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激光投影:三原色距我们还有多远

来源:投影时代 更新日期:2016-08-11 作者:萧萧

    近日,激光投影行业发布了全球首款双色激光投影机。所谓双色是指采用了红色和蓝色激光器,并区别于市场普遍的蓝色荧光色轮激光投影产品。面对双色激光投影的问世,很多消费者不禁要问的一个问题是:为什么不是三原色,三原色激光距离我们还有多远!

激光投影:三原色距我们还有多远

    半导体激光器,绿色难度高

    投影机使用的激光光源,都是半导体激光器。这类产品的优势是“体积小”,可用于小巧的精密仪器。光纤通讯中使用的激光器也是这种产品。而工业上,比如切割、焊接等使用的激光器多数是气体激光器或者泵辅激光器,这类产品体积巨大,显然无法满足投影机产品的应用需求。

    对于半导体激光器,有一个基本规律:即出光频率越高,越容易实现高输出功率和高输出效率。这两个参数,前者决定了最终的“亮度”,后者决定了“一定亮度下,发热有多少”。在三原色中,蓝色的频率最高。所以蓝色激光器最早实现了高亮与高效产品的“投影光源”实用化。这就是光峰科技、视美乐科技现在为大家提供的激光荧光色轮技术的基础。

激光投影:三原色距我们还有多远

    而双色激光投影机是在蓝色激光荧光色轮技术的基础上,增加了红色激光器。红色激光能够带给双色激光投影更大的色域覆盖、更好的色彩显现、更丰富的红色细节。这一变化,显然也必须以红色激光器的成熟为基础。就在月初索诺克率先发布了首款双色激光投影,奥图码也曾发声下半年会有计划。

    公开查阅到的资料显示,目前典型的蓝色半导体激光器的输出功率可达3.5瓦,室温下效率接近40%。工程上一般用12个激光头,在3瓦功率下,60度限温下,实现30+W的总亮度输出。红色激光器产品,现在的高亮典型输出功率可以达到2.5W(三菱电机ML562G84),室温下效率为39%,维持2.5W功率最高允许表面温度可达45度。工程上可以采用12个激光头,在60度限温下实现1000流明的输出亮度。

    相比较而言,绿色半导体激光器的表现就要差好多。典型的绿色激光器产品最高输出功率只有1瓦,其室温下效率则为15%左右。对于绿色激光器,如果问题仅仅是不够亮(出光功率低),可以采用更多光头组合的方式解决。但是,绿色激光器的核心问题还包括光效率低,只有蓝色和红色的4成效率。或者说绿色激光器发热更为严重。

    对于半导体激光器,发热是最核心的问题之一。因为半导体激光器的效率、寿命随着温度提升迅速降低。投影机应用而言,半导体激光器表面温度在室温下和在限制温度60度时的寿命可相差数倍。这也是半导体激光器产品为什么都有工作温度的苛刻要求的原因所在。这一点导致了激光投影机的体积都比较大,因为要配备足够好的主动散热系统,以保障产品的持续稳定工作。

    激光器的进步节点,就是激光投影的跨代时刻

    全球激光投影热是从2014年开始的。而这一时刻距离光峰提出激光荧光色轮方案已经有七八年的时间了。为什么在此之前,光峰或者是其它业者没能推动激光投影技术的进步呢?

    答案在于,2014年日亚、欧司朗等企业的蓝色激光器出光功率获得了一次很大的提升。这个提升比例几乎是原有产品的一倍。正是蓝色激光器的这次技术升级,使得激光荧光色轮技术获得了满足投影机经济使用的基础——对于激光投影光源,其核心成本取决于激光头的个数。更高出光功率和效率的激光头,可以打对折的降低激光光源系统的整体成本,并同时降低外周散热设计、降噪设计的需求。

激光投影:三原色距我们还有多远

    而在2015年,红色激光器产品也获得了一次很大的技术进步:出光功率到达上一代产品的2倍以上,且光效率和频率特性进一步优化。红色激光器技术的进步,为双色激光投影的出现提供了“材料”基础。

    通过以上两个实例可以看到,但凡激光器技术出现大的进步的时候,激光投影技术也就会出现跨越式的发展。

    蓝色激光器的技术进步让激光投影,尤其是激光荧光色轮技术获得了极大的成功;红色激光器的进步让双色激光投影成为现实。在这里,笔者要特别说一下双色激光投影的基本结构:

    双色激光投影机采用红色、蓝色两种激光源。其中蓝色激光源部分能量通过色轮技术提供绿色原色。这一技术的主要结构继承了激光荧光色轮的产品思路,同时与卡西欧目前的激光LED混合光源也很相似:激光LED混合光源一个常用思路是,红色和蓝色LED光源,与蓝色激光光源组合,蓝色激光光源通过荧光色轮体转换出绿色原色。

    当然,实际工程中,投影厂商还可以做一些小的改进:比如在荧光色轮上增加黄色。目前的双色激光投影就是这么做的。增加黄色有助于提升投影机的亮度、以及绿色和红色的显色能力。理论上激光荧光技术和卡西欧的混合光源技术也可以采用同样的设计。

    通过这些细节分析,读者可以发现,激光投影真正进步的命门就在激光器上:第一,激光荧光色轮技术和双色激光技术的雏形,远早于实际产品的出现(卡西欧混合光源本质是双色LED+激光荧光,这个结构可以看成双色激光的原型),应用化的产品必须以相应激光器技术的成熟为基础;第二,一旦激光器技术有新的、较大的突破,激光投影产品就会迎来升级换代(历史就是如此)。

    三原色投影唯一的问题:绿色

    半导体激光器的工作受温度影响巨大。而温度的提升速度则与散热设计(包括外周散热设计和半导体封装设计)、发光效率紧密相关。其中,散热设计上,目前技术已经面临天花板效应。未来提高激光器的发光效率,是降低余热损害的关键。

    所谓发光效率,是指输入的电能有多少转化成光。绿色半导体激光器现在的水平是15%,效率不及蓝色产品的一半。这也决定了在一个白色光源系统中,绿色半导体激光器是亮度瓶颈、成本瓶颈、稳定性瓶颈、散热设计瓶颈。

    业界一个流行的说法是:只要加入绿色激光器,那么白光光源系统的最终性能和效果就几乎完全被其决定。——这一点不仅适用于激光光源,也适用于LED光源。事实上,高亮LED投影不能普及,双色激光的复杂结构、LED和激光混合光源等,这些事务的命门无一不在绿色发光器件上。

    对于激光投影,绿色激光器现在的表现可以用,出光功率低(不及红蓝色激光半导体一半)、发光效率更低(不及红蓝色激光半导体一半)、温度敏感性(发光效率和寿命随温度升高下降更快)三个核心瓶颈来形容。

    对于LED投影,在红色、蓝色LED器件,几乎比同类同亮度激光器件价格便宜七八成的背景下(终端产品的表现,即是卡西欧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绿色led器件性能上。绿色LED的核心瓶颈和激光绿色光源基本一致,也是“出光功率低、发光效率更低、温度敏感性”三大问题。例如LED光源,蓝色LED在20度和120度时的亮度变化只有10%,绿色LED却有40%——这导致温度变化过程中,拥有绿色LED的白光系统色彩的偏移。

    目前,研发高效绿色激光器或者LED光源,已经成为半导体光源产业的核心任务。事实上,投影的未来到底是LED光源还是激光光源,很大程度上也由那个技术先突破绿色瓶颈决定。

    绿色瓶颈不仅是投影技术的问题,也是其它三原色半导体照明领域的瓶颈所在。例如汽车灯光源的问题。汽车灯作为安全行驶的必备组件,其中的绿色原色对于雾天的照明穿透具有决定意义。也正是由于在汽车、投影、日常照明、工程照明等诸多领域绿色原色的意义都很巨大,决定了研发高效、高亮绿色激光器或者绿色LED光源的经济价值巨大。

    当然,突破绿色半导体器件,无论是LED还是激光的三个关键瓶颈:出光功率、发光效率和温度敏感性都不是容易的事情。这也就是说,三原色激光光源投影的普及,虽然问题只剩一个、但是解决却没有时间表。三原色高亮LED投影也是如此。

    激光投影双色时代,体验已经大升级

    激光荧光色轮技术体系的意义是空前的(感谢光峰)。蓝光+荧光色轮是最容易实现,也是成本最低的激光投影方案;红色和蓝色LED光源,加上蓝色激光与绿色荧光色轮,是成本最低的固态光源方案;现在双色激光,红蓝共舞,加上绿色和黄色荧光色轮,则是在保持经济性不变的背景下,大幅提供激光投影色彩表现的最优方案。

    以上这仨个方案的核心都离不开荧光色轮。因为荧光色轮是在不能满足三原色高亮的情况下,对高频蓝光向低频红、绿光转化过程中,维系荧光系统寿命的关键所在。

    但是,荧光转换也有其缺点:失去了LED光源或者激光光源的“原汁原味”。产品表现就是“色彩折扣”。——这一点即是双色激光投影的出发点。通过加入红光、并加入黄色色轮段,实现投影产品在色彩、色域表现上的提升。

    某种意义上,双色激光投影,通过红色激光的加入和黄色荧光的加入,已经最大程度接近三元色激光投影的效果,同时基本保留了激光荧光色轮体系的经济性优势。此外,双色激光投影技术还有一个额外的收获:更高的亮度实现能力。正是这些变化,已经使得双色激光成为目前高端投影技术的一个“标志”。

    2016年下半年,将有数家企业推出从工程、家用到商用的全线双色激光投影产品。这将有效满足人们对激光显示“视觉色彩”的期待。对于市场而言,与其没有时间表的等待三原色激光,还不如赶紧用起双色激光,实现“效果先升级”。

 

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