導(dǎo)讀：投影機(jī)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)巨擘德州儀器公司，正在利用這技術(shù)革新的時(shí)代，全力投注以固態(tài)光源來(lái)取代傳統(tǒng)高壓汞燈的設(shè)計(jì)，宣稱無(wú)燈的設(shè)計(jì)(LampFree)。其理由一者是環(huán)保；二者燈壽命增長(zhǎng)幾乎免換燈，對(duì)使用者有省維護(hù)及換燈的好處，少掉使用成本；三者，固態(tài)光源有馬上亮及易于點(diǎn)亮控制的特點(diǎn)，免除需要高壓20KV點(diǎn)燈瞬間，增加系統(tǒng)可靠性；第四，半導(dǎo)體技術(shù)是目前科技史上進(jìn)展最快且可以期待的，性能/成本比最佳的技術(shù)。

由模擬技術(shù)的高壓汞燈，轉(zhuǎn)移到固態(tài)光源

高壓汞燈(UHP)從1990年代有投影機(jī)開(kāi)始就存在。直到2007才有LED光源在投影機(jī)的萌芽，但至今都還無(wú)法撼動(dòng)高壓汞燈的占有率。原因是汞燈的技術(shù)成熟，不需再投資研發(fā)，因此成本是最大優(yōu)勢(shì)。但由于環(huán)保意識(shí)提高，無(wú)毒化學(xué)氣體及節(jié)能高效率的固態(tài)光源的出現(xiàn)，導(dǎo)致全球興起對(duì)光源破壞性科技的探討，以取代愛(ài)迪生發(fā)明的燈泡及熒光燈，龐大的照明市場(chǎng)吸引大量資源投入研發(fā)制造，讓固態(tài)光源的光效率每年以兩倍的速度增加。另外，由于其節(jié)能省碳減緩地球暖化速率，在各國(guó)政府的政策支持下，2012成為固態(tài)光源元年，固態(tài)光源正在改變路燈及家庭照明市場(chǎng)。

投影機(jī)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)巨擘德州儀器公司，正在利用這技術(shù)革新的時(shí)代，全力投注以固態(tài)光源來(lái)取代傳統(tǒng)高壓汞燈的設(shè)計(jì)，宣稱無(wú)燈的設(shè)計(jì)(LampFree)。其理由一者是環(huán)保；二者燈壽命增長(zhǎng)幾乎免換燈，對(duì)使用者有省維護(hù)及換燈的好處，少掉使用成本；三者，固態(tài)光源有馬上亮及易于點(diǎn)亮控制的特點(diǎn)，免除需要高壓20KV點(diǎn)燈瞬間，增加系統(tǒng)可靠性；第四，半導(dǎo)體技術(shù)是目前科技史上進(jìn)展最快且可以期待的，性能/成本比最佳的技術(shù)。

投影機(jī)光源的特殊要求

雖與照明光源共享半導(dǎo)體技術(shù)及材料，但光源應(yīng)用于投影機(jī)有以下的考慮。

光效率：光源的光多少比率會(huì)被投影面板接收并投射出去，這是光源及投影面板光展量(Entendue)的相對(duì)關(guān)系。

由于投影機(jī)對(duì)光源的要求有其特殊光學(xué)要求，集光效率是一個(gè)重要考慮，集光效率與顯示的投影面板尺寸有相互關(guān)系。光源光展量(Entendue)越小，光通量被面板移轉(zhuǎn)過(guò)去的百分比越高。

LED由于發(fā)光面積大，發(fā)光立體角大，因此其光展量大，若投影面板尺寸小于0.7”，則效率相當(dāng)?shù)�，達(dá)不到2,000流明。因此LED雖較早開(kāi)發(fā)量產(chǎn)，但遲遲無(wú)法成為投影市場(chǎng)主流。

激光的光展量很小，因其光線非常集中且能量高(如圖2)，因此激光是尋求高流明的一個(gè)解法。

·光源的色譜色域是否與標(biāo)準(zhǔn)REC-709(ITU-R國(guó)際電信組織定義的HDTV色域要求)接近或具有更寬廣的色域。

·電光轉(zhuǎn)換效率，以相同頻譜455nm(藍(lán)色頻譜)來(lái)比較。激光約有兩倍的效能于LED。

以藍(lán)色LED來(lái)看，其電光效率24光瓦/160電瓦=15%。

激光則是29光瓦/90電瓦=32%

由集光效率及電光轉(zhuǎn)換效率成積即為投影機(jī)的效率，中國(guó)CQC6102-2009數(shù)字投影機(jī)環(huán)保節(jié)能要求，要求投影機(jī)所耗的電與所發(fā)出的光量必須大于7流明/瓦特。一般LED光機(jī)要超過(guò)規(guī)范不是容易的事。但對(duì)于激光則是相當(dāng)容易的事。

·成本高低: LED產(chǎn)業(yè)有非常大的照明應(yīng)用基礎(chǔ)，因此造就了有效率的分工體系，及大量的原材料，因此有非常好的成本優(yōu)勢(shì)。而激光目前成本非常高無(wú)法跟LED比。但從未來(lái)趨勢(shì)看，由于激光制造也是半導(dǎo)體制程，因此當(dāng)它成為主流應(yīng)用時(shí)，可以期待成本大幅下降。

投影機(jī)固態(tài)光源的演進(jìn)史

如同各種技術(shù)在初期會(huì)有各種方式存在，各種方法都在極力解決一種問(wèn)題，但并不能解決所有問(wèn)題。固態(tài)光源在投影機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)演進(jìn)，是依據(jù)技術(shù)的成熟度以漸進(jìn)方式地解決效能不足。在此我們將闡述近五年來(lái)的投影激光源的演進(jìn)歷史。2007年TI提出LED光源取代UHP光源，后來(lái)2010年TI再提出激光光源架構(gòu)。

純LED光源: 這是最早被提出的，但由于光效不佳，因此不被前投接納，但在背投機(jī)芯中因其長(zhǎng)壽命及飽和色彩而漸呈主流。對(duì)微型投影則因空間的優(yōu)勢(shì)及光源控制容易而獲得認(rèn)可。

混和光源(激光加LED): 為了解決LED光源的亮度不足2,000流明，但又要保有好的色彩，因此產(chǎn)生了混和光源。

激光光源: 由于混和光源采用激光及LED組件，導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜化。盡管在電源及光學(xué)架構(gòu)都有兩套，但亮度還是被LED所限。因而構(gòu)想純藍(lán)色激光加上熒光輪以產(chǎn)生紅綠光并經(jīng)過(guò)色輪以優(yōu)化投射光的色域。這種設(shè)計(jì)亮度就沒(méi)有限制，你可以依據(jù)亮度需求而增加激光二極管個(gè)數(shù)(其限制只在于散熱)。

三色激光光源: 這是對(duì)激光光源色彩飽和度不足的改善。這是由于熒光轉(zhuǎn)化的光線頻譜分布廣，及藍(lán)色激光無(wú)法改變光譜，另外排除熒光輪及色輪以增加系統(tǒng)信賴度而衍生的設(shè)計(jì)。

各種投影機(jī)光源技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

LED投影機(jī)

相較于UHP光源，LED光源有以下特色：

優(yōu)點(diǎn): 瞬間開(kāi)機(jī)，只需等一秒即達(dá)全亮，而以前UHP需要30秒的開(kāi)機(jī)等待，及關(guān)燈風(fēng)扇冷卻時(shí)間；可靠性增長(zhǎng)，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)的色輪(純粹靠RGB LED順序切換來(lái)產(chǎn)生順序的RGB畫(huà)面)；無(wú)彩虹效應(yīng)，相當(dāng)于360-480Hz的轉(zhuǎn)換速度；燈源超長(zhǎng)壽命達(dá)60,000小時(shí)，以7×24使用可以達(dá)七年無(wú)需換燈，省下維修費(fèi)用；色域范圍大于Rec709。

缺點(diǎn): 光效率不高，約6-8流明/瓦；LED驅(qū)動(dòng)器成本高:由于需要快速切換RGB；設(shè)計(jì)復(fù)雜，熱需精心設(shè)計(jì)，需加Heatsink&HeatPipe才能把熱帶走；整體成本高；驅(qū)動(dòng)器貴，光學(xué)部件多，散熱模塊復(fù)雜且價(jià)格昂貴。

LED是以RGB輪流切換方式進(jìn)行發(fā)光。若要達(dá)到1,000流明，必須LED瓦特?cái)?shù)達(dá)120-150瓦。目前只有Luminus及OSRAM才有提供這種高功率。目前業(yè)界LED光機(jī)能做到的高亮也只有1,200流明。

混和光源(LED，激光，熒光輪)投影機(jī)

為了提升投影機(jī)亮度因此就有一種想法，即提升綠色光源亮度以提升總體亮度至2,000流明，(這是前投機(jī)的基本要求門(mén)坎，達(dá)到這個(gè)亮度才能滿足會(huì)議室及教室的應(yīng)用)。

以藍(lán)色激光發(fā)出強(qiáng)光激發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)的綠色熒光輪，以產(chǎn)生高亮綠光同時(shí)有激光藍(lán)色，以取代純的綠光及藍(lán)光LED。這是取巧于人眼對(duì)綠光最敏感，可以提供較多的亮度感覺(jué)。又可以省下藍(lán)色光源。

但這設(shè)計(jì)架構(gòu)的亮度提升，會(huì)受限于色溫質(zhì)量的要求。白色色溫是依據(jù)紅綠藍(lán)的比率組合，一般以0.3:0.59:0.11作為最適組合。因此紅色光源能量沒(méi)提升，就會(huì)限制總亮度。并且綠光的頻譜相對(duì)LED較不純，因此導(dǎo)致色域在綠色是縮小的。且藍(lán)色光是延用激光基本波長(zhǎng)，因此藍(lán)色會(huì)有紫色的視覺(jué)感。

相較于LED光源，(為了提升亮度又不降低色域太多)。

優(yōu)點(diǎn): 光效率增加，亮度提升可以至2,000流明。

缺點(diǎn): 彩虹效應(yīng)較明顯，因其轉(zhuǎn)動(dòng)速度約120-240Hz(熒光輪速度的限制)；系統(tǒng)可靠性較低，因增加一個(gè)動(dòng)件熒光輪(約20,000-50,000小時(shí)的壽命)；燈壽命較短：激光目前的壽命只有20,000小時(shí)；電源系統(tǒng)復(fù)雜，兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)LED，激光；?光源光路系統(tǒng)復(fù)雜，兩套聚光方式，紅色LED需聚光，與藍(lán)色激光與綠色激發(fā)光匯聚；色域范圍略小于Rec709(綠的較弱)。

激光投影機(jī)(激光，熒光輪及色輪)

為改善混合光源的復(fù)雜光學(xué)，電子設(shè)計(jì)及亮度依然受限于紅色LED，因此又產(chǎn)出了純藍(lán)色激光加熒光輪及色輪的設(shè)計(jì)，以產(chǎn)生好的色彩及高亮度。透過(guò)色輪將熒光轉(zhuǎn)換光色彩優(yōu)化。因此可以隨心所欲產(chǎn)生所要的色域，但必須犧牲亮度來(lái)成就色彩。色輪與熒光輪是以同步方式在運(yùn)轉(zhuǎn)。

相較于混和光源的比較。

優(yōu)點(diǎn): 亮度提升，可以至2,500-3,000流明(純依賴激光二極管的個(gè)數(shù))；光效率提升，可以達(dá)到12-16流明/瓦特，符合CQC6102-2009數(shù)字投影機(jī)環(huán)保節(jié)能要求；光學(xué)系統(tǒng)單一化，只要對(duì)激光激發(fā)的光做收光；激光驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)化，激光驅(qū)動(dòng)不用復(fù)雜地做脈沖電流切換，只要提供一恒定電流；亮度可以依需求而自制，可以使用16，20或32顆激光二極管，無(wú)須像LED或UHP受限于廠商的有限的組件型號(hào)，而需要合并雙燈以提升亮度。

缺點(diǎn): 系統(tǒng)可靠性降低，因增加一個(gè)色輪。

RGB三色激光投影機(jī)

由于純激光加熒光輪及色輪的投影機(jī)，在機(jī)器里有兩個(gè)移動(dòng)的動(dòng)件，機(jī)器的穩(wěn)定性會(huì)降低(色輪壽命約為2-5萬(wàn)小時(shí))。需要更廣的色域的應(yīng)用，對(duì)于頻譜轉(zhuǎn)換的色彩效果不滿意，如圖11.2所示，光的純度不符需求。因此在高端應(yīng)用如營(yíng)業(yè)劇院及家庭劇院，就需設(shè)計(jì)RGB三色激光光源。

相較于激光投影機(jī)與三色激光投影機(jī)的差異。

優(yōu)點(diǎn): 可靠性增加，沒(méi)有熒光輪及色輪動(dòng)件，增長(zhǎng)系統(tǒng)可靠性;超寬廣的色域，RGB光譜集中;集光效率好，激光發(fā)光光展量小，因此面板幾乎完全投射出去;光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，鏡頭焦深長(zhǎng)，鏡頭設(shè)計(jì)容易，可以對(duì)焦在曲面上。

缺點(diǎn): 組件成本高，紅色及綠色激光二極管制作不易，尤其是綠色，售價(jià)超級(jí)高，尤其綠色激光二極管其能量只能紅色及藍(lán)色的1/5，不超過(guò)0.6W(相對(duì)B-3.5W);需克服激光斑點(diǎn)問(wèn)題，增加電路及結(jié)構(gòu)以克服激光斑點(diǎn)問(wèn)題。

主流的光源架構(gòu)：激光光源(激光，熒光輪及色輪

綜合以上的分析比較，基于價(jià)錢(qián)壽命性能的綜合考慮，能占據(jù)主流市場(chǎng)的，應(yīng)是激光投影機(jī)。

前投機(jī)在會(huì)議室或教室的應(yīng)用占投影機(jī)絕大多數(shù)市場(chǎng)，其要求亮度大于2,000流明及成本便宜。因LED亮度有限制，混和光源系統(tǒng)復(fù)雜，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。而半導(dǎo)體的組件只要有量，價(jià)錢(qián)的下降是可以預(yù)期的。LED及LCD電視產(chǎn)業(yè)都是一個(gè)好范例。

激光投影機(jī)即將是主流市場(chǎng)接納的技術(shù)，我們下面將說(shuō)明其工作原理及其發(fā)展趨勢(shì)。

激光熒光輪光源的工作原理

一個(gè)BankL1藍(lán)色激光二極管(約20-32個(gè)，個(gè)數(shù)因亮度需求而不同)。

透過(guò)C1/C2鏡片聚焦及DM1(雙色組件)反射抵達(dá)熒光輪(PW1)處。熒光輪(PW1)以兩倍的視頻幀速率轉(zhuǎn)動(dòng)，光打到紅綠黃熒光粉而激發(fā)出相對(duì)應(yīng)的紅光、綠光和黃光。因熒光輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，而產(chǎn)生順序紅綠黃光，透過(guò)光學(xué)的反射及聚焦最后達(dá)到色輪CW1被優(yōu)化后，進(jìn)入光的積分柱LT1。藍(lán)光則不激發(fā)熒光輪，以穿透方式(圖示的熒光輪藍(lán)色區(qū))經(jīng)由C4、M2、C5、M3、C6、M4、C7光抵達(dá)DM1并被反射至C8，聚光到色輪CW1，之后便進(jìn)入光均勻通道LT1，再到光機(jī)內(nèi)部(光機(jī)內(nèi)部則與UHP，LED光源光機(jī)無(wú)異)。