激光投影顯示技術

人類對外部世界獲取信息的80%來自視覺，因此顯示器是現代人們獲取信息的重要途徑，顯示技術是信息領域的重要發展方向。隨著人們對信息的獲取有更多更高的要求，對顯示器的性能就有了更多的期待，顯示技術及器件的研究也就越來越重要。

自19世紀末興起的黑白顯示到1928年彩色電視問世以及1935年實現膠片拍攝的彩色電影，顯示技術經歷了從黑白向彩色顯示技術的時代跨越，現階段正處於數字顯示發展時期。基於現代數字技術的數字電視和數碼影院，正在解決視頻圖像的解析度和清晰度問題，包括信號的獲取、處理、存儲、傳輸和再現。現有的數字顯示終端，像素數已可以由NTSC標準數據中的720×480提高到3840×2160，解析度增大20倍以上。但是現有的顯示器的色彩重現能力很低，其顯色範圍僅能覆蓋人眼所能觀察到的色彩空間的33%，而其他67%的色彩空間是數字顯示技術和已有的顯示技術都無法重現的。因此能夠同時實現高清晰、大色域的顯示技術勢必成為顯示技術研究和發展的方向。激光顯示技術的一個重要思路是從色度學考慮，以紅、綠、藍，三基色（RGB）激光為光源的顯示技術，可以最真實地再現客觀世界豐富、艷麗的色彩，提供更具震撼的表現力，因此激光顯示被稱為“人類視覺史上的革命”。在當前眾多形式不同的顯示技術中，激光顯示技術代表著顯示技術未來發展的趨勢和主流方向，是未來顯示領域競爭的焦點。

激光顯示的發展從上世紀60年代激光器出現開始就進入了概念階段，由於受激光器發展水平的限制，激光顯示進展緩慢。早期曾以氦-氖激光器輸出的632.8nm或氪離子激光器輸出的647.1nm為紅光光源，以氬離子激光器輸出的514.5nm和488nm為綠光、藍光光源作為三基色開展相關的顯示技術的研究。氣體激光器由於體積龐大，電光轉換效率低，使得早期以氣體激光器作為三基色光源的激光顯示系統研究僅停留在實驗室工作模式，無法接近實用化；到了上世紀90年代，全固態激光器發展推動激光顯示技術進入研發階段；而在本世紀2010年以前，隨著專業級的高端顯示產品的研究進一步推動激光顯示進入產業示範階段，開始孕育成熟的技術產業鏈，為今後規模化生產做準備。

激光投影使用具有較高功率（瓦級）的紅、綠、藍（三基色）單色激光器為光源，混合成全彩色，利用多種方法實現行和場的掃描，當掃描速度高於所成像的臨界閃爍頻率，就可以滿足人眼“視覺殘留”的要求，人眼就可清晰觀察。臨界閃爍頻率應不低於50Hz。人眼所能看到的色域中，液晶只能再現27%，等離子為32%，而激光的理論值超過90%。

最早激光投影技術是採用氣體激光器作為光源，如He-Ne、氬離子、氪氣和銅蒸汽激光器等，分別輻射紅、藍、綠色激光，實現全彩色激光投影，但氣體激光器電光效率很低且工作可靠性相對較差。

使用激光二極體泵浦的全固態激光器和倍頻技術也可獲得紅、綠、藍光輻射，連續輸出功率可達數瓦、數十瓦，甚至數百瓦。這些全固態激光器具有很高的電光效率和穩定性，結構緊湊，數瓦的功率就可用於激光投影。

人眼對紅、綠、藍三種顏色的視見函數值相差很大，他們分別為0.265（630nm），0.862（530nm）和0.091（470nm），應對激光器功率進行匹配。

激光投影的實現可以有很多種方式，其中掃描器件常用的有多面體轉鏡掃描以及振鏡掃描。

多面體轉鏡掃描。多面體基體使用輕金屬材料製造。以減小轉動慣量，再將平面反射鏡固定在多面體上，調整各反射鏡在y軸方向的角度使各行掃描以等距離分開，即可實現場掃描，多面體轉鏡掃描具有較大的局限性，如面數越少掃描行數越少，解析度越低，如面數越多則調整越困難。

振鏡掃描，使用高性能檢流計驅動平面反射鏡高速偏轉並精確定位，由於偏轉頻率極高，已與震動相同，故稱振鏡。使用兩個振鏡就可以實現二維掃描。

更多情況是兼用多面體轉鏡和振鏡掃描的方案，他們分別完成行和場的掃描。

同傳統的顯示光源相比，激光具有很好的單色性、方向性，使用激光三基色作為顯示光源所表示的顏色，包含了人眼所能分辨顏色的90%。其色度三角形的面積是傳統磷顯示的將近三倍。用激光顯示色彩豐富、飽和度高、對比度強、與各種視頻信號都有好的匹配性。激光顯示與其他顯示技術相比就有很多優點。CRT顯示的歷史最悠久，至今一直以解析度高、對比度好、亮度高以及經濟性的特點佔領著電視市場，但其屏幕尺寸受限。背投LCD，LCOS及PDP由於造價較高和圖像質量問題，還不能成為市場主導。激光顯示不僅具有同CRT可比擬的畫面質量的優勢，還可實現大屏幕顯示。

激光全色顯示產品的優點是：色域空間大、色彩豐富、色飽和度高，其顏色表現力是傳統電視的2倍以上；其次，光源壽命長、維護費用總體使用成本低，激光光源完全打破傳統光源的電光轉換模式，壽命可長達10年，是傳統光源壽命的10倍～20倍；第三，生產裝備投資規模小，激光顯示產品生產裝備的投資，可以從幾千萬美元到幾十億美元分期投入；第四，環保節能，功耗僅是傳統電視的1/3，非常符合節能減排的國策，另外激光光源生產過程中不使用對環境有威脅的重金屬材料，屬環境友好型光源；第五，成本下降潛力大，隨著產業規模的擴大和新技術的採用，將對激光顯示系統設計產生革命性的變革，在提升顯示器件品質的同時大大降低成本。

日本在液晶等顯示領域經過將近50年的研發積累，已經取得領先的核心技術和市場地位，如今又將下一代顯示技術的發展方向鎖定到激光顯示技術。

2005年，在日本愛知世博會上，索尼公司研製成功單元6平方米的投影顯示系統，並在拼接技術基礎上集成出一套500平方米的激光影院。

2006年2月，三菱電氣公司將美國Novalux公司研製的大功率紅綠藍三基色激光器應用於數字光學引擎(DLP)背投電視，宣布研製成功激光背投電視，能夠表現大色域顏色，支持大色域xvYCC標準，色域覆蓋率為135%NTSC，對比度為4000:1，其圖像質量可超過電影畫質。三基色激光可以去掉傳統投影中的色輪分色環節，沒有色輪的單片數字微鏡(DMD)晶元也可以有上佳的色彩表現，成本和系統複雜程度大大下降。因此，這台激光背投的色彩還原能力得到了國際電工委員會(IEC)的認可。三菱電氣公司建設生產線，並於2008年推出了激光數字光學引擎背投電視產品。

2007年，在美國拉斯維加斯國際消費電子展覽會上，日本索尼公司和美國Novalux公司各自推出了基於投影式激光顯示技術的多台激光顯示試驗樣機，其中包括55英寸激光背投電視和小型、袖珍式前投影機以及激光數碼影院等。

另外，Microvision、Iljin、Symbol等公司致力於研發應用於手機的激光投影技術，他們分別開發了小型化的紅綠藍三基色激光器和小型化的光學引擎系統，並設計出一個完整的嵌入式微型投影系統模塊。

中國在發展激光顯示產業已經具備良好產業化基礎，生產環境全球領先。我國激光顯示技術在國家高技術研究發展計劃、中國科學院知識創新工程的持續支持下，取得了重大成果。

中國工程院院士許祖彥研究員於2002年在國內率先實現紅綠藍三基色激光瓦級輸出，併合成白光用於激光顯示首次實驗；

2003年，RGB三基色激光器研發初步完成，推出激光顯示原理樣機。

2005年11月，長春新產業光電在上海國際工業博覽會上展出了獨立研發的84英寸的激光顯示原理樣機，並通過中國科學院與信息產業部聯合科技成果鑒定，鑒定的結論是：“總體技術國際先進，色域覆蓋率等關鍵技術國際領先”。同年激光顯示被列入了國家中長期發展規劃，並成為一項重點技術。

2006年，中國科學院光電研究院開展激光顯示工程機的研製，成功邁出工程化的一步，同年專註於激光顯示產業化的“北京中視中科”公司成立，實現“技術、產業、經濟”相結合，並加強標準化研究工作；

2006年，激光顯示技術被信息產業部評為“總體技術世界先進、關鍵指標世界領先”。

2008年，突破光源小型化、電源數字化和消散斑等關鍵技術，激光顯示產品成功用於激光數碼影院，成功服務奧運會，成為科技亮點；

2009年，成立“激光顯示產業基地”，向規模產業化邁出重要的一步。經過前期的技術積累，我國在激光全色顯示技術領域擁有完整的自主知識產權鏈，特別是在全固態三基色激光、勻場、消相干、激光顯示等關鍵器件和整機技術方面均有自己的專利保護，具備在該領域實現產業化重大突破的良好基礎。截止到2008年底，有關激光顯示方面的國際專利世界上共有1000餘項，其中中國持有100餘項。

作為顯示行業中最具發展潛力的設備，投影機自誕生以來即被廣泛應用於各行業。但目前的燈泡工程投影機由於壽命、顏色、亮度、使用成本、不環保等局限，已經很難跟上時代的步伐，更無法滿足諸如數字標牌、控制室等新的行業應用需求。激光工程投影機，則因其豐富飽和的色彩、高亮度、超長壽命、使用成本低和高環保等特性，成為引發投影及顯示技術革命的導火索。

一、更高亮度

現階段，中國市場對於高亮工程投影機的需求增長很快。相關數據顯示，早在2012年5000流明以上產品的年度銷量約為40000台，增長率達40%。這一市場原先一直由歐美和日本品牌壟斷，而在近三年民族品牌迪威視訊（Sinolaser）異軍崛起，憑藉性價比和市場推廣的本土優勢，與巴可（Barco）、科視（Christie）形成相抗衡局面。

高亮依然是激光投影技術創新的主方向。這裡的高亮不僅僅是指在10000流明以上的高端工程投影機領域，投影廠商將推出更多的產品；也包括在現有的商教和家用產品線上，投影廠商也將推出一批價位、定位相當，但是亮度有所提升的產品。同時，激光技術的發展也將使得4000流明到5000流明產品成為“普遍性”產品，而告別傳統的“高端產品序列”。

激光技術對投影產業的亮度提升是全方位的：從微投到數字影院放映機，從不足1000流明的產品到40000流明的產品都將從中受益。

從CES到infoComm，再到BIRTV，激光投影機都以高姿態出現在大眾面前。巴可展示了55000流明激光投影機，隨後科視推出了全球最亮的72000流明的激光放映機；而迪威視訊控股子公司中視迪威也已打造出全球第一套4K級50000流明激光投影系統。

二、更高解析度

日前，據國外媒體報道，經過多年的實驗，NHK與JVC正式推出了第一台激光8K超高清投影機，它將為投影行業帶來新的發展契機。

據了解，此次JVC聯手NHK推出的第一台激光光源8K投影機擁有8000流明高亮度，採用的是Lcos顯示技術，具備7680×4320解析度和5000：1對比度，同時完全兼容120Hz刷新率。但由於是新品，尚未正式發布，所以相關信息透露的並不多。

而據日本政府發布的路線圖來看，NHK將與2016年發射第一課試驗衛星，將於2020年實現8K直播東京的奧運會和殘奧會。這或許將是8K時代的普及元年。

其實，早在6年前，計算機圖形學之父和虛擬現實之父伊凡·蘇澤蘭執掌的Evans&Sutherlands公司研發出一款型號為ESLP的“革命性”的8K投影機，擁有面向專業領域應用的8K解析度，並且採用了非常獨特的激光光源投影技術。ESLP8K投影機採用的是NanoPixel激光技術，不過這項技術目前主要應用於天文研究及顯示系統。

三、產品差異化

更令人激動的是，激光投影機將創造出更多全新的應用，商業領域中的廣告行業可能是第一個突破。商業領域對顯示設備有著最苛刻的要求，希望產品有優異的影像、長壽命、低功耗、免維護等特性。激光投影機完全滿足了這種苛刻的要求。最為重要的是，廣告行業的設計師一直在尋找能夠承載創意的完美顯示方式，他們需要互動、透明、曲面的顯示設備，他們需要把畫面投射在地板、櫥窗甚至是建築物上。激光投影機真正幫助他們實現了夢想。

目前制約激光投影更大範圍內普及的產品問題還包括“產品體積”這個問題。激光投影市場缺乏輕量級產品，而輕巧的產品反而是商務、教育、家用市場比較受歡迎的產品。如何在產品體積上進一步突破、縮小，實現激光投影和汞燈投影同等亮度、同等體積，是目前行業技術研究的前沿之一。

精緻主義的審美代替傳統“專業感審美”，這是投影幾乎在所有產品領域的共同發展方向。以產品體積的縮減和精緻化為核心，構成了投影產業至少10年以來“工業設計”的主要美學方向。現在，這樣的產業積累將被新興的激光產品所繼承。相信會在輕小化和異形產品方向上，激光產品必然有新的突破。

從目前發展趨勢來看，儘管LED已經佔據了市場的高位，然激光顯示技術的產業化已經是不可逆轉的事實，相信未來三到五年內，激光顯示時代將很快到來。

由於激光光源的投影機在色彩、亮度和長壽命方面的優勢，技術發展很快，激光顯示技術的核心關鍵技術都已經實現了國產化和技術突破，實現了高質量圖像的效果演示。同時，國際上正在開展大規模生產階段所需的實用化技術攻關，在產品生命周期中處於導入期階段。

激光顯示技術是下一代顯示技術，其應用領域極其廣泛。激光顯示產品將以新一代顯示技術開拓多方面市場，形成規模產業，預計激光數碼影院應用市場以及大屏幕指揮應用市場、高端消費類市場的年新增產值會呈現幾何級數增長態勢，將會創造巨大的市場和經濟效益。

激光數碼影院是大屏幕激光投影可以率先獲得應用的領域，國際數字電影國際標準將出台，全球數字化影院市場需求將達數十億美元，產業前景十分廣闊。中國數字電影產業正處於一個試驗階段，較大的市場容量和尚未普及的市場現狀正是激光數字電影的廣闊市場，隨著激光數字電影核心光源的技術突破，中國的數字影院影廳完全具備進行激光數字影院升級改造的可能性。除此之外，激光顯示技術還將引發公共信息大屏幕、天文觀測、水幕成像表演等民用市場應用發生巨大變革，市場極為廣闊。