浅析LED、镭射光源的成本、效能差异

【中国数字视听网讯】LED光源挟其低成本优势，持续抢进微投影光机运用光源市场，即便雷射微投影光源具较佳微缩尺寸、更高的光源使用效率，加上雷射光源无需对焦优势，但成本高导致较难在嵌入式设计方案出线，尤其雷射光源仍有良率改善问题，面对已于红光、绿光效率提升的LED光源，LED仍为微投影光机模块应用光源主流方案...

在微投影机的设计方案中，影响光机(Optical Engine)效能关键，其实就在于投射光源的应用选择，目前微投影机设计方案，与传统投影机一样，在整个设计架构中不管技术如何微缩、改进，唯一不变的就是需要一个稳定、具高亮度的投射光源，来达到投射影像的设计目的。

目前可用的微缩光源方案，主流选项有雷射光源、LED光源两种，两种设计方案各有优劣，雷射光源技术的重要技术差距在于，雷射光在物理条件下本身聚光效率高、免对焦应用优势，尤其免对焦优势，更是微投影集成雷射光源的最重要的成长趋力，加上雷射光源的微缩设计更具优势，因为利用三种雷射色光，直接调变出投射所需的光影色彩，简省大量的光学透镜设计系统占位问题，更能迎合微投影光机持续「微缩」的设计方针需求。

而实际的状况却是，因为雷射光源在生产良率上仍有相当大的改善空间，同时雷射光源的取得成本现仍偏高，造成具低成本优势的LED光源，虽无雷射光源优势，却仍占市场主流优势位置。

LED光源设计方案，早期LED单颗元件的亮度提升水平有限，加上红光LED与绿光LED的亮度改善方案，早期无法满足微投影光机的高流明、低功耗设计要求，限制初期导入微投影设计方案的LED光源表现，但现在LED制程已可达到大幅拉高红光、绿光输出效率，已能满足微投影光机的光源要求，同时LED光源整体优化亮度、驱动功耗等元件性能表现，LED光源在微投影应用已具大幅导入优势。

即便微投影光源在嵌入式微投影光机模块设计方案中，雷射光源方案更具导入优势，但在良率与成本问题考量下，更具成本优势的LED光源即便在光源体积无法如雷射方案大幅微缩，但却可因本身的技术方案的成本优势，让微投影嵌入式光机的导入成本更为压缩，增加产品导入微投影设计方案的成本诱因。

以欧司朗光电半导体(OSRAM Opto Semiconductors)的嵌入式LED光源方案，利用提升InGaAlP(磷化铟镓铝)的薄膜芯片与绿色磷粉体的设计方案，已可将嵌入式微投影机所采用的LED光源，自仅10lm/W光电转换效率，提升至15lm/W，整体嵌入式光源方案可让口袋型微投影机LED光源，可在维持有限尺寸的前提，产生近300流明的画面投射亮度，甚至朝500流明设计目标努力。

在新技术加持下，以往微投影光机使用LED光源，碍于绿光输出效率过于低落，为了达到输出平衡光色，将整体光源仅能以绿光输出能力而受限，利用蓝光高效率输出加上磷粉光色变更的制程处理，已可令绿光LED不再成为限制微投影LED光源的集成限制，不仅在光电转换效率同步提升，同时也使得光源输出表现有了新的突破，甚至加上原本LED光源即较雷射光源成本低廉，即便LED光源无雷射无需对焦与体积小巧优势，光成本低廉、亮度倍增效益，已让LED光源应用成为现有嵌入式投影光机的首选方案。

尤其在InGaAlP薄膜芯片的设计方案中，相关研发实验室已号称开发出新一代仅1平方毫米的红光薄膜芯片，在以40mA电流驱动下可达到超过60%光／电转换效率，发光效率可一举达到每瓦超过200流明输出，若采行350~400mA高功率驱动亦可达到50%以上光／电转换效率，达接近每瓦170~200流明输出水平。绿光LED设计方案中，以基于蓝光芯片ThinGaN技术于封装之光学材料加入绿色磷粉掺入光学封装来处理光色转换，亦可将绿色LED发光效率提升至接近其它光色LED。

即便发展初期受成本较高影响，但以微机电系统(MEMS)为技术底层基础的微投影光机发展，可望在雷射光源关键元件量产与成本压缩下呈现大幅跃进趋势。尤其是直接放射之绿光雷射二极管(Direct-emitting green laser diode)于2012上半年量产，预估可使微机电MEMS雷射微投影光机改变以往采合成绿光技术的光源模块尺寸限制，可在光源设计段即大幅压缩尺寸，让光机的整体厚度持续优化至7mm以下，同时兼具投射高分辨率画面的功能要求，增加行动装置制造商导入嵌入式设计光机方案的诱因。

在OSRAM、EpiCrystal及Corning等大厂的绿光雷射二极管积极投产后，可带动更轻、更薄、能源效率更高的光机发展开发基础更趋完整，也可让原先在雷射光源与微机电MEMS硅反光镜技术成本较高的雷射投影光机模块，进一步压缩光机的整体成本，如此一来，微机电MEMS雷射微投影光机模块才能更能满足导入智能型手机、平板计算机等行动产品，所需的微缩尺寸、投影效能之要求。

使用雷射光源的光机模块方案，可简省调焦之光学透镜组件，让光机体积更具微缩优势，加上无光学透镜处理可让光效率直接发挥，而不会因为光源出输流明与无法100%与投射影像对比的落差，同时雷射光源光机方案不需要增设导光板、主动散热辅助设计，也能让整体作为嵌入式应用时，让设备体积不致于因为嵌入方案而被迫增加产品厚度。

不只是Microvision的MEMS微投影光机方案，雷射光源的优势即便初期成本较高，也开始受到其它微投影技术阵营关注，例如数码光源处理(Digital Light Processing；DLP)、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon；LCoS)微投影机技术，均有试做搭载雷射光源的光机方案，导入较明显的改变即产品体积更为缩小、运行功耗改善等。

但雷射光源也并非具完全优势，因为雷射二极管即便各大厂已积极投产，目前成本仍高于LED光源，而光机使用的微缩化光源模块的良率改善仍有相当大的空间，同时，若与数码相机、数码摄影机等消费性电子产品嵌入集成，仍须考量光源的安全性、光斑问题。此外，雷射光束与微机电(MEMS)硅扫描镜之间的光源与反射互动，所产生影像失真问题，也必须搭配多种光学扫描补偿技术改善，相关的基础技术研发仍须持续补强现有技术，才能让雷射微投影光机更具市场竞争力。

而雷射投影光机，即便基础技术的物理特性，具小巧、免对焦优势，但只要搭配微机电MEMS硅反光镜互动机制下，就会出现整体投影成像的失真问题，例如投射亮度不均匀、光机本身光处理造成的画面失真、同步讯号造成画面失真，甚至是光机错位所造成的失真问题，必须利用针对性的技术进行改善与光学补偿，进而提升雷射光源微投影光机的投影亮度、锐利度、色域渐层表现、画面的均匀度等，同时仍须改善光机设计造成的投射画面扭曲修正。

目前采行红绿蓝雷射光源方案搭配微机电MEMS硅扫描镜技术方案，以可开发6~8cc体积的雷射投影光机，已经可以比LED光源微投影光机方案缩小2成系统占位空间，同时可具光损失小(无对焦处理光学透镜、反射镜)、体积小、功耗更低优势，同时具备SVGA(800 × 600)输出画质。

而雷射光源的微投影光机集成方案，由于早期设计方案为红、绿、蓝光雷射光源独立集成成单一模块，再与微机电MEMS硅反光光机模块进行集成，因此为缩体积仍有相当大的空间，未来甚至可以直接使用雷射二极管与MEMS扫描镜的全面集成，还可将光机量产尺寸压缩在5~6cc以下。