主流光源技术展望

多、快、好、省一直是人类追求的目标，不光是在IT领域，在全社会都是如此。聚焦到显示领域，有没有一款光源能够实现亮度高、寿命长、功耗低、材料环保呢？LED、激光、有机EL等固态光源也许是最好的选择。

LED（红、绿、蓝或者白色）比传统的光源具有更多的优点，UHP（超高压汞灯泡）灯的寿命大概在4000小时（最好的可以达到1万小时），CCFL（冷阴极管）的寿命则长一些，可以达到3万~4万小时，WCG-CCFL（广色域－冷阴极管）可以达到6万小时，之后便需要更换。而LED的寿命则可以达到10万小时。此外，LED还具有可瞬间点亮达到最高亮度，不使用汞等优点。 激光光源和有机EL光源虽然在色差和亮度方面有优势，但是其寿命目前还比LED短。

LED发光效率逐年提高

白色LED的发光效率逐年提高，而且量产效果使单价不断降低。目前高演色型LED也实现了100lm/W左右的发光效率，业界公认2015年前后将会达到150lm/W左右。LED液晶面板问世之初，采用的是RGB三色LED，曾以色彩表现范围NTSC比超过100％为卖点。但其功耗却高达两倍左右，价格也很高，只能在极少一部分高档机型上采用。如果使用白色LED，虽然色彩表现范围不会明显大于CCFL型，但在功耗和成本方面却十分有竞争力。

随着导光板技术的进步，照光方式无论是端面型还是直下型，利用LED薄型的特点，均可获得均匀的扩散光。这样，厚度比原来薄，全部亮灯时功耗与CCFL型等同或更低，成本基本相当的模块便得以实现。LED能够轻松调整显示时的亮度，所以还可采用便携终端广泛使用的动态对比度调整技术。因此，与全部亮灯时的功耗相比，LED可降低标准图像的功耗。也就是说，如果是平均图像，LED功耗完全能够低于CCFL型。如果采用局部调光（Local Dimming）技术，LED还有望进一步降低功耗并提高对比度。

大尺寸化的LED封装

不仅是背照灯光源的配置，白色LED的形状也出现了变化。韩国三星集团旗下LED厂商三星LED公司及LG集团旗下LED厂商LG Innotek公司在不断加大背照灯光源用白色LED的封装尺寸。以前以5630（5.6mm×3.0mm）产品为主流，而现在则开始采用6030（6.0mm×3.0mm）产品，并在研究在不远的将来采用7030（7.0mm×3.0mm）产品。其原因在于，加大封装尺寸不仅易于散热，而且在增加向封装输入的功率时还可获得更高的亮度。另外，随着封装尺寸加大，还可在封装内收放大尺寸的LED芯片。根据这些效果，便可考虑减少背照灯光源所需要的白色LED的个数。

而日系LED厂商并未效仿这种加大封装尺寸的做法，将尺寸控制在了3.0mm见方的单边3mm左右。原因是单边3mm左右的封装尺寸被公认为最能提高发光效率。DisplaySearch的宇野介绍，这一尺寸因发光效率高而能够降低耗电，但同时也存在散热面积小，使背照灯光源的散热设计难度加大的问题。

白色LED封装尺寸的不同还使收放于封装内的LED芯片的大小表现出差异。DisplaySearch研究总监Kevin Kwak表示，在输入功率为0.5W的白色LED所使用的LED芯片的面积方面，日亚化学工业为0.150mm2、丰田合成为0.210mm2，而三星LED为0.303mm2、LG Innotek为0.360mm2、韩国首尔半导体为0.360mm2。其中，韩国厂商的LED芯片收放在5630封装中，而如果封装尺寸变为6030芯片，则LED的尺寸会随之加大至原来的近两倍。

日系LED厂商能够使用小尺寸LED芯片就意味着其发光效率较高，因此不加大LED芯片尺寸也可获得高亮度。芯片价格虽说还要看晶圆的口径及成品率如何，但一般而言芯片尺寸越小，其单价就会越低。可以说，日系LED厂商采取的是从LED入手进行优化的路线，具体而言就是将发光效率提高至更高水平，由此来抑制热量的产生，达到只需较小芯片（封装）面积的目的。而韩系LED厂商采取的则是包括封装到背照灯的部分在内的优化路线，具体而言就是低发光效率通过加大芯片面积来弥补，并通过进一步加大芯片面积来获得更高亮度，减少作为背照灯光源进行封装的LED的个数。

局部调光成可能

在使液晶电视的功耗降至最低的情况下实现最大对比度的是二维局部调光技术。该技术是将屏幕分成数百区块，实时调整对应各区块的直下型LED单元的亮度，并修正信号，使各区块形成最佳对比度曲线的驱动方式。

这种技术因电路规模增大、电子部件数增加而没有成本优势。除此之外，该技术还存在一个致命问题：必须用绝对值补偿由低亮度到高亮度的所有LED单元的输出亮度。为解决这个问题，供货前的检查和调整需要花费大量时间，而且成本非常高。并且，每个LED单元都会产生不同程度的亮度劣化，还可能发生老化或亮度不均的问题。因此，普遍认为二维局部调光技术在液晶电视的大批量产品（Volume Zone）上普及的可能性很低。

如果不需要采用二维局部调光技术，则相对于直下型，端面照光型LED背照灯的采用更容易。从这种观点来看，三星声称的“全面采用端面照光型白色LED背照灯”的战略是非常明确的。

三星在韩国显示器展会上展出的电视用端面照光型白色LED背照灯液晶模块的功耗值为“32英寸 Max 55W Typ 38W”和“40英寸 Max 76W Typ 53W”。Typ（标准图像显示）时的功耗值之所以小于Max（全白显示），被认为是进行了可使背照灯亮度变化的动态对比度调整的结果。如果数字调谐器、图像处理电路及音响电路等的功耗为20W左右，那么显示标准图像时，32英寸电视的功耗便可降至60W以下，40英寸机型可降至75W以下。今后，白色LED LCD TV可能会成为推进低功耗化战略的各厂商的旗舰机型。

寿命增至数倍

目前短焦投影机尚未有应用激光或LED光源的实例，但可以从台式机的实例推知其设置性提高的效果。上市了利用激光及LED的台式机型的卡西欧计算机营业本部战略统辖部游戏战略部PJ企划推进室室长山本喜之表示：“上市后，接到了一些设想以外用途的垂询。”例如，一家击球训练中心想在投球机器边难以维修之处安装一个投影机，以投射名棒球员的影像。与其类似的娱乐中心等设施也可应用。

使用激光或LED光源的台式投影机已纷纷上市。例如，卡西欧计算机结合使用了激光和LED，亮度实现了2500ANSI流明（以下简称为lm）的投影机已于2010年4月上市。韩国三星电子同年6月也上市了仅以LED光源就实现了1000lm亮度的投影机。冲破了激光或LED光源投影机一直以来难以跨越的1000lm的障碍。现有的数据投影机多具有1500lm至2500lm的亮度。而如果有1000lm以上的亮度，就可以在明亮的室内观看投影的影像。

着眼于剧场的大屏幕用投影机的高输出化取得了进展。例如，索尼公司开发了可输出三原色（红、绿和蓝，或RGB）的激光模块，并在2010年下半年通过其全资子公司索尼Manufacturing Systems开始样品出货。该激光模块的光输出可达RGB合计为相当于5000lm亮度的21W，尽管因投影机的构造等原因，其屏幕上的亮度约为1500lm左右。此外，日本Ushio公司的全资子公司美国Ushio America，也正在进行高输出投影机用高输出激光光源的开发。

白色LED发光效率还能进一步提高

白色LED在不久的将来到底会有多亮？美国科锐表示，在输入350mA电流时，白色LED的发光效率可达到160lm/W。美国科锐还表示，继160lm/W产品（研究开发阶段为161lm/W）之后，186lm/W级产品将于2012年~2013年面市，其后208lm/W级产品将于2013～2014年亮相。

日亚化学工业的白色LED的输入功率为0.1W~0.5W级产品的发光效率将由2010年下半年的122lm/W提高至2011年下半年的130lm/W。输入电流为350mA的产品中配备3个或6个LED芯片的多芯片型，其发光效率将由2010年下半年的115lm/W提高至2011年上半年的130lm/W，同年下半年达到150lm/W。同属350mA产品、配备1个大型LED芯片的型号，其发光效率将由2010年下半年的130lm/W提高至2011年的50lm/W。

虽然白色LED的发光效率将不断提高，但发光效率也存在物理极限。组合使用蓝色LED芯片和荧光体的白色LED，其物理极限大约为230lm/W。德国欧司朗光电半导体表示，在达到物理极限之前首先会面临成本极限。虽然今后白色LED的发光效率将持续提高，但为实现高发光效率，将会大幅增加生产成本，从而面临经济极限。德国欧司朗光电半导体认为，2020年发光效率的开发将达到经济极限。对于LED厂商来说，为降低单位亮度的单价，今后除发光效率的提高外，从LED芯片制造到封装的低成本化的重要性也将日趋提高。

白色有机EL潜力很大

白色LED是点光源，要想得到可用于照明的亮度，必须并列多个白色LED，使其形成一个面。而作为点光源来说，白色LED的亮度实际上还不如HID（高压气体放电）灯。而需要面光源和点光源的时候，白色LED之外其他光源的重要性就浮现出来。

与作为线光源的荧光管和点光源的白色LED一样，作为面光源，白色有机EL将成为照明领域中独具特色的中坚力量。松下电工计划于2011年开始白色有机EL面板的样品供货，最初将应用于特殊照明，接着将用于店铺照明，2014年以后预计将扩展到普通照明领域。

虽然与白色LED相比，现阶段白色有机EL的发光效率稍显逊色，但将来肯定会赶上白色LED。白色LED的发光效率可能基本上会稳定在200lm/W左右，而随着高效率磷光类有机EL材料开发的不断推进，白色有机EL与白色LED之间的差距将会迅速缩小。从松下电工的研究成果来看，2014年前后出现发光效率达130lm/W的产品将不是梦想。

松下电工的双层多单元构造有机EL元件是把红色、绿色磷光发光层和蓝色荧光发光层作纵向堆叠而成。RGB三种颜色通过纵向堆叠得以均匀混合，即使观看白色有机EL面板的角度有变，白光的色调也几乎不变。另外，之所以在蓝色有机EL层使用荧光发光材料，是因为现阶段还没有实用型蓝色磷光发光材料。

纯绿色激光光源已实现

住友电气工业已成功开发了纯绿色的半导体激光器（振荡波长531nm）。此为全球首款无需波长转换而直接振荡绿色的半导体激光器，是可用于激光电视及便携激光投影机等的光源。

激光显示器除高亮度及高精细之外，还具有小型、轻量及低功耗等特点。目前在光的三原色（红、绿、蓝）中，红色和蓝色的半导体激光器已经实现，但绿色则需利用特殊的光学结晶由红外激光的波长转换而成。原因是没有高效直接振荡绿色光的半导体激光器。绿色区域的材料目前有蓝色发光二极管使用的氮化镓（GaN）类半导体，但将波长从蓝色向绿色加长时，存在发光效率大幅下降的问题。该公司开发了克服效率下降问题的GaN结晶，并利用该结晶在纯绿色区域中全球首次实现了波长531nm的激光振荡（室温、脉冲）。该公司开发的绿色半导体激光，具有GaN结晶的品质高和在绿色区域中可任意选择波长的特点。

此前的结晶在波长从蓝色向绿色加长时，作为发光层的结晶会产生很大的内部电场，从而导致发光效率下降。因此，目前业界正在研究通过改变结晶面方位来减弱发光层内部电场影响的方法。为此，该公司开发了大幅提高发光层品质的技术，并应用到了绿色半导体激光器中。

另外，之所以可在绿色区域振荡任意波长，是因为开发出了通过抑制发光层而使振荡波长变化的技术。因基本覆盖了整个绿色波长区域，所以可选择最佳的波长。

采用半导体激光器元件的方式所面临的问题是画质和耗电量（电池寿命）。而对这两者起决定作用的是绿色半导体激光器元件。现在，绿色激光器还满足不了要求，这是因为绿色波长（532nm）的直接振荡元件达不到商用生产的水平。因此，产品和开发品中通常采用SHG元件将1064nm近红外光波长减半成532nm激光。

在这种用于1064nm振荡的激光器元件中，能够承受高速调制的成品元件有限。之所以需要调制，是因为超小型投影机一般将三原色激光打在一枚镜子上，使其反射光在屏幕上扫描以显示影像。要想实现高精细，就需要高速调制，而此前能满足高速调制的元件有限。

另外，使画质劣化的主要因素斑点噪声的抑制也取决于激光器元件的调制速度。斑点噪声是因照射光和反射光的干扰等而使用户感到晃眼的现象。抑制这种噪声的方法有对激光进行调制以减轻干扰。由于波长1064nm的元件大多不能获得足够的调制速度，因此只有绿色能够看到斑点噪声。蓝色和红色的激光器元件，能够获得足以显示高清晰视频和抑制斑点噪声的直接振荡型半导体激光器元件成品，因此不存在以上问题。

另外，直接振荡型绿色激光器元件的开发最近日益活跃。由于预计市场将比面向原来的加工用产业设备的产品大得多，半导体厂商等正在加快开发。数年前有很多人认为“还要等10年”，现在大家却都说“或许两年内实用化就有眉目了”。

激光光源试水成功

厂商使用激光光源收到了莫大的效果。例如，三菱电机的背投激光电视。三菱电机近日就宣布开发出了部分背照灯光源采用半导体激光器的液晶电视――“激光器背照灯液晶电视”，并公开了46英寸试制品。该产品采用由红色半导体激光器及蓝绿色LED两种光源构成背照灯。与背照灯光源采用白色LED的该公司现有液晶电视相比，色彩表现范围提高到了约1.3倍（按照NTSC规格比约为126％计算），特别是红色的鲜艳度得到了大幅提高。

三菱电机已投产采用RGB 3色激光光源的背面投射型投影机。此次的液晶电视只采用红色激光光源是因为考虑到了实用化时的成本，而红色在使用激光光源时效果最好。另外，激光器由三菱电机制造，发光波长为638nm。

三菱电机采用红色作为激光光源，剩下的绿色及蓝色采用了二者的混合色――蓝绿色LED。三菱电机表示：“如果分别采用绿色LED和蓝色LED，容易出现颜色不均现象，所以才将它们集成到了一个芯片内。”

此次试制的46英寸液晶电视的背照灯采用端面照光型。三菱电机介绍，该背照灯配备了数十个红色激光器及数百个蓝绿色LED。因激光器和LED存在发散角不同的问题，该公司开发出了可使二者的光线均匀混合的光学系统。由此抑制了颜色不均等现象的发生。

此次试制的46英寸液晶电视的画面亮度、对比度及耗电量等性能参数与该公司原来配备白色LED背照灯的液晶电视基本相同。

白色激光光源亮度达到HID的2.5倍

日亚化学工业推出的白色激光光源的亮度为270cd/mm2，达到HID（高压气体放电）灯2.5倍。白色激光光源的亮度也比白色LED高出不少。白色激光光源使用了激光投影机蓝色光源所用蓝色半导体激光器和荧光体材料，以0.65mm直径获得了250lm的亮度（电流1.2A、电压4.6V时），设想将其应用于图像识别用聚光光源、医疗及产业用特殊光源等。白色激光光源还具有以简易镜头即可集聚光的特点。

此白色激光光源的构造是把镜头置于蓝色半导体激光器CAN封装的上部，并将其用其他CAN封装包覆起来。在外层CAN封装上面的中心位置开一个可射出光线的孔，将掺有荧光体的粘合剂嵌入其中，其孔径为0.65mm。蓝色激光由封装内的镜头聚光并照射到荧光体上，荧光体便可射出白色光。

说起激光光源，很多人都会认为其寿命比较短。此次开发的白色光源在外壳温度为25℃的条件下，亮度减半，寿命平均为2万小时。激光器的寿命是由封装内反射层的劣化及反射率的下降决定的。由于蓝色半导体激光器在外壳温度为50℃的条件下寿命一般为4万小时，如果改进反射层，预计能把亮度减半，寿命延长到3万小时以上。白色光源的封装及封装内的镜头和混合有荧光体材料的粘合剂均为无机材料。这是由于要使用强蓝色激光照射，如果采用树脂材料，则会很快劣化。另外，激光器光源虽给人比LED要贵的印象，但是由于其利用了投影机用激光器，而且还能利用蓝光录像机等所用蓝紫色半导体激光器元件的半导体量产技术制造，因此只要激光器元件开始量产，就会有降低价格的潜力。

这种光源虽然亮度极高，但发光效率还只有为45lm/W，与发光效率在100lm/W以上的白色LED相比要略逊一筹。业内人士表示，迄今为止是不惜牺牲效率来追求高亮度，真要想提高发光效率，还是有办法的。此次荧光体嵌入部分的直径为0.65mm，封装内部还有一些未射到外面的光。如果是亮度无需达到HID2.5倍的用途，则可以采取一些手段扩大荧光体嵌入部分的直径。这样浪费掉的光线就能够放射到封装外部，从而提高发光效率。

三菱化学认为，仅用平均演色性指数（Ra）来作为判断白色LED演色性好坏的数值是不够的。因为Ra中不包含对鲜红色等高彩度颜色的演色性评价。对此，三菱化学强调了将红色荧光体CASN（CaAlSiN3;Eu2+）添加到白色LED荧光体中做法的好处。

三菱化学表示，想要进一步提高演色性时，可在近紫外LED上结合使用红、绿、蓝三种荧光体。三菱化学开发出了利用发光波长为405nm的近紫外LED的白色LED。虽然仍存在因斯托克斯效应导致的效率下降，因发光波长短导致的封装材料劣化等课题，但Ra超过了95，高彩度红色的演色性（R9）超过了90。但白色LED的发光效率在色温为2700K时还比较低，只有25lm/W。该公司今后将致力于发光效率的提高。