激光工程机，激光电影机及国内特有的激光电视近期在国内火热，德州仪器（TI）也将发展激光微投用于无屏电视。为什 么激光光源会取代UHP灯泡甚至LED光源 ? 激光投影机的发展趋势是什么？
一.为何有了环保的LED 半导体光源，还需要激光？
高压汞灯(UH P) 光源在投影机发展史占很重要的地位。由于 UH P发展将近二十年，他的好处是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UH P含有卤素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UH P 灯。首先，在LED光源的设计上，LED可以即开即关，无高压启 动点灯干扰系统运作问题，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）的收光效率不佳， 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，以纯激光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，是比较现实可行的。
（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。
想办法让光谱分布集中，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。
将亮度、色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。
二.激光与LED 光源的比较
我们从技术角度比较激光与LED 的差异，让大家理解在主流 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，并透过准直镜投光 出去，以产生高密度聚焦的光束。相对来说，LED的聚光架构简 单，所以发光的角度大，光密度较低。
图1 激光二极管内部结构
图2 LED 内部结构
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。
图3 光展量（Etendue）的图示
光源部分，As : 发光面积，Ωs: 发光角度；
显示部分(DM D)，Ai : DM D面积，Ωi: DM D收光角度。
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。 A i*Ωi决定光源被收纳的有效性。光 源系统发光的E tendue等于显示系统 的E tendue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。
图4 投影用LED 光源外观
以下我们从光展量及电光效率，来比较LED与激光的优劣性。
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）。
电光效率：激光等同1.4倍LED的能原效率
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%
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D M D 面板，以缩小光机体 积，仍然可以保持亮度。
三.激光与U H P灯泡的比较
无须更换灯
UH P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
U H P光源及LED 都只能从厂家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自己要的亮度。以前高亮的工程 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 先找到定位的投影机是高亮工程机，所有工程机厂家都已导入激 光光源。
四.激光投影机的光源模块如何实现？
激光投影机的光源不再只是一个组件（如UH P，LED ），它 是一个模块的结构，因此设计没有标准。可以因亮度、色彩及成 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，请看图5，会导致色域较限缩。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。
图5 激发的荧光光谱分布及色域图
图6 LED 光谱分布及色域图
图7 激光光源模组
相较LED 光谱较集中，激光可以有较宽的色域。请看图6。
以下我们探讨激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：
1.激光二极管：发光组件，是蓝光激光二极管；
2.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；
图8 反射式激光光源架构图
3.聚光合光光学部品：聚焦激光到荧光轮，并收集激发光成 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式荧光轮，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：以穿透式荧光轮内建色轮，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，因荧光轮会吸 光产生热。请看图9。
图9 穿透式式激光光源架构图
激光光源架构依发光源分为：
1、纯RGB 激光：可以得到非常广的色域，但价格很高，只 合适高档应用。请看图10。
图10 纯RG B 激光光源架构及超广色域
2、蓝色激光荧光轮光源：这是典型的激光光源架构，光路 较单一化，但色域较小。一般会用色轮来优化色域。请看图11。
图11 典型的激光光源架构
3、激光及LED 混和式光源：用以改善红光纯度：以红色 LED 取代红色荧光激发光，绿色光还是由激光激发荧光粉以产 生。请看图12、13。
图12 红色LED 与激光荧光混合光源
用以改善蓝光纯度：蓝色光以LED来提供，绿色，红色及黄 色光由激光激发荧光粉以产生。
图13 蓝色LED 与激光荧光混合光源
五.激光光机未来发展方向：
荧光轮的演进：改善散热及涂布均匀，对于荧光轮的转换效 率，影响因素主要有两个。
1.工作温度：热会让转换效率变差及影响信赖性。
因此，现在工艺上努力解决的问题是散热，尝试以陶瓷或 玻璃与荧光粉混和，取代早期的硅胶可以让荧光轮更耐热。增加 信赖性及可以操作在更高温，以减轻散热的要求或可以耐更高瓦 数的激光。另外，荧光轮采用铝镜基板取代之前的银镜基板，可 以增加散热能力。
2.荧光粉涂布的厚度：太厚或太薄的荧光粉转换效率均不是 最好。
从前是用涂布的方式涂上光粉，容易有厚薄不均问题。现在 改用印刷方式，可以产生一致的厚度。红光荧光粉对热的耐受性 不好且转换效率比黄色低，成本高寿命短，因此现行设计采用黄 色荧光粉再外加色轮去过滤以产生红色光谱。
为了缩减光学空间，尝试以穿透式的荧光轮来达到二 合一的效果（荧光轮加色轮）。穿透式荧光轮，激光进入光有部 分被反射无法进入荧光粉，又因其吸热较多因此转换效率比反射 式差。因此穿透式荧光轮投影机，不使用于2,000 流明以上的机 器。
激光二极管组件的演进：增加整合度，减轻系统厂生产工 时。请看图14。
图14 激光半导体的演进
早期投影机厂家开发激光光源，是以购入激光二极管颗粒， 自行将多个组件组合做光线调校对正。近期激光组件厂家，提供 已经调校对正的模块，让系统厂家降低生产的障碍了，并减少与 客户的技术服务。另外有一种新型型态出现，将二十个激光二极 管的晶圆直接焊接在铜基板上，可缩小组件尺寸，以利于光机系 统厂缩小体积的设计。
六.总结
激光投影机还在成长初级阶段，组件厂及系统厂无不绞尽脑 汁，提高性能降低成本及增加信赖性。目前为了普及激光，组件 厂先以降低每光瓦的价钱为手段，荧光轮厂家则改善荧光轮的散 热及耐热能力，并尝试达到更高的荧光粉发光效率，耐热及长寿 命。往后几年看，激光一定会有很多惊人的进展。
内容来源：InfoAV China
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