LED電視光源技術(shù)：概覽及DLP的優(yōu)勢

概要

本文將探討發(fā)光二極管（Light Emitting Diode；LED）技術(shù)及其應用于電視機產(chǎn)品所造成的影響。本文將著(zhù)重該技術(shù)的應用優(yōu)勢與挑戰，及其應用于DLP產(chǎn)品的特殊優(yōu)勢。 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就被應用在包括手表、計算器、遙控器、指示燈在內的各種常見(jiàn)產(chǎn)品和家用設備。LED技術(shù)發(fā)展迅速，隨著(zhù)亮度和效率的不斷提高，新的應用更是層出不窮。 LED歷史

自20世紀初期，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)現能夠發(fā)光的化合物。到了20世紀50年代，隨著(zhù)對砷化鎵（GaAs）研究的不斷深入，LED的發(fā)現終于水到渠成。

①貝爾實(shí)驗室、惠普、IBM、孟山都及RCA等公司在20世紀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(zhù)德州儀器、惠普和Sinclair等公司推出計算器和電子表等全新的產(chǎn)品，LED應用暴增。其它諸如指示燈和字母數字顯示器等應用很快成為L(cháng)ED的主流應用，并延續至今。

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體組件，其作用是在一定可控的范圍內導電。最簡(jiǎn)單的二極管由電的不良導體構成，并對其進(jìn)行改性（摻雜）以增加自由電子。高電子含量材料（稱(chēng)為N型材料）與低電子含量材料（稱(chēng)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(chēng)為PN連接。

LED就是擁有PN連接的二極管半導體，在通電后釋放光子。該過(guò)程被稱(chēng)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(xiàn)的波長(cháng)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)生藍光和綠光——這些材料生成的光子都在可視光譜之內。結合新的生產(chǎn)架構，它們可以被做成極亮的LED，用于一般照明和汽車(chē)照明。一些架構開(kāi)始應用額外的磷化物以生成白光，憑借極低的能量消耗和更長(cháng)的壽命與普通白熾燈和熒光燈展開(kāi)競爭。

全球LED產(chǎn)量已達每月40億只左右，主要生產(chǎn)廠(chǎng)商集中在臺灣、日本和美國，而臺灣地區以占全球總產(chǎn)量50%的份額居于首位。多數廠(chǎng)家只是對LED晶粒進(jìn)行封裝，只有少數幾家有能力實(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亮度達到極高水平?；迨褂昧诵碌牟牧?，提高了導熱性能，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應用，如汽車(chē)照明、交通信號，以及最新的電視顯示屏。圖2描述了新的架構。

磷化鋁銦鎵和氮化銦鎵生產(chǎn)水平的顯著(zhù)提升使藍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)系統能以等同于利用普通燈泡技術(shù)的亮度忠實(shí)地再現色彩，且壽命更長(cháng)。其它的性能改進(jìn)包括系統層的特性，如瞬時(shí)顯像，無(wú)水銀，無(wú)色彩刷新偽像，動(dòng)態(tài)可調亮度，以及更寬的色域。圖3 將LED和通用參考標準 (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準[Rec. 709]寬40%），因而色彩的忠實(shí)度更高。對于壽命和色彩還原度都有極高要求的電視機產(chǎn)品而言，LED技術(shù)尤其具有吸引力。隨著(zhù)LED技術(shù)的持續發(fā)展，其對于電視機產(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

控制LED晶粒的熱穩定性是LED發(fā)旋旋光性能和穩定性的關(guān)鍵所在。LED架構發(fā)出的漫射光從PN結構的表面和四周射向各個(gè)方向（在180度空間內均勻分布）。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，對于需要將光能集中到小型顯示設備（如DLP高清電視）成像的應用而言，任何超出系統光學(xué)徑角的光都不可用，且還有可能造成熱度并增加系統能耗。因此, 控制對光的吸收，將光的發(fā)散形狀和系統的光學(xué)徑角相對應并提升熱效率，將熱從晶粒中發(fā)散出去，對于提高LED的產(chǎn)出和可用性都至為關(guān)鍵。

對于傳統的應用而言，LED一般以連續波的模式驅動(dòng)（100%負載循環(huán)）。但對高亮度應用而言，這一模式并沒(méi)有優(yōu)勢。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載循環(huán)來(lái)驅動(dòng)LED。負載循環(huán)小了之后，LED的電流負載可以更高，并在PN連接平均溫度較低的情況下增加光的輸出。實(shí)現這一點(diǎn)的挑戰在于，驅動(dòng)電路必須能產(chǎn)生快速變換的波形，在幾個(gè)微秒之內交換極大的電流。這對于LED電源驅動(dòng)器的設計無(wú)疑是一個(gè)挑戰。不過(guò)解決方案已經(jīng)被設計出來(lái)，可以輕易地解決這一難題。

更高的溫度負載帶來(lái)的另一個(gè)挑戰是色移。隨著(zhù)PN連接溫度的變化，輸出光線(xiàn)的波長(cháng)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)系統的白點(diǎn)，因為白色是由各種顏色混合而成的。為了從根本上解決色移的問(wèn)題，LED必須以較低的功率運行，或保持極高的熱穩定性。不過(guò)隨著(zhù)對系統反饋的回應，以及恰當的電源控制演算，現今的技術(shù)已經(jīng)可以在維持高亮度效率的同時(shí)實(shí)現白色的穩定性。

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)勢的DLP高清電視，其亮度性能已經(jīng)能與基于燈泡的系統相媲美。通過(guò)使用新一代的高亮度LED，實(shí)施獨特的反饋系統，DLP高清電視已經(jīng)能夠充分利用LED照明的優(yōu)勢。圖5描述了該系統的基本光學(xué)結構。

通過(guò)獨特的反饋算法，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。

目前，運用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)處理系統信息，在廣大的操作溫度范圍內提供穩定性，并最大化亮度和可靠性。 DLP產(chǎn)品性能優(yōu)勢

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，色彩的刷新率遠遠高過(guò)現有設計水平；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)現更大的能源驅動(dòng)，并減小PN連接的熱負荷。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設備實(shí)現多重色彩配置，從而獲得更大靈活性。在DLP系統中，LED無(wú)需極化，只要將光精確地從DMD鏡面反射出去。光線(xiàn)按需取用，效率極高，使亮度和系統的效率達到最大，并減少發(fā)熱。最終的結果是系統的成本降低，亮度提高，色域加寬，遠遠超越利用普通照明源的傳統系統。

結論

隨著(zhù)LED技術(shù)不斷提高亮度和穩定性，LED照明很可能成為未來(lái)多項應用的主流光源。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比度，而無(wú)需通過(guò)光電機械部件；生成的可調節色域將遠遠超過(guò)傳統照明源。新產(chǎn)品將很快獲益于上述基本性能，提供全新的獨特設計——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帶來(lái)的更佳圖像質(zhì)量。隨著(zhù)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有的DLP高清電視產(chǎn)品。