鄭文欽

激光光源光機(jī)性能的關(guān)鍵設(shè)計

激光二極管光點(diǎn)聚焦調(diào)整：如何將二、三十顆激光二極管精確地聚光成一小面積光點(diǎn)，以聚到熒光輪上，轉(zhuǎn)化出擴(kuò)散光。激光二極管準(zhǔn)直鏡的對位將是生產(chǎn)調(diào)校的重點(diǎn)，光點(diǎn)越小對光機(jī)的集光效率越有幫助。

激光二極管散熱設(shè)計：如何把激光二極管的熱透過HeatPipe導(dǎo)出來，讓Heatsink及風(fēng)扇帶走，以保持所要求的二極管外殼50度以下溫度以保證20，000小時的壽命。LED封裝通常有一大片銅基板以為導(dǎo)熱用途。但激光二極管是以TO的封裝，其熱導(dǎo)系數(shù)約為10-20K/W，其導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)低于LED（熱導(dǎo)系數(shù)大約0.5K/W）。因此散熱設(shè)計是一件非常關(guān)鍵的工作。

好的散熱設(shè)計，若可以將二極管外殼由50度降低到40度，則激光壽命可以延長到40，000小時。

激光光源關(guān)鍵組件說明

激光二極管：

主要供貨商：Nichia，OSRAM。

主流量產(chǎn)的是1.6W，但新一代可達(dá)3.5W?？梢詼p少激光二極管個數(shù)，降低空間需求及成本。

改善散熱能力，采用更好的封裝，可以降低熱組以期降低二極管溫度，延長壽命。

溫度是激光二極管的關(guān)鍵參數(shù)。

激光二極管對溫度是敏感的，溫度提高輸出能量是下降的，如圖13.1。

頻譜會隨溫度上升而往高頻帶方向移動，如圖13.2。

熒光粉：

主要成分及添加物為鋁酸鹽，紅寶石，硅酸鹽，氮化物，硫化物。

主要供貨商有Nichia，OSRAM，Intematix。

相較于CRT及LED熒光粉，最大的差異是高能量的激發(fā)會產(chǎn)生的高熱。解決之道，以熒光輪轉(zhuǎn)動來避開持續(xù)激發(fā)同一點(diǎn)以解決高熱問題。同時以金屬當(dāng)背板來強(qiáng)化散熱。

顯示熒光粉的信賴性在激光激發(fā)轉(zhuǎn)換波長是非常穩(wěn)定的。執(zhí)行一千小時的結(jié)果，效率沒有明顯下降。如圖14所示。

透過激光激發(fā)RGY紅綠黃熒光粉，其頻譜如下圖15。若要改善顏色則改變熒光粉的選擇即可。

激光安全規(guī)范的探討：無安全顧慮，其投射光等同于UHP或LED光源。

激光投影機(jī)投光的安規(guī)要求，IEC60825-1都有規(guī)范。這是強(qiáng)制性的規(guī)范，主要考慮慮人眼光化學(xué)變化及皮膚的熱灼傷。所在乎的是光的密度（單位面積光亮度）及能量（乘以時間得到的數(shù)值）。

測試?yán)砟钍侨∑湟恍^(qū)塊投影光，測量其能量以判斷是否超過限制值，如圖16所示。

為什么激光投影機(jī)無安全性問題？大家對激光的安全顧慮是認(rèn)為激光可以切割金屬，可以打印在金屬表面，因此對激光的破壞性非常擔(dān)心。

我們的激光投影機(jī)，雖然其燈源組件是激光二極管，但在光源內(nèi)部已被光學(xué)組件及熒光粉柔化且變成平面光塊約為5mm×6mm，且透過光機(jī)內(nèi)部放大至與面板相同大小，最后被投影鏡頭放大，因此從投射出的光源在使用者端看起來，就如LED或UHP光機(jī)投射出來的光。且UHP投影機(jī)已行之多年，因此不需擔(dān)心激光光機(jī)對人體的傷害。

我們來試算激光被稀釋的比率，讓讀者有個概念，比如激光光點(diǎn)是1mm×1mm，等投射在50屏幕上，則等同稀釋40×25.4×30×25.4=774，192；加上光機(jī)效率30%，肯定投光的密度已達(dá)原始的百萬分之一。

未來技術(shù)發(fā)展

積極爭取得到投影產(chǎn)業(yè)的認(rèn)同及參與：TI自從2011年CES發(fā)表Laserengine后，每年都會在CES和InfoComm上發(fā)表新版本的光學(xué)設(shè)計，每次都會有令人驚訝的創(chuàng)新架構(gòu)。同時也帶領(lǐng)著關(guān)鍵組件廠商熒光粉，熒光輪及激光二極管做性能優(yōu)化及成本下降的動作。

未來發(fā)展的重點(diǎn)是：如何降低成本并提升性能以達(dá)大量商品化。業(yè)界正集思廣益，做提升效能的對策。比如Nichia正積極地提升激光二極管的光瓦特數(shù)；歐司朗則提供激光光源模塊，讓系統(tǒng)廠可以像使用UHPLamp一樣容易。

增加激光二極管發(fā)光量及改善光譜

Nichia近日已量產(chǎn)3.5W藍(lán)色激光二極管。將可減半二極管個數(shù)，得以縮減光學(xué)尺寸及燈的成品尺寸，從而降低激光燈源的成本。

改善藍(lán)色激光的頻譜，從445nm往455nm移動，以改善藍(lán)光的顏色。

加大熒光粉色域范圍及耐強(qiáng)光和高熱

制作以陶瓷來制作的熒光粉，以耐更強(qiáng)的光及熱。

增加光譜選擇性，以滿足不同色彩需求。并增加純度，以加大色域范圍。期望達(dá)到無須色輪即可有好色彩。以簡化系統(tǒng)設(shè)計，增加系統(tǒng)信賴度。

光學(xué)架構(gòu)的改善

激光聚光效率提升：優(yōu)化聚光集中度，降低光點(diǎn)尺寸，讓光機(jī)的集光效率提升。

為改善藍(lán)色激光原始光譜色偏紫問題，混合青色及藍(lán)色原光譜以改善色坐標(biāo)。

結(jié)合色輪及熒光輪成一個動件：（原本這兩個組件就必須完全同步），以改善成本，縮小空間及增加系統(tǒng)信賴度。

縮小光源空間：在熒光輪上，以青色熒光粉讓藍(lán)色激光激發(fā)青色光束，移除藍(lán)色激光光路的繞大圈，以縮小空間。

結(jié)語

固態(tài)激光光源的時代正在開啟，其取代UHP光源已經(jīng)是進(jìn)行式。

雖然UHP目前還是有價格優(yōu)勢，且占主要份額，但邊緣化已是明顯趨勢。整理各種光源技術(shù)的比較如下表。

未來趨勢分析

1. 激光熒光輪投影機(jī)將來可以取代高流明的工程機(jī)，因為激光壽命20，000小時遠(yuǎn)大于UHP3，000小時。另外其光機(jī)設(shè)計單純，只要一個燈即可取代UHP復(fù)雜多燈的設(shè)計。

2. 激光投影機(jī)要取代UHP前投投影機(jī)的盟主地位機(jī)會在于激光成本因大量生產(chǎn)而大幅下降。壽命20，000小時遠(yuǎn)大于UHP3，000是其優(yōu)點(diǎn)，這將占據(jù)90%以上的市場量。

3. 激光投影機(jī)可以在控制室取得一席之地，尤其在大于80英寸箱體的應(yīng)用中，及背投邊緣融合中，它的優(yōu)勢更明顯，因為它能提供高亮度但LED不能。

4. LED投影機(jī)，因其有超強(qiáng)的壽命60，000小時合適用于7×24使用的行業(yè)，如控制室。

5. RGB三色激光投影機(jī)，屬高端應(yīng)用，著眼于非常好的色彩要求展現(xiàn)，將應(yīng)用于電影院或家庭劇院應(yīng)用。