激光投影显示技术

以红、绿、蓝三基色激光为光源的显示技术

激光投影显示技术（LDT），也称激光投影技术或者激光显示技术，它是以红、绿、蓝(RGB)三基色激光为光源的显示技术，可以最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。从色度学角度来看，激光显示的色域覆盖率可以达到人眼所能识别色彩空间的90%以上，是传统显示色域覆盖率的两倍以上，彻底突破前三代显示技术色域空间的不足，实现人类有史以来最完美色彩还原，使人们通过显示终端看到最真实、最绚丽的世界。

历史背景

技术背景

人类对外部世界获取信息的80%来自视觉，因此显示器是现代人们获取信息的重要途径,显示技术是信息领域的重要发展方向。随着人们对信息的获取有更多更高的要求，对显示器的性能就有了更多的期待，显示技术及器件的研究也就越来越重要。

自19世纪末兴起的黑白显示到1928年彩色电视问世以及1935年实现胶片拍摄的彩色电影，显示技术经历了从黑白向彩色显示技术的时代跨越，现阶段正处于数字显示发展时期。基于现代数字技术的数字电视和数码影院，正在解决视频图像的分辨率和清晰度问题，包括信号的获取、处理、存储、传输和再现。现有的数字显示终端，像素数已可以由NTSC标准数据中的720×480提高到3840×2160，分辨率增大20倍以上。但是现有的显示器的色彩重现能力很低，其显色范围仅能覆盖人眼所能观察到的色彩空间的33%，而其他67%的色彩空间是数字显示技术和已有的显示技术都无法重现的。因此能够同时实现高清晰、大色域的显示技术势必成为显示技术研究和发展的方向。激光显示技术的一个重要思路是从色度学考虑，以红、绿、蓝，三基色（RGB）激光为光源的显示技术，可以最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力，因此激光显示被称为“人类视觉史上的革命”。在当前众多形式不同的显示技术中，激光显示技术代表着显示技术未来发展的趋势和主流方向，是未来显示领域竞争的焦点。

发展历史

激光显示的发展从上世纪60年代激光器出现开始就进入了概念阶段，由于受激光器发展水平的限制，激光显示进展缓慢。早期曾以氦-氖激光器输出的632.8nm或氪离子激光器输出的647.1nm为红光光源，以氩离子激光器输出的514.5nm和488nm为绿光、蓝光光源作为三基色开展相关的显示技术的研究。气体激光器由于体积庞大，电光转换效率低，使得早期以气体激光器作为三基色光源的激光显示系统研究仅停留在实验室工作模式，无法接近实用化；到了上世纪90年代，全固态激光器发展推动激光显示技术进入研发阶段；而在本世纪2010年以前，随着专业级的高端显示产品的研究进一步推动激光显示进入产业示范阶段，开始孕育成熟的技术产业链，为今后规模化生产做准备。

原理元件

技术原理

激光投影使用具有较高功率（瓦级）的红、绿、蓝（三基色）单色激光器为光源，混合成全彩色，利用多种方法实现行和场的扫描，当扫描速度高于所成像的临界闪烁频率，就可以满足人眼“视觉残留”的要求，人眼就可清晰观察。临界闪烁频率应不低于50Hz。人眼所能看到的色域中，液晶只能再现27%，等离子为32%，而激光的理论值超过90%。

激光光源

最早激光投影技术是采用气体激光器作为光源，如He-Ne、氩离子、氪气和铜蒸汽激光器等，分别辐射红、蓝、绿色激光，实现全彩色激光投影，但气体激光器电光效率很低且工作可靠性相对较差。

使用激光二极管泵浦的全固态激光器和倍频技术也可获得红、绿、蓝光辐射，连续输出功率可达数瓦、数十瓦，甚至数百瓦。这些全固态激光器具有很高的电光效率和稳定性，结构紧凑，数瓦的功率就可用于激光投影。

人眼对红、绿、蓝三种颜色的视见函数值相差很大，他们分别为0.265（630nm），0.862（530nm）和0.091（470nm），应对激光器功率进行匹配。

扫描器件

激光投影的实现可以有很多种方式，其中扫描器件常用的有多面体转镜扫描以及振镜扫描。

多面体转镜扫描。多面体基体使用轻金属材料制造。以减小转动惯量，再将平面反射镜固定在多面体上，调整各反射镜在y轴方向的角度使各行扫描以等距离分开，即可实现场扫描，多面体转镜扫描具有较大的局限性，如面数越少扫描行数越少，分辨率越低，如面数越多则调整越困难。

振镜扫描，使用高性能检流计驱动平面反射镜高速偏转并精确定位，由于偏转频率极高，已与震动相同，故称振镜。使用两个振镜就可以实现二维扫描。

更多情况是兼用多面体转镜和振镜扫描的方案，他们分别完成行和场的扫描。

特点优势

技术优势

同传统的显示光源相比，激光具有很好的单色性、方向性，使用激光三基色作为显示光源所表示的颜色，包含了人眼所能分辨颜色的90%。其色度三角形的面积是传统磷显示的将近三倍。用激光显示色彩丰富、饱和度高、对比度强、与各种视频信号都有好的匹配性。激光显示与其他显示技术相比就有很多优点。CRT显示的历史最悠久，至今一直以分辨率高、对比度好、亮度高以及经济性的特点占领着电视市场，但其屏幕尺寸受限。背投LCD，LCOS及PDP由于造价较高和图像质量问题，还不能成为市场主导。激光显示不仅具有同CRT可比拟的画面质量的优势，还可实现大屏幕显示。

产品优势

激光全色显示产品的优点是：色域空间大、色彩丰富、色饱和度高，其颜色表现力是传统电视的2倍以上；其次，光源寿命长、维护费用总体使用成本低，激光光源完全打破传统光源的电光转换模式，寿命可长达10年，是传统光源寿命的10倍～20倍；第三，生产装备投资规模小，激光显示产品生产装备的投资，可以从几千万美元到几十亿美元分期投入；第四，环保节能，功耗仅是传统电视的1/3，非常符合节能减排的国策，另外激光光源生产过程中不使用对环境有威胁的重金属材料，属环境友好型光源；第五，成本下降潜力大，随着产业规模的扩大和新技术的采用，将对激光显示系统设计产生革命性的变革，在提升显示器件品质的同时大大降低成本。

现状前景

国际现状

日本在液晶等显示领域经过将近50年的研发积累，已经取得领先的核心技术和市场地位，如今又将下一代显示技术的发展方向锁定到激光显示技术。

2005年，在日本爱知世博会上，索尼公司研制成功单元6平方米的投影显示系统，并在拼接技术基础上集成出一套500平方米的激光影院。

2006年2月，三菱电气公司将美国Novalux公司研制的大功率红绿蓝三基色激光器应用于数字光学引擎(DLP)背投电视，宣布研制成功激光背投电视,能够表现大色域颜色，支持大色域xvYCC标准，色域覆盖率为135%NTSC，对比度为4000:1，其图像质量可超过电影画质。三基色激光可以去掉传统投影中的色轮分色环节，没有色轮的单片数字微镜(DMD)芯片也可以有上佳的色彩表现，成本和系统复杂程度大大下降。因此，这台激光背投的色彩还原能力得到了国际电工委员会(IEC)的认可。三菱电气公司建设生产线，并于2008年推出了激光数字光学引擎背投电视产品。

2007年，在美国拉斯维加斯国际消费电子展览会上，日本索尼公司和美国Novalux公司各自推出了基于投影式激光显示技术的多台激光显示试验样机，其中包括55英寸激光背投电视和小型、袖珍式前投影机以及激光数码影院等。

另外，Microvision、Iljin、Symbol等公司致力于研发应用于手机的激光投影技术，他们分别开发了小型化的红绿蓝三基色激光器和小型化的光学引擎系统，并设计出一个完整的嵌入式微型投影系统模块。

国内现状

中国在发展激光显示产业已经具备良好产业化基础，生产环境全球领先。我国激光显示技术在国家高技术研究发展计划、中国科学院知识创新工程的持续支持下，取得了重大成果。

中国工程院院士许祖彦研究员于2002年在国内率先实现红绿蓝三基色激光瓦级输出，并合成白光用于激光显示首次实验；

2003年，RGB三基色激光器研发初步完成，推出激光显示原理样机。

2005年11月，长春新产业光电在上海国际工业博览会上展出了独立研发的84英寸的激光显示原理样机，并通过中国科学院与信息产业部联合科技成果鉴定，鉴定的结论是：“总体技术国际先进,色域覆盖率等关键技术国际领先”。同年激光显示被列入了国家中长期发展规划，并成为一项重点技术。

2006年，中国科学院光电研究院开展激光显示工程机的研制，成功迈出工程化的一步，同年专注于激光显示产业化的“北京中视中科”公司成立，实现“技术、产业、经济”相结合，并加强标准化研究工作；

2006年，激光显示技术被信息产业部评为“总体技术世界先进、关键指标世界领先”。

2008年，突破光源小型化、电源数字化和消散斑等关键技术，激光显示产品成功用于激光数码影院，成功服务奥运会，成为科技亮点；

2009年，成立“激光显示产业基地”，向规模产业化迈出重要的一步。经过前期的技术积累，我国在激光全色显示技术领域拥有完整的自主知识产权链，特别是在全固态三基色激光、匀场、消相干、激光显示等关键器件和整机技术方面均有自己的专利保护，具备在该领域实现产业化重大突破的良好基础。截止到2008年底，有关激光显示方面的国际专利世界上共有1000余项，其中中国持有100余项。

发展趋势

作为显示行业中最具发展潜力的设备，投影机自诞生以来即被广泛应用于各行业。但目前的灯泡工程投影机由于寿命、颜色、亮度、使用成本、不环保等局限，已经很难跟上时代的步伐，更无法满足诸如数字标牌、控制室等新的行业应用需求。激光工程投影机，则因其丰富饱和的色彩、高亮度、超长寿命、使用成本低和高环保等特性，成为引发投影及显示技术革命的导火索。

一、更高亮度

现阶段，中国市场对于高亮工程投影机的需求增长很快。相关数据显示，早在2012年5000流明以上产品的年度销量约为40000台，增长率达40%。这一市场原先一直由欧美和日本品牌垄断，而在近三年民族品牌迪威视讯（Sinolaser）异军崛起，凭借性价比和市场推广的本土优势，与巴可（Barco）、科视（Christie）形成相抗衡局面。

高亮依然是激光投影技术创新的主方向。这里的高亮不仅仅是指在10000流明以上的高端工程投影机领域，投影厂商将推出更多的产品；也包括在现有的商教和家用产品线上，投影厂商也将推出一批价位、定位相当，但是亮度有所提升的产品。同时，激光技术的发展也将使得4000流明到5000流明产品成为“普遍性”产品，而告别传统的“高端产品序列”。

激光技术对投影产业的亮度提升是全方位的：从微投到数字影院放映机，从不足1000流明的产品到40000流明的产品都将从中受益。

从CES到infoComm，再到BIRTV，激光投影机都以高姿态出现在大众面前。巴可展示了55000流明激光投影机，随后科视推出了全球最亮的72000流明的激光放映机；而迪威视讯控股子公司中视迪威也已打造出全球第一套4K级50000流明激光投影系统。

二、更高分辨率

日前，据国外媒体报道，经过多年的实验，NHK与JVC正式推出了第一台激光8K超高清投影机，它将为投影行业带来新的发展契机。

据了解，此次JVC联手NHK推出的第一台激光光源8K投影机拥有8000流明高亮度，采用的是Lcos显示技术，具备7680×4320分辨率和5000：1对比度，同时完全兼容120Hz刷新率。但由于是新品，尚未正式发布，所以相关信息透露的并不多。

而据日本政府发布的路线图来看，NHK将与2016年发射第一课试验卫星，将于2020年实现8K直播东京的奥运会和残奥会。这或许将是8K时代的普及元年。

其实，早在6年前，计算机图形学之父和虚拟现实之父伊凡·苏泽兰执掌的Evans&Sutherlands公司研发出一款型号为ESLP的“革命性”的8K投影机，拥有面向专业领域应用的8K分辨率，并且采用了非常独特的激光光源投影技术。ESLP8K投影机采用的是NanoPixel激光技术，不过这项技术目前主要应用于天文研究及显示系统。

三、产品差异化

更令人激动的是，激光投影机将创造出更多全新的应用，商业领域中的广告行业可能是第一个突破。商业领域对显示设备有着最苛刻的要求，希望产品有优异的影像、长寿命、低功耗、免维护等特性。激光投影机完全满足了这种苛刻的要求。最为重要的是，广告行业的设计师一直在寻找能够承载创意的完美显示方式，他们需要互动、透明、曲面的显示设备，他们需要把画面投射在地板、橱窗甚至是建筑物上。激光投影机真正帮助他们实现了梦想。

目前制约激光投影更大范围内普及的产品问题还包括“产品体积”这个问题。激光投影市场缺乏轻量级产品，而轻巧的产品反而是商务、教育、家用市场比较受欢迎的产品。如何在产品体积上进一步突破、缩小，实现激光投影和汞灯投影同等亮度、同等体积，是目前行业技术研究的前沿之一。

精致主义的审美代替传统“专业感审美”，这是投影几乎在所有产品领域的共同发展方向。以产品体积的缩减和精致化为核心，构成了投影产业至少10年以来“工业设计”的主要美学方向。现在，这样的产业积累将被新兴的激光产品所继承。相信会在轻小化和异形产品方向上，激光产品必然有新的突破。

从目前发展趋势来看，尽管LED已经占据了市场的高位，然激光显示技术的产业化已经是不可逆转的事实，相信未来三到五年内，激光显示时代将很快到来。

领域前景

由于激光光源的投影机在色彩、亮度和长寿命方面的优势,技术发展很快,激光显示技术的核心关键技术都已经实现了国产化和技术突破，实现了高质量图像的效果演示。同时，国际上正在开展大规模生产阶段所需的实用化技术攻关，在产品生命周期中处于导入期阶段。

激光显示技术是下一代显示技术，其应用领域极其广泛。激光显示产品将以新一代显示技术开拓多方面市场，形成规模产业，预计激光数码影院应用市场以及大屏幕指挥应用市场、高端消费类市场的年新增产值会呈现几何级数增长态势，将会创造巨大的市场和经济效益。

激光数码影院是大屏幕激光投影可以率先获得应用的领域，国际数字电影国际标准将出台，全球数字化影院市场需求将达数十亿美元，产业前景十分广阔。中国数字电影产业正处于一个试验阶段，较大的市场容量和尚未普及的市场现状正是激光数字电影的广阔市场，随着激光数字电影核心光源的技术突破，中国的数字影院影厅完全具备进行激光数字影院升级改造的可能性。除此之外，激光显示技术还将引发公共信息大屏幕、天文观测、水幕成像表演等民用市场应用发生巨大变革，市场极为广阔。

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