LED電視光源技術(shù)：概覽及DLP的優(yōu)勢(shì)

概要

本文將探討發(fā)光二極管（Light Emitting Diode；LED）技術(shù)及其應(yīng)用于電視機(jī)產(chǎn)品所造成的影響。本文將著重該技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，及其應(yīng)用于DLP產(chǎn)品的特殊優(yōu)勢(shì)。 介紹

LED已經(jīng)成為一種關(guān)鍵的照明技術(shù)，用途廣泛。自發(fā)明伊始 ，LED就被應(yīng)用在包括手表、計(jì)算器、遙控器、指示燈在內(nèi)的各種常見(jiàn)產(chǎn)品和家用設(shè)備。LED技術(shù)發(fā)展迅速，隨著亮度和效率的不斷提高，新的應(yīng)用更是層出不窮。 LED歷史

自20世紀(jì)初期，科學(xué)家們就不斷尋找能夠發(fā)光的各種物質(zhì)。1907年，亨利·約瑟夫·讓德發(fā)現(xiàn)碳化硅（SiC）能夠發(fā)光。在接下來(lái)的50年中，不斷有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)能夠發(fā)光的化合物。到了20世紀(jì)50年代，隨著對(duì)砷化鎵（GaAs）研究的不斷深入，LED的發(fā)現(xiàn)終于水到渠成。

①貝爾實(shí)驗(yàn)室、惠普、IBM、孟山都及RCA等公司在20世紀(jì)60年代首先開(kāi)始了LED的研究?；萜蘸兔仙蕉甲钕仍?968年推出了基于鎵砷磷的商用紅光LED。在70年代早期，隨著德州儀器、惠普和Sinclair等公司推出計(jì)算器和電子表等全新的產(chǎn)品，LED應(yīng)用暴增。其它諸如指示燈和字母數(shù)字顯示器等應(yīng)用很快成為L(zhǎng)ED的主流應(yīng)用，并延續(xù)至今。

② LED技術(shù)背景

顧名思義，LED就是會(huì)發(fā)光的二極管。二極管是最基本的半導(dǎo)體組件，其作用是在一定可控的范圍內(nèi)導(dǎo)電。最簡(jiǎn)單的二極管由電的不良導(dǎo)體構(gòu)成，并對(duì)其進(jìn)行改性（摻雜）以增加自由電子。高電子含量材料（稱為N型材料）與低電子含量材料（稱為P型材料）相連，為自由電子流動(dòng)建立了通路。這個(gè)連接被稱為PN連接。

LED就是擁有PN連接的二極管半導(dǎo)體，在通電后釋放光子。該過(guò)程被稱為注入發(fā)光，發(fā)生于電子從N型材料填充到P型材料低能量孔的過(guò)程中。高能電子進(jìn)入低能量孔時(shí)會(huì)釋放能量，產(chǎn)生光子。P型和N型材料層所使用的材料，以及兩者之間的間距決定了生成光線的波長(zhǎng)和能量水平。

有多種材料可以用來(lái)生產(chǎn)LED，而目前比較普遍的應(yīng)用是砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)和氮化銦鎵(InGaN)。磷化鋁銦鎵一般用來(lái)產(chǎn)生紅光和黃光；而氮化銦鎵一般用來(lái)產(chǎn)生藍(lán)光和綠光——這些材料生成的光子都在可視光譜之內(nèi)。結(jié)合新的生產(chǎn)架構(gòu)，它們可以被做成極亮的LED，用于一般照明和汽車(chē)照明。一些架構(gòu)開(kāi)始應(yīng)用額外的磷化物以生成白光，憑借極低的能量消耗和更長(zhǎng)的壽命與普通白熾燈和熒光燈展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

全球LED產(chǎn)量已達(dá)每月40億只左右，主要生產(chǎn)廠商集中在臺(tái)灣、日本和美國(guó)，而臺(tái)灣地區(qū)以占全球總產(chǎn)量50%的份額居于首位。多數(shù)廠家只是對(duì)LED晶粒進(jìn)行封裝，只有少數(shù)幾家有能力實(shí)際生產(chǎn)LED晶粒。圖1描述了LED市場(chǎng)中低亮度和高亮度LED各自所占的份額。

③ LED技術(shù)突破

近來(lái)晶粒材料和封裝生產(chǎn)方面的創(chuàng)新使LED亮度達(dá)到極高水平?；迨褂昧诵碌牟牧?，提高了導(dǎo)熱性能，從而吸收更多的能量，發(fā)出更亮的光。亮度的提升帶來(lái)了新的LED應(yīng)用，如汽車(chē)照明、交通信號(hào)，以及最新的電視顯示屏。圖2描述了新的架構(gòu)。

磷化鋁銦鎵和氮化銦鎵生產(chǎn)水平的顯著提升使藍(lán)光和綠光的亮度分別得以提高，而其它顏色（如琥珀和青色）也隨即問(wèn)世。這些改進(jìn)使整個(gè)系統(tǒng)能以等同于利用普通燈泡技術(shù)的亮度忠實(shí)地再現(xiàn)色彩，且壽命更長(zhǎng)。其它的性能改進(jìn)包括系統(tǒng)層的特性，如瞬時(shí)顯像，無(wú)水銀，無(wú)色彩刷新偽像，動(dòng)態(tài)可調(diào)亮度，以及更寬的色域。圖3 將LED和通用參考標(biāo)準(zhǔn) (Rec. 709)的色域范圍作了比較。

LED照明的色域非常寬（比高清電視的色彩標(biāo)準(zhǔn)[Rec. 709]寬40%），因而色彩的忠實(shí)度更高。對(duì)于壽命和色彩還原度都有極高要求的電視機(jī)產(chǎn)品而言，LED技術(shù)尤其具有吸引力。隨著LED技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其對(duì)于電視機(jī)產(chǎn)業(yè)的影響也與日俱增。圖4描述了LED技術(shù)的演進(jìn)，以及未來(lái)幾年的亮度效率。④

LED技術(shù)挑戰(zhàn)

控制LED晶粒的熱穩(wěn)定性是LED發(fā)旋旋光性能和穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。LED架構(gòu)發(fā)出的漫射光從PN結(jié)構(gòu)的表面和四周射向各個(gè)方向（在180度空間內(nèi)均勻分布）。盡管這看起來(lái)效率很高，但實(shí)際上大部分光都被鄰近的晶粒、基板，或者其它LED表面吸收了。這一吸收造成了整個(gè)LED裝置熱負(fù)荷的增加。為了獲得最大的光輸出和可靠性，熱的問(wèn)題必須妥善處理。此外，對(duì)于需要將光能集中到小型顯示設(shè)備（如DLP高清電視）成像的應(yīng)用而言，任何超出系統(tǒng)光學(xué)徑角的光都不可用，且還有可能造成熱度并增加系統(tǒng)能耗。因此, 控制對(duì)光的吸收，將光的發(fā)散形狀和系統(tǒng)的光學(xué)徑角相對(duì)應(yīng)并提升熱效率，將熱從晶粒中發(fā)散出去，對(duì)于提高LED的產(chǎn)出和可用性都至為關(guān)鍵。

對(duì)于傳統(tǒng)的應(yīng)用而言，LED一般以連續(xù)波的模式驅(qū)動(dòng)（100%負(fù)載循環(huán)）。但對(duì)高亮度應(yīng)用而言，這一模式并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。由于PN連接的平均溫度決定了LED的輸出亮度和壽命，因此需要以較小的負(fù)載循環(huán)來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。負(fù)載循環(huán)小了之后，LED的電流負(fù)載可以更高，并在PN連接平均溫度較低的情況下增加光的輸出。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的挑戰(zhàn)在于，驅(qū)動(dòng)電路必須能產(chǎn)生快速變換的波形，在幾個(gè)微秒之內(nèi)交換極大的電流。這對(duì)于LED電源驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)無(wú)疑是一個(gè)挑戰(zhàn)。不過(guò)解決方案已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)，可以輕易地解決這一難題。

更高的溫度負(fù)載帶來(lái)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是色移。隨著PN連接溫度的變化，輸出光線的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生10nm以上的偏移。這一色移不僅會(huì)影響該顏色的色點(diǎn)，還會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的白點(diǎn)，因?yàn)榘咨怯筛鞣N顏色混合而成的。為了從根本上解決色移的問(wèn)題，LED必須以較低的功率運(yùn)行，或保持極高的熱穩(wěn)定性。不過(guò)隨著對(duì)系統(tǒng)反饋的回應(yīng)，以及恰當(dāng)?shù)碾娫纯刂蒲菟悖F(xiàn)今的技術(shù)已經(jīng)可以在維持高亮度效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)白色的穩(wěn)定性。

使用LED照明的DLP電視

德州儀器已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了充分利用LED照明技術(shù)優(yōu)勢(shì)的DLP高清電視，其亮度性能已經(jīng)能與基于燈泡的系統(tǒng)相媲美。通過(guò)使用新一代的高亮度LED，實(shí)施獨(dú)特的反饋系統(tǒng)，DLP高清電視已經(jīng)能夠充分利用LED照明的優(yōu)勢(shì)。圖5描述了該系統(tǒng)的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)獨(dú)特的反饋算法，德州儀器證明了任何可能影響白點(diǎn)的色移都可以被控制在不為肉眼察覺(jué)的范圍內(nèi)。

目前，運(yùn)用LED技術(shù)的DLP產(chǎn)品都使用了德州儀器的DSP部件實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)信息，在廣大的操作溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定性，并最大化亮度和可靠性。 DLP產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)

LED技術(shù)的快速交換能力與DLP技術(shù)的快速交換性能天衣無(wú)縫的互相搭配。利用DMD和LED的高速性，色彩的刷新率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高過(guò)現(xiàn)有設(shè)計(jì)水平；色彩的隨意排列也成為可能。最終，圖像色深更大，動(dòng)態(tài)效果更佳， 亮度亦更高。增加LED的交換頻率可以實(shí)現(xiàn)更大的能源驅(qū)動(dòng)，并減小PN連接的熱負(fù)荷。DLP技術(shù)的快速交換能力充分利用LED新開(kāi)發(fā)的色彩，通過(guò)單個(gè)DMD設(shè)備實(shí)現(xiàn)多重色彩配置，從而獲得更大靈活性。在DLP系統(tǒng)中，LED無(wú)需極化，只要將光精確地從DMD鏡面反射出去。光線按需取用，效率極高，使亮度和系統(tǒng)的效率達(dá)到最大，并減少發(fā)熱。最終的結(jié)果是系統(tǒng)的成本降低，亮度提高，色域加寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越利用普通照明源的傳統(tǒng)系統(tǒng)。

結(jié)論

隨著LED技術(shù)不斷提高亮度和穩(wěn)定性，LED照明很可能成為未來(lái)多項(xiàng)應(yīng)用的主流光源。今后的技術(shù)發(fā)展將進(jìn)一步利用LED快速交換能力以提升視頻的性能和對(duì)比度，而無(wú)需通過(guò)光電機(jī)械部件；生成的可調(diào)節(jié)色域?qū)⑦h(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)照明源。新產(chǎn)品將很快獲益于上述基本性能，提供全新的獨(dú)特設(shè)計(jì)——包括瞬時(shí)顯像，更佳的色彩，以及經(jīng)由DLP微鏡陣列的高速響應(yīng)帶來(lái)的更佳圖像質(zhì)量。隨著LED和DLP技術(shù)雙劍合璧，DLP高清電視的性能和可靠性甚至將大大超越現(xiàn)有的DLP高清電視產(chǎn)品。