論多媒體教學投影機光源的選型*

陳曉偉，姚 斌，付 玉

（廈門大學 現代教育技術與實踐訓練中心，福建 廈門361005）

近年來，隨著現代教育技術的快速發展，多媒體投影教學具有圖文并茂、大屏幕、高畫質等優點，已成為現代教育不可或缺的教學手段。為了適應新形勢教學的需要，為教師教學提供良好的設備支持，全國各級、各類學校加大經費投入建設多媒體教室，主要的設備有電腦、投影機、功放系統、擴音設備、中央控制系統等。作為主要設備之一的投影機，其使用的光源對投影質量有著很重要的影響。為了提高教學效果和教學質量，以及為學校在多媒體教室投影機的選購上提供幫助，本文將詳細介紹投影機當前使用的傳統光源和新興出現的固態光源之間的區別。

一、投影光源

投影顯示技術是指通過投影光源，利用光學系統和投影空間把圖像放大并顯示在投影屏幕上的顯示技術，投影光源是其中的一個重要組成部分。

1.投影光源的重要性

無論其成像單元的結構如何，從光源到屏幕，由不到1英寸的顯示芯片輸出100英寸的畫面，顯示面積放大了100倍，因此投影光源必須具有高亮度、高對比度等特性，它在投影機中的重要性是不言而喻的。

同一臺投影機，使用不同的投影光源，由于光源的色域、亮度和對比度的差異，投影出來的效果不盡相同。質量不好的投影畫面，會刺激眼睛，容易引起眼睛干澀、疲勞，長期如此會造成視力下降，例如在高亮度、低對比度或者低亮度的情況下。隨著多媒體投影教學的普及，投影機光源直接影響著全國越來越多在校學生的視力健康。

2.投影光源演變

投影機廣泛應用在教學、演示和家庭影院上，由于投影機的長時間工作，這就要求投影的光源必須具有亮度高、壽命長、散熱性好等特點。[1]投影光源伴隨投影技術的發展經歷了以下幾個時期：①早期的蠟燭、油燈、汽燈、電燈等光源。②現階段的熒光燈、白熾燈、氣體放電燈等氣態光源。③新興的LED、激光等固態光源。

目前國內學校使用的投影機有兩類：一類是LCD投影機，它以超高壓汞燈為燈泡，屬于氣體放電光源；另一類是激光光源投影機，主要以激光和LED為投影光源，屬于固態光源。LCD投影機技術成熟，市場占有率高，后期維護成本高；激光光源投影機技術先進，后期維護簡單，現階段售價較高。

二、投影機的傳統光源

1.投影機分類

按照成像原理不同，投影機主要可以分為以下幾類：

（1）陰極射線管（Crystal Ray Tube）投影機。簡稱CRT三槍投影機，是投影機的鼻祖，把輸入信號分解成紅、綠、藍三個CRT管的熒光屏上，熒光粉在高壓作用下發光系統放大、會聚、在大屏幕上顯示出彩色圖像。使用的是內光源，發光源和呈像均為CRT，屬于主動投影方式。

（2）液晶（Liquid Crystal Display）投影機。簡稱LCD投影機，是液晶顯示技術和投影技術相結合的產物，屬于非自發光投影機。按照內部液晶板的片數，可分為單片式和三片式兩種，早期的LCD一般采用單片式，現在主流LCD投影機都是三片式結構。3LCD投影機的光源通過分光鏡形成紅綠藍三束光，分別透射在對應顏色的液晶板上；信號源經過模數轉換，調制加到液晶板上，控制液晶板上的各液晶單元有序開閉，產生的三色光再經棱鏡匯合成圖像，由投影物鏡投射在大屏幕上。

（3）數字光處理（Digital Light Processor）投影機。簡稱DLP投影機，是由德州儀器公司（Texas Instruments,TI）發展的一種新型投影系統，是一種將數字視頻信號轉化成光脈沖信號的純數字顯示技術，其基礎是美國Microvison公司研發的一種微電子機電技術（MEMS）。光源籍由一個積分器將光均勻化，通過光輪將光分成紅綠藍三色，由透鏡成像在DMD（數字顯微芯片）上，最后經過鏡頭投影成像。

CRT投影機由于體積較大，亮度偏低，目前已基本淘汰。目前技術最為成熟，占據市場份額的70%以上的主流投影機是3LCD投影機，它和DLP投影機一樣，主要采用氣體放電燈為投影光源，屬于氣態光源，我們稱之為投影機的傳統光源。

2.投影機的傳統光源

當前投影機使用的傳統光源包括金屬鹵素燈、氙燈和超高壓汞燈等，這些燈的發光效率都超過80lm/W，色溫特性大于4000K，并且發光光譜覆蓋整個可見光（360nm～760nm）的全部范圍，[2]都能滿足投影機的光源要求。它們的主要特點如下：

（1）金屬鹵素燈。發熱高、壽命短、衰減快，不宜做長時間投影使用，由于其價格便宜，主要用在一些低端產品上。

（2）氙燈。是利用氙氣放電而發光的電光源，接近太陽光譜，功率大、體積大、成本高，主要用于高亮的工程投影機。

（3）超高壓汞燈。與氙燈相比，體積較小，亮度、發熱量和功耗也較低，一般使用在小型商教投影機上。現階段，95%以上的投影機使用的光源都是超高壓汞燈。

3.主流傳統光源——超高壓汞燈

超高壓汞燈屬于高強度氣體放電燈，內部填充適量汞和惰性氣體，在冷態不發光時其兩極處于開路狀態，通過電壓后，極間距間產生高電位差的同時產生高熱，將汞汽化放電而發光。[3]具備兩大特性：①內部成分含有汞和惰性氣體；②內部具有很高的大氣壓力。

超高壓汞燈之所以被選作投影顯示光源，有以下幾大優勢：

（1）亮度高。可見光和長波紫外線輻射效率高，電弧亮度極高，尤其在365nm、405nm和436nm明線光譜具有很強的高輝度點光源。

圖1超高壓汞燈結構圖

（2）色域寬廣。光的波長范圍在380～780納米之間，超高壓汞燈呈現出的可見光波長范圍在380～650納米之間，隨著壓力增加，可見光部分愈強烈，表現為色彩更加豐富更加準確。

（3）體積小。燈芯尺寸一般不大于70毫米，相對成本較低。

（4）衰減率低。超高壓汞燈壽命一般都在3000小時以上，在2000小時以后才開始出現明顯的衰減，且衰減幅度小于20%。

超高壓汞燈的缺點是電熱轉化效率不高，需要預熱和散熱過程，要達到燈泡光輸出的最佳效果，一般需要啟動2分鐘后才可獲得全光通量輸出，還存在發熱量大、存在安全隱患等弊端。在實際使用中往往不到2000小時就需要更換燈泡，而燈泡價格一般在1000元～3000元之間，昂貴的后期燈泡投入阻礙了投影機走入千家萬戶，并且燈內的填充物汞是有毒物質，淘汰下來的燈泡還會對環境造成污染。因此高質量、低能耗、長壽命的光源是投影機行業追求的方向。

三、投影機的新型固態光源

1.固態光源簡述

投影機的新型固態光源包括LED光源和激光光源，它們不僅發光效率極高，理論值是汞燈的三倍以上，而且有超長的壽命，解決了長期困擾投影機產業光源壽命短、維護成本高的問題，還具有不需要預熱等待、即開即亮、節能環保等優點。

（1）LED光源

LED光源是以發光二極管（LED）為發光體的光源。發光二極管是一種能夠把電能轉化成可見光的固態的半導體器件，它的主體是一個PN結，在兩端加上電壓，電流會從LED陽極流向陰極，半導體晶體就會發出從紫外到紅外不同顏色的光線，電流越強，發光越強。[4]它具有長壽命、廣色域、寬視角、彩色還原性好、顯示圖像顏色鮮艷、低噪聲等特點，其成像結構簡單，無需色輪系統，大大縮小了投影機的體積和耗電。然而LED是面光源，最大的缺陷就是亮度提升難度較大，一般應用在微型投影上。

（2）激光光源

激光是指通過受激輻射而產生、放大的光，輸出波長范圍從短波紫外直到遠紅外，是一種相干光源，激光光源按其激活物質分為固體激光源、氣體激光源、液體激光源和半導體激光源四種類型。目前應用在投影機上的激光光源主要是采用半導體泵浦的全固態激光器作為投影光源，它具有以下特點：①亮度極高。因為激光是定向發光，光束的發散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行，大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，能量密度極高，是目前人工光源中亮度最高的光源。②色域廣。自然界大約有16777216種顏色，傳統光源只能表現自然界中30%左右的人眼可識別色彩，而激光投影機能表現自然界中90%以上的人眼可識別色彩。③高對比度。對比度不隨亮度增加而降低，可完全再現數字信號的高分辨率。④壽命長，無衰減。激光光源壽命2萬～5萬小時，且輸出功率穩定，使用過程無需更換燈泡。2萬小時以內無衰減，后期（壽命的80%以后）衰減很慢。⑤節能環保。激光顯示技術電耗是傳統汞燈顯示技術的1/3，噪音低，在生產和使用過程中沒有任何污染，是真正的綠色環保產品。

2.新型固態光源投影機現狀

激光是點光源，它的亮度極高，可以輕松產生10000流明的亮度，加上超長的使用壽命和即開即亮等優點，使得激光光源成為業界公認的最理想的投影機光源，將是投影光源行業以后幾年的重要發展方向，目前也特別受到學校多媒體教學的親睞。以激光作為固態光源的投影機主要有以下兩類：

（1）激光光源投影機

激光光源投影機的投影光源有兩種模式：一是以高純度的紅、綠、藍三原色激光為光源；二是以藍色激光作為主光源，通過熒光輪分色為紅綠藍三色激光。以市場的主流投影技術3LCD為例，三色激光經過投影機內相應的光學元件和處理芯片的擴束，再投射到X棱鏡將上述激光整合，最后由投物鏡將圖像投射到幕布上。其顯示成像光路如圖2、圖3所示。

圖2三色激光顯示成像光路示意圖

圖3藍色激光加熒光輪顯示成像光路示意圖

（2）混合型激光光源投影機

混合型激光光源投影機是指將激光光源與LED光源結合的投影機，激光的加入是為了對LED光源中最弱的藍光源進行補充，提升光源整體的亮度和飽和度，其顯示成像光路如圖4所示。它是以藍色激光發出強光激發轉動的綠色熒光輪，以產生高亮綠光同時有激光藍色，以取代純的綠光及藍光LED。并未在傳統光源基礎上增加太多的光學器件，沒有大幅提高整體成本，而且光源壽命達到約2萬小時，可有效減少用戶的維護和使用成本。

圖4激光加LED顯示成像光路示意圖

四、傳統光源和固態光源比較

在投影顯示技術相同的情況下，光源的質量決定著投影機的好壞。目前學校的LCD投影機主要使用的是UHP燈泡，屬于超高壓汞燈,下面分別以UHP燈泡和激光作為傳統光源和固態光源的代表來進行比較分析，具體見表1。

由于教室環境的特殊性，室內光線強烈，在相同亮度的情況下，激光光源具有比UHP燈泡更高的對比度和分辨率，而且色域范圍是UHP燈泡的兩倍以上，所以即便在寬敞明亮的教室里，激光光源投影機也能投出既色彩亮麗又光線柔和的畫面，使得學生既能看清屏幕上的字，眼睛還不容易疲勞。教師上課時是面對投影機，投影機光線直射會傷害到教師的眼睛，激光投影機具有即時開關機的功能，當教師不用投影機時，便可關閉，需要時再打開，非常方便。而傳統投影機開關機需要好幾分鐘，頻繁開關機還會減少燈泡壽命。在投影機安裝上，傳統光源投影機受到一定的限制，而激光投影機可以自由靈活地安裝在任何角度，或者其側面，甚至倒置。綜上所述，無論從技術還是在顯示畫質方面，激光光源都領先于UHP燈泡。

激光光源是以激光二極管（LD）作為泵浦源，不足之處是紅色、綠色激光二極管不容易制作，而且售價很高，所以現階段激光投影機的價格偏貴，在差不多亮度的情況下，價格是傳統投影的好幾倍，而且在功耗和發熱方面比傳統氣態光源投影機略高，但隨著激光光源技術的成熟和改進，激光固態光源將是投影機光源發展的必然趨勢，必將引發顯示技術大革命，徹底地顛覆傳統顯示領域。

表1激光投影機和LCD投影機比較

[1]夏常榮.投影技術與投影光源分析[J].真空電子技術,2003(1):51.

[2]沈培宏.投影機光源簡述[J].燈與照明,2009,33(2):57.

[3]劉衛平.論超高壓汞燈特性和控制方式[J].電子工業專用設備,2012(8):35.

[4]馬建設,賀麗云,蘇萍等.新型投影機高效光源——LED[J].照明工程學報,2012,23(6):111-112.