激光顯示為何要使用熒光色輪

　　近日，國內(nèi)激光投影顯示領(lǐng)先企業(yè)，視美樂推出新一代改進(jìn)型激光熒光色輪光源技術(shù)，并命名為SLPL技術(shù)。該消息引起了行業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。本文作者將簡單講述一下這一新技術(shù)帶來的產(chǎn)品體驗(yàn)變化。

　　以激光作為投影產(chǎn)品的光源，可以顯著改善傳統(tǒng)投影機(jī)在色彩、亮度、對比度、耗材壽命等方面的產(chǎn)品特性。但是，采用RGB三基色的純激光光源產(chǎn)品也有其巨大的缺點(diǎn)。

　　首先，在白光畫面中，RGB三原色的能量并不是平均化的。其中，綠色部分的能力非常高，即綠色光要比紅光、藍(lán)光亮50%以上。這就使得，如果采用三基色RGB激光光源，綠色激光器的研發(fā)難度要高很多，而半導(dǎo)體泵浦固體激光器和半導(dǎo)體激光器兩種常用的固體激光源，綠色產(chǎn)品的成本都較高，歷史研發(fā)投入也比較少。為此，國內(nèi)三基色高端產(chǎn)品激光投影廠商迪威視訊不得不自己研發(fā)符合工程需求的綠色激光器件。

　　第二，采用RGB三原色激光源的產(chǎn)品，必須對三原色分別進(jìn)行點(diǎn)陣光源——線光源——面光源的光學(xué)轉(zhuǎn)變。這必然增加整個(gè)光源產(chǎn)品的體積、光學(xué)組件的復(fù)雜性和成本。

　　第三，和LED半導(dǎo)體光源類似，可見光波段固體激光器產(chǎn)品中，高性能藍(lán)光光源也是最容易實(shí)現(xiàn)的。參照很多白色LED光源實(shí)際也是藍(lán)光LED與紅綠色熒光粉轉(zhuǎn)換部件組合的技術(shù)路線，激光白色光源亦可以采用低成本高性能藍(lán)色激光與紅綠色熒光粉組合的方式實(shí)現(xiàn)。其中，藍(lán)光轉(zhuǎn)化紅綠色熒光粉產(chǎn)業(yè)鏈，有LED光源產(chǎn)品的完整產(chǎn)業(yè)支撐，技術(shù)、制備、成本都有保障。而，藍(lán)色激光器件也有藍(lán)光BD存儲等眾多前置產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中成熟技術(shù)、制備和成本的支撐。

　　所以，對比純RGB激光方案對激光光源優(yōu)勢的最大發(fā)揮，藍(lán)光+熒光粉方案的激光光源則具有充分利用其它產(chǎn)業(yè)成熟技術(shù)、最大程度降低技術(shù)難度、利用其它應(yīng)用中更大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模支撐，最低成本實(shí)現(xiàn)投影固態(tài)光源的優(yōu)勢。

　　低成本、技術(shù)成熟、實(shí)現(xiàn)難度低，這些特點(diǎn)之外，激光熒光技術(shù)還可以充分利用單片DLP投影機(jī)產(chǎn)業(yè)中成熟的色輪系統(tǒng)：包括機(jī)械技術(shù)、散熱結(jié)構(gòu)、控制和數(shù)學(xué)算法技術(shù)等。激光熒光色輪技術(shù)更具有體積小巧的特點(diǎn)，適合制作普通商務(wù)、教育等對產(chǎn)品體積有一定需求的產(chǎn)品。

　　當(dāng)然，繼承了LED產(chǎn)業(yè)熒光粉技術(shù)體系、BD等產(chǎn)業(yè)打下的藍(lán)光激光技術(shù)體系、單片DLP的色輪技術(shù)等成熟技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本的同時(shí)，激光熒光顯示技術(shù)也有它的不足之處。包括：第一，犧牲了很大一部分激光光源的優(yōu)勢，如更廣的色域空間等;第二，由于加入的熒光粉系統(tǒng)也具有效能衰減的特征，使得激光熒光光源技術(shù)的壽命指標(biāo)比純RGB產(chǎn)品要差一些;第三，激光熒光技術(shù)的光源亮度衰減是光源+熒光粉的雙重衰減，其亮度遞減曲線的陡峭度較RGB產(chǎn)品亦增加很多。

　　不過，以上這些不足之處，都不足以對激光熒光色輪這個(gè)光源體系的成本優(yōu)勢構(gòu)成挑戰(zhàn);也不足以對這一光源技術(shù)對傳統(tǒng)汞燈產(chǎn)品的全面性能優(yōu)勢構(gòu)成挑戰(zhàn)。所以，激光熒光色輪技術(shù)成為了大眾性激光顯示光源產(chǎn)品的最理想技術(shù)路線選擇。

　　市場三代熒光色輪的不同與發(fā)展

　　激光熒光色輪技術(shù)既然是激光光源投影產(chǎn)品的最主流技術(shù)路線，也就能吸引眾多廠商開發(fā)出不同特色的產(chǎn)品。到目前為止，這些差異產(chǎn)品大致可以分為三大類：

　　第一代產(chǎn)品：激光藍(lán)光+紅綠熒光粉、直接投射藍(lán)光色輪。這種產(chǎn)品是用紅綠熒光粉實(shí)現(xiàn)紅色和綠色兩種原色;但是藍(lán)色部分直接采用藍(lán)色激光光源。產(chǎn)品的好處在于成本最低，且能保持藍(lán)色激光部分的“激光原味”。不過，其缺點(diǎn)也很顯著。在早期藍(lán)色激光都采用半導(dǎo)體泵浦固體激光器。這種激光器出光光譜寬度為3納米左右，光譜范圍窄能量集中，且波長多為455納米段，比較一般的藍(lán)色光源更為偏向紫外波段。這些特性使得第一代激光熒光技術(shù)，在采用半導(dǎo)體泵浦固體激光器條件下，產(chǎn)品畫面會有藍(lán)色偏紫的現(xiàn)象，和較強(qiáng)的激光散斑。

　　第二代激光熒光技術(shù)，改進(jìn)了藍(lán)光部分效果。采用激光藍(lán)光熒光粉，而不是直接使用藍(lán)色激光。即，第二代熒光色輪是全熒光粉色輪，不再有藍(lán)色透明部分。這可以顯著改善第一代產(chǎn)品最終顯示畫面的偏紫和激光散斑問題。同時(shí)，這一時(shí)期，廠商還在色輪上額外加入黃色、或者白色熒光粉區(qū)間，進(jìn)而由此提高整個(gè)光源的輸出亮度水平。

　　以上兩種熒光色輪技術(shù)，有一個(gè)共同的缺陷：即，激光光源的出光是很小的一個(gè)光斑，接近線光源。很小的出光橫截面積導(dǎo)致了熒光色輪上只有很窄的一部分扇形區(qū)域參與光色彩轉(zhuǎn)化。這部分區(qū)域長期高強(qiáng)度接受激光照射，色度、亮度衰減更為劇烈。如何解決色輪上窄扇區(qū)的超強(qiáng)度工作和老化問題，是激光熒光顯示技術(shù)進(jìn)步的一大難題。

　　這個(gè)難題的解決有三個(gè)方案：第一個(gè)是研發(fā)壽命更長、能量損傷低的熒光粉產(chǎn)品。但是，這一方案無疑意味著很多嶄新的工作，全新材料的開發(fā)也未必能夠成功。技術(shù)、產(chǎn)業(yè)風(fēng)險(xiǎn)巨大。第二個(gè)方案是在色輪和激光器之間增加光學(xué)系統(tǒng)，擴(kuò)大激光光斑的截面積。這個(gè)方案沒有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，不過會增加整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)復(fù)雜度和成本，同時(shí)也并沒有根本上解決激光光斑集中照射色輪有限扇區(qū)的問題。

　　解決這個(gè)問題的第三個(gè)方案就是本文的主角：激光熒光滾筒色輪。其原理是，讓激光光斑在色輪上的照射區(qū)間能夠改變。進(jìn)而大幅提升色輪熒光涂覆部分的有效工作面積。同時(shí)，不同工作面積還可以“輪流休息”。兩項(xiàng)作用結(jié)合在一起，起到徹底改善熒光體工作工況過強(qiáng)、過集中的問題。在降低了熒光體工作強(qiáng)度、提升了熒光色輪壽命的背景下，也可以采用更強(qiáng)輸出的激光器件，在額定壽命不變的背景下，大幅提升光源亮度水平。

　　這種由視美樂首先開發(fā)出的滾筒色輪的設(shè)計(jì)非常精巧：色輪被制作成一個(gè)滾筒狀，可以垂直軸向旋轉(zhuǎn)，亦同時(shí)平行軸向移動——后者使得激光光斑可以遍歷整個(gè)色輪的每一份面積。在熒光滾筒色輪上，激光沿軸向入射后，在色輪中心軸前方由反射鏡90度折射，轉(zhuǎn)向滾筒面——即與傳統(tǒng)色輪技術(shù)比較，滾筒色輪的出入光線成90度角，而不是一般色輪的出入方向一致。

　　視美樂熒光滾筒色輪采用與一般色輪一樣的垂直軸向旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、軟件算法和硬件芯片;其平行軸向移動，不需要復(fù)雜數(shù)字控制系統(tǒng)，僅以預(yù)設(shè)慢速周期運(yùn)動即可。這一設(shè)計(jì)幾乎不增加額外的控制系統(tǒng)開發(fā)成本。同時(shí)，能夠兼容以黃色、白色熒光粉段增加整體出光亮度的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠融入任何既有的色輪投影系統(tǒng)設(shè)備之中。

　　當(dāng)然，熒光滾筒色輪技術(shù)也有其缺點(diǎn)：如，畢竟增加了另一方向的運(yùn)動，使得系統(tǒng)機(jī)械復(fù)雜度略有提升;再例如產(chǎn)品的體積也會較傳統(tǒng)色輪有所增加;同時(shí)，進(jìn)出光方向的改變，也意味著整個(gè)投影機(jī)內(nèi)部布局、散熱結(jié)構(gòu)的調(diào)整。好在，這些影響都不嚴(yán)重，且更難以抵消熒光滾筒技術(shù)，在單位色輪面積上能量耐受力的強(qiáng)化，整體熒光色輪系統(tǒng)壽命近10-20倍的提升。

　　最為重要的是，視美樂這一發(fā)明，完全采用的是成熟技術(shù)和產(chǎn)品，在技術(shù)、工藝、成本成熟性上具有天然優(yōu)勢。

　　新型激光熒光滾筒色輪的其它改變

　　對于不斷進(jìn)步的激光熒光投影產(chǎn)品體系，色輪的變革只是其中的一部分。

　　與視美樂新一代色輪技術(shù)推出同步的是，視美樂宣布以470納米半導(dǎo)體激光器，全面換代傳統(tǒng)的455納米半導(dǎo)體泵浦固體激光器。新一代激光器產(chǎn)品藍(lán)色更為純正，可解決傳統(tǒng)產(chǎn)品的藍(lán)偏紫問題;新一代激光器出光頻譜寬度可達(dá)6納米，有效緩解傳統(tǒng)產(chǎn)品的激光散斑問題;新一代激光器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為簡單，沒有泵浦源、激光晶體、倍頻晶體、輸出腔鏡等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用與LED光源芯片相似工藝制造，渴望成本更低。

　　目前，多數(shù)激光投影機(jī)宣布的亮度半衰減壽命是2萬小時(shí)。這個(gè)時(shí)間是由什么決定的呢?首先，激光器本身具有壽命性，且激光器壽命受工作溫度影響劇烈：20攝氏度和40攝氏度時(shí)，其壽命可能相差一倍。其次，熒光粉色輪也有壽命。其機(jī)械部分雖然可達(dá)10萬小時(shí)，但傳統(tǒng)的高強(qiáng)度工作的熒光扇區(qū)的壽命卻遠(yuǎn)沒有這么高。

　　視美樂熒光滾筒色輪技術(shù)的最大優(yōu)勢就是使得熒光色輪的工作區(qū)熒光粉壽命與色輪機(jī)械相當(dāng)，并大幅超過一半投影機(jī)內(nèi)部工作溫度下激光光源的壽命水平。這一變化導(dǎo)致兩個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果：1.在理想散熱系統(tǒng)中，激光熒光滾筒色輪光源體系的壽命可以做到非常高，如10萬小時(shí);2.在一般應(yīng)用場景中，2萬小時(shí)壽命下，低成本的熒光色輪方案可以實(shí)現(xiàn)10000-50000流明以上的高亮度——高亮設(shè)計(jì)下，熒光色輪不再是壽命瓶頸。

　　所以，視美樂SLPL技術(shù)給消費(fèi)市場帶來的變革將包括以下三大方面：第一，更好的色彩效果(由新一代激光源決定)，第二，超高壽命產(chǎn)品和超高亮度產(chǎn)品的低成本方案(由滾筒色輪決定)。其中，后者對于促進(jìn)百億級的萬流明以上工程投影市場，激光產(chǎn)品的普及，具有決定性的意義。

　　總之，激光投影還是新事物，技術(shù)創(chuàng)新總會層出不窮。現(xiàn)在還不是言論誰是王者的時(shí)候，而是大家拼命革新技術(shù)、與時(shí)間賽跑的時(shí)刻。視美樂SLPL技術(shù)是一個(gè)不錯(cuò)的里程碑，卻不是結(jié)束。未來，必然有更好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)理念、更好的熒光材料技術(shù)、半導(dǎo)體光源產(chǎn)品來推動激光顯示不斷前進(jìn)。而對于消費(fèi)者好消息是：每年3成以上的價(jià)格下降，將最遲在2018年形成激光對傳統(tǒng)投影光源產(chǎn)品的徹底替代效應(yīng)。