导语:激光投影机,激光电视及国内特有的超短焦激光投影机近期在国内火热,DHN近期也连续发布多款超短焦激光投影机。有些人不明白为什么激光光源会取代UHP灯泡甚至LED光源 ? 激光投影机的发展趋势是什么? ,DHN作为专业的激光投影机生产商,下面就来详细的讲解下激光投影技术:

激光投影机

高压汞灯(UHP)光源在投影机发展史占很重要的地位。由于UHP发展将近二十年,他的好处是投影机的集光系统由此变得很简单,又因技术成熟,所以价格低廉,以致至今还是占领主流市 场位置。

但UHP含有卤素及汞元素等有毒有害物质,被列为对环境不友好的产品。因此近几年来TI极力开发半导体光源,以取代UHP灯。首先,在LED光源的设计上,LED可以即开即关,无高压启动点灯干扰系统运作问题,光谱色彩纯正,超长寿命达60,000小 时;但其发光面积大,对投影机芯片(DM D)的收光效率不佳,因此投影机亮度不易超过2,000 ANSI。

这对于主流应用2,500-3,000 ANSI 才足够的需求,的确没能 拿到入场券。LED光源投影机,只在有特殊用途的电视墙及家庭 剧院占有一席之地。

因此TI继续寻求更高亮度的半导体光源,三年前开发出蓝色 激光加上荧光粉的组合光源。

为何没有设计RGB纯激光的光源?

(1)成本考虑:

激光二极管目前的技术,以蓝色最为成熟,以光瓦计价,蓝色:USD 3/W 。红色次之:USD 12/W ,绿色最贵:USD 20/W 。 因此,以纯激光RGB二极管来组成光源,其成本太高,一般应用在高端电影院市场。以成本考虑,设计光波长转换的方法,以蓝色激光去激发荧光轮,以产生较长波长的光线如绿色,黄色或红色,是比较现实可行的。

(2)色彩考虑:

色彩的优或普通,完全取决于光谱的分布宽广。LED有较佳色彩,荧光激发光色彩纯度稍弱。

想办法让光谱分布集中,采用颜色饱和及色域宽广的方法。作法上有,以色轮做光谱窄化,选用LED 或甚至采重成本以RGB激光都可以扩大色域范围。

将亮度、色彩及成本最佳组合产生的结果是,以最有效率的蓝色激光(技术最成熟),去激发荧光粉(这技术在白光LED是成熟的)以产生绿色及红色的光,加上激光本身的蓝光,完整提供投影机的RGB三原色。

激光投影机发展历程

我们从技术角度比较激光与LED 的差异,让大家理解在主流市场激光为什么会被青睐?

请看图1、图2组件基本结构。激光也是具有LED PN二极管的架构,但激光在组件上增加了光的共振腔,可以精密地筛选特定波长的光,在腔室内不断共振聚积能量,并透过准直镜投光出去,以产生高密度聚焦的光束。相对来说,LED的聚光架构简单,所以发光的角度大,光密度较低。

在投影光学里,我们关注光的集光效率,叫Etendue (光展量)= A*Ω,是一个发(收)光面积乘以发光角的一个数据。请看图3。

激光投影运行原理 激光投影机寿命

光源部分,As : 发光面积,Ωs: 发光角度;

显示部分(DMD),Ai : DMD 面积,Ωi: DMD 收光角度。

这里有一个准则,光源光展量越小越好,显示的光展量越大越好。Ai*Ωi决定光源被收纳的有效性。光源系统发光的Etendue等于显示系统的Etendue时是最佳的组合。当光源Etendue大于显示组件,部分光源就不会被纳入而浪费掉了。

以下我们从光展量及电光效率,来比较LED 与激光的优劣性。

电光效率:激光等同1.4倍LED的能

激光功耗 : 2.5A x 4.3V = 10.75W ;

激光光能输出: 3.6W ;

电光效率:3.6/10.75 = 33% 。

LED功耗 : 3.55V x 36A = 127.8W ;

LED光能输出:30W ;

电光效率:30/127.8 = 23%

光展量:激光有数十到百倍的优势

光展量=面积*发光角

LED发光面积4.8×2.2m m (OSRAM P3W ),发光角约60°。

激光光源发光面积30×1 um,发光角5°×24 °(双轴不对称)

由以上数字即可看出单颗激光在光展量上有百倍以上优势 (聚旋光性佳)。

驱动器效率损失:激光驱动省5%能耗

激光驱动器以2.5A 运作,LED是36A,电流大通过电路阻抗,其损耗就大,至少有5%的差异。

以组件电光转换效率、驱动器损耗及集光效率的光展量等参数来看,激光有较佳的节能效果。 换个讲法,
可以采用较小面积的DMD面板,以缩小光机体积,仍然可以保持亮度。

激光投影机的参数

无须更换灯

UHP灯的寿命一般在2,000-3,000 小时,但激光在全功率下至少有20,000小时寿命,相较之下有约10倍寿命。若以每天用满8小时,一年工作250天,可以整整用上10年。几乎投影机有生之年都不用换灯,免除扰人的换灯售后服务及昂贵的费用。

光源强度可以自我设计

UHP光源及LED都只能从厂家提供的几个瓦数里做设计选择,但激光光源可以让厂家设计自己要的亮度。以前高亮的工程机所需要双灯或多灯的设计,现在可以做激光单灯设计。目前率先找到定位的投影机是高亮工程机,所有工程机厂家都已导入激光光源。

激光投影机设计

激光投影机的光源不再只是一个组件(如UHP,LED ),它是一个模块的结构,因此设计没有标准。可以因亮度、色彩及成本,产生多种组合的架构。目前产业界的设计考虑着重于色彩质量及亮度的要求。因LED 光谱,激光光谱及荧光粉激发光谱的特性不同,激发的荧光亮度高,因此产生多种设计架构。

以蓝色激光激发荧光粉以产生的绿色红色或黄色光,其光谱分布较宽广,会导致色域较限缩,请看图5。宽光谱是荧光粉的天生掣肘,可以外加色轮以修整光谱以得到较宽广的色域。

相较LED 光谱较集中,激光可以有较宽的色域。请看图6。

激光投影光源 激光投影技术 激光投影机

以下我们探讨激光光源模块的结构及其使用的组件。

激光光源模块的主要组成是:

激光二极管:发光组件,是蓝光激光二极管;

波长转换荧光轮:接受蓝色激光刺激,以产生长波长绿色,黄色及红色光的组件;

聚光合光光学部品:聚焦激光到荧光轮,并收集激发光成平行光,以提供光源给投影芯片。

激光光源架构依光路可分:

1、反射式:TI 的建议设计是以反射式荧光轮,加上色轮过滤光以构成符合色彩REC.709要求。其光路复杂但可以提供较高流明输出。请看图8。

2、穿透式:以穿透式荧光轮内建色轮,二轮合一的设计,可以简化光学设计。但其缺点是亮度无法大幅提升,因荧光轮会吸光产生热。请看图9。

反射式激光投影机 穿透式激光投影机

激光光源架构依发光源分为:

1、纯RGB 激光:可以得到非常广的色域,但价格很高,只合适高档应用。请看图10。

2、蓝色激光荧光轮光源:这是典型的激光光源架构,光路较单一化,但色域较小。一般会用色轮来优化色域。请看图11。

纯激光光源 混合激光光源

3、激光及LED混和式光源:用以改善红光纯度:以红色LED取代红色荧光激发光,绿色光还是由激光激发荧光粉以产生。请看图12。

用以改善蓝光纯度:蓝色光以LED来提供,绿色,红色及黄色光由激光激发荧光粉以产生。请看图13。

激光投影机 激光投影机
激光投影机

荧光轮的演进:改善散热及涂布均匀,对于荧光轮的转换效率,影响因素主要有两个。

工作温度:热会让转换效率变差及影响信赖性。

因此,现在工艺上努力解决的问题是散热,尝试以陶瓷或玻璃与荧光粉混和,取代早期的硅胶可以让荧光轮更耐热。增加信赖性及可以操作在更高温,以减轻散热的要求或可以耐更高瓦数的激光。另外,荧光轮采用铝镜基板取代之前的银镜基板,可以增加散热能力。

>荧光粉涂布的厚度:太厚或太薄的荧光粉转换效率均不是最好。

从前是用涂布的方式涂上光粉,容易有厚薄不均问题。现在改用印刷方式,可以产生一致的厚度。红光荧光粉对热的耐受性不好且转换效率比黄色低,成本高寿命短,因此现行设计采用黄色荧光粉再外加色轮去过滤以产生红色光谱。

为了缩减光学空间,尝试以穿透式的荧光轮来达到二合一的效果(荧光轮加色轮)。穿透式荧光轮,激光进入光有部分被反射无法进入荧光粉,又因其吸热较多因此转换效率比反射式差。因此穿透式荧光轮投影机,不使用于2,000 流明以上的机器。

激光二极管组件的演进:增加整合度,减轻系统厂生产工时。请看图14。

激光投影机

早期投影机厂家开发激光光源,是以购入激光二极管颗粒,自行将多个组件组合做光线调校对正。近期激光组件厂家,提供已经调校对正的模块,让系统厂家降低生产的障碍了,并减少与客户的技术服务。另外有一种新型型态出现,将二十个激光二极管的晶圆直接焊接在铜基板上,可缩小组件尺寸,以利于光机系统厂缩小体积的设计。

激光投影机

激光投影机还在成长初级阶段,组件厂及系统厂无不绞尽脑 汁,提高性能降低成本及增加信赖性。目前为了普及激光,组件 厂先以降低每光瓦的价钱为手段,荧光轮厂家则改善荧光轮的散 热及耐热能力,并尝试达到更高的荧光粉发光效率,耐热及长寿 命。往后几年看,激光一定会有很多惊人的进展。

激光投影机

DHN激光投影系列

DHN是国内知名的激光投影设备研发、生产厂家,自激光投影机诞生以来,DHN便开始大力研发激光投影技术,经过数年的努力,DHN推出多款超短焦激光投影机,分别是HDX680系列、DM907系列、DM575系列等产品,下面就来详细为您介绍

DM907超短焦激光投影机 HDX680超短焦激光投影机

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