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激光投影:那些必須了解的創新細節

來源:投影時代 更新日期:2020-07-31 作者:花開無期

    激光光源技術,是目前投影產業最主要的創新成果。固態、長壽激光光源,改變了投影產業傳統的競爭版圖,帶來了諸如激光電視、戶外文旅等差別化應用市場的大發展。

    但是,隨著激光顯示技術的進步,完全不同的“激光投影”技術也在大量出現。產生了一個龐大的“激光”創新技術體系,也誕生了眾多的嶄新名詞:如雙色激光、三原色激光、全轉換激光等等。這些差異化的激光技術,究竟意味著什么,對于消費者的產品選擇,極其重要!

    激光顯示技術進步之“用什么激光器”

    市場將激光投影也叫作激光顯示,格外突出“激光”二字的差異性。但是從本質角度看“大多數投影廠商的創新”與“激光光源自身的進步關系不大”——投影產業的創新重點是“如何應用激光光源”。這種應用創新主要圍繞:色輪、熒光粉,以及采用什么樣的激光器進行。

    例如,藍色激光熒光技術、雙藍色激光光源技術、雙色激光光源技術、三原色激光光源技術等,基本都是在“采用什么樣的激光器”上進行創新:

激光投影:那些必須了解的創新細節

    藍色激光器與熒光色輪的結合,是最早的激光顯示實用化方案。這個方案的好處是,高效率藍色激光器技術最為成熟,熒光粉技術也很成熟,結合色輪應用成功解決了“熒光粉粹滅”問題,并順帶解決了“散斑問題”,實現了結構簡單、可靠性高、成本低廉的激光顯示應用。

    雙藍色激光光源技術的發展,是對單藍光技術的“補充”:因為,想要提升藍光照射熒光粉后,紅色和綠色的轉化效率,就需要盡可能用短波長的藍光;而保障最終畫面的色彩還原準確度,尤其是避免“畫面偏紫”則需要用波長更長一些的藍光——兩者不可兼得之下,最簡單的解決方案就是“混用雙波長藍光激光器”。

    雙色激光光源技術的目的和“雙藍光”相似:即,藍光通過熒光粉轉換的紅色,往往波長精度下降,造成最終畫面紅色顯示效果不理想。在藍色激光技術中,加入單純的紅色激光,可以有效提升產品色彩表現。附帶的另一個效果是,減少了藍色激光提供紅色像素的能量消耗,額外增加紅色激光,有利于“提升產品亮度”。

    至于三原色RGB激光,被認為是激光投影和激光顯示的“終極形態”。但是,在白色中,綠色能量占比高達4成以上;而良好的高亮綠色激光器又開發最為困難。這使得三原色激光投影產品的制造“成本很好”。例如,海信100L9-PRO采用三原色激光技術,實現全色顯示色域覆蓋達到DCI-P3電影色彩標準的151%,接近人眼極限,但是產品售價也高達99999元,比較大多數激光電視2萬元以下的價格,可謂之天價。整體上,三原色激光顯示效果最佳,成本也最高、成熟度不足,這使得即便電影放映機,也只有少數旗艦能采用三原色技術。

    當然,激光器的應用與選擇,不僅僅是“色彩和波長”的搭配——實際上,采用光纖耦合技術,多激光器陣列方式的激光顯示,對激光器的單個亮度需求可以寬容,卻對其電光轉化效率非常敏感——因為后者是系統散熱設計的關鍵。因此,選擇更高電光轉化效率、低熱量的激光器,也是產品設計的關鍵之一。

    激光顯示進步之熒光轉換和色輪的創新

    三原色激光產品成本高、技術成熟度低,這是單色藍光熒光色輪激光顯示設備大流行的“核心背景”!這也使得熒光轉換和色輪創新成為“激光投影”新技術的重中之重:

    雙色輪技術,這是激光顯示興起后流行的一種DLP投影技術。采用熒光轉換和濾光片雙色輪的原理很簡單:即熒光轉換后的綠色和紅色很可能摻雜有部分藍色,有礙產品的色彩準確度。而同軸部署一個濾光片色輪,效果“剛剛”的,成本和可靠性幾乎沒有顯著變化。

激光投影:那些必須了解的創新細節

    全轉換技術的色輪選擇。這種技術與早期藍光激光熒光色輪技術的差別主要在于,藍色段是透明投射,還是熒光粉轉換。采用熒光粉轉后,可以有效避免短波長藍光的眼部傷害,并抑制色彩向紫色的偏移,更保持有較短波長藍光在綠色和紅色轉換時的更高效率——甚至,因為藍光也來自于熒光轉換,所以激發光的選擇范圍更寬,突破傳統藍色色彩的波長限制,并更徹底解決了散斑問題。

    紅綠分別轉換和黃色轉換熒光粉的選擇。在單片DLP投影機的光路中,紅綠藍三原色的工作是“時分復用”的,所以可以采用這樣的技術:藍色激光一時轉換成紅色,另一時轉換成綠色,構成了更高效的工作體系。但是,在3LCD和3DLP系統中,三原色是“空間復用”的,光源必須同時提供紅綠藍三原色。后者采用黃色熒光色輪技術,配合全時段透射藍光可以更為簡單的提供“同時工作的三原色光源”。因此,在高效率和更精簡的光學結構設計中,是紅綠分別轉換,還是黃色轉換,本質是由于單片投影,還是三片投影而做出的選擇。

    三原色激光光源要不要熒光粉二次轉換?這個問題的答案并不在于“激光更準確”,或者熒光色彩更柔和上。而在于高度準確和單一波長的激光形成的“干涉效應”,在畫面上呈現“散斑”。在熒光轉換系統中,熒光粉順便就消滅了散斑問題。但是,如果采用純激光三原色技術,消滅散斑,就需要更多的技術配合:比如每一個原色都選擇多個波長的激光器、再比如屏幕抖動技術等。當然,也可以將熒光轉換作為“消散斑”技術。

    新型熒光粉和基底材料的突破。對于需要熒光轉換的激光顯示系統,熒光粉系統當然是效率越高、準確度越高、壽命越長越好——因此,激光顯示將很多投影機企業逼迫成了“熒光粉材料專家”。而對于更高效的熒光粉,以及更高壽命和穩定度的基底產品而言,告別“轉動解決粹滅問題”的色輪方案就成了一個“新方向”。例如,Maxell推出的陶瓷熒光體技術就是這種創新:不需要色輪的激光熒光轉換模塊,效率更高、產品更為緊湊、可靠性也更好。

    反射式色輪的選擇。對于激光熒光轉換而言,除了傳統的透射色輪,還可以選擇反射式的色輪。后者的好處是反射往往比透射效率高一點,同時可以將色輪部署在整個投影光路的一個狹小角落,提升了產品設計的靈活性。但是,在雙色輪系統中,反射式色輪不是好選擇。

    滾筒色輪和片狀色輪的差異:滾筒色輪的優勢在于不同部位的熒光粉在線速度上完全一樣,從根源上避免了“扇形熒光粉面”中不同部位可能出現的“不均勻老化”問題。同時,滾筒色輪可能厚度要大于傳統色輪,但是直徑顯著小于傳統色輪——尤其是應對更高亮度機型、需要更大熒光粉涂覆面積時,滾筒色輪的直徑優勢和壽命一致性優勢更為突出。

    高效率和高性能”兩個激光顯示創新方向

    以上的激光源組合創新與色輪、熒光粉的創新大多數還可以混搭使用。這就使得激光投影產品理論上可以組合出十余種“差異化的光源體系”產品,構成了激光顯示技術近年來創新的百花齊放。

    不過,從應用需求端看,這些激光顯示的創新無外乎兩個方向:第一,提升更高的光源體系效率,進而能夠制造更亮的產品,或者制造更為輕薄的產品,并控制產品成本;第二,提升產品的畫質性能,在差異化需求,例如電影放映、文旅、激光電視產品上,實現視覺價值的突破。

    當然,有些時候,效率和性能也需要折中或者兼顧:例如,索尼最新的VPL-GTZ380投影采用新型激光光源,除了兩種不同波長的藍色激光二極管外,還集成了紅色激光二極管,可實現100%DCI-P3的寬色域。該機型充分利用各種創新技巧,做到了高性能與高效率的平衡。

    所以,行業專家表示,“控制到什么樣的成本、創造出什么樣的畫質質量、滿足哪些特定需求的應用場景”,這是激光顯示產品采用哪些技術創新組合的最終決定力量。當然,除了這些重點局限在在投影技術之內的創新之外,激光顯示也需要在更為基礎的技術上,比如光學新材料、熒光轉換新材料、激光半導體產品新材料上的突破。甚至,對新型散熱產品與技術體系的突破也極其熱衷。

    激光顯示和激光投影,是一個復雜的“應用工程”。他們涉及的技術門類、材料門類異常廣泛。至少超過液晶顯示或者OLED顯示等產品的復雜度。這也是投影顯示為何能擁有如此多樣創新的原因所在,是激光顯示的未來“創新空間無比巨大”的原因所在,更是市場逆勢之下,行業發力的關鍵點所在。例如,奧維咨詢的研究認為2023年前后,激光電視銷量可以沖擊百萬臺規!@將是投影市場“東邊不亮西邊亮”的機遇之一。

    總之,激光顯示技術,除了“激光器自身的進步之外”,在應用工程上還有眾多的技巧和創新空間。應用工程的創新,比較激光器自身的進步而言,門檻更低、方向更多樣,構成了激光顯示產業“多元化”發展的主軸線,并成為今天激光顯示市場不同產品的差異化競爭力的根本,也成為了激光投影廠商未來“錢”景所在。

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