LED光源在DLP拼接投影箱体中应用的分析研究

2011-06-07上海金桥信息股份有限公司许坚翔

智能建筑与智慧城市 2011年8期

文｜上海金桥信息股份有限公司许坚翔

目前国内网管中心、数据中心、ECC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

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。

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。

（1）无灯泡和色轮，全固态投影机设备

图1 普通UHP光源光路结构

图2 LED光源光路结构

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24×7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。

图3

（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。

图4 LED光源DLP光路系统

图5 UHP光源DLP光路系统

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400～600ANSI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800～1000 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光源举例说明。

图6 LED光源寿命图示

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3mm×5mm，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。与使用寿命的条件类似，LED光源芯片在亮度输出和色彩输出方面也同样具有某些固有的问题，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。