反射式高亮度LED帶動液晶投影機變革 近年來，電視機市場逐步轉(zhuǎn)變成為數(shù)位電視、前投式電視、背投式電視類的大型電視市場。這類投射型電視的顯示器使用的光源，無一例外的都是超高壓水銀燈，超高壓水銀燈在照明時，為了把蒸汽壓控制在200大氣壓左右而使用了大量的水銀。
眾所周知，水銀的危害很大，為防止造成公害，避免使用水銀，目前尋找其替代品的開發(fā)研究很多，但是水銀是確保照明發(fā)光功率的必要條件，實在很難找到其他方便且適用的替代品。
不過，照明時伴隨電流增大造成的電極消耗，高電壓和高費用，燈的使用壽命等問題又不得不解決，目前無水銀燈僅限於惰性氣體照明燈，和微波照明式的無電極燈。另一方面，2000年後，因為LED的功率提高，它作為小型鹵素燈的替代光源受到了世人的矚目。
■CES 2006展覽上以LED為光源的液晶投影機首度被發(fā)表
從2006年初開始，以發(fā)光二極體為光源的液晶投影機相繼被發(fā)表，用以來代替?zhèn)鹘y(tǒng)超高壓水銀燈的R（紅色）、G（綠色）、B（藍色）三色發(fā)光二極體（LED）作為光源後，業(yè)者便積極的設(shè)計出小型且以電池驅(qū)動前投式液晶投影機，而且使用發(fā)光二極體作為光源的背投式液晶投影機，色彩表現(xiàn)範圍也超出100％的NTSC比。
2006年1月，在美國拉斯維加斯召開的「CES 2006」上，利用LED為光源的液晶投影機首度公開，因此，在此之前一直處於秘密研發(fā)狀態(tài)的各大業(yè)者，隨後便向市場陸續(xù)公開研製的發(fā)光二極體光源背投式液晶投影機。
此外，為了開發(fā)出更具特色的產(chǎn)品，以半導體雷射為光源的液晶投影機，也在積極地進行研發(fā)中，可以預見的是，隨著光源的不斷變化，液晶投影機也將發(fā)生巨大變革。
其實，因為發(fā)光二極體具有很多優(yōu)點，利用LED為液晶投影機光源的想法，從很早以前就有業(yè)者開始投入開發(fā)，例如，可以達到小型化、電池驅(qū)動、擴大色彩表現(xiàn)範圍、延長使用壽命等等的特色。
傳統(tǒng)裡，液晶投影機都是使用超高壓水銀燈為光源，但是由於超高壓水銀燈啟動時，需要有數(shù)10KV的高壓（照明的瞬間會達到數(shù)百KV），因此，燈泡的溫度同時也會達到800℃∼900℃，在這樣的高耗電機構(gòu)下，就必須使用交流（AC）電源驅(qū)動，及複雜的電源電路和必要的散熱解決方案。
且因超高壓水銀燈和螢光燈發(fā)光的原理是一樣的，所以依靠汞的激勵來產(chǎn)生紫外線而發(fā)出高亮光源，因此從點燈開始，達到一定的亮度為時需要一定的啟動時間，而使用完畢關(guān)燈後的散熱，也需要耗費很長時間來達到冷卻的狀態(tài)。因為這樣的種種不便，液晶投影機相關(guān)業(yè)者便急需找到一種新的光源來替代超高壓水銀燈。
■以LED作為光源 可大幅度改善性能
目前市場上主流的液晶投影機，是將超高壓水銀燈的白色光，特別分離成紅綠藍三種顏色，以達到高色域表現(xiàn)能力，但是，如果可以，能夠把紅綠藍三色光，直接利用可發(fā)光光源元件才是未來的發(fā)展趨勢。
各液晶投影機生產(chǎn)商會投入大量精力到LED液晶投影機的開發(fā)上，是因為以發(fā)光二極體作為光源，可以具備大幅度性能改善的空間。在過去，LED的發(fā)光效率和光通量都不是很充足，尚不具備成為液晶投影機光源的性能。但近年來，隨著性能的大幅度提高，各大業(yè)者都認為LED已經(jīng)具備了可以成為液晶投影機光源的特性，開始進行實際的研發(fā)。
但在實際應用中不難發(fā)現(xiàn)，LED在前投式液晶投影機和背投式液晶投影機中的使用情況並不太一樣。背投式LED液晶投影機的投影表現(xiàn)，雖然不能說已經(jīng)達到了與背投式超高壓水銀燈液晶投影機相同的水準，但基本上，也達到了同等的亮度。
另一方面，因為被期待作為小型化的應用情況，前投式LED液晶投影機在亮度上的障礙就比較小，也不需要為了減小散熱設(shè)備和光學系統(tǒng)而大費周章的進行機構(gòu)設(shè)計，所以很容易保持所需要的亮度。
▲一般高功率LED與反射式LED散熱方式比較。（製圖：盧慶儒）
雖然說有這樣的優(yōu)勢，但相對的，前投式LED液晶投影機的亮度，與前投式超高壓水銀燈液晶投影機相比就差得多，能夠投射出來的亮度只有10∼20流明，這樣的亮度根本不可能像前投式超高壓水銀燈液晶投影機那樣，在明亮的會議室裏也可清晰的把影像放大到30∼40吋。
大部分的液晶投影機生產(chǎn)者對於前投式LED液晶投影機的銷售模式和前景都感到有一定程度的困難，雖然前投式LED液晶投影機的訴求點是體積小，而且可利用電池供電驅(qū)動，但使用時投影效果卻是遠遠比不上傳統(tǒng)的產(chǎn)品，一般的消費者根本不會接受，市場前景似乎是很不明朗。
所以有液晶投影機的業(yè)者認為，雖然以目前來說，前投式LED液晶投影機馬上就可以投入市場，但因亮度的問題，使得在行銷上還是有一些困難，能夠期待的是，只有當LED液晶投影機的亮度，超過現(xiàn)在的使用超高壓水銀燈時，例如說超過100流明，才會更容易提高消費者對這項產(chǎn)品的接受度。所以目前大多有能力開發(fā)LED液晶投影機的業(yè)者，在產(chǎn)品投入市場時機上，採取了相當保守的態(tài)度。
因此，很多液晶投影機業(yè)者都相當關(guān)心東芝，及較早之前投入市場的其他業(yè)者，前投式LED液晶投影機的銷售情況，因為大多後進或準備很多業(yè)者投入這一市場的業(yè)者，都以東芝及先前進入市場業(yè)者的成果作為風向球。會有這樣情況出現(xiàn)的原因是因為，若東芝和其他業(yè)者能夠成功，那麼就可以開始推出同類型產(chǎn)品進入市場。
但東芝也不是相當大膽且無計劃的成為投式LED液晶投影機市場上的鋒，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，東芝所憑藉的是本身和其他螢幕業(yè)者所共同開發(fā)的22.5吋折疊式投影螢幕。
根據(jù)資料顯示，這款折疊式投影螢幕可以抑制外光的反射，也就是說，即使在明亮的場所，例如光線明亮的會議室裡，因為可以達到高對比度而能夠清晰的顯示出投射影像。
■LED的亮度輸出量 仍不能和超高壓水銀燈相比
不過，還是必須清醒地認識到這樣一個事實：雖然說因為LED發(fā)光效率的提高，每個LED的亮度輸出量和過去相比有相對的提高，但仍然不能和發(fā)光功率60流明／瓦以上，全光束為10000流明的光源相比。
所以當各業(yè)者在不遺餘力的進行關(guān)於LED光源技術(shù)的研究開發(fā)的時候，發(fā)現(xiàn)與超高壓水銀燈不同的是，如果期望有效的利用LED作為背光源的話，仍舊需要解決相當多的問題，因為每個LED生產(chǎn)業(yè)者間細微的技術(shù)差別，就會造成產(chǎn)品的亮度等性能出現(xiàn)落差，所以如何有效利用LED，就成了每個液晶投影機生產(chǎn)商面臨的問題。
LED不像超高壓水銀燈是點光源，而是面積只有幾個mm大小LED晶片的光，會散射到四面八方，為了聚集這些光，還需要配合包括1吋大小的DMD等元件，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計是相當複雜的，所以，從這方面可以很容易就看出各個業(yè)者之間技術(shù)能利的高低。
為了解決這難題，三洋電機就開發(fā)了能更有效聚集LED光線的光學產(chǎn)品，並應用在液晶投影機的機構(gòu)中，和傳統(tǒng)應用在LED上的普通採光透鏡相比較，這款光學透鏡對光的利用率，經(jīng)過模擬驗證預計可以達到1.41倍，不過經(jīng)過實際測量之後，利用率卻是高達到1.34倍，雖然有這麼高的光利用率，但仍舊無法完全將所有從LED散射出來的光都加以有效利用，也就是說，還是有一些光會被浪費或無法透過這個光學元件加以聚集使用。
如果為了提高LED液晶投影機的亮度等性能，只是單純從光機引擎上做努力還是不夠的，因為LED本身的改良和性能提高也很重要。很多業(yè)者已經(jīng)意識到了這一點，例如，印度的OSTAR在2005年底發(fā)表應用於液晶投影機的LED模組OSTAR，該模組使用了自己生產(chǎn)的LED-ThinGaN。
以傳統(tǒng)的架構(gòu)來說，一般的LED只有50％的光會從晶片表面散射出來，但是這款新型的LED卻有97％的光都是從晶片表面激發(fā)出來，如此一來，就能夠大幅度的提高效率和亮度。OSTAR表示，目前發(fā)表的模組產(chǎn)品安裝了4個1mm平方的LED晶片，相當適合0.55吋的顯示元件應用。
■安裝Optical Collimator透鏡可提高光的利用率
因應光通量不足的標準型LED光源，目前可以採用兩種方式來調(diào)節(jié)光，一種是和傳統(tǒng)的HID光源屬於同一照明系統(tǒng)，想法是，將透鏡裝在焦點上，這樣的結(jié)構(gòu)很簡單，但是效率卻是相當?shù)汀Ａ硪环N是在光源前面安裝Optical Collimator透鏡的方式，而提高光的利用率，這樣的做法事實上比第一種方式的效率高了許多。
不過，有一點需要注意的是，對這兩種方式而言，為了提高光調(diào)節(jié)效率，都必須使用很大的透鏡。反射式LED的基本構(gòu)造，與傳統(tǒng)的炮彈型LED完全不同（炮彈型LED：把樹脂透鏡安裝在發(fā)光元件上，而達到對光的調(diào)節(jié)），而且也與晶片型LED也不同（晶片型LED：在散熱性能高的電路基板上，配備發(fā)光元件再向四周反射光線），反射式LED是把發(fā)光元件和反射鏡相對的安裝，發(fā)光元件放射出來的光，一旦碰撞到反射面就可以被調(diào)節(jié)放射到LED外部。
只是因為透明樹脂的透光率、反射面的反射率等原因，才會發(fā)生一部分光的流失，但是90％的光可以有效的利用發(fā)射到外部。目前，所有的LED設(shè)計都是根據(jù)發(fā)光元件和反射面相對安裝的結(jié)構(gòu)來完成的，所以必須要讓外形盡可能地變小，而現(xiàn)實高發(fā)光效率的目標。但是傳統(tǒng)的封裝LED為了提高利用率，所以在外形上不得不設(shè)計的很大。
為了得到光輸出功率很大的射線光源，發(fā)光元件的大小具有相當性的關(guān)鍵。如果期望提高光通量的話，就必須要增加發(fā)光元件的大小，才能耐得住用來激發(fā)光線的大電流。但另一方面，從光學系統(tǒng)角度來看，卻有發(fā)光元件越小，可以提高光的利用效率，這是相當矛盾且必須面對的問題。
如果從這一點的定律來看的話，液晶投影機所使用的發(fā)光元件，應該儘量的朝向小型化發(fā)展，並且必須應用在散熱性較好的封裝型LED上。因為用來作為光輸出量高，且光調(diào)節(jié)性能高的LED結(jié)構(gòu)，需要依靠簡化散熱電路、擴大搭載發(fā)光元件路徑的截面，來確保一定的散熱性能，而在這樣的條件需求下，反射型LED可以說事散熱路徑是最簡單的。
▲ 一般LED模組與OSTAR的LED模組光取出效率比較。（製圖：盧慶儒）
■晶片型LED和Optical Collimator透鏡搭配 可得高均勻的光線
液晶投影機用的光學單元基本上是由晶片型LED和Optical Collimator透鏡構(gòu)成，光通量可達60流明左右，同時，由於使用了聚光透鏡和右通道，因此可獲得勻稱度相當高的射線光。
從LED光學系統(tǒng)方面來看，發(fā)光元件、光學透鏡，或透鏡大小間的關(guān)係，與光分佈可調(diào)性有很大聯(lián)繫。使用同樣的透鏡，如果能夠擴大發(fā)光元件或加大光分佈角度，那麼一直存在的，軸向發(fā)光強度的差異問題就能解決。
另一種是，使用反射型LED的光學單元，因為外形形狀較小，所以光分佈特性也很好，在800Ma直流電流供應下，照明的發(fā)光強度為紅光330k lx、綠光650k lx、藍光470k lx。但實際應用中，將會變成脈衝照明，需要在發(fā)光波形較為穩(wěn)定的情況下使用會比較好。
整體來說，可以應用於液晶投影機的LED光源還需要不斷改進其發(fā)光效率和光學系統(tǒng)。目前來講，可以說反射型LED的效率是最高的，並運用很小的空間就能放射射線光的光源。今後，隨著大型、可配備大光束發(fā)光元件的反射光學系統(tǒng)，和高效率的合成白色光源的光學系統(tǒng)的研究開發(fā)，可以期待更好的成果的出現(xiàn)，LED的應用會越來越廣泛。（參考資料：NE雜誌、日本Optic Device研究所）
▲在1W與3W電力提供下，反射式LED與Optical Collimator透鏡構(gòu)成的LED分別在每個勢角的亮度比較。
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