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          光源更迭——激光光機進化之路

          2017/07/06

          導語:激光工程機,激光電影機及國內特有的激光電視近期在國內火熱,德州儀器(TI)也將發展激光微投用于無屏電視。為什么激光光源會取代UHP燈泡甚至LED光源 ? 激光投影機的發展趨勢是什么?

          高壓汞燈(UHP)光源在投影機發展史占很重要的地位。由于UHP發展將近二十年,他的好處是投影機的集光系統由此變得很簡單,又因技術成熟,所以價格低廉,以致至今還是占領主流市 場位置。

          但UHP含有鹵素及汞元素等有毒有害物質,被列為對環境不友好的產品。因此近幾年來TI極力開發半導體光源,以取代UHP燈。首先,在LED光源的設計上,LED可以即開即關,無高壓啟動點燈干擾系統運作問題,光譜色彩純正,超長壽命達60,000小 時;但其發光面積大,對投影機芯片(DM D)的收光效率不佳,因此投影機亮度不易超過2,000 ANSI。

          這對于主流應用2,500-3,000 ANSI 才足夠的需求,的確沒能 拿到入場券。LED光源投影機,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繼續尋求更高亮度的半導體光源,三年前開發出藍色 激光加上熒光粉的組合光源。

          為何沒有設計RGB純激光的光源?

          (1)成本考慮:

          激光二極管目前的技術,以藍色最為成熟,以光瓦計價,藍色: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,一般應用在高端電影院市場。以成本考慮,設計光波長轉換的方法,以藍色激光去激發熒光輪,以產生較長波長的光線如綠色,黃色或紅色,是比較現實可行的。

          (2)色彩考慮:

          色彩的優或普通,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寬廣的方法。作法上有,以色輪做光譜窄化,選用LED 或甚至采重成本以RGB激光都可以擴大色域范圍。

          將亮度、色彩及成本最佳組合產生的結果是,以最有效率的藍色激光(技術最成熟),去激發熒光粉(這技術在白光LED是成熟的)以產生綠色及紅色的光,加上激光本身的藍光,完整提供投影機的RGB三原色。

          我們從技術角度比較激光與LED 的差異,讓大家理解在主流市場激光為什么會被青睞?

          請看圖1、圖2組件基本結構。激光也是具有LED PN二極管的架構,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,在腔室內不斷共振聚積能量,并透過準直鏡投光出去,以產生高密度聚焦的光束。相對來說,LED的聚光架構簡單,所以發光的角度大,光密度較低。

          在投影光學里,我們關注光的集光效率,叫Etendue (光展量)= A*Ω,是一個發(收)光面積乘以發光角的一個數據。請看圖3。

          光源部分,As : 發光面積,Ωs: 發光角度;

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

          這里有一個準則,光源光展量越小越好,顯示的光展量越大越好。Ai*Ωi決定光源被收納的有效性。光源系統發光的Etendue等于顯示系統的Etendue時是最佳的組合。當光源Etendue大于顯示組件,部分光源就不會被納入而浪費掉了。

          以下我們從光展量及電光效率,來比較LED 與激光的優劣性。

          電光效率: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%

          光展量:激光有數十到百倍的優勢

          光展量=面積*發光角

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

          激光光源發光面積30×1 um,發光角5°×24 °(雙軸不對稱)

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

          驅動器效率損失:激光驅動省5%能耗

          激光驅動器以2.5A 運作,LED是36A,電流大通過電路阻抗,其損耗就大,至少有5%的差異。

          以組件電光轉換效率、驅動器損耗及集光效率的光展量等參數來看,激光有較佳的節能效果。 換個講法,
          可以采用較小面積的DMD面板,以縮小光機體積,仍然可以保持亮度。

          無須更換燈

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

          光源強度可以自我設計

          UHP光源及LED都只能從廠家提供的幾個瓦數里做設計選擇,但激光光源可以讓廠家設計自己要的亮度。以前高亮的工程機所需要雙燈或多燈的設計,現在可以做激光單燈設計。目前率先找到定位的投影機是高亮工程機,所有工程機廠家都已導入激光光源。

          激光投影機的光源不再只是一個組件(如UHP,LED ),它是一個模塊的結構,因此設計沒有標準。可以因亮度、色彩及成本,產生多種組合的架構。目前產業界的設計考慮著重于色彩質量及亮度的要求。因LED 光譜,激光光譜及熒光粉激發光譜的特性不同,激發的熒光亮度高,因此產生多種設計架構。

          以藍色激光激發熒光粉以產生的綠色紅色或黃色光,其光譜分布較寬廣,會導致色域較限縮,請看圖5。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。

          相較LED 光譜較集中,激光可以有較寬的色域。請看圖6。

          以下我們探討激光光源模塊的結構及其使用的組件。

          激光光源模塊的主要組成是:

          激光二極管:發光組件,是藍光激光二極管;

          波長轉換熒光輪:接受藍色激光刺激,以產生長波長綠色,黃色及紅色光的組件;

          聚光合光光學部品:聚焦激光到熒光輪,并收集激發光成平行光,以提供光源給投影芯片。

          激光光源架構依光路可分:

          1、反射式:TI 的建議設計是以反射式熒光輪,加上色輪過濾光以構成符合色彩REC.709要求。其光路復雜但可以提供較高流明輸出。請看圖8。

          2、穿透式:以穿透式熒光輪內建色輪,二輪合一的設計,可以簡化光學設計。但其缺點是亮度無法大幅提升,因熒光輪會吸光產生熱。請看圖9。

          激光光源架構依發光源分為:

          1、純RGB 激光:可以得到非常廣的色域,但價格很高,只合適高檔應用。請看圖10。

          2、藍色激光熒光輪光源:這是典型的激光光源架構,光路較單一化,但色域較小。一般會用色輪來優化色域。請看圖11。

          3、激光及LED混和式光源:用以改善紅光純度:以紅色LED取代紅色熒光激發光,綠色光還是由激光激發熒光粉以產生。請看圖12。

          用以改善藍光純度:藍色光以LED來提供,綠色,紅色及黃色光由激光激發熒光粉以產生。請看圖13。

          熒光輪的演進:改善散熱及涂布均勻,對于熒光輪的轉換效率,影響因素主要有兩個。

          工作溫度:熱會讓轉換效率變差及影響信賴性。

          因此,現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。

          >熒光粉涂布的厚度:太厚或太薄的熒光粉轉換效率均不是最好。

          從前是用涂布的方式涂上光粉,容易有厚薄不均問題。現在改用印刷方式,可以產生一致的厚度。紅光熒光粉對熱的耐受性不好且轉換效率比黃色低,成本高壽命短,因此現行設計采用黃色熒光粉再外加色輪去過濾以產生紅色光譜。

          為了縮減光學空間,嘗試以穿透式的熒光輪來達到二合一的效果(熒光輪加色輪)。穿透式熒光輪,激光進入光有部分被反射無法進入熒光粉,又因其吸熱較多因此轉換效率比反射式差。因此穿透式熒光輪投影機,不使用于2,000 流明以上的機器。

          激光二極管組件的演進:增加整合度,減輕系統廠生產工時。請看圖14。

          早期投影機廠家開發激光光源,是以購入激光二極管顆粒,自行將多個組件組合做光線調校對正。近期激光組件廠家,提供已經調校對正的模塊,讓系統廠家降低生產的障礙了,并減少與客戶的技術服務。另外有一種新型型態出現,將二十個激光二極管的晶圓直接焊接在銅基板上,可縮小組件尺寸,以利于光機系統廠縮小體積的設計。

          激光投影機還在成長初級階段,組件廠及系統廠無不絞盡腦 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,并嘗試達到更高的熒光粉發光效率,耐熱及長壽 命。往后幾年看,激光一定會有很多驚人的進展。


          注:文章來源(投影網http://www.ty360.com)


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