激光投影機(jī)將挑起“視”界大戰(zhàn) 概述
如今,正當(dāng)作為固態(tài)光源的LED在顯示市場上如火如荼的時(shí)候,《計(jì)算機(jī)世界》實(shí)驗(yàn)室卻將目光投向了應(yīng)用前景更為廣闊的另一種固態(tài)光源—激光光源。我們相信LED光源的成功具有非凡的意義,其中一個(gè)重要的意義就是對固態(tài)光源將成為顯示光源這種必然發(fā)展趨勢的印證。2009年9月我們對國激光挑起“視”界大戰(zhàn)內(nèi)自主研發(fā)的激光投影機(jī)的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了測試,測試結(jié)果令人振奮,一切都讓我們更加相信,固態(tài)光源從高、中、低端顯示光源全方位地淘汰傳統(tǒng)氣態(tài)光源的歷史巨輪已經(jīng)開始轉(zhuǎn)動(dòng),并在2009年軋出了第一條有力的轍痕,這一年注定載入史冊。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201706/351174.htm固態(tài)光源殺來
早在激光誕生之初,人們就開始嘗試把激光引入顯示領(lǐng)域。不過受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù),激光光源功率較小而體積過于龐大,成本異常高昂,其效果不盡如人意,只是在極小的范圍內(nèi),用激光作為掃描器件,應(yīng)用于三維投影或者墻面投影,而不是一般的顯示設(shè)備,在設(shè)計(jì)上沒有考慮設(shè)備的耐久性和可靠特性。
國內(nèi)和國外都在研究固態(tài)光源進(jìn)入顯示行業(yè)。LED更方便,通過簡單地替代傳統(tǒng)的陰極射線管,就很方便地用在了液晶電視、顯示器上,并且因?yàn)橐壕ьI(lǐng)域相對比較成熟,已經(jīng)有足夠的市場空間,國外的多數(shù)資源是投入到這個(gè)領(lǐng)域的。
至于激光,鮮有成果。而且激光的特性決定了它的用途與LED完全不一樣。激光是點(diǎn)光源,而LED是典型的面光源,兩者在適合的顯示設(shè)備方面就有差異。如果用LED作為液晶的背光尚好,若是作投影機(jī)的光源,這就有些勉為其難了,光路傳導(dǎo)的損失將會(huì)變得很大,并且也不容易做到亮度很高。激光的點(diǎn)光源特性,決定了激光更適合投影使用。比如通過與反射式的成像器件配合,做成投影機(jī),那就是最好的應(yīng)用模式。
但是激光本身也有一定的要求,對電源和散熱要求苛刻。電源需要專門的制作工藝,雖然就單個(gè)激光模塊而言,尺寸已經(jīng)相當(dāng)小巧,但就整體顯示系統(tǒng)而言,激光投影設(shè)備的體積依然不算小,不過這一點(diǎn)正在快速地改變著。比如500lm以下的應(yīng)用中,采用風(fēng)冷就能滿足散熱需求的場所,激光模塊的優(yōu)勢就會(huì)體現(xiàn)得淋漓盡致的。
國外擁有類似大功率激光器的廠商,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上也有了初步的經(jīng)驗(yàn),他們認(rèn)為超過30W左右,就需要水冷了。這就制約了這樣的投影機(jī)進(jìn)入普通家庭,目前,激光投影機(jī)主要瞄準(zhǔn)的是高端顯示領(lǐng)域。國內(nèi)以中視中科為代表,他們的方案采用光源和主機(jī)分離的方式,光源通過光纖導(dǎo)入到機(jī)器,這樣可以很容易把傳統(tǒng)光源的機(jī)器改造成為激光投影機(jī),簡化了投影機(jī)改進(jìn)的步驟,同樣還給投影機(jī)增添了應(yīng)用空間,在某些特定的場合,這種模式更適合。比如高濕度和震動(dòng)頻繁環(huán)境,或者需要低發(fā)熱低工作噪音的應(yīng)用環(huán)境,把光源安排在另外一個(gè)安全的地方,反而有利于整個(gè)投影系統(tǒng)的可靠性提高,改善工作狀態(tài)。
雖然作為未來趨勢的激光光源對整個(gè)光源歷史來說,還算是起步階段,但起點(diǎn)顯然已經(jīng)很高。激光作為光源早就是人類的夢想。當(dāng)前,LED的發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到了100lm/w的水準(zhǔn),而激光能夠?qū)崿F(xiàn)超過600lm/w的效率,是目前人造光源的極致。傳統(tǒng)投影機(jī)的UHP汞燈,發(fā)光效率只有60lm/w,高品質(zhì)的氙燈效率也并不高,散發(fā)的大量的熱不僅讓燈泡的壽命受到局限,同時(shí)成像器件的壽命也會(huì)受到影響。
傳統(tǒng)的光源使得整個(gè)投影機(jī)所考慮的散熱至少包含兩個(gè)部分:一方面是機(jī)器運(yùn)作帶來熱量; 另外一方面則是光源帶來巨大熱量。這大幅度提高了機(jī)器設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,而且工程級別投影機(jī)要求的雙燈備份也讓光路設(shè)計(jì)復(fù)雜化。
且不說這些問題,就是遇到要更換燈泡的維修,那也不是那么簡單,何況雙燈備份也大幅度增加了投影機(jī)光路的設(shè)計(jì)難度,增加了損耗。一般來說,超高亮度的投影機(jī)需要的短弧氙燈,功率以KW為單位,需要仔細(xì)考慮隔熱和紅外線、紫外線問題,這也是固態(tài)光源不需要考慮的。所以,固態(tài)光源對比傳統(tǒng)光源的諸多優(yōu)勢,使其進(jìn)入投影領(lǐng)域是再合適不過了。
傳統(tǒng)的投影機(jī)由于光路和設(shè)計(jì)上都包含那些隔熱設(shè)計(jì)和UV鏡,如果直接套用到激光模塊上,大幅度降低了光的利用率,帶來的損失是不小的。比如多一層阻隔措施,就可能帶來5%的損失; 而隔熱設(shè)計(jì)在激光擴(kuò)散之后已經(jīng)不是問題,光線中根本就沒有紅外線; UV更是不存在的。針對激光光源的這些特性對投影機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,將有效地簡化投影機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造并降低成本。
激光開數(shù)字光源先河
我們?yōu)槭裁匆眉す鈦砣〈鷤鹘y(tǒng)的光源,這是個(gè)縈繞在我腦海里的問題,也同樣是很多人的疑問?;蛘哒f,激光投影機(jī)真的在視覺上就能吸引我們嗎?值得為此花費(fèi)如此的成本嗎?
我看值得。就如同吃飯,山珍海味、蘿卜白菜各有所愛。除了沒有紅外線、紫外線問題外,激光本身是有極強(qiáng)的指向性的,而且紅綠藍(lán)三原色更純,所以能夠制造出在色彩上與現(xiàn)實(shí)情況極為相近的色彩表現(xiàn)。
這如果還不夠吸引人,那就看看另外一個(gè)特點(diǎn),激光投影機(jī)產(chǎn)品能夠帶來良好的顏色層次感,自然的高對比度大幅度提高了大場景的細(xì)節(jié)表現(xiàn)力,使得色彩更為生動(dòng)。也是因?yàn)樗闹赶蛐?,投影畫面的主觀感受要比傳統(tǒng)投影機(jī)柔和,沒有那么刺眼。因而它的亮度寬容度也變得更高,既能實(shí)現(xiàn)高亮度還能實(shí)現(xiàn)高對比度,還能保證色彩的飽和度和層次感覺,這是現(xiàn)在的汞燈、氙燈投影機(jī)無法做到的。
由于激光投影系統(tǒng)是通過紅綠藍(lán)三原色成像疊加到物鏡上顯示的,所以通過控制三原色不同的比例便可實(shí)現(xiàn)顯示效果的變化,這是傳統(tǒng)光源無法做到的?,F(xiàn)在的激光光源產(chǎn)品,通過多個(gè)模塊進(jìn)行組合來實(shí)現(xiàn)高功率的輸出,激光的特性能夠保證激光的一致性,而且在多臺激光投影機(jī)進(jìn)行拼接的時(shí)候,也能夠很容易實(shí)現(xiàn)顯示的一致性。正是因?yàn)檫@個(gè)原因,對比傳統(tǒng)光源,激光光源體現(xiàn)了全面可調(diào)的數(shù)字化特征,光源能根據(jù)需求來進(jìn)行調(diào)制,從而能夠很輕易地實(shí)現(xiàn)多屏幕的無縫拼接,并長期保持各拼接單元畫面在亮度、色彩上的一致性。
目前,在投影機(jī)構(gòu)成的顯像系統(tǒng)中,圖像信號的部分已經(jīng)數(shù)字化,成像器件已經(jīng)數(shù)字化。在數(shù)字化條件下,非數(shù)字化的光源已經(jīng)與數(shù)字化的環(huán)境格格不入,光源邁入數(shù)字化也是必然的進(jìn)程。通過光源的數(shù)字化,在成像的終端,圖像品質(zhì)和感受才會(huì)更真切。
在測試的現(xiàn)場我們也看到,即便簡單地把燈泡替換成為激光光源,投影設(shè)備的表現(xiàn)力已經(jīng)大幅度提高。在色彩飽和度、亮度和層次上,燈泡根本無法與之匹敵。尤其是在色彩純度和亮度,再加上對比度要求條件下,燈泡基本上只能滿足一部分特定需求,而我們面對激光投影的時(shí)候,差點(diǎn)忘了這是投影,那鮮花不就如同太陽光下的鮮花嗎?在傳統(tǒng)的氙燈和汞燈照射下,顏色不可能如此生動(dòng)。
傳統(tǒng)的投影機(jī)可以通過電路上的處理把燈泡投影機(jī)的對比度和亮度提高,但是無法解決顏色層次的問題。尤其是藍(lán)色,被看做是數(shù)字成像設(shè)備的死穴,一般來說非常死板,沒有層次,在我們一般的投影設(shè)備中根本無法看到與湛藍(lán)天空相媲美的色彩,激光倒是能夠接近這種感受了。所以能夠在色彩上呈現(xiàn)巨大的反差,而不僅僅是黑白的巨大反差,這或許是激光那么驚人的根本原因。
有經(jīng)驗(yàn)的讀者還會(huì)注意到,過于高的對比度和亮度的組合,將會(huì)帶來不舒服的視覺體驗(yàn),這在傳統(tǒng)光源中是常見的現(xiàn)象。傳統(tǒng)光源的光線無方向性,為了達(dá)到需求的對比度,光線的浪費(fèi)比較多,導(dǎo)致需要很高的亮度,這樣會(huì)刺激眼睛,大幅度降低觀看舒適度。激光不同,通過光纖導(dǎo)出的光線經(jīng)過擴(kuò)散,投射在成像器件上,還是有方向的,這些光的利用率大幅度提高,從而能夠在很高對比度的時(shí)候不需要太高的亮度,從而能夠保證眼睛的舒適程度。
加上激光的RGB三色的純度相當(dāng)高,激光特性決定了光譜不漂移,從而保證整個(gè)顯示畫面的一致性。實(shí)際上,因?yàn)榧す夤庠吹奶匦?,對鏡頭的鍍膜要求都降低了,同時(shí)透過鏡頭的熱已經(jīng)大幅度降低,可以大幅度降低鏡頭設(shè)計(jì)的難度,并且低的溫升也能保證鏡頭在使用過程中對畫面的影響降低到最小。這些優(yōu)勢讓激光投影機(jī)的畫面能夠保持一致性,投影畫面的一致性能夠超過90%。
這一切造就了最好的投影品質(zhì),我形容激光的畫面如同流動(dòng)的清水,那么清澈而透亮,是目前顯示設(shè)備中最好的。但是因?yàn)槟壳暗牟杉O(shè)備和輸出設(shè)備都是按照傳統(tǒng)光源光譜特性設(shè)計(jì)和調(diào)整的,所以在某些方面,激光替換上去會(huì)有過飽和的情況出現(xiàn)。比如紅色就是如此。傳統(tǒng)的采集設(shè)備能夠表現(xiàn)不錯(cuò)的紅,但是輸出的時(shí)候紅的衰減比較厲害,燈泡的光譜在紅端以熱能喪失比較多,所以在信號上會(huì)做增強(qiáng)。而RGB激光的紅,本來就要超越一般燈泡,再加上電路的處理,那就有些過飽和。紅和藍(lán)兩色,其實(shí)是激光的殺手锏,它們的生動(dòng)程度與否就會(huì)影響輸出設(shè)備的表現(xiàn)力; 綠光的主要貢獻(xiàn)在于提供足夠的照度。
5W綠光激光器
1W藍(lán)光激光器
1.6W紅光激光器
色域大戰(zhàn)
在主觀上,我們已經(jīng)看到了激光投影機(jī)的強(qiáng)大威力。這次中視中科準(zhǔn)備的是一臺Barco的電影投影機(jī),更換了激光光源,通過光纖把模塊與投影機(jī)連接起來。相比傳統(tǒng)的燈泡,激光模塊體積(主要是散熱模塊)還有些大,但是在效率上已經(jīng)無與倫比了。Barco的這臺電影投影機(jī)采用氙燈,燈泡的功率4KW,標(biāo)稱壽命1000小時(shí),更換成本接近3萬元,鏡頭投射光通量大概15000lm。中視中科的激光模塊只需要100瓦左右,就能夠?qū)崿F(xiàn)12000lm左右的投射亮度,壽命超過兩萬小時(shí),兩相比較,高下層分已不言自明。
中視中科這3年來,已經(jīng)讓激光模塊的每瓦成本降低到了10倍,隨著技術(shù)的改進(jìn)和市場應(yīng)用的展開,仍然有很大的下降空間。而一個(gè)投射2000lm的投影機(jī),只需要20W左右的激光就行了,成本是可以接受的。如果投影機(jī)專門為激光光源進(jìn)行設(shè)計(jì)的話,激光功率還可以適當(dāng)降低。當(dāng)然了,這種光源分離的方式,大幅度提高了投影機(jī)的靈活度,比如要制作不同亮度的投影機(jī)變得很簡單,而不會(huì)受到設(shè)備早期設(shè)計(jì)的限制,甚至可以在后期進(jìn)行提高也沒有問題。
激光投影機(jī)的另外一個(gè)好處就是長期能夠保持投影的穩(wěn)定性,激光模塊的壽命為兩萬小時(shí),是真正的長壽命低衰減的光源。像氣體的汞燈和氙燈因?yàn)槠渲袚接须s質(zhì),色溫控制不可能完美,也不可能像激光這么穩(wěn)定。
有人擔(dān)心,激光這么大功率是不是有危險(xiǎn)。我不小心透過投影機(jī)的鏡頭往里面看,沒有不適應(yīng),激光已經(jīng)被擴(kuò)散,光的強(qiáng)度已經(jīng)比激光束大幅度下降。但是打在視網(wǎng)膜上,我們能感受到那種衍射,這是傳統(tǒng)光源沒有的。直視激光投影機(jī)光束給我的感受要溫和得多,也讓我意外。同時(shí)我注意到在投影機(jī)鏡頭前的溫度已經(jīng)非常低,通過光纖,激光的熱早被隔絕,而且擴(kuò)散之后,光的功率密度大幅度下降,溫度自然降低了,直視也沒有問題了。
從測試結(jié)果我們可以看到,激光的色域已經(jīng)大大超越傳統(tǒng)顯示設(shè)備,是激光投影能夠如此清亮動(dòng)人的根本原因。配合我們一塊測試的技術(shù)人員說,實(shí)際上純激光出來測試的色域更大,但是經(jīng)過Barco投影機(jī)之后,可能在信號上做了一些均衡,即便測試結(jié)果沒有200%的NTSC覆蓋率,已經(jīng)相當(dāng)驚人了,實(shí)測超過了170%。
在對比度方面,改造后的Barco這款投影機(jī)對比度大約為2500∶1,正是因?yàn)樵母邔Ρ榷?,測試的機(jī)器在表現(xiàn)單色的時(shí)候,因?yàn)轭伾芗冋柡投雀叨覍哟魏茫@樣的色彩生動(dòng)而且有動(dòng)感。在大場景的時(shí)候,因?yàn)閷Ρ榷雀撸由蠁紊募冋?,所以大場景的顏色感覺也很好,長時(shí)間看也不累。
激光也要唱主角
激光顯示設(shè)備的到來,提高了顯示設(shè)備的門檻,在激光面前,任何其他顯示設(shè)備只能甘拜下風(fēng)。在色彩、壽命、可靠性等諸方面,擁有無與倫比的優(yōu)勢,而且在光源端實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制,這一點(diǎn)與LED類似。
固態(tài)激光的前端也跟LED類似,不過經(jīng)過放大環(huán)節(jié)以及聲光晶體的頻率調(diào)制,控制好輸出光的波長。LED則是利用基板直接發(fā)光,產(chǎn)品沒有那么復(fù)雜,而控制起來也簡單,包含外圍電路也簡單得多?,F(xiàn)在LED背光顯示已經(jīng)逐步走向市場,LED背光電視和LED光源的投影機(jī)已經(jīng)可以買得到。而激光的顯示產(chǎn)品,現(xiàn)在成本上還比較高昂,目標(biāo)客戶還局限在行業(yè)端。
國外與中視中科的同期的產(chǎn)品還有幾家,產(chǎn)品還局限在實(shí)驗(yàn)室階段。與中視中科最相近的是Colorvision的激光系統(tǒng),但是功率無法匹敵,他們只做到了45W左右,而中視中科的模塊可以組合成超過100W。而且,中國豐富的稀土資源,讓中國在激光領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢。
現(xiàn)在的問題是,產(chǎn)業(yè)環(huán)境沒有啟動(dòng),而上游的芯片產(chǎn)量比較低,沒有達(dá)到規(guī)模產(chǎn)能,所以綜合成本比較高。等上下游產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)筑完成的時(shí)候,激光的未來會(huì)相當(dāng)光明,而且隨著成本繼續(xù)降低,激光顯示的普及恐怕就真的到來了。以普通的亮度計(jì)算,2000lm的產(chǎn)品就可以在使用成本上比現(xiàn)在的投影機(jī)低,而在使用過程中無需擔(dān)心更換燈泡等類似的問題,最重要的是,這個(gè)投影產(chǎn)品能夠一直保持這種一致性到壽命的終點(diǎn),這是除激光之外沒有任何一種光源可以做到的。
激光本身能做的事情絕不僅限于顯示。在景觀照明以及特定的醫(yī)療領(lǐng)域,甚至美容,都能夠看到激光大顯身手。連續(xù)式激光進(jìn)入投影領(lǐng)域證明了這個(gè)產(chǎn)品的成熟,而站在潮頭浪尖的中視中科顯然比國內(nèi)其他擁有類似創(chuàng)新技術(shù)的公司在全球的地位更高,在推出這個(gè)產(chǎn)品的這一刻,已經(jīng)站在了世界的前端,足以笑傲江湖了。
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