2010 augusztus

 

Az elektromos áram hatására fényt – beleértve a vörösön inneni és az ibolyán túli sugárzást is – kibocsátó félvezető eszközt (LED = Light Emitting Diode) a gyakorlatban is alkalmazható formájában nagyjából ötven éve, a lézerrel majdnem pontosan egyidőben találták fel (bár a sziliciumkarbid kristályban lejátszódó elektrolumineszcencia jelensége már 1907-től ismert volt). Azóta folyamatos fejlesztés folyik, a LED-eket egyre több területen használják, néhány éve a LED-ek megjelentek a világítástechnikában, majd csakhamar elkészültek az első projektorok is, amelyek fényforrásként LED-eket használtak. Az első próbálkozások nem arattak túl nagy sikert, de a tavalyi évtől kezdve egyre több típussal találkozunk főleg két területen: a pici mikro- és pikoprojektorok világában, és a házimozi szegmensben. Ebben a rövid jegyzetben némi alapinformációt adunk a vetítéstechnikai célra használható LED-ekről.

 

Működés és teljesítmény

 

A LED tehát olyan félvezető dióda, amely a rajta átfolyó nyitóirányú áram hatására fényt bocsát ki. Anyaga sokféle félvezető ötvözet lehet, és ettől függően a fény színe a teljes látható spektrumban, sőt azon túl is megválasztható. Idáig egyszerű a dolog! De milyen fényt bocsátanak ki, és miért előnyös a használatuk a kisebb-nagyobb (egyelőre inkább kisebb) teljesítményű projektorokban (vagy az LCD TV-k és monitorok háttérvilágításaként)? Különösen érdekesek számunkra a HB-LED-ek (HB = nagy fényerejű, 50 – 250 lumen), vagy még inkább az UHB-LED-ek (UHB = ultra nagy fényerejű, 250 lumen fölött). Itt a nagy fényerőről persze csak viszonylagosan, a LED-ek világán belül beszélhetünk, hiszen a legnagyobb teljesítményű LED-ek is legalább egy nagyságrenddel elmaradnak a mai projektorok túlnyomó többségében használt UHP (vagy más névvel illetett, de hasonló elven működő) lámpák fényereje mögött. 

 

A kívánt (domináns) hullámhosszúságú színes fényt – esetünkben a vörös, zöld és kék, azaz R, G, B alapszíneket – a LED-ek közvetlen emisszióval állítják elő. Tipikusan mindenféle szögben és polarizációval, elég széles spektrumban sugároznak (legalábbis a lézerekhez képest), de ahhoz a LED spektruma keskeny, hogy egyetlen dióda lefedje a teljes látható spektrumot.

 

Fehér LED

 

Ebből következik, hogy szűkebb értelemben csak színes LED-ek vannak, a fehér LED egy összetett eszköz, amelyet csak színes, pl. kék vagy ultraibolya LED, és foszfor vagy más fluoreszcens anyag kombinációjával lehet előállítani, esetleg három, vörös, zöld és kék LED megfelelő „kombinálásával” egyetlen eszközben, akár monolit formában (trikromatikus fehér LED). Két komplementer színű (kék és sárga) LED-ből is kialakítható fehér LED.

Gyakori módszer fehér LED készítésére a kék LED és az általa gerjesztett sárga foszfor kombinációja, amikor a maradék kék fény és a foszfor sárga fénye (komplementer színek) adja ki a fehéret. A probléma csak az, hogy a sárgát zöldre és kékre bontva, ez a fajta fehér LED, főleg a telítetlen színek és a kedvezőtlen spektrális energiaeloszlás miatt nemigen használható komolyabb megjelenítőhöz.

 

Kék LED (InGaN) és sárga foszfor (Ce:YAG) kombinálásával készített fehér LED spektrális eloszlási görbéje. Ez a fajta fehér LED az előnytelen spektrális viselkedése miatt nem alkalmas vetítéstechnika használatra. Léteznek azonban más fajta (szintén összetett) fehér LED-ek is, amelyek spektruma kiegyenlítettebb

 

Jobb eredményt ad a kék LED és a zöld és vörös foszfor kombinációja, vagy az ultraibolya LED és a kék, zöld és vörös foszfor „házasítása”. Ekkor azonban a hatásfok csökken jelentősen.

 

R, G, B LED-ek

 

A nagy LED-gyártók, mint az Osram vagy a Luminus, gyártanak ugyan kijelzési célokra fehér LED-et is, a display-technikában azonban gyakrabban van szükség külön primer alapszínű R, G, B LED-ekre.

 

Luminus gyártmányú RGB chipset projektorokban való használatra

 

Itt két külön HB-LED technológiáról beszélhetünk: a vörös LED anyaga AlInGaP ötvözet, a kék és zöld LED-eké InGaN. Pl. a 616, 539 és 461 nm domináns hullámhosszúságú LED-eket alapszínekként használva bőven lefedhető a DCI (Digital Cinema Initiative) által szabványosított színháromszög, amely jóval nagyobb, mint pl. a házimozi vetítők kalibrációjánál gyakran használt Rec. 709 vagy a SMPTE-C/EBU féle színháromszög.

A LED alapszínek telítettsége gyakorlatilag megfelel a spektrálszíneknek (mint a lézer), kivéve a zöldet, amely lényegesen telítetlenebb. Egyébként fényáramban is a zöld LED a korlátozó tényező, részben mert az InGaN technológia felső határán van hullámhosszban, részben mert a belső kvantumhatásfok a zöld LED-nél a legkisebb.

 

Projektorokhoz használt vörös, zöld, kék alapszínű LED-ek fényének spektrális energiaeloszlása

 

A projektortechnikában – néhány fehér LED-es pici pikoprojektor típust leszámítva – a LED fényforrás tehát három külön fényforrást jelent, éspedig az alapszínű R, G és B fényforrásokat. Nem kell tehát egy viszonylag egyenetlen spektrumú fehér fényforrás fényét optikai eszközökkel (dikroikus szűrőkkel) alapszínekre hasítani, mivel az alapszínek eleve egyenként megvannak. Ez azt is lehetővé teszi, hogy pl. egy LED-es DLP projektor esetében (az 1 DLP chipes változatra gondolunk) az időmultiplex megjelenítést, azaz az alapszínű képek szekvenciáját ne egy színtárcsával (mozgó alkatrész) kelljen előállítani, hanem elegendő a LED-ek megfelelő frekvenciával történő kapcsolgatása. Mivel a LED rendkívül gyors működésű eszköz, semmi akadálya ennek a megoldásnak. Már sok gyártó is alkalmazza ezt a módszert, és olyan cégek, mint a Sim2, a Runco, a projectiondesign, a Vivitek stb. már kihozták LED-es DLP házimozi projektoraikat. A LED-ek azonban más technológiákkal kombinálva is használhatók, amire példa a Samsung LED-es 3LCD vetítője, amelyet egyelőre csak a bejelentésből ismerünk.

 

A projekciós LED-fényforrás fényáramának felső határa jelenlegi ismereteink szerint 1000 lumen körül van, talán feltornászható 2000 lumenig. A szín és a hatásfok sajnos erősen függ a hőmérséklettől. E hátrányokkal azonban szembeállítható sok előnyös tulajdonság is, mint pl. az alapszínek megfelelő megválaszthatósága, a referenciafehér (színegyensúly) egyszerűbb beállítása, a rendkívül kis tehetetlenség (az említett gyors működés), a hosszú élettartam, a környezetkárosító anyagok hiánya stb.

A fejlesztők tovább dolgoznak a LED-ek tökéletesítésén és általános elterjesztésén…

 

Osram gyártmányú RAPCUR LED meghajtó egység Full HD házimozi projektorokhoz

 

Nagy Árpád

jehu@projektor.hu