這些秘密你可知道：高亮激光投影的魔術(shù)棒

    近年來激光投影光源大行其道。尤其是在高端工程、高亮機(jī)型上，亮度瓶頸不斷被突破。30000-90000流明的激光投影光源系統(tǒng)不斷被搬上行業(yè)頭條。一時間，困擾投影界許久的高亮問題似乎迎刃而解。這背后又有何秘密呢？

    光纖耦合和全反射的魔術(shù)棒

    有心的行業(yè)人士早已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，高亮激光投影機(jī)背后的秘密：模塊化光源、外置光源——亮度增加一倍，光源體積也幾乎增加一倍。尤其是在30000流明及其以上機(jī)器上，這些特點幾乎是標(biāo)配。

    其實，激光光源為投影機(jī)實現(xiàn)“源源不斷”的亮度提升的秘密主要來自于一種叫做“光纖耦合”的技術(shù)。激光的特性是高純度的線性光源，特別適合于光纖傳播。通過光纖藕合，可以實現(xiàn)近乎無限多的激光半導(dǎo)體發(fā)光器的光能量被整合到一個“點”上。正是通過這種模塊化的方式，不斷堆疊更多的激光器，激光投影能實現(xiàn)更高的光源亮度。

    激光投影光源的模塊化堆疊實現(xiàn)高亮的原理，與汞燈時代“雙燈”高亮設(shè)計是“異曲同工”的。但是，汞燈光源自身的穩(wěn)定性、壽命曲線和球狀發(fā)光，讓多光源的光路設(shè)計、散熱設(shè)計非常復(fù)雜，進(jìn)而限制了通過“人多力量大”這種模式，不斷提升產(chǎn)品終極亮度的技術(shù)空間。

    談到多光源的光路設(shè)計，就必須提一下光纖傳輸光的基本原理：這就是全反射。光纖中的光傳輸依賴于全反射。理論上全反射不會導(dǎo)致光能損失——也就不會導(dǎo)致“熱效應(yīng)”。后者是極高的激光能量能夠穩(wěn)定在光纖中傳輸和藕合的前提所在。目前，光纖藕合技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)百瓦、甚至數(shù)千瓦的光能輸出，都是“貨架”技術(shù)。

    正因為激光光源有利于“多光源藕合”的特點，業(yè)內(nèi)甚至提出：高亮投影機(jī)在激光時代已經(jīng)沒有光源亮度瓶頸——相反的，能夠承受更高亮度的DMD等光閥，成為制造更高亮度投影機(jī)的“最大瓶頸”。

    線性特征，讓激光成為工程投影光源唯一選擇

    2017年以來，激光光源在工程投影市場的滲透越來越深入。行業(yè)數(shù)據(jù)表明，2017年底，激光在工程投影市場的滲透已經(jīng)高達(dá)7成。尤其是在萬流明以上的新品種，激光成為唯一的“光源選擇”。

    對此，很多人提出，為何激光能夠勝任“投影的終極光源任務(wù)”呢？為何不是另一個固態(tài)光源明星LED呢？答案在于激光的“線性特征”。

    在液晶電視等顯示設(shè)備上，LED是標(biāo)準(zhǔn)的“面光源產(chǎn)品”。其通過點陣發(fā)光和導(dǎo)光板藕合的方式，能夠為液晶顯示提供區(qū)域可控（HDR技術(shù)）的高效、高穩(wěn)定性、高顯色性能的光源。但是，導(dǎo)光板藕合和光纖藕合的“體積”截然不同。

    光纖理論上是一根極度細(xì)小的線纜：即便是一束光纖，也不過是直徑非常小的線纜組合。導(dǎo)光板則呈現(xiàn)出一個“巨大”的面積。這種面積特征使得“模塊化”堆疊更多的同向發(fā)光導(dǎo)光板藕合LED光源，需要配置更多的大型反射鏡——后者讓通過導(dǎo)光板堆疊形成高亮光源的系統(tǒng)“體積巨大”。這種光源即便可以通過縮束光路，用于投影機(jī)產(chǎn)品，也會使得最終的投影系統(tǒng)非常笨拙，無法適應(yīng)大多數(shù)的工程安裝需要。

    實際上，LED光源不適合于高亮投影機(jī)的技術(shù)困難，與多汞燈光源系統(tǒng)在高亮投影機(jī)產(chǎn)品設(shè)計中的“體積與光路”復(fù)雜性并無二致。激光光源則依賴“線性特點”、光纖藕合技術(shù)，成為高亮工程機(jī)的唯一光源選擇：這個答案或許已經(jīng)是工程投影光源的終極選擇。

    熱管理技術(shù)，高亮工程投影光源設(shè)計的核心

    巨大的體積是工程投影機(jī)的最大外在特征。而這個巨大的體積的核心，只不過是散熱系統(tǒng)。實際上，任何光源技術(shù)，都會因為總亮度增長而帶來總熱量的同比增長。同時，由于這些熱量過于集中在投影機(jī)和光源系統(tǒng)內(nèi)部，這使得散熱技術(shù)的難度成幾何級數(shù)增長。

    尤其是在激光光源時代，通過光纖藕合、更多激光器的堆疊即可輕松實現(xiàn)高亮度，這使得工程投影光源設(shè)計的中心，幾乎只剩下“散熱”一項。

    與汞燈技術(shù)相比，激光器的發(fā)光效率更高。即同等亮度條件下激光產(chǎn)品的發(fā)熱量更低。但是，汞燈自身對熱的耐受性要好于激光半導(dǎo)體，汞燈發(fā)熱的空間分布相對也更分散——激光半導(dǎo)體的發(fā)熱集中在芯片內(nèi)部，可以說是點狀發(fā)熱，激光半導(dǎo)體對熱非常敏感，熱管理幾乎就是“材料器件的壽命”管理。

    這些特點使得激光光源的熱管理分成兩個基本層面：首先是激光器自身的散熱。這是一個點熱源的快速散熱問題。必須依靠很好的封裝散熱材料和溫差技術(shù)實現(xiàn)。第二個層面是激光光源整體的熱管理。主要是大量激光器集中發(fā)熱導(dǎo)致的熱累積效益。這方面的散熱，本質(zhì)是為每一個激光器的散熱提供一個“很好的外部環(huán)境”。

    這種雙重散熱設(shè)計的需求，使得激光投影光源的散熱管理往往采用“全主動導(dǎo)流”的設(shè)計。大量應(yīng)用熱管散熱、液冷技術(shù)和環(huán)境散熱技術(shù)。通過主動散熱、多層散熱體系，保障高亮激光投影的光源始終處于“合理溫度”，正常工作。

    雖然激光光源的散熱設(shè)計是一個很核心的技術(shù)工作，但是相比之下固態(tài)的激光光源可以依賴接觸性散熱，這是汞燈系統(tǒng)所沒有的“優(yōu)勢”。汞燈系統(tǒng)不能采用大面積接觸發(fā)光體的方式實現(xiàn)高效散熱。從而使得汞燈系統(tǒng)實現(xiàn)更高的亮度“難度更為巨大”。可以說“大面積接觸式”散熱設(shè)計，是激光光源比較汞燈的又一個重要優(yōu)勢。

    沒有完美的技術(shù)，激光光源的“劣勢”

    雖然業(yè)內(nèi)認(rèn)為激光光源幾乎已經(jīng)提供了高亮工程投影機(jī)的“終極”光源解決方案，且理論上可以提供無限亮度的產(chǎn)品設(shè)計空間。但是，激光光源也有其固有的“劣勢”。

    一方面，激光光源依賴更為緊湊，層次更多的散熱設(shè)計。這必然產(chǎn)生噪音問題。目前激光投影機(jī)，無論是家用產(chǎn)品還是工程產(chǎn)品，噪音都比較明顯。且隨著散熱系統(tǒng)的機(jī)械部件老化，這種噪音問題還會加重。

    其二，激光光源通過模塊化的方式增加亮度，以及散熱系統(tǒng)的能力，這讓激光投影機(jī)的“個頭都不小”。這一點對于工程機(jī)而言問題不大。尤其是通過外置光源模塊，可以有效控制主機(jī)的體積。但是對于一體化的商教和家用機(jī)，激光投影機(jī)依然在體積上顯著增加。這成為很多消費者不喜歡激光技術(shù)的原因之一。

    第三，雖然激光投影機(jī)已經(jīng)實現(xiàn)長壽命光源系統(tǒng)，但是溫度控制依然是影響系統(tǒng)發(fā)光效率和壽命的最大變量。所以，進(jìn)一步研發(fā)更高效率的激光器、更耐受高溫的激光器、以及更高效的散熱系統(tǒng)，依然是激光光源投影機(jī)持續(xù)進(jìn)步與發(fā)展的關(guān)鍵。理論上激光器的光效還可以提升10倍以上。

    總之，激光技術(shù)讓投影、尤其是工程投影設(shè)計找到了從未有過的利器，讓亮度瓶頸問題徹底成為歷史。但是，作為一種不斷進(jìn)步的新技術(shù)，激光光源還有很大的發(fā)展和改進(jìn)空間，對應(yīng)而言，激光投影亦處于快速技術(shù)進(jìn)步的道路上。隨著新材料和新技術(shù)在激光半導(dǎo)體中的應(yīng)用，未來的激光顯示藍(lán)圖將更為絢爛。