LED光源DLP关键技术浅析与实践

许 凯

（广西壮族自治区南宁广播电视技术中心，广西 南宁 530022）

1 DLP新闻背景墙发展概况

2006年6月，BBC的N6演播室和TC7演播室共同选用DLP大屏幕作为演播室背景墙，开创了新闻演播室电子背景墙应用先河。其中N6演播室DLP大屏幕设计成3 m×2 m+8 m×2 m+5 m×2 m的三面矩形直角结构（见图1）；TC7演播室采用的DLP大屏幕设计成5 m×2 m+11 m×2 m+5 m×2 m的三面矩形直角结构。

随着BBC新闻节目在全球的播放，DLP大屏幕背景墙开始逐渐进入全球的新闻演播室配置之中。

2007年底，中央电视台率先在国内新闻演播室中引入DLP大屏幕作为电子背景墙，用在早间节目《朝闻天下》中（见图2），并且在注重时效的新闻节目中运用DLP背景墙成功制作了抗击暴风雪、八一建军节等一系列新闻节目，成为中国新闻演播室电子背景制作的第一座里程碑。

2009年8月，中央电视台的新闻频道以立足国际舞台视域，强化新闻立台理念全新姿态亮相荧屏。新启用的新闻演播室采用了全新2 m×4 m的DLP大屏幕背景墙（见图3），该演播室对电子背景墙的完美运用更是吸引了全国电视同行的注意力，树立了国内新闻演播室电子背景墙的标杆。

从此，国内各地省级台竞相效仿，新闻演播室DLP大屏幕背景墙以其灵活多变的内容控制、生动美观的呈现方式、亲切自然的交互方式等优势，逐渐成为全国的新闻演播室的标准配置。在实际应用中，新闻演播室电子背景墙系统突出了新闻时效性，增强了新闻可观赏性，加强了观众视觉体验，为各电视台带来了良好的社会效益和经济效益。

2 DLP大屏幕LED光源技术新趋势

2.1 传统UHP灯泡DLP结构

DLP全名Digital Light Procession，主要由光源及色彩装置、DMD微镜芯片和投影装置三大部分组成（见图4）。其中光源及色彩装置由UHP灯泡和色轮组成。旋转的色轮把UHP灯泡发出的白光转换成RGB三色光。DMD芯片由上百万面小微镜组成，通过控制不同位置微镜的开关状态，三色光分别被反射到投影系统中产生彩色图像。

2.2 LED光源DLP结构

从2010年底开始，市场上DLP大屏幕光源逐步由UHP灯泡发展到LED光源。LED光源DLP在结构设计上，利用3片LED发光光源产生三基色光，省略了UHP灯泡以及旋转色轮的运用（见图5）。LED光源相比UHP灯泡具有寿命长、色域广、色温可控等优势，并且符合绿色环保的全球科技发展理念，是DLP大屏幕光源发展的必然方向。

2.3 LED光源相比UHP灯泡的优势

LED光源在寿命上比UHP灯泡光源有很大优势。LED光源的标称寿命为60000 h，在经济模式下可以达到80000 h，而UHP灯泡的标称寿命为6000～10000 h不等。功率越高的UHP灯泡，发光亮度越高，通常其寿命越短。因此LED光源的长期经济效益非常可观。详见表1（以巴可公司产品为例）。

表1 LED光源和UHP灯泡DLP大屏幕标称寿命比较表

LED光源在色彩的控制方面比UHP光源有了较大的进步。首先LED光源的色彩还原高达欧洲广播联盟（EBU）PAL制标准的 165%，而UHP光源的色彩还原为100%的EBU PAL标准（见图6）。因此在显示色彩的丰富程度上LED光源也是优于UHP光源的。其次，LED光源采用3片LED发光光源产生三基色光，RGB分离处理，因此对于色温的可控性大大增强。在UHP灯泡光源和色轮的上一代DLP技术中，色温不能通过电子方式连续调整，只能通过增加滤色片的方法来进行色温转换。由于材料和生产工艺的限制，色温滤色片转换后得到的色温和客户想要的具体数值会有一些差距。但是在LED光源的新技术下，色温在全部调整范围在3200～9300 K之间连续可调，这给电视台用户的应用带来了极大方便性和灵活性。

2.4 LED光源DLP散热问题

2.4.1 LED光源芯片的寿命与温度的关系

国外光源研究机构经过多年研究表明，随着温度的提升，LED光源的寿命将极大地降低。图7是Philips Lu⁃mileds Lighting Company针对Philips LUXEON K2 LED所做的寿命受温度影响试验的结果[1]。

因此，对LED光源DLP背投显示屏来说，冷却系统对于光源寿命来说至关重要。从图7中可以看出，LED光源模组的温度与寿命成对数比例关系，大约每提升10°C，LED光源寿命下降一半。

2.4.2 LED光源芯片散热的困难点

LED光源芯片体积较小，通常是封装在树脂中的（见图8）。树脂本身导热性能很差。这就意味着，LED芯片的热量只能通过芯片背面的导热材料传导出去。LED芯片的热量源于非光能转换的电功耗。这些额外的热量需要及时传导出去以保证LED光源的性能以及光源的质量和寿命。从图7中可以看出，LED光源本身应该工作在120°C以下的环境中才能保持最佳的工作状态。目前市场上的主流LED光源模组热功率约为80 W（230 W/3≈76 W）。如果不考虑尺寸和噪音等因素，设计LED光源模组冷却模块并不困难。然而，考虑到作为热源的LED光源模组本身大小只有3 mm×5 mm，热量相对集中，必须提高单位面积的散热效率。而且DLP产品多与工作人员在同一室内空间，一味采用提高空气流通量，所以LED光源背投显示屏制冷设计选择是非常困难的一项工作。

2.4.3 LED光源芯片的液冷和风冷比较

目前市场上对LED光源芯片散热有液冷和风冷两种技术。图9和图10说明了液冷和导热管两种技术如何来为LED芯片冷却。

对比上述两种冷却方式可以发现，LED光源芯片背面的散热效率与LED芯片背面的导热原理有很大关系。总体来说，大多数液体（比如水）的热容量性能比空气或金属要好，所以可以带走LED光源芯片发出的更多热量。因此液冷技术在降低LED光源芯片温度方面更加有效率。考虑到产品生产成本，也有部分厂家通过增加风扇数量和转速来提高通风流量，采用热导管加风冷的方法进行DLP大屏幕LED光源散热。

3 常见技术问题及解决方法

目前国内的电视台主要采用DLP大屏幕做新闻演播室背景墙系统。在实际应用中电视台用户经常关注的技术问题主要包括散热、色温控制、清晰度等。笔者根据实际工作经验给出部分建议供参考。

3.1 散热问题

散热问题是影响LED光源DLP大屏幕光源寿命的关键因素，直接关系到设备的经济效益成本。不管生产厂家采用液冷还是风冷的内部LED光源芯片散热方式，最终演播室中DLP大屏幕的整体散热主要还是通过中央空调和独立空调来解决。在新设计的演播室中安装大屏幕，要给大屏幕机芯进风口附近位置预留中央空调可调节冷出风口，以保证大屏幕机芯能够吸入温度较低的冷空气以加强其内部芯片的散热效率。注意选用低噪音的空调出风口，以保证不影响演播室内的拾音工作。

如果是旧演播室改造或者没有条件预留中央空调出风口，在改造演播室的时候可以考虑把大屏幕背面位置做隔离间，隔离间内安装柜式空调提供足够的冷空气以加强DLP大屏幕的内部芯片散热效率。隔离间可以设置维修门，平时可以关闭，以隔绝柜式空调的噪音。

以2 m×4 m规模OVL－708拼接大屏幕为例，其最大热散逸Heat dissipation参数为1195 BTU/h。经计算，最大设备发热量为2801 W，为降低芯片温度，通常需提供2倍以上的制冷量。

3.2 色温控制问题

LED光源DLP大屏幕的色温如果和演播室灯光色温不一致，摄像机采集的图像将会呈现偏色情况。比较典型的情况是演播室灯光色温3200 K，LED光源DLP大屏幕的色温是6500 K，摄像机根据演播室灯光对白平衡后，拍摄LED光源DLP大屏幕得到的图像发蓝，说明大屏幕色温高于演播室灯光色温，需要降低大屏幕色温或者升高演播室灯光色温。

遵循国家标准的相关规定，国内大部分演播室灯光色温为3200 K。这时以调节LED光源DLP大屏幕的色温为主，具体调整时不能仅仅依靠大屏幕的简单色温设定数值，需要结合色温表、摄像机、大屏幕和灯光在演播室环境中反复调整，以求达到最佳效果。

在实际工作中，当部分厂家的DLP大屏幕的实测色温达到3200 K时，对于DLP大屏幕画面的亮度损失过大，无法满足电视画面整体拍摄的亮度要求。或者部分DLP产品根本无法调节到3200 K色温的时候，电视台技术人员就要逆向思维，适当调整演播室灯光色温，以匹配DLP大屏幕的可用色温最低限值。

演播室灯光的调整可以根据需要选用常见的“雷登”滤色片系列。计算公式为

式中：ΔM 为所选滤色片的微导度值（MRD）；M2为变换后光源色温的微导度值（MRD）；M2为变换前光源色温的微导度值（MRD）；T2为变换后光源色温值（单位K）；T1为变换前光源色温值（单位K）。

例如，演播室灯光是3200 K，DLP大屏幕色温是4300 K，需要选用什么型号的“雷登”滤色片呢？通过式（1），可得Δ M=－79.94。在表2中查找可知，选用“雷登80C”滤色片能够基本满足要求。

表2 升色温的“雷登”滤色片系列参数[4]

3.3 清晰度问题

DLP大屏幕应用中新闻演播室中之后，通常是以拼接屏幕的形式。以中央电视台新闻频道150演播室为例，大屏幕采用的2行4纵，2 m×4 m的方式一共由8块DLP大屏幕拼接而成。单块DLP大屏幕的物理分辨力为1024×768，总体物理分辨力为4096×1536。目前国内电视台采用的ITU R BT.601数字电视标准的数字标清SDI信号分辨力为720×576，采用ITU－R BT.709标准的高清晰度HS－SDI信号的分辨力为1920×1080。这两种信号的分辨力都不能直接满足DLP拼接屏幕的点对点物理分辨力要求。在实际工作中，采用单路HD－SDI或者DVI信号的用户居多，基本也能满足日常工作。但是没有把2 m×4 m大屏幕的图像显示到最佳效果，也让一部分高端用户颇为遗憾。不过随着大屏幕拼接规模的扩大，分辨力的问题就显得尤为突出。

目前市场上只有在线包装系统针对大屏幕的对应产品，才能向DLP大屏幕拼接系统提供接近4K的高分辨力信号。部分中端4K产品可以提供4路HD－SDI或DVI信号，最高4×1920×1080的分辨力。

有些高端超分辨力视频墙产品可以完全支持DLP拼接屏幕的点对点物理分辨力要求，甚至可以根据用户的DLP大屏幕的规模变化进行最多行输出路数对应调整。比方说用户有2 m×6 m的DLP大屏幕拼接墙，总体分辨力已经超过4K信号。高端在线包装对应的视频墙产品可以用6台同步渲染引擎分布式渲染，每台渲染引擎输出2路高分辨力DVI信号，为每一块大屏幕提供点对点的图像信号源。

4 小结

LED光源是DLP大屏幕发展的必然方向，目前已经比较成熟。电视台新闻演播室通过引入DLP大屏幕电子背景墙，利用DLP大屏幕实现图文呈现、实时连线、深度分析等多种新闻节目形态，配合演播室舞美、灯光、节目包装以及栏目设计，实现新闻的全方位播报，以加深新闻媒体的感染力、影响力和交互性。在技术系统设计以及施工工程中处理好散热、色温和分辨力的问题，一定可以把新闻节目呈现得更好,使得新闻演播室更具现代化和科技化。

[1]Philips Lumileds Company.Understanding power LED lifetime analy⁃sis[EB/OL].[2011－11－23].http://ritelites.com/yahoo_site_admin/assets/docs/WP_on_LED_life.3482523.pdf.

[2]周志敏，纪爱华.LED、OLED照明技术与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2011.