熒光色輪新進步：滾筒熒光色輪技術(shù)探究

激光顯示為何要使用熒光色輪

    近日，國內(nèi)激光投影顯示領(lǐng)先企業(yè)，視美樂推出新一代改進型激光熒光色輪光源技術(shù)，并命名為SLPL技術(shù)。該消息引起了行業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。本文作者將簡單講述一下這一新技術(shù)帶來的產(chǎn)品體驗變化。

    以激光作為投影產(chǎn)品的光源，可以顯著改善傳統(tǒng)投影機在色彩、亮度、對比度、耗材壽命等方面的產(chǎn)品特性。但是，采用RGB三基色的純激光光源產(chǎn)品也有其巨大的缺點。

    首先，在白光畫面中，RGB三原色的能量并不是平均化的。其中，綠色部分的能力非常高，即綠色光要比紅光、藍光亮50%以上。這就使得，如果采用三基色RGB激光光源，綠色激光器的研發(fā)難度要高很多，而半導體泵浦固體激光器和半導體激光器兩種常用的固體激光源，綠色產(chǎn)品的成本都較高，歷史研發(fā)投入也比較少。為此，國內(nèi)三基色高端產(chǎn)品激光投影廠商迪威視訊不得不自己研發(fā)符合工程需求的綠色激光器件。

    第二，采用RGB三原色激光源的產(chǎn)品，必須對三原色分別進行點陣光源——線光源——面光源的光學轉(zhuǎn)變。這必然增加整個光源產(chǎn)品的體積、光學組件的復(fù)雜性和成本。

    第三，和LED半導體光源類似，可見光波段固體激光器產(chǎn)品中，高性能藍光光源也是最容易實現(xiàn)的。參照很多白色LED光源實際也是藍光LED與紅綠色熒光粉轉(zhuǎn)換部件組合的技術(shù)路線，激光白色光源亦可以采用低成本高性能藍色激光與紅綠色熒光粉組合的方式實現(xiàn)。其中，藍光轉(zhuǎn)化紅綠色熒光粉產(chǎn)業(yè)鏈，有LED光源產(chǎn)品的完整產(chǎn)業(yè)支撐，技術(shù)、制備、成本都有保障。而，藍色激光器件也有藍光BD存儲等眾多前置產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中成熟技術(shù)、制備和成本的支撐。

    所以，對比純RGB激光方案對激光光源優(yōu)勢的最大發(fā)揮，藍光+熒光粉方案的激光光源則具有充分利用其它產(chǎn)業(yè)成熟技術(shù)、最大程度降低技術(shù)難度、利用其它應(yīng)用中更大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模支撐，最低成本實現(xiàn)投影固態(tài)光源的優(yōu)勢。

    低成本、技術(shù)成熟、實現(xiàn)難度低，這些特點之外，激光熒光技術(shù)還可以充分利用單片DLP投影機產(chǎn)業(yè)中成熟的色輪系統(tǒng)：包括機械技術(shù)、散熱結(jié)構(gòu)、控制和數(shù)學算法技術(shù)等。激光熒光色輪技術(shù)更具有體積小巧的特點，適合制作普通商務(wù)、教育等對產(chǎn)品體積有一定需求的產(chǎn)品。

    當然，繼承了LED產(chǎn)業(yè)熒光粉技術(shù)體系、BD等產(chǎn)業(yè)打下的藍光激光技術(shù)體系、單片DLP的色輪技術(shù)等成熟技術(shù)，實現(xiàn)低成本的同時，激光熒光顯示技術(shù)也有它的不足之處。包括：第一，犧牲了很大一部分激光光源的優(yōu)勢，如更廣的色域空間等；第二，由于加入的熒光粉系統(tǒng)也具有效能衰減的特征，使得激光熒光光源技術(shù)的壽命指標比純RGB產(chǎn)品要差一些；第三，激光熒光技術(shù)的光源亮度衰減是光源+熒光粉的雙重衰減，其亮度遞減曲線的陡峭度較RGB產(chǎn)品亦增加很多。

    不過，以上這些不足之處，都不足以對激光熒光色輪這個光源體系的成本優(yōu)勢構(gòu)成挑戰(zhàn)；也不足以對這一光源技術(shù)對傳統(tǒng)汞燈產(chǎn)品的全面性能優(yōu)勢構(gòu)成挑戰(zhàn)。所以，激光熒光色輪技術(shù)成為了大眾性激光顯示光源產(chǎn)品的最理想技術(shù)路線選擇。

市場三代熒光色輪的不同與發(fā)展

    激光熒光色輪技術(shù)既然是激光光源投影產(chǎn)品的最主流技術(shù)路線，也就能吸引眾多廠商開發(fā)出不同特色的產(chǎn)品。到目前為止，這些差異產(chǎn)品大致可以分為三大類：

    第一代產(chǎn)品：激光藍光+紅綠熒光粉、直接投射藍光色輪。這種產(chǎn)品是用紅綠熒光粉實現(xiàn)紅色和綠色兩種原色；但是藍色部分直接采用藍色激光光源。產(chǎn)品的好處在于成本最低，且能保持藍色激光部分的“激光原味”。不過，其缺點也很顯著。在早期藍色激光都采用半導體泵浦固體激光器。這種激光器出光光譜寬度為3納米左右，光譜范圍窄能量集中，且波長多為455納米段，比較一般的藍色光源更為偏向紫外波段。這些特性使得第一代激光熒光技術(shù)，在采用半導體泵浦固體激光器條件下，產(chǎn)品畫面會有藍色偏紫的現(xiàn)象，和較強的激光散斑。

    第二代激光熒光技術(shù)，改進了藍光部分效果。采用激光藍光熒光粉，而不是直接使用藍色激光。即，第二代熒光色輪是全熒光粉色輪，不再有藍色透明部分。這可以顯著改善第一代產(chǎn)品最終顯示畫面的偏紫和激光散斑問題。同時，這一時期，廠商還在色輪上額外加入黃色、或者白色熒光粉區(qū)間，進而由此提高整個光源的輸出亮度水平。

    以上兩種熒光色輪技術(shù)，有一個共同的缺陷：即，激光光源的出光是很小的一個光斑，接近線光源。很小的出光橫截面積導致了熒光色輪上只有很窄的一部分扇形區(qū)域參與光色彩轉(zhuǎn)化。這部分區(qū)域長期高強度接受激光照射，色度、亮度衰減更為劇烈。如何解決色輪上窄扇區(qū)的超強度工作和老化問題，是激光熒光顯示技術(shù)進步的一大難題。

    這個難題的解決有三個方案：第一個是研發(fā)壽命更長、能量損傷低的熒光粉產(chǎn)品。但是，這一方案無疑意味著很多嶄新的工作，全新材料的開發(fā)也未必能夠成功。技術(shù)、產(chǎn)業(yè)風險巨大。第二個方案是在色輪和激光器之間增加光學系統(tǒng)，擴大激光光斑的截面積。這個方案沒有技術(shù)風險，不過會增加整個系統(tǒng)的光學復(fù)雜度和成本，同時也并沒有根本上解決激光光斑集中照射色輪有限扇區(qū)的問題。

    解決這個問題的第三個方案就是本文的主角：激光熒光滾筒色輪。其原理是，讓激光光斑在色輪上的照射區(qū)間能夠改變。進而大幅提升色輪熒光涂覆部分的有效工作面積。同時，不同工作面積還可以“輪流休息”。兩項作用結(jié)合在一起，起到徹底改善熒光體工作工況過強、過集中的問題。在降低了熒光體工作強度、提升了熒光色輪壽命的背景下，也可以采用更強輸出的激光器件，在額定壽命不變的背景下，大幅提升光源亮度水平。

    這種由視美樂首先開發(fā)出的滾筒色輪的設(shè)計非常精巧：色輪被制作成一個滾筒狀，可以垂直軸向旋轉(zhuǎn)，亦同時平行軸向移動——后者使得激光光斑可以遍歷整個色輪的每一份面積。在熒光滾筒色輪上，激光沿軸向入射后，在色輪中心軸前方由反射鏡90度折射，轉(zhuǎn)向滾筒面——即與傳統(tǒng)色輪技術(shù)比較，滾筒色輪的出入光線成90度角，而不是一般色輪的出入方向一致。

    視美樂熒光滾筒色輪采用與一般色輪一樣的垂直軸向旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、軟件算法和硬件芯片；其平行軸向移動，不需要復(fù)雜數(shù)字控制系統(tǒng)，僅以預(yù)設(shè)慢速周期運動即可。這一設(shè)計幾乎不增加額外的控制系統(tǒng)開發(fā)成本。同時，能夠兼容以黃色、白色熒光粉段增加整體出光亮度的傳統(tǒng)設(shè)計，能夠融入任何既有的色輪投影系統(tǒng)設(shè)備之中。

    當然，熒光滾筒色輪技術(shù)也有其缺點：如，畢竟增加了另一方向的運動，使得系統(tǒng)機械復(fù)雜度略有提升；再例如產(chǎn)品的體積也會較傳統(tǒng)色輪有所增加；同時，進出光方向的改變，也意味著整個投影機內(nèi)部布局、散熱結(jié)構(gòu)的調(diào)整。好在，這些影響都不嚴重，且更難以抵消熒光滾筒技術(shù)，在單位色輪面積上能量耐受力的強化，整體熒光色輪系統(tǒng)壽命近10-20倍的提升。

    最為重要的是，視美樂這一發(fā)明，完全采用的是成熟技術(shù)和產(chǎn)品，在技術(shù)、工藝、成本成熟性上具有天然優(yōu)勢。

新型激光熒光滾筒色輪的其它改變

    對于不斷進步的激光熒光投影產(chǎn)品體系，色輪的變革只是其中的一部分。

    與視美樂新一代色輪技術(shù)推出同步的是，視美樂宣布以470納米半導體激光器，全面換代傳統(tǒng)的455納米半導體泵浦固體激光器。新一代激光器產(chǎn)品藍色更為純正，可解決傳統(tǒng)產(chǎn)品的藍偏紫問題；新一代激光器出光頻譜寬度可達6納米，有效緩解傳統(tǒng)產(chǎn)品的激光散斑問題；新一代激光器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更為簡單，沒有泵浦源、激光晶體、倍頻晶體、輸出腔鏡等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時采用與LED光源芯片相似工藝制造，渴望成本更低。

    目前，多數(shù)激光投影機宣布的亮度半衰減壽命是2萬小時。這個時間是由什么決定的呢？首先，激光器本身具有壽命性，且激光器壽命受工作溫度影響劇烈：20攝氏度和40攝氏度時，其壽命可能相差一倍。其次，熒光粉色輪也有壽命。其機械部分雖然可達10萬小時，但傳統(tǒng)的高強度工作的熒光扇區(qū)的壽命卻遠沒有這么高。

    視美樂熒光滾筒色輪技術(shù)的最大優(yōu)勢就是使得熒光色輪的工作區(qū)熒光粉壽命與色輪機械相當，并大幅超過一半投影機內(nèi)部工作溫度下激光光源的壽命水平。這一變化導致兩個產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果：1.在理想散熱系統(tǒng)中，激光熒光滾筒色輪光源體系的壽命可以做到非常高，如10萬小時；2.在一般應(yīng)用場景中，2萬小時壽命下，低成本的熒光色輪方案可以實現(xiàn)10000-50000流明以上的高亮度——高亮設(shè)計下，熒光色輪不再是壽命瓶頸。

    所以，視美樂SLPL技術(shù)給消費市場帶來的變革將包括以下三大方面：第一，更好的色彩效果（由新一代激光源決定），第二，超高壽命產(chǎn)品和超高亮度產(chǎn)品的低成本方案（由滾筒色輪決定）。其中，后者對于促進百億級的萬流明以上工程投影市場，激光產(chǎn)品的普及，具有決定性的意義。

    總之，激光投影還是新事物，技術(shù)創(chuàng)新總會層出不窮�，F(xiàn)在還不是言論誰是王者的時候，而是大家拼命革新技術(shù)、與時間賽跑的時刻。視美樂SLPL技術(shù)是一個不錯的里程碑，卻不是結(jié)束。未來，必然有更好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)理念、更好的熒光材料技術(shù)、半導體光源產(chǎn)品來推動激光顯示不斷前進。而對于消費者好消息是：每年3成以上的價格下降，將最遲在2018年形成激光對傳統(tǒng)投影光源產(chǎn)品的徹底替代效應(yīng)。