Особенности и возможности использования светодиодных источников света в киновидеопроекционных системах

В последние годы светодиоды находят всё более широкое применение не только в разных сферах жизнедеятельности человека, но и во многих областях науки и техники и, в частности, в киновидеопроекционных системах [11].

Это объясняется тем, что по сравнению с традиционными источниками света (газоразрядными лампами и лампами накаливания) светодиоды имеют следующие преимущества: отсутствие высоких пусковых напряжений при включении, безинерционность включения и выключения, малое потребление энергии, возможность регулирования интенсивности излучения без изменений спектральных характеристик излучаемого света, более широкая гамма отображаемых цветов, высокая световая эффективность, отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучений, большой срок службы, низкие затраты на техническое обслуживание и безопасность использования.

В таблице 1.1 приведены сравнительные значения световой эффективности для различных источников света [12].

Таблица 1.1 - Световая эффективность различных источников света

Вместе с тем, при разработке высокоэффективной компактной киновидеопроекционной системы необходимо учитывать ряд особенностей светодиодов по сравнению с другими источниками света. К таким особенностям можно отнести:

- ограниченный выход света из полупроводниковой структуры;

- одностороннее излучение;

- наличие омических контактов;

- зависимость световых и цветовых характеристик, надежности и срока службы от температурного режима работы светодиода.

Ограниченный выход света из полупроводникового кристалла вызван следующими основными видами потерь:

- потери на внутреннее отражение изучения, падающего на границу раздела полупроводник-воздух под углом, большим критического;

- поверхностные потери на френелевское отражение излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического;

- потери, связанные с поглощением излучения в приконтактных областях;

- потери на поглощение излучения в толще полупроводника.

Наиболее значительны потери на полное внутреннее отражение излучения. В связи с большим различием показателей преломления полупроводника n₁ и воздуха n₂ доля выходящего излучения определяется значением критического угла θ_np (рисунок 1.26) между направлением светового луча и нормалью к поверхности:

Для полупроводников типа GaAs и GaP показатели преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3. Значения критического угла в этом случае равны 16° и 17,7°.

Рисунок 1.26 - Выход излучения из кристалла при внутреннем отражении

Излучение, падающее на поверхность раздела полупроводник-воздух под углом, меньшим критического выводится из кристалла, а под углом, большим критического, испытывает полное внутреннее отражение. Если коэффициент поглощения света материалом кристалла большой, то всё отраженное световыводящей поверхностью излучение поглотится внутри кристалла. Если же полупроводник прозрачен для генерируемого излучения, то свет, отраженный верхней, нижней, а так же боковыми гранями кристалла, может повторно (и не один раз) падать на светоизлучающую поверхность и частично выводится из кристалла в соответствии с долей света, подходящей к световыводящей поверхности под углом, меньшим критического.

Величина светового излучения, которая может быть выведена через верхнюю поверхность кристалла плоской формы при первом падении световой волны, составляет всего 1,3-1,6 % [13]:

Для повышения световой эффективности излучающего кристалла (чипа) используются следующие способы:

1. Применение такой геометрии кристалла, чтобы большая часть излучаемого света падала на границу раздела под углом, меньшим критического. В качестве примеров такой геометрии могут служить полусферический кристалл, усеченная сфера (сфера Вейерштрасса) и другие (рисунок 1.27). В этих конструкциях кристалла размер р-n перехода существенно меньше диаметра полусферы, что позволяет получить малое отклонение падающего на поверхность луча от нормали к поверхности. Использование кристаллов полусферической геометрии позволяет увеличить вывод излучения из кристалла в воздух до 34% всего генерируемого излучения.

Рисунок 1.27 - Светоизлучающий кристалл обработанный в виде сферы Вейерштрасса: 1- p-n-переход; 2-полупроводник; 3-омические контакты

2. Помещение излучающего кристалла в среду с показателем преломления n₂<n<n₁ (n₁-полупроводник, n₂-воздух) для увеличения критического угла (рисунок 1.28). Если в качестве среды использовать полимерный прозрачный эпоксидный компаунд или поликарбонат с показателем преломления n_к=1,5-1,6, то критический угол θ_np возрастает до 25°-30°. В этом случае выход излучения из кристалла в окружающую среду (в данном случае в компаунд) возрастает в 2,5-3 раза. Для вывода светового излучения в воздух без потерь конфигурация полимерного покрытия должна быть такой, чтобы свет падал на поверхность раздела компаунд-воздух под углом, меньшим критического для этой границы. Еще более положительный эффект может дать применение прозрачного купола из стекла с показателем преломления n=2-3.

Рисунок 1.28 - Устройство светодиодов с полимерным компаундом: 1-кристалл; 2-полимерный компаунд; 3-корпус со стеклянным окном; 4-металло-стеклянная ножка; 5-полимерная линза; 6-держатель; 7-гибкий вывод

3. Нанесение антиотражающих покрытий на поверхность кристалла для снижения потерь на отражение света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического. Если на поверхность полупроводника нанести диэлектрическую прозрачную однородную пленку (например SiO, SiO₂, Si₃N₄ и др.), то можно практически увеличить выход излучения из кристалла примерно на 20-30%.

4. Применение специальной конфигурации плоского кристалла для обеспечения «внутренней фокусировки» излучения и увеличения доли генерируемого излучения, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического. Так, например, применение конусной поверхности мезаструктуры в кристалле с низким коэффициентом поглощения генерируемого излучения позволяет повысить эффективность вывода излучения в 2-3 раза. Схема хода лучей в кристалле показана на рисунке 1.29. Кванты света, падающие на световыводящую грань под углом θ<θ_np, выходят из кристалла (за исключением отраженных по формуле Френеля). Кванты света, распространяющиеся в диапазоне углов θ₁< θ < θ₂, проходят до конусной поверхности мезаструктуры, отражаются от нее и, попадая на излучающую поверхность под углом θ < θ_np, также выходят из кристалла. Остальные кванты, испытывая многократное внутреннее отражение, либо поглощаются в кристалле, либо выходят из него, в случае падения на одну из поверхностей, под углом, меньшим критического. Наиболее эффективно применение мезаструктур, полученных специальным травлением, с отражающей поверхностью, наклоненной под углом 45º к поверхности p-n перехода кристалла.

Рисунок 1.29 - Ход лучей в кристалле плоской конфигурации с мезаструктурой

5. Создание омических контактов, занимающих незначительную часть площади грани кристалла, с целью уменьшения поглощения света в кристалле. Контакты малой площади целесообразны при использовании полупроводников с низким коэффициентом поглощения света генерируемого p-n переходом кристалла. Приконтактные области омических контактов, как правило, поглощают свет. Поэтому, уменьшение площади омических контактов способствует увеличению доли света, претерпевшего полное внутреннее отражение на границе полупроводник – воздух или полупроводник – диэлектрик. Отраженные внутрь кристалла фотоны будут совершать многократные проходы сквозь него, причем каждый из проходов будет вносить вклад в выводимое излучение за счет падения части фотонов на границу раздела под углом, меньшим критического, что позволяет существенно увеличить общий вывод излучения из кристалла.

6. Создание диффузно-рассеивающей излучающей поверхности с целью повышения внешнего квантового выхода излучения. Если угловое распределение фотонов, выходящих из активной области, имеет сферическую симметрию, то использование диффузно-рассеивающей поверхности улучшает условия вывода излучения для косых лучей, падающих на границу раздела под углом большим критического. Сферическая симметрия генерируемого излучения возникает в кристаллах с низким самопоглощением излучения в активной области. Такие условия осуществляются в кристаллах из GaP:Zn, O, GaP:N, GaAs:Si, а также в гетероструктурах из Ga_1-xAl_xAs с тонкой активной областью. В результате создания диффузно-рассеивающей поверхности можно получить увеличение внешнего квантового выхода излучения на 25-40%.

7. Создание многослойных структур переменного состава, позволяющих получить направленные световые потоки и суженную диаграмму направленности излучения. Например, в двойных гетероструктурах из-за различий в показателях преломления полупроводников различного состава можно получить эффект «оптического ограничения». При этом фотоны, генерируемые в активной области, распространяются вдоль гетероструктуры с многократным отражением от границ внешних полупроводников, имеющих меньший показатель преломления. Достаточное оптическое ограничение излучения достигается различием показателей преломления внутренних и внешних ограничивающих полупроводниковых слоев около 0,15-0,2. Вследствие эффекта оптического ограничения резко уменьшаются дифракционные потери излучения, а также сужается диаграмма направленности излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n перехода.

Таким образом, рассмотренные способы внутреннего распределения излучения светодиодов позволяют существенно повысить их световую эффективность.

До недавнего времени использованию светодиодных источников света при построении киновидеопроекционных систем мешало отсутствие мощных и сверхъярких светодиодов. Появление таких светодиодов и образованных на их основе светодиодных (LED) модулей и матриц позволяет вести разработки высокоэффективных и компактных светооптических устройств для киновидеопроекционных систем.

Основными требованиями при разработке светодиодного осветителя для киновидеопроектора являются:

- необходимый световой поток;

- достаточная освещенность и равномерность освещенности по всей площади проецируемого кадра (модулирующей матрицы);

- суммарный белый световой поток при коэффициенте цветопередачи Ra>80 и цветовой температуре Т_ц = 6500К;

- минимальные световые потери;

- малые габариты и масса;

- большой срок службы при неизменных светотехнических и цветовых параметрах.

Для получения необходимого светового потока киновидеопроектора могут быть использованы мощные светодиодные (LED) модули и матрицы или многокристальные светодиоды [12], что в настоящее время не является большой проблемой.

Равномерная освещенность достигается формой основы светодиодного модуля, ориентацией по модулю светодиодов, плотностью их расположения, величиной угла излучения и диаграммой распределения силы света, а также выбранной схемой внешней светораспределяющей оптической системы.

Светодиоды, излучающие основные RGB-цвета, позволяют создавать модели видеопроекторов не только с тремя, но и с одной модулирующей жидкокристаллической (ЖК) или микрозеркальной (DMD) матрицей и электронной схемой управления поочередным режимом работы RGB-светодиодов. Причем число используемых цветов не ограничивается тремя основными. Это значительно упрощает светооптическую схему проектора, уменьшает его габариты и улучшает цветопередачу при повышенной яркости изображения. Действительно, цветопередача у видеопроекторов с традиционными (типовыми) источниками света, например с газоразрядными лампами, полностью не охватывает локуса (всей цветовой палитры) зрения, особенно в зелёно-голубых тонах. Это объясняется тем, что цветоделительные светофильтры из-за широкой полосы пропускания не обеспечивают чистоту основных цветов. При использовании узкополосных интерференционных светофильтров, выделяющих спектрально чистые цвета, мощность источника света с непрерывным спектром используется неэффективно. Поэтому разработчики проекционной видеотехники оказываются перед выбором: высокая яркость, умеренное энергопотребление и удовлетворительная цветность изображения или отличная цветопередача, но низкая яркость и большое энергопотребление.

По данным разных источников, широта охвата локуса у современных видеопроекторов с типовыми источниками света составляет 40-45%, а у LED видеопроекторов – до 60% и выше.

Дело в том, что основной характеристикой, определяющей правильность цветопередачи, является чистота первичных цветов R,G и B, из которых матрицированием формируется цветовая палитра изображения в целом. Чем стабильнее длины волн светодиодных излучателей R,G,B или уже полоса пропускания цветоделительных светофильтров, разделяющих световой поток на составляющие R,G и B, тем выше чистота первичных цветов и шире охват цветовой палитры зрения.

Задача освещения модулирующих матриц видеопроектора суммарным белым светом с цветовой температурой Т_ц близкой к 6500 К и общим индексом цветопередачи Rа более 80 может быть решена несколькими способами:

1. Использованием светодиодных модулей (матриц) с белым свечением.

2. Комбинацией цветных (R, G, B) светодиодов, дающих белый цвет (каждая точка кадра должна освещаться этой комбинацией цветных светодиодов).

3. Использованием системы освещения от трех различных светодиодных (R, G, B) матриц.

Для наиболее полного использования светового потока, в светодиодных осветителях могут быть установлены внешние светораспределяющие устройства. В качестве таких устройств применяются различные зеркальные и оптические системы, которые должны обеспечить необходимую освещенность и её равномерность по всей площади модулирующей матрицы при минимальных световых потерях. Поэтому, параметры элементов светооптической системы должны быть согласованы с параметрами модулирующих матриц и проекционного объектива.

В работах [14-16] указаны производители оптики для светодиодов, которые могут создавать линзы и рефлекторы, имеющие специальную форму, требуемые размеры и диаграммы распределения силы света, что позволяет получать результаты, необходимые заказчику.

Среди производителей оптики для светодиодных осветителей выделены следующие компании:

- Ledil (Финляндия). Эта компания производит линзы и отражатели для светодиодов Philips Lumileds, Seoul Semiconductor, OSRAM, Cree и др.;

- Khatod Optoelectronic (Италия). Компания производит линзы и отражатели для светодиодов Nichia, Philips Lumileds, Seoul Semiconductor, OSRAM, Cree, Edison Opto;

- Carclo Technical Plastics (Великобритания). Производство линз, оптических систем и приборов. Компания Carclo выпускает линзы для суперярких светодиодов Philips Lumileds, Seoul Semiconductor, Cree, Nichia;

- Fraen SRI (Италия). Производит отражатели для светодиодов Cree (X-Lamp), OSRAM, Seoul Semiconductor (для светодиодов линейки Z-Power);

- Ledlink Optics (Тайвань). Разработка и производство вторичной оптики для ведущих производителей мощных светодиодов: Cree, Samsung LED, Nichia, OSRAM, Lumileds, Edison, Seoul Semiconductor.

При разработке светодиодных осветителей необходимо учитывать их критичность к тепловому режиму работы. Поэтому, в случае использования мощных светодиодов нужно предусмотреть эффективную систему теплоотвода.

Сверхъяркие светодиоды, работающие на небольших токах, порядка нескольких десятков миллиампер, но обладающие большой силой света, повышенной яркостью свечения и малыми углами излучения не требуют систем теплоотвода, так как температура их p-n перехода небольшая и выделяемое ими тепло незначительно.

Таким образом, задача проектирования светодиодной киновидеопроекционной системы требует комплексного подхода, при котором необходимо учитывать параметры светодиодного источника света, внешнего светораспределяющего устройства, модулирующей матрицы и проекционного объектива. При этом структура построения такой системы и область ее применения определяются, в первую очередь, технологией проецирования и свойствами формирователя киновидеоизображений.

Основные требования к киновидеопроекционным устройствам различных сегментов рынка приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Требования к киновидеопроекционным устройствам для различных сегментов рынка

Сегмент рынка Требования	Кинематограф (Cinema)	Лекционные залы (Conference)	Офисы и аудитории (Business class)	Домашний кинотеатр (Home)
Типы проекций	Фронтальная	Фронтальная	Фронтальная, pиp – проекция	Фронтальная, pиp – проекция
Диагональ экрана, дюймы	> 200	100-200	60-100	40-70
Световой поток, лм	>5000	>2500
Яркость на экране, кд/м2	>48
Разрешение, пикселы	2048×1080 4096×2160	2048×1080	1920×1080	1920×1080
Контраст (Full)	2000:1	1500:1	1200:1	1500:1
Примечания: 1 – фронтальная проекция на отражающие экраны 2 – рир-проекция на просветные экраны

Первый светодиодный LED-видеопроектор модели Mitsubishi PK10 со световым потокм всего 25 лм и разрешением 800×600 пикселов появился в 2005 году. В качестве источника света была использована сборка из восьми светодиодов, их потребляемая мощность составила 23 Вт, а проектора в целом – 37 Вт. Панель разъёмов видеопроектора допускает подключение любых источников информации, в том числе карты флэш-памяти SD. Видеопроектор имеет размеры 123×97×48 мм при массе 500 г и обслуживает экран с диагональю 60 дюймов (152,4 см) [17].

В настоящее время разработкой и выпуском LED-видеопроекторв занимаются компании: Optoma, Acer, Samsung, BenQ, LG, Vivitek, NEC [18-21].

В таблице 1.3 приведены основные параметры LED-видеопроекторов различных фирм.

Таблица 1.3 - Параметры LED – видеопроекторов

Фирма	Модель проектора	Технология видеопроекции/тип матриц	Световой поток, лм	Разрешение	Контраст Full on/off	Вес, кг
Optoma	PICO PK-102 LED	DLP/DMD (0,17”)		HVGA (480 320)	1000:1	0,108
Optoma	PK-201LED	DLP/DMD		WVGA (854 480)	2000:1	0,16
Acer	C201LED	DLP/DMD		WVGA (854 480)	2000:1	0,17
Samsung	SP_H03LED	DLP/DMD (0,76”)		WVGA (854 480)	1000:1	0,2
Optoma	PK-301LED	DLP/DMD		WVGA (854 480)	2000:1	0,25
BenQ	GP1LED	DLP/DMD (0,45”)		WVGA (854 480) SXGA (1280 1024)	2000:1	0,6
LG	HS-102LED	DLP/DMD (0,55”)		SVGA (800 600) SXGA (1280 1024)	2000:1	0,78
Samsung	SP-P410MLED	DLP/DMD(0,55”)		SVGA (800 0) SXGA (1280 1024)	1000:1	0,95
Acer	K11LED	DLP/DMD		SVGA (858 600)	-	0,61
Vivitek	Qumil LED	DLP/DMD		WXGA (1280 720)	-	-
Optoma	ML500LED	DLP/DMD		WXGA (1280 800) HDTV (1920 1080)	3000:1	1,14
Vivitek	H9080FDLED	DLP/DMD		HDTV (1920 1080)	100000:1
Samsung	SP-F10MLED	LCD/MLA		XGA (1024 768) UXGA (1600 1200)	2000:1	4,8

Для повышения светового потока видеопроектора компания CASIO разработала гибридный источник света, который включает в себя красный (R) светодиод и синий (B) полупроводниковый лазер. Включение красных и синих кадров осуществляется подачей на светодиод и на лазер импульсов напряжения. Включение зеленого кадра производится, когда излучение лазера попадает на соответствующий сегмент вращающегося колеса, покрытого люминофором. Параметры видеопроекторов CASIO с гибридным источником света указаны в таблице 1.4 [22].

Таблица 1.4 - Параметры видеопроекторов с гибридным источником света

Модель проектора	Световой поток, лм	Разрешение	Контраст Full on/off	Вес, кг
CASIO XJ-A235LED		WXGA (1280 800)	1800:1	2,3
CASIO XJ-A135LED		XGA (1024 768)	1800:1	2,3
CASIO XJ-A140LED		XGA (1024 768)	1800:1	2,3
CASIO XJ-A245LED		WXGA (1280 800)	1800:1	2,3

В заключение следует отметить, что создание высокоэффективных компактных LED-видеопроекторов с большими световыми потоками является серьезной научно-технической задачей, требующей новейших достижений в области электроники, полупроводниковой светотехники, оптики, механики, автоматики, компьютерной и видеотехники.