LED投影光源燈的進展
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-05-22 瀏覽次數(shù)： 599 |
編者按：人類的想象力永遠在向前走。過去，我們的先輩架著馬車想象火車、飛機，現(xiàn)在，我們把電影放在手心上看的時候想象著在空氣中看立體電影。LED投影光源燈的進展讓我們感覺到我們正在邁向下一個想象的路上，并且這些想象將在某年某月變成現(xiàn)實。
未來的某天，數(shù)碼相機照片通過手掌大小的機器放出40″畫面，手機收看的電視圖像居然有15″，有人好奇“怎么回事？”。答案：這是LED投影將給我們創(chuàng)造的驚喜。
前投影機和背投電視的全球銷量目前已達一千多萬臺，CRT背投電視銷量開始呈減少態(tài)勢，而LCD、DLP、LCOS微顯示的前投和背投銷量達八百多萬臺，仍在持續(xù)增長。
微顯示前投和背投均需要外光源提供照明。傳統(tǒng)的投影光源是高強度的氣體放電燈（HID），主流投影產(chǎn)品幾乎都采用超高壓汞燈（UHP）。近兩年，應(yīng)用固體發(fā)光原理的LED燈開始用做投影產(chǎn)品的光源燈。LED投影給投影顯示產(chǎn)品，以及移動數(shù)碼圖像產(chǎn)品帶來的影響，值得LED和投影兩方面的從業(yè)者關(guān)注。
LED投影
LED投影系指采用LED光源的所有投影裝置，給投影冠以光源特征。它可分為四類，應(yīng)用領(lǐng)域有別，光輸出等性能也存在明顯差異（如表1）。
首先說口袋式投影機（Pocket Projector，如圖1），它小型輕量到可置于手掌上或口袋中，畫面可供數(shù)人觀看，主要作個人應(yīng)用，也可用于移動商務(wù)。近幾年，移動數(shù)碼圖像產(chǎn)品種類層出不窮，銷量突飛猛進，移動投影也被推薦為NB、Laptop PC、PDA、Mobil DVD、DSC、DV、PMP以及Mobil Phone等的顯示伴侶，用以獲得比原屏幕大得多的畫面。
第二類稱為集成式投影機（Integrated Projector，如圖2），它無須單獨機殼，以組件形式將LED投影光機組合到其它數(shù)碼產(chǎn)品中，投出比原有直視屏幕大的圖像。它組合在多媒體手機中的應(yīng)用最為誘人。
第三類稱為便攜式投影機（Portable Projector），尺寸和重量比前述口袋式投影機大，類似于目前采用UHP燈的超便攜投影機，適用于商用和家用。
第四類稱為背投電視（RPTV），以家用為主。
一、二類產(chǎn)品市場是LED投影開拓的獨有領(lǐng)地，傳統(tǒng)UHP投影過去沒有以后也難以進入該新市場；而三、四類產(chǎn)品市場卻原本是UHP投影的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域，LED投影雖未創(chuàng)造新的用途，但其目前所具有的和潛在的優(yōu)勢足以激發(fā)替代的或者新型的市場需求。
未來幾年內(nèi)，投影產(chǎn)品必將逐步展現(xiàn)出新趨勢：微型的LED投影機將伴隨電視手機等熱門數(shù)碼產(chǎn)品大行其道，LED背投將在家用背投的全尺寸范圍內(nèi)叫板UHP微顯背投，便攜式LED前投則將在80″以內(nèi)的應(yīng)用中挑戰(zhàn)傳統(tǒng)前投。
圖1 口袋式LED投影產(chǎn)品
圖2 集成式LED投影原理樣機
表1 四類LED投影的性能特征（至2010年）
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|
畫面尺寸
inch |
光輸出
lm |
供電方式 |
體積
cm3 |
重量
g |
|
集成式 |
5 ~ 15 |
5 ~ 15 |
電池 |
﹤50 |
﹤100 |
|
口袋式 |
15 ~ 40 |
30 ~ 50
50 ~ 100 |
電池或外接
交直變流電源 |
﹤600 |
﹤500 |
|
便攜式 |
30 ~ 80 |
200~400
400~800 |
交流 |
﹤3000 |
﹤1500 |
|
背投 |
40 ~ 70 |
200~500 |
交流 |
/ |
/ |
投影光源
投影光源燈
投影光源燈仍在繼續(xù)演變。投影裝置先使用鹵素?zé)簦蟊唤瘥u燈取代。九十年代中期之后，UHP燈出現(xiàn)并迅速在主流投影產(chǎn)品中取代金鹵燈。2005年，LED燈作為投影光源，開始用于微型投影產(chǎn)品，已展現(xiàn)出好的發(fā)展前景。
投影光源燈的演變極大促進了投影產(chǎn)品性能的提高，鹵素?zé)簟⒔瘥u燈、UHP燈的順次替換是技術(shù)發(fā)展的必然。然而，決定更替的因素并非某項技術(shù)指標(biāo)的改進，而是全面技術(shù)指標(biāo)、成本價格和產(chǎn)業(yè)鏈成熟度的綜合評價。LED與UHP相比，既有許多性能優(yōu)勢，也有光輸出較低的劣勢。這就注定只有在小畫面尺寸的應(yīng)用中，LED投影目前才具有競爭優(yōu)勢。LED確實引發(fā)了投影產(chǎn)品的新趨勢，提升LED投影光源燈的綜合評價也有很大的空間。筆者并不同意LED投影燈將在幾年后取代UHP投影燈的說法，認為至少在此后十年內(nèi)，LED燈將在投影應(yīng)用領(lǐng)域中逐步成長，與UHP燈互補互促，并行發(fā)展。
實際上，投影光源燈還不只上述四種。多年以來，氙燈用于高流明輸出的投影裝置，數(shù)量不多，但地位穩(wěn)固。前兩年出現(xiàn)采用激光光源的背投，今年的CES（全球消費電子展）展出了采用高頻無極燈（electrodless discharge lamp RF driven）的背投，并先后獲得展會相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新獎，不過，它們成為有競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品之路還比較長。
LED投影光源
投影光源主要由驅(qū)動電路、LED器件（芯片）、初級光學(xué)元件、熱沉等部分組成。近兩年這些部分各自都獲得了不同的進展。主要設(shè)計考慮包括：
·LED（器件或芯片）種類和數(shù)量，滿足光源光學(xué)擴展量、光輸出、光色、功耗、排列等要求。
·基板利于散熱和熱沉組合裝配，便于內(nèi)外連接、熱管理控制、防靜電損壞等。
·散熱路徑各部分的熱阻都低并有效冷卻，減少熱積累和溫升，降低結(jié)溫，保持LED光輸出和顏色穩(wěn)定。
· 驅(qū)動電路效率高，驅(qū)動電流設(shè)置有利于高效和可靠發(fā)揮LED性能。
·初級光學(xué)元件的收集入射角與LED匹配，收集率和透過率高，出射角度小，使盡量多的光能進入引擎。
·長壽命、高可靠、低成本、體小量輕。
投影光源關(guān)注LED技術(shù)
光源可利用的光輸出和引擎光效決定引擎光輸出，這是LED投影光學(xué)引擎設(shè)計的關(guān)鍵。提高LED光輸出的主要途徑在于增大發(fā)光效率和輸入功率，而光源光輸出的可利用來源于光學(xué)引擎的系統(tǒng)光束擴展量限制。
增大發(fā)光效率
LED發(fā)光效率ηL = ηLM×ηLE
式中，極限流明效率ηLM = C×E（λ）×V（λ）
極限流明效率ηLM由LED的光譜特性確定，增大發(fā)光效率的實質(zhì)是提高能量利用效率ηLE。
色光和RGB白光LED的能量利用效率ηLE = EQE ×ηWP ×ηP
而熒光白光LED的能量利用效率ηLE = EQE ×ηWP ×ηP ×ηC
上述式子中，常數(shù)C=683 lm/W，E（λ）相對光譜能量分布函數(shù)，V（λ）光譜光視效率函數(shù)，EQE外量子效率，ηWP電功效率，ηP封裝效率，ηC熒光效率。
隨著EQE、ηWP、ηP、ηC，因而ηLE這些能量利用效率逐步提升，發(fā)光效率ηL也朝著其極限值——光譜流明效率ηLM逐步提高。
先以熒光白光功率LED為例，引述受美國能源部資助的固體發(fā)光研究發(fā)展計劃（2006年3月）的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示。
表2 熒光白光功率LED的能量利用效率前景
|
年份 |
內(nèi)量子
效率
IQE |
取光
效率
χ |
外量子
效率
EQE=IQE*χ |
電功
效率
ηWP |
熒光
效率
ηC |
封裝
效率
ηP |
器件能量
利用效率
ηLE |
|
2005 |
60% |
50% |
30% |
80% |
70% |
80% |
13% |
|
2020~2025 |
90% |
90% |
81% |
90% |
85% |
90% |
56% |
EQE是能量利用效率的主要影響因素，05年低至30%，有很大改進余地，當(dāng)然ηWP、ηP、ηC也有10~20%的提升空間。LED產(chǎn)業(yè)上游是襯底和外延片，中游是芯片，下游為器件封裝。IQE主要取決于外延片 ；χ則主要取決于芯片，也和封裝相關(guān)。該計劃指出，IQE和χ將分別從2005年的60%和50%，提高到2020~2025年的90%目標(biāo)，因此EQE將從30%增大到81%，ηLE也將從13%攀升至56%，增加了3.3倍。考慮到不同色溫，功率白光LED的極限流明效率ηLM大約在300~400 lm/w之間。于是，它的發(fā)光效率ηL將從05年的40~50 lm/w增加到2020~2025年的170~220 lm/w，近年來，白光LED發(fā)光效率ηL的實際進展也確實令人鼓舞。
LED投影光源經(jīng)常采用色光LED。引述同一份計劃的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表3所示。
表3 色光功率LED的能量利用效率前景
|
年份 |
色光 |
內(nèi)量子
效率
IQE |
取光
效率
χ |
外量子
效率
EQE=IQE*χ |
電功
效率
ηW P |
封裝
效率
ηP |
器件能量
利用效率
ηLE |
|
2005 |
R |
80% |
50% |
40% |
80% |
80% |
26% |
|
G |
20% |
50% |
10% |
6.4% | |||
|
B |
60% |
50% |
30% |
19% | |||
|
2020~2025 |
R |
90% |
90% |
81% |
90% |
90% |
66% |
|
G | |||||||
|
B |
量子效率依然是影響色光功率LED能量利用效率的主要因素，尤其05年綠光LED的EQE低達10%。到2020~2025年，三基色LED的EQE和ηLE均要達到81%和66%的目標(biāo)值。色光LED的襯底、外延片、芯片和封裝技術(shù)將有很大的改進，特別是綠光LED的外延和芯片技術(shù)需要更大的改進，以便大幅度提高IQE和EQE。
增大輸入功率
LED的輸入功率Pd = If×Vf
增大具有一定芯片面積的LED的正向電流If就是增大電流密度，增加注入電子數(shù)，當(dāng)量子效率相同時，芯片的出射光子數(shù)增加，輸出光通量增加。器件矩陣或芯片矩陣的LED光源能輸出高光通量，其實質(zhì)是通過增大LED的發(fā)光面積來增大If，因此增大Pd。多芯片矩陣技術(shù)的進展有一些很好的報道結(jié)果，如發(fā)光區(qū)面積50×50mm的白光源輸出8250 lm，功率密度高達330 lm/cm2。這類光源并非專門為投影設(shè)計。不過，可以肯定采用多芯片矩陣將是LED投影光源的一種主要形式。
通過改進LED的芯片和封裝技術(shù)，例如減薄芯片和降低電極接觸電阻，使一定If下的Vf下降，對提高光輸出也有意義。對GaN基的LED，Vf降低0.15~0.2 V，相當(dāng)于或者正向電流提高了5%，或者發(fā)光效率增加了5%。
投影可利用的光源光輸出
與其它LED照明不同，有效利用LED投影光源的光輸出是一個突出問題，因為可用光輸出受到投影系統(tǒng)光束擴展量的限制。
任何投影系統(tǒng)均需考慮光源的光束擴展對照明效率的影響。LED投影光源的發(fā)光效率尚需提高，而用作投影光源時，它的發(fā)射光束空間分布特性也需改進。光束擴展的量度用光束的面積和空間立體角表示。LED光源的光束擴展量影響光能在照明光學(xué)系統(tǒng)中的傳輸效率。投影照明系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)之一就是讓光源的光能高效地傳輸?shù)酵队俺上衿骷３指哒彰餍省Ｍ队俺上衿骷墓馐鴶U展量也稱系統(tǒng)光束擴展量，它限制著LED投影光源的光束擴展量。微顯示成像器件的對角尺寸小于1″，隨著成像器件技術(shù)進步，為成本降低，對角尺寸甚至已經(jīng)小到0.5″，因此對LED光源的光束擴展量的限制趨于更加嚴(yán)格。
系統(tǒng)光束擴展量
Ed =πAd / 4F 2
光源光束擴展量
Es =πAssin2θs
兩式表明，Ed正比于成像器件面積Ad，反比于投影鏡頭的F﹟；而Es則與發(fā)光面積As和對發(fā)光光束的收集半角θs都成正比。原理上一般認為要有效地將光能從光源收集并傳輸?shù)匠上衿骷瑧?yīng)滿足Es ≤Ed。
減小As和發(fā)光光束的立體角Ωs（或光束的收集半角θs），即減小光源光束擴展量，有利于光能的傳輸效率。當(dāng)發(fā)光效率ηL一定時，減小As會導(dǎo)致If下降，發(fā)射光輸出下降。所以，在考慮LED芯片發(fā)光的面擴展時，需通過提高ηL來減小As。減小Ωs不影響光源光輸出，卻無疑對傳輸效率有利。在滿足Es≤Ed限制的前提下，減小發(fā)光光束的立體角，有利于增大As，比如采用矩陣光源形式增大As，從而增大光源光輸出。
單位立體角內(nèi)和單位發(fā)光面積上，輸出更多的光通量是投影光源選擇LED的主要判據(jù)。
由此判據(jù)，發(fā)光效率高、輸入功率大、發(fā)光角度小的LED最適合用做投影光源。
投影光源關(guān)注LED技術(shù)
改進光效的芯片技術(shù)已經(jīng)報道過多種，對于正裝芯片結(jié)構(gòu)，位于前列的改進技術(shù)包括光子晶體（PC）、微芯片陣列、表面粗化、透明電極及其粗化等。
偏振光LED技術(shù)，對采用液晶基成像器件（LCD、LCOS）投影的光源以及直視式液晶顯示的背光源均意義重大。目前的非偏振光LED有一半的光能不能透過液晶層用于成像照明，因此照明效率減半。偏振光LED涉及到特殊的外延片和芯片技術(shù)，正在研發(fā)進程中，目前的發(fā)光效率較低，實用化前景尚不明朗。
目前的功率LED主要應(yīng)用于非投影照明領(lǐng)域，1~5w功率LED的輻射特性呈朗伯分布，半輻射功率半角值（與收集半角θs相近）一般為60°~70°。另一方面，LED的取光效率和外量子效率較低，導(dǎo)致發(fā)光效率不高。LED芯片的光子晶體技術(shù)可同時達到發(fā)光效率高且輻射功率半角小的效果，非常適合做投影光源燈，值得投影應(yīng)用特別關(guān)注。
因半導(dǎo)體材料的折射率遠高于空氣或芯片包封材料的折射率，傳統(tǒng)LED有源區(qū)發(fā)射出來的光，在芯片表面引起全反射。折射率比值越大，發(fā)生全反射的臨界角越小，光線在表面處的入射角越容易大于臨界角，從而反射回芯片體內(nèi)，被材料吸收，大部分光不能通過表面折射而出射到芯片外面，故取光效率低，發(fā)光效率低。
光子晶體LED芯片表面被微結(jié)構(gòu)覆蓋，如圖3所示，報道的微結(jié)構(gòu)有園孔、園柱、棱柱等形狀，線度達亞微米級。由于表面層介質(zhì)變化，全反射臨界角變大；又由于衍射的影響，修正了光線在表面處的入射角，使之比臨界角還小。因此有更多的光線能夠投射到表面外，有助于提高光效，同時還控制了出射角度。設(shè)計適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)周期和高度，目前發(fā)光效率已經(jīng)提高到1.5~1.7倍，發(fā)光半角減小到50°，半角內(nèi)的輻射特性近于矩形分布。
圖3 芯片表面的光子晶體結(jié)構(gòu)
兩種新型LED背投光源
Luminus Device和Osram 兩公司依靠各自獨特的芯片和封裝技術(shù)，能提供目前最好的背投影光源。Luminus采用光子晶體技術(shù)，Osram通過以表面粗化和薄層為特征的純表面發(fā)射技術(shù)，兩者均同時達到了提高發(fā)光效率和降低發(fā)光角的目標(biāo)，在LED背投應(yīng)用中處于領(lǐng)先地位（如圖4）。
圖4 LED背投光源：Luminus（左）和Qsram（右）
表4 兩家公司的LED背投光源
|
公司 |
Luminus Device |
Osram-OS |
備 注 |
|
商標(biāo) |
PhlatLight |
Ostar RPTV |
Ostar帶錐形收集器 |
|
型號 |
PT85 |
/ |
|
|
單色光源面積 mm2 |
8.6 |
24.5 |
|
|
發(fā)光（收集）半角 |
50°（發(fā)光半角） |
25°（收集半角） |
|
|
光源（收集）E mm2sr |
18.6（Es） |
32.5（Ec） |
|
|
微顯（MD）對角線
inch |
0.7 |
0.85~0.95 |
型號PhlatLight- PT180
用于0.8~0.9″的MD |
|
投影鏡頭F數(shù) |
2.4 |
2.4 |
|
|
熱阻（結(jié)到基板）K/W |
1.0 |
1.05 |
|
|
單片微顯 Ed |
18.3 |
32.0 |
|
|
R、G、B光通量 lm |
800、1000、150 |
750、1250、180 |
|
|
*白平衡光通量 lm
（R︰G︰B=3︰7︰1） |
1400 |
1800 |
PhlatLight- PT180
達到2000 lm |
表4參數(shù)引自論文報道，暫未查到公司的產(chǎn)品說明書。采用此兩種LED背投光源，投影引擎光輸出均可達300 lm，亮度則可達300~500nit，視背投屏幕尺寸和性能而定。據(jù)報道，06年CES展會上五家公司的LED背投都采用Luminus的PhlatLight光源。
作者簡介： 
范朝勛：成都市人，教授級高工。畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，曾任大學(xué)教師、大型電子企業(yè)副總工、科技股份公司副總裁、光電顯示工程技術(shù)中心首席專家。近十多年的主要研究方向為光電顯示，近年集中從事LED投影和半導(dǎo)體照明技術(shù)。
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