淺析LED、鐳射光源的成本、效能差異

【中國數字視聽網訊】LED光源挾其低成本優勢，持續搶進微投影光機運用光源市場，即便雷射微投影光源具較佳微縮尺寸、更高的光源使用效率，加上雷射光源無需對焦優勢，但成本高導致較難在嵌入式設計方案出線，尤其雷射光源仍有良率改善問題，面對已于紅光、綠光效率提升的LED光源，LED仍為微投影光機模塊應用光源主流方案...

在微投影機的設計方案中，影響光機(Optical Engine)效能關鍵，其實就在于投射光源的應用選擇，目前微投影機設計方案，與傳統投影機一樣，在整個設計架構中不管技術如何微縮、改進，唯一不變的就是需要一個穩定、具高亮度的投射光源，來達到投射影像的設計目的。

目前可用的微縮光源方案，主流選項有雷射光源、LED光源兩種，兩種設計方案各有優劣，雷射光源技術的重要技術差距在于，雷射光在物理條件下本身聚光效率高、免對焦應用優勢，尤其免對焦優勢，更是微投影集成雷射光源的最重要的成長趨力，加上雷射光源的微縮設計更具優勢，因為利用三種雷射色光，直接調變出投射所需的光影色彩，簡省大量的光學透鏡設計系統占位問題，更能迎合微投影光機持續「微縮」的設計方針需求。

而實際的狀況卻是，因為雷射光源在生產良率上仍有相當大的改善空間，同時雷射光源的取得成本現仍偏高，造成具低成本優勢的LED光源，雖無雷射光源優勢，卻仍占市場主流優勢位置。

LED光源設計方案，早期LED單顆元件的亮度提升水平有限，加上紅光LED與綠光LED的亮度改善方案，早期無法滿足微投影光機的高流明、低功耗設計要求，限制初期導入微投影設計方案的LED光源表現，但現在LED制程已可達到大幅拉高紅光、綠光輸出效率，已能滿足微投影光機的光源要求，同時LED光源整體優化亮度、驅動功耗等元件性能表現，LED光源在微投影應用已具大幅導入優勢。

即便微投影光源在嵌入式微投影光機模塊設計方案中，雷射光源方案更具導入優勢，但在良率與成本問題考量下，更具成本優勢的LED光源即便在光源體積無法如雷射方案大幅微縮，但卻可因本身的技術方案的成本優勢，讓微投影嵌入式光機的導入成本更為壓縮，增加產品導入微投影設計方案的成本誘因。

以歐司朗光電半導體(OSRAM Opto Semiconductors)的嵌入式LED光源方案，利用提升InGaAlP(磷化銦鎵鋁)的薄膜芯片與綠色磷粉體的設計方案，已可將嵌入式微投影機所采用的LED光源，自僅10lm/W光電轉換效率，提升至15lm/W，整體嵌入式光源方案可讓口袋型微投影機LED光源，可在維持有限尺寸的前提，產生近300流明的畫面投射亮度，甚至朝500流明設計目標努力。

在新技術加持下，以往微投影光機使用LED光源，礙于綠光輸出效率過于低落，為了達到輸出平衡光色，將整體光源僅能以綠光輸出能力而受限，利用藍光高效率輸出加上磷粉光色變更的制程處理，已可令綠光LED不再成為限制微投影LED光源的集成限制，不僅在光電轉換效率同步提升，同時也使得光源輸出表現有了新的突破，甚至加上原本LED光源即較雷射光源成本低廉，即便LED光源無雷射無需對焦與體積小巧優勢，光成本低廉、亮度倍增效益，已讓LED光源應用成為現有嵌入式投影光機的首選方案。

尤其在InGaAlP薄膜芯片的設計方案中，相關研發實驗室已號稱開發出新一代僅1平方毫米的紅光薄膜芯片，在以40mA電流驅動下可達到超過60%光／電轉換效率，發光效率可一舉達到每瓦超過200流明輸出，若采行350~400mA高功率驅動亦可達到50%以上光／電轉換效率，達接近每瓦170~200流明輸出水平。綠光LED設計方案中，以基于藍光芯片ThinGaN技術于封裝之光學材料加入綠色磷粉摻入光學封裝來處理光色轉換，亦可將綠色LED發光效率提升至接近其它光色LED。

即便發展初期受成本較高影響，但以微機電系統(MEMS)為技術底層基礎的微投影光機發展，可望在雷射光源關鍵元件量產與成本壓縮下呈現大幅躍進趨勢。尤其是直接放射之綠光雷射二極管(Direct-emitting green laser diode)于2012上半年量產，預估可使微機電MEMS雷射微投影光機改變以往采合成綠光技術的光源模塊尺寸限制，可在光源設計段即大幅壓縮尺寸，讓光機的整體厚度持續優化至7mm以下，同時兼具投射高分辨率畫面的功能要求，增加行動裝置制造商導入嵌入式設計光機方案的誘因。

在OSRAM、EpiCrystal及Corning等大廠的綠光雷射二極管積極投產后，可帶動更輕、更薄、能源效率更高的光機發展開發基礎更趨完整，也可讓原先在雷射光源與微機電MEMS硅反光鏡技術成本較高的雷射投影光機模塊，進一步壓縮光機的整體成本，如此一來，微機電MEMS雷射微投影光機模塊才能更能滿足導入智能型手機、平板計算機等行動產品，所需的微縮尺寸、投影效能之要求。

使用雷射光源的光機模塊方案，可簡省調焦之光學透鏡組件，讓光機體積更具微縮優勢，加上無光學透鏡處理可讓光效率直接發揮，而不會因為光源出輸流明與無法100%與投射影像對比的落差，同時雷射光源光機方案不需要增設導光板、主動散熱輔助設計，也能讓整體作為嵌入式應用時，讓設備體積不致于因為嵌入方案而被迫增加產品厚度。

不只是Microvision的MEMS微投影光機方案，雷射光源的優勢即便初期成本較高，也開始受到其它微投影技術陣營關注，例如數碼光源處理(Digital Light Processing；DLP)、硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon；LCoS)微投影機技術，均有試做搭載雷射光源的光機方案，導入較明顯的改變即產品體積更為縮小、運行功耗改善等。

但雷射光源也并非具完全優勢，因為雷射二極管即便各大廠已積極投產，目前成本仍高于LED光源，而光機使用的微縮化光源模塊的良率改善仍有相當大的空間，同時，若與數碼相機、數碼攝影機等消費性電子產品嵌入集成，仍須考量光源的安全性、光斑問題。此外，雷射光束與微機電(MEMS)硅掃描鏡之間的光源與反射互動，所產生影像失真問題，也必須搭配多種光學掃描補償技術改善，相關的基礎技術研發仍須持續補強現有技術，才能讓雷射微投影光機更具市場競爭力。

而雷射投影光機，即便基礎技術的物理特性，具小巧、免對焦優勢，但只要搭配微機電MEMS硅反光鏡互動機制下，就會出現整體投影成像的失真問題，例如投射亮度不均勻、光機本身光處理造成的畫面失真、同步訊號造成畫面失真，甚至是光機錯位所造成的失真問題，必須利用針對性的技術進行改善與光學補償，進而提升雷射光源微投影光機的投影亮度、銳利度、色域漸層表現、畫面的均勻度等，同時仍須改善光機設計造成的投射畫面扭曲修正。

目前采行紅綠藍雷射光源方案搭配微機電MEMS硅掃描鏡技術方案，以可開發6~8cc體積的雷射投影光機，已經可以比LED光源微投影光機方案縮小2成系統占位空間，同時可具光損失小(無對焦處理光學透鏡、反射鏡)、體積小、功耗更低優勢，同時具備SVGA(800 × 600)輸出畫質。

而雷射光源的微投影光機集成方案，由于早期設計方案為紅、綠、藍光雷射光源獨立集成成單一模塊，再與微機電MEMS硅反光光機模塊進行集成，因此為縮體積仍有相當大的空間，未來甚至可以直接使用雷射二極管與MEMS掃描鏡的全面集成，還可將光機量產尺寸壓縮在5~6cc以下。