高亮度led技术与应用趋势(2)反射式高亮度led带动液晶投影机变革

1、高亮度led技術與應用趨勢(2)反射式高亮度led帶動液晶投影機變革 近年來，電視機市場逐步轉變成爲數位電視、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，無例外的都是超高 壓水銀燈，超高壓水銀燈在照明時爲了把蒸汽壓控制在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，爲防止造成公害，避免使用水銀，目前尋找其替代品的開發硏究很多，但是水銀是確保照明發光功率的必要條件，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，高電壓和高費川，燈的使用壽命等問題又不得不解決'廿前無水銀燈僅限於惰性氣體照明燈'和微

2、波照 明式的無電極燈。另一方面，2000年後，因爲led的功率提高，它作爲小型鹵素燈的替代光源受到了世人的矚目。液晶投影機改用led替代傳統高壓燈泡特色可達到目標特色小型電池驅動不需提供高電壓及電路和散熱機 構便的比較簡草。長壽命與1萬小時就必須更換的高壓燈泡 相較，壽命更長甚至可以超過3 倍以上。色顯示範圍大因爲使用較猜準波長的led，顔色 顯示範圍可逵到ntsc比的120%。快速點滅可以達到快速點亮的目標並且光 源熄滅後，等待關機時間也可以大 幅縮短。無汞不用擔心因爲汞限制的問題°資料來源：咆子睦報2006/7製表：盧麼伐ces 2006展覽上以led爲光源的液晶投影機首度被發表

3、從200 6年初開始，以發光二極體爲光源的液晶投影機相繼被發表，用以來代替傳統超高壓水銀燈的r （紅色）、g （綠色）、b （藍色）三色發光二極 體（led）作爲光源後，業者便積極的設計出小型且以電池驅動前投式液晶投影機，而且使用發光二極體作爲光源的背投式液晶投影機，色彩表現範圍 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爲光源的液晶投影機首度公開，因此，在此之前一直處於秘密硏發狀態的各大 業者，隨後便向市場陸續公開硏製的發光二極體光源背投式液晶投影機。此外，爲了開發出更具特色的產品，以半導體雷射爲光源的液晶投影機，也在積極地進行硏發中，可

4、以預見的是，隨著光源的不斷變化，液晶投影機 也將發生巨大變革。其實，因爲發光一極體具有很多優點，利fflled爲液晶投影機光源的想法，從很早以前就有業者開始投入開發，例如，可以達到小型化、電池驅動、 擴大色彩表現範圍、延長使用壽命等等的特色。傳統裡，液晶投影機都是使用超高壓水銀燈爲光源，但是由於超高壓水銀燈啓動時，需要有數10kv的高（照明的瞬問會達到數百kv），因此，燈 泡的溫度同時也會達到800°c900°c，在這樣的高耗電機構下，就必須使用交流（ac）電源驅動，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光的原理是一樣的，所以依靠汞的激勵來產生紫外

5、線而發出高亮光源，因此從點燈開始，達到一定的亮度爲時需要一定 的啓動時間，而使用完畢關燈後的散熱，也需要耗費很長時間來達到冷卻的狀態。因爲這樣的種種不便，液晶投影機相關業者便急需找到一種新的光源 來替代超高壓水銀燈。以led作爲光源 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，以達到高色域表現能力，但是，如果可以，能夠把紅綠藍 三色光，直接利用可發光光源元件才是未來的發展趨勢。各液晶投影機生產商會投入大量精力到led液晶投影機的開發上，是因爲以發光二極體作爲光源，可以具備大幅度性能改善的空間。在過去，led的 發光效率和光通量都不是很充足，尙

6、不具備成爲液晶投影機光源的性能。但近年來，隨著性能的大幅度提高，各大業者都認爲led已經具備了可以成爲 液晶投影機光源的特性，開始進行實際的硏發。但在實際應用中不難發現，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，雖然不能說 已經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，因爲被期待作爲小型化的應用情況，前投式led液晶投影機在亮度上的障礙就比較小，也不需要爲了減小散熱設備和光學系統而大費周章 的進行機構設計，所以很容易保持所需要的亮度。一般高功率led的散熱路徑leo晶片fd/b樹脂一金厦板f

7、接著菇 f反射式led的散熱路徑led品片f 金用板一般高功率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304 0吋。大部分的液晶投影機生產者對於前投式led液晶投影機的銷售模式和前景都感到有定程度的困難，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動'但使用時投影效果卻是遠遠比不上傳統的產品，一般的消費者

8、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者認爲，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品的接受度。所 以目前大多有能力開發led液晶投影機的業者，在產品投入市場時機上，採取了相當保守的態度。因此，很多液晶投影機業者都相當關心東芝，及較早之前投入市場的其他業者，前投式led液晶投影機的銷售情況，因爲大多後進或準備很多業者投 入這一市場的業者，都以東芝及先前進入市場業者的成果作爲風向球。會有這

9、樣情況出現的原因是因爲，若東芝和其他業者能夠成功，那麼就可以開始 推出同類型產品進入市場。但東芝也不是相當大膽且無計劃的成爲投式led液晶投影機市場上的鋒，仔細觀察可以發現，東芝所憑藉的是本身和其他螢幕業者所共同開發的22.5 吋折疊式投影螢幕。根據資料顯示，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，因爲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：雖然說因爲led發光效率的提高，每個led的亮度輸出量和過去相比有相對的提高，但仍然不能和發光 功率60流明/瓦以上，

10、全光束爲10000流明的光源相比。所以當各業者在不逍餘力的進行關於led光源技術的硏究開發的時候，發現與超高壓水銀燈不同的是，如果期望有效的利用led作爲背光源的話，仍 舊需要解決相當多的問題，因爲每個led生產業者問細微的技術差別，就會造成產品的亮度等性能出現落差，所以如何有效利用led，就成了每個液晶 投影機生產商面臨的問題。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，爲了聚集這些光，還需要配合包括1吋大小的dmd 等元件，這樣的結構設計是相當複雜的，所以，從這方面可以很容易就看出各個業者之間技術能利的高低。爲了解決這難題，三洋電機就開發了能更

11、有效聚集led光線的光學產品，並應用在液晶投影機的機構中，和傳統應用在led上的普通採光透鏡相比較， 這款光學透鏡對光的利用率，經過模擬驗證預計可以達到141倍，不過經過實際測量之後，利用率卻是高達到134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。如果爲了提高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，因爲led本身的改良和性能提高也很重要。很多業者已經意 識到了這一點，例如，印度的ostar在2005年底發表應用於液晶投影機的led模組ostar，該模組使用了

12、自己生產的led-thingan。以傳統的架構來說，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，目前發表的模組產品安裝了 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節光，一種是和傳統的hid光源屬於同一-照明系統，想法是，將透鏡裝在焦點上，這 樣的結構很簡單，但是效率卻是相當低。另一種是在光源前面安裝optical collimator透鏡

13、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，爲了提高光調節效率，都必須使用很大的透鏡。反射式led的基本構造，與傳統的炮彈型led完全 不同（炮彈型led :把樹脂透鏡安裝在發光元件上，而達到對光的調節），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 備發光元件再向四周反射光線），反射式led是把發光元件和反射鏡相對的女裝，發光元件放射出來的光，一旦确撞到反射面就可以被調節放射到led 外部。只是因爲透明樹脂的透光率、反射面的反射率等原因，才會發生一部分光的流失，但是90%的光可以有效的利用發射

14、到外部。目前，所有的led設 計都是根據發光元件和反射面相對安裝的結構來完成的，所以必須要讓外形盡可能地變小，而現實高發光效率的目標。但是傳統的封裝led爲了提高利 用率，所以在外形上不得不設計的很大。爲了得到光輸出功率很大的射線光源，發光元件的大小具有相當性的關鍵。如果期望提高光通量的話，就必須要增加發光元件的大小，才能耐得住用 來激發光線的大電流。但另一方面，從光學系統角度來看，卻有發光元件越小，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光元件，應該儘量的朝向小型化發展，並且必須應用在散熱性較好的封裝型led上。因爲用來 作爲光輸出

15、量高，且光調節性能高的led結構，需要依靠簡化散熱電路、擴大搭載發光元件路徑的截面，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。光行進方向般的ledostar 的 led正面約97%約25%仰5%光取出效率 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光學系統方面來看，發光元件、光學透鏡，或透鏡大小問的關係，與光分佈可調性有很大聯繫。使用同樣的透鏡，如果能夠擴大發光元件或加 大光分佈角度，那麼一直存在的，軸向發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，因爲外形形狀較小，所以光分佈特性也很好，在800m3直流電流供應下，照明的發光強度爲紅光330k lx、 綠光650k丄x、藍光470k lxo但實際應用中，將會變成脈衝照明，需要在發光波形較爲穩定的情況下使用會比較好。幣體來說，可以應用於液晶投影機的led光源還需要不斷改進其發光效率和光學系統。冃前來講，可以說反射型