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反射式高亮度LED帶動液晶投影機變革

晨怡热管 DigiTimes.com 盧慶儒 2008-1-22 0:29:45

高亮度LED技術與應用趨勢(1)高亮度LED之「封裝光通」原理技術探析

高亮度LED技術與應用趨勢(2)反射式高亮度LED帶動液晶投影機變革

高亮度LED技術與應用趨勢(3)散熱問題持續困擾高功率白光LED的應用

高亮度LED技術與應用趨勢(4)高亮度LED之「封裝熱導」原理技術探析

高亮度LED技術與應用趨勢(5)白光LED頭燈技術發展與目前研究現況

 

近年來,電視機市場逐步轉變成為數位電視、前投式電視、背投式電視類的大型電視市場。這類投射型電視的顯示器使用的光源,無一例外的都是超高壓水銀燈,超高壓水銀燈在照明時,為了把蒸汽壓控制在200大氣壓左右而使用了大量的水銀。

 眾所周知,水銀的危害很大,為防止造成公害,避免使用水銀,目前尋找其替代品的開發研究很多,但是水銀是確保照明發光功率的必要條件,實在很難找到其他方便且適用的替代品。

 不過,照明時伴隨電流增大造成的電極消耗,高電壓和高費用,燈的使用壽命等問題又不得不解決,目前無水銀燈僅限於惰性氣體照明燈,和微波照明式的無電極燈。另一方面,2000年後,因為LED的功率提高,它作為小型鹵素燈的替代光源受到了世人的矚目。




CES 2006展覽上以LED為光源的液晶投影機首度被發表

 從2006年初開始,以發光二極體為光源的液晶投影機相繼被發表,用以來代替傳統超高壓水銀燈的R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)三色發光二極體(LED)作為光源後,業者便積極的設計出小型且以電池驅動前投式液晶投影機,而且使用發光二極體作為光源的背投式液晶投影機,色彩表現範圍也超出100%的NTSC比。

 2006年1月,在美國拉斯維加斯召開的「CES 2006」上,利用LED為光源的液晶投影機首度公開,因此,在此之前一直處於秘密研發狀態的各大業者,隨後便向市場陸續公開研製的發光二極體光源背投式液晶投影機。

 此外,為了開發出更具特色的產品,以半導體雷射為光源的液晶投影機,也在積極地進行研發中,可以預見的是,隨著光源的不斷變化,液晶投影機也將發生巨大變革。

 其實,因為發光二極體具有很多優點,利用LED為液晶投影機光源的想法,從很早以前就有業者開始投入開發,例如,可以達到小型化、電池驅動、擴大色彩表現範圍、延長使用壽命等等的特色。

 傳統裡,液晶投影機都是使用超高壓水銀燈為光源,但是由於超高壓水銀燈啟動時,需要有數10KV的高壓(照明的瞬間會達到數百KV),因此,燈泡的溫度同時也會達到800℃∼900℃,在這樣的高耗電機構下,就必須使用交流(AC)電源驅動,及複雜的電源電路和必要的散熱解決方案。

 且因超高壓水銀燈和螢光燈發光的原理是一樣的,所以依靠汞的激勵來產生紫外線而發出高亮光源,因此從點燈開始,達到一定的亮度為時需要一定的啟動時間,而使用完畢關燈後的散熱,也需要耗費很長時間來達到冷卻的狀態。因為這樣的種種不便,液晶投影機相關業者便急需找到一種新的光源來替代超高壓水銀燈。

以LED作為光源 可大幅度改善性能

 目前市場上主流的液晶投影機,是將超高壓水銀燈的白色光,特別分離成紅綠藍三種顏色,以達到高色域表現能力,但是,如果可以,能夠把紅綠藍三色光,直接利用可發光光源元件才是未來的發展趨勢。

 各液晶投影機生產商會投入大量精力到LED液晶投影機的開發上,是因為以發光二極體作為光源,可以具備大幅度性能改善的空間。在過去,LED的發光效率和光通量都不是很充足,尚不具備成為液晶投影機光源的性能。但近年來,隨著性能的大幅度提高,各大業者都認為LED已經具備了可以成為液晶投影機光源的特性,開始進行實際的研發。

 但在實際應用中不難發現,LED在前投式液晶投影機和背投式液晶投影機中的使用情況並不太一樣。背投式LED液晶投影機的投影表現,雖然不能說已經達到了與背投式超高壓水銀燈液晶投影機相同的水準,但基本上,也達到了同等的亮度。

 另一方面,因為被期待作為小型化的應用情況,前投式LED液晶投影機在亮度上的障礙就比較小,也不需要為了減小散熱設備和光學系統而大費周章的進行機構設計,所以很容易保持所需要的亮度。


▲一般高功率LED與反射式LED散熱方式比較。(製圖:盧慶儒)



 雖然說有這樣的優勢,但相對的,前投式LED液晶投影機的亮度,與前投式超高壓水銀燈液晶投影機相比就差得多,能夠投射出來的亮度只有10∼20流明,這樣的亮度根本不可能像前投式超高壓水銀燈液晶投影機那樣,在明亮的會議室裏也可清晰的把影像放大到30∼40吋。

 大部分的液晶投影機生產者對於前投式LED液晶投影機的銷售模式和前景都感到有一定程度的困難,雖然前投式LED液晶投影機的訴求點是體積小,而且可利用電池供電驅動,但使用時投影效果卻是遠遠比不上傳統的產品,一般的消費者根本不會接受,市場前景似乎是很不明朗。

 所以有液晶投影機的業者認為,雖然以目前來說,前投式LED液晶投影機馬上就可以投入市場,但因亮度的問題,使得在行銷上還是有一些困難,能夠期待的是,只有當LED液晶投影機的亮度,超過現在的使用超高壓水銀燈時,例如說超過100流明,才會更容易提高消費者對這項產品的接受度。所以目前大多有能力開發LED液晶投影機的業者,在產品投入市場時機上,採取了相當保守的態度。

 因此,很多液晶投影機業者都相當關心東芝,及較早之前投入市場的其他業者,前投式LED液晶投影機的銷售情況,因為大多後進或準備很多業者投入這一市場的業者,都以東芝及先前進入市場業者的成果作為風向球。會有這樣情況出現的原因是因為,若東芝和其他業者能夠成功,那麼就可以開始推出同類型產品進入市場。

 但東芝也不是相當大膽且無計劃的成為投式LED液晶投影機市場上的鋒,仔細觀察可以發現,東芝所憑藉的是本身和其他螢幕業者所共同開發的22.5吋折疊式投影螢幕。

 根據資料顯示,這款折疊式投影螢幕可以抑制外光的反射,也就是說,即使在明亮的場所,例如光線明亮的會議室裡,因為可以達到高對比度而能夠清晰的顯示出投射影像。

LED的亮度輸出量 仍不能和超高壓水銀燈相比

 不過,還是必須清醒地認識到這樣一個事實:雖然說因為LED發光效率的提高,每個LED的亮度輸出量和過去相比有相對的提高,但仍然不能和發光功率60流明/瓦以上,全光束為10000流明的光源相比。

 所以當各業者在不遺餘力的進行關於LED光源技術的研究開發的時候,發現與超高壓水銀燈不同的是,如果期望有效的利用LED作為背光源的話,仍舊需要解決相當多的問題,因為每個LED生產業者間細微的技術差別,就會造成產品的亮度等性能出現落差,所以如何有效利用LED,就成了每個液晶投影機生產商面臨的問題。

 LED不像超高壓水銀燈是點光源,而是面積只有幾個mm大小LED晶片的光,會散射到四面八方,為了聚集這些光,還需要配合包括1吋大小的DMD等元件,這樣的結構設計是相當複雜的,所以,從這方面可以很容易就看出各個業者之間技術能利的高低。

 為了解決這難題,三洋電機就開發了能更有效聚集LED光線的光學產品,並應用在液晶投影機的機構中,和傳統應用在LED上的普通採光透鏡相比較,這款光學透鏡對光的利用率,經過模擬驗證預計可以達到1.41倍,不過經過實際測量之後,利用率卻是高達到1.34倍,雖然有這麼高的光利用率,但仍舊無法完全將所有從LED散射出來的光都加以有效利用,也就是說,還是有一些光會被浪費或無法透過這個光學元件加以聚集使用。

 如果為了提高LED液晶投影機的亮度等性能,只是單純從光機引擎上做努力還是不夠的,因為LED本身的改良和性能提高也很重要。很多業者已經意識到了這一點,例如,印度的OSTAR在2005年底發表應用於液晶投影機的LED模組OSTAR,該模組使用了自己生產的LED-ThinGaN。

 以傳統的架構來說,一般的LED只有50%的光會從晶片表面散射出來,但是這款新型的LED卻有97%的光都是從晶片表面激發出來,如此一來,就能夠大幅度的提高效率和亮度。OSTAR表示,目前發表的模組產品安裝了4個1mm平方的LED晶片,相當適合0.55吋的顯示元件應用。

安裝Optical Collimator透鏡可提高光的利用率

 因應光通量不足的標準型LED光源,目前可以採用兩種方式來調節光,一種是和傳統的HID光源屬於同一照明系統,想法是,將透鏡裝在焦點上,這樣的結構很簡單,但是效率卻是相當低。另一種是在光源前面安裝Optical Collimator透鏡的方式,而提高光的利用率,這樣的做法事實上比第一種方式的效率高了許多。

 不過,有一點需要注意的是,對這兩種方式而言,為了提高光調節效率,都必須使用很大的透鏡。反射式LED的基本構造,與傳統的炮彈型LED完全不同(炮彈型LED:把樹脂透鏡安裝在發光元件上,而達到對光的調節),而且也與晶片型LED也不同(晶片型LED:在散熱性能高的電路基板上,配備發光元件再向四周反射光線),反射式LED是把發光元件和反射鏡相對的安裝,發光元件放射出來的光,一旦碰撞到反射面就可以被調節放射到LED外部。

 只是因為透明樹脂的透光率、反射面的反射率等原因,才會發生一部分光的流失,但是90%的光可以有效的利用發射到外部。目前,所有的LED設計都是根據發光元件和反射面相對安裝的結構來完成的,所以必須要讓外形盡可能地變小,而現實高發光效率的目標。但是傳統的封裝LED為了提高利用率,所以在外形上不得不設計的很大。

 為了得到光輸出功率很大的射線光源,發光元件的大小具有相當性的關鍵。如果期望提高光通量的話,就必須要增加發光元件的大小,才能耐得住用來激發光線的大電流。但另一方面,從光學系統角度來看,卻有發光元件越小,可以提高光的利用效率,這是相當矛盾且必須面對的問題。

 如果從這一點的定律來看的話,液晶投影機所使用的發光元件,應該儘量的朝向小型化發展,並且必須應用在散熱性較好的封裝型LED上。因為用來作為光輸出量高,且光調節性能高的LED結構,需要依靠簡化散熱電路、擴大搭載發光元件路徑的截面,來確保一定的散熱性能,而在這樣的條件需求下,反射型LED可以說事散熱路徑是最簡單的。


▲ 一般LED模組與OSTAR的LED模組光取出效率比較。(製圖:盧慶儒)



晶片型LED和Optical Collimator透鏡搭配 可得高均勻的光線

 液晶投影機用的光學單元基本上是由晶片型LED和Optical Collimator透鏡構成,光通量可達60流明左右,同時,由於使用了聚光透鏡和右通道,因此可獲得勻稱度相當高的射線光。

 從LED光學系統方面來看,發光元件、光學透鏡,或透鏡大小間的關係,與光分佈可調性有很大聯繫。使用同樣的透鏡,如果能夠擴大發光元件或加大光分佈角度,那麼一直存在的,軸向發光強度的差異問題就能解決。

 另一種是,使用反射型LED的光學單元,因為外形形狀較小,所以光分佈特性也很好,在800Ma直流電流供應下,照明的發光強度為紅光330k lx、綠光650k lx、藍光470k lx。但實際應用中,將會變成脈衝照明,需要在發光波形較為穩定的情況下使用會比較好。

 整體來說,可以應用於液晶投影機的LED光源還需要不斷改進其發光效率和光學系統。目前來講,可以說反射型LED的效率是最高的,並運用很小的空間就能放射射線光的光源。今後,隨著大型、可配備大光束發光元件的反射光學系統,和高效率的合成白色光源的光學系統的研究開發,可以期待更好的成果的出現,LED的應用會越來越廣泛。(參考資料:NE雜誌、日本Optic Device研究所)


▲在1W與3W電力提供下,反射式LED與Optical Collimator透鏡構成的LED分別在每個勢角的亮度比較。

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