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激光投影:那些必须了解的创新细节

来源:投影时代 更新日期:2020-07-31 作者:花开无期

    激光光源技术,是目前投影产业最主要的创新成果。固态、长寿激光光源,改变了投影产业传统的竞争版图,带来了诸如激光电视、户外文旅等差别化应用市场的大发展。

    但是,随着激光显示技术的进步,完全不同的“激光投影”技术也在大量出现。产生了一个庞大的“激光”创新技术体系,也诞生了众多的崭新名词:如双色激光、三原色激光、全转换激光等等。这些差异化的激光技术,究竟意味着什么,对于消费者的产品选择,极其重要!

    激光显示技术进步之“用什么激光器”

    市场将激光投影也叫作激光显示,格外突出“激光”二字的差异性。但是从本质角度看“大多数投影厂商的创新”与“激光光源自身的进步关系不大”——投影产业的创新重点是“如何应用激光光源”。这种应用创新主要围绕:色轮、荧光粉,以及采用什么样的激光器进行。

    例如,蓝色激光荧光技术、双蓝色激光光源技术、双色激光光源技术、三原色激光光源技术等,基本都是在“采用什么样的激光器”上进行创新:

激光投影:那些必须了解的创新细节

    蓝色激光器与荧光色轮的结合,是最早的激光显示实用化方案。这个方案的好处是,高效率蓝色激光器技术最为成熟,荧光粉技术也很成熟,结合色轮应用成功解决了“荧光粉粹灭”问题,并顺带解决了“散斑问题”,实现了结构简单、可靠性高、成本低廉的激光显示应用。

    双蓝色激光光源技术的发展,是对单蓝光技术的“补充”:因为,想要提升蓝光照射荧光粉后,红色和绿色的转化效率,就需要尽可能用短波长的蓝光;而保障最终画面的色彩还原准确度,尤其是避免“画面偏紫”则需要用波长更长一些的蓝光——两者不可兼得之下,最简单的解决方案就是“混用双波长蓝光激光器”。

    双色激光光源技术的目的和“双蓝光”相似:即,蓝光通过荧光粉转换的红色,往往波长精度下降,造成最终画面红色显示效果不理想。在蓝色激光技术中,加入单纯的红色激光,可以有效提升产品色彩表现。附带的另一个效果是,减少了蓝色激光提供红色像素的能量消耗,额外增加红色激光,有利于“提升产品亮度”。

    至于三原色RGB激光,被认为是激光投影和激光显示的“终极形态”。但是,在白色中,绿色能量占比高达4成以上;而良好的高亮绿色激光器又开发最为困难。这使得三原色激光投影产品的制造“成本很好”。例如,海信100L9-PRO采用三原色激光技术,实现全色显示色域覆盖达到DCI-P3电影色彩标准的151%,接近人眼极限,但是产品售价也高达99999元,比较大多数激光电视2万元以下的价格,可谓之天价。整体上,三原色激光显示效果最佳,成本也最高、成熟度不足,这使得即便电影放映机,也只有少数旗舰能采用三原色技术。

    当然,激光器的应用与选择,不仅仅是“色彩和波长”的搭配——实际上,采用光纤耦合技术,多激光器阵列方式的激光显示,对激光器的单个亮度需求可以宽容,却对其电光转化效率非常敏感——因为后者是系统散热设计的关键。因此,选择更高电光转化效率、低热量的激光器,也是产品设计的关键之一。

    激光显示进步之荧光转换和色轮的创新

    三原色激光产品成本高、技术成熟度低,这是单色蓝光荧光色轮激光显示设备大流行的“核心背景”!这也使得荧光转换和色轮创新成为“激光投影”新技术的重中之重:

    双色轮技术,这是激光显示兴起后流行的一种DLP投影技术。采用荧光转换和滤光片双色轮的原理很简单:即荧光转换后的绿色和红色很可能掺杂有部分蓝色,有碍产品的色彩准确度。而同轴部署一个滤光片色轮,效果“刚刚”的,成本和可靠性几乎没有显著变化。

激光投影:那些必须了解的创新细节

    全转换技术的色轮选择。这种技术与早期蓝光激光荧光色轮技术的差别主要在于,蓝色段是透明投射,还是荧光粉转换。采用荧光粉转后,可以有效避免短波长蓝光的眼部伤害,并抑制色彩向紫色的偏移,更保持有较短波长蓝光在绿色和红色转换时的更高效率——甚至,因为蓝光也来自于荧光转换,所以激发光的选择范围更宽,突破传统蓝色色彩的波长限制,并更彻底解决了散斑问题。

    红绿分别转换和黄色转换荧光粉的选择。在单片DLP投影机的光路中,红绿蓝三原色的工作是“时分复用”的,所以可以采用这样的技术:蓝色激光一时转换成红色,另一时转换成绿色,构成了更高效的工作体系。但是,在3LCD和3DLP系统中,三原色是“空间复用”的,光源必须同时提供红绿蓝三原色。后者采用黄色荧光色轮技术,配合全时段透射蓝光可以更为简单的提供“同时工作的三原色光源”。因此,在高效率和更精简的光学结构设计中,是红绿分别转换,还是黄色转换,本质是由于单片投影,还是三片投影而做出的选择。

    三原色激光光源要不要荧光粉二次转换?这个问题的答案并不在于“激光更准确”,或者荧光色彩更柔和上。而在于高度准确和单一波长的激光形成的“干涉效应”,在画面上呈现“散斑”。在荧光转换系统中,荧光粉顺便就消灭了散斑问题。但是,如果采用纯激光三原色技术,消灭散斑,就需要更多的技术配合:比如每一个原色都选择多个波长的激光器、再比如屏幕抖动技术等。当然,也可以将荧光转换作为“消散斑”技术。

    新型荧光粉和基底材料的突破。对于需要荧光转换的激光显示系统,荧光粉系统当然是效率越高、准确度越高、寿命越长越好——因此,激光显示将很多投影机企业逼迫成了“荧光粉材料专家”。而对于更高效的荧光粉,以及更高寿命和稳定度的基底产品而言,告别“转动解决粹灭问题”的色轮方案就成了一个“新方向”。例如,Maxell推出的陶瓷荧光体技术就是这种创新:不需要色轮的激光荧光转换模块,效率更高、产品更为紧凑、可靠性也更好。

    反射式色轮的选择。对于激光荧光转换而言,除了传统的透射色轮,还可以选择反射式的色轮。后者的好处是反射往往比透射效率高一点,同时可以将色轮部署在整个投影光路的一个狭小角落,提升了产品设计的灵活性。但是,在双色轮系统中,反射式色轮不是好选择。

    滚筒色轮和片状色轮的差异:滚筒色轮的优势在于不同部位的荧光粉在线速度上完全一样,从根源上避免了“扇形荧光粉面”中不同部位可能出现的“不均匀老化”问题。同时,滚筒色轮可能厚度要大于传统色轮,但是直径显著小于传统色轮——尤其是应对更高亮度机型、需要更大荧光粉涂覆面积时,滚筒色轮的直径优势和寿命一致性优势更为突出。

    高效率和高性能”两个激光显示创新方向

    以上的激光源组合创新与色轮、荧光粉的创新大多数还可以混搭使用。这就使得激光投影产品理论上可以组合出十余种“差异化的光源体系”产品,构成了激光显示技术近年来创新的百花齐放。

    不过,从应用需求端看,这些激光显示的创新无外乎两个方向:第一,提升更高的光源体系效率,进而能够制造更亮的产品,或者制造更为轻薄的产品,并控制产品成本;第二,提升产品的画质性能,在差异化需求,例如电影放映、文旅、激光电视产品上,实现视觉价值的突破。

    当然,有些时候,效率和性能也需要折中或者兼顾:例如,索尼最新的VPL-GTZ380投影采用新型激光光源,除了两种不同波长的蓝色激光二极管外,还集成了红色激光二极管,可实现100%DCI-P3的宽色域。该机型充分利用各种创新技巧,做到了高性能与高效率的平衡。

    所以,行业专家表示,“控制到什么样的成本、创造出什么样的画质质量、满足哪些特定需求的应用场景”,这是激光显示产品采用哪些技术创新组合的最终决定力量。当然,除了这些重点局限在在投影技术之内的创新之外,激光显示也需要在更为基础的技术上,比如光学新材料、荧光转换新材料、激光半导体产品新材料上的突破。甚至,对新型散热产品与技术体系的突破也极其热衷。

    激光显示和激光投影,是一个复杂的“应用工程”。他们涉及的技术门类、材料门类异常广泛。至少超过液晶显示或者OLED显示等产品的复杂度。这也是投影显示为何能拥有如此多样创新的原因所在,是激光显示的未来“创新空间无比巨大”的原因所在,更是市场逆势之下,行业发力的关键点所在。例如,奥维咨询的研究认为2023年前后,激光电视销量可以冲击百万台规模——这将是投影市场“东边不亮西边亮”的机遇之一。

    总之,激光显示技术,除了“激光器自身的进步之外”,在应用工程上还有众多的技巧和创新空间。应用工程的创新,比较激光器自身的进步而言,门槛更低、方向更多样,构成了激光显示产业“多元化”发展的主轴线,并成为今天激光显示市场不同产品的差异化竞争力的根本,也成为了激光投影厂商未来“钱”景所在。

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