【使用ＬＩＦＩＴＭ光源的长寿命全彩色投影显示器】 电脑显示器排行榜2018

　　摘要：一种使用射频无电极等离子体技术的新型光源被应用到投影显示，它利用金属卤化物来避免使用难熔性金属电极带来的不利的化学性质，从而使低通量照度比的光源成为可能。它使得投影显示设备拥有长而稳定的寿命（无需更换灯泡）、宽广的色域和快速的启动时间。本文阐述了高强度放电（HID）的基本物理化学机理。该机理使得采用熔融石英封装并且具有高亮度、极好的色彩表现力和器壁稳定性的等离子光源成为可能。
　　关键词：无电极等离子技术，强度放电；金属卤化物
　　中图分类号：TN141文献标识码：B
　　
　　Long-Life True-Color Projection Displays Using LIFITM Light Sources
　　
　　Richard P.Gilliard,Abdeslam Hafidi, Apurba Pradhan
　　（LUXIM INC.,CA 94089,USA）
　　
　　Abstract: A new light source developed for projection displays utilizing radio-frequency (rf) electrodes-less plasma technology makes possible low-étendue light sources utilizing metal halides without the adverse chemistry associated with refractory metal electrodes. The results are projection-display applications that have long stable lifetimes (without re-lamping) plus wide color gamuts and fast start times. This article outlines the basic high-intensity-discharge (HID) physics and chemistry that enable high-brightness wall-stabilized plasma sources with excellent color rendition in fused-silica envelopes.
　　Keywords:electrode-less plasma technology；high-intensity-discharge；metal halides
　　
　　以往投影显示中实际使用的高亮度白光源，不是灯泡寿命较短，就是输出光谱范围受到限制。因此，到目前为止，传统光源都存在着光谱输出范围的限制（较差的红光谱）或需要在投影仪或电视使用寿命内更换光源的问题。
　　最近提出的LIFITM技术能够生产出结构稳定的等离子体光源。这种光源不会受传统的灯泡电极所引起的退化机制的影响。使用该技术能够显著提高光源的色度，而不再受到高压汞蒸气和高压氙气的光谱的限制。这种新型的光源技术在紧凑弧光设备的高亮无电极灯中使用了高效能的金属卤化物。这使得工作在170W的灯可以在通量照度比(еtendue)为27mm2 -sr的情况下提供5，500lm的光强。
　　得益于金属卤化物的连续光谱，这种无电极灯能够提供更饱和的色域。和光谱相对不连续的高压汞灯相比，这种灯在影像中白点处的色彩均衡方面更具有显著优势。这种发光机制在灯管内气压和填充物的选择上具有灵活性，使得灯泡具有更短的启动时间，典型值可以小于10s。相比之下，传统的投影显示光源常常需要多于60s的时间来加热。在性能和使用寿命上的改进能够极大提升观看投影高清电视时的视觉感受。
　　使用下述设计的产品是无电极灯技术在显示领域中的首个成功应用，超过80%的产品稳定光强输出的时间都能达到25，000小时。实际应用中，这种性能级别的灯可以从一个典型的微显投射引擎发出超过400lm的光强，满足71in高清电视的亮度要求。在一月份，松下建成了两条使用LIFITM技术的微显投影电视生产线――LCZ和LCX的 50、56、61in型号。
　　
　　1灯体结构
　　
　　 这种无电极灯结构上包括一个石英灯管和由导电性金属包裹的高介电常数的腔体。腔体通过表面波产生持续的射频放电，而石英灯管被嵌在腔体内。整个装置由一个射频电路驱动。灯的结构见图1。
　　
　　 图2是一张灯管和及其底盘（介质谐振器）的照片。图3是一个实际的灯管（胶囊状）的图片。
　　
　　2放射性材料的使用
　　
　　 在紧凑型无电极光源中使用放射性材料需要考虑很多问题。首先，这种材料必须在化学、物理性质上满足非常紧凑的存储容器的要求。尤其是这种紧凑型光源必须满足1×3mm或更小的弧光尺寸要求。无极性灯并不是依靠电极端部来决定等离子体的几何范围，它依据产生弧光容器的器壁和电场分布来决定弧光几何尺寸。这可能使得产生弧光的容器必须能够承受极其高的器壁压力以及器壁温度。放射性材料能够高效地将电能转化为可见光辐射而不是转化为极端的压力和器壁温度，显然是一种较合适的材料。
　　 根据引用文献2中所提到的基本原则，之所以选用金属卤化物作为添加材料，是由于其具有如下特性：在典型的器壁温度（1，000K或更高）下具有较高的蒸气压；在室温下具有较低的蒸气压；在工作时的器壁温度下与器壁材料（这里指熔融石英材料）的化学反应活性较低，在器壁温度下具有化学稳定性；但在核心温度（大约6，000K）下由于能够充分分解，从而能够发射出金属原子的特征光谱；在典型的核心温度和蒸气压下能够发射出高强度、可见光范围内的原子光谱，在某些情况下发射的是分子光谱。
　　 可以列出许多添加材料，其中包括钠、铟、铊、钪、锂的碘化物和溴化物以及稀土金属元素铥、镝等的卤化物。van Erk和Rietveld对稀土金属元素卤化物（尤其是碘化物）和熔融石英材料的反应进行了研究。当使用卤素中的碘元素时，他们得到的结论如下：
　　(1)几种常用的金属卤化物（主要是稀土金属元素）按照其与熔融石英材料的活性反应强烈程度由强到弱排列如下：钪、铥、镝；
　　(2)具有较高反应活性的金属卤化物和金属钠、铊等的卤化物能够产生熔盐混合物，这种效应能够在气相条件下形成稳定络合物如NaSCl4,从而具有更好的稳定性，并且与器壁材料的反应活性也变弱了；
　　(3)从热力学角度考虑，要求在较高的材料蒸气压和较低的器壁温度之间存在一个最佳的平衡，以此来减慢不良反应的速率。
　　
　　3实验结果
　　
　　 LIFITM灯的一个主要特征是通过熔融石英灯管与无极性谐振器的紧密接触，使生成弧光的容器具有较高的热传导率。与传统的高强度放电（HID）灯相比，这使得在较高的器壁载荷下能够显著降低器壁温度。传统高强度放电灯中使用的难熔性金属电极会引发很多的问题。例如由于工作温度常常超过2，000℃，使得金属钨蒸发并运动到封装的出口壁上，最终导致器壁变黑；由于硅元素从内壁运动到电极端部引起严重的电极变形问题，导制弧光长度增加、弧光移位和闪烁现象；在很高的工作压力下，玻璃与金属的密封处（例如钼箔密封）会成为放电容器的潜在失效点。
　　 在无电极灯中，虽然内壁载荷大于250W/cm2,但在外部气流作用下，外壁的较热部位温度可介于800℃至900℃之间。使用紧凑型弧光产生器，创造性地将灯泡嵌入到谐振器中和高效的光学设计，使得高亮度并且器壁稳定的弧光灯能够体积小巧，适合低通量照度比的应用。
　　 我们使用许多掺杂汞或不掺杂汞的金属卤化物以及它们的混合物制作了实验用的灯泡，其中包括了铟、铊、铝以及铈、钆、镝、钬、铥等稀土元素的碘化物和溴化物。因为随着时间推移碱金属元素倾向于从卤化物中分离出去，所以我们没有使用这类元素。图4显示了通量照度比在 27 mm2-sr的情况下，由不同金属卤化物制成的灯的典型光谱。
　　
　　 因为这种灯不使用电极，可以灵活地选择反应活性更高的物质，而不会出现器壁变黑、闪烁和弧光尺寸改变等情况。在许多情况下，产生弧光的容器显然并不存在退化机制。图5给出了随着时间推移典型的稳定光强输出曲线。
　　
　　4总结
　　
　　 这种长寿命的新光源在投影显示设备中的应用，使得这些设备可以拥有宽广的色域和快速的启动时间。LIFITM灯技术在高亮度、紧凑型弧光灯中使用金属卤化物，并通过高载荷、器壁稳定的无电极放电来达到上述性能。这使得长寿命的灯成为可能。通过摒弃电极和玻璃与金属的密封，从而消除了标准高强度放电灯的主要失效因素和退化机制。将石英灯管内嵌到无极性波导中，不仅为能量传递提供了一种有效的方式，还有效降低了石英灯管的温度，从而与其它工作在空气或密封结构中的灯泡相比能够承受更高的器壁载荷（同时形成更紧凑、器壁更加稳定的弧光灯结构）。
　　
　　5致谢
　　
　　 谨对在弧光灯结构和反应材料的改进过程中, J.WaymouthR.Shaffner,C.Joshi, T.McGettigan,M.DeVincentes,G.Hollingsworth,M.Duelli,P.Sagata,T.O"Halloran和P.Lamond等人提供的帮助表示感谢。
　　
　　参考文献
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　　 (南开大学 高丕涛
　　译自《Information Display》 Vol.23 08/2007)