客廳的激光時代：新光源再次挑動顯示革命

新光源產(chǎn)品層出不窮

    無論采用哪一種顯示技術(shù)，CRT、液晶、等離子、數(shù)字微顯投影，還是未來的OLED技術(shù)，現(xiàn)代顯示產(chǎn)業(yè)始終與“光源”產(chǎn)業(yè)緊密廣聯(lián)、不可分割。

    在最典型的模型上，任何顯示設(shè)備，電視機、投影機，都可以看做是無數(shù)個彩色（通常是紅色、綠色和藍色）小燈泡，構(gòu)成的矩形陣列。利用人眼在空間和時間分辨上的“模糊性”，形成視覺的圖像效果。因此，任何光源技術(shù)的進步，都是會促進顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵力量。

    06年開始，采用LED固態(tài)光源技術(shù)的液晶顯示器、彩電和數(shù)字投影機開始逐步進入人們的視線。顯示光源技術(shù)實現(xiàn)了從熒光光源到半導體光源的革命。同時，LED這種新型光源技術(shù)還被應(yīng)用在了室內(nèi)室外照明、舞臺裝飾照明等領(lǐng)域。不過，LED光源所取得的成就，自2011年開始正在被另一種技術(shù)的光環(huán)所淹沒。他就是激光。

    去年，日本卡西歐公司推出了業(yè)內(nèi)首批量產(chǎn)型的激光、LED混合光源投影機。在人類歷史上，首次將投影系統(tǒng)應(yīng)用的高能量輸出密度、小面積平行面光源的壽命從數(shù)千消失延伸到了數(shù)萬小時。據(jù)悉，卡西歐的技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)3500流明投影輸出亮度下的產(chǎn)品的經(jīng)濟性和系統(tǒng)的小型化。

    于此同時，三菱在一般能量輸出密度、大平面平行光源中應(yīng)用激光光源的產(chǎn)品設(shè)計上也取得了一定突破，達到實驗性量產(chǎn)的水平。日本三菱電機在今年（2012年）5月30日正式發(fā)布了世界上首款采用激光光源的液晶電視機產(chǎn)品，并將在下半年推向市場。目前官方的定價為38萬日元，初期的月產(chǎn)量為3000臺。

    作為繼LED光源之后的有一種高效固態(tài)光源技術(shù)，激光的特點主要在于壽命長、純度高、電光轉(zhuǎn)換效果更好，效率更高更節(jié)能。但是在激光光源在日常顯示和照明應(yīng)用的路程中也有一個難以克服的問題：那就是激光是典型的“單方向點光源”——也就是說理論下的理想激光是沿一條空間直線傳播，發(fā)散角度為零。雖然這樣的特顯在激光切割、雕刻、焊接、激光武器等應(yīng)用中是難得的優(yōu)點，但是對于需要是一定空間照亮的照明和顯示應(yīng)用卻是難以接受的。

    而卡西歐和三菱激光顯示產(chǎn)品的試制成功和規(guī)模應(yīng)用，恰恰說明，在光學系統(tǒng)中實現(xiàn)點光源到面光源的轉(zhuǎn)化技術(shù)正在成熟。通過實際的產(chǎn)品體驗，可以發(fā)現(xiàn)，通過適當?shù)墓鈱W系統(tǒng)，實現(xiàn)激光光源由簡單點光源變成面光源，并消除激光的偏振相同、相位相同帶來的相干現(xiàn)象，和顯示照明耀斑的技術(shù)也已經(jīng)成熟，并在經(jīng)濟化。激光照明和顯示中必須的“擴束系統(tǒng)”和“均勻系統(tǒng)”已經(jīng)獲得穩(wěn)定的技術(shù)突破�！�—理論上，經(jīng)過以上兩個光學系統(tǒng)的激光，會具有傳統(tǒng)面光源的一切可操作性。

    作為LED光源的繼任者，激光光源實用化的出現(xiàn)正在成為改變?nèi)祟愶@示技術(shù)的一個嶄新動力。

    LED光源的優(yōu)勢顯而易見：高壽命、寬適應(yīng)度的固態(tài)光源，更好的發(fā)光色彩。但是，LED光源也有其缺陷。例如應(yīng)用于投影顯示，必須解決亮度不足的問題——實現(xiàn)1000流明以上的實用性應(yīng)用亮度的成本和技術(shù)難度不小，至今未獲解決。在液晶顯示器的光源應(yīng)用中，LED光源雖然亮度足以滿足常規(guī)需求，但是在高亮度產(chǎn)品，尤其是地熱輻射的高效高亮度產(chǎn)品上，LED依然力不存心。

    應(yīng)用激光光源還有另一個顯著的優(yōu)勢：色彩顯示范圍的擴大。LED光源雖然也是廣色域光源，但是和激光的純度比較依然是小巫見大巫。激光光源可以實現(xiàn)200%的NTSC色域范圍，最大相當于人眼可識別的顏色的70%以上，超過以往任何顯示技術(shù)的色彩顯示范圍。

除了平板和投影，激光帶來新顯示產(chǎn)品

    采用激光技術(shù)的液晶電視和DLP投影機已經(jīng)成為市場可以采購的產(chǎn)品。除此之外，激光顯示技術(shù)還擁有其他的可選應(yīng)用方式：例如激光掃描LSD和激光熒光掃描顯示系統(tǒng)LPD。

    激光掃描LSD顯示，也叫做直觀式（點掃描）電視激光顯示，它是將經(jīng)過信號調(diào)制了的RGB三色激光束直接通過機械掃描方法偏轉(zhuǎn)掃描到顯示屏上。在最小顯示系統(tǒng)中，瞬間只有一個像素被點亮，系統(tǒng)通過快速分時的逐點點亮每一個像素點，依靠人眼的視覺的時間誤差，形成一個統(tǒng)一的顯示畫面。

    這種顯示方式的技術(shù)難點在于如何準確控制激光光束的時空關(guān)系�，F(xiàn)有的控制方法主要是聲波和電子脈沖控制兩種方式。LSD顯示技術(shù)具有一般激光顯示的所有優(yōu)點：高效節(jié)能、高色彩還原等等，但是也擁有明顯缺陷。第一是視覺調(diào)節(jié)頻繁、在主流顯示產(chǎn)品中觀看者最容易眼疲勞，第二是觀看者的色覺扭曲也較其他顯示系統(tǒng)嚴重，需要在系統(tǒng)設(shè)計時予以矯正。

    激光熒光掃描顯示系統(tǒng)LPD，也叫做激光陰極射線管LCRT（Laser Cathode Ray Tube），基本原理是用半導體激光器代替陰極射線顯像管的熒光屏來實現(xiàn)的一種新型顯示器件。形式上，這種顯示方式與LSD類似：主要技術(shù)特點都是激光光束持續(xù)掃描屏幕。卻別是，LSD采用三原色直接掃描；LPD則采用藍色或者更高頻率的激光光速掃描擁有紅綠藍等多種原色熒光粉的屏幕。在美國，采用LPD(Laser Phosphor Display，激光熒光顯示)技術(shù)的顯示產(chǎn)品已經(jīng)被安裝到了紐約的鷹牌服裝店里。LPD已經(jīng)在戶外展示領(lǐng)域嶄露頭角。

    LPD技術(shù)雖然已經(jīng)擁有實用化的案例，但是對于解決大屏幕顯示的高分辨率問題，業(yè)界依然沒有好的方法，因為激光的偏轉(zhuǎn)發(fā)射控制比較陰極射線采用脈沖電磁場控制，更為困難。因此，LPD一般被制作成小的低像素單元，并用于拼接墻顯示領(lǐng)域。但是，這一領(lǐng)域的技術(shù)突破并不被認為是不可能，在實驗室條件下，利用微機電光閥，LPD實現(xiàn)2K甚至4K的技術(shù)已經(jīng)成為可能。

    與LSD比較，LPD只有一束激光需要進行偏轉(zhuǎn)控制（前者為三束），系統(tǒng)更為簡潔。而且增加的熒光粉材料則是一種非常成熟的產(chǎn)品。這是LPD能夠率先應(yīng)用于市場的關(guān)鍵。

瓶頸決定價值，藍色激光的榮耀

    雖然LSD和LPD兩種激光顯示技術(shù)也可以獲得不錯效果，但是未來被認為真正主流的顯示應(yīng)用還是激光投影和激光液晶電視。在這兩種應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)是獲得平行面光源，這依賴于一系列的光學透鏡技術(shù)。同時，在投影和液晶顯示的應(yīng)用中，激光還必須形成至少紅綠藍三色光源，或者是含有以上三色光的白色光源。

    目前在液晶和投影的應(yīng)用中，激光可以采用紅綠藍三原色激光光源，單色激光光源和其他顏色LED光源配合，以及采用單色激光光源和其他原色熒光粉系統(tǒng)的三種光源配色方案。這

    三種方案中，采用紅綠藍三原色，或者更多原色的激光光源系統(tǒng)方式，最能發(fā)揮激光光源的特點。當然相對成本也更高。目前主要應(yīng)用在高亮度工程投影、數(shù)字影院市場之中。

    采用激光和LED光源配合的方式，主要是實現(xiàn)對LED光源不足之處的彌補。例如LED投影系統(tǒng)的亮度不足，關(guān)鍵瓶頸是綠色LED的亮度提升空難，同時白色效果需要綠光能值有非常高。因此，在LED投影系統(tǒng)中，采用綠色激光光源，或者藍色激光通過熒光系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成綠色的方式，可以很好的解決LED投影亮度不足的問題。

    單色激光配合多原色熒光粉色輪是實現(xiàn)經(jīng)濟的純激光投影的最佳思路。這種方式與三原色激光和三原色LED投影光源系統(tǒng)比較，均可以大幅降低光源系統(tǒng)的復雜性和成本，并提升系統(tǒng)的可靠性。其新加入的色輪技術(shù)和熒光技術(shù)早已成熟，更適合傳統(tǒng)投影機廠商快速開發(fā)產(chǎn)品。

    在激光與熒光粉配合的顯示系統(tǒng)，無論是液晶電視、投影機還是LPD之中，最長見到的激光器均是藍色激光器。選擇藍色激光器與熒光粉配合的原因主要在于熒光粉的發(fā)光特性。

    考慮發(fā)光系統(tǒng)的工作原理，必須應(yīng)用光本質(zhì)中的“粒子特性”。光是由光子構(gòu)成。光子是原子外層電子、或者是自由電子在發(fā)生能級改變（躍遷）的過程中發(fā)射出來的。光子發(fā)射總是在電子運動軌跡切線上，與電子運動方向相反。光子發(fā)射過程遵循動量守恒和質(zhì)能守恒定律。原子外電子躍遷遵循能級規(guī)律。

    熒光物質(zhì)的發(fā)光特性是，其中的電子吸收入射光（可見光和非可見光）后，電子能級向上跳躍后，繼向下跳躍。向下跳躍寬度等于或者小于向上跳躍寬度。也就是熒光物質(zhì)的發(fā)射光的波長等于或者大于入射光，頻率等于或者小于入射光，光子能量等于或者小于入射光。

    在常見顯示系統(tǒng)中，五顏六色的色彩至少由紅綠藍三原色構(gòu)成。其中，藍色波長最短、頻率最高，藍色照射適當?shù)臒晒馕镔|(zhì)可以轉(zhuǎn)化成紅色、綠色，甚至紫色、黃色、青色等等。但是如果采用綠色或者紅色的入射光，則沒有熒光物質(zhì)可以將其轉(zhuǎn)化成藍色（加入?yún)s是需要將光線波長變長，則需要特種光學晶體材料，其成本高于常見的熒光粉很多）。

    因此，雖然在紅綠藍三色激光中，實現(xiàn)高亮度發(fā)光藍色的技術(shù)含量最高，但是采用熒光粉技術(shù)的激光光源系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)還是必須采用藍光。在目前可見的投影、平板和其他激光顯示產(chǎn)品中，藍色激光器是必須采用的器件。因此，藍色激光器的發(fā)展水平也就成了激光顯示技術(shù)不斷發(fā)展的關(guān)鍵。

    (實際上，對于LED光源，實現(xiàn)白色混光所需要的技術(shù)，多數(shù)也是采用藍色LED配合必要的熒光粉，例如黃色熒光粉，或者綠色和紅色熒光粉的技術(shù)——這種技術(shù)方案成本低于采用三原色LED發(fā)光器混合成白光。在原理上，藍色LED被廣泛應(yīng)用和藍色激光被廣泛應(yīng)用于相應(yīng)顯示系統(tǒng)中的理由是相似的。)

性能之外的擔心，安全永遠第一

    對于激光顯示技術(shù)的應(yīng)用，普通消費者提出的疑問不僅來自于性能、成本等因素，還來自另一個被廣泛關(guān)注的因素“安全”。

    最為人類迄今為止方向性最好的高能量密度光源技術(shù)，激光廣泛出現(xiàn)在切割、焊接和激光武器之中。激光光束能夠輕易切割金屬，瞬間形成幾千度的高溫；甚至激光武器能夠擊毀數(shù)百公里外的衛(wèi)星和導彈，那么應(yīng)用激光技術(shù)的顯示產(chǎn)品是不是安全呢？

    從整機的角度看，這種安全顧慮是多余的。第一，激光在顯示系統(tǒng)中的應(yīng)用并不是原始光束的直接使用，是經(jīng)過多次光學變化之后的應(yīng)用。顯示系統(tǒng)中最終出射的光線一定是散射光線（可視角度要求）；投影和液晶顯示系統(tǒng)的中間過程中的激光是一個面光源，單位面積的亮度和能量水平有限；即便在初始階段，激光光源也是被密封在設(shè)備之內(nèi)的：激光不會輕易跑出來。第二，顯示系統(tǒng)應(yīng)用的激光產(chǎn)品總能能量閥值有限，遠沒有激光切割或者激光武器那么高。

    但是，即便如此，從“別有用心”者的角度來看，激光產(chǎn)品，尤其是輕型化高能產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，還是會導致一系列源于設(shè)備管理的安全問題。例如，恐怖分子可能拆除顯示設(shè)備、或者下一代寶馬車的激光大燈的激光器，制作簡易的殺傷性（至少是眼部殺傷性）激光武器。——這種可能存在社會危害的行為方式，要比自己制作傳統(tǒng)的火藥武器更為簡單，僅僅是比用鐵片做一把看到復雜一些。

    因此，激光產(chǎn)品的普及應(yīng)用帶來的安全問題并不出現(xiàn)在正規(guī)產(chǎn)品的正常應(yīng)用上，而是出在激光產(chǎn)品的普及，導致的準殺傷性光源產(chǎn)品擴散帶來的社會管理問題。這是一個需要全球政府共同關(guān)注的新“政治”話題，而不是一個簡單的技術(shù)問題。而僅僅從技術(shù)角度，在現(xiàn)有科學認知的背景下，可以認為激光顯示產(chǎn)品的應(yīng)用是安全的。

激光大潮，或改變未來顯示產(chǎn)業(yè)

    激光顯示技術(shù)的發(fā)展具有其獨特的方面。這不僅表現(xiàn)在激光光源與傳統(tǒng)顯示技術(shù)（投影和液晶電視）配合形成的更好的顯示效果，或者激光顯示引起的關(guān)于安全問題的討論上，還體現(xiàn)在激光光源可能帶給顯示產(chǎn)業(yè)的新革命上。

    激光實現(xiàn)立體顯示的可能。目前，3D顯像技術(shù)大多數(shù)利用了人雙眼的視覺差和光學幻象，而日本慶應(yīng)義塾大學和日本國立工業(yè)技術(shù)院歷時五年合作研發(fā)的實景3D激光成像技術(shù)卻不需要任何形式的顯示器，可以任意在水中和空氣中呈現(xiàn)實景3D映像。這主要是利用激光的方向性、同樣的相位和偏振特性實現(xiàn)。未來可能通過激光技術(shù)實現(xiàn)只有科幻電影中采用的3D立體顯示效果。

    激光實現(xiàn)全波段彩色顯示的可能。激光的單純性是最好的。因此激光可以利用特種晶體光學材料調(diào)制波長�，F(xiàn)在激光波長轉(zhuǎn)換裝置已經(jīng)在光纖通信中大量應(yīng)用。利用激光的波長轉(zhuǎn)化，形成于太陽光中各種波長較均勻分布類似的效果，可以徹底改變現(xiàn)有顯示技術(shù)依賴于三原色（也就是紅綠藍三個顏色的波長）成像的現(xiàn)狀。在顯示色彩上，創(chuàng)造出不依賴于人眼的特性，與自然狀態(tài)完全相符的效果。雖然這種應(yīng)用聽起來非常美妙，但是現(xiàn)在還面臨諸多技術(shù)難題。

    激光有能力改變投影產(chǎn)業(yè)的市場結(jié)構(gòu)。這是激光光源在顯示產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中最“統(tǒng)一”的認識。傳統(tǒng)的氙氣燈、鹵素燈和汞燈都不能解決投影機光源的壽命問題；LED光源能解決壽命問題，卻不能解決亮度問題：唯有激光光源可以滿足現(xiàn)在的投影技術(shù)提出的任何苛刻的技術(shù)要求，實現(xiàn)理想的畫面效果。無論采用RGB三原色激光光源還是單色激光和熒光色輪技術(shù)，或者是激光LED混合光源技術(shù)，激光都意味著投影產(chǎn)業(yè)的革命。消費者不需要再我更換燈泡憂愁，依靠燈泡更換生存的售后產(chǎn)業(yè)規(guī)模會大大縮水，DLP和LCOS等反射式投影技術(shù)較LCD投射技術(shù)的優(yōu)勢進一步擴大……總之，如果激光技術(shù)成功，投影產(chǎn)業(yè)的市場結(jié)構(gòu)將會發(fā)生巨大改變。

    激光或者是液晶產(chǎn)業(yè)延壽的救星。在液晶顯示技術(shù)上，光源同樣重要。但是激光能帶來的革命似乎并不那么確切。對于傳統(tǒng)LED光源的液晶應(yīng)用，并不存在投影上的亮度問題。激光替代LED帶來的僅僅是能耗、色域等方面的提升——這些提升并不具有根本性的改觀。不過即便是這樣，激光光源也渴望在LCD和OLED的競爭中，扮演重要的幫手作用，提升LCD產(chǎn)品的市場競爭力。同時，液晶技術(shù)應(yīng)用激光光源渴望形成更高的亮度，進而可以再室外應(yīng)用中獲得更好的效果表現(xiàn)——室外高亮方面激光光源的優(yōu)勢明顯，而且是OLED和等離子等平板顯示技術(shù)暫時無法比擬的出色效果。這也許是激光液晶電視最大的市場亮點。

    總結(jié)：

    激光作為人類掌握的新一代光源技術(shù)，在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用具有諸多的“新意”：更低的能耗、更高的亮度、更好的色彩。但是顯示行業(yè)激光技術(shù)的應(yīng)用也面臨技術(shù)上進一步突破、安全上更有保障等問題。同時，在未來激光有益的光學特性是不是能創(chuàng)造出更具革命性的產(chǎn)品依然是一個可以“幻想”的領(lǐng)域。2012年作為激光顯示產(chǎn)品大舉登場的元年，所揭示的激光顯示產(chǎn)業(yè)的特性還只是冰山一角。激光到底能帶給顯示產(chǎn)業(yè)怎樣的變革，還需要時間來做出解答。