LED电视光源技术：概览及DLP的优势

    概要
    本白皮书将探讨发光二极管（Light Emitting Diode；LED）技术及其应用于电视机产品所造成的影响。本文将着重该技术的应用优势与挑战，及其应用于DLP产品的特殊优势。

    介绍 
    LED已经成为一种关键的照明技术，用途广泛。自发明伊始 ，LED就被应用在包括手表、计算器、遥控器、指示灯在内的各种常见产品和家用设备。LED技术发展迅速，随着亮度和效率的不断提高，新的应用更是层出不穷。

    LED历史
    自20世纪初期，科学家们就不断寻找能够发光的各种物质。1907年，亨利·约瑟夫·让德发现碳化硅（SiC）能够发光。在接下来的50年中，不断有科学家发现能够发光的化合物。到了20世纪50年代，随着对砷化镓（GaAs）研究的不断深入，LED的发现终于水到渠成。①
    贝尔实验室、惠普、IBM、孟山都及RCA等公司在20世纪60年代首先开始了LED的研究。惠普和孟山都最先在1968年推出了基于镓砷磷的商用红光LED。在70年代早期，随着德州仪器、惠普和Sinclair等公司推出计算器和电子表等全新的产品，LED应用暴增。其它诸如指示灯和字母数字显示器等应用很快成为LED的主流应用，并延续至今。②

    LED技术背景
    顾名思义，LED就是会发光的二极管。二极管是最基本的半导体组件，其作用是在一定可控的范围内导电。最简单的二极管由电的不良导体构成，并对其进行改性（掺杂）以增加自由电子。高电子含量材料（称为N型材料）与低电子含量材料（称为P型材料）相连，为自由电子流动建立了通路。这个连接被称为PN连接。 
    LED就是拥有PN连接的二极管半导体，在通电后释放光子。该过程被称为注入发光，发生于电子从N型材料填充到P型材料低能量孔的过程中。高能电子进入低能量孔时会释放能量，产生光子。P型和N型材料层所使用的材料，以及两者之间的间距决定了生成光线的波长和能量水平。
    有多种材料可以用来生产LED，而目前比较普遍的应用是砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铝铟镓(AlInGaP)和氮化铟镓(InGaN)。磷化铝铟镓一般用来产生红光和黄光；而氮化铟镓一般用来产生蓝光和绿光——这些材料生成的光子都在可视光谱之内。结合新的生产架构，它们可以被做成极亮的LED，用于一般照明和汽车照明。一些架构开始应用额外的磷化物以生成白光，凭借极低的能量消耗和更长的寿命与普通白炽灯和荧光灯展开竞争。
    全球LED产量已达每月40亿只左右，主要生产厂商集中在台湾、日本和美国，而台湾地区以占全球总产量50%的份额居于首位。多数厂家只是对LED晶粒进行封装，只有少数几家有能力实际生产LED晶粒。图1描述了LED市场中低亮度和高亮度LED各自所占的份额。③

    LED技术突破
    近来晶粒材料和封装生产方面的创新使LED亮度达到极高水平。基板使用了新的材料，提高了导热性能，从而吸收更多的能量，发出更亮的光。亮度的提升带来了新的LED应用，如汽车照明、交通信号，以及最新的电视显示屏。图2描述了新的架构。
    磷化铝铟镓和氮化铟镓生产水平的显着提升使蓝光和绿光的亮度分别得以提高，而其它颜色（如琥珀和青色）也随即问世。这些改进使整个系统能以等同于利用普通灯泡技术的亮度忠实地再现色彩，且寿命更长。其它的性能改进包括系统层的特性，如瞬时显像，无水银，无色彩刷新伪像，动态可调亮度，以及更宽的色域。图3将LED和通用参考标准 (Rec. 709)的色域范围作了比较。
    LED照明的色域非常宽（比高清电视的色彩标准[Rec. 709]宽40%），因而色彩的忠实度更高。对于寿命和色彩还原度都有极高要求的电视机产品而言，LED技术尤其具有吸引力。随着LED技术的持续发展，其对于电视机产业的影响也与日俱增。图4描述了LED技术的演进，以及未来几年的亮度效率。④

    LED技术挑战 
    控制LED晶粒的热稳定性是LED发旋旋光性能和稳定性的关键所在。LED架构发出的漫射光从PN结构的表面和四周射向各个方向（在180度空间内均匀分布）。尽管这看起来效率很高，但实际上大部分光都被邻近的晶粒、基板，或者其它LED表面吸收了。这一吸收造成了整个LED装置热负荷的增加。为了获得最大的光输出和可靠性，热的问题必须妥善处理。此外，对于需要将光能集中到小型显示设备（如DLP高清电视）成像的应用而言，任何超出系统光学径角的光都不可用，且还有可能造成热度并增加系统能耗。因此, 控制对光的吸收，将光的发散形状和系统的光学径角相对应并提升热效率，将热从晶粒中发散出去，对于提高LED的产出和可用性都至为关键。
    对于传统的应用而言，LED一般以连续波的模式驱动（100%负载循环）。但对高亮度应用而言，这一模式并没有优势。由于PN连接的平均温度决定了LED的输出亮度和寿命，因此需要以较小的负载循环来驱动LED。负载循环小了之后，LED的电流负载可以更高，并在PN连接平均温度较低的情况下增加光的输出。实现这一点的挑战在于，驱动电路必须能产生快速变换的波形，在几个微秒之内交换极大的电流。这对于LED电源驱动器的设计无疑是一个挑战。不过解决方案已经被设计出来，可以轻易地解决这一难题。
    更高的温度负载带来的另一个挑战是色移。随着PN连接温度的变化，输出光线的波长会发生10nm以上的偏移。这一色移不仅会影响该颜色的色点，还会影响到整个系统的白点，因为白色是由各种颜色混合而成的。为了从根本上解决色移的问题，LED必须以较低的功率运行，或保持极高的热稳定性。不过随着对系统反馈的回应，以及恰当的电源控制演算，现今的技术已经可以在维持高亮度效率的同时实现白色的稳定性。 

    使用LED照明的DLP电视
    德州仪器已经开发出了充分利用LED照明技术优势的DLP高清电视，其亮度性能已经能与基于灯泡的系统相媲美。通过使用新一代的高亮度LED，实施独特的反馈系统，DLP高清电视已经能够充分利用LED照明的优势。图5描述了该系统的基本光学结构。
    通过独特的反馈算法，德州仪器证明了任何可能影响白点的色移都可以被控制在不为肉眼察觉的范围内。 
    目前，运用LED技术的DLP产品都使用了德州仪器的DSP部件实时处理系统信息，在广大的操作温度范围内提供稳定性，并最大化亮度和可靠性。

    DLP产品性能优势
    LED技术的快速交换能力与DLP技术的快速交换性能天衣无缝的互相搭配。利用DMD和LED的高速性，色彩的刷新率远远高过现有设计水平；色彩的随意排列也成为可能。最终，图像色深更大，动态效果更佳， 亮度亦更高。增加LED的交换频率可以实现更大的能源驱动，并减小PN连接的热负荷。DLP技术的快速交换能力充分利用LED新开发的色彩，通过单个DMD设备实现多重色彩配置，从而获得更大灵活性。在DLP系统中，LED无需极化，只要将光精确地从DMD镜面反射出去。光线按需取用，效率极高，使亮度和系统的效率达到最大，并减少发热。最终的结果是系统的成本降低，亮度提高，色域加宽，远远超越利用普通照明源的传统系统。
 
    结论
    随着LED技术不断提高亮度和稳定性，LED照明很可能成为未来多项应用的主流光源。今后的技术发展将进一步利用LED快速交换能力以提升视频的性能和对比度，而无需通过光电机械部件；生成的可调节色域将远远超过传统照明源。新产品将很快获益于上述基本性能，提供全新的独特设计——包括瞬时显像，更佳的色彩，以及经由DLP微镜阵列的高速响应带来的更佳图像质量。随着LED和DLP技术双剑合璧，DLP高清电视的性能和可靠性甚至将大大超越现有的DLP高清电视产品。

    参考文献
    ①　网络文摘, “A brief history of the 
    Light Emitting Diode (LED)”, http://www.wavicle.biz/led_history.html, Wavicle LED Lighting Technology, 2002.
    ②　“LEDs Are Still Popular (and Improving) after All These Years”, http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote_number/1883, Dallas Semiconductor / MAXIM-IC, Application Note 1883, February 2003.
    ③　LEDs 2005, October 2005, San Diego, California, USA.
    ④　LUMILEDS, Nanoscience and Solid State Lighting, Department of Energy
Nanosummit, M.G. Craford, June 2004, Washington, D.C., USA.