未来影像之光

投影机正在面临前所未有的变革，小型化已经是大势所趋，未来它很有可能代替显示器或电视成为我们主要的显示设备，但要实现这些还要仰仗最近不断涌现的新技术。

在今年年初的美国消费电子展上，TI正式对外推出了仅有笔尖大小却能提供满足720p标准分辨率的DMD成像芯片。这引起了业界极大的关注，因为这可能使微型投影机拥有更高的实用价值，成为市场中一股新崛起的力量。然而，事实并没有那么简单，自该芯片至今，采用该芯片的投影机产品仍旧仅能提供几百流明的亮度，虽然这些产品在实用性上已经比以往提升了很多，但是仍旧不具备与传统主流投影机产品分庭抗礼的实力。

这是因为，投影机是一套完整的系统，单单是成像元件的升级并不足以拉动整个行业产生巨变。光源、镜头组、散热系统等方面也会对投影机的发展产生重要影响。不过这些核心部件正在悄悄发生着一些变革，而这些变革有可能彻底改变目前投影机产品的形态和应用领域。

长寿之光

传统投影机所采用的高压汞灯虽然能够提供出色的亮度，但是巨大的功耗、可怜的寿命和恐怖的发热量严重制约了投影机的小型化之路。与之相比，LED和激光等新型固态光源由于寿命长、体积小等特性正在逐渐得到小型投影机的青睐，其中尤以LED光源的发展最为迅猛。但是目前LED也存在一些致命问题，如在发光亮度提高到一定程度时，LED的发光效率却会直线下降。

发光效率下降不仅带来了电能消耗的提高，更重要的是LED工作时的发热量会大幅增加，这使得投影机散热系统的设计难度加大，而且也直接导致投影机体积无法进一步缩小。产生这一问题的关键原因在于，流经LED的电流密度越高，发光效率就会越低，而且这一技术难题至今无法逾越，只能通过一系列的技术手段将其优化，例如改进LED的内部结构。

传统LED芯片采用的“ThinGaN”技术是在芯片表面设置金属的N型网格，这个网格会挡住光线，减少主动发光区域。将网格之间的间距加大，或者将金属线路缩小可以提高光线的利用率，但这会明显降低电流传输的效率，并引发负面影响。从结构上解释，极细的金属线路会导致电流无法均匀地从芯片表面经过，接近输入源的电流会比较大，这使得芯片表面的一个局部会出现电流相对较高的现象。这是因为金属网格本身存在电阻，距离输入源远的地方电流会在电阻的影响下产生衰减，而这一现象会在电流被提高后变得愈发明显，因此随着功率和电流的加大，LED发光效率下降的趋势也会越来越明显。

为了解决这个问题，欧司朗推出了UX:3结构的新型LED，其对LED结构采用的革新思路与目前相机的感光元件背照式CMOS的改进理念类似，都是通过改变线路层的位置来提高发光（受光）的效率。具体而言，欧司朗将金属网格由原来的放置于N极上方，转而改为放在P极下方，之后通过一系列通孔结构穿过P极建立金属网格与N极的连接，平均每平方毫米都会采用数十个通孔。这样一来，便可使电压均匀地施加到N型GaN类半导体层上。

由于消除了电流密度局部较高的问题，因此可明显控制LED发光效率低的现象。例如，采用UX:3的蓝色LED芯片，在1平方毫米的芯片上输入350mA的电流所产生的光输出功率比ThinGaN大约高10%，而且随着电流的增大，UX:3和ThinGaN的差距也就越来越明显。通过这样的技术，欧司朗成功地将红色薄膜LED的发光效率提升了30%，在这种新结构平台的帮助下，LED的发光效率还有望进一步提升。

通孔工序带来的另外一个好处是，它能够使LED芯片内部的热量分布更均匀，而不会集中在某一处，这对散热更加有利。同时为了更好地散热，欧司朗在进行LED封装时还采用了陶瓷散热基板，陶瓷材质可以帮助LED更快地散热。另外，欧司朗还通过改良晶膜结构来减少LED内部的电阻，从而实现更高的能源利用率和更少的发热。

由于增加了通孔的工序，因此LED制造工序会有所增加，但这些制作工序并不特殊，而且通孔深度通常为几百纳米，加工难度并不算大，因此不会给成品率带来多大影响。而且通过合理的设计，UX:3结构的LED每平方毫米最高工作电流可达到3A。

除了提升红光的发光效率外，欧司朗还在2010年年底对外了新型的绿光LED原型产品（预计今年能够量产），新型的绿光LED内部配备了绿色荧光转换器，亮度是其前代产品的两倍，发光表面也十分均匀。目前的原型产品已经可以实现410lm的亮度，发光波长为553nm。绿光LED效率的提升对投影机系统整体亮度的提升意义重大，因为对于投影机而言，要想发出白光，绿光的比例必须大于红光或蓝光，因此绿光LED亮度的提升将可以显著地提升整个光路系统的亮度，采用上述LED原型的系统理论上可以提供2000lm的总体亮度。

另外，在LED的发光效率提升后，实现暖白色光线的方案也可以得到优化，以往的白色光通过蓝光LED加荧光粉进行转换获得，而当红光与绿光的发光效率提升后，通过3色混合将获得更好的白光，欧司朗已经将暖白光LED光源的发光效率提高到142lm/W，在2755K的色温下，LED的显色指数高达81。

提升光效

实际上，通过改良LED结构来提高投影机的输出亮度只是最为常规的一种方式，通过改良光路结构，提高对光的利用率同样可以获得不错的效果。美国的Wavien公司借助欧司朗等厂商提供的LED光源，配合自己独特的光路设计，在现有光源技术下实现了更好的输出表现。

与传统的红、绿、蓝3色独立工作并最终合成彩色图像的光路结构不同，Wavien的RLT（Recycling LED Technology，LED光线回收技术）将3色LED整合到一个模块中，该模块仅用了6个LED灯就实现了传统光路结构中17个LED灯的效果，Wavien的CEO Kenneth Li表示，在下一代产品中，实现相同效果仅需3个LED。

Wavien公司采用了多种技术手段来实现这一目的，首先是双抛物面反射的光路结构，在该结构中LED中的一部分光线首先被一个小光碗？反射，以保证所有LED发出的光线都能够被尽可能多地汇聚在一起，之后汇聚起来的光线通过大的反光碗？再次进行反射和汇聚并被投射到成像元件上，以使LED所发出的光线能够被尽可能地利用。另外，Wavien还能够提供一种被称为RLP（Recycling Light Pipe，光线回收管道）的技术，该技术可以帮助LED光线在进行传输时提升40%的效率。

迷你的成像元件

光源及其辅助的驱动电路和散热系统会在投影机内部占用较大的空间，而其他空间则往往被成像元件和镜头光路系统所占用。为了减少体积，最传统的做法就是不断地缩小成像元件的体积，如像TI那样推出Pico DLP芯片。但是DLP、LCD还是LCoS等成像元件，都需要建立一套完整的光路结构，以保证成像元件产生的图像能够通过光路结构投射出来。而光路结构受到光学原理的限制，体积无法随意缩小，这大大阻碍了微型投影机的发展。而位于德国的Fraunhofer研究所最近推出的投影机成像元件的原型则有望彻底改变这一现状。

该技术最大限度地缩小了光路与成像元件的距离，其将大量的微型镜头放置在LCD之前，每个微型镜头都对应自己的LCD显示模块，液晶屏产生的图像可以直接通过微型镜头投射到投影幕上。

在最早期的原型产品中，整个模块包含45个微型镜头组，每个镜头组对应红、绿、蓝3色光源和一个分辨率为200×200的LCD。每个LCD的成像内容通过微透镜被投射出来后，会相互彼此叠加并产生最终的图像，这一设计思路来自于昆虫复眼的成像原理，目前这种成像原理主要的应用是将不同光源进行混合。采用这种光路结构的原型产品厚度仅为6mm，能够很容易地集成到任何一部手机内，但是它能够提供的亮度却是以往类似体积设备的近10倍。目前的原型模块能产生800×480的分辨率和11lm的亮度，而目前达到类似亮度的传统微型投影机体积要比这个原型大很多，在相同体积下，采用新的成像模块的投影机将产生90lm的亮度。

该技术下一步的发展方向是，进一步缩小液晶面板每个像素的体积，从现在的8.省略

收稿日期：2011-07-18

“绿光LED亮度双倍提升，这是一次巨大的飞跃，将突破LED仅适用于小型投影机的限制。LED具有超高的色彩饱和度，因此图像的效果更卓越。此外，LED投影机开关切换的响应速度更快，并支持无级调光模式。因此，它们可以根据环境光度自动调整自身亮度。”

VolkerMertens 欧司朗光电半导体德国总部的市场总监

绿色激光

目前很多激光光源已经被用于投影机成像或辅助成像，例如卡西欧的混合式投影机就使用了LED和激光两种光源。但是，使用传统方法制造的激光二级管发光的光谱比较有限，并不是投影机需要的最合适的波长范围。例如典型的红色激光二极管波长在640nm~650nm之间，而人眼最敏感的波长范围是620nm~640nm，最重要的是，绿色激光技术发展的极不顺利，可用于投影的绿色激光光源十分有限。今年，EpiCrystals公司已经推出了倍频式GaAs绿色激光器，波长为532nm，散板降低率大于70%，目前该产品已经开始进行试生产，估计到2012年开始供应市场。

混合光源的优势

实际上，投影机的发光源并非只能同时采用一种技术，通过混合多种光源，借助不同光源的优势，在现有产品技术条件下甚至可以收到更好的效果。例如由卡西欧推出的采用激光和LED混合光源的投影机产品。该系列投影机混合使用蓝色激光、红色LED作为光源，其中蓝色激光不仅用于提供成像中所需的蓝色，还会通过照射磷光体产生绿色光，以解决LED绿色光亮度不够的缺陷。通过双光源混合，卡西欧实现了2000lm的亮度。