激光光機的演進

一.為何有了環(huán)保的LED半導體光源，還需要激光？

高壓汞燈（UHP） 光源在投影機發(fā)展史占很重要的地位。由于UHP發(fā)展將近二十年，他的好處是投影機的集光系統(tǒng)由此變得很簡單，又因技術(shù)成熟，所以價格低廉，以致至今還是占領(lǐng)主流市場位置。

但UHP含有鹵素及汞元素等有毒有害物質(zhì)，被列為對環(huán)境不友好的產(chǎn)品。因此近幾年來TI極力開發(fā)半導體光源，以取代UHP燈。首先，在LED光源的設(shè)計上，LED可以即開即關(guān)，無高壓啟動點燈干擾系統(tǒng)運作問題，光譜色彩純正，超長壽命達60，000小時；但其發(fā)光面積大，對投影機芯片（DMD）的收光效率不佳，因此投影機亮度不易超過2，000 ANSI。

這對于主流應(yīng)用2，500-3，000 ANSI 才足夠的需求，的確沒能拿到入場券。LED光源投影機，只在有特殊用途的電視墻及家庭劇院占有一席之地。

因此TI繼續(xù)尋求更高亮度的半導體光源，三年前開發(fā)出藍色激光加上熒光粉的組合光源。

為何沒有設(shè)計RGB純激光的光源？

（1）成本考慮：

激光二極管目前的技術(shù)，以藍色最為成熟，以光瓦計價，藍色：USD 3/W 。紅色次之：USD 12/W，綠色最貴：USD 20/W。因此，以純激光RGB二極管來組成光源，其成本太高，一般應(yīng)用在高端電影院市場。以成本考慮，設(shè)計光波長轉(zhuǎn)換的方法，以藍色激光去激發(fā)熒光輪，以產(chǎn)生較長波長的光線如綠色，黃色或紅色，是比較現(xiàn)實可行的。

（2）色彩考慮：

色彩的優(yōu)或普通，完全取決于光譜的分布寬廣。LED有較佳色彩，熒光激發(fā)光色彩純度稍弱。

想辦法讓光譜分布集中，采用顏色飽和及色域?qū)拸V的方法。作法上有，以色輪做光譜窄化，選用LED 或甚至采重成本以RGB激光都可以擴大色域范圍。

將亮度、色彩及成本最佳組合產(chǎn)生的結(jié)果是，以最有效率的藍色激光（技術(shù)最成熟），去激發(fā)熒光粉（這技術(shù)在白光LED是成熟的）以產(chǎn)生綠色及紅色的光，加上激光本身的藍光，完整提供投影機的RGB三原色。

二.激光與LED 光源的比較

我們從技術(shù)角度比較激光與LED 的差異，讓大家理解在主流市場激光為什么會被青睞？

請看圖1、圖2組件基本結(jié)構(gòu)。激光也是具有LED PN二極管的架構(gòu)，但激光在組件上增加了光的共振腔，可以精密地篩選特定波長的光，在腔室內(nèi)不斷共振聚積能量，并透過準直鏡投光出去，以產(chǎn)生高密度聚焦的光束。相對來說，LED的聚光架構(gòu)簡單，所以發(fā)光的角度大，光密度較低。

在投影光學里，我們關(guān)注光的集光效率，叫Etendue （光展量）= A*Ω，是一個發(fā)（收）光面積乘以發(fā)光角的一個數(shù)據(jù)。請看圖3。

光源部分，As ： 發(fā)光面積，Ωs： 發(fā)光角度；

顯示部分（DMD），Ai ： DMD面積，Ωi： DMD收光角度。

這里有一個準則，光源光展量越小越好，顯示的光展量越大越好。Ai*Ωi決定光源被收納的有效性。光源系統(tǒng)發(fā)光的Etendue等于顯示系統(tǒng)的Etendue時是最佳的組合。當光源Etendue大于顯示組件，部分光源就不會被納入而浪費掉了。

以下我們從光展量及電光效率，來比較LED與激光的優(yōu)劣性。

光展量：激光有數(shù)十到百倍的優(yōu)勢

光展量=面積*發(fā)光角

LED發(fā)光面積4.8×2.2mm（OSRAM P3W），發(fā)光角約60°。

激光光源發(fā)光面積30×1 um，發(fā)光角5°×24 °（雙軸不對稱）

由以上數(shù)字即可看出單顆激光在光展量上有百倍以上優(yōu)勢（聚旋光性佳）。

電光效率：激光等同1.4倍LED的能原效率

（電光效率以Nichia藍色激光二極管跟OSRAM P3W藍色LED相較。）

激光功耗 ： 2.5A x 4.3V = 10.75W；

激光光能輸出： 3.6W；

電光效率：3.6/10.75 = 33%。

LED功耗 ： 3.55V x 36A = 127.8W；

LED光能輸出：30W；

電光效率：30/127.8 = 23%。

驅(qū)動器效率損失：激光驅(qū)動省5%能耗

激光驅(qū)動器以2.5A 運作，LED是36A，電流大通過電路阻抗，其損耗就大，至少有5%的差異。

以組件電光轉(zhuǎn)換效率、驅(qū)動器損耗及集光效率的光展量等參數(shù)來看，激光有較佳的節(jié)能效果。

換個講法，可以采用較小面積的DMD面板，以縮小光機體積，仍然可以保持亮度。

三.激光與UHP燈泡的比較

無須更換燈

UHP燈的壽命一般在2，000-3，000 小時，但激光在全功率下至少有20，000小時壽命，相較之下有約10倍壽命。若以每天用滿8小時，一年工作250天，可以整整用上10年。幾乎投影機有生之年都不用換燈，免除擾人的換燈售后服務(wù)及昂貴的費用。

光源強度可以自我設(shè)計

UHP光源及LED都只能從廠家提供的幾個瓦數(shù)里做設(shè)計選擇，但激光光源可以讓廠家設(shè)計自己要的亮度。以前高亮的工程機所需要雙燈或多燈的設(shè)計，現(xiàn)在可以做激光單燈設(shè)計。目前率先找到定位的投影機是高亮工程機，所有工程機廠家都已導入激光光源。

四.激光投影機的光源模塊如何實現(xiàn)？

激光投影機的光源不再只是一個組件（如UHP，LED ），它是一個模塊的結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計沒有標準。可以因亮度、色彩及成本，產(chǎn)生多種組合的架構(gòu)。目前產(chǎn)業(yè)界的設(shè)計考慮著重于色彩質(zhì)量及亮度的要求。因LED 光譜，激光光譜及熒光粉激發(fā)光譜的特性不同，激發(fā)的熒光亮度高，因此產(chǎn)生多種設(shè)計架構(gòu)。

以藍色激光激發(fā)熒光粉以產(chǎn)生的綠色紅色或黃色光，其光譜分布較寬廣，請看圖5，會導致色域較限縮。寬光譜是熒光粉的天生掣肘，可以外加色輪以修整光譜以得到較寬廣的色域。

相較LED 光譜較集中，激光可以有較寬的色域。請看圖6。

以下我們探討激光光源模塊的結(jié)構(gòu)及其使用的組件。

激光光源模塊的主要組成是：

1.激光二極管：發(fā)光組件，是藍光激光二極管；

2.波長轉(zhuǎn)換熒光輪：接受藍色激光刺激，以產(chǎn)生長波長綠色，黃色及紅色光的組件；

3.聚光合光光學部品：聚焦激光到熒光輪，并收集激發(fā)光成平行光，以提供光源給投影芯片。

激光光源架構(gòu)依光路可分：

1.反射式：TI 的建議設(shè)計是以反射式熒光輪，加上色輪過濾光以構(gòu)成符合色彩REC.709要求。其光路復雜但可以提供較高流明輸出。請看圖8。

2.穿透式：以穿透式熒光輪內(nèi)建色輪，二輪合一的設(shè)計，可以簡化光學設(shè)計。但其缺點是亮度無法大幅提升，因熒光輪會吸光產(chǎn)生熱。請看圖9。

激光光源架構(gòu)依發(fā)光源分為：

1、純RGB 激光：可以得到非常廣的色域，但價格很高，只合適高檔應(yīng)用。請看圖10。

2、藍色激光熒光輪光源：這是典型的激光光源架構(gòu)，光路較單一化，但色域較小。一般會用色輪來優(yōu)化色域。請看圖11。

3、激光及LED混和式光源：用以改善紅光純度：以紅色LED取代紅色熒光激發(fā)光，綠色光還是由激光激發(fā)熒光粉以產(chǎn)生。請看圖12、13。

用以改善藍光純度：藍色光以LED來提供，綠色，紅色及黃色光由激光激發(fā)熒光粉以產(chǎn)生。

五.激光光機未來發(fā)展方向

熒光輪的演進：改善散熱及涂布均勻，對于熒光輪的轉(zhuǎn)換效率，影響因素主要有兩個。

1.工作溫度：熱會讓轉(zhuǎn)換效率變差及影響信賴性。

因此，現(xiàn)在工藝上努力解決的問題是散熱，嘗試以陶瓷或玻璃與熒光粉混和，取代早期的硅膠可以讓熒光輪更耐熱。增加信賴性及可以操作在更高溫，以減輕散熱的要求或可以耐更高瓦數(shù)的激光。另外，熒光輪采用鋁鏡基板取代之前的銀鏡基板，可以增加散熱能力。

2.熒光粉涂布的厚度：太厚或太薄的熒光粉轉(zhuǎn)換效率均不是最好。

從前是用涂布的方式涂上光粉，容易有厚薄不均問題。現(xiàn)在改用印刷方式，可以產(chǎn)生一致的厚度。紅光熒光粉對熱的耐受性不好且轉(zhuǎn)換效率比黃色低，成本高壽命短，因此現(xiàn)行設(shè)計采用黃色熒光粉再外加色輪去過濾以產(chǎn)生紅色光譜。

為了縮減光學空間，嘗試以穿透式的熒光輪來達到二合一的效果（熒光輪加色輪）。穿透式熒光輪，激光進入光有部分被反射無法進入熒光粉，又因其吸熱較多因此轉(zhuǎn)換效率比反射式差。因此穿透式熒光輪投影機，不使用于2，000 流明以上的機器。

激光二極管組件的演進：增加整合度，減輕系統(tǒng)廠生產(chǎn)工時。請看圖14。

早期投影機廠家開發(fā)激光光源，是以購入激光二極管顆粒，自行將多個組件組合做光線調(diào)校對正。近期激光組件廠家，提供已經(jīng)調(diào)校對正的模塊，讓系統(tǒng)廠家降低生產(chǎn)的障礙了，并減少與客戶的技術(shù)服務(wù)。另外有一種新型型態(tài)出現(xiàn)，將二十個激光二極管的晶圓直接焊接在銅基板上，可縮小組件尺寸，以利于光機系統(tǒng)廠縮小體積的設(shè)計。

六.總結(jié)

激光投影機還在成長初級階段，組件廠及系統(tǒng)廠無不絞盡腦汁，提高性能降低成本及增加信賴性。目前為了普及激光，組件廠先以降低每光瓦的價錢為手段，熒光輪廠家則改善熒光輪的散熱及耐熱能力，并嘗試達到更高的熒光粉發(fā)光效率，耐熱及長壽命。往后幾年看，激光一定會有很多驚人的進展。