客厅的激光时代：新光源再次挑动显示革命

新光源产品层出不穷

    无论采用哪一种显示技术，CRT、液晶、等离子、数字微显投影，还是未来的OLED技术，现代显示产业始终与“光源”产业紧密广联、不可分割。

    在最典型的模型上，任何显示设备，电视机、投影机，都可以看做是无数个彩色（通常是红色、绿色和蓝色）小灯泡，构成的矩形阵列。利用人眼在空间和时间分辨上的“模糊性”，形成视觉的图像效果。因此，任何光源技术的进步，都是会促进显示产业发展的关键力量。

    06年开始，采用LED固态光源技术的液晶显示器、彩电和数字投影机开始逐步进入人们的视线。显示光源技术实现了从荧光光源到半导体光源的革命。同时，LED这种新型光源技术还被应用在了室内室外照明、舞台装饰照明等领域。不过，LED光源所取得的成就，自2011年开始正在被另一种技术的光环所淹没。他就是激光。

    去年，日本卡西欧公司推出了业内首批量产型的激光、LED混合光源投影机。在人类历史上，首次将投影系统应用的高能量输出密度、小面积平行面光源的寿命从数千消失延伸到了数万小时。据悉，卡西欧的技术已经可以实现3500流明投影输出亮度下的产品的经济性和系统的小型化。

    于此同时，三菱在一般能量输出密度、大平面平行光源中应用激光光源的产品设计上也取得了一定突破，达到实验性量产的水平。日本三菱电机在今年（2012年）5月30日正式发布了世界上首款采用激光光源的液晶电视机产品，并将在下半年推向市场。目前官方的定价为38万日元，初期的月产量为3000台。

    作为继LED光源之后的有一种高效固态光源技术，激光的特点主要在于寿命长、纯度高、电光转换效果更好，效率更高更节能。但是在激光光源在日常显示和照明应用的路程中也有一个难以克服的问题：那就是激光是典型的“单方向点光源”——也就是说理论下的理想激光是沿一条空间直线传播，发散角度为零。虽然这样的特显在激光切割、雕刻、焊接、激光武器等应用中是难得的优点，但是对于需要是一定空间照亮的照明和显示应用却是难以接受的。

    而卡西欧和三菱激光显示产品的试制成功和规模应用，恰恰说明，在光学系统中实现点光源到面光源的转化技术正在成熟。通过实际的产品体验，可以发现，通过适当的光学系统，实现激光光源由简单点光源变成面光源，并消除激光的偏振相同、相位相同带来的相干现象，和显示照明耀斑的技术也已经成熟，并在经济化。激光照明和显示中必须的“扩束系统”和“均匀系统”已经获得稳定的技术突破。——理论上，经过以上两个光学系统的激光，会具有传统面光源的一切可操作性。

    作为LED光源的继任者，激光光源实用化的出现正在成为改变人类显示技术的一个崭新动力。

    LED光源的优势显而易见：高寿命、宽适应度的固态光源，更好的发光色彩。但是，LED光源也有其缺陷。例如应用于投影显示，必须解决亮度不足的问题——实现1000流明以上的实用性应用亮度的成本和技术难度不小，至今未获解决。在液晶显示器的光源应用中，LED光源虽然亮度足以满足常规需求，但是在高亮度产品，尤其是地热辐射的高效高亮度产品上，LED依然力不存心。

    应用激光光源还有另一个显著的优势：色彩显示范围的扩大。LED光源虽然也是广色域光源，但是和激光的纯度比较依然是小巫见大巫。激光光源可以实现200%的NTSC色域范围，最大相当于人眼可识别的颜色的70%以上，超过以往任何显示技术的色彩显示范围。

除了平板和投影，激光带来新显示产品

    采用激光技术的液晶电视和DLP投影机已经成为市场可以采购的产品。除此之外，激光显示技术还拥有其他的可选应用方式：例如激光扫描LSD和激光荧光扫描显示系统LPD。

    激光扫描LSD显示，也叫做直观式（点扫描）电视激光显示，它是将经过信号调制了的RGB三色激光束直接通过机械扫描方法偏转扫描到显示屏上。在最小显示系统中，瞬间只有一个像素被点亮，系统通过快速分时的逐点点亮每一个像素点，依靠人眼的视觉的时间误差，形成一个统一的显示画面。

    这种显示方式的技术难点在于如何准确控制激光光束的时空关系。现有的控制方法主要是声波和电子脉冲控制两种方式。LSD显示技术具有一般激光显示的所有优点：高效节能、高色彩还原等等，但是也拥有明显缺陷。第一是视觉调节频繁、在主流显示产品中观看者最容易眼疲劳，第二是观看者的色觉扭曲也较其他显示系统严重，需要在系统设计时予以矫正。

    激光荧光扫描显示系统LPD，也叫做激光阴极射线管LCRT（Laser Cathode Ray Tube），基本原理是用半导体激光器代替阴极射线显像管的荧光屏来实现的一种新型显示器件。形式上，这种显示方式与LSD类似：主要技术特点都是激光光束持续扫描屏幕。却别是，LSD采用三原色直接扫描；LPD则采用蓝色或者更高频率的激光光速扫描拥有红绿蓝等多种原色荧光粉的屏幕。在美国，采用LPD(Laser Phosphor Display，激光荧光显示)技术的显示产品已经被安装到了纽约的鹰牌服装店里。LPD已经在户外展示领域崭露头角。

    LPD技术虽然已经拥有实用化的案例，但是对于解决大屏幕显示的高分辨率问题，业界依然没有好的方法，因为激光的偏转发射控制比较阴极射线采用脉冲电磁场控制，更为困难。因此，LPD一般被制作成小的低像素单元，并用于拼接墙显示领域。但是，这一领域的技术突破并不被认为是不可能，在实验室条件下，利用微机电光阀，LPD实现2K甚至4K的技术已经成为可能。

    与LSD比较，LPD只有一束激光需要进行偏转控制（前者为三束），系统更为简洁。而且增加的荧光粉材料则是一种非常成熟的产品。这是LPD能够率先应用于市场的关键。

瓶颈决定价值，蓝色激光的荣耀

    虽然LSD和LPD两种激光显示技术也可以获得不错效果，但是未来被认为真正主流的显示应用还是激光投影和激光液晶电视。在这两种应用中的关键技术是获得平行面光源，这依赖于一系列的光学透镜技术。同时，在投影和液晶显示的应用中，激光还必须形成至少红绿蓝三色光源，或者是含有以上三色光的白色光源。

    目前在液晶和投影的应用中，激光可以采用红绿蓝三原色激光光源，单色激光光源和其他颜色LED光源配合，以及采用单色激光光源和其他原色荧光粉系统的三种光源配色方案。这

    三种方案中，采用红绿蓝三原色，或者更多原色的激光光源系统方式，最能发挥激光光源的特点。当然相对成本也更高。目前主要应用在高亮度工程投影、数字影院市场之中。

    采用激光和LED光源配合的方式，主要是实现对LED光源不足之处的弥补。例如LED投影系统的亮度不足，关键瓶颈是绿色LED的亮度提升空难，同时白色效果需要绿光能值有非常高。因此，在LED投影系统中，采用绿色激光光源，或者蓝色激光通过荧光系统转换成绿色的方式，可以很好的解决LED投影亮度不足的问题。

    单色激光配合多原色荧光粉色轮是实现经济的纯激光投影的最佳思路。这种方式与三原色激光和三原色LED投影光源系统比较，均可以大幅降低光源系统的复杂性和成本，并提升系统的可靠性。其新加入的色轮技术和荧光技术早已成熟，更适合传统投影机厂商快速开发产品。

    在激光与荧光粉配合的显示系统，无论是液晶电视、投影机还是LPD之中，最长见到的激光器均是蓝色激光器。选择蓝色激光器与荧光粉配合的原因主要在于荧光粉的发光特性。

    考虑发光系统的工作原理，必须应用光本质中的“粒子特性”。光是由光子构成。光子是原子外层电子、或者是自由电子在发生能级改变（跃迁）的过程中发射出来的。光子发射总是在电子运动轨迹切线上，与电子运动方向相反。光子发射过程遵循动量守恒和质能守恒定律。原子外电子跃迁遵循能级规律。

    荧光物质的发光特性是，其中的电子吸收入射光（可见光和非可见光）后，电子能级向上跳跃后，继向下跳跃。向下跳跃宽度等于或者小于向上跳跃宽度。也就是荧光物质的发射光的波长等于或者大于入射光，频率等于或者小于入射光，光子能量等于或者小于入射光。

    在常见显示系统中，五颜六色的色彩至少由红绿蓝三原色构成。其中，蓝色波长最短、频率最高，蓝色照射适当的荧光物质可以转化成红色、绿色，甚至紫色、黄色、青色等等。但是如果采用绿色或者红色的入射光，则没有荧光物质可以将其转化成蓝色（加入却是需要将光线波长变长，则需要特种光学晶体材料，其成本高于常见的荧光粉很多）。

    因此，虽然在红绿蓝三色激光中，实现高亮度发光蓝色的技术含量最高，但是采用荧光粉技术的激光光源系统和显示系统还是必须采用蓝光。在目前可见的投影、平板和其他激光显示产品中，蓝色激光器是必须采用的器件。因此，蓝色激光器的发展水平也就成了激光显示技术不断发展的关键。

    (实际上，对于LED光源，实现白色混光所需要的技术，多数也是采用蓝色LED配合必要的荧光粉，例如黄色荧光粉，或者绿色和红色荧光粉的技术——这种技术方案成本低于采用三原色LED发光器混合成白光。在原理上，蓝色LED被广泛应用和蓝色激光被广泛应用于相应显示系统中的理由是相似的。)

性能之外的担心，安全永远第一

    对于激光显示技术的应用，普通消费者提出的疑问不仅来自于性能、成本等因素，还来自另一个被广泛关注的因素“安全”。

    最为人类迄今为止方向性最好的高能量密度光源技术，激光广泛出现在切割、焊接和激光武器之中。激光光束能够轻易切割金属，瞬间形成几千度的高温；甚至激光武器能够击毁数百公里外的卫星和导弹，那么应用激光技术的显示产品是不是安全呢？

    从整机的角度看，这种安全顾虑是多余的。第一，激光在显示系统中的应用并不是原始光束的直接使用，是经过多次光学变化之后的应用。显示系统中最终出射的光线一定是散射光线（可视角度要求）；投影和液晶显示系统的中间过程中的激光是一个面光源，单位面积的亮度和能量水平有限；即便在初始阶段，激光光源也是被密封在设备之内的：激光不会轻易跑出来。第二，显示系统应用的激光产品总能能量阀值有限，远没有激光切割或者激光武器那么高。

    但是，即便如此，从“别有用心”者的角度来看，激光产品，尤其是轻型化高能产品的广泛应用，还是会导致一系列源于设备管理的安全问题。例如，恐怖分子可能拆除显示设备、或者下一代宝马车的激光大灯的激光器，制作简易的杀伤性（至少是眼部杀伤性）激光武器。——这种可能存在社会危害的行为方式，要比自己制作传统的火药武器更为简单，仅仅是比用铁片做一把看到复杂一些。

    因此，激光产品的普及应用带来的安全问题并不出现在正规产品的正常应用上，而是出在激光产品的普及，导致的准杀伤性光源产品扩散带来的社会管理问题。这是一个需要全球政府共同关注的新“政治”话题，而不是一个简单的技术问题。而仅仅从技术角度，在现有科学认知的背景下，可以认为激光显示产品的应用是安全的。

激光大潮，或改变未来显示产业

    激光显示技术的发展具有其独特的方面。这不仅表现在激光光源与传统显示技术（投影和液晶电视）配合形成的更好的显示效果，或者激光显示引起的关于安全问题的讨论上，还体现在激光光源可能带给显示产业的新革命上。

    激光实现立体显示的可能。目前，3D显像技术大多数利用了人双眼的视觉差和光学幻象，而日本庆应义塾大学和日本国立工业技术院历时五年合作研发的实景3D激光成像技术却不需要任何形式的显示器，可以任意在水中和空气中呈现实景3D映像。这主要是利用激光的方向性、同样的相位和偏振特性实现。未来可能通过激光技术实现只有科幻电影中采用的3D立体显示效果。

    激光实现全波段彩色显示的可能。激光的单纯性是最好的。因此激光可以利用特种晶体光学材料调制波长。现在激光波长转换装置已经在光纤通信中大量应用。利用激光的波长转化，形成于太阳光中各种波长较均匀分布类似的效果，可以彻底改变现有显示技术依赖于三原色（也就是红绿蓝三个颜色的波长）成像的现状。在显示色彩上，创造出不依赖于人眼的特性，与自然状态完全相符的效果。虽然这种应用听起来非常美妙，但是现在还面临诸多技术难题。

    激光有能力改变投影产业的市场结构。这是激光光源在显示产业应用中最“统一”的认识。传统的氙气灯、卤素灯和汞灯都不能解决投影机光源的寿命问题；LED光源能解决寿命问题，却不能解决亮度问题：唯有激光光源可以满足现在的投影技术提出的任何苛刻的技术要求，实现理想的画面效果。无论采用RGB三原色激光光源还是单色激光和荧光色轮技术，或者是激光LED混合光源技术，激光都意味着投影产业的革命。消费者不需要再我更换灯泡忧愁，依靠灯泡更换生存的售后产业规模会大大缩水，DLP和LCOS等反射式投影技术较LCD投射技术的优势进一步扩大……总之，如果激光技术成功，投影产业的市场结构将会发生巨大改变。

    激光或者是液晶产业延寿的救星。在液晶显示技术上，光源同样重要。但是激光能带来的革命似乎并不那么确切。对于传统LED光源的液晶应用，并不存在投影上的亮度问题。激光替代LED带来的仅仅是能耗、色域等方面的提升——这些提升并不具有根本性的改观。不过即便是这样，激光光源也渴望在LCD和OLED的竞争中，扮演重要的帮手作用，提升LCD产品的市场竞争力。同时，液晶技术应用激光光源渴望形成更高的亮度，进而可以再室外应用中获得更好的效果表现——室外高亮方面激光光源的优势明显，而且是OLED和等离子等平板显示技术暂时无法比拟的出色效果。这也许是激光液晶电视最大的市场亮点。

    总结：

    激光作为人类掌握的新一代光源技术，在显示领域的应用具有诸多的“新意”：更低的能耗、更高的亮度、更好的色彩。但是显示行业激光技术的应用也面临技术上进一步突破、安全上更有保障等问题。同时，在未来激光有益的光学特性是不是能创造出更具革命性的产品依然是一个可以“幻想”的领域。2012年作为激光显示产品大举登场的元年，所揭示的激光显示产业的特性还只是冰山一角。激光到底能带给显示产业怎样的变革，还需要时间来做出解答。