波長轉(zhuǎn)換裝置在投影光源系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃慧

摘 要：波長轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于投影光源系統(tǒng)，是投影市場在LED光源和純激光光源之后基于低成本、高亮度、長壽命、低功耗等的追求，做出的進(jìn)一步嘗試和發(fā)展，本文主要以波長轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于投影光源系統(tǒng)的相關(guān)專利申請(qǐng)為研究對(duì)象，對(duì)其全球?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，包括申請(qǐng)量趨勢、國別分布、申請(qǐng)人分布、專利技術(shù)分支及功效，并根據(jù)技術(shù)功效對(duì)專利技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行了梳理，形成波長轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于投影光源系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，以期對(duì)其技術(shù)研發(fā)方向提供參考。

關(guān)鍵詞：投影；光源；波長轉(zhuǎn)換；發(fā)展脈絡(luò)

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

投影顯示技術(shù)在任何地方，任何平面都可以成為一個(gè)屏幕，是顯示技術(shù)的重要組成部分，基于紅、綠、藍(lán)三基色的原理形成的彩色投影系統(tǒng)，是目前市場的主流，可以采用多片式光調(diào)制器或者單片式光調(diào)制器。

投影顯示系統(tǒng)的傳統(tǒng)光源有超高壓汞燈、金屬鹵化物燈、氙燈以及鹵素?zé)簟?962 年，通用電氣公司開發(fā)出可見光發(fā)光二極管，LED投影機(jī)特別是DLP背投型投影機(jī)取得了飛速的發(fā)展。但是LED特別是綠光LED的發(fā)光效率不高，且各色LED的老化速度也不盡相同，波長會(huì)隨著時(shí)間的推移和溫度變化發(fā)生變化，導(dǎo)致顏色出現(xiàn)偏差，此外，較多的光源對(duì)功耗和散熱的需求也較大。此后，配合激光光源得到其他色光的波長轉(zhuǎn)換裝置逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

1.申請(qǐng)量、申請(qǐng)國別和申請(qǐng)人分析

波長轉(zhuǎn)換裝置利用能把短波長激發(fā)光轉(zhuǎn)變?yōu)殚L波長受激光的發(fā)光材料作為波長轉(zhuǎn)換材料的裝置，具體的波長轉(zhuǎn)換材料例如磷光材料、熒光材料和量子點(diǎn)等，其分子或原子吸收能量后即刻發(fā)光，供給能量中斷時(shí)，發(fā)光幾乎立即停止。

波長轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于投影光源系統(tǒng)的專利申請(qǐng)始于1997，此后的十年間，為該技術(shù)的初始階段，并沒有長足的發(fā)展。2006年，Novalux發(fā)布了使用 DLP 實(shí)現(xiàn)激光投影的技術(shù)、Vanadate用于劇院的激光投影機(jī)輸出光效已經(jīng)達(dá)到5000lum，Symbol宣布激光投影機(jī)將將于2008年批量進(jìn)入市場。激光光源的高亮度名噪一時(shí)，但是純激光光源的成本相對(duì)較高，危險(xiǎn)性也較大。2007年起，在投影中結(jié)合激光光源實(shí)現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換的專利申請(qǐng)開始小幅增長。2008年后，卡西歐、愛普生等逐漸開始關(guān)注組合光源，例如激光與波長轉(zhuǎn)換裝置配合，或者再組合以LED光源，在亮度和成本方面尋找平衡，也帶動(dòng)了這一技術(shù)的快速發(fā)展，2009年開始迅速發(fā)展，2011年開始進(jìn)入高峰期。

波長轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于投影光源系統(tǒng)的專利申請(qǐng)主要集中在日、中、德、美、韓等國家和地區(qū)，其中日本擁有的專利申請(qǐng)數(shù)量最多，達(dá)到全球總量的38%，申請(qǐng)專利的時(shí)間也最早，1997年便提出了波長轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于投影光源系統(tǒng)的技術(shù)方案。2008年后，日本率先開始對(duì)此作出大量研究，專利申請(qǐng)量迅速增加，在2010年達(dá)到高峰，其中卡西歐、愛普生等表現(xiàn)較為活躍，走在前列。

2.技術(shù)分支

波長轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于投影光源系統(tǒng)的專利主要有波長轉(zhuǎn)換材料與結(jié)構(gòu)、光路結(jié)構(gòu)、光源以及控制與檢測4個(gè)方面的技術(shù)分支，其中，波長轉(zhuǎn)換材料與結(jié)構(gòu)部分的專利目前相對(duì)較多，而關(guān)于控制與檢測方面的專利相對(duì)還較少，這一方面多用于基于現(xiàn)有的技術(shù)和系統(tǒng)從節(jié)能、優(yōu)化等方面做出進(jìn)一步的改善，將成為后期技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。

目前來看，日本在控制與檢測方面占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢，各個(gè)分支的發(fā)展相對(duì)比較平均。中、美等國在控制與檢測方面有所涉足，但是相對(duì)于其他方面，還是稍顯薄弱，韓國目前尚未發(fā)現(xiàn)有對(duì)此進(jìn)行相關(guān)的申請(qǐng)。

3.技術(shù)脈絡(luò)

對(duì)于波長轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生多色光的技術(shù)，日本的中川敏亮1997年申請(qǐng)的JP36647197是波長轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用于投影光源系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域最早的專利，采用單獨(dú)的激發(fā)光源照射波長轉(zhuǎn)換裝置，得到多個(gè)顏色的受激光，改善彩色膠片投影的色差。此后，受激光的產(chǎn)生逐漸多元化，諸如利用多個(gè)波長轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的單色受激光，特別是激光和LED發(fā)光效率均較低的綠色光；利用波長轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)一步獲得黃色等對(duì)色彩平衡進(jìn)行補(bǔ)充的補(bǔ)色光；波長轉(zhuǎn)換裝置上各材料的結(jié)構(gòu)設(shè)置也有順序排列、混合、疊置、并列等不同的結(jié)構(gòu)；進(jìn)一步地添加散射材料等其他手段也逐步發(fā)展。

在光路結(jié)構(gòu)中，最早著力于通過調(diào)整光路的折轉(zhuǎn)、各色光的分束和合光來實(shí)現(xiàn)裝置的小型化，此后，隨著對(duì)于投影圖像質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，逐漸出現(xiàn)了在波長轉(zhuǎn)換裝置的光路前后增加波長選擇的光學(xué)元件，提高受激光的純度和發(fā)光效率；采用兩級(jí)光束進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)光轉(zhuǎn)換效率和發(fā)光亮度；對(duì)激發(fā)光或受激光進(jìn)行光束整形，提高光轉(zhuǎn)換效率或消除圖像散斑干擾等多種手段，提高投影系統(tǒng)的成像質(zhì)量和發(fā)光效率。

投影系統(tǒng)的光源具有較長的發(fā)展歷程，從早期的鹵素?zé)簟⑺y燈等到21世紀(jì)中期的激光光源，再到進(jìn)一步結(jié)合LED等補(bǔ)充光源以降低功耗提高亮度，從初期采用單光源擴(kuò)束或掃描入射到后期采用LD陣列等，光束亮度和發(fā)光效率取得了長足的進(jìn)步。

控制和檢測分支的技術(shù)研究可以進(jìn)一步確保其安全性能、使用性能等，是在實(shí)際使用中進(jìn)一步發(fā)展處的需求。例如，根據(jù)不同波長轉(zhuǎn)換材料的發(fā)光效率，對(duì)光源的發(fā)光定時(shí)、驅(qū)動(dòng)功率等進(jìn)行控制；對(duì)波長轉(zhuǎn)換材料本身、光源或環(huán)境溫度進(jìn)行檢測和調(diào)整控制，提高使用環(huán)境的穩(wěn)定性和安全性。

結(jié)語

波長轉(zhuǎn)換裝置與激光、LED等的混合光源的使用越來越廣泛，實(shí)現(xiàn)激光光源在高明亮度的廉價(jià)投影機(jī)市場的普及應(yīng)用，在LED特別是綠色LED的產(chǎn)品亮度具有大幅度突破之前，將會(huì)一直具有存在的市場價(jià)值。我國在該技術(shù)方面的起步相較于其他國家而言較晚，雖然在專利申請(qǐng)的擁有數(shù)量上并不輸于美、日等國，然而，在技術(shù)方向的覆蓋面和研究企業(yè)上還相對(duì)單一。該領(lǐng)域的研發(fā)應(yīng)多關(guān)注國外的專利布局，在規(guī)避專利侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，著力發(fā)展自己核心技術(shù)，以突破已有專利布局，提高我國投影光源系統(tǒng)中波長轉(zhuǎn)換技術(shù)的行業(yè)競爭力量。

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