LED光源在DLP拼接投影箱体中应用的分析研究.doc

2012-07-13#2012-07-13#2012-07-13#LED 光源在 DLP 拼接投影箱体中应用的分析研究文上海金桥信息股份有限公司许坚翔【摘要】DLP 拼接投影箱体使用发光二极管（LED）光源，是目前 DLP 拼接投影箱体的发展趋势，与传统 UHP 光源 DLP 拼接投影箱体相比，其有着很多优势。但在实际应用中，其也有需要更好去解决的技术难点。【关键词】LED 光源 UHP 光源 DLP 拼接投影箱体箱体居多。但由于此类箱体使用超高压水银灯（UHP）作为光源，因此需要经常更换灯泡， 需专人维护，后期维护成本高的特点也是一 直困扰在使用方心中的永远的痛。而目前随着大功率 LED 光源技术的日臻 成熟，在 DLP 拼接投影箱体中采用 LED 光源 的技术已经可以应用于实际的项目中，并克服 了 UHP 灯泡光源显示系统的诸多问题，成为 目前市场上最炙手可热的话题。那么是否如 此？本文将对 LED 光源在 DLP 拼接投影箱体 中的应用做一个简单的分析与研究。前国内网管中心、数据中心、ECC目等项目建设的风生水起，而这些项目中大屏幕拼接墙系统由于担负了各种数据监控的呈现和演示，又是这些项目中非常重要 的一个系统。在大屏幕拼接墙系统中，主要有 DLP 拼 接 投 影 箱 体（DLP）、 液 晶（DID） 和 等离子（PDP）三种方式。其比较如表 1 所示。 表1 1 LED 光源在 DLP 投影箱体中应用的优势LED（Light Emitting Diode）俗称发光二极管，简称 LED，是一种能够将电能转化为 可见光的固态的半导体器件，它可以直接把 电转化为光。LED 的核心是半导体芯片，芯 片的一端附在一个支架上，一端是负极，另 一端连接电源的正极使整个芯片被环氧树脂 封装起来。最初，LED 用作仪器仪表的指示 光源，后来不同亮度等级的 LED 在交通信号 灯和大尺寸全彩色显示屏中得到了广泛应用， 产生了很好的经济效益和社会效益。作为一 种理想的固态结构光 源，LED 作为光源为 DLP 拼接投影箱体结构带来了革新性的变化。由表 1 分析可知，在网管中心、数据中 心、ECC 等需要监控、调度、指挥类的场合， 用户需要明确地看清画面信息。比如监控画 面的细节，汇报文稿的数字等，都需要清晰 无误地传递给用户，并且需要 7x24 小时运 行，因此，此类项目目前使用 DLP 拼接投影2012-07-13#2012-07-13#2012-07-13#Intelligent Building & City Information 2011No.177优点不足DLP拼缝 小，基本都在 1mm以 内， 最 小 的 可 以 做 到0.2mm。 画 面 整 体 性 强、易维护、支持 7x24 小时不间 断 开 机、 运 行 稳 定、 尺寸规格丰富多样。占用安装空间较大、 重量较大，特别是 灯泡需要经常更换， 需专人维护的缺点。DID整体轻、薄，使用寿命长， 易维护，长期显示静态图 像，屏幕不易灼伤。拼缝大，目前最小 的也要 7mm，尺寸单一，不适合长时 间不间断开机，动 态显示有拖影。PDP拼 接 缝 小， 自 发 光 体， 使用 寿 命 长， 易 维 护， 图 像亮度和对比度高，动态显 示效果好。能耗高，长期显示 静态图像，屏幕易 灼伤。OurEyes 本期关注（1）无灯泡和色轮，全固态投影机设备上。LED 光源芯片不含 UHP 灯泡中的水银等有毒材料，同时 LED 也可以回收再利用 ； 坚固耐用 ：LED 是被完全的封装在环 氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。 灯体内也没有松动的部 分，这些特点使得 LED 不易损坏，这符合工程应用对产品稳固 性的高性能要求 ； 可控性强 ：LED 是典型的数字化光源， 可以进行任意亮度水平的调整。同时，这种 调整不会改变光源的任何色温表现，提供高 色彩稳定性的可控的光输出性能。（2）LED 光源寿命长寿命长是 LED 光源的普遍特点。以光源 亮度降低为最高原始亮度 50% 的时间作为寿 命的定义，UHP 光源灯泡最高寿命 10000 小时。 而 LED 光源的寿命在光源芯片冷却环节处理 妥当的情况下，至少可以达到 55000 小时，按 照 247 使用模式，相当于 6.3 年，基本和设 备使用期限和更新换代期限相当。图 3 表示了 UHP 光源与 LED 光源的寿命曲线。紫色曲线 为 UHP 灯泡寿命曲线，在工作 10000 小时后 亮度下降 50%。红绿蓝色曲线分别代表 LED 光源系统中三基色光源芯片的寿命曲线，斜率 很低，寿命远超 UHP 灯泡的 10000 小时。色轮镜头DLP 芯片灯LED 序列镜头红色 LEDDLP 芯片绿色 LED 蓝色 LED图 1、图 2 所示为普通以 UHP 灯为结构的投影单元与 LED 光源的结构对比。其最大 区 别 是，LED 光 源 DLP 显 示 屏 消 除 了 UHP 灯泡与单片 DLP 显示系统中必需的色轮，而 这两者正是投影显示单元中可靠性和使用寿 命最低的部件。上述系统的设计改进，导致了 LED 光源 DLP 显示屏具有如下优点 ： 寿命长 ：投影显示墙中的 LED 光源寿 命普遍超过 50000 小时，与 DLP 显示屏整体 系统的寿命接近，从而使得 DLP 显示屏使用 期间基本上不需要更换光源 ； 体积小 ：LED 基本上是一块很小的晶 片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小， 非常的轻。小巧的体积使得 DLP 拼接墙体的 厚度更加可控，未来可以向超薄方向发展 ； 绿色环保 ：LED 的环保不仅体现在其 高能源利用率上，更体现在它的原材料和工艺1009080706050403020100绿色 红色 蓝色紫色Mercuty-vapor LampRed LEDBlue LEDGreen LED0200040006000800010000Time（hours）（3）LED 光源对比度更高，色域范围更大采用 LED 光源的投影机相比采用 UHP 光源的投影机颜色还原能力更 强。现阶段 162011年 第8期智能建筑与城市信息总第177期2012-07-13#2012-07-13#2#012-07-13#Light Output（%）图 3 图 2 LED 光源光路结构图 1 普通 UHP 光源光路结构UHP 光源投影机颜色还原能力为 100% 的EBU 标准色域，而采用 LED 光源投影机饱和 度更高，可以达到至少 160% 的 EBU 色域。（4）高速切换开关的 LED 光源芯片，图 像显示更稳定因为 DLP 拼接投影箱体都为单片 DMD 芯 片系统，DMD 芯片需要按照时序顺序处理红 绿蓝三基色显示内容。与之相对应的光源系统 就需要同步提供红绿蓝三基色的光源。UHP 光源灯泡通过加装机械旋转的色轮来顺序提供 红绿蓝三基色光源，而色轮转速必须和 DMD 芯片切换时序同步。考虑到色轮旋转速度不能 过高，DMD 芯片切换速度不能太快，从而造 成因为光路较长而产生的色散现象。而 LED 光源通过电路顺序开关红绿蓝三 基 色芯 片， 切换 速度 可 以很 高， 允许 DMD 芯片切换时序频率也可以很高，从而图像显 示更稳定，不会产生色散现象。如图 4、图 5 所示。（5）可以直接控制三基色 LED 光源芯片， 亮度、色温可以灵活调整UHP 光源灯泡无法调整输出功率、色温 等指标，属于恒定光源。而 LED 光源采用半 导体器件，可以通过调整 LED 芯片的驱动方 式实现输出功率的调整、三基色配比以及色 温等参数，调整方式更为灵活。尤其是色温 调整功能，可以根据显示应用对色温的不同UHP LampUV FilterColourRelay&Wheel Field LensesMirrorProjectionOpticsDMD Chip要求进行方便的调整。现阶段 LED 光源至少可 以 在 3200K、6500K、9300K 色 温 之 间 进 行切换，甚至手动设定需要的色温。2 LED 光源在应用中的技术难点和不足作为一个新产品，以 LED 为光源的 DLP拼接投影箱体虽然先天有如此众多的优势。但 在目前真正应用中，还是有一些技术难点和不 足需要解决，下面试着从四个方面进行分析。（1）亮度问题对比超高压水银 灯（UHP），现在的 LED 光源系统的亮度偏低。目前市场上 LED 光 源的 DLP 拼接投影箱体亮度目前只能做 到 400600ANSI 流 明 之 间（ 而 采 用 UHP 灯 泡的 DLP 拼接投影箱 体，一般都可以做到 8001000 ANSI 流明之间），最适应的箱体尺 寸是 50、60 英寸。更大尺寸的产品目前还应 用的不太多，亮度有些暗而使用大尺寸箱 体，则在相同显示面积的前提下，具有使用单 元数量少、拼缝数量少（这对显示效果的影响 是非常重要的）、平均维护费用低等优点。这 是目前采用 LED 光源的一个不足之处。（2）温度控制问题LED 光源由于其材质是半导体，因此天 生对于温度非常敏感。LED 有两个特性与温 度有密切关系 ：一个是亮度，另一个是寿命。 我们以 Philips 公司的 LUXEONK2 LED 光源Flat Surface Relay&FieldLEDsLensesMirrorProjection OpticsDMD Chip817Intelligent Building & City Information 2011No.1772012-07-13#2012-07-13#2#012-07-13#图 4 LED 光源 DLP 光路系统图 5 UHP 光源 DLP 光路系统OurEyes 本期关注需要通过某种外界手段进行有效监测和控制，否则 LED 芯片产生的光源无法保证质量。这 在 DLP 拼接投影箱体应用中（会同时使用十 几个或几十个箱体共同工作），则会造成画面 的色彩、亮度一致性变差。LED 芯片温度、驱动电流的变化、LED 芯 片的老化等都会对 LED 光源的质量产生不利影 响。这就要求 LED 光源 DLP 拼接投影箱体必 须采取有效措施来对 LED 光源的特征进行实时 监测和调整控制，通过反馈控制将 LED 光源的 差异降低到最低限度，从而保证 DLP 显示墙能 够始终保持亮度和色彩的高度一致性。而 LED 光源与 UHP 灯泡光源最大的特 性区别在于，UHP 灯泡随着时间的推移，只 有亮度输出会有明显变化，而光谱特征变化 不大，但是 LED 光源的亮度输出和光谱特 征都会随时间变化。使光谱变化的原因就是 LED 光源输出的波长产生变化。因此有效监控 LED 光源的光谱特征，就 必须监测 LED 光源亮度和三基色波长特征， 这与传统使用 UHP 光源的 DLP 拼接投影箱 体只需监测亮度有很大的区别，如何实现对 LED 光源亮度和三基色波长同时进行监测， 也是使用 LED 光源 DLP 拼接投影箱体需要 克服的技术难点。（4）价格问题由于 LED 光源箱体是新产品，各个厂家 的生产量相对较小，价格相对于 UHP 光源 DLP 拼接投影箱体的价格要高不少，性价比 不占决定性优势。这也是目前 LED 光源 DLP 拼接投影箱体应用的最大不足之处。综上所述，LED 光源在 DLP 拼接投影箱 体的应用中是革命性的，是未来发展的趋势， 并最终将取代 UHP 光源 DLP 拼接投影箱体。 但在 DLP 拼接投影箱体中使用 LED 光源，目 前还存在着不少不足和技术难点，因此在类 似项目的建设中，建设者要通盘考虑，而不 要盲目跟风。（B50，L70）lifetimes for InGaN Luxeon K270000600005000040000300002000010000350mA700mA1A1.5A090100 110 120 130 140 150160 170 180190 200Junction temperature（C）举例说明。从图 6 曲线可以看到，当驱动电流为 1.5A 时，LED 对温度的要求必需控制在 120以下。 否则，当温度提高 10达到 130时，LED 的寿命会从 60000 小时，直线下降到 30000 小时，寿命下降一半。当温度达到 150时， 寿命只有正常寿命的六分之一（10000 小时）。 而温度一旦超过 150，则 LED 将直接损毁。通过以上数据，我们可以得出如下结论 ： 第 一，随着温度提 升，LED 光源的亮度输出 将降低 ；第 二，随 着温度的提 升，LED 光源 的寿命将极大地降低。而 LED 光源是典型的 点光 源，LED 发光芯片尺寸很 小，通常只有 3mm5mm，但功率很高，热功率一般都在80W 左右。因此，要保证 LED 光源在持续工 作过程中，亮度保持稳定，寿命不会急剧减少， 温度控制至关重要。如果对 LED 光源温度控制 不好，会使 LED 光源亮度和寿命锐减。而如何 使 DLP 拼接投影箱体工作温度始终保持在 LED 正常工作的温度下，是设计 DLP 拼接投影箱体 的最大的技术难点之一，也是选择产品必不可 少的一个技术要求。（3）光源亮度色彩的自动调整如前一点所述，LED 光源固然具有长寿 命、亮度衰减慢的特点，但前提条件是必须 有效控制 LED 光源芯片的工作温度