。而激光目前成本非常高无法跟LED比。但从未来趋势看,由于激光制造也是半导体制程,因此当它成为主流应用时,可以期待成本大幅下降。
  
  投影机固态光源的演进史
  
  如同各种技术在初期会有各种方式存在,各种方法都在极力解决一种问题,但并不能解决所有问题。固态光源在投影机的应用设计演进,是依据技术的成熟度以渐进方式地解决效能不足。在此我们将阐述近五年来的投影激光源的演进历史。2007年TI提出LED光源取代UHP光源,后来2010年TI再提出激光光源架构。
  
  纯LED光源:这是最早被提出的,但由于光效不佳,因此不被前投接纳,但在背投机芯中因其长寿命及饱和色彩而渐呈主流。对微型投影则因空间的优势及光源控制容易而获得认可。
  
  混和光源(激光加LED):为了解决LED光源的亮度不足2,000流明,但又要保有好的色彩,因此产生了混和光源。
  
  激光光源:由于混和光源采用激光及LED组件,导致设计复杂化。尽管在电源及光学架构都有两套,但亮度还是被LED所限。因而构想纯蓝色激光加上荧光轮以产生红绿光并经过色轮以优化投射光的色域。这种设计亮度就没有限制,你可以依据亮度需求而增加激光二极管个数(其限制只在于散热)。
  
  三色激光光源:这是对激光光源色彩饱和度不足的改善。这是由于荧光转化的光线频谱分布广,及蓝色激光无法改变光谱,另外排除荧光轮及色轮以增加系统信赖度而衍生的设计。
  
  各种投影机光源技术的优缺点
  
  LED投影机
  
  相较于UHP光源,LED光源有以下特色:
  
  优点:瞬间开机,只需等一秒即达全亮,而以前UHP需要30秒的开机等待,及关灯风扇冷却时间;可靠性增长,无转动的色轮(纯粹靠RGBLED顺序切换来产生顺序的RGB画面);无彩虹效应,相当于360-480Hz的转换速度;灯源超长寿命达60,000小时,以7×24使用可以达七年无需换灯,省下维修费用;色域范围大于Rec709。
  
  缺点:光效率不高,约6-8流明/瓦;LED驱动器成本高:由于需要快速切换RGB;设计复杂,热需精心设计,需加Heatsink&HeatPipe才能把热带走;整体成本高;驱动器贵,光学部件多,散热模块复杂且价格昂贵。
  
  LED是以RGB轮流切换方式进行发光。若要达到1,000流明,必须LED瓦特数达120-150瓦。目前只有Luminus及OSRAM才有提供这种高功率。目前业界LED光机能做到的高亮也只有1,200流明。
  
  混和光源(LED,激光,荧光轮)投影机
  
  为了提升投影机亮度因此就有一种想法,即提升绿色光源亮度以提升总体亮度至2,000流明,(这是前投机的基本要求门坎,达到这个亮度才能满足会议室及教室的应用)。
  
  以蓝色激光发出强光激发转动的绿色荧光轮,以产生高亮绿光同时有激光蓝色,以取代纯的绿光及蓝光LED。这是取巧于人眼对绿光最敏感,可以提供较多的亮度感觉。又可以省下蓝色光源。
  
  但这设计架构的亮度提升,会受限于色温质量的要求。白色色温是依据红绿蓝的比率组合,一般以0.3:0.59:0.11作为最适组合。因此红色光源能量没提升,就会限制总亮度。并且绿光的频谱相对LED较不纯,因此导致色域在绿色是缩小的。且蓝色光是延用激光基本波长,因此蓝色会有紫色的视觉感。
  
  相较于LED光源,(为了提升亮度又不降低色域太多)。
  
  优点:光效率增加,亮度提升可以至2,000流明。
  
  缺点:彩虹效应较明显,因其转动速度约120-240Hz(荧光轮速度的限制);系统可靠性较低,因增加一个动件荧光轮(约20,000-50,000小时的寿命);灯寿命较短:激光目前的寿命只有20,000小时;电源系统复杂,两套驱动系统LED,激光;?光源光路系统复杂,两套聚光方式,红色LED需聚光,与蓝色激光与绿色激发光汇聚;色域范围略小于Rec709(绿的较弱)。
  
  激光投影机(激光,荧光轮及色轮)
  
  为改善混合光源的复杂光学,电子设计及亮度依然受限于红色LED,因此又产出了纯蓝色激光加荧光轮及色轮的设计,以产生好的色彩及高亮度。透过色轮将荧光转换光色彩优化。因此可以随心所欲产生所要的色域,但必须牺牲亮度来成就色彩。色轮与荧光轮是以同步方式在运转。
  
  相较于混和光源的比较。
  
  优点:亮度提升,可以至2,500-3,000流明(纯依赖激光二极管的个数);光效率提升,可以达到12-16流明/瓦特,符合CQC6102-2009数字投影机环保节能要求;光学系统单一化,只要对激光激发的光做收光;激光驱动电路简化,激光驱动不用复杂地做脉冲电流切换,只要提供一恒定电流;亮度可以依需求而自制,可以使用16,20或32颗激光二极管,无须像LED或UHP受限于厂商的有限的组件型号,而需要合并双灯以提升亮度。
  
  缺点:系统可靠性降低,因增加一个色轮。
  
  RGB三色激光投影机
  
  由于纯激光加荧光轮及色轮的投影机,在机器里有两个移动的动件,机器的稳定性会降低(色轮寿命约为2-5万小时)。需要更广的色域的应用,对于频谱转换的色彩效果不满意,如图11.2所示,光的纯度不符需求。因此在高端应用如营业剧院及家庭剧院,就需设计RGB三色激光光源。
  
  相较于激光投影机与三色激光投影机的差异。
  
  优点:可靠性增加,没有荧光轮及色轮动件,增长系统可靠性;超宽广的色域,RGB光谱集中;集光效率好,激光发光光展量小,因此面板几乎完全投射出去;光学系统设计简单,镜头焦深长,镜头设计容易,可以对焦在曲面上。
  
  缺点:组件成本高,红色及绿色激光二极管制作不易,尤其是绿色,售价超级高,尤其绿色激光二极管其能量只能红色及蓝色的1/5,不超过0.6W(相对B-3.5W);需克服激光斑点问题,增加电路及结构以克服激光斑点问题。
  
  主流的光源架构:激光光源(激光,荧光轮及色轮
  
  综合以上的分析比较,基于价钱寿命性能的综合考虑,能占据主流市场的,应是激光投影机。
  
  前投机在会议室或教室的应用占投影机绝大多数市场,其要求亮度大于2,000流明及成本便宜。因LED亮度有限制,混和光源系统复杂,三色激光成本高,只有激光光源方案才能期待。因激光才能提供高流明又可以期待成本的下降。而半导体的组件只要有量,价钱的下降是可以预期的。LED及LCD电视产业都是一个好范例。
  
  激光投影机即将是主流市场接纳的技术,我们下面将说明其工作原理及其发展趋势。
  
  激光荧光轮光源的工作原理
  
  一个BankL1蓝色激光二极管(约20-32个,个数因亮度需求而不同)。
  
  透过C1/C2镜片聚焦及DM1(双色组件)反射抵达荧光轮(PW1)处。荧光轮(PW1)以两倍的视频帧速率转动,光打到红绿黄荧光粉而激发出相对应的红光、绿光和黄光。因荧光轮的转动,而产生顺序红绿黄光,透过光学的反射及聚焦最后达到色轮CW1被优化后,进入光的积分柱LT1。蓝光则不激发荧光轮,以穿透方式(图示的荧光轮蓝色区)经由C4、M2、C5、M3、C6、M4、C7光抵达DM1并被反射至C8,聚光到色轮CW1,之后便进入光均匀通道LT1,再到光机内部(光机内部则与UHP,LED光源光机无异)。

(来源:中国投影网)

责任编辑:董晓娟
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