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摘要 微显示投影系统的小型化、睦寿命是投影技术的发展方向。近年来，高亮度l e d 器 件的出现，为微显示投影系统的长寿命、小型化提供了新的可能。l e d 其有发光效率高、 无红外辐射、器件小、功耗低、寿命长等特点，在投影显示系统的应用中有着传统光源 无法替代的优点。但是由于l e d 的外形和发光特性等和现有的投影灯源不同，使得现有 的照明系统无法应用于l e d ，且无法满足投影系统小型化的要求。因此研究适合于l e d 的小型投影照明系统是非常必要和有意义的。 本文第一章介绍了投影显示的行业概况、分类，分析比较了目前主要的三种显示投 影技术的光学结构，分别为t f t 液晶投影显示、d l p 投影显示年h l c o s 硅基液晶投影显 示。详细介绍了两种传统光源的照明系统，方棒系统和透射型复眼系统，并分析了l e d 投影显示的发展现状。 第二章阐述了非成像光学原理，包括光学扩展量( 6 t e n d u ) 原理，照明系统的能量利 用率原理，并且介绍了临界照明、柯拉照明两种照明系统的原理。 第三章中介绍了高亮度l e d 的理论基础，结构特点，并且结合l u m i l e d s 生产的高亮 度l e d 设计其散热方案，测量t l u m i l e d s 年d o s r a m 的l e d 配光曲线，提供l e d 光源模型。 第四章中提出了用于l e d 照明的反射型复眼的设计，介绍了复眼照明的理论基础， 设计方法，以及采用a s a p 模拟过程和结果分析。此设计利用光线反射缩短光学系统的机 械长度，减小了体积，利用反射克服透射中产生的色散和透射损失，均匀度和效率都较 好。 第五章中提出了用于l e d 照明的光棒和聚光系统设计，主要研究l e d 的排布与个数 和照明效率之间的关系，以及聚光系统的数值孑l 径和照明效率之间的关系，寻找最佳匹 配值。适合应用于多个l e d 照明，经过模拟可以达到l o o 尼特的照度。 第六章中引入c p c 设计，介绍了边缘光线理论，通过模拟计算，分析其效率和出射 光线角度，根据加：l 二要求，提出改进方案。 本文最后一章，对文中提出的三种设计进行比较，并总结工作，指出了新的工作方 向。 关键词：l e d ，投影显示，照明系统，非成像光学，复眼，方棒，c p c a b s t r a c t m i n i a t u r ea n dl o n g e rl i r e t i m ei st h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h em i c r o d i s p l a yp r o j e c t i o ns y s t e m i nt h er e c e n ty e a r s t h ep r o d u c t i o no f t h eh i g hb r i g h t n e s sl e dp r o v i d e sp o s s i b i l i t yt od e v e l o p 1 0 n g e rl i r e t i m ea n dm i n i a t u r em i c r o p r o j e c t i o nd i s p l a y c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a ls o u r c e s ， t h el e dh a st h ei r r e p l a c e a b l ea d v a n t a g e so f h i g he f f i c i e n c y , n oi n f r a r e di r r a d i a t i o n ，s m a l ls i z e ， l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o n g1 i f e t i m e b u tt h el a y o u ta n dt h el u n a i n a n c ed i s t r i b u t i o no f t h el e da r es od i f i e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ls o u r c e st h a tt h ec o n v e n t i o n a l i l l u m i n a t i o n s y s t e m sa r en o ts u i t a b l ef o rt h el e de s p e c i a l l yf o rt h em i n i a t u r es t y l e s o ，i ti sm e a n i n g f u l a n dn e c e s s a r yt od e v e l o pn e wi l l u m i n a t i o ns y s t e m sf o rt h em i n i t y p el e dp r o j e c t o r s i nt h eb e g i n n i n go f t h ed i s s e r t a t i o n ，t h r e et y p i c a lk i n d so f t h ep r o j e c t i o ns y s t e m ：t f t - l c d ， d l pa n dl c o sp r o j e c t i o nd i s p l a ya r ei n t r o d u c e di n c l u d i n gt h eb a c k g r o u n d ，c a t e g o r ya n dt h e o p t i c a ls t r u c t u r e s i na d d i t i o n ，t h ep r i n c i p l e sa n do p t i c a lt e c h n o l o g i e si nt h et r a d i t i o n a l i l l u m i n a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e ds u c hl i k et h el i g h tp i p es y s t e ma n dt h er e f r a c t i v ef l y - e y e s y s t e m f i n a l l yt h er e c e n td e v e l o p m e n to f t h el e dp r o j e c t i o nd i s p l a ya n dt h ed i s a d v a n t a g e s a r ep r e s e n t e d i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ep r i n c i p l eo f t h en o n i m a g et h e o r y , w h i c hc o n s i s t so f t h e6 t e n d u p r i n c i p l e ，t h ep r i n c i p l eo f t h ee n e r g ye f f i c i e n c yo f t h ei l l u m i n a t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d ，a n d t h e nt h ep r i n c i p l e so fc r i t i c a li l l u m i n a t i o n ，k h o l e ri l l u m i n a t i o na r ei l l u s t r a t e dd e t a i l e d t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo f t h eh i 曲b r i g h t n e s sl e da n dt h e i rs t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s d e s i g nt h et h e r m a lm e t h o da n dm e a s u r et h el u m i n a n c ed i s t r i b u t i o no f t h e l e d p r o d u c e db y t h el u m i l e d sa n dt h eo s r a mi no r d e rt om a k em o d e li nt h ef u r t h e r i l l u m i n a t i o ns y s t e md e s i g n i nt h ef o r t hc h a p t e r , t h ed e s i g no ft h er e f l e c t i v ef l y e y ei sp r o p o s e d t h et h e o r y , t h ed e s i g n m e t h o d ，t h es i m u l a t i o no f t h ea s a pa n dt h ea n a l y s i sr e s u l ta r eb r o u g h tf o r w a r d b e c a u s eo f r e f l e c t i o n ，t h es t r u c t u r eh a ss m a l l e rv o i n m e ，f l e eo f t h ec h r o m a t i ca b e r r a t i o na n dr e f r a c t i v e l o s s i na d d i t i o n ，t h eu n i f o r m i t ya n dt h ee f f i c i e n c ya r eb o t hs a t i s f i e d ， t h ef i f t hc h a pp u t sf o r w a r dt h el i g h tp i p ea n dt h ec o n d e n s e rd e s i g n ，i tf o c u so nt h ei n f l u e n c e t ot h ee f f i c i e n c yo f t h es y s t e m ，s u c ha st h ea r r a n g e m e n t ，q u a n t i t yo f t h el e d s ，t h ef # o f t h e c o n d e n s e st h ea p e r t u r eo f t h el i g h tp i p em a d o n t h i ss y s t e mi ss u i t a b l ef o rt h em u l t i p l e l e d s ，a n d1 0 0 n i tb r i g h m e s si sg o to nt h es c r e e nf i n a l l y t h es i x t hc h a pi n t r o d u c e st h ec p cd e s i g nb a s i n gt h ee d g e r a yt h e o r y t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ， t h ec a l c u l a t i o n ，a n da n a l y s i st ot h ea n g l eo f t h er a y s ，t h ei m p r o v e dm e t h o di sp r o p o s e d i nt h ef i n a lc h a p ，t h ep a p e rc o m p a r e st h et h r e em e t h o d s t h ec o n c l u s i o na n df i l t u r er e s e a r c h d i r e c t i o na r eg i v e n i i k e yw o r d s ：l e d ，p r o j e c t i o nd i s p l a y , i l l u m i n a t i o ns y s t e m ，n o ni m a g eo p t i c s ，n y e y e ，l i g h t p i p e ，c p c i i i 浙江人学坝l j 学位沦立 1 1 投影显示技术简介 第一章绪论 进入2 0 世纪以来，显示技术作为人机联系和信息传输的窗口已应用于娱乐、工业、 军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为电子信 息工业的一大支柱产业。 投影显示是指由平而图像信息控制光源，利用光学系统和投影空间把图像放大并显 示在投影屏幕上的方法或装置。经过6 0 多年的发展，投影技术已经比较成熟，目前广 泛地应用在宾馆、影院、学校和家庭中。 早在4 0 年代的美国就开发了c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 投影系统、光阀投影和激光投 影的原形，随着经济技术的发展，各种投影显示技术也逐步走向成熟和应用，目前为止， 根据成像原理的不同，投影显示大致可分为c r t 投影、l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 投 影、d l p f o i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ) 投影、l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 投影、光阀投影 鲷一 铂 o 1 c r t 投影显示技术：是历史最悠久，最成熟的技术，而且还在不断发展与完善。其 工作原理是通过红绿蓝三个阴极射线管成像，经过光学透镜的放大后，在投影屏幕上会 聚成一幅彩色图像。其优点：图像细腻、色彩丰富、逼真自然、分辨率调整范围较大、 几何失真调整功能较强；缺点：亮度低、亮度均匀性差、体积大、重、调整复杂、长时 间显示静止画面会使管子产生灼伤”1 。 2 三板t f t ( t h i nf i l mt r a n s m i t ) 透射式投影显示技术：近十年来发展极快一种投影 技术。透射式l c d 投影机分色系统将光源发出的光分解成红、绿、蓝三色后，投射到 一片液晶板的相应位置或各自对应的三片液晶板上，经信号调制后的透射光合成为彩色 光，通过透镜成像并投射到屏幕上。优点：体积小、重量轻、操作简单、成本低，缺点 是光利用率低、像素感强。 3 反射式l c d 投影机：将透射式电极换成反射膜，调制光经液晶反射后，再通过透镜 投射到屏幕上。由于控制电路位于液晶板下面，而光线在液晶板上反射，因此控制电路 不影响亮度，同时可以提高了光的利用率。 4 d l p 数字光学处理技术投影机：是当前唯一全数字技术投影机其成像器件是 浙江人学顺| 学位论文 d m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 。其成像原理是通过微镜的转动( 1 0 。) 控制调制光 的反射方向，从而控制浚点信号的通断，然后通过透镜成像并投射到屏幕上”1 。这个技 术的优点是光利用率高、色彩丰富、响应速度快、亮度和色均匀性好、体积小、重量轻。 5 光阀投影显示技术：根据寻址技术、光阀以及上述两者之间所用的转换介质的不同 可以分为许多的种类，目前应用广泛的是由c r t 、转换器和液晶光阀组成的大型光阀投 影机。它使用高清晰度c r t 作为像源，经转换后通过光阀成像。优点是分辨率高、没 有像素结构、亮度高，可应用于光线明亮的环境和超大屏幕显示，缺点是成本高、体积 大、重量熏、维护比较困难。 1 2 投影显示光学系统结构 1 , 2 1t f t 液晶投影技术 在投影显示技术中，高温多晶硅t f t - - l c d 投影技术是最为成熟和发展较早的一 种，它在投影仪方面拥有大量的市场和坚实的技术基础。高温多晶硅t f t l c d 衬底材 料采用的是石英板，成本较高，目前生产t f t - - l c d 芯片技术比较成熟的是日本。 图1 i 为三片式t f t 液晶投影系统示意图。由光源发出的光经反光碗后，再通过复 眼积分器、偏振转换系统和分色系统将自光分成红、绿、蓝三色光，分别照在r 、g 、b 三块液晶板上，图像信号由驱动电路写入三块液晶板中，再经过系统中的合色棱镜合成 彩色图像，最后由投影物镜投射到屏幕上形成显示彩色图像。 图1 1 三片式t f t 液晶投影系统 t f t - - l c d 投影技术非常成熟，其优点在于两片互相正交的偏振片之间仅有l c d 2 i 折江人学坝i 。学位论义 板，没有l c o s 所遇到的复杂的偏振问题，t f t - - l c d 的制造工艺相当成熟。但是在技 术、价格上的发展空间较小。因为t f t - - l c d 投影仪工作订：液晶板的透射模式下，作为 象素点丌关挖制的三极管被安置在液晶板的相应位置上，：二极管自身要阻挡部分入射的 光线，因此丌口率( 有效显示区域) 不高，约为5 0 左右。另外因为t f t l c d 所利用 的是偏振光，所以其透过率也不高，因此亮度和分辨率都受到一定的限制，因此，t f t l c d 很难在高端投影产品中发展。 1 2 2d l p 投影技术 微机械投影显示技术以德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ) 的d l p 5 1 为代表。d l p ( d i g i t a l l i g h tp r o c e s s o r ) 数字光处理器，是基于数字微反射镜器件d m d 的微转动来调制光线的开 关而得到投影显示的方法，d m d 芯片是d l p 技术的核心与基础，d m d 芯片上有数十 万片的小镜片，每个芯片可作最大正负1 0 度角度的改变，图像信息便是由这些小镜片的 不同反射角度组成。如图1 2 所示，在单片d l p 系统中，用色轮( c o l o r w h e e l ) 来产生 全彩色投影图像，当色轮旋转时，红、绿、蓝光顺序地投射在d m d 上，色轮和视频图 像是同步进行的，由人眼完成三色混色。 d l p 技术是一种新兴的显示技术，其发展速度非常迅速，现在d l p 技术已经比较成 熟，在便携投影仪方面占有大量市场，目自口d l p 正从前投市场发展到背投市场，d m d 技术只有德州仪器公司独家提供，单片d m d 利用时序方式同时实现灰度和颜色还有一 定困难，产品易产生灰度轮廓欠缺，象素数字噪声较大，在近距离观看时尤为明显。 图12 单片d l p 投影显示系统 1 2 ，3l c o s 液晶硅投影技术 l c o s 相对j _ 前两种微显示技术和传统的半导体技术，它是液晶显示技术和c m o s 传统半导体技术的结合，l c o s 是液晶t 作在反射模式下的，半导体开关刚好隐藏在金 属反射电极f ，丌口率可超过9 0 ，太大高于t f tl c d 。l c o s 的基底是单晶硅，上面 可以直接集成大量驱动控制电路甚至图像处理功能模块，所以肯望实现“单片显示器” 。从长远看，这也是l c o s 可以长远发展的一个基石。，j 外，l c o s 分辨率可以非常高， 象素控制门的开关速度很快，器件的响虑速度仅受限r 液晶本身。由于半导体硅工艺和 液晶工艺并非十分匹配，对半导体制造商和液晶器件生产厂商而言，l c o s 都是一个全 新的工艺。但是，由于l c o s s e 作在液晶的反射模式下，在l c o s 前需增加一个偏振分束 装置，女h p b s ( p o l a r i z i n g b e a ms p l i t t e r ) ，来产生偏振光，结构较为复杂，对比度通常不高， 这也是l c o s 进展较慢的一个原因。 l c o s 投影仪的特点是：反射式成像，开口率较高，光能利用率高；清晰度高，每 个象素约为l o u m ，是三种投影显示中分辨率最高的：图像质量高，由于较小的象素间距， 因此可以产生及其细腻、清晰和柔和的图像，得到的图像更鲜亮、更逼真、灰度层次和 对比度更高。 剖13 色幽方体拉影系统 目前，l c o s 投影显示主要有三片式显示和单片式显示两个方式。二片式投影显示 种 案是采用一向色镜和x c u b e 结构米完成分色和合色，第一二种方案采用c o l o r l i n k 公 司的色四方体( c o l o rq u a d ) 来完成分色和合邑。这种四方体的结构分别是四块偏振分 柬镜和凹片偏振干涉滤光片。c o l o r q u a d 方式的光能利用率较高，但是每个l c o s 都需要 经过精确二维调节对准刊能够起到很好的台色作用，而且色四方体的成奉相当高，工艺 经过精确三维调节对准才能够起到很好的合色作用，而且色四方体的成本相当高一j 一艺 4 浙江人掌岫j 学位诠史 很复杂。 l c o s 投影显永的另一个方式是单片式显示，以p h i l i p s 的卷帘- 彩色显示为代表。图 14 为p h i l i p s 公司提出的使用旋转棱镜的l c o s 投影系统，这种模j 的优点是只需要一个 l c o s 板，利用卷帘式滚动色带，滚动色条技术来实现彩色显示。光源发出的光首先经 过两块二向色镜分为红、绿、蓝三色光路，三路光线再分别经过透镜和旋转棱镜投影在 同一个液晶板上。当三块旋转棱镜快速旋转时，r 、g 、b 单色光束依次扫描过液晶器 件，通过液晶器件的调制，出射光中携带了相应颜色的图像信息，当旋转棱镜旋转速度 大于人们眼睛的响应时问，就会产生视觉迟滞效应，将r 、g 、b 单色图像叠加还原为 彩色图像。该系统采用单片式l c o s ，从而避免了三片l c o s 投影中无法回避的繁复的三基 色会聚调整工序，同时，因为不用色轮，所以不会造成光线2 3 的浪费，可以提高光源 能量的利用率。单片式l c o s 技术，驱动扫描和颜色扫描同步，提高了显示图像在时间上 的占空比，从而不但提高了光能利用率，也降低了图像的闪烁“1 ，提高了图像的再现能 力。 图1 4p h i l i p s 旋转棱镜投影系统 1 3 传统投影灯源与l e d 照明 光学引擎是液晶投影显示光学系统结构中的核心，而照明系统则占据了光学引擎相 当大的块成本。照明系统是投影光学系统结构的重要组成部分，决定着系统的能量利 用率、照明均匀性以及对比度等性能。系统中。影响能量利用率的主要因素包括光源的 输出光通量分布、照明系统结构、系统的数值孔径限制以及各种光学元件的透反射和吸 收损耗等等。其中由于目前的设计方式的局限和材料选用的限制，光学元件自身引起的 能量损耗的可改善程度很小，而系统的数值孔径主要由空间光调制器的特性和投影物镜 5 浙江人学坝i ，位论殳 的数值孔径所限制，如果需要较大的提高，会以影响像质为代价。所以当光源的光分布 固定的条件下，为提高系统能量利用率所作的研究主要集中在改进照明系统结构设计方 向上。 图1 5 照明光斑形状的转换 照明系统的作用就是收集光源发出的光能，并在微型显示器件一卜形成亮度均匀的照 明光斑。1 。同时调整照明光斑的形状，以适合显示器件通常具有的4 ：3 或1 6 ：9 的矩形形 状要求，如图1 5 所示，减小由于照明光斑形状不匹配而产生的能量损失。 1 3 1 传统光源照明系统介绍 传统照明系统最典型的是方棒又称为积分棒系统和透射型复眼系统“。 方棒又称为积分棒，方棒照明系统在液晶投影显示系统中将光源发出的圆型光斑转 化为能高照明光阀器件的矩形光斑，同时提供均匀照明并提高光能利用率。广泛应用与 各种投影显示系统中，方棒的分析和设计对投影系统的能量利用率和光斑的均匀性的影 响很大，因而国内外对此有大量的研究。1 9 9 6 年，b a j a c o b s o n “”在其文献中将方棒 进行了展开设计，并提出了方棒截面大小和长度对系统光能效率和均匀性的影 响d a v i d a r m i t a g e 等人也作了进一步的研究。 6 浙江人学碗i 学位沧殳 其工作原理传输原理，如图1 6 所示。目前b 光棒配合使用的多为椭球冷反光碗，方 棒被放置于椭球冷反光碗的第二焦点f ：。方棒截晡长宽比与液晶器件长宽比相等，利用 光线在方棒内的多次反射，形成光源的虚像，在出射面上递加，形成矩形光斑，完成光 斑形状的转化。方棒后放置中继镜，其作用是可以使方棒输出光斑与液晶器件大小及投 影物镜相对孔径匹配。 方棒按照加工可以分为实心的和中空的，实心的方棒即为玻璃棱镜，空心的方棒则 由镀有高反射薄膜的四个平面反射镜粘接成。实心方棒( 常称为l i g h t r o d ) 利用光波在 玻璃内的全反射，其特点是反射效率高，加工方便，成本低。而空心方棒( 也称为 l i g h t t u n n e l ) 利用反射镜实现光能在方棒内的传输，反射效率不如空心方棒，但也避免 了实心玻璃材料的吸收和实心方棒前后表面的折射造成的能量损失，同时由于在进入方 棒的入射面时没有折射现象，光线在方棒内具有更大的角度，因而空心方棒可以在更短 的长度内实现同样次数的内部反射，达到相同的照明均匀性，缩短照明系统的尺寸。而 且实心方棒种如果前后表面有不平整或者污点会影响光斑的均匀性和光能利用率。 光源发出的光线经椭球碗反射后会聚成像在方棒的入射端，进入方棒的光线由于空 问角度不同，在方棒内发生不同次数的反射。光线每发生一次反射，就可以将光源关于 反射面对称为像一个虚拟光源，而发生第二次反射时，虚拟光源就被再次成像，这样经 过多次反射后，就可以将实际光源展开为二维光源阵列，阵列中每个虚拟光源的个数于 光线反射的次数相关，而阵列的行数和列数由在横向和竖向具有最大的入射角的光线发 生的反射次数决定。图1 7 给出了光源阵列展开的示意图。 k ? 图1 7 光源阵列展开的示意图 光源发出的光能经过方棒多次反射后均匀叠加在方棒的出射端，但由于光学系统结 构和方棒尺寸的限制，后续光阀的可利用光线的角度，通常不直接将方棒的出射面直接 管于空间光调制器的表面卜- ，而存方棒后面需要引入额外的照明透镜组，将方棒出射的 浙江人学硕士学位论义 光斑投影到空删光调制器上，并且将光线的角度转换为空问光凋制器所能利用的角度， 形成亮度均匀的照明光斑。 该照明系统具有成本小、价格低、工艺简中的优点。 复眼照明系统也是投影显示系统中广泛使用的一种照明结构，通过照明系统能够将 光源发出的圆形光斑转换为显示器件需要的矩形光斑，同时有效的提高系统的照明均匀 性。图1 8 给出了复眼照明系统的基奉结构。复眼照明系统由光源、复眼透镜和准直照 明透镜组成。复眼透镜由小透镜阵列组成，也可以称为透镜阵列。图1 9 给出了实际的 双排复眼透镜准直透镜 荔一j 艨 = ，k - 1- 二、1 臼 。一一 二 j ；，t k f l 复眼透镜的阵列结构。 图1 ，8 双排复眼透镜工作原理图 图1 9 复眼逶镜的基本结构 明面 复眼照明系统的工作原理是：光源发出的光，几乎平行投射在第一组复眼透镜上， 光线经过第组复眼的小透镜会聚成像在第二块复月艮透镜上，从而将一个光源在第二块 复眼透镜上成像多个光源。第二组复眼透镜位 卜第一组复眼透镜的焦半面上，它的每个 小透镜将前排复眼对应的小透镜重叠成像于无穷远，然后出后继照明透镜组成像于空间 浙江人学f 学位论文 光调制器的表面上。准直透镜同时又把第：排复眼透镜( 第一排复眼所成的多个光源像) 成像在投影物镜的出瞳处( 无穷远处) ，复眼照明实质上是一种_ f i i 拉照明结构。由于光 源的整个光束被分为多个细光束，每束细光束的均匀性叠加照明的均匀性比整个宽光束 照明好，而且对称位置上的细光束光斑相互霍加，有利于补偿了单个细光束照明的不均 匀性，因而采用双组复眼透镜的系统可以获得良好的照明均匀度。 复眼照明系统的设计比较复杂，装配中需要精确调整其两块复眼透镜的相对位置。 1 3 2l e d 照明的发展 在进入新世纪的时候、大家都在关心：“什么光源将是2 1 【l 上纪的照明新光源? ”现 在，众多的人认为2 1 世纪照明新光源是发光二极管l e d ( l i g h te m i t t e dd i o d ) “。l e d 作 为第四代光源、有极其光明的发展前景。 最早应用半导体p n 结发光原理制成的l e d 光源要追溯到上一世纪6 0 年代初。当时 所用的材料是g a a s p 、发红光( 峰值波长2 r = 6 5 0 纳米) 。当驱动i 。流为2 0 毫安时，l e d 的 光通量只有千分之几流明、发光效率仅只有0 1 流明瓦。7 0 年代初期到中期，技术进展 飞速，光效提高到1 流明瓦，而且发出其它颜色的l e d 光源也相继面世，覆盖了从红色 到黄、绿色的主要光谱范围。到8 0 年代初，出现了g 。a l a sl e d 光源，使得8 0 年代后期 时，红色l e d 的光效已经达到1 0 流明瓦。在9 0 年代初，两种新材料的l e d 光源被开发出 来，即发红光、黄光的g a a l l n p 干r l 发绿、蓝光的g a i n n ，这两种材料的开发使l e d 的光效 进一步得到大幅度提高。n 2 0 0 0 年时，前种材料被做成的l e d 在红、橙区( ；t r = 6 1 5 纳米) 的光效达到1 0 0 流明瓦，而后者制成的l e d 在绿色区域( 2 r = 5 3 0 纳米) 的光效为5 0 流明 瓦。 新型可见光l e d 单晶树料a 1 g a h l p 和g a n 为主。发展趋势主要是实现全彩、提高亮 度、改进封装、显示大型化，材料外延生长的新技术实现产业化“。1 。金属有机化合物、 汽相淀积( m o c v d ) 法的晶体生长工艺已经成为当代开发、生产新型l e d ，实现全彩化、 高亮化的关键技术。 1 全彩化：实现全彩化的一大难题世实用化的可见光l e d 中缺少蓝色，因为要实现全 彩( 包括白色) 显示，必须要有红、绿、蓝三基色，因而蓝色l e d 的发展一直受全彩显 示所驱动。多年来，同本、美国等国都在极力研究开发蓝色l e d 。1 9 9 4 年f 1 本日亚公司 首先成功的丌发了蓝色l e d 主要应用于全色显示屏，现在能够销售蓝色l e d 的厂商也只 9 浙江人学顺l 学位论文 宵日本日亚公司和美国c r e e 公司二家，但至今仍未形成大批量牛产。改善蓝色l e d 的 晶体材料质量，提高发光效率，降低生产成本仍是今后发展的主要 j 标。蓝色l e d e 0 问 世时候售价高达5 0 美元只。随着生产技术的小断改进，目前低亮度的蓝色l e d 价格已降 到i 美元只，今后随着技术的成熟，价格将会继续一卜跌。预计至1 2 0 1 0 年蓝色l e d 的亮度 将和红色、橙色、黄色、绿色l e d 不相上下，而且售价只有5 美分只。 2 ，高亮化：目前全球l e d 的产值中高亮度产品约3 0 0 6 0 。至2 0 0 5 年，全球l e d 的总产可 突破3 8 4 6 亿美元，其中高亮度产品，每年都有大约3 0 的增长，至于中低亮度的产品 增长率不会超过5 。再者超高亮度( 法向光强超过1 0 0 0 m c d ) 的红、橙、绿、蓝色l e d 产品已进入市场，使一些户外广告板、超大型屏幕、交通指示灯、汽车尾灯、刹车灯、 方向灯等应用在扩大。 3 ，大型化：为了满足显示器这一应用领域的需求，可见光l e d 之所以会出现这一发展 趋势，主要是与液晶显示器相比，由于l e d 可以以并联的方式联结在起，不受尺寸大 小的限制，而且l e d 本身可发光。对于一些需配备大尺寸的产品而言，更希望一些大型 化的l e d ，目前显示屏的最大尺寸已经达至l j l 0 x1 5 m 2 。 4 封装小型化：封装小型化主要是指适合于表匠安装的l e d 品种增大。表面安装l e d 为带盘式的封装，卷盘尺寸大约为1 1 7 8 r a m ，可以容纳大约2 0 0 0 只l e d 管芯。大部分尺 寸为2 9 1 3 m m 2 ，最新的表面安装l e d 产品将采用专有的“模制内部连接装置技术“， 使用高效反射外壳，保证了亮度，还适合于回流焊接。表面安装l e d 己成为封装小型化 的主流和方向。 1 3 3l e d 的优势 表1 1 l e d 与各种投影光源的性能比较 灯效率增亮 光源种类色温k寿命h弧长m m主要用途 ( t m w )时间 2 0 32 5 卤灯 3 0 0 0 - - 3 5 0 0 近似点光源短小型投影仪 ( 1 5 0 5 0 0 w ) 2 0 0 0 2 5 4 05 8 0 0l 0 0 0 1 大型高功率商务投影 氚灯 长 ( 】5 0 w 7 k w ) 白然光 2 0 0 0( 7 k w ) 仪( 尤其是d m d 用) 金属 6 0 8 02 0 0 0 l2 ( 5 0 w ) 2 0 0 w 以上的高亮度投 6 5 0 0 - - 8 0 0 0 长 卤化物灯 ( 8 0 4 0 0 w )5 0 0 035 ( 2 5 0 w ) 影仪 超高j 最 6 01 12 7 0 0 0 8 5 0 0 2 0 0 0 越1 0 0 w 级低功耗投影仪 求灯 ( 1 0 0 1 5 0 w )( 1 0 0 1 5 0 w ) 无i u 极1 0 0 5 8 0 0 数万k正萌：开发 1 0 浙江人掌颂i 学化论乏 h 【d 自然光 r e d3 0 4 0 g r e e n2 0 3 0 l e d 1 0 0 0 0近似点光源极短微型投影仪 b 1 u el o 1 5 靳i t e1 5 2 5 由上表格可以看到，相比u h p “4 1 光源，l e d 具有以下优点： 1 效率高：按照通常的光效定义，l e d 的发光效率不高( 般1 0 3 0 1 m w , 目前己知 光效最高的白色l e d 光效可以达到1 5 0 1 州w ) ，但由于l e d 的光谱几乎集中于可见光 频段，效率可以达到8 0 9 0 ，而光效差彳i 多的白炽灯其可见光效率仅为1 0 2 0 。 2 光线质量高：由于光谱中几乎没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，l e d 属于典型的绿色照明光源，而u h p 灯的发光辐射比较严重。 3 ，光色纯：与u h p 光源全频段光谱不同，l e d 的光谱狭窄，发出的光线很纯，并且 颜色鲜艳。 4 能耗小：单体l e d 的功率一般在0 0 5 1 w ，通过集群方式可以量体裁衣地满足不 同地需要，浪费很少，而u h p 灯的耗能是l e d 的3 0 倍左右。 5 寿命长：光通量衰减到7 0 o 地标称寿命为1 0 万小时，而u h p 灯的寿命约为两千小 时左右。 6可靠耐用：没有钨丝、玻壳等等容易损坏地部件，非正常报废地可能性很小，维护 费用极为低廉。 7 ，应用灵活：体积小，可平面封装，易开发成便携式小产品，做成点、线、面各种形 式地具体应用产品。而u h p 灯体积大，不易于操作。 8 。绿色环保：l e d 的废弃物可以回收，没有污染，不像u h p 灯含有汞等有害成分。 根据l e d 的特性与优势，其作为微型投影显示是最为理想的选择。l e d 作为新一 代的绿色环保光源可以解决u h p 光源的诸多技术问题。但是因为l e d 和u h p 灯的光学 特征和结构特征有着明显的差异，所以l e d 的照明系统不能和u h p 灯的一样，如何高效 的利用l e d 的光能成为一个非常有研究价值的问题。 1 4l e d 投影显示发展现状 随着l e d 的亮度的提高，并以其体积小，颜色丰富，驱动和控制较简单，变化多样 且寿命长、功耗低等诸多优点逐渐取代传统的弧光灯、高压汞灯。并逐渐应用于显示投 浙江人学蜘i j 学位论z 影系统。 最甲提出l e d 应用于微型投影显示系统的是在p r o j e c t i o ns u m m i t2 0 0 3f ：，l e d 制造厂 商l u m i l e d 公司”已经展示了基于l e d 照明的超小型投影仪( p o c k e tp r o j e c t o r ) 的概念机， 如图1 1 0 所示。整机大小为6 3 1 英寸，用了个3 w 的白光l e d 作光源，并由4 节a a 电 池供电可持续工作半个小时。调制器件采用的是s o n y 的0 4 4 英寸h t p s8 0 0 2 2 5 液晶板， 但是其透过率只有4 。l u m i l e d 已经试制了多种光引擎结构，但是最好的也只有数个流 明的输出，黑白模式的可以有6 个流明，基于m e m s 的投影仪则可以达到1 5 流明。 图1 1 0l u m i l e d s 的口袋式投影仪 随后，l e d 作为一种绿色新型的光源，被显示界所看好，所以近年来，将l e d 代替传 统的光源，应用于各种类型的投影显示器之中。 1 4 1l e d 应用于d l p 系统 d l p 系统不像l c o s 和l c d 系统利用偏振光，所以对l e d 发出的光的利用率较高，这对 发光亮度仍然不高的l e d 来说是至关重要的，在美国专利( ( l e d i l l u m i n a t i o n t y p e d m d p r o j e c t o ra n do p t i c a ls y s t e m t h e o r y ) ) “”中介绍了一种l e d 阵列作为光源，三片式的 d l p ( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s o r l 投影显示系统，系统采n l e d 阵列作为光源，减小了体积， 重量，延长寿命，通过点亮红、绿、监l e d 的占空比和合色棱镜来合成所需要的颜色。 系统结构图如图1 1 1 所示。 图中可见l e d 采用阵列排布，并采用x c u b 合色镜和照明透镜作为合色聚光系统 12 浙汀人学倾卜学位论殳 这样的照明系统的设计，虽然l e d 总的输出照明光通量很大，但是聚光镜的收集效率 很低，而且最后能被d m d 利用的光线的角度为f 负1 2 度，所以此设计的光能的利用 率很低。 蓝色址d 阵列 图1 1 1l e d 照明d l p 投影显示系统结构图 1 4 2l e d 应用于t f t - l c d 显示 除了应用于d l p 投影显示系统中，l e d 同样被研究应用于液晶显示系统“，其中典 型的设计结构图如图1 1 2 所示，整个系统包括红、绿、蓝三色l e d 阵列，方棒，偏振转 换器，液晶板，x c u b 棱镜和投影镜头。每种原色由四个l e d 组成，一共1 2 个l e d 组成。 l e d 发出的光被抛物反射镜聚集，经过偏振转换器形成s 偏振光，积分系统一光棒均匀 l e d 光分布。三片式液晶板分别被三原色照明，合色棱镜起到三色会聚的作用，最后投 影物镜将图像成像在幕上。这种系统输出为2 5 流明，照明4 0 英寸的屏幕。 图1 1 2l e d 照明液品投影显示系统 此系统的照明系统采用和高压汞灯一样的反光碗来收集l e d 发出的光能，可是l e d 的 1 3 浙i i 几学坝i 学位论文 反光为朗f f l 体分布与高压汞灯的发光分布完全不同，所以采用一样的聚光系统会造成 l e d 的能量利用率较低，所以此照明系统并不适合l e d 光源。 1 4 3l e d 应用于l c o s 显示 l e d 光源应用l c o s 投影显示器中，有文章设计其光学系统结构应用于台式立体电脑 上，结构图如图1 1 3 所示“，与前面所不同的是，此系统采用三色l e d 阵列照明，单片式 l c o s 系统中，最后的设计图如图1 4 n 示，l e d 投影系统将光线投影到一个三维的屏幕上， 形成三维立体图像。此三维立体台式电脑在屏幕上最后可以得至f j l 0 0 c d m 2 的照度，并且 功耗只有9 瓦。 图1 ，1 3l e d 照明l c o s 显示器结构图图1 1 4 三维立体台式电脑设计方案 此照明系统和d l p 中采用的一样，这里l c o s 只能利用偏振光，几乎为照明光能的 一半可以被利用，所以光能利用率更加低。所以此系统也有待商榷。 1 4 4 单个l e d 应用于投影显示 由于l e d 轻便、功耗小等特点，而l e d 的亮度也在不断的提高，所以在微型显示 器的应用中“”1 2 ，有极大的潜力，单个l e d 也逐渐应用于微型投影显示系统。 单个白色l e d 照明单片式微型投影显示器设计图如图1 1 5 所示。l e d 选择5 w 的 白色l u x e o n 作为光源，此光源大小为2 2 m m ，光通量输出1 2 0 1 m ，驱动电流和驱动电 压为7 0 0 m a 和7 v 。l e d 的准直镜为全反射和透射面组合而成的系统。这样的设计需要 保持比较好的光学扩展量，和显示的光分布的均匀性。而其他的部件，如光阀，投影物 镜，电路都是从现有的一些投影仪中直接移植过来的。在整个系统中，用0 7 英寸的l c d 芯片，投影物镜的f 值为1 6 。在距离1 5 c m 处投影面积达到5 5 英寸。屏幕增益为l ， 浙江人学碗i 。学位论义 反射率为9 0 ，测得屏幕上得照度为1 7 0 c d m 2 ，算得投影仪出射光通量为4 1 m 。 ；- p q - o c o l l i m a l t rl e b 图1 1 5 单个l