LED光源DLP關鍵技術淺析與實踐

許 凱

（廣西壯族自治區南寧廣播電視技術中心，廣西 南寧 530022）

1 DLP新聞背景墻發展概況

2006年6月，BBC的N6演播室和TC7演播室共同選用DLP大屏幕作為演播室背景墻，開創了新聞演播室電子背景墻應用先河。其中N6演播室DLP大屏幕設計成3 m×2 m+8 m×2 m+5 m×2 m的三面矩形直角結構（見圖1）；TC7演播室采用的DLP大屏幕設計成5 m×2 m+11 m×2 m+5 m×2 m的三面矩形直角結構。

隨著BBC新聞節目在全球的播放，DLP大屏幕背景墻開始逐漸進入全球的新聞演播室配置之中。

2007年底，中央電視臺率先在國內新聞演播室中引入DLP大屏幕作為電子背景墻，用在早間節目《朝聞天下》中（見圖2），并且在注重時效的新聞節目中運用DLP背景墻成功制作了抗擊暴風雪、八一建軍節等一系列新聞節目，成為中國新聞演播室電子背景制作的第一座里程碑。

2009年8月，中央電視臺的新聞頻道以立足國際舞臺視域，強化新聞立臺理念全新姿態亮相熒屏。新啟用的新聞演播室采用了全新2 m×4 m的DLP大屏幕背景墻（見圖3），該演播室對電子背景墻的完美運用更是吸引了全國電視同行的注意力，樹立了國內新聞演播室電子背景墻的標桿。

從此，國內各地省級臺競相效仿，新聞演播室DLP大屏幕背景墻以其靈活多變的內容控制、生動美觀的呈現方式、親切自然的交互方式等優勢，逐漸成為全國的新聞演播室的標準配置。在實際應用中，新聞演播室電子背景墻系統突出了新聞時效性，增強了新聞可觀賞性，加強了觀眾視覺體驗，為各電視臺帶來了良好的社會效益和經濟效益。

2 DLP大屏幕LED光源技術新趨勢

2.1 傳統UHP燈泡DLP結構

DLP全名Digital Light Procession，主要由光源及色彩裝置、DMD微鏡芯片和投影裝置三大部分組成（見圖4）。其中光源及色彩裝置由UHP燈泡和色輪組成。旋轉的色輪把UHP燈泡發出的白光轉換成RGB三色光。DMD芯片由上百萬面小微鏡組成，通過控制不同位置微鏡的開關狀態，三色光分別被反射到投影系統中產生彩色圖像。

2.2 LED光源DLP結構

從2010年底開始，市場上DLP大屏幕光源逐步由UHP燈泡發展到LED光源。LED光源DLP在結構設計上，利用3片LED發光光源產生三基色光，省略了UHP燈泡以及旋轉色輪的運用（見圖5）。LED光源相比UHP燈泡具有壽命長、色域廣、色溫可控等優勢，并且符合綠色環保的全球科技發展理念，是DLP大屏幕光源發展的必然方向。

2.3 LED光源相比UHP燈泡的優勢

LED光源在壽命上比UHP燈泡光源有很大優勢。LED光源的標稱壽命為60000 h，在經濟模式下可以達到80000 h，而UHP燈泡的標稱壽命為6000～10000 h不等。功率越高的UHP燈泡，發光亮度越高，通常其壽命越短。因此LED光源的長期經濟效益非常可觀。詳見表1（以巴可公司產品為例）。

表1 LED光源和UHP燈泡DLP大屏幕標稱壽命比較表

LED光源在色彩的控制方面比UHP光源有了較大的進步。首先LED光源的色彩還原高達歐洲廣播聯盟（EBU）PAL制標準的 165%，而UHP光源的色彩還原為100%的EBU PAL標準（見圖6）。因此在顯示色彩的豐富程度上LED光源也是優于UHP光源的。其次，LED光源采用3片LED發光光源產生三基色光，RGB分離處理，因此對于色溫的可控性大大增強。在UHP燈泡光源和色輪的上一代DLP技術中，色溫不能通過電子方式連續調整，只能通過增加濾色片的方法來進行色溫轉換。由于材料和生產工藝的限制，色溫濾色片轉換后得到的色溫和客戶想要的具體數值會有一些差距。但是在LED光源的新技術下，色溫在全部調整范圍在3200～9300 K之間連續可調，這給電視臺用戶的應用帶來了極大方便性和靈活性。

2.4 LED光源DLP散熱問題

2.4.1 LED光源芯片的壽命與溫度的關系

國外光源研究機構經過多年研究表明，隨著溫度的提升，LED光源的壽命將極大地降低。圖7是Philips Lu?mileds Lighting Company針對Philips LUXEON K2 LED所做的壽命受溫度影響試驗的結果[1]。

因此，對LED光源DLP背投顯示屏來說，冷卻系統對于光源壽命來說至關重要。從圖7中可以看出，LED光源模組的溫度與壽命成對數比例關系，大約每提升10°C，LED光源壽命下降一半。

2.4.2 LED光源芯片散熱的困難點

LED光源芯片體積較小，通常是封裝在樹脂中的（見圖8）。樹脂本身導熱性能很差。這就意味著，LED芯片的熱量只能通過芯片背面的導熱材料傳導出去。LED芯片的熱量源于非光能轉換的電功耗。這些額外的熱量需要及時傳導出去以保證LED光源的性能以及光源的質量和壽命。從圖7中可以看出，LED光源本身應該工作在120°C以下的環境中才能保持最佳的工作狀態。目前市場上的主流LED光源模組熱功率約為80 W（230 W/3≈76 W）。如果不考慮尺寸和噪音等因素，設計LED光源模組冷卻模塊并不困難。然而，考慮到作為熱源的LED光源模組本身大小只有3 mm×5 mm，熱量相對集中，必須提高單位面積的散熱效率。而且DLP產品多與工作人員在同一室內空間，一味采用提高空氣流通量，所以LED光源背投顯示屏制冷設計選擇是非常困難的一項工作。

2.4.3 LED光源芯片的液冷和風冷比較

目前市場上對LED光源芯片散熱有液冷和風冷兩種技術。圖9和圖10說明了液冷和導熱管兩種技術如何來為LED芯片冷卻。

對比上述兩種冷卻方式可以發現，LED光源芯片背面的散熱效率與LED芯片背面的導熱原理有很大關系。總體來說，大多數液體（比如水）的熱容量性能比空氣或金屬要好，所以可以帶走LED光源芯片發出的更多熱量。因此液冷技術在降低LED光源芯片溫度方面更加有效率。考慮到產品生產成本，也有部分廠家通過增加風扇數量和轉速來提高通風流量，采用熱導管加風冷的方法進行DLP大屏幕LED光源散熱。

3 常見技術問題及解決方法

目前國內的電視臺主要采用DLP大屏幕做新聞演播室背景墻系統。在實際應用中電視臺用戶經常關注的技術問題主要包括散熱、色溫控制、清晰度等。筆者根據實際工作經驗給出部分建議供參考。

3.1 散熱問題

散熱問題是影響LED光源DLP大屏幕光源壽命的關鍵因素，直接關系到設備的經濟效益成本。不管生產廠家采用液冷還是風冷的內部LED光源芯片散熱方式，最終演播室中DLP大屏幕的整體散熱主要還是通過中央空調和獨立空調來解決。在新設計的演播室中安裝大屏幕，要給大屏幕機芯進風口附近位置預留中央空調可調節冷出風口，以保證大屏幕機芯能夠吸入溫度較低的冷空氣以加強其內部芯片的散熱效率。注意選用低噪音的空調出風口，以保證不影響演播室內的拾音工作。

如果是舊演播室改造或者沒有條件預留中央空調出風口，在改造演播室的時候可以考慮把大屏幕背面位置做隔離間，隔離間內安裝柜式空調提供足夠的冷空氣以加強DLP大屏幕的內部芯片散熱效率。隔離間可以設置維修門，平時可以關閉，以隔絕柜式空調的噪音。

以2 m×4 m規模OVL－708拼接大屏幕為例，其最大熱散逸Heat dissipation參數為1195 BTU/h。經計算，最大設備發熱量為2801 W，為降低芯片溫度，通常需提供2倍以上的制冷量。

3.2 色溫控制問題

LED光源DLP大屏幕的色溫如果和演播室燈光色溫不一致，攝像機采集的圖像將會呈現偏色情況。比較典型的情況是演播室燈光色溫3200 K，LED光源DLP大屏幕的色溫是6500 K，攝像機根據演播室燈光對白平衡后，拍攝LED光源DLP大屏幕得到的圖像發藍，說明大屏幕色溫高于演播室燈光色溫，需要降低大屏幕色溫或者升高演播室燈光色溫。

遵循國家標準的相關規定，國內大部分演播室燈光色溫為3200 K。這時以調節LED光源DLP大屏幕的色溫為主，具體調整時不能僅僅依靠大屏幕的簡單色溫設定數值，需要結合色溫表、攝像機、大屏幕和燈光在演播室環境中反復調整，以求達到最佳效果。

在實際工作中，當部分廠家的DLP大屏幕的實測色溫達到3200 K時，對于DLP大屏幕畫面的亮度損失過大，無法滿足電視畫面整體拍攝的亮度要求。或者部分DLP產品根本無法調節到3200 K色溫的時候，電視臺技術人員就要逆向思維，適當調整演播室燈光色溫，以匹配DLP大屏幕的可用色溫最低限值。

演播室燈光的調整可以根據需要選用常見的“雷登”濾色片系列。計算公式為

式中：ΔM 為所選濾色片的微導度值（MRD）；M2為變換后光源色溫的微導度值（MRD）；M2為變換前光源色溫的微導度值（MRD）；T2為變換后光源色溫值（單位K）；T1為變換前光源色溫值（單位K）。

例如，演播室燈光是3200 K，DLP大屏幕色溫是4300 K，需要選用什么型號的“雷登”濾色片呢？通過式（1），可得Δ M=－79.94。在表2中查找可知，選用“雷登80C”濾色片能夠基本滿足要求。

表2 升色溫的“雷登”濾色片系列參數[4]

3.3 清晰度問題

DLP大屏幕應用中新聞演播室中之后，通常是以拼接屏幕的形式。以中央電視臺新聞頻道150演播室為例，大屏幕采用的2行4縱，2 m×4 m的方式一共由8塊DLP大屏幕拼接而成。單塊DLP大屏幕的物理分辨力為1024×768，總體物理分辨力為4096×1536。目前國內電視臺采用的ITU R BT.601數字電視標準的數字標清SDI信號分辨力為720×576，采用ITU－R BT.709標準的高清晰度HS－SDI信號的分辨力為1920×1080。這兩種信號的分辨力都不能直接滿足DLP拼接屏幕的點對點物理分辨力要求。在實際工作中，采用單路HD－SDI或者DVI信號的用戶居多，基本也能滿足日常工作。但是沒有把2 m×4 m大屏幕的圖像顯示到最佳效果，也讓一部分高端用戶頗為遺憾。不過隨著大屏幕拼接規模的擴大，分辨力的問題就顯得尤為突出。

目前市場上只有在線包裝系統針對大屏幕的對應產品，才能向DLP大屏幕拼接系統提供接近4K的高分辨力信號。部分中端4K產品可以提供4路HD－SDI或DVI信號，最高4×1920×1080的分辨力。

有些高端超分辨力視頻墻產品可以完全支持DLP拼接屏幕的點對點物理分辨力要求，甚至可以根據用戶的DLP大屏幕的規模變化進行最多行輸出路數對應調整。比方說用戶有2 m×6 m的DLP大屏幕拼接墻，總體分辨力已經超過4K信號。高端在線包裝對應的視頻墻產品可以用6臺同步渲染引擎分布式渲染，每臺渲染引擎輸出2路高分辨力DVI信號，為每一塊大屏幕提供點對點的圖像信號源。

4 小結

LED光源是DLP大屏幕發展的必然方向，目前已經比較成熟。電視臺新聞演播室通過引入DLP大屏幕電子背景墻，利用DLP大屏幕實現圖文呈現、實時連線、深度分析等多種新聞節目形態，配合演播室舞美、燈光、節目包裝以及欄目設計，實現新聞的全方位播報，以加深新聞媒體的感染力、影響力和交互性。在技術系統設計以及施工工程中處理好散熱、色溫和分辨力的問題，一定可以把新聞節目呈現得更好,使得新聞演播室更具現代化和科技化。

[1]Philips Lumileds Company.Understanding power LED lifetime analy?sis[EB/OL].[2011－11－23].http://ritelites.com/yahoo_site_admin/assets/docs/WP_on_LED_life.3482523.pdf.

[2]周志敏，紀愛華.LED、OLED照明技術與工程應用[M].北京：電子工業出版社，2011.