陳曉偉，姚 斌，付 玉

（廈門大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)與實踐訓(xùn)練中心，福建 廈門361005）

近年來，隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的快速發(fā)展，多媒體投影教學(xué)具有圖文并茂、大屏幕、高畫質(zhì)等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代教育不可或缺的教學(xué)手段。為了適應(yīng)新形勢教學(xué)的需要，為教師教學(xué)提供良好的設(shè)備支持，全國各級、各類學(xué)校加大經(jīng)費投入建設(shè)多媒體教室，主要的設(shè)備有電腦、投影機、功放系統(tǒng)、擴音設(shè)備、中央控制系統(tǒng)等。作為主要設(shè)備之一的投影機，其使用的光源對投影質(zhì)量有著很重要的影響。為了提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，以及為學(xué)校在多媒體教室投影機的選購上提供幫助，本文將詳細介紹投影機當前使用的傳統(tǒng)光源和新興出現(xiàn)的固態(tài)光源之間的區(qū)別。

一、投影光源

投影顯示技術(shù)是指通過投影光源，利用光學(xué)系統(tǒng)和投影空間把圖像放大并顯示在投影屏幕上的顯示技術(shù)，投影光源是其中的一個重要組成部分。

1.投影光源的重要性

無論其成像單元的結(jié)構(gòu)如何，從光源到屏幕，由不到1英寸的顯示芯片輸出100英寸的畫面，顯示面積放大了100倍，因此投影光源必須具有高亮度、高對比度等特性，它在投影機中的重要性是不言而喻的。

同一臺投影機，使用不同的投影光源，由于光源的色域、亮度和對比度的差異，投影出來的效果不盡相同。質(zhì)量不好的投影畫面，會刺激眼睛，容易引起眼睛干澀、疲勞，長期如此會造成視力下降，例如在高亮度、低對比度或者低亮度的情況下。隨著多媒體投影教學(xué)的普及，投影機光源直接影響著全國越來越多在校學(xué)生的視力健康。

2.投影光源演變

投影機廣泛應(yīng)用在教學(xué)、演示和家庭影院上，由于投影機的長時間工作，這就要求投影的光源必須具有亮度高、壽命長、散熱性好等特點。[1]投影光源伴隨投影技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個時期：①早期的蠟燭、油燈、汽燈、電燈等光源。②現(xiàn)階段的熒光燈、白熾燈、氣體放電燈等氣態(tài)光源。③新興的LED、激光等固態(tài)光源。

目前國內(nèi)學(xué)校使用的投影機有兩類：一類是LCD投影機，它以超高壓汞燈為燈泡，屬于氣體放電光源；另一類是激光光源投影機，主要以激光和LED為投影光源，屬于固態(tài)光源。LCD投影機技術(shù)成熟，市場占有率高，后期維護成本高；激光光源投影機技術(shù)先進，后期維護簡單，現(xiàn)階段售價較高。

二、投影機的傳統(tǒng)光源

1.投影機分類

按照成像原理不同，投影機主要可以分為以下幾類：

（1）陰極射線管（Crystal Ray Tube）投影機。簡稱CRT三槍投影機，是投影機的鼻祖，把輸入信號分解成紅、綠、藍三個CRT管的熒光屏上，熒光粉在高壓作用下發(fā)光系統(tǒng)放大、會聚、在大屏幕上顯示出彩色圖像。使用的是內(nèi)光源，發(fā)光源和呈像均為CRT，屬于主動投影方式。

（2）液晶（Liquid Crystal Display）投影機。簡稱LCD投影機，是液晶顯示技術(shù)和投影技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，屬于非自發(fā)光投影機。按照內(nèi)部液晶板的片數(shù)，可分為單片式和三片式兩種，早期的LCD一般采用單片式，現(xiàn)在主流LCD投影機都是三片式結(jié)構(gòu)。3LCD投影機的光源通過分光鏡形成紅綠藍三束光，分別透射在對應(yīng)顏色的液晶板上；信號源經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，調(diào)制加到液晶板上，控制液晶板上的各液晶單元有序開閉，產(chǎn)生的三色光再經(jīng)棱鏡匯合成圖像，由投影物鏡投射在大屏幕上。

（3）數(shù)字光處理（Digital Light Processor）投影機。簡稱DLP投影機，是由德州儀器公司（Texas Instruments,TI）發(fā)展的一種新型投影系統(tǒng)，是一種將數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)化成光脈沖信號的純數(shù)字顯示技術(shù)，其基礎(chǔ)是美國Microvison公司研發(fā)的一種微電子機電技術(shù)（MEMS）。光源籍由一個積分器將光均勻化，通過光輪將光分成紅綠藍三色，由透鏡成像在DMD（數(shù)字顯微芯片）上，最后經(jīng)過鏡頭投影成像。

CRT投影機由于體積較大，亮度偏低，目前已基本淘汰。目前技術(shù)最為成熟，占據(jù)市場份額的70%以上的主流投影機是3LCD投影機，它和DLP投影機一樣，主要采用氣體放電燈為投影光源，屬于氣態(tài)光源，我們稱之為投影機的傳統(tǒng)光源。

2.投影機的傳統(tǒng)光源

當前投影機使用的傳統(tǒng)光源包括金屬鹵素燈、氙燈和超高壓汞燈等，這些燈的發(fā)光效率都超過80lm/W，色溫特性大于4000K，并且發(fā)光光譜覆蓋整個可見光（360nm～760nm）的全部范圍，[2]都能滿足投影機的光源要求。它們的主要特點如下：

（1）金屬鹵素燈。發(fā)熱高、壽命短、衰減快，不宜做長時間投影使用，由于其價格便宜，主要用在一些低端產(chǎn)品上。

（2）氙燈。是利用氙氣放電而發(fā)光的電光源，接近太陽光譜，功率大、體積大、成本高，主要用于高亮的工程投影機。

（3）超高壓汞燈。與氙燈相比，體積較小，亮度、發(fā)熱量和功耗也較低，一般使用在小型商教投影機上?，F(xiàn)階段，95%以上的投影機使用的光源都是超高壓汞燈。

3.主流傳統(tǒng)光源——超高壓汞燈

超高壓汞燈屬于高強度氣體放電燈，內(nèi)部填充適量汞和惰性氣體，在冷態(tài)不發(fā)光時其兩極處于開路狀態(tài)，通過電壓后，極間距間產(chǎn)生高電位差的同時產(chǎn)生高熱，將汞汽化放電而發(fā)光。[3]具備兩大特性：①內(nèi)部成分含有汞和惰性氣體；②內(nèi)部具有很高的大氣壓力。

超高壓汞燈之所以被選作投影顯示光源，有以下幾大優(yōu)勢：

（1）亮度高?？梢姽夂烷L波紫外線輻射效率高，電弧亮度極高，尤其在365nm、405nm和436nm明線光譜具有很強的高輝度點光源。

圖1超高壓汞燈結(jié)構(gòu)圖

（2）色域?qū)拸V。光的波長范圍在380～780納米之間，超高壓汞燈呈現(xiàn)出的可見光波長范圍在380～650納米之間，隨著壓力增加，可見光部分愈強烈，表現(xiàn)為色彩更加豐富更加準確。

（3）體積小。燈芯尺寸一般不大于70毫米，相對成本較低。

（4）衰減率低。超高壓汞燈壽命一般都在3000小時以上，在2000小時以后才開始出現(xiàn)明顯的衰減，且衰減幅度小于20%。

超高壓汞燈的缺點是電熱轉(zhuǎn)化效率不高，需要預(yù)熱和散熱過程，要達到燈泡光輸出的最佳效果，一般需要啟動2分鐘后才可獲得全光通量輸出，還存在發(fā)熱量大、存在安全隱患等弊端。在實際使用中往往不到2000小時就需要更換燈泡，而燈泡價格一般在1000元～3000元之間，昂貴的后期燈泡投入阻礙了投影機走入千家萬戶，并且燈內(nèi)的填充物汞是有毒物質(zhì)，淘汰下來的燈泡還會對環(huán)境造成污染。因此高質(zhì)量、低能耗、長壽命的光源是投影機行業(yè)追求的方向。

三、投影機的新型固態(tài)光源

1.固態(tài)光源簡述

投影機的新型固態(tài)光源包括LED光源和激光光源，它們不僅發(fā)光效率極高，理論值是汞燈的三倍以上，而且有超長的壽命，解決了長期困擾投影機產(chǎn)業(yè)光源壽命短、維護成本高的問題，還具有不需要預(yù)熱等待、即開即亮、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

（1）LED光源

LED光源是以發(fā)光二極管（LED）為發(fā)光體的光源。發(fā)光二極管是一種能夠把電能轉(zhuǎn)化成可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它的主體是一個PN結(jié)，在兩端加上電壓，電流會從LED陽極流向陰極，半導(dǎo)體晶體就會發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，電流越強，發(fā)光越強。[4]它具有長壽命、廣色域、寬視角、彩色還原性好、顯示圖像顏色鮮艷、低噪聲等特點，其成像結(jié)構(gòu)簡單，無需色輪系統(tǒng)，大大縮小了投影機的體積和耗電。然而LED是面光源，最大的缺陷就是亮度提升難度較大，一般應(yīng)用在微型投影上。

（2）激光光源

激光是指通過受激輻射而產(chǎn)生、放大的光，輸出波長范圍從短波紫外直到遠紅外，是一種相干光源，激光光源按其激活物質(zhì)分為固體激光源、氣體激光源、液體激光源和半導(dǎo)體激光源四種類型。目前應(yīng)用在投影機上的激光光源主要是采用半導(dǎo)體泵浦的全固態(tài)激光器作為投影光源，它具有以下特點：①亮度極高。因為激光是定向發(fā)光，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行，大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度極高，是目前人工光源中亮度最高的光源。②色域廣。自然界大約有16777216種顏色，傳統(tǒng)光源只能表現(xiàn)自然界中30%左右的人眼可識別色彩，而激光投影機能表現(xiàn)自然界中90%以上的人眼可識別色彩。③高對比度。對比度不隨亮度增加而降低，可完全再現(xiàn)數(shù)字信號的高分辨率。④壽命長，無衰減。激光光源壽命2萬～5萬小時，且輸出功率穩(wěn)定，使用過程無需更換燈泡。2萬小時以內(nèi)無衰減，后期（壽命的80%以后）衰減很慢。⑤節(jié)能環(huán)保。激光顯示技術(shù)電耗是傳統(tǒng)汞燈顯示技術(shù)的1/3，噪音低，在生產(chǎn)和使用過程中沒有任何污染，是真正的綠色環(huán)保產(chǎn)品。

2.新型固態(tài)光源投影機現(xiàn)狀

激光是點光源，它的亮度極高，可以輕松產(chǎn)生10000流明的亮度，加上超長的使用壽命和即開即亮等優(yōu)點，使得激光光源成為業(yè)界公認的最理想的投影機光源，將是投影光源行業(yè)以后幾年的重要發(fā)展方向，目前也特別受到學(xué)校多媒體教學(xué)的親睞。以激光作為固態(tài)光源的投影機主要有以下兩類：

（1）激光光源投影機

激光光源投影機的投影光源有兩種模式：一是以高純度的紅、綠、藍三原色激光為光源；二是以藍色激光作為主光源，通過熒光輪分色為紅綠藍三色激光。以市場的主流投影技術(shù)3LCD為例，三色激光經(jīng)過投影機內(nèi)相應(yīng)的光學(xué)元件和處理芯片的擴束，再投射到X棱鏡將上述激光整合，最后由投物鏡將圖像投射到幕布上。其顯示成像光路如圖2、圖3所示。

圖2三色激光顯示成像光路示意圖

圖3藍色激光加熒光輪顯示成像光路示意圖

（2）混合型激光光源投影機

混合型激光光源投影機是指將激光光源與LED光源結(jié)合的投影機，激光的加入是為了對LED光源中最弱的藍光源進行補充，提升光源整體的亮度和飽和度，其顯示成像光路如圖4所示。它是以藍色激光發(fā)出強光激發(fā)轉(zhuǎn)動的綠色熒光輪，以產(chǎn)生高亮綠光同時有激光藍色，以取代純的綠光及藍光LED。并未在傳統(tǒng)光源基礎(chǔ)上增加太多的光學(xué)器件，沒有大幅提高整體成本，而且光源壽命達到約2萬小時，可有效減少用戶的維護和使用成本。

圖4激光加LED顯示成像光路示意圖

四、傳統(tǒng)光源和固態(tài)光源比較

在投影顯示技術(shù)相同的情況下，光源的質(zhì)量決定著投影機的好壞。目前學(xué)校的LCD投影機主要使用的是UHP燈泡，屬于超高壓汞燈,下面分別以UHP燈泡和激光作為傳統(tǒng)光源和固態(tài)光源的代表來進行比較分析，具體見表1。

由于教室環(huán)境的特殊性，室內(nèi)光線強烈，在相同亮度的情況下，激光光源具有比UHP燈泡更高的對比度和分辨率，而且色域范圍是UHP燈泡的兩倍以上，所以即便在寬敞明亮的教室里，激光光源投影機也能投出既色彩亮麗又光線柔和的畫面，使得學(xué)生既能看清屏幕上的字，眼睛還不容易疲勞。教師上課時是面對投影機，投影機光線直射會傷害到教師的眼睛，激光投影機具有即時開關(guān)機的功能，當教師不用投影機時，便可關(guān)閉，需要時再打開，非常方便。而傳統(tǒng)投影機開關(guān)機需要好幾分鐘，頻繁開關(guān)機還會減少燈泡壽命。在投影機安裝上，傳統(tǒng)光源投影機受到一定的限制，而激光投影機可以自由靈活地安裝在任何角度，或者其側(cè)面，甚至倒置。綜上所述，無論從技術(shù)還是在顯示畫質(zhì)方面，激光光源都領(lǐng)先于UHP燈泡。

激光光源是以激光二極管（LD）作為泵浦源，不足之處是紅色、綠色激光二極管不容易制作，而且售價很高，所以現(xiàn)階段激光投影機的價格偏貴，在差不多亮度的情況下，價格是傳統(tǒng)投影的好幾倍，而且在功耗和發(fā)熱方面比傳統(tǒng)氣態(tài)光源投影機略高，但隨著激光光源技術(shù)的成熟和改進，激光固態(tài)光源將是投影機光源發(fā)展的必然趨勢，必將引發(fā)顯示技術(shù)大革命，徹底地顛覆傳統(tǒng)顯示領(lǐng)域。

表1激光投影機和LCD投影機比較

[1]夏常榮.投影技術(shù)與投影光源分析[J].真空電子技術(shù),2003(1):51.

[2]沈培宏.投影機光源簡述[J].燈與照明,2009,33(2):57.

[3]劉衛(wèi)平.論超高壓汞燈特性和控制方式[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2012(8):35.

[4]馬建設(shè),賀麗云,蘇萍等.新型投影機高效光源——LED[J].照明工程學(xué)報,2012,23(6):111-112.