激光挑起“视”界大战
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如今,正当作为固态光源的LED在显示市场上如火如荼的时候,《计算机世界》实验室却将目光投向了应用前景更为广阔的另一种固态光源―激光光源。我们相信LED光源的成功具有非凡的意义,其中一个重要的意义就是对固态光源将成为显示光源这种必然发展趋势的印证。2009年9月我们对国激光挑起“视”界大战内自主研发的激光投影机的相关指标进行了测试,测试结果令人振奋,一切都让我们更加相信,固态光源从高、中、低端显示光源全方位地淘汰传统气态光源的历史巨轮已经开始转动,并在2009年轧出了第一条有力的辙痕,这一年注定载入史册。
固态光源杀来
早在激光诞生之初,人们就开始尝试把激光引入显示领域。不过受限于当时的技术,激光光源功率较小而体积过于庞大,成本异常高昂,其效果不尽如人意,只是在极小的范围内,用激光作为扫描器件,应用于三维投影或者墙面投影,而不是一般的显示设备,在设计上没有考虑设备的耐久性和可靠特性。
国内和国外都在研究固态光源进入显示行业。LED更方便,通过简单地替代传统的阴极射线管,就很方便地用在了液晶电视、显示器上,并且因为液晶领域相对比较成熟,已经有足够的市场空间,国外的多数资源是投入到这个领域的。
至于激光,鲜有成果。而且激光的特性决定了它的用途与LED完全不一样。激光是点光源,而LED是典型的面光源,两者在适合的显示设备方面就有差异。如果用LED作为液晶的背光尚好,若是作投影机的光源,这就有些勉为其难了,光路传导的损失将会变得很大,并且也不容易做到亮度很高。激光的点光源特性,决定了激光更适合投影使用。比如通过与反射式的成像器件配合,做成投影机,那就是最好的应用模式。
但是激光本身也有一定的要求,对电源和散热要求苛刻。电源需要专门的制作工艺,虽然就单个激光模块而言,尺寸已经相当小巧,但就整体显示系统而言,激光投影设备的体积依然不算小,不过这一点正在快速地改变着。比如500lm以下的应用中,采用风冷就能满足散热需求的场所,激光模块的优势就会体现得淋漓尽致的。
国外拥有类似大功率激光器的厂商,在产品设计上也有了初步的经验,他们认为超过30W左右,就需要水冷了。这就制约了这样的投影机进入普通家庭,目前,激光投影机主要瞄准的是高端显示领域。国内以中视中科为代表,他们的方案采用光源和主机分离的方式,光源通过光纤导入到机器,这样可以很容易把传统光源的机器改造成为激光投影机,简化了投影机改进的步骤,同样还给投影机增添了应用空间,在某些特定的场合,这种模式更适合。比如高湿度和震动频繁环境,或者需要低发热低工作噪音的应用环境,把光源安排在另外一个安全的地方,反而有利于整个投影系统的可靠性提高,改善工作状态。
虽然作为未来趋势的激光光源对整个光源历史来说,还算是起步阶段,但起点显然已经很高。激光作为光源早就是人类的梦想。当前,LED的发光效率已经达到了100lm/w的水准,而激光能够实现超过600lm/w的效率,是目前人造光源的极致。传统投影机的UHP汞灯,发光效率只有60lm/w,高品质的氙灯效率也并不高,散发的大量的热不仅让灯泡的寿命受到局限,同时成像器件的寿命也会受到影响。
传统的光源使得整个投影机所考虑的散热至少包含两个部分:一方面是机器运作带来热量; 另外一方面则是光源带来巨大热量。这大幅度提高了机器设计的复杂度,而且工程级别投影机要求的双灯备份也让光路设计复杂化。
且不说这些问题,就是遇到要更换灯泡的维修,那也不是那么简单,何况双灯备份也大幅度增加了投影机光路的设计难度,增加了损耗。一般来说,超高亮度的投影机需要的短弧氙灯,功率以KW为单位,需要仔细考虑隔热和红外线、紫外线问题,这也是固态光源不需要考虑的。所以,固态光源对比传统光源的诸多优势,使其进入投影领域是再合适不过了。
传统的投影机由于光路和设计上都包含那些隔热设计和UV镜,如果直接套用到激光模块上,大幅度降低了光的利用率,带来的损失是不小的。比如多一层阻隔措施,就可能带来5%的损失; 而隔热设计在激光扩散之后已经不是问题,光线中根本就没有红外线; UV更是不存在的。针对激光光源的这些特性对投影机内部结构进行优化,将有效地简化投影机的内部构造并降低成本。
激光
开数字光源先河
我们为什么要用激光来取代传统的光源,这是个萦绕在我脑海里的问题,也同样是很多人的疑问。或者说,激光投影机真的在视觉上就能吸引我们吗?值得为此花费如此的成本吗?
我看值得。就如同吃饭,山珍海味、萝卜白菜各有所爱。除了没有红外线、紫外线问题外,激光本身是有极强的指向性的,而且红绿蓝三原色更纯,所以能够制造出在色彩上与现实情况极为相近的色彩表现。
这如果还不够吸引人,那就看看另外一个特点,激光投影机产品能够带来良好的颜色层次感,自然的高对比度大幅度提高了大场景的细节表现力,使得色彩更为生动。也是因为它的指向性,投影画面的主观感受要比传统投影机柔和,没有那么刺眼。因而它的亮度宽容度也变得更高,既能实现高亮度还能实现高对比度,还能保证色彩的饱和度和层次感觉,这是现在的汞灯、氙灯投影机无法做到的。
由于激光投影系统是通过红绿蓝三原色成像叠加到物镜上显示的,所以通过控制三原色不同的比例便可实现显示效果的变化,这是传统光源无法做到的。现在的激光光源产品,通过多个模块进行组合来实现高功率的输出,激光的特性能够保证激光的一致性,而且在多台激光投影机进行拼接的时候,也能够很容易实现显示的一致性。正是因为这个原因,对比传统光源,激光光源体现了全面可调的数字化特征,光源能根据需求来进行调制,从而能够很轻易地实现多屏幕的无缝拼接,并长期保持各拼接单元画面在亮度、色彩上的一致性。
目前,在投影机构成的显像系统中,图像信号的部分已经数字化,成像器件已经数字化。在数字化条件下,非数字化的光源已经与数字化的环境格格不入,光源迈入数字化也是必然的进程。通过光源的数字化,在成像的终端,图像品质和感受才会更真切。
在测试的现场我们也看到,即便简单地把灯泡替换成为激光光源,投影设备的表现力已经大幅度提高。在色彩饱和度、亮度和层次上,灯泡根本无法与之匹敌。尤其是在色彩纯度和亮度,再加上对比度要求条件下,灯泡基本上只能满足一部分特定需求,而我们面对激光投影的时候,差点忘了这是投影,那鲜花不就如同太阳光下的鲜花吗?在传统的氙灯和汞灯照射下,颜色不可能如此生动。
传统的投影机可以通过电路上的处理把灯泡投影机的对比度和亮度提高,但是无法解决颜色层次的问题。尤其是蓝色,被看做是数字成像设备的死穴,一般来说非常死板,没有层次,在我们一般的投影设备中根本无法看到与湛蓝天空相媲美的色彩,激光倒是能够接近这种感受了。所以能够在色彩上呈现巨大的反差,而不仅仅是黑白的巨大反差,这或许是激光那么惊人的根本原因。
有经验的读者还会注意到,过于高的对比度和亮度的组合,将会带来不舒服的视觉体验,这在传统光源中是常见的现象。传统光源的光线无方向性,为了达到需求的对比度,光线的浪费比较多,导致需要很高的亮度,这样会刺激眼睛,大幅度降低观看舒适度。激光不同,通过光纤导出的光线经过扩散,投射在成像器件上,还是有方向的,这些光的利用率大幅度提高,从而能够在很高对比度的时候不需要太高的亮度,从而能够保证眼睛的舒适程度。
加上激光的RGB三色的纯度相当高,激光特性决定了光谱不漂移,从而保证整个显示画面的一致性。实际上,因为激光光源的特性,对镜头的镀膜要求都降低了,同时透过镜头的热已经大幅度降低,可以大幅度降低镜头设计的难度,并且低的温升也能保证镜头在使用过程中对画面的影响降低到最小。这些优势让激光投影机的画面能够保持一致性,投影画面的一致性能够超过90%。
这一切造就了最好的投影品质,我形容激光的画面如同流动的清水,那么清澈而透亮,是目前显示设备中最好的。但是因为目前的采集设备和输出设备都是按照传统光源光谱特性设计和调整的,所以在某些方面,激光替换上去会有过饱和的情况出现。比如红色就是如此。传统的采集设备能够表现不错的红,但是输出的时候红的衰减比较厉害,灯泡的光谱在红端以热能丧失比较多,所以在信号上会做增强。而RGB激光的红,本来就要超越一般灯泡,再加上电路的处理,那就有些过饱和。红和蓝两色,其实是激光的杀手锏,它们的生动程度与否就会影响输出设备的表现力; 绿光的主要贡献在于提供足够的照度。
5W绿光激光器
1W蓝光激光器
1.6W红光激光器
色域大战
在主观上,我们已经看到了激光投影机的强大威力。这次中视中科准备的是一台Barco的电影投影机,更换了激光光源,通过光纤把模块与投影机连接起来。相比传统的灯泡,激光模块体积(主要是散热模块)还有些大,但是在效率上已经无与伦比了。Barco的这台电影投影机采用氙灯,灯泡的功率4KW,标称寿命1000小时,更换成本接近3万元,镜头投射光通量大概15000lm。中视中科的激光模块只需要100瓦左右,就能够实现12000lm左右的投射亮度,寿命超过两万小时,两相比较,高下层分已不言自明。
中视中科这3年来,已经让激光模块的每瓦成本降低到了10倍,随着技术的改进和市场应用的展开,仍然有很大的下降空间。而一个投射2000lm的投影机,只需要20W左右的激光就行了,成本是可以接受的。如果投影机专门为激光光源进行设计的话,激光功率还可以适当降低。当然了,这种光源分离的方式,大幅度提高了投影机的灵活度,比如要制作不同亮度的投影机变得很简单,而不会受到设备早期设计的限制,甚至可以在后期进行提高也没有问题。
激光投影机的另外一个好处就是长期能够保持投影的稳定性,激光模块的寿命为两万小时,是真正的长寿命低衰减的光源。像气体的汞灯和氙灯因为其中掺有杂质,色温控制不可能完美,也不可能像激光这么稳定。
有人担心,激光这么大功率是不是有危险。我不小心透过投影机的镜头往里面看,没有不适应,激光已经被扩散,光的强度已经比激光束大幅度下降。但是打在视网膜上,我们能感受到那种衍射,这是传统光源没有的。直视激光投影机光束给我的感受要温和得多,也让我意外。同时我注意到在投影机镜头前的温度已经非常低,通过光纤,激光的热早被隔绝,而且扩散之后,光的功率密度大幅度下降,温度自然降低了,直视也没有问题了。
从测试结果我们可以看到,激光的色域已经大大超越传统显示设备,是激光投影能够如此清亮动人的根本原因。配合我们一块测试的技术人员说,实际上纯激光出来测试的色域更大,但是经过Barco投影机之后,可能在信号上做了一些均衡,即便测试结果没有200%的NTSC覆盖率,已经相当惊人了,实测超过了170%。
在对比度方面,改造后的Barco这款投影机对比度大约为2500∶1,正是因为原生的高对比度,测试的机器在表现单色的时候,因为颜色很纯正,饱和度高而且层次好,这样的色彩生动而且有动感。在大场景的时候,因为对比度高,加上单色的纯正,所以大场景的颜色感觉也很好,长时间看也不累。
激光也要唱主角
激光显示设备的到来,提高了显示设备的门槛,在激光面前,任何其他显示设备只能甘拜下风。在色彩、寿命、可靠性等诸方面,拥有无与伦比的优势,而且在光源端实现了数字控制,这一点与LED类似。
固态激光的前端也跟LED类似,不过经过放大环节以及声光晶体的频率调制,控制好输出光的波长。LED则是利用基板直接发光,产品没有那么复杂,而控制起来也简单,包含电路也简单得多。现在LED背光显示已经逐步走向市场,LED背光电视和LED光源的投影机已经可以买得到。而激光的显示产品,现在成本上还比较高昂,目标客户还局限在行业端。
国外与中视中科的同期的产品还有几家,产品还局限在实验室阶段。与中视中科最相近的是Colorvision的激光系统,但是功率无法匹敌,他们只做到了45W左右,而中视中科的模块可以组合成超过100W。而且,中国丰富的稀土资源,让中国在激光领域有独特的优势。
现在的问题是,产业环境没有启动,而上游的芯片产量比较低,没有达到规模产能,所以综合成本比较高。等上下游产业链构筑完成的时候,激光的未来会相当光明,而且随着成本继续降低,激光显示的普及恐怕就真的到来了。以普通的亮度计算,2000lm的产品就可以在使用成本上比现在的投影机低,而在使用过程中无需担心更换灯泡等类似的问题,最重要的是,这个投影产品能够一直保持这种一致性到寿命的终点,这是除激光之外没有任何一种光源可以做到的。
激光本身能做的事情绝不仅限于显示。在景观照明以及特定的医疗领域,甚至美容,都能够看到激光大显身手。连续式激光进入投影领域证明了这个产品的成熟,而站在潮头浪尖的中视中科显然比国内其他拥有类似创新技术的公司在全球的地位更高,在推出这个产品的这一刻,已经站在了世界的前端,足以笑傲江湖了。