導讀：投影機技術的領導巨擘德州儀器公司，正在利用這技術革新的時代，全力投注以固態光源來取代傳統高壓汞燈的設計，宣稱無燈的設計(LampFree)。其理由一者是環保；二者燈壽命增長幾乎免換燈，對使用者有省維護及換燈的好處，少掉使用成本；三者，固態光源有馬上亮及易于點亮控制的特點，免除需要高壓20KV點燈瞬間，增加系統可靠性；第四，半導體技術是目前科技史上進展最快且可以期待的，性能/成本比最佳的技術。

由模擬技術的高壓汞燈，轉移到固態光源

高壓汞燈(UHP)從1990年代有投影機開始就存在。直到2007才有LED光源在投影機的萌芽，但至今都還無法撼動高壓汞燈的占有率。原因是汞燈的技術成熟，不需再投資研發，因此成本是最大優勢。但由于環保意識提高，無毒化學氣體及節能高效率的固態光源的出現，導致全球興起對光源破壞性科技的探討，以取代愛迪生發明的燈泡及熒光燈，龐大的照明市場吸引大量資源投入研發制造，讓固態光源的光效率每年以兩倍的速度增加。另外，由于其節能省碳減緩地球暖化速率，在各國政府的政策支持下，2012成為固態光源元年，固態光源正在改變路燈及家庭照明市場。

投影機技術的領導巨擘德州儀器公司，正在利用這技術革新的時代，全力投注以固態光源來取代傳統高壓汞燈的設計，宣稱無燈的設計(LampFree)。其理由一者是環保；二者燈壽命增長幾乎免換燈，對使用者有省維護及換燈的好處，少掉使用成本；三者，固態光源有馬上亮及易于點亮控制的特點，免除需要高壓20KV點燈瞬間，增加系統可靠性；第四，半導體技術是目前科技史上進展最快且可以期待的，性能/成本比最佳的技術。

投影機光源的特殊要求

雖與照明光源共享半導體技術及材料，但光源應用于投影機有以下的考慮。

光效率：光源的光多少比率會被投影面板接收并投射出去，這是光源及投影面板光展量(Entendue)的相對關系。

由于投影機對光源的要求有其特殊光學要求，集光效率是一個重要考慮，集光效率與顯示的投影面板尺寸有相互關系。光源光展量(Entendue)越小，光通量被面板移轉過去的百分比越高。

LED由于發光面積大，發光立體角大，因此其光展量大，若投影面板尺寸小于0.7”，則效率相當低，達不到2,000流明。因此LED雖較早開發量產，但遲遲無法成為投影市場主流。

激光的光展量很小，因其光線非常集中且能量高(如圖2)，因此激光是尋求高流明的一個解法。

·光源的色譜色域是否與標準REC-709(ITU-R國際電信組織定義的HDTV色域要求)接近或具有更寬廣的色域。

·電光轉換效率，以相同頻譜455nm(藍色頻譜)來比較。激光約有兩倍的效能于LED。

以藍色LED來看，其電光效率24光瓦/160電瓦=15%。

激光則是29光瓦/90電瓦=32%

由集光效率及電光轉換效率成積即為投影機的效率，中國CQC6102-2009數字投影機環保節能要求，要求投影機所耗的電與所發出的光量必須大于7流明/瓦特。一般LED光機要超過規范不是容易的事。但對于激光則是相當容易的事。

·成本高低: LED產業有非常大的照明應用基礎，因此造就了有效率的分工體系，及大量的原材料，因此有非常好的成本優勢。而激光目前成本非常高無法跟LED比。但從未來趨勢看，由于激光制造也是半導體制程，因此當它成為主流應用時，可以期待成本大幅下降。

投影機固態光源的演進史

如同各種技術在初期會有各種方式存在，各種方法都在極力解決一種問題，但并不能解決所有問題。固態光源在投影機的應用設計演進，是依據技術的成熟度以漸進方式地解決效能不足。在此我們將闡述近五年來的投影激光源的演進歷史。2007年TI提出LED光源取代UHP光源，后來2010年TI再提出激光光源架構。

純LED光源: 這是最早被提出的，但由于光效不佳，因此不被前投接納，但在背投機芯中因其長壽命及飽和色彩而漸呈主流。對微型投影則因空間的優勢及光源控制容易而獲得認可。

混和光源(激光加LED): 為了解決LED光源的亮度不足2,000流明，但又要保有好的色彩，因此產生了混和光源。

激光光源: 由于混和光源采用激光及LED組件，導致設計復雜化。盡管在電源及光學架構都有兩套，但亮度還是被LED所限。因而構想純藍色激光加上熒光輪以產生紅綠光并經過色輪以優化投射光的色域。這種設計亮度就沒有限制，你可以依據亮度需求而增加激光二極管個數(其限制只在于散熱)。

三色激光光源: 這是對激光光源色彩飽和度不足的改善。這是由于熒光轉化的光線頻譜分布廣，及藍色激光無法改變光譜，另外排除熒光輪及色輪以增加系統信賴度而衍生的設計。

各種投影機光源技術的優缺點

LED投影機

相較于UHP光源，LED光源有以下特色：

優點: 瞬間開機，只需等一秒即達全亮，而以前UHP需要30秒的開機等待，及關燈風扇冷卻時間；可靠性增長，無轉動的色輪(純粹靠RGB LED順序切換來產生順序的RGB畫面)；無彩虹效應，相當于360-480Hz的轉換速度；燈源超長壽命達60,000小時，以7×24使用可以達七年無需換燈，省下維修費用；色域范圍大于Rec709。

缺點: 光效率不高，約6-8流明/瓦；LED驅動器成本高:由于需要快速切換RGB；設計復雜，熱需精心設計，需加Heatsink&HeatPipe才能把熱帶走；整體成本高；驅動器貴，光學部件多，散熱模塊復雜且價格昂貴。

LED是以RGB輪流切換方式進行發光。若要達到1,000流明，必須LED瓦特數達120-150瓦。目前只有Luminus及OSRAM才有提供這種高功率。目前業界LED光機能做到的高亮也只有1,200流明。

混和光源(LED，激光，熒光輪)投影機

為了提升投影機亮度因此就有一種想法，即提升綠色光源亮度以提升總體亮度至2,000流明，(這是前投機的基本要求門坎，達到這個亮度才能滿足會議室及教室的應用)。

以藍色激光發出強光激發轉動的綠色熒光輪，以產生高亮綠光同時有激光藍色，以取代純的綠光及藍光LED。這是取巧于人眼對綠光最敏感，可以提供較多的亮度感覺。又可以省下藍色光源。

但這設計架構的亮度提升，會受限于色溫質量的要求。白色色溫是依據紅綠藍的比率組合，一般以0.3:0.59:0.11作為最適組合。因此紅色光源能量沒提升，就會限制總亮度。并且綠光的頻譜相對LED較不純，因此導致色域在綠色是縮小的。且藍色光是延用激光基本波長，因此藍色會有紫色的視覺感。

相較于LED光源，(為了提升亮度又不降低色域太多)。

優點: 光效率增加，亮度提升可以至2,000流明。

缺點: 彩虹效應較明顯，因其轉動速度約120-240Hz(熒光輪速度的限制)；系統可靠性較低，因增加一個動件熒光輪(約20,000-50,000小時的壽命)；燈壽命較短：激光目前的壽命只有20,000小時；電源系統復雜，兩套驅動系統LED，激光；?光源光路系統復雜，兩套聚光方式，紅色LED需聚光，與藍色激光與綠色激發光匯聚；色域范圍略小于Rec709(綠的較弱)。

激光投影機(激光，熒光輪及色輪)

為改善混合光源的復雜光學，電子設計及亮度依然受限于紅色LED，因此又產出了純藍色激光加熒光輪及色輪的設計，以產生好的色彩及高亮度。透過色輪將熒光轉換光色彩優化。因此可以隨心所欲產生所要的色域，但必須犧牲亮度來成就色彩。色輪與熒光輪是以同步方式在運轉。

相較于混和光源的比較。

優點: 亮度提升，可以至2,500-3,000流明(純依賴激光二極管的個數)；光效率提升，可以達到12-16流明/瓦特，符合CQC6102-2009數字投影機環保節能要求；光學系統單一化，只要對激光激發的光做收光；激光驅動電路簡化，激光驅動不用復雜地做脈沖電流切換，只要提供一恒定電流；亮度可以依需求而自制，可以使用16，20或32顆激光二極管，無須像LED或UHP受限于廠商的有限的組件型號，而需要合并雙燈以提升亮度。

缺點: 系統可靠性降低，因增加一個色輪。

RGB三色激光投影機

由于純激光加熒光輪及色輪的投影機，在機器里有兩個移動的動件，機器的穩定性會降低(色輪壽命約為2-5萬小時)。需要更廣的色域的應用，對于頻譜轉換的色彩效果不滿意，如圖11.2所示，光的純度不符需求。因此在高端應用如營業劇院及家庭劇院，就需設計RGB三色激光光源。

相較于激光投影機與三色激光投影機的差異。

優點: 可靠性增加，沒有熒光輪及色輪動件，增長系統可靠性;超寬廣的色域，RGB光譜集中;集光效率好，激光發光光展量小，因此面板幾乎完全投射出去;光學系統設計簡單，鏡頭焦深長，鏡頭設計容易，可以對焦在曲面上。

缺點: 組件成本高，紅色及綠色激光二極管制作不易，尤其是綠色，售價超級高，尤其綠色激光二極管其能量只能紅色及藍色的1/5，不超過0.6W(相對B-3.5W);需克服激光斑點問題，增加電路及結構以克服激光斑點問題。

主流的光源架構：激光光源(激光，熒光輪及色輪

綜合以上的分析比較，基于價錢壽命性能的綜合考慮，能占據主流市場的，應是激光投影機。

前投機在會議室或教室的應用占投影機絕大多數市場，其要求亮度大于2,000流明及成本便宜。因LED亮度有限制，混和光源系統復雜，三色激光成本高，只有激光光源方案才能期待。因激光才能提供高流明又可以期待成本的下降。而半導體的組件只要有量，價錢的下降是可以預期的。LED及LCD電視產業都是一個好范例。

激光投影機即將是主流市場接納的技術，我們下面將說明其工作原理及其發展趨勢。

激光熒光輪光源的工作原理

一個BankL1藍色激光二極管(約20-32個，個數因亮度需求而不同)。

透過C1/C2鏡片聚焦及DM1(雙色組件)反射抵達熒光輪(PW1)處。熒光輪(PW1)以兩倍的視頻幀速率轉動，光打到紅綠黃熒光粉而激發出相對應的紅光、綠光和黃光。因熒光輪的轉動，而產生順序紅綠黃光，透過光學的反射及聚焦最后達到色輪CW1被優化后，進入光的積分柱LT1。藍光則不激發熒光輪，以穿透方式(圖示的熒光輪藍色區)經由C4、M2、C5、M3、C6、M4、C7光抵達DM1并被反射至C8，聚光到色輪CW1，之后便進入光均勻通道LT1，再到光機內部(光機內部則與UHP，LED光源光機無異)。