新光源在DLP拼接系统中的应用及特性测试

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摘要：近年来国内拼接墙的应用需求日益增长，而得益于"无缝拼接"技术的DLP拼接产品一直是业界的霸主。然而随着LCD、PDP拼接产品的强势崛起，DLP拼接产品受到了前所未有的挑战。由于光源寿命的问题，DLP拼接产品后期维护成本较高，这成了DLP拼接发展的巨大瓶颈。然而LED光源和混合光源这些新光源的出现，以其超长寿命和超宽色域等优点，结合DLP拼接产品原本的零拼缝优势，使其继续在数字拼接市场独占鳌头。

关键词： DLP；拼接显示；光源寿命；新光源；LED光源；混合光源

中图分类号：TN14.8 文献标识码：B

New Light Source in Video-Wall Application

SHI Xu, FENG Xiao-bo, HE Zhen, LI Rong-yu

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract: In recent years, the application of video-wall is growing rapidly, and benefit from "seamless" technology, the DLP products is always the video-wall industry empire. However, with the LCD products and PDP products developing, DLP products were threatened by them. Because of the short lifetime of the light source, the DLP products maintenance costs much higher. This became a great bottleneck. So the LED light source and hybrid light source, which has long life, over wide color gamut, seamless technology and other advantages, make DLP products continue to pulls ahead of digital video wall market.

Keywords: DLP; video-wall; Light lifetime; new light source; LED light source; hybrid light source

引言

随着中国经济和信息化的高速发展，国内数字背拼接显示墙市场经历了10年的高速增长，目前市场规模已攀升到每年40亿元人民币以上。而据预测，未来五年内该产业依然能保持年均30%以上的增长速率，并逐步实现市场规模化、品牌集中化。

显示行业正经历着巨大的变革，相对于单一、小画面的普通显示应用，要求多画面、大画面、高分辨率的多屏拼接显示有着更高更严格的现实要求，也正因此拼接显示产品正面临着更大的更迭与进步。从早期的以CRT和DLP为主，逐步过渡到了目前LCD、PDP、DLP三大拼接单元显示技术并存的市场格局。

“三强”可谓各有千秋，其中PDP拼接显示单元有着最优秀的色彩还原度，屏体上又可以做到超薄，其物理拼缝可以做到5mm以内。但是等离子烧屏的瓶颈阻碍了这一技术在工程上的大规模应用，在过去的两年里，PDP的市场占有率一直停滞在整个大屏幕拼接市场5%左右的份额。

LCD拼接显示单元同样以其轻薄的屏体受到市场的广泛关注和极度热捧，从最初的“超厚的边框”到7.3mm，再从7.3mm到6.7mm，最后由6.7mm降低到了现如今的5.5mm，LCD拼接缝隙的不断降低也是促进其迅速在市场崛起的关键因素。在视频会议、演绎中心等对监控画面细节不是很苛求的场合，用户往往更倾向于更轻薄，同时不需要频繁更换灯泡的LCD拼接墙产品。

然而LCD也有其致命缺陷，其拼接缝隙虽然在不断减小，但目前来看，相比于背投拼接产品，在监控、调度、指挥类用户需清楚明确的监视画面的所有细节信息的应用场合，其接近1cm的拼缝造成的文字、数字、图像的分割，是大多数用户绝对无法容忍的。另外在大尺寸方面，成本较高、不适合长时间不间断开机也是其不可回避的缺点。

DLP背投拼接产品一直以来都占据着大屏幕拼接市场的主导地位，多年来的发展和积累，使得DLP拼接无论是产业支持资源还是客户的认可度等方面都有着绝对性的优势。即使近年来受到LCD拼接迅速崛起的冲击，DLP依然可以保有近70%的市场占有率。

DLP之所以能在大屏幕产业一直拥有着绝对优势，大尺寸、数字化显示亮度衰减慢，像素点缝隙小，图像细腻，适合长时间显示计算机和静态图像等优点是其一直经久不衰的重要保证。“物理接缝几乎为零，一米距离全无接缝感”，以及屏幕可以弯曲的优势，更是其它大屏幕显示产品无法轻易替代的。但DLP光源灯泡需要经常更换，导致后期维护成本较高，成了阻碍DLP产品进一步发展的绊脚石。因此需要研究可靠性更高的DLP的光源系统，改善DLP背投拼接产品的应用瓶颈。

1 DLP显示原理

DLP技术是美国德州仪器（TI）在1987年发明的一种数字光源处理技术，以微机电（micro electro-mechanical system，MEMS）为基础，发展出数字微型反射镜组件（digital micro mirror device，DMD），采用数字光处理技术调制计算机和视频信号，驱动DMD光路系统。

DMD器件可被简单描述成为一个半导体光开关，50～130万个微镜片聚集在CMOS硅基片上。一片微镜片表示一个像素，变换速率为1,000次/s或更快。微镜片的转动受数字驱动信号控制，通过静电激活地址电极、镜片和轭板（YOKE）以促使铰链装置转动，使镜片倾斜翻转改变入射光的反射方向，反射需要的光通过投影物镜，同时通过光吸收器吸收不需要的光来实现影像的投影。该技术具有图像显示色彩鲜艳、画面清晰、锐利，成像设备无烧坏死、免维护等特点，核心部件（DMD）寿命超过10 万小时。上述优势使基于DLP技术的投影机现在已成为大屏幕投影系统的主流机型。

传统DLP光学系统主要由光源、聚光透镜、色轮、匀光棒、场镜、DMD驱动、投影物镜组成。由光源产生足够照度的光，光源射出的光通过高速旋转的色轮进行分色，色轮由红、绿、蓝滤波系统组成，分色后的光再照射在DMD上，DMD根据驱动同步，按时序把反应相应图像信息的光反射出去，通过镜头最后投射到屏幕上形成图像画面。

其中光源部分是整个光路系统中最核心的最基础的器件，直接影响着显示画面的效果、用户的应用成本等各个方面。

2 传统拼接投影光机光源

传统的DLP拼接产品光源主要有金属卤素灯、氙灯以及超高压汞灯。

其中金属卤素灯是一种暖光源，其原理是在高压汞灯内添加某些金属卤化物，靠金属原子在电弧中受激发而辐射该金属的特征光谱线。其特点是亮度高，但同时其发热量也较大，对DLP光机以及箱体系统集成的散热要求也相应比较高，使用寿命也比较短（通常在1,000～2,000小时），因此不宜做长时间投影使用，在拼接墙上的应用并不广泛。

氙灯是利用正负电极之间放电产生的电弧发光的一种光源，氙灯的光谱最接近自然光，因此可以提供比其它光源更优异的色彩。但是氙灯灯泡内充满超高压氙气，工作在高温、高压、高电流状态下，对运行环境及电源等要求很高。氙灯由于技术含量较高，价格也比较贵，目前只应用在高端工程机上，其使用寿命通常只能达到500～1,500小时，并且灯泡功率越高其寿命越短，成本亦越高。

UHP高压汞灯是在DLP拼接系统中应用最广泛的一种光源。其原理是利用极间距间产生高电位差的同时产生高热，将汞汽化，使之电离激发而发光。UHP灯电弧间距小，亮度高，拥有非常稳定的颜色光谱性能，一般寿命可达4,000～6,000小时，是拼接大屏领域目前最常用的光源。不过即便如此，其数千的单价，仅仅大半年的使用寿命，依然使其成为了DLP背投拼接墙花费的最大维护耗材。

总体来说，传统光源的缺点在于价格比较贵，寿命也短，并且后期还会出现衰减的现象。灯泡寿命已经成了DLP拼接墙厂家心中的一块伤疤。DLP拼接墙必须有一款新的产品推出，来改善灯泡寿命过低的短板，从而重新确立自己独霸拼接墙市场的地位。

3 新型固态光源

新型固态光源目前真正应用于市场的DLP拼接产品主要有两种：LED光源光机以及混合光源光机。

3.1 LED光源光机

LED光源光机，顾名思义其光源是以红、绿、蓝三组LED组成，每组都由若干个LED分别经光波导和光纤汇聚而成， 红、绿、蓝三色光经光合成器形成合成光束。

图2所示为一个典型的LED光机光路图，三色LED阵列通过两片双色滤色镜合光，经过一系列光中继进行聚光、准直校正以及匀光，然后通过TIR棱镜以一定的角度反射在DMD上，最后通过投影物镜投出去形成图像。

3.2 混和光源光机

混和光源光机，其光源核心技术是以蓝色激光激发荧光粉来发出有色光，由于红光材料的问题，目前通过这种方式得到的红光比较差，亮度和色坐标都不能令人满意，所以通常以LED阵列作为红光光源。

如图3所示，蓝色激光发射到一个荧光粉色轮上，该色轮一半周期为绿光材料，另一半周期透过扩束后的蓝光，通过该色轮以一定频率的旋转，从而按一定周期得到绿光和蓝光，然后再和由红色LED阵列发出的红光经合光透镜合光，再通过聚光匀光等光中继最后通过DMD反射成像。

由于大功率蓝激光的波长较短，作为蓝光光源其色坐标较偏，在对颜色要求相当苛刻的拼接应用行业这是绝对不能被接受的。因此目前更多的拼接光机产品用蓝色LED阵列作为蓝光的光源，蓝激光配合绿光荧光色轮作为绿光的光源。这样做虽然成本略有上升但是色彩更加真实自然，而且由于三色独立驱动，因此对于调节光机之间颜色一致性至关重要的三色独立调节功能，其驱动电路设计也更为精简，从成本和可靠性上都能受益。

图4所示即为一款改良后的混合光源光机光路图，其中色轮以绿光材料镀膜，同时增加蓝色LED阵列作为蓝光光源，三色分别独立驱动，能够获得很好的光效率和色彩还原性。

总体而言，LED光源光机和混合光源光机共同有着传统光源DLP拼接产品无可比拟的优势：

（1）超长寿命

应用新型固态光源的DLP光机最显著的改进是用户不必再频繁更换灯泡。固态光源的寿命普遍较长，目前应用固态光源的光机，其光源有效使用寿命可达到50,000小时。如此长的光源寿命，光源已经不再能算作消耗品了。以目前的业界科技发展速度，使用50,000小时后，产品也到了更新换代的时候了。可以说，选择了固态光源的DLP拼接墙产品，就等于拥有了一种无需维护的大屏幕显示方案。

（2）超宽色域

无论是LED光源光机还是混合光源光机，都是高纯度的红、绿、蓝三基色独立的光源，相比于传统光源发出白光通过滤光实现红、绿、蓝分色，其拥有更宽的色域，所呈现出来的图像色彩也更加鲜艳和逼真。也正因为三基色独立分离，通过控制系统独立调整三色光源驱动的功率，还可以对色温进行调整，在3,000K到7,500K之间可以任意选择色温，满足不同的使用需求。

（3）瞬间开关机

标准DLP单元在启动过程中，关键的一环是点灯，点灯器需要对UHP灯泡施以高压，使灯泡亮起。这一过程对点灯器和灯泡的要求都比较苛刻，且灯泡或点灯器使用时间久了之后，点灯成功率就会下降。UHP灯泡被点亮后，灯泡会缓慢亮起，约20～30秒左右，灯泡亮度才能升到最高并稳定下来，即使点灯顺利，整个开机过程所需时间也要超过半分钟。LED光源光机和混合光源光机的点灯过程要简单得多，点灯成功率高，且亮起速度快，几乎是瞬间亮起并达到稳定亮度，实现即开即关。

除此之外，还有一种近年来广受关注的固态光源——纯激光光源。纯激光显示技术是以高饱和度的红、绿、蓝（RGB）三基色激光作为光源的显示技术，其充分利用激光波长可选择性和高光谱亮度的特点，使显示图象具有更大的色域表现空间，色域覆盖率可达90%，可实现2倍于传统光源的色彩再现能力。激光光源还具有光能利用率高、长寿命、低衰减等特点，基于这些优点，激光显示曾被看作气态光源终结者。不过有两方面的因素阻碍了它的应用，一方面是没有合适的固态绿色激光可用，一般通过将红色激光倍频来获得绿色激光；另一方面的原因在于它的光功率高，安全性方面存在隐患。因此目前只有少数厂商做出功能样机，离真正产业化还有一段路要走。

4 UHP光机、LED光机和混合光源光机实测比较

试验采用国内著名光机生产企业上广电的三款典型产品：LE-G207A UHP光源光机、LE-G227LED光源光机、LE-GLL100混合光源光机，各取四台。三款光机使用同一款投影物镜，具有相近的照明光路设计，均采用TI DDP2000架构，系统分辨率均为拼接显示行业最为主流的1,024×768。

测试工具：MINOLTA CL-200、CHROMA 2327信号发生器。

试验项目及方法：

亮度：首先将投影物镜射出的光轴垂直于屏幕，调整好聚焦，在屏幕上输出一个100%全白画面，然后以9点测试法分别测量出9点的亮度，并取其平均值。

全白/全黑对比度：首先分别在全白画面和全黑画面下测量9点的亮度，然后分别取其平均值Lbr（全白亮度）和Ld（全黑亮度），其比值即为对比度C1，C1=Lbr/Ld。

ANSI对比度：在屏幕上输出一个黑白交错的测试图，如图5所示。

分别测量每块黑色或白色方块的中心亮度，再分别求取白色亮度平均值（Lw）以及黑色亮度平均值Ld，最后所得的比值即ANSI对比度C2，C2=Lw/Ld。

亮度均匀性：在屏幕上输出一个全白画面，分别测出如图6所示的1、3、5、7、9位置的亮度。

然后分别将测出的1、3、7、9位置的亮度分别假设为L1、L3、L7、L9，除以中心区域5位置的亮度，再将结果取平均值，所得到的结果即为亮度均匀性。

色坐标：在屏幕上依次输出全白、全红、全绿、全蓝的测试画面，分别在每个画面测取屏幕的中心的坐标。

色坐标均匀性：在全白画面下分别测量9点色坐标，计算每个点和中心点的色坐标差值 (Δxi，Δyi)=(Xi，Yi )-(X0，Y0)。

取(Δxi，Δyi)的最大值(Δx，Δy)即为色坐标均匀性。

试验结果如表1所示。

表1中的LEG207A1106020XX为UHP光机，LEG227L1112050XX为LED光源光机，LE100GL1201040XX为混合光源光机，可以看出混合光源光机亮度和UHP光机差不多，而LED光源光机的亮度相对略低。三款光机对比度大致差不多，在均匀性方面，UHP光机相对最理想，LED光源光机相对略差，可能是因为LED阵列是面光源，对系统光学设计匀光要求更苛刻。

接下来再看一下颜色特性，取典型值以色域图方式表示，如图7所示。

色域图中黑色的三角是REC-709标准色域，红色的三角区域是UHP光源光机的色域，绿色三角区域是LED光源光机的色域，蓝色区域为混合光源区域。通过色域图可以比较直观地看出三款光机的颜色特性，UHP光源光机色域范围最小，接近REC-709标准色域，但不能将其完全覆盖；LED光源光机的色域范围最大，完全覆盖了REC-709标准色域，也就是说理论上它能显示更丰富更真实更贴近自然的颜色；而混合光源光机的色域略小于LED光源的光机，也完全覆盖了REC-709标准色域。

LED光源光机具有最理想的色彩表现，但是目前其亮度仍然有待进一步提高，结合其环保、经济实惠、高寿命、发热量低、结构简单等特性，非常适用于60英寸以下的拼接工程邻域。而混合光源光机从显示性能上来说，具有超宽色域的同时，又实现了高亮度显示，能够完美取代UHP光源光机，足以胜任60英寸以上的工程领域。

5 结论与展望

新型固态光源的出现大幅提升了DLP拼接产品的性能，带来了更广泛、更便捷、更经济的使用价值。LED产业的飞速发展将使得超高亮度LED愈发值得期待，而Nichia专利保护即将到期，也意味着有更多的市场资源投入激光二极管这个产业。随着技术的发展，产业链的完善，LED光源和混合光源必将凭借超长寿命及高效能取代传统灯泡光源，对DLP继续在大屏幕领域独领风骚起着非凡的作用。

参考文献

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作者简介：施 旭（1980-），男，江苏武进人，上海市交通大学工程硕士，研究方向为液晶及平板显示专业，E-mail：lightsx@163.com。

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