滚筒荧光色轮技术探究

　　激光显示为何要使用荧光色轮

　　近日，国内激光投影显示领先企业，视美乐推出新一代改进型激光荧光色轮光源技术，并命名为SLPL技术。该消息引起了行业内广泛的关注。本文作者将简单讲述一下这一新技术带来的产品体验变化。

　　以激光作为投影产品的光源，可以显著改善传统投影机在色彩、亮度、对比度、耗材寿命等方面的产品特性。但是，采用RGB三基色的纯激光光源产品也有其巨大的缺点。

　　首先，在白光画面中，RGB三原色的能量并不是平均化的。其中，绿色部分的能力非常高，即绿色光要比红光、蓝光亮50%以上。这就使得，如果采用三基色RGB激光光源，绿色激光器的研发难度要高很多，而半导体泵浦固体激光器和半导体激光器两种常用的固体激光源，绿色产品的成本都较高，历史研发投入也比较少。为此，国内三基色高端产品激光投影厂商迪威视讯不得不自己研发符合工程需求的绿色激光器件。

　　第二，采用RGB三原色激光源的产品，必须对三原色分别进行点阵光源——线光源——面光源的光学转变。这必然增加整个光源产品的体积、光学组件的复杂性和成本。

　　第三，和LED半导体光源类似，可见光波段固体激光器产品中，高性能蓝光光源也是最容易实现的。参照很多白色LED光源实际也是蓝光LED与红绿色荧光粉转换部件组合的技术路线，激光白色光源亦可以采用低成本高性能蓝色激光与红绿色荧光粉组合的方式实现。其中，蓝光转化红绿色荧光粉产业链，有LED光源产品的完整产业支撑，技术、制备、成本都有保障。而，蓝色激光器件也有蓝光BD存储等众多前置产业应用中成熟技术、制备和成本的支撑。

　　所以，对比纯RGB激光方案对激光光源优势的最大发挥，蓝光+荧光粉方案的激光光源则具有充分利用其它产业成熟技术、最大程度降低技术难度、利用其它应用中更大的产业规模支撑，最低成本实现投影固态光源的优势。

　　低成本、技术成熟、实现难度低，这些特点之外，激光荧光技术还可以充分利用单片DLP投影机产业中成熟的色轮系统：包括机械技术、散热结构、控制和数学算法技术等。激光荧光色轮技术更具有体积小巧的特点，适合制作普通商务、教育等对产品体积有一定需求的产品。

　　当然，继承了LED产业荧光粉技术体系、BD等产业打下的蓝光激光技术体系、单片DLP的色轮技术等成熟技术，实现低成本的同时，激光荧光显示技术也有它的不足之处。包括：第一，牺牲了很大一部分激光光源的优势，如更广的色域空间等;第二，由于加入的荧光粉系统也具有效能衰减的特征，使得激光荧光光源技术的寿命指标比纯RGB产品要差一些;第三，激光荧光技术的光源亮度衰减是光源+荧光粉的双重衰减，其亮度递减曲线的陡峭度较RGB产品亦增加很多。

　　不过，以上这些不足之处，都不足以对激光荧光色轮这个光源体系的成本优势构成挑战;也不足以对这一光源技术对传统汞灯产品的全面性能优势构成挑战。所以，激光荧光色轮技术成为了大众性激光显示光源产品的最理想技术路线选择。

　　市场三代荧光色轮的不同与发展

　　激光荧光色轮技术既然是激光光源投影产品的最主流技术路线，也就能吸引众多厂商开发出不同特色的产品。到目前为止，这些差异产品大致可以分为三大类：

　　第一代产品：激光蓝光+红绿荧光粉、直接投射蓝光色轮。这种产品是用红绿荧光粉实现红色和绿色两种原色;但是蓝色部分直接采用蓝色激光光源。产品的好处在于成本最低，且能保持蓝色激光部分的“激光原味”。不过，其缺点也很显著。在早期蓝色激光都采用半导体泵浦固体激光器。这种激光器出光光谱宽度为3纳米左右，光谱范围窄能量集中，且波长多为455纳米段，比较一般的蓝色光源更为偏向紫外波段。这些特性使得第一代激光荧光技术，在采用半导体泵浦固体激光器条件下，产品画面会有蓝色偏紫的现象，和较强的激光散斑。

　　第二代激光荧光技术，改进了蓝光部分效果。采用激光蓝光荧光粉，而不是直接使用蓝色激光。即，第二代荧光色轮是全荧光粉色轮，不再有蓝色透明部分。这可以显著改善第一代产品最终显示画面的偏紫和激光散斑问题。同时，这一时期，厂商还在色轮上额外加入黄色、或者白色荧光粉区间，进而由此提高整个光源的输出亮度水平。

　　以上两种荧光色轮技术，有一个共同的缺陷：即，激光光源的出光是很小的一个光斑，接近线光源。很小的出光横截面积导致了荧光色轮上只有很窄的一部分扇形区域参与光色彩转化。这部分区域长期高强度接受激光照射，色度、亮度衰减更为剧烈。如何解决色轮上窄扇区的超强度工作和老化问题，是激光荧光显示技术进步的一大难题。

　　这个难题的解决有三个方案：第一个是研发寿命更长、能量损伤低的荧光粉产品。但是，这一方案无疑意味着很多崭新的工作，全新材料的开发也未必能够成功。技术、产业风险巨大。第二个方案是在色轮和激光器之间增加光学系统，扩大激光光斑的截面积。这个方案没有技术风险，不过会增加整个系统的光学复杂度和成本，同时也并没有根本上解决激光光斑集中照射色轮有限扇区的问题。

　　解决这个问题的第三个方案就是本文的主角：激光荧光滚筒色轮。其原理是，让激光光斑在色轮上的照射区间能够改变。进而大幅提升色轮荧光涂覆部分的有效工作面积。同时，不同工作面积还可以“轮流休息”。两项作用结合在一起，起到彻底改善荧光体工作工况过强、过集中的问题。在降低了荧光体工作强度、提升了荧光色轮寿命的背景下，也可以采用更强输出的激光器件，在额定寿命不变的背景下，大幅提升光源亮度水平。

　　这种由视美乐首先开发出的滚筒色轮的设计非常精巧：色轮被制作成一个滚筒状，可以垂直轴向旋转，亦同时平行轴向移动——后者使得激光光斑可以遍历整个色轮的每一份面积。在荧光滚筒色轮上，激光沿轴向入射后，在色轮中心轴前方由反射镜90度折射，转向滚筒面——即与传统色轮技术比较，滚筒色轮的出入光线成90度角，而不是一般色轮的出入方向一致。

　　视美乐荧光滚筒色轮采用与一般色轮一样的垂直轴向旋转控制系统、软件算法和硬件芯片;其平行轴向移动，不需要复杂数字控制系统，仅以预设慢速周期运动即可。这一设计几乎不增加额外的控制系统开发成本。同时，能够兼容以黄色、白色荧光粉段增加整体出光亮度的传统设计，能够融入任何既有的色轮投影系统设备之中。

　　当然，荧光滚筒色轮技术也有其缺点：如，毕竟增加了另一方向的运动，使得系统机械复杂度略有提升;再例如产品的体积也会较传统色轮有所增加;同时，进出光方向的改变，也意味着整个投影机内部布局、散热结构的调整。好在，这些影响都不严重，且更难以抵消荧光滚筒技术，在单位色轮面积上能量耐受力的强化，整体荧光色轮系统寿命近10-20倍的提升。

　　最为重要的是，视美乐这一发明，完全采用的是成熟技术和产品，在技术、工艺、成本成熟性上具有天然优势。

　　新型激光荧光滚筒色轮的其它改变

　　对于不断进步的激光荧光投影产品体系，色轮的变革只是其中的一部分。

　　与视美乐新一代色轮技术推出同步的是，视美乐宣布以470纳米半导体激光器，全面换代传统的455纳米半导体泵浦固体激光器。新一代激光器产品蓝色更为纯正，可解决传统产品的蓝偏紫问题;新一代激光器出光频谱宽度可达6纳米，有效缓解传统产品的激光散斑问题;新一代激光器产品结构更为简单，没有泵浦源、激光晶体、倍频晶体、输出腔镜等复杂结构，同时采用与LED光源芯片相似工艺制造，渴望成本更低。

　　目前，多数激光投影机宣布的亮度半衰减寿命是2万小时。这个时间是由什么决定的呢?首先，激光器本身具有寿命性，且激光器寿命受工作温度影响剧烈：20摄氏度和40摄氏度时，其寿命可能相差一倍。其次，荧光粉色轮也有寿命。其机械部分虽然可达10万小时，但传统的高强度工作的荧光扇区的寿命却远没有这么高。

　　视美乐荧光滚筒色轮技术的最大优势就是使得荧光色轮的工作区荧光粉寿命与色轮机械相当，并大幅超过一半投影机内部工作温度下激光光源的寿命水平。这一变化导致两个产品设计结果：1.在理想散热系统中，激光荧光滚筒色轮光源体系的寿命可以做到非常高，如10万小时;2.在一般应用场景中，2万小时寿命下，低成本的荧光色轮方案可以实现10000-50000流明以上的高亮度——高亮设计下，荧光色轮不再是寿命瓶颈。

　　所以，视美乐SLPL技术给消费市场带来的变革将包括以下三大方面：第一，更好的色彩效果(由新一代激光源决定)，第二，超高寿命产品和超高亮度产品的低成本方案(由滚筒色轮决定)。其中，后者对于促进百亿级的万流明以上工程投影市场，激光产品的普及，具有决定性的意义。

　　总之，激光投影还是新事物，技术创新总会层出不穷。现在还不是言论谁是王者的时候，而是大家拼命革新技术、与时间赛跑的时刻。视美乐SLPL技术是一个不错的里程碑，却不是结束。未来，必然有更好的产品结构理念、更好的荧光材料技术、半导体光源产品来推动激光显示不断前进。而对于消费者好消息是：每年3成以上的价格下降，将最迟在2018年形成激光对传统投影光源产品的彻底替代效应。