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激光投影觀察 三原色距我們還有多遠(yuǎn)?

星之球科技 來源:投影時(shí)代2016-08-14 我要評(píng)論(0 )   

近日,激光投影行業(yè)發(fā)布了全球首款雙色激光投影機(jī)。所謂雙色是指采用了紅色和藍(lán)色激光器,并區(qū)別于市場(chǎng)普遍的藍(lán)色熒光色輪激光投影產(chǎn)品。

近日,激光投影行業(yè)發(fā)布了全球首款雙色激光投影機(jī)。所謂雙色是指采用了紅色和藍(lán)色激光器,并區(qū)別于市場(chǎng)普遍的藍(lán)色熒光色輪激光投影產(chǎn)品。面對(duì)雙色激光投影的問世,很多消費(fèi)者不禁要問的一個(gè)問題是:為什么不是三原色,三原色激光距離我們還有多遠(yuǎn)!

半導(dǎo)體激光器,綠色難度高
  
投影機(jī)使用的激光光源,都是半導(dǎo)體激光器。這類產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是“體積小”,可用于小巧的精密儀器。光纖通訊中使用的激光器也是這種產(chǎn)品。而工業(yè)上,比如切割、焊接等使用的激光器多數(shù)是氣體激光器或者泵輔激光器,這類產(chǎn)品體積巨大,顯然無法滿足投影機(jī)產(chǎn)品的應(yīng)用需求。
  
對(duì)于半導(dǎo)體激光器,有一個(gè)基本規(guī)律:即出光頻率越高,越容易實(shí)現(xiàn)高輸出功率和高輸出效率。這兩個(gè)參數(shù),前者決定了最終的“亮度”,后者決定了“一定亮度下,發(fā)熱有多少”。在三原色中,藍(lán)色的頻率最高。所以藍(lán)色激光器最早實(shí)現(xiàn)了高亮與高效產(chǎn)品的“投影光源”實(shí)用化。這就是光峰科技、視美樂科技現(xiàn)在為大家提供的激光熒光色輪技術(shù)的基礎(chǔ)。
 

 
而雙色激光投影機(jī)是在藍(lán)色激光熒光色輪技術(shù)的基礎(chǔ)上,增加了紅色激光器。紅色激光能夠帶給雙色激光投影更大的色域覆蓋、更好的色彩顯現(xiàn)、更豐富的紅色細(xì)節(jié)。這一變化,顯然也必須以紅色激光器的成熟為基礎(chǔ)。就在月初索諾克率先發(fā)布了首款雙色激光投影,奧圖碼也曾發(fā)聲下半年會(huì)有計(jì)劃。
  
公開查閱到的資料顯示,目前典型的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器的輸出功率可達(dá)3.5瓦,室溫下效率接近40%。工程上一般用12個(gè)激光頭,在3瓦功率下,60度限溫下,實(shí)現(xiàn)30+W的總亮度輸出。紅色激光器產(chǎn)品,現(xiàn)在的高亮典型輸出功率可以達(dá)到2.5W(三菱電機(jī)ML562G84),室溫下效率為39%,維持2.5W功率最高允許表面溫度可達(dá)45度。工程上可以采用12個(gè)激光頭,在60度限溫下實(shí)現(xiàn)1000流明的輸出亮度。
  
相比較而言,綠色半導(dǎo)體激光器的表現(xiàn)就要差好多。典型的綠色激光器產(chǎn)品最高輸出功率只有1瓦,其室溫下效率則為15%左右。對(duì)于綠色激光器,如果問題僅僅是不夠亮(出光功率低),可以采用更多光頭組合的方式解決。但是,綠色激光器的核心問題還包括光效率低,只有藍(lán)色和紅色的4成效率。或者說綠色激光器發(fā)熱更為嚴(yán)重。
  
對(duì)于半導(dǎo)體激光器,發(fā)熱是最核心的問題之一。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光器的效率、壽命隨著溫度提升迅速降低。投影機(jī)應(yīng)用而言,半導(dǎo)體激光器表面溫度在室溫下和在限制溫度60度時(shí)的壽命可相差數(shù)倍。這也是半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品為什么都有工作溫度的苛刻要求的原因所在。這一點(diǎn)導(dǎo)致了激光投影機(jī)的體積都比較大,因?yàn)橐鋫渥銐蚝玫闹鲃?dòng)散熱系統(tǒng),以保障產(chǎn)品的持續(xù)穩(wěn)定工作。
  
激光器的進(jìn)步節(jié)點(diǎn),就是激光投影的跨代時(shí)刻
  
全球激光投影熱是從2014年開始的。而這一時(shí)刻距離光峰提出激光熒光色輪方案已經(jīng)有七八年的時(shí)間了。為什么在此之前,光峰或者是其它業(yè)者沒能推動(dòng)激光投影技術(shù)的進(jìn)步呢?
  
答案在于,2014年日亞、歐司朗等企業(yè)的藍(lán)色激光器出光功率獲得了一次很大的提升。這個(gè)提升比例幾乎是原有產(chǎn)品的一倍。正是藍(lán)色激光器的這次技術(shù)升級(jí),使得激光熒光色輪技術(shù)獲得了滿足投影機(jī)經(jīng)濟(jì)使用的基礎(chǔ)——對(duì)于激光投影光源,其核心成本取決于激光頭的個(gè)數(shù)。更高出光功率和效率的激光頭,可以打?qū)φ鄣慕档图す夤庠聪到y(tǒng)的整體成本,并同時(shí)降低外周散熱設(shè)計(jì)、降噪設(shè)計(jì)的需求。
  
  
 
而在2015年,紅色激光器產(chǎn)品也獲得了一次很大的技術(shù)進(jìn)步:出光功率到達(dá)上一代產(chǎn)品的2倍以上,且光效率和頻率特性進(jìn)一步優(yōu)化。紅色激光器技術(shù)的進(jìn)步,為雙色激光投影的出現(xiàn)提供了“材料”基礎(chǔ)。

通過以上兩個(gè)實(shí)例可以看到,但凡激光器技術(shù)出現(xiàn)大的進(jìn)步的時(shí)候,激光投影技術(shù)也就會(huì)出現(xiàn)跨越式的發(fā)展。
  
藍(lán)色激光器的技術(shù)進(jìn)步讓激光投影,尤其是激光熒光色輪技術(shù)獲得了極大的成功;紅色激光器的進(jìn)步讓雙色激光投影成為現(xiàn)實(shí)。在這里,筆者要特別說一下雙色激光投影的基本結(jié)構(gòu):
  
雙色激光投影機(jī)采用紅色、藍(lán)色兩種激光源。其中藍(lán)色激光源部分能量通過色輪技術(shù)提供綠色原色。這一技術(shù)的主要結(jié)構(gòu)繼承了激光熒光色輪的產(chǎn)品思路,同時(shí)與卡西歐目前的激光LED混合光源也很相似:激光LED混合光源一個(gè)常用思路是,紅色和藍(lán)色LED光源,與藍(lán)色激光光源組合,藍(lán)色激光光源通過熒光色輪體轉(zhuǎn)換出綠色原色。
  
當(dāng)然,實(shí)際工程中,投影廠商還可以做一些小的改進(jìn):比如在熒光色輪上增加黃色。目前的雙色激光投影就是這么做的。增加黃色有助于提升投影機(jī)的亮度、以及綠色和紅色的顯色能力。理論上激光熒光技術(shù)和卡西歐的混合光源技術(shù)也可以采用同樣的設(shè)計(jì)。
  
通過這些細(xì)節(jié)分析,讀者可以發(fā)現(xiàn),激光投影真正進(jìn)步的命門就在激光器上:第一,激光熒光色輪技術(shù)和雙色激光技術(shù)的雛形,遠(yuǎn)早于實(shí)際產(chǎn)品的出現(xiàn)(卡西歐混合光源本質(zhì)是雙色LED+激光熒光,這個(gè)結(jié)構(gòu)可以看成雙色激光的原型),應(yīng)用化的產(chǎn)品必須以相應(yīng)激光器技術(shù)的成熟為基礎(chǔ);第二,一旦激光器技術(shù)有新的、較大的突破,激光投影產(chǎn)品就會(huì)迎來升級(jí)換代(歷史就是如此)。
  
三原色投影唯一的問題:綠色
  
半導(dǎo)體激光器的工作受溫度影響巨大。而溫度的提升速度則與散熱設(shè)計(jì)(包括外周散熱設(shè)計(jì)和半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì))、發(fā)光效率緊密相關(guān)。其中,散熱設(shè)計(jì)上,目前技術(shù)已經(jīng)面臨天花板效應(yīng)。未來提高激光器的發(fā)光效率,是降低余熱損害的關(guān)鍵。
  
所謂發(fā)光效率,是指輸入的電能有多少轉(zhuǎn)化成光。綠色半導(dǎo)體激光器現(xiàn)在的水平是15%,效率不及藍(lán)色產(chǎn)品的一半。這也決定了在一個(gè)白色光源系統(tǒng)中,綠色半導(dǎo)體激光器是亮度瓶頸、成本瓶頸、穩(wěn)定性瓶頸、散熱設(shè)計(jì)瓶頸。
  
業(yè)界一個(gè)流行的說法是:只要加入綠色激光器,那么白光光源系統(tǒng)的最終性能和效果就幾乎完全被其決定。——這一點(diǎn)不僅適用于激光光源,也適用于LED光源。事實(shí)上,高亮LED投影不能普及,雙色激光的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、LED和激光混合光源等,這些事務(wù)的命門無一不在綠色發(fā)光器件上。
  
對(duì)于激光投影,綠色激光器現(xiàn)在的表現(xiàn)可以用,出光功率低(不及紅藍(lán)色激光半導(dǎo)體一半)、發(fā)光效率更低(不及紅藍(lán)色激光半導(dǎo)體一半)、溫度敏感性(發(fā)光效率和壽命隨溫度升高下降更快)三個(gè)核心瓶頸來形容。
  
對(duì)于LED投影,在紅色、藍(lán)色LED器件,幾乎比同類同亮度激光器件價(jià)格便宜七八成的背景下(終端產(chǎn)品的表現(xiàn),即是卡西歐混合光源比激光投影便宜很多),LED光源投影一直未能走出襁褓的原因就在綠色led器件性能上。綠色LED的核心瓶頸和激光綠色光源基本一致,也是“出光功率低、發(fā)光效率更低、溫度敏感性”三大問題。例如LED光源,藍(lán)色LED在20度和120度時(shí)的亮度變化只有10%,綠色LED卻有40%——這導(dǎo)致溫度變化過程中,擁有綠色LED的白光系統(tǒng)色彩的偏移。
  
目前,研發(fā)高效綠色激光器或者LED光源,已經(jīng)成為半導(dǎo)體光源產(chǎn)業(yè)的核心任務(wù)。事實(shí)上,投影的未來到底是LED光源還是激光光源,很大程度上也由那個(gè)技術(shù)先突破綠色瓶頸決定。
  
綠色瓶頸不僅是投影技術(shù)的問題,也是其它三原色半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的瓶頸所在。例如汽車燈光源的問題。汽車燈作為安全行駛的必備組件,其中的綠色原色對(duì)于霧天的照明穿透具有決定意義。也正是由于在汽車、投影、日常照明、工程照明等諸多領(lǐng)域綠色原色的意義都很巨大,決定了研發(fā)高效、高亮綠色激光器或者綠色LED光源的經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。
  
當(dāng)然,突破綠色半導(dǎo)體器件,無論是LED還是激光的三個(gè)關(guān)鍵瓶頸:出光功率、發(fā)光效率和溫度敏感性都不是容易的事情。這也就是說,三原色激光光源投影的普及,雖然問題只剩一個(gè)、但是解決卻沒有時(shí)間表。三原色高亮LED投影也是如此。
  
激光投影雙色時(shí)代,體驗(yàn)已經(jīng)大升級(jí)
  
激光熒光色輪技術(shù)體系的意義是空前的(感謝光峰)。藍(lán)光+熒光色輪是最容易實(shí)現(xiàn),也是成本最低的激光投影方案;紅色和藍(lán)色LED光源,加上藍(lán)色激光與綠色熒光色輪,是成本最低的固態(tài)光源方案;現(xiàn)在雙色激光,紅藍(lán)共舞,加上綠色和黃色熒光色輪,則是在保持經(jīng)濟(jì)性不變的背景下,大幅提供激光投影色彩表現(xiàn)的最優(yōu)方案。
  
以上這仨個(gè)方案的核心都離不開熒光色輪。因?yàn)闊晒馍喪窃诓荒軡M足三原色高亮的情況下,對(duì)高頻藍(lán)光向低頻紅、綠光轉(zhuǎn)化過程中,維系熒光系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵所在。
  
但是,熒光轉(zhuǎn)換也有其缺點(diǎn):失去了LED光源或者激光光源的“原汁原味”。產(chǎn)品表現(xiàn)就是“色彩折扣”。——這一點(diǎn)即是雙色激光投影的出發(fā)點(diǎn)。通過加入紅光、并加入黃色色輪段,實(shí)現(xiàn)投影產(chǎn)品在色彩、色域表現(xiàn)上的提升。
  
某種意義上,雙色激光投影,通過紅色激光的加入和黃色熒光的加入,已經(jīng)最大程度接近三元色激光投影的效果,同時(shí)基本保留了激光熒光色輪體系的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。此外,雙色激光投影技術(shù)還有一個(gè)額外的收獲:更高的亮度實(shí)現(xiàn)能力。正是這些變化,已經(jīng)使得雙色激光成為目前高端投影技術(shù)的一個(gè)“標(biāo)志”。
  
2016年下半年,將有數(shù)家企業(yè)推出從工程、家用到商用的全線雙色激光投影產(chǎn)品。這將有效滿足人們對(duì)激光顯示“視覺色彩”的期待。對(duì)于市場(chǎng)而言,與其沒有時(shí)間表的等待三原色激光,還不如趕緊用起雙色激光,實(shí)現(xiàn)“效果先升級(jí)”。

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激光投影半導(dǎo)體激光器
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