基于LED光源中微投影光學系統研究

黃繼剛

（漢口學院，湖北 武漢 430212）

基于LED光源中微投影光學系統研究

黃繼剛

（漢口學院，湖北 武漢 430212）

Led光源不僅體積較小、便于攜帶，而且其顯色性好，能效較低、污染小、效率高、壽命長，為微投影技術的發展解決了光源難題。然而，led光源功率較低，限制著投影的范圍，并且其三基色所形成的圖像與原圖存在一定的差距。Led光源的這些不足，需要在以后的發展中進行突破，以更好地滿足微投影技術的發展需求。

led光源；傳統光源；微投影技術

投影顯示技術是通過光學系統將顯示器上的圖像在投影屏幕上進行放大的一門技術，能夠在較小的空間里以比較低廉的成本實現大屏幕的成像，因此自投影系統問世以來就成為大屏幕顯示的最優選擇，而led光源的產生和應用則使得小型化投影系統的產生成為可能。led的全稱叫做發光二極管，led技術自從1962年被研制出之后，便正式進入商業用途，隨著科學技術和工業技藝的不斷發展，led的芯片變得更加小巧，樣式也更加多樣化，發光波段也不斷增長，為微型投影行業發展注入了新的動力。

1 投影技術中的傳統光源簡介

照明技術是投影顯示技術的重要組成部分，而照明光源則是照明技術最核心的組成部分。在確定好照明系統的光源之后，后續的投影設計都是圍繞照明光源而進行的。一般來說，選擇投影系統的照明光源要考慮三個要素：第一，亮度效率以及壽命，最優的選擇是亮度比較大、效率高以及耐用的光源。第二，驅動是否簡單，操作是否便捷，體積大小是否便于攜帶。第三，光譜投影系統一般選擇的光源要適合于三原色的顯示，有著較好的發光光譜。在投影系統的后續設計方案中，要將選定的照明光源盡可能的接近發光體，那么設計起來就更為方便，照明效果也更好。在led光源產生和使用之前，投影照明系統中的傳統光源一般可以分為鹵素光源和氣體放電光源兩種。

（1）鹵素光源。在充滿了氬氣的石英燈泡體中，加入微量的鹵素氣體之后就形成了鹵素光源，鹵素光源具有成本較低、價格低廉的優點，但鹵素光源的體積較大，不便于攜帶；在投影使用的時候發熱高，能耗也高，并且由于其色溫較低，而產生的投影效果與實物有一定差距，真實感較差。在早期的投影產品中鹵素光源使用較多，并且因其較為低廉的價格，現在在一些低端投影技術中，也仍然會用到鹵素光源。

（2）氣體放光電源。氣體放光電源是目前投影市場上除了led光源之外使用最為廣泛的主流光源，因其頻譜寬、色溫高、發光效率高，其產生的光源基本上可以覆蓋整個可見光區域。目前市場上使用較多的氣體放電光源，主要有超高壓汞燈、金屬鹵化物燈和氙燈三種。超高壓汞燈是由飛利浦公司所研制的一種理想的冷光源，有時也被稱作UHP燈，UHP燈具有光衰小、使用壽命長、消耗低的優點，因此，在市場上的投影產品中應用最為廣泛。而金屬鹵化燈的基本原理則是通過電子束與氣體分子發生激烈碰撞所產生的輻射進行發光照明，金屬鹵化燈與其它光源相比，具有光效高、壽命長、色溫高的優點，但金屬鹵化燈在使用的時候，功能消耗比較大。在這三種光源之中，氙燈的顯色性最好，因其原理是在充滿氙氣的石英泡體內通過集結放電而發出光源，所以其色溫能夠達到5800k以上，擁有較高的亮度和功率范圍，所以在一些性能比較好的大型高功率投影產品中使用會比較多，但氙燈的缺點在于其消耗性較高，壽命不及其他的光源。

2 led光源的優缺點

傳統光源一般體積較大、不便于攜帶，大大限制了投影技術的發展和普及，使投影無法擺脫大型化的發展模式。因此，為了實現微投影技術的發展，就必須找到體積更小、更為便攜的小型化光源，led光源技術就是順應微投影技術發展而產生的新技術。

與傳統光源相比，led光源有如下優點：

（1）與傳統光源相比，led光源具環境友好性，傳統光源在工作的時候，一般都需要重金屬汞的參與，并且具有較高的能耗性。而led光源并不需要重金屬汞的參與，并且無論是在其生產制造的過程中，還是在其實際的應用過程中，都不具有污染性，是一種清潔綠色能源。

（2）led光源在使用的過程中具有資源節約性，與傳統光源不同，led在工作的時候所使用的是低壓直流電源來供電，所以其能源消耗非常低，一般來說一個單位的led所需要的電量在0.03～1W之間。

（3）led光源具有較強的適應性，其在使用的時候并不像傳統光源那樣，對工作環境有著過高的標準要求，而是在大多數的環境中都可以使用。并且無論在任何環境下都不會影響led的響應速度，其速度一般都能保持微妙級別，led即開即亮。

（4）led光源是冷光源的一種，因其不同于傳統光源的發光原理和封裝結構，它的壽命與傳統利用熱輻射發光的光源相比，有了很大的提升，在不考慮其他因素的情況下，一個普通的led光源壽命多在5萬到10萬小時之間。

（5）led光源最大的優點在于它的體積小、便于攜帶，采用環氧樹脂封裝方式的led光源，在應對運輸過程中可能存在的沖擊、顛簸能力更強，具有更好的抗震性和耐沖性，更加便于攜帶運輸和保存，推動著微投影技術的不斷發展和普及。而在具體的應用過程中，led光源也有著傳統光源所無法比擬的優越性。在使用時，led光源單色性好，具有很好的聚光效果，光亮的衰減度小，還可以根據目標圖片的不同特點隨時調整其光源的指向。以投影照明系統為例，如果利用傳統的光源，要想得到三原色光，就必須利用色輪儀器，那么就必然會增加照明儀器可攜帶的難度。而使用led光源，如果想要得到三原色光，只需要用三個不同基色的led光源儀器，不需要再另外投入使用色輪，這樣不僅減少了照明儀器的重量和體積，而且利用三種不同顏色的led灰度作為基礎色，可以在計算機上形成上百萬種不同的元素顏色，使圖像在投影儀上顯示的時候，色彩更加飽和，更具真實感。

已經具有了諸多優點的led燈，在具體的使用過程中仍然有其自身的局限性，一般來說，led燈作為投影光源的最大局限性在于其亮度不夠。由于led燈體積較小，所以其總體的功率比UHP燈要低，這樣就導致使用led燈作為光源的投影成像面的光通量比傳統光源的光通量要低，不僅會導致顯示器上的圖片不夠亮，而且限制著投影的范圍不能過大。而基于三種基本灰色的led光源，雖然在計算機上可以形成上百萬種不同的顏色，但這些不同顏色的發光體顯示在投影儀上之后，會有一定的空間距離，導致其最終顯示在儀器上的圖像會與原本的圖像存在著顏色和亮度上的微小差異，一定程度上降低了圖片投影的效果。

［1］吳仍茂，屠大維，黃志華.LED照明系統的光照均勻性設計［J］.光學技術，2009，（1）.

［2］李澄，李農.非成像光學應用于LED照明的研究［J］.照明工程學報，2011，（5）.

［3］吳真綺.基于LED光源的微型投影儀照明系統研究［D］.南昌：南昌大學，2014.

Research on M icro Projection Optical System Based on LED Light Source

HUANG Ji-gang
（Hankou College，Wuhan，Hubei 430212，China）

LED lightsource isnotonly small volume and easy to carry，with good color rendering property，low efficiency，low pollution，high efficiency and long life，which provides light source for the development ofmicro projection technology.However，low power of LED light source limits the scope of projection.And the image formed by the three primary colors has a certain gap with the original image.Deficienciesof LED lightsource need to be improved in future development in order to bettermeet the developmentdemand ofmicroprojection technology.

LED lightsource；traditional lightsource；Micro projection technology

TN946.1

A

2095-980X（2016）11-0064-01

2016-10-12

黃繼剛（1995-）男，湖北荊州人，大學本科，主要研究方向：光電信息科學與工程。