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激光投影觀察 三原色距我們還有多遠?

作者:無錫三革監控公司    時間:2017-02-04 09:15:03    信息來源:本站原創     點擊:

近日,激光投影行業發布了全球首款雙色激光投影機。所謂雙色是指采用了紅色和藍色激光器,并區別于市場普遍的藍色熒光色輪激光投影產品。面對雙色激光投影的問世,很多消費者不禁要問的一個問題是:為什么不是三原色,三原色激光距離我們還有多遠?

半導體激光器,綠色難度高

投影機使用的激光光源,都是半導體激光器。這類產品的優勢是“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品。而工業上,比如切割、焊接等使用的激光器多數是氣體激光器或者泵輔激光器,這類產品體積巨大,顯然無法滿足投影機產品的應用需求。

對于半導體激光器,有一個基本規律:即出光頻率越高,越容易實現高輸出功率和高輸出效率。這兩個參數,前者決定了最終的“亮度”,后者決定了“一定亮度下,發熱有多少”。在三原色中,藍色的頻率最高。所以藍色激光器最早實現了高亮與高效產品的“投影光源”實用化。這就是光峰科技、視美樂科技現在為大家提供的激光熒光色輪技術的基礎。

而雙色激光投影機是在藍色激光熒光色輪技術的基礎上,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、更豐富的紅色細節。這一變化,顯然也必須以紅色激光器的成熟為基礎。就在月初索諾克率先發布了首款雙色激光投影,奧圖碼也曾發聲下半年會有計劃。

公開查閱到的資料顯示,目前典型的藍色半導體激光器的輸出功率可達3.5瓦,室溫下效率接近40%。工程上一般用12個激光頭,在3瓦功率下,60度限溫下,實現30+W的總亮度輸出。紅色激光器產品,現在的高亮典型輸出功率可以達到2.5W(三菱電機ML562G84),室溫下效率為39%,維持2.5W功率最高允許表面溫度可達45度。工程上可以采用12個激光頭,在60度限溫下實現1000流明的輸出亮度。

相比較而言,綠色半導體激光器的表現就要差好多。典型的綠色激光器產品最高輸出功率只有1瓦,其室溫下效率則為15%左右。對于綠色激光器,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,只有藍色和紅色的4成效率?;蛘哒f綠色激光器發熱更為嚴重。

對于半導體激光器,發熱是最核心的問題之一。因為半導體激光器的效率、壽命隨著溫度提升迅速降低。投影機應用而言,半導體激光器表面溫度在室溫下和在限制溫度60度時的壽命可相差數倍。這也是半導體激光器產品為什么都有工作溫度的苛刻要求的原因所在。這一點導致了激光投影機的體積都比較大,因為要配備足夠好的主動散熱系統,以保障產品的持續穩定工作。

激光器的進步節點,就是激光投影的跨代時刻

全球激光投影熱是從2014年開始的。而這一時刻距離光峰提出激光熒光色輪方案已經有七八年的時間了。為什么在此之前,光峰或者是其它業者沒能推動激光投影技術的進步呢?

答案在于,2014年日亞、歐司朗等企業的藍色激光器出光功率獲得了一次很大的提升。這個提升比例幾乎是原有產品的一倍。正是藍色激光器的這次技術升級,使得激光熒光色輪技術獲得了滿足投影機經濟使用的基礎——對于激光投影光源,其核心成本取決于激光頭的個數。更高出光功率和效率的激光頭,可以打對折的降低激光光源系統的整體成本,并同時降低外周散熱設計、降噪設計的需求。

而在2015年,紅色激光器產品也獲得了一次很大的技術進步:出光功率到達上一代產品的2倍以上,且光效率和頻率特性進一步優化。紅色激光器技術的進步,為雙色激光投影的出現提供了“材料”基礎。

通過以上兩個實例可以看到,但凡激光器技術出現大的進步的時候,激光投影技術也就會出現跨越式的發展。

藍色激光器的技術進步讓激光投影,尤其是激光熒光色輪技術獲得了極大的成功;紅色激光器的進步讓雙色激光投影成為現實。在這里,筆者要特別說一下雙色激光投影的基本結構:

雙色激光投影機采用紅色、藍色兩種激光源。其中藍色激光源部分能量通過色輪技術提供綠色原色。這一技術的主要結構繼承了激光熒光色輪的產品思路,同時與卡西歐目前的激光LED混合光源也很相似:激光LED混合光源一個常用思路是,紅色和藍色LED光源,與藍色激光光源組合,藍色激光光源通過熒光色輪體轉換出綠色原色。

當然,實際工程中,投影廠商還可以做一些小的改進: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的亮度、以及綠色和紅色的顯色能力。理論上激光熒光技術和卡西歐的混合光源技術也可以采用同樣的設計。

通過這些細節分析,讀者可以發現,激光投影真正進步的命門就在激光器上:第一,激光熒光色輪技術和雙色激光技術的雛形,遠早于實際產品的出現(卡西歐混合光源本質是雙色LED+激光熒光,這個結構可以看成雙色激光的原型),應用化的產品必須以相應激光器技術的成熟為基礎;第二,一旦激光器技術有新的、較大的突破,激光投影產品就會迎來升級換代(歷史就是如此)。

三原色投影唯一的問題:綠色

半導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計(包括外周散熱設計和半導體封裝設計)、發光效率緊密相關。其中,散熱設計上,目前技術已經面臨天花板效應。未來提高激光器的發光效率,是降低余熱損害的關鍵。

所謂發光效率,是指輸入的電能有多少轉化成光。綠色半導體激光器現在的水平是15%,效率不及藍色產品的一半。這也決定了在一個白色光源系統中,綠色半導體激光器是亮度瓶頸、成本瓶頸、穩定性瓶頸、散熱設計瓶頸。

業界一個流行的說法是:只要加入綠色激光器,那么白光光源系統的最終性能和效果就幾乎完全被其決定?!@一點不僅適用于激光光源,也適用于LED光源。事實上,高亮LED投影不能普及,雙色激光的復雜結構、LED和激光混合光源等,這些事務的命門無一不在綠色發光器件上。

對于激光投影,綠色激光器現在的表現可以用,出光功率低(不及紅藍色激光半導體一半)、發光效率更低(不及紅藍色激光半導體一半)、溫度敏感性(發光效率和壽命隨溫度升高下降更快)三個核心瓶頸來形容。

對于LED投影,在紅色、藍色LED器件,幾乎比同類同亮度激光器件價格便宜七八成的背景下(終端產品的表現,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、發光效率更低、溫度敏感性”三大問題。例如LED光源,藍色LED在20度和120度時的亮度變化只有10%,綠色LED卻有40%——這導致溫度變化過程中,擁有綠色LED的白光系統色彩的偏移。

目前,研發高效綠色激光器或者LED光源,已經成為半導體光源產業的核心任務。事實上,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技術先突破綠色瓶頸決定。

綠色瓶頸不僅是投影技術的問題,也是其它三原色半導體照明領域的瓶頸所在。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、工程照明等諸多領域綠色原色的意義都很巨大,決定了研發高效、高亮綠色激光器或者綠色LED光源的經濟價值巨大。

當然,突破綠色半導體器件,無論是LED還是激光的三個關鍵瓶頸:出光功率、發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、但是解決卻沒有時間表。三原色高亮LED投影也是如此。

激光投影雙色時代,體驗已經大升級

激光熒光色輪技術體系的意義是空前的(感謝光峰)。藍光+熒光色輪是最容易實現,也是成本最低的激光投影方案;紅色和藍色LED光源,加上藍色激光與綠色熒光色輪,是成本最低的固態光源方案;現在雙色激光,紅藍共舞,加上綠色和黃色熒光色輪,則是在保持經濟性不變的背景下,大幅提供激光投影色彩表現的最優方案。

以上這仨個方案的核心都離不開熒光色輪。因為熒光色輪是在不能滿足三原色高亮的情況下,對高頻藍光向低頻紅、綠光轉化過程中,維系熒光系統壽命的關鍵所在。

但是,熒光轉換也有其缺點:失去了LED光源或者激光光源的“原汁原味”。產品表現就是“色彩折扣”?!@一點即是雙色激光投影的出發點。通過加入紅光、并加入黃色色輪段,實現投影產品在色彩、色域表現上的提升。

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,已經最大程度接近三元色激光投影的效果,同時基本保留了激光熒光色輪體系的經濟性優勢。此外,雙色激光投影技術還有一個額外的收獲:更高的亮度實現能力。正是這些變化,已經使得雙色激光成為目前高端投影技術的一個“標志”。

2016年下半年,將有數家企業推出從工程、家用到商用的全線雙色激光投影產品。這將有效滿足人們對激光顯示“視覺色彩”的期待。對于市場而言,與其沒有時間表的等待三原色激光,還不如趕緊用起雙色激光,實現“效果先升級”。

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