激光工程機，激光電影機及國內特有的激光電視近期在國內火熱，德州儀器（TI）也將發展激光微投用于無屏電視。為什 么激光光源會取代UHP燈泡甚至LED光源 ? 激光投影機的發展趨勢是什么？
一.為何有了環保的LED 半導體光源，還需要激光？
高壓汞燈(UH P) 光源在投影機發展史占很重要的地位。由于 UH P發展將近二十年，他的好處是投影機的集光系統由此變得很 簡單，又因技術成熟，所以價格低廉，以致至今還是占領主流市 場位置。
但UH P含有鹵素及汞元素等有毒有害物質，被列為對環境不 友好的產品。因此近幾年來TI極力開發半導體光源，以取代UH P 燈。首先，在LED光源的設計上，LED可以即開即關，無高壓啟 動點燈干擾系統運作問題，光譜色彩純正，超長壽命達60,000小 時；但其發光面積大，對投影機芯片（DM D）的收光效率不佳， 因此投影機亮度不易超過2,000 ANSI。
這對于主流應用2,500-3,000 ANSI 才足夠的需求，的確沒能 拿到入場券。LED光源投影機，只在有特殊用途的電視墻及家庭 劇院占有一席之地。
因此TI繼續尋求更高亮度的半導體光源，三年前開發出藍色 激光加上熒光粉的組合光源。
為何沒有設計RGB純激光的光源？
（1）成本考慮:
激光二極管目前的技術，以藍色最為成熟，以光瓦計價，藍 色：USD 3/W 。紅色次之：USD 12/W ，綠色最貴：USD 20/W 。 因此，以純激光RGB二極管來組成光源，其成本太高，一般應用 在高端電影院市場。以成本考慮，設計光波長轉換的方法，以藍 色激光去激發熒光輪，以產生較長波長的光線如綠色，黃色或紅 色，是比較現實可行的。
（2）色彩考慮：
色彩的優或普通，完全取決于光譜的分布寬廣。LED有較佳 色彩，熒光激發光色彩純度稍弱。
想辦法讓光譜分布集中，采用顏色飽和及色域寬廣的方法。 作法上有，以色輪做光譜窄化，選用LED 或甚至采重成本以RGB 激光都可以擴大色域范圍。
將亮度、色彩及成本最佳組合產生的結果是，以最有效率的 藍色激光（技術最成熟），去激發熒光粉（這技術在白光LED是 成熟的）以產生綠色及紅色的光，加上激光本身的藍光，完整提 供投影機的RGB三原色。
二.激光與LED 光源的比較
我們從技術角度比較激光與LED 的差異，讓大家理解在主流 市場激光為什么會被青睞？
請看圖1、圖2組件基本結構。激光也是具有LED PN二極管 的架構，但激光在組件上增加了光的共振腔，可以精密地篩選特 定波長的光，在腔室內不斷共振聚積能量，并透過準直鏡投光 出去，以產生高密度聚焦的光束。相對來說，LED的聚光架構簡 單，所以發光的角度大，光密度較低。
圖1 激光二極管內部結構
圖2 LED 內部結構
在投影光學里，我們關注光的集光效率，叫Etendue (光展 量）= A*Ω，是一個發（收）光面積乘以發光角的一個數據。請 看圖3。
圖3 光展量（Etendue）的圖示
光源部分，As : 發光面積，Ωs: 發光角度；
顯示部分(DM D)，Ai : DM D面積，Ωi: DM D收光角度。
這里有一個準則，光源光展量 越小越好，顯示的光展量越大越好。 A i*Ωi決定光源被收納的有效性。光 源系統發光的E tendue等于顯示系統 的E tendue時是最佳的組合。當光源 Etendue大于顯示組件，部分光源就不會被納入而浪費掉了。
圖4 投影用LED 光源外觀
以下我們從光展量及電光效率，來比較LED與激光的優劣性。
光展量：激光有數十到百倍的優勢
光展量＝面積＊發光角
LED發光面積4.8×2.2m m (OSRAM P3W )，發光角約60°。
激光光源發光面積30×1 um，發光角5°×24 °(雙軸不對稱)
由以上數字即可看出單顆激光在光展量上有百倍以上優勢 （聚旋光性佳）。
電光效率：激光等同1.4倍LED的能原效率
激光功耗 : 2.5A x 4.3V = 10.75W ；
激光光能輸出: 3.6W ；
電光效率：3.6/10.75 = 33% 。
LED功耗 : 3.55V x 36A = 127.8W ；
LED光能輸出：30W ；
電光效率：30/127.8 = 23%
驅動器效率損失：激光驅動省5%能耗
激光驅動器以2.5A 運作，LED 是36A ，電流大通過電路阻 抗，其損耗就大，至少有5% 的差異。
以組件電光轉換效率、驅動器損耗及集光效率的光展量等參 數來看，激光有較佳的節能效果。
換個講法，可以采用較小面積的D M D 面板，以縮小光機體 積，仍然可以保持亮度。
三.激光與U H P燈泡的比較
無須更換燈
UH P燈的壽命一般在2,000-3,000 小時，但激光在全功率下 至少有20,000小時壽命，相較之下有約10倍壽命。若以每天用滿 8小時，一年工作250天，可以整整用上10年。幾乎投影機有生之 年都不用換燈，免除擾人的換燈售后服務及昂貴的費用。
光源強度可以自我設計
U H P光源及LED 都只能從廠家提供的幾個瓦數里做設計選 擇，但激光光源可以讓廠家設計自己要的亮度。以前高亮的工程 機所需要雙燈或多燈的設計，現在可以做激光單燈設計。目前率 先找到定位的投影機是高亮工程機，所有工程機廠家都已導入激 光光源。
四.激光投影機的光源模塊如何實現？
激光投影機的光源不再只是一個組件（如UH P，LED ），它 是一個模塊的結構，因此設計沒有標準。可以因亮度、色彩及成 本，產生多種組合的架構。目前產業界的設計考慮著重于色彩質 量及亮度的要求。因LED 光譜，激光光譜及熒光粉激發光譜的特 性不同，激發的熒光亮度高，因此產生多種設計架構。
以藍色激光激發熒光粉以產生的綠色紅色或黃色光，其光譜 分布較寬廣，請看圖5，會導致色域較限縮。寬光譜是熒光粉的 天生掣肘，可以外加色輪以修整光譜以得到較寬廣的色域。
圖5 激發的熒光光譜分布及色域圖
圖6 LED 光譜分布及色域圖
圖7 激光光源模組
相較LED 光譜較集中，激光可以有較寬的色域。請看圖6。
以下我們探討激光光源模塊的結構及其使用的組件。
激光光源模塊的主要組成是：
1.激光二極管：發光組件，是藍光激光二極管；
2.波長轉換熒光輪：接受藍色激光刺激，以產生長波長綠 色，黃色及紅色光的組件；
圖8 反射式激光光源架構圖
3.聚光合光光學部品：聚焦激光到熒光輪，并收集激發光成 平行光，以提供光源給投影芯片。
激光光源架構依光路可分：
1.反射式：TI 的建議設計是以反射式熒光輪，加上色輪過濾 光以構成符合色彩REC.709要求。其光路復雜但可以提供較高流 明輸出。請看圖8。
2.穿透式：以穿透式熒光輪內建色輪，二輪合一的設計，可 以簡化光學設計。但其缺點是亮度無法大幅提升，因熒光輪會吸 光產生熱。請看圖9。
圖9 穿透式式激光光源架構圖
激光光源架構依發光源分為：
1、純RGB 激光：可以得到非常廣的色域，但價格很高，只 合適高檔應用。請看圖10。
圖10 純RG B 激光光源架構及超廣色域
2、藍色激光熒光輪光源：這是典型的激光光源架構，光路 較單一化，但色域較小。一般會用色輪來優化色域。請看圖11。
圖11 典型的激光光源架構
3、激光及LED 混和式光源：用以改善紅光純度：以紅色 LED 取代紅色熒光激發光，綠色光還是由激光激發熒光粉以產 生。請看圖12、13。
圖12 紅色LED 與激光熒光混合光源
用以改善藍光純度：藍色光以LED來提供，綠色，紅色及黃 色光由激光激發熒光粉以產生。
圖13 藍色LED 與激光熒光混合光源
五.激光光機未來發展方向：
熒光輪的演進：改善散熱及涂布均勻，對于熒光輪的轉換效 率，影響因素主要有兩個。
1.工作溫度：熱會讓轉換效率變差及影響信賴性。
因此，現在工藝上努力解決的問題是散熱，嘗試以陶瓷或 玻璃與熒光粉混和，取代早期的硅膠可以讓熒光輪更耐熱。增加 信賴性及可以操作在更高溫，以減輕散熱的要求或可以耐更高瓦 數的激光。另外，熒光輪采用鋁鏡基板取代之前的銀鏡基板，可 以增加散熱能力。
2.熒光粉涂布的厚度：太厚或太薄的熒光粉轉換效率均不是 最好。
從前是用涂布的方式涂上光粉，容易有厚薄不均問題。現在 改用印刷方式，可以產生一致的厚度。紅光熒光粉對熱的耐受性 不好且轉換效率比黃色低，成本高壽命短，因此現行設計采用黃 色熒光粉再外加色輪去過濾以產生紅色光譜。
為了縮減光學空間，嘗試以穿透式的熒光輪來達到二 合一的效果（熒光輪加色輪）。穿透式熒光輪，激光進入光有部 分被反射無法進入熒光粉，又因其吸熱較多因此轉換效率比反射 式差。因此穿透式熒光輪投影機，不使用于2,000 流明以上的機 器。
激光二極管組件的演進：增加整合度，減輕系統廠生產工 時。請看圖14。
圖14 激光半導體的演進
早期投影機廠家開發激光光源，是以購入激光二極管顆粒， 自行將多個組件組合做光線調校對正。近期激光組件廠家，提供 已經調校對正的模塊，讓系統廠家降低生產的障礙了，并減少與 客戶的技術服務。另外有一種新型型態出現，將二十個激光二極 管的晶圓直接焊接在銅基板上，可縮小組件尺寸，以利于光機系 統廠縮小體積的設計。
六.總結
激光投影機還在成長初級階段，組件廠及系統廠無不絞盡腦 汁，提高性能降低成本及增加信賴性。目前為了普及激光，組件 廠先以降低每光瓦的價錢為手段，熒光輪廠家則改善熒光輪的散 熱及耐熱能力，并嘗試達到更高的熒光粉發光效率，耐熱及長壽 命。往后幾年看，激光一定會有很多驚人的進展。