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激光LED相爱相杀 解析固态光源进化史

2018-10-08 11:42 来源:中关村在线 关注度:16845次 字体:   原创申明 投稿
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今天我们就来说说这些新固态光源的进化历史。

  2018年预计LED智能投影的销量可达200万台,去年其销量还是100万台。之所以这个市场成长迅速,不得不说LED光源是智能投影市场成长的主要催化剂。不仅仅是LED光源,诸如后面我们将要提到的激光光源以及HLD光源等等,都是这几年投影机市场不断变化的真正推手。投影技术其实本质没有什么变化,无非是分辨率的升级以及价格的下降而已,只有光源变化市场的热点。今天我们就来说说这些新固态光源的进化历史。

  LED光源:缺陷和优势一样明显

  其实LED智能投影市场的发展大约是从2010年才开始的,当时LED光源的亮度还很低,智能系统也很不成熟,很多智能投影还采用的是Windows的移动系统,产品很不稳定,蓝屏是常见现象。因此LED智能投影市场始终没有发展起来。而到了2015年随着安卓系统的成熟,以及LED光源的效率提升,LED智能投影市场才算真正成熟起来。

LED光源系统结构图

  相比于激光,LED光源的长寿命以及色彩优势都不明显,它最重要的优势还是体积小,而最大的缺陷在于光电转化效率太低。因此使用LED光源的产品可以做到小体积,但是亮度却一直无法突破,因此也就只能用作一般家用。

  LED光源的升级其实就是光电转化效率的升级,尤其是对于绿色LED光电转化效率的提升是关键。相比较之下,红色和蓝色LED的效率不错。由于半导体技术的发展并不是那么快,因此绿色LED的效率一直都是瓶颈,这样导致了智能投影市场2017年到2018年的LED智能投影的亮度始终没有什么变化。

  如何解决这个问题?市场上出现了HLD光源技术。

  HLD光源:LED光源的加强版

  HLD光源其实就是LED光源的加强版。HLD光源是把绿色LED光源集束使用,从而提升整体亮度的光源技术。由于无法短时间内提升绿色LED的效率,自然就只能多用了。但是多用绿色LED光源就会造成光源的体积增大很多,同时因为绿色LED光源的增加,散热的需求也变得更苛刻。因为没有转化成光的电能都变成热能散逸出来。

HLD光源的本质还是LED光源

  因此HLD光源的优势是亮度获得了提升,但是缺点就是成本高,体积大,要求散热空间。使用HLD光源的产品自然就要非常之大。市场上有HLD光源的产品,主要分为两类。第一就是家用产品,比如明基的X12000H,就是采用HLD光源的产品,其因此有原生三原色,色彩效果自然不错。

采用HLD光源的系列反射式超短焦投影机

  还有一类就是教育市场的产品。主要代表就是NEC等品牌推出的新产品。HLD光源不需要色轮,三原色也可以提供更优质的画面效果。同时HLD光源的寿命长,因此对于教育市场拥有不错的吸引力。

  HLD光源虽然是飞利浦这两年一直在主推的新技术,但是应用的品牌并不是特别多,相比于激光还是实力薄弱。从本质上来看,这也不是一种新技术,只不过是对于LED光源的改善而已,这种改善也带来了诸多问题。因此HLD光源的声音始终不是特别大。

  固态光源非主流:激光+LED

  其实除了飞利浦的HLD方案,市面上还有一种解决方案。那就是激光和LED混合使用的方案。这种方案是这样的:

激光和红、蓝LED光源混用的光源系统

  光源系统采用LED实现红色和蓝色,可以减低系统的成本。同时使用激光实现绿色,这样就可以提升亮度了。但是激光实现绿色部分依然面临着和LED光源同样的问题:高性能绿色激光光源成本高。因此,激光LED混合光源,采用了另一项降低成本的技术——激光荧光转化技术。

绿色激光的光电转化效率也没有蓝色激光高

  LED激光混合光源中,绿色部分由激光实现:采用成本最低、体积小巧、驱动电压最低、稳定性最好的蓝色激光器。蓝色激光经过蓝绿转换荧光粉转换成绿色。虽然荧光转换后有20%左右的能量损失,但是综合亮度成本依然更低。

  这就是激光和LED混合的光源方案。这种方案其实有天然的缺陷,那就是它无法做到高亮。因为红色和蓝色LED的光电转化效率虽然比绿色LED要好,但是依旧无法和激光光源相比。三者都要高亮的话,体积和成本又没有办法平衡。

卡西欧使用的激光和红色LED混合的光源方案

  其实除了这种混用的方法,还有一种“卡西欧模式”,那就是采用蓝色激光和红色LED构成主要光源,蓝色激光激发绿色荧光粉色轮形成绿色进入最后的混色环节。这种方案现在只有卡西欧还在使用。

  成本优势:激光荧光粉色轮方案

  激光配合LED还是不太成功,如何才能让新光源成本低,亮度又高呢?上面我们已经提到了激光荧光转化技术。于是行业内拿出了这样的解决方案:利用蓝色激光激发荧光粉色轮形成高亮黄色,然后通过棱镜分红、绿、蓝三色,这样就一举解决绿色激光器不给力的问题。

激光荧光粉色轮系统

  目前很多教育、商务以及工程投影机都是使用这样的方案。激光荧光转化技术成为最具有代表性的激光光源技术,目前已经基本形成一个较为成熟的阵营。其形态稳定,成本低廉,亮度也有不错的潜力。

  但是激光荧光转化技术并非完美无缺的技术。因为这种系统中没有原生的红色以及绿色的成本,因此画面显示效果并不完美。特别是早期蓝色激光的波长不完美的时候,画面还总是有些偏紫。如今蓝色激光发生器的纳米波长较为准确,画面偏色的情况基本解决,但是其显示红色以及绿色画面的时候,还是有缺陷的。

  另外传统的荧光粉色轮的材质在激光的长时间照射下容易损坏或者偏色的情况。升级荧光粉色轮就成为了业界的又一个问题。

  新的进击:荧光粉色轮新方向

  如何升级荧光粉色轮。业界的主要方向还是从材料入手。转换陶瓷制造工艺是解决之道。这种材料和其它陶瓷一样,由粉末压型和烧结而产生,其烧制温度超过1000°C,可以承受极高的高温。利用这种材料制成的色轮就是转化陶瓷色轮,这是目前最有技术竞争力的色轮技术之一。

转换陶瓷色轮

  转换陶瓷色轮采用纯无机材料,它由100%的荧光体材料组成,并且为高转换效率提供了高效的光源解决方案,为高热导率帮助更好的热管理,从而允许高亮度投影机,为高温度稳定性保证可靠的表现,为长寿命提供了便宜的维护成本和用户实际使用成本。

转换陶瓷色轮实拍

  目前市场上已经有2款材料(黄色和绿色荧光转换陶瓷),同时为动态轮式设计和静态设计供应产品。这就意味着不管是DLP技术还是LCD技术,都可以应用这种新型的色轮。

  为了色彩:双色激光 VS 三色激光

  新色轮技术的主要是提升稳定性,提升亮度,但是无法真正改善画面的色彩表现。随着亮度的逐渐提升,激光投影机的普遍亮度开始逐渐高于一般用户的需求,因此色彩成为新的研发方向。这时候双色激光出现了。

  所谓的双色激光就是在蓝色荧光粉色轮光源技术中加入红色激光,因为红色激光这几年发展较快,亮度提升有了显著效果。因此加入红色激光可以有效的改善单色激光系统中,红色表现不足的情况。

双色激光系统结构图

  目前双色激光的产品已经出现,主要应用在家用和教育市场。双色激光的结构更复杂,同时成本也比较高。因此双色激光虽然效果更好,但是始终无法大面积的普及。目前一些激光电视产品应用了双色激光。

RGB 三色激光系统结构图

  三色激光顾名思义,就是光源系统中,红绿蓝三色激光都有配置的一种光源。这种光源自然更加昂贵,同时体积较大,结构复杂,一般只应用在高端电影放映机当中。这种机器一般售价都在百万,因此可以不计成本,使用目前最完美的光源技术。

  从LED光源讲到激光光源,我们发现其实投影机的光源始终在亮度、色彩以及成本之间徘徊。新固态光源解决了寿命的问题,但是LED光源有亮度缺陷,激光光源则有色彩缺陷。两者交叉碰撞以及各自的突破形成了这几年投影机市场光源种类繁多的情况。从长远的技术角度发展来看,激光的亮度瓶颈不复存在,未来将向更优质的色彩、更低廉的价格发展。LED光源则是在相当长的一段时间内,只能布局入门市场了。现在,LED光源布局入门家用市场,激光光源布局高端的大格局已经形成,HLD光源虽然试图冲破这种格局,但是目前来看底气不足。而激光+LED光源的混用方式,亮度提不上去,成本降不下来,色彩优势也并不明显,因此会逐渐式微。

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