波長轉換裝置在投影光源系統中的應用

黃慧

摘 要：波長轉換裝置應用于投影光源系統，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，做出的進一步嘗試和發展，本文主要以波長轉換裝置應用于投影光源系統的相關專利申請為研究對象，對其全球專利申請進行了統計和分析，包括申請量趨勢、國別分布、申請人分布、專利技術分支及功效，并根據技術功效對專利技術發展路線進行了梳理，形成波長轉換裝置應用于投影光源系統領域的技術發展脈絡，以期對其技術研發方向提供參考。

關鍵詞：投影；光源；波長轉換；發展脈絡

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A

投影顯示技術在任何地方，任何平面都可以成為一個屏幕，是顯示技術的重要組成部分，基于紅、綠、藍三基色的原理形成的彩色投影系統，是目前市場的主流，可以采用多片式光調制器或者單片式光調制器。

投影顯示系統的傳統光源有超高壓汞燈、金屬鹵化物燈、氙燈以及鹵素燈。1962 年，通用電氣公司開發出可見光發光二極管，LED投影機特別是DLP背投型投影機取得了飛速的發展。但是LED特別是綠光LED的發光效率不高，且各色LED的老化速度也不盡相同，波長會隨著時間的推移和溫度變化發生變化，導致顏色出現偏差，此外，較多的光源對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換裝置逐漸成為一個研究熱點。

1.申請量、申請國別和申請人分析

波長轉換裝置利用能把短波長激發光轉變為長波長受激光的發光材料作為波長轉換材料的裝置，具體的波長轉換材料例如磷光材料、熒光材料和量子點等，其分子或原子吸收能量后即刻發光，供給能量中斷時，發光幾乎立即停止。

波長轉換裝置應用于投影光源系統的專利申請始于1997，此后的十年間，為該技術的初始階段，并沒有長足的發展。2006年，Novalux發布了使用 DLP 實現激光投影的技術、Vanadate用于劇院的激光投影機輸出光效已經達到5000lum，Symbol宣布激光投影機將將于2008年批量進入市場。激光光源的高亮度名噪一時，但是純激光光源的成本相對較高，危險性也較大。2007年起，在投影中結合激光光源實現波長轉換的專利申請開始小幅增長。2008年后，卡西歐、愛普生等逐漸開始關注組合光源，例如激光與波長轉換裝置配合，或者再組合以LED光源，在亮度和成本方面尋找平衡，也帶動了這一技術的快速發展，2009年開始迅速發展，2011年開始進入高峰期。

波長轉換裝置應用于投影光源系統的專利申請主要集中在日、中、德、美、韓等國家和地區，其中日本擁有的專利申請數量最多，達到全球總量的38%，申請專利的時間也最早，1997年便提出了波長轉換裝置應用于投影光源系統的技術方案。2008年后，日本率先開始對此作出大量研究，專利申請量迅速增加，在2010年達到高峰，其中卡西歐、愛普生等表現較為活躍，走在前列。

2.技術分支

波長轉換裝置應用于投影光源系統的專利主要有波長轉換材料與結構、光路結構、光源以及控制與檢測4個方面的技術分支，其中，波長轉換材料與結構部分的專利目前相對較多，而關于控制與檢測方面的專利相對還較少，這一方面多用于基于現有的技術和系統從節能、優化等方面做出進一步的改善，將成為后期技術發展的一個重點。

目前來看，日本在控制與檢測方面占據絕對優勢，各個分支的發展相對比較平均。中、美等國在控制與檢測方面有所涉足，但是相對于其他方面，還是稍顯薄弱，韓國目前尚未發現有對此進行相關的申請。

3.技術脈絡

對于波長轉換裝置產生多色光的技術，日本的中川敏亮1997年申請的JP36647197是波長轉換裝置應用于投影光源系統技術領域最早的專利，采用單獨的激發光源照射波長轉換裝置，得到多個顏色的受激光，改善彩色膠片投影的色差。此后，受激光的產生逐漸多元化，諸如利用多個波長轉換裝置產生對應的單色受激光，特別是激光和LED發光效率均較低的綠色光；利用波長轉換裝置進一步獲得黃色等對色彩平衡進行補充的補色光；波長轉換裝置上各材料的結構設置也有順序排列、混合、疊置、并列等不同的結構；進一步地添加散射材料等其他手段也逐步發展。

在光路結構中，最早著力于通過調整光路的折轉、各色光的分束和合光來實現裝置的小型化，此后，隨著對于投影圖像質量要求的進一步提高，逐漸出現了在波長轉換裝置的光路前后增加波長選擇的光學元件，提高受激光的純度和發光效率；采用兩級光束進行波長轉換，增強光轉換效率和發光亮度；對激發光或受激光進行光束整形，提高光轉換效率或消除圖像散斑干擾等多種手段，提高投影系統的成像質量和發光效率。

投影系統的光源具有較長的發展歷程，從早期的鹵素燈、水銀燈等到21世紀中期的激光光源，再到進一步結合LED等補充光源以降低功耗提高亮度，從初期采用單光源擴束或掃描入射到后期采用LD陣列等，光束亮度和發光效率取得了長足的進步。

控制和檢測分支的技術研究可以進一步確保其安全性能、使用性能等，是在實際使用中進一步發展處的需求。例如，根據不同波長轉換材料的發光效率，對光源的發光定時、驅動功率等進行控制；對波長轉換材料本身、光源或環境溫度進行檢測和調整控制，提高使用環境的穩定性和安全性。

結語

波長轉換裝置與激光、LED等的混合光源的使用越來越廣泛，實現激光光源在高明亮度的廉價投影機市場的普及應用，在LED特別是綠色LED的產品亮度具有大幅度突破之前，將會一直具有存在的市場價值。我國在該技術方面的起步相較于其他國家而言較晚，雖然在專利申請的擁有數量上并不輸于美、日等國，然而，在技術方向的覆蓋面和研究企業上還相對單一。該領域的研發應多關注國外的專利布局，在規避專利侵權風險的同時，著力發展自己核心技術，以突破已有專利布局，提高我國投影光源系統中波長轉換技術的行業競爭力量。

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