基本介紹
- 中文名：螢光雷射光源
- 外文名：Laser Phosphors light source
歷史背景,技術背景,發展歷史,原理元件,特點優勢,套用前景,
歷史背景
技術背景
在人類信息交流中，最豐富的信息是視覺信息，顯示技術正是將信息轉換為視覺圖像呈現到人們的面前。作為顯示技術的重要組成，投影顯示技術採用微型空間光調製器對光源進行調製，形成圖像源，經投影鏡頭將圖像源投影至螢幕上的顯示技術。由於採用光學投影放大系統，使用較小的空間光調製器即可實現大屏顯示，因而投影顯示技術是實現大屏顯示的最為經濟、性價比最高的顯示技術。
投影顯示系統通常由光源，圖像發生源（如微型空間光調製器），光學引擎系統（包括光學系統和精密機構），電子系統和整機結構幾部分構成，其中光源的性能直接決定了整個投影顯示系統的性能。
近年來，隨著雷射技術的發展，紅綠藍三基色雷射開始被用作投影顯示光源，與LED光源相比，雷射光源在高的驅動電功率下，不存在效率降低的問題，同時，雷射具有很好的方向性，光學擴展量較小，亮度遠高於LED光源，與傳統的高亮度燈泡光源相比，亮度也有很大提升，並且雷射光譜很窄，使用紅綠藍三基色雷射作為光源，可實現高的色彩飽和度和廣色域顯示。但由於雷射是相干光源，使用紅綠藍三色雷射作為光源的投影顯示系統顯示畫面會存在嚴重的散斑問題，此外，三基色雷射中綠雷射技術不成熟，存在成本較高、效率較低等問題，這些都限制了三基色雷射作為光源在投影顯示領域的套用。為解決三基色雷射作為投影顯示光源的缺點，深圳光峰科技股份有限公司（曾用名：深圳市光峰光電技術有限公司）提出螢光雷射光源的概念，該光源使用雷射作為激發源激發螢光材料，將雷射的高亮度和較小的光學擴展量與螢光的高光效和無散斑的優點相結合，是一種顛覆性的新品類光源，極大地推動了投影顯示技術的發展。
發展歷史
螢光雷射光源最早由深圳光峰科技股份有限公司提出，並在專利US7547114中公開，形成了螢光雷射光源最早的技術方案，稱為ALPD螢光雷射光源。2007年該公司根據這一專利製作出了第一台使用螢光雷射光源的投影顯示原型機，該原型機中使用藍色雷射作為激發光源，遠程激發旋轉的螢光器件得綠色和紅色螢光，綠色和紅色螢光與藍色雷射一起作為投影顯示的三基色光，通過遠程激發和旋轉螢光器件模式巧妙地解決了螢光材料的光飽和和熱飽和現象。2010年，該公司使用這一方案實現了2000lm的投影顯示光輸出，並與TI戰略合作。
基於雷射激發螢光材料這一原理，越來越多的投影顯示廠商開始研發螢光雷射光源。2010年卡西歐開發出了高亮度混合光源，該光源使用藍雷射激發螢光器件得到綠色螢光，綠色螢光和藍雷射與紅光LED混合作為投影顯示三基色光。2010年，TI與深圳光峰科技股份有限公司形成戰略合作後，也開始開發螢光雷射光源，形成了固態照明光源技術（solid-state illumination, SSI）。
最早提出螢光雷射光源方案的深圳光峰科技股份有限公司也不斷的提出新的螢光雷射光源方案，提升螢光雷射光源的性能。2012年，該公司推出了第二代螢光雷射光源，實現了10000lm的投影顯示光輸出。2013年，該公司又利用第二代螢光雷射光源和LG合作一起推出了世界首創的雷射電視，2014年該公司將第二代螢光雷射光源用於數字影院，開發出全球首款20000lm符合DCI標準的雷射電影放映機。2016年該公司又研發了色域範圍更廣的第三代螢光雷射光源，並與中影光峰雷射影院技術（北京）有限公司和Barco合作推出了使用該光源的10000lm-40000lm的數字影院產品。2018年6月該公司又推出了第四代螢光雷射光源，進一步提升光源性能。
原理元件
截止到2018年，用於投影顯示的主流螢光雷射光源主要分為三大陣營：ALPD螢光雷射光源，SSI螢光雷射光源和高亮度混合光源，表1列出了三大技術陣營的主要特點。
- | ALPD螢光雷射光源 | SSI光源 | 高亮度混合光源 |
開發廠商 | 深圳市光峰科技股份有限公司 | 德州儀器 | 卡西歐 |
技術特點 | ·藍雷射提供藍光，螢光提供綠光和紅光 ·為提升色彩表現力，可額外加入綠雷射和紅雷射 | 藍雷射提供藍光，螢光提供綠光和紅光 | 雷射提供藍光，螢光提供綠光，LED提供紅光 |
優缺點 | 廣色域、高亮度、長壽命、無散斑 | ·高亮度、長壽命、無散斑 ·紅光和綠光由螢光提供無法實現廣色域 | ·廣色域、長壽命、無散斑，紅光由LED提供 ·無法實現高亮度 |
套用領域 | 影院、工程、教育、微投、雷射電視 | 影院、工程、教育、微投、雷射電視 | 教育、微投、雷射電視 |
ALPD螢光雷射光源
ALPD螢光雷射光源方案由深圳光峰科技股份有限公司提出並不斷發展，截止到2018年，該公司已經開發了四代ALPD螢光雷射光源。
第一代ALPD螢光雷射光源
第一代ALPD螢光雷射光源為透射式結構，該光源使用藍雷射作為激發光源激發螢光器件得到紅綠螢光，紅綠螢光與藍雷射作為投影顯示三基色。為解決雷射功率密度過高引起的螢光材料的光效降低和可靠性問題，該光源中使用遠程激發的方案將藍雷射和螢光器件分開設定，單獨散熱，同時將螢光材料設定在高速旋轉的器件上，形成螢光輪結構，螢光輪的高速旋轉使得激發光在不同時刻入射在螢光輪的不同位置，有效的解決了高功率雷射激發時螢光材料的光飽和和熱飽和問題，提高了螢光材料的光效和可靠性。
使用第一代ALPD螢光雷射光源的單片式空間光調製器（以單片式DLP為例）的投影顯示系統的結構示意圖如圖1所示，雷射光源發出藍雷射經透鏡等光學元件整形後入射至螢光色輪，螢光色輪為多段結構，其中紅色螢光材料段和綠色螢光材料段吸收藍雷射轉換後得到的紅色和綠色螢光，透射段透過藍雷射，螢光色輪高速轉動產生時序紅螢光、綠螢光和藍雷射。由於螢光光譜較寬，為了實現廣色域顯示，需設定濾光輪對螢光進行濾光，為使得濾光輪和螢光輪同步，該光源開創性的將螢光輪和濾光輪設計為一體結構，極大的簡化了光源結構。螢光輪出射的時序紅螢光、綠螢光和藍雷射經濾光輪濾光後得到投影顯示用的時序紅綠藍三基色光。時序的紅綠藍三基色光入射至單片DMD晶片，經DMD晶片調製後得到對應於紅綠藍三基色的時序畫面，經投影鏡頭投影至螢幕上，利用人眼的時間混光效應，實現紅綠藍三基色時序畫面的混色，得到彩色畫面。
圖1 使用藍雷射混合螢光ALPD技術的單片式DLP投影顯示系
使用第一代ALPD螢光雷射光源的三片式空間光調製器（以3DMD為例）的投影顯示系統的結構示意圖如圖2所示，在光源上該系統與單片式DLP投影顯示系統的區別在於，螢光色輪為整段色輪，該螢光色輪旋轉的目的只是為了改善高功率密度的激發光造成的螢光材料的光飽和和熱飽和效應，提高螢光材料的光效和可靠性。該系統中，藍雷射經透鏡整形後入射至螢光色輪，經螢光材料轉換為黃光，與剩餘的藍雷射或額外加入的另一束藍雷射合光得到白光，白光經分光稜鏡分為紅綠藍三基色光分別入射至三個DMD晶片上，經調製後得到對應於紅綠藍三基色的三幅畫面，這三幅畫面再次經合光後，實現三基色混色，得到彩色畫面。
圖2 使用藍雷射混合螢光ALPD技術的三片式DLP投影顯示系
第一代ALPD螢光雷射光源結構簡單緊湊，易於實現小型化，但是該光源為透射式結構，螢光色輪的散熱較差，不利於實現高亮度光輸出。市場上使用第一代ALPD螢光雷射光源的投影顯示產品主要有小明微投、深圳光峰科技股份有限公司第一代工程機和教育機產品等。
第二代ALPD螢光雷射光源
為提高光源亮度，實現高亮度光輸出，深圳光峰科技股份有限公司在2012年推出了第二代ALPD螢光雷射光源，與第一代光源相比，第二代ALPD螢光雷射光源採用反射式結構，將螢光材料設定在高導熱基底上，極大的改善了螢光材料的散熱，使用該光源的投影顯示系統的輸出亮度可大幅度提高。使用第二代ALPD螢光雷射光源的代表性投影顯示產品是光峰科技股份有限公司的雷射影院光源和光峰科技股份有限公司與LG聯合推出的全球首款100寸雷射電視。
第三代ALPD螢光雷射光源
第一代和第二代ALPD螢光雷射光源，均採用藍雷射和紅綠螢光作為投影顯示的三基色光，使用該光源的投影顯示系統中，紅光和綠光均是寬頻螢光經濾光片濾光得到的，因而色彩飽和度較低，顯示色域較窄。為解決這一問題，深圳光峰科技股份有限公司在2016年推出了第三代ALPD螢光雷射光源，該光源在第一代和第二代光源的基礎上引入了紅雷射，使用該光源的投影顯示系統中，紅基色光由紅色螢光和紅雷射混合得到，綠基色光為綠螢光經濾光後得到，藍基色光為藍雷射。該光源充分利用了紅雷射的窄帶光譜帶來的廣色域優點與螢光的高光效和無散斑的優點，結合光學設計和軟體算法，在低散斑和低成本的前提下，提升顯示色域，實現高性能顯示。截止到2018年深圳光峰科技股份有限公司的多款主流產品如雷射影院、峰米雷射電視、多款教育和工程投影均使用第三代ALPD螢光雷射光源。
第四代ALPD螢光雷射光源
為進一步提升投影顯示色域，深圳光峰科技股份有限公司在2018年6月21日發布了第四代ALPD螢光雷射光源，該光源在在第三代ALPD螢光雷射光源的基礎上又加入了綠雷射。使用該光源的投影顯示系統中，紅基色光由紅色螢光和紅雷射混合得到，綠基色光由綠螢光和綠雷射混合得到，藍基色光為藍雷射。與第三代ALPD螢光雷射光源相比，該光源進一步提升了投影顯示中的綠色畫面的顯示效果，使的投影顯示色域最大化。
SSI螢光雷射光源
SSI（Solid-State Illumination）螢光雷射光源是德州儀器開發的投影顯示光源解決方案。
與ALPD螢光雷射光源原理相同，SSI螢光雷射光源中，藍基色光由藍雷射提供，紅基色光和綠基色光由螢光材料將藍雷射轉換成的螢光濾光後得到。如圖3所示，該光源與ALPD螢光雷射光源的最大區別在於，ALPD螢光雷射光源中紅綠藍三段色輪同為透射式或同為反射式，紅綠藍三基色光從色輪上的出射路徑相同，而SSI螢光雷射光源中，色輪的紅光段和綠光段為反射式結構，藍光段為透射結構，藍基色光的出射面和紅綠基色光的出射面不同，藍基色光經中繼光學系統和紅綠基色光合光。此外，與ALPD螢光雷射光源不同，該光源中螢光輪與濾光輪為分離的兩個組件，螢光輪和濾光輪之間需要通過控制系統同步以準確顯示投影畫面。
圖3 SSI光源結構示意圖（a）和第二代ALPD螢光雷射光源結構示意圖（b）
圖3
高亮度混合光源
高亮度混合光源是卡西歐在2010年開發的，該光源中，紅基色光由紅色LED提供，綠基色光為藍雷射激發綠色螢光材料得到的綠色螢光，藍基色光為藍雷射。截止到2018年，高亮度混合光源已被用於卡西歐的多款投影顯示產品。
特點優勢
表1中示出了使用雷射混合螢光作為光源的ALPD技術與使用其他光源的投影顯示技術相比的特點及優勢，傳統的投影顯示系統通常採用超高壓汞燈（UHP）或氙燈等高亮度燈泡作為光源，但這些燈泡通常壽命短，發光效率低，且含有毒物質。與傳統光源相比，LED 光源具有體積小、壽命長、環保無污染等優點，截止到2018年已被越來越多的投影顯示廠商用來代替UHP 光源，但是LED存在光效降低現象，在驅動電功率較高時，LED的發光效率反而降低，同時，LED 光源是朗伯光源，光學擴展量較大、亮度較低，因而使用LED作為光源無法實現高亮度顯示。與LED光源相比，雷射光源在高的驅動電功率下，不存在效率降低的問題，同時，雷射具有很好的方向性，光學擴展量較小，亮度遠高於LED光源，與傳統的高亮度燈泡光源相比，亮度也有很大提升，並且雷射光譜很窄，使用紅綠藍三基色雷射作為光源，可實現高的色彩飽和度和光色域顯示。但雷射是相干光源，使用紅綠藍三色雷射作為光源的投影顯示系統顯示畫面會存在嚴重的散斑問題，此外，三基色雷射中綠雷射技術不成熟，存在成本較高、效率較低等問題，這些都限制了三基色雷射作為光源在投影顯示領域的套用。螢光雷射光源將雷射激發螢光材料得到的螢光與雷射或LED混合作為投影顯示的三基色，充分利用了雷射的高亮度和廣色域的優點與螢光的高光效和無散斑的優點，此外，通過額外增加雷射或LED，結合光學設計和軟體算法，還可進一步提升螢光雷射光源的色域。螢光雷射光源因其顯著的優勢，具有廣闊的市場前景。
套用前景
螢光雷射光源因其顯著的優勢備受投影顯示廠商青睞，截止到2018年已經有多家廠商開發出多款使用螢光雷射光源的投影顯示產品，在影院、工程投影、商教、微投和家用顯示等領域占據越來越多的市場份額。
在影院方面，2014年深圳光峰科技股份有限公司使用ALPD螢光雷射光源開發出全球收款20000lm的符合DCI標準的雷射電影放映機解決方案，且首台使用該方案的雷射影廳在中影國際影城深圳歡樂海岸落戶並穩定運行至今。至2018年12月，已有12000塊熒幕實現雷射改造，占中國電影市場熒幕總數的20%。2018年4月，光峰科技又與巴可和中器一起成立了海外公司，將ALPD雷射光源推向海外市場。
在工程投影和商教領域，光峰科技股份有限公司和卡西歐均利用自主的雷射光源技術開發出一系列的投影顯示產品。隨著家用投影顯示市場的興起，光峰科技、卡西歐、小米、堅果、極米等廠商也開始推出使用螢光雷射光源的微投和雷射電視產品，螢光雷射光源成為家用投影顯示市場的主流技術。
隨著螢光雷射光源的發展，更高亮度、更高對比度、更廣色域的投影顯示產品將會不斷的被推出並套用到新的領域中。
