激光投影机的发展趋势是什么?

发布日间:2017-06-19   浏览次数:1175


高?#26500;?#28783;(UHP)光源在投影机发展史占很重要的地位。由于UHP发展将近二十年,他的?#20040;?#26159;投影机的集光系统由此变得很简单,又因技术成熟,所以价格低廉,以致至今还是占领主流市 场位置。

但UHP含?#26032;?#32032;及汞元素等有毒有害物质,被列为对环境不友好的产品。因此近几年来TI极力开发半导体光源,以取代UHP灯。首先,在LED光源的设计上,LED可以即开即关,无高压启动点?#32856;?#25200;系统运作问题,光谱色彩纯正,超长寿命达60,000小 时;但其发光面积大,对投影机芯片(DM D)的收光效?#20160;?#20339;,因此投影机亮度不易超过2,000 ANSI。

这对于主流应用2,500-3,000 ANSI 才足够的需求,的确没能 拿到入场券。LED光源投影机,只在有特殊用途的电视墙及家庭 剧院占有一席之地。

因此TI继续寻求更高亮度的半导体光源,三年前开发出蓝色 激光加上荧光粉的组合光源。

为何没有设计RGB纯激光的光源?

(1)成本考虑:

激光二极管目前的技术,以蓝色最为成熟,以光瓦计价,蓝色:USD 3/W 。红色次之:USD 12/W ,绿色最贵:USD 20/W 。 因此,?#28304;?#28608;光RGB二极管来组成光源,其成本太高,一般应用在高端电影院市场。以成本考虑,设计光波长转换的方法,以蓝色激光去激发荧光轮,以产生较长波长的光线如绿色,黄色或红色,是比较?#36136;?#21487;行的。

(2)色彩考虑:

色彩的优或普通,完全取决于光谱的分布宽广。LED有较佳色彩,荧光激发光色彩纯度稍弱。

想办法让光谱分?#25216;?#20013;,采用颜色饱和及色域宽广的方法。作法上有,以色轮做光谱窄化,选用LED 或甚至采重成本以RGB激光都可以扩大色域范围。

将亮?#21462;?#33394;彩及成本最佳组合产生的结果是,以最有效率的蓝色激光(技术最成熟),去激发荧光粉(这技术在白光LED是成熟的)以产生绿色及红色的光,加上激光本身的蓝光,完整提供投影机的RGB三原色。



我们从技术角度比较激光与LED 的差异,?#20040;?#23478;理解在主流市场激光为什么会被青睐?

请看图1、图2组件基本结构。激光也是具有LED PN二极管的架构,但激光在组件上增加了光的共振腔,可以精密地筛选特定波长的光,在腔室内不断共振聚积能量,并透过准?#26412;?#25237;光出去,以产生高密度聚焦的光束。相对?#27492;擔琇ED的聚光架构简单,所以发光的角度大,光密度?#31995;汀?/span>

在投影光学里,我们关注光的集光效率,叫Etendue (光展量)= A*Ω,是一个发(收)光面积乘以发光角的一个数据。请看图3。


光源部分,As : 发光面积,Ωs: 发光角度;

显示部分(DMD),Ai : DMD 面积,Ωi: DMD 收光角?#21462;?/span>

这里有一个准则,光源光展量越小越好,显示的光展量越大越好。Ai*Ωi决定光源被收纳的有效性。光源系统发光的Etendue等于显示系统的Etendue时是最佳的组合。当光源Etendue大于显示组件,部分光源就不会被纳入而浪费掉了。

以下我们从光展量及电光效率,来比较LED 与激光的优?#26377;浴?/span>

电光效率:激光等同1.4倍LED的能

激光功耗 : 2.5A x 4.3V = 10.75W ;

激光光能输出: 3.6W ;

电光效率:3.6/10.75 = 33% 。

LED功耗 : 3.55V x 36A = 127.8W ;

LED光能输出:30W ;

电光效率:30/127.8 = 23%

光展量:激光有数十到百倍的优势

光展量=面积*发光角

LED发光面积4.8×2.2m m (OSRAM P3W ),发光角约60°。

激光光源发光面积30×1 um,发光角5°×24 °(双轴不对称)

由以上数字即可看出单颗激光在光展量上有百倍以上优势 (聚旋光性佳)。

驱动器效率损失:激光驱动省5%能耗

激光驱动器以2.5A 运作,LED是36A,电流大通过电路阻抗,其损耗就大,至少有5%的差异。

以组件电光转换效率、驱动器损耗及集光效率的光展量等参数来看,激光有较佳的节能效果。 换个讲法,

可以采用较小面积的DMD面板,以缩小光机体积,仍然可以保持亮?#21462;?/span>

无须更换灯

UHP灯的寿命一般在2,000-3,000 小时,但激光在全功率下至少有20,000小时寿命,相较之下有约10倍寿命。若以每天用满8小时,一年工作250天,可以整整用上10年。几乎投影机有生之年都不用换灯,免除扰人的换灯售后服务及昂贵的费用。

光源强度可以自我设计

UHP光源及LED都只能?#26144;?#23478;提供的几个瓦数里做设计选择,但激光光源可以让厂家设计?#32422;?#35201;的亮?#21462;?#20197;?#26696;?#20142;的工程机所需要双灯或多灯的设计,现在可以做激光单灯设计。目前率?#26085;业?#23450;位的投影机是高亮工程机,所有工程机厂家?#23478;?#23548;入激光光源。

激光投影机的光源不再只是一个组件(如UHP,LED ),它是一个模块的结构,因此设计没有标准。可以因亮?#21462;?#33394;彩及成本,产生多种组合的架构。目前产业界的设计考虑着重于色彩质量及亮度的要求。因LED 光谱,激光光谱及荧光粉激发光谱的特性不同,激发的荧光亮度高,因此产生多种设计架构。

以蓝色激光激发荧光粉以产生的绿色红色或黄色光,其光谱分布较宽广,会导致色域较限缩,请看图5。宽光谱是荧光粉的天生掣肘,可以外加色轮以修整光谱以得到较宽广的色域。

相较LED 光谱较集中,激光可以有较宽的色域。请看图6。

以下我们?#25945;?#28608;光光源模块的结构及其使用的组件。

激光光源模块的主要组成是:

激光二极管:发光组件,是蓝光激光二极管;

波长转换荧光轮:接受蓝色激光刺激,以产生长波长绿色,黄色及红色光的组件;

聚光合光光学?#31185;罰?#32858;焦激光?#25509;?#20809;轮,并?#21344;?#28608;发光成平行光,以提供光源给投影芯片。

激光光源架构依光路可分:

1、反射式:TI 的建议设计是以反射?#25509;?#20809;轮,加上色轮过滤光以构成符合色彩REC.709要求。其光路复杂但可以提供较高流明输出。请看图8。


2、穿透式:?#28304;?#36879;?#25509;?#20809;轮内建色轮,二轮合一的设计,可以简化光学设计。但其缺点是亮度无法大幅提升,因荧光?#21482;?#21560;光产生?#21462;?#35831;看图9。



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