投影用高亮度发光二极管的快速发展

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摘要：在过去三年中，微型显示投影发光二极管（LED）光学引擎的亮度显著地加速增长，在某种程度上超出了许多业内人士的期望。这种快速增长促进了液晶投影电视的出现。综述了应用于投影的 LED 的进展及相应产品。讨论了基于 LED 的光引擎的设计，展望了其亮度改进以及新产品研制的前景。

关键词：投影；发光二极管；光子晶体

中图分类号：TN３１２＋８ 文献标识码：B

Rapid Progress in High-Brightness LEDs for Projection

Christian Hoepfner

（Luminus Devices, Inc., Massachusetts 01821，USA）

Abstract: The increase in the brightness of microdisplay-projection light-emitting-diode (LED) light engines has significantly accelerated during the past 3 years, to a level beyond many industry expectations. This acceleration has enabled the emergence of LED projection TVs. Here, we review the progress made with LEDs for projection applications and the products being enabled. Design considerations for LED-based light engines are discussed, and an outlook for further brightness improvements and new products is presented.

Keywords:projection；LED；photonic lattice

对微型显示投影而言，发光二极管（light-emitting diodes，LED）是长期有效的优良光源；与传统超高压灯具相比，它拥有众多优势，如寿命长、发射光谱窄（因此色彩饱和度高、色域大）、环境友好等。脉冲 LED 具有很高的速度，能应用于精密电源和色彩处理系统中。这种牢固的固态技术具有特殊的紧凑结构，使其能够耐受恶劣环境。

尽管优点很多，将 LED 用作投影电源的研究仍花费了多年时间。其中是唯一的、最关键的挑战是：需要由投影透镜提供足够的亮度。LED 不可能和弧光灯一样明亮，而且永远也不可能。因此，基于 LED 的高亮度微显示投影系统的设计需要对投影系统各方面进行优化，既包括 LED，也涉及照明及投影光路。

自 2005 年以来，一些小封装（small-form-factor）前投 LED 投影仪已经投放市场，它们经常被称作便携投影仪或便携探测器。东芝、三菱、三星相继推出了这类投影仪，都使用了 OSRAM 和 Lumileds Lighting 公司的 LED。该规格投影仪投影透镜的光通量为 15~25 lm。2007 年春季推出了更新的型号，光通量达到 50 lm。2006 年夏季，紧随 NuVision 的原型机之后，三星推出了第一个微显投影电视。该电视使用了 Luminus Devices 公司的新型 LED，即 PhlatLight LED（图1），这是第一种专门为微显投影设计的 LED，并且亮度首次超出了高品质投影电视所需的阀值。2007 年春季，三星的六种新型投影电视产品打入了美国市场，屏幕尺寸分别为 50in、56 in和 61 in（图2）。此外，2007 年 7 月，LG 电子公司推出了一款使用 Phlat Light LED 的便携投影仪，这款商务 LED 便携投影仪首次突破了 光通量100 lm 的屏障。

下文将介绍投影仪用 LED 的设计要求，重点讲述促使首款液晶投影电视产生的 Phlat Light LED 的设计。伴随着这次突破，在光学引擎的设计上投入了相当可观的精力，对此后文将会提到，只因为它使人们产生了将 LED 作为光源的想法。

1小型 étendue 光学引擎的要求

现代微显电视光学引擎使用的微型显示器的对角线长度在 0.45 ～0.95 in之间。微型显示器是光学引擎上最昂贵的部件，这就为缩小微型显示尺寸提供了动力，因此诞生了小型 étendue。投影透镜之类的光学元件的成本和尺寸也更倾向于使用微型显示器。

这种光学引擎的小型 étendues 决定了 LED 发光面积只能很小，在 8~24mm2 范围内。因此需有效利用 LED 的发光面积。这对面发射的 LED 有利，因为沿边缘发射的 LED 需要额外的光学器件来收集这部分光，从而增加了实际光源 étendue。一个好的 LED 光源应该是面发射器，需要非常精确的发光面照亮微型显示器。发光面积的宽高比要与微型显示器匹配，对于任何投射角度都要进行修正；对高清晰度电视（HDTV）而言，通常采用 16:9 的宽高比。由于 LED 芯片较小造成的发射面上的任何缝隙都将使实际亮度减弱。因此，采用具有合适尺寸和宽高比的单块大面积 LED 芯片是最理想的。

2投影仪用 LED

LED 光学引擎亮度得到提高主要归因于以下三方面：(1) LED 技术整体得到提高；(2) LED 的设计符合光学引擎的要求；(3) 光子晶体 LED 的出现。

今天，LED 产业有数十亿美元的产值，其中手机屏和键盘照明占据了大部分市场。与技术发展相随相伴的是巨大的竞争压力，它使得 LED 发光效率稳步改善，这也是 LED 产业广泛用作优质图像显示的重要原因。对于投影电视，实际亮度是最关键的性能参数，而不是发光效率。尽管如此，发光效率的大幅提高也会使系统亮度提高。因此，LED能应用于投影仪中，得益于标准 LED 的整体改善。

要满足小型 étendue 光引擎的要求，发射面积尺寸与微型显示器相匹配的单块 LED 芯片最为理想。举例来说，针对 DLPxHD5 微型显示器已经设计出了 PT120 PhlatLight 投影芯片组，其发光面积为 12 mm2，宽高比 16:9。这使得微型显示器 étendue 具有优化利用的前提。

3用于微型显示投影仪的 PhlatLightTM LED

PhlatLightTM LED 是首个专为微型显示投影设计的 LED。为实现高亮度的要求，在芯片和封装方面采用了一系列新技术。

光子晶体，通常也称为光子晶格或光子带隙材料，是将周期结构嵌入介质或半导体材料中产生的。周期结构的晶格常数与光波波长相当，临界尺寸小于 100 nm。该周期结构（如图 5 所示）产生光学带隙，阻止某些频率和方向的光传播，因此能从根本上改变光在基体材料中的传播。特定的 PhlatLight LED 光子晶体限制光沿量子阱方向的横向传播。因此光线被迫处于垂直于界面的状态，并穿过界面射出芯片。因此，PhlatLight LED 芯片没有边缘发射；所有光都从界面发射。因为平行于量子阱（quantum well）传播的光线易于被重复吸收，所以光线射出芯片表面的驱使力也会使光汲出效率（extraction efficiency）增强。此外，对光子晶体进行设计，可以使更多光线达到接近表面法线的状态，从而实现平行发射（collimated emission）。虽然这种平行效应没有使LED 的总流量增加，但使汇集于光学引擎 étendue 中的光线增加了，提高了透镜和分色镜光透过率的效率。PhlatLight 光子晶体设计的三个特点（表面汲出，提高光汲出效率和平行性）都有利于改善投影系统的亮度。

为了进一步提高系统亮度，PhlatLight LED 也可以设计成在高驱动电流下工作。为了满足高亮度 LED 的要求，每个工程师都试图增大驱动电流，该电流超出典型的工作电流 0.35 A/mm2或 1 A/mm2。然而，按照传统 LED的设计，在高电流密度下工作可靠性不好，因为高电流密度下产生的电应力和热应力会降低 LED寿命。

通常用于 LED 的半导体接口能在非常高的电流密度下良好工作，例如激光可以产生高达每mm2数百安培的电流密度。然而很多 LED 要依靠位于 LED 侧向的金属小触点传输电流，这就会导致电流拥堵在这些金属触点上，从而限制了这种 LED 的可靠工作电流。

增加电流密度也意味着需要更大功率并产生更多散热量。为了保证接口温度处于可以长期运转的高可靠性水平，从接口到散热器的热阻要低于 LED 的标准热阻。

除了采用光子晶体技术外，PhlatLight LED 还首创了垂直芯片组的设计，以解决电和散热的问题。已经采用蓝宝石晶片作为亮度最高的蓝色和绿色 LED 的材料。虽然蓝宝石能促进高品质接触层和量子阱的生长，但它是电绝缘体、不良导热体。将外延晶圆和金属粘着基台（metal submount）粘结在一起，然后移除蓝宝石基板，带有量子阱的外延层转变成为表面基板材料。新的金属粘着基台的热阻非常低，而且金属全面积接触到 LED 上了。因此， PhlatLight LED 的工作电流密度远远超过标准高亮度 LED 在典型工作条件下的电流密度。它们的设计和质量都能保证在 2.5 A/mm2 电流密度时有足够长的寿命。例如，发光面积为 12 mm 2的 PT120 芯片可以在 18 A 连续电流的情况下工作，相当于高达 100 W 电源的工作情况。如果是脉冲运行，该装置可以在更高电流下工作，这些特性改善了工作的限制条件，有利于提高亮度，同时保证 LED 的高度可靠性。例如，当总循环效率为 50%、正向电流为 30 A 时，绿色 PT120 LED 的峰值光通量甚至大于 3,300 lm。

PhlatLight LED 芯片截面如图 3 所示。包括量子阱在内的活化层和金属黏着基台相联。二维光子晶体结构嵌在 LED 芯片表面。

光子晶体 LED 有一个优点经常被人们忽视，即光汲取时不需要密封剂。设计的光子晶体将光直接从半导体芯片上提取到空气中，因此不需要密封剂，而密封剂是 LED 中最不可靠的部件之一。PhlatLight LED 组装过程中独有一个环氧处理工艺，它将 LED 芯片粘着基台与铜散热器直接粘结在一起，结果产生创历史新低的热阻。这些优势及其高效的电热设计，使 PhlatLight LED 这种固态光源具有极高的可靠性，当其在电视工作条件下工作时，平均寿命为 120,000 hr。

4LED 性能的改进

由于采用了上述改进措施，PhlatLight LED 的亮度在过去两年中得到了很大提高。近年来绿色 PhlatLight LED 亮度的提高情况如图 4 所示。对于可见显示而言，绿色实际上是最难生产的色彩，在提供白色光通量色彩平衡中几乎总是瓶颈。与2006 年初使用 PhlatLight LED 设计制造的第一台投影电视相比，绿色 LED 的亮度已经翻了一番。高亮度大多可以降低电视系统的成本，例如，可以使用较小的微型显示器。

对于所有 LED，包括 PhlatLight LED 在内，亮度提高仍有很大的发展空间。研究在加速进行，预计在 18 个月内 PhlatLight 的亮度将增加1倍。这将促使更多新颖的、革新的投影仪投入应用。

5LED 光学引擎的设计思路

虽然投影 LED 的亮度已大幅提高，通过投影透镜的光通量足够大了，但仍需要对光学引擎进行细致的设计。一般 LED 光学引擎光路的 f/# 小于灯基模式（lamp-based model）；增加 étendue，促进了更大 LED 源的使用，从而使得光通量更高。可能的对比度损失可以通过很好的光学设计来弥补；可以利用 LED 的快速响应实现亮度动态管理。虽然锥形光波导或抛物线形光波导有利于收集来自 LED 的光线，无论单个还是两个非球面透镜，通常都不能产生如此高的亮度。这是因为远离 LED 表面的光线具有发散角，虽然它可以被导光板收集，但是并不能被后续的投影光路有效地传输出来。

对于典型的 LED 发光光学，入射光角度大时，需要对彩色合成的二向色性进行设计。LED 不发射紫外光。因此与灯基系统相比，所有透镜的镀层在蓝色光谱范围内均可设计成较大透光率。

LED 的散热处理非常重要。LED 有个特点：只能在低温下运行。LED 活性区，包括量子阱，通常在 70~120 ℃ 温度下工作，在某些情况下允许温度高些，但一定要低于 200 ℃。这和超高压灯形成了鲜明对比，超高压灯活跃区（弧）温度约为 6,000 ℃，甚至石英管外的温度也可以达到 800 ℃ 左右。另一方面，由于 LED 结温如此之低，所以它会随环境温度变化。便携投影仪或投影电视大部分使用带风扇的简单散热片作为空气冷却系统。对于一些电视，则采用热管传递电视柜中的热量，散热很方便。LED 通常不需要液体冷却。

通常冷却部分的设计要保证 LED 结温低于最大限度值：蓝色和绿色 PhlatLight LED 结温低于 120 ℃，红色 PhlatLight LED 结温低于 80 ℃。蓝、绿、红色 LED 的结温不同，因为它们使用的半导体材料不同，这些材料具有不同的温度灵敏度。实际上大部分 LED 结温低于最高限制温度，并随着环境温度的变化而波动。因此，需要色彩处理系统补偿不同色彩间相对光强的温度诱导变化。

6下一代 LED 投影产品

最初的 LED 市场反馈表明，LED 照明投影电视非常流行，因为它们不用更换超高压灯，并具有优良的色彩重现性。因此人们期望大部分投影电视生产线在 18 个月内从超高压灯转为 LED 照明。在 2009 年，绝大部分微显投影电视将使用 LED 作为光源。

预计基于高端电视光学引擎的高画面质量的家庭影院投影仪将于 2008 年进入市场。这些家庭影院投影仪使用更大的微型显示器，因此具有前投所需的更高的亮度和对比度，投影透镜的光通量在 500 ~1，000 lm 之间。

120~150 lm 便携投影仪将于 2008 年面世。提高LED 亮度可以降低投影仪成本，这样有利于占有更大的市场份额。

通常称为 nano-projector 或 pico-projector 的微型投影仪正在研制之中，预计于 2008 年进入市场。因为 LED 是一种成熟的技术而且比较便利，因此大多数模块将采用 LED 作为光源。

近年来在投影电视的跟踪调查中，LED 亮度和效率的改进最终会使其它视觉显示产品受益。LCD 电视用的 LED 背光源（BLU）也需要高效绿色 LED。例如，PhlatLight LED 的平行特性使其可以用于光波导的有效光耦合，适用于边缘散射的巨型 BLU（＞ 52 in）。

7结论

LED 作为微显示投影光源具有广阔的前景。常规LED 产业，以及新的、为投影仪专门设计的 PhlatLight 光子晶体 LED 促进了 LED 性能的快速提高，使 LED 光学引擎特性达到了新水准。LED 已成为成熟的、数十亿产值的产业。普通光学应用的巨大市场、产业的竞争性以及已有制造商和新兴企业的持续改进，都将持续推动 LED 性能的发展，使其能够满足更精彩的显示领域的应用。

（北京科技大学 丁娇娇、石琳、袁军涛

译自《Information Display》 9/07）