投影光源主要类型及其对比与发展趋势分析

一、投影光源三种类型

现在主流智能投影仪光源有三种：第一种是以超高压汞灯为代表的高强度气体放电光源，又被称为传统光源，是投影机光源最初的形态，目前以超高压汞灯应用最广泛；第二种是LED光源，目前依靠微投产品快速放量渗透率增长很快；第三种是激光光源，目前应用规模较小但增速最快的光源。后两种都是固态光源，也就说常说的新光源。后两种光源也常组合成为混合光源使用。

投影光源分类示意图

资料来源：公开资料，立鼎产业研究中心

二、高强度气体放电光源

——技术背景及来源

过去投影机长期使用的灯泡类型是金属卤素灯，存在着发热高、寿命短、体积大等缺点，使得使用体验很差。随着各家公司持续研发投入，灯泡领域技术进步，超高压汞灯成为传统灯泡光源最主力的类型。

在高压汞灯的研究基础之上，超高压汞灯由荷兰飞利浦公司于1995年首先开发成功，随后有包括欧司朗、爱普生、松下等一系列公司攻克，技术水平已经非常成熟。

——技术原理

无论是超高压汞灯，还是短弧氙灯，再或是金属卤素灯，它们的发光原理都是一样的：在一个充满高压气体的灯管里使得两根相距1毫米左右的电极尖端产生高压放电，从而激发气体产生可见光，只不过当这个气体是汞蒸汽时，这个灯就叫“超高压汞灯”，而当这个气体是氙气时，那这个灯就是“氙灯”，同样的道理也就有了“金属卤素灯”了。

超高压汞灯应用最广泛，其详细发光原理在于：原灯管通过电压后，两电极之间的气体被击穿，发生辉光放电。超高压汞灯放电分为两个阶段：先是在灯点燃的初始阶段，是低气压的汞蒸气和氢气放电，这时管压降得很低，放电电流很大。随着低压放电时放出的热量使管壁温度升高，汞逐渐汽化，汞蒸气压和灯管电压逐渐升高，电弧开始收缩，放电逐步向高气压放电过渡。再是当汞全部蒸发后，管压开始稳定，进入稳定的高压汞蒸气放电。

选取汞作为灯泡原材料的原因在于：由于汞蒸气压愈高，灯的亮度也越高，而且汞原子谱线宽度变大，分子连续谱与带电粒子复合光谱也更强，特别是595nm以上的红光辐射随灯内工作压强的升高而增强，从而使灯的显色性提高。

——技术特点

超高压汞灯优点包括：

1、发光量大：大功率的超高压汞灯能够比较容易实现的几千流明甚至上万流明的亮度，因此目前应用于高端工程机场景仍然比较多。

2、技术成熟：各家公司超高压汞灯产品经历完整的研发测试优化周期，技术水平相当成熟。超高压汞灯缺点包括：

1、工作寿命短，更换维护成本高：现阶段，超高压汞灯寿命一般都在3000小时以上，在2000小时以后才开始出现明显的衰减。这使得维护灯泡光源投影仪，需要经常更换灯泡。按功率不同，超高压汞灯价格从几百到上千元不等，成为日常使用中较大的支出。尽管超高压汞灯正在不断延寿，从4000小时到7000小时，但仍面临成本过高和维护麻烦的问题。

2、灯泡含汞：灯泡中含有大量的汞元素，对人体健康有较大威胁，目前已经被列入欧盟环保淘汰产品。

3、存在安全隐患：使用时间过长，可能使得灯泡发生一定炸裂概率，一方面可能损坏投影机内部其它设备，一方面可能对人身造成威胁。

4、产品体积较大：灯泡体积较大，导致光机整机难以小型化。

5、发光效率不高：超高压汞灯发出的光谱特别宽，以致有相当发光功率产生在红外、紫外等可见光谱范围之外，形成一定程度的能量浪费，因此发光效率不高。

6、启动时间长：超高压汞灯点燃初期，是灯泡内温度提升和汞气压提升的阶段，此时发光并不稳定在最亮状态。从启动到正常工作需要一段时间，通常为4～10分钟。

——技术发展趋势

超高压汞灯技术已经比较成熟，但推出相关产品的主要公司仍在不遗余力的优化和升级，力图保住超高压汞灯在投影领域的市场份额。针对产品几项重要缺点，技术发展趋势包括：

1、延寿，进一步提升超高压汞灯工作寿命，努力突破10000小时，以降低更换和维护成本；

2、提升安全性，将发生炸灯等安全事件概率进一步降低。

三、LED光源

——技术背景及来源

LED( Light Emitting Diode, LED)是发光二极体的简称，也被称作发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

在1955年时，美国无线电公司（Radio Corporation of America）的RubinBraunstein发现了砷化鎵（GaAs）与及其他半导体合金的红外线放射作用，而1962年美国通用电气公司（GE）的NickHolonyak Jr则开发出可见光的LED。不过，LED真正的起飞是在1990年代白光LED出现后，才开始渐渐被重视，而应用面越来越广。

——技术原理

在LED内部半导体材料的PN结中，PN结施加正向电压时，某些自由电子从P型层通过二极体落入空的电子空穴，这包含从传导带跌落到一个更低的轨函数，所以电子就是以光子形式释放能量。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和制程有关，目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。理论上，通过调整不同材料所占比例和工艺手段，可以实现全部光谱的光源。

早期 LED工业运用GaAs1-xPx材料构建三元素发光管，实现红光LED运用GaAs0.6P0.4，实现橙光LED运用GaAs0.35P0.65，实现黄光LED运用GaAs0.14P0.86。

此外，运用两种元素掺配实现蓝光和绿光，这包括GaN(氮化镓)的蓝光 LED 、GaP 的绿光（立鼎产业研究网） LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。

而目前最新的制程是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料制造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。

白光LED发光的方式主要按使用LED发光二极管的使用数量可以分为单晶型和多晶型两种类型。一种是多晶型，即使用两个或两个以上的互补的2色LED发光二极管或把3原色LED发光二极管做混合光而形成白光。另一种是单晶型，即一只单色的LED发光二极管加上相应的荧光粉，就如同日光灯的发光方式一样，采用LED发光二极管激发荧光粉发光。通常采用两种方式，一种方式是蓝光LED发光二极管激发黄色荧光粉产生白光，另一种方式是紫外光LED激发RGB三波长荧光粉来产生白光。

采用多晶型的产生白光的方式，因为不同的色彩的LED发光二极管的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同，因此在使用多晶型LED发光二极管的方式产生白光，比单晶型LED产生白光的方式复杂，也因LED发光二极管的数量多，也使得多晶型LED的成本亦较高；若采用单晶型，则只要用一种单色LED发光二极管元素即可，而且在驱动电路上的设计会较为容易。

——技术特点

单个LED芯片功率低，致使发光流明数较低，如果实现低流明产品，对于成本、体积、散热各方面都能控制在合理水平，形成较大竞争优势；但如果要实现高流明，则不得不将成本提升，体积扩大，散热性能做出牺牲，并且高温条件下LED芯片性能受损失也反而导致光亮度下降。因此，LED光源需要在流明和成本、体积、散热之间寻找平衡，以满足各种消费者需求。除此之外

LED光源有优点包括：

1、寿命长：LED在低电压和低发热量下工作，工作寿命远高于普通光源，基本达到10万小时量级，几乎不存在更换光源的需求，极大地降低了更换和维护成本。

2、即开即用：LED光源无需向超高压汞灯一样需要启动时间，通电即能实现照明作用。

LED光源有缺点包括：

1、流明偏低：不论不计成本堆积多少LED芯片，LED光源所能提供的最大流明也仅能达到3000流明水平，难以跟传统光源最大上万流明水平相抗衡。想要实现和普通灯泡光源一样的亮度，LED光源的产品体积需要更大，并且成本很高。

——技术发展趋势

LED光源最需要提升光源亮度，并在合理范围内控制好成本、体积和散热性能。

四、激光光源

——技术背景及来源

投影设备大规模应用传统光源和LED光源，但都存在各式各样的缺陷，使得无法满足更高的要求，尤其在传统光源在寿命上劣势和LED光源在亮度方面的劣势都是严重影响投影产品体验的问题，因此探索使用更先进光源替代的进程一直都在不断进行。

激光成为一种比较理想的投影光源，但要想用于投影用途，输出功率需要达到1W以上，也就是实现“W(瓦)级”的高功率。日本的日亚化学、三菱电机和德国的欧司朗目前在应用于显示的半导体激光器方面处于世界领先地位，尤其是日亚化学，垄断了大部分激光投影市场。

——技术原理

半导体激光器又称为激光二极管（LD，Laser Diode），是采用半导体材料作为工作物质而产生受激发射的一类激光器。常用材料有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）。

产生激光通常需要两个步骤，第一个是能量激发（Pumping），第二个是共振放大（Resonance）。

1、能量激发

固体激光属于原子发光，外加能量（光能或电能）激发掺杂原子的电子由内层能级跳到外层能级，当电子由外层能级跳回内层能级时，将能量以光能的型式释放出来。半导体激光大多使用电激发光，外加能量（光能或电能）激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的型式释放出来。

2、谐振放大

在发光区外加一对谐振腔，谐振腔其实可以使用一对镜子组成，使光束在左右两片镜子之间来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大。

电激发光我们以砷化镓激光二极管为例，先在一粒砂子的大小砷化镓激光二极管芯片上下各蒸镀一层金属电极，对着芯片施加电压，当芯片吸收电能产生能量激发，则会发出某一种波长（颜色）的光。发射出来的光经由左右两个晶体镜面反射镜来回反射产生谐振放大，由于右方的反射镜设计可以穿透5％的光，所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出。

半导体光电器件的工作波长与半导体材料的种类有关，决定着发出激光的颜色。半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。

——激光光源技术优点包括：

1、高亮度：激光光源投影单元亮度为1700ANSI---10000ANSI可定制，远远高于LED光源产品。

2、发光效率高：激光光源电力转换效率高达约41％，结合激光单一指向性特点，发光效率甚至可以达到100Lm/w，远高于传统光源以及LED光源。

3、光源寿命长：激光光源的亮度寿命取决于荧光粉色轮的寿命，约为40000----60000小时，而激光器的寿命高达10万小时。

4、维护周期长：传统光源和激光光源都是一组光源，其衰减和色坐标的变化都取决于单一零件，LASER光源由于其寿命长，维护周期也相对长一些。LED光源由三组不同色光组成，每组上有六颗灯，不同颜色灯的衰减的程度无法一致，造成颜色漂移过大，一定的时间后必须进行调整。

5、色域广：激光光源色彩最接近国际电视标准RC709亮度高，色彩真实，是目前显示领域里还原效果最优秀的一种显示技术。

激光光源有缺点包括：

1、成本依然偏高：目前激光光源核心供应商有日亚化学、欧司朗、三菱电机等，价格居高不下，目前大致成本在2.8美元/瓦左右，要实现三基色高流明激光光源所付出成本依然偏高。目前真正的三基色激光产品，仅占激光投影市场份额的0.5%，仅用于专业高端产品。

——技术发展现状和趋势

在投影机市场，一个可以说是后来者又有不可估量的发展前景的当属激光投影机。无论是激光家用投影机、激光工程投影机、激光微型投影机还是激光教育投影机，各大厂商都是积极布局，全线覆盖。

激光显示技术因其色域广、寿命长、亮度高、能耗低，具有传统光源无可比拟的先天优势。随着激光投影产品成熟度进一步提升和价格进一步亲民，我们预计2017年激光投影产品依然将保持高速增长。

目前蓝光和绿光核心技术主要被日亚化学等公司掌握，其中蓝光光源技术最成熟，已经能实现4.5W单个激光器，寿命能达到6万小时以上；绿光属于新开发产品，目前实现最大功率为1W，寿命方面也不如蓝光，还有进一步改进优化的空间。

日亚化学蓝绿激光产品

资料来源：日亚化学

目前红光最成熟技术掌握在三菱电机手中，其新开发的红色半导体激光器型号为ML562G85，于2017年2月1日正式上市，样品价格为5000日元，约合人民币为295元。该产品提高了连续驱动光输出高达4.2倍，且激光器的电力转换效率高达约41％，使得每一个激光二极管输出亮度约为250流明。

三菱电机红色激光产品

资料来源：三菱电机

基于目前成熟的蓝光红光产品和还不够优秀的绿光产品，各投影厂家推出了RGB三基色激光光源方案、蓝光光源方案和混合光源方案。

1、RGB三基色激光光源方案

采用三种RGB基色光源，最纯正的激光光源，其具有色彩丰富、色饱和度高等优点，可现实自然界最丰富、最艳丽、最真实的色彩。但这种方案成本偏高，通常应用于最高端的产品和场景。

2、蓝光激光光源方案

荧光粉+蓝光混合光源投影机(也就是我们通常所称的蓝光激光投影机)是利用蓝光光源，透过高速旋转的含有红绿等多种颜色的荧光粉色轮，利用旋转荧光粉色轮技术而产红绿蓝三基色，并实现在不同时间产生不同颜色的光输出，最终实现白光的输出。蓝光光源方案依赖荧光粉色轮实现多种颜色，因此在色彩表现效果和光亮度方面存在一定的不足，成本则控制比较好。

3、混合光源方案

混合光源是综合利用LED和激光（www.leadingir.com）两种光源的长处而形成的一种新兴光源，它试图规避LED亮度低和激光偏色严重这两个最大的弊端来开拓一条脱离传统光源的新路，在性能和成本之间取得一个平衡。

未来，激光光源发展有两个方向：一个是继续降低光源成本，一个是继续提升光源功率和寿命，尤其是目前还不够成熟的绿光方面。

五、三种光源对比

整体对比来看，目前主流的三种光源，各自都有一定的优点和不足。

三种光源技术对比

资料来源：公开资料整理，立鼎产业研究中心

LED和激光光源，作为新兴光源，已经正在加速对传统光源进行替代。传统光源正在快速下滑，LED光源成为最主要的光源方案，而激光光源凭借不可比拟的优势也正在加速赶超，未来有望成为主力光源。

激光光源属于最新兴光源类型，具备高亮度、发光效率高、光源寿命长、维护周期长成本低以及色域广等核心特点，不论对传统光源还是LED光源均有竞争优势。在成本和供应链产能继续改善情况下，激光光源有望取代其他两种光源，成为未来主力光源，大幅提升投影产品视觉效果。