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激光显示技术及产业发展态势研究
发布时间:2016-12-14
  激光器发明不久,人们就开始了激光显示的研究。1996年以前使用气体激光器为光源,实现了扫描式激光全色显示,但因气体激光寿命短、效率低、体积庞大而没有实用化。近年来,由于半导体激光器(LD)和LD泵浦的全固态激光器(DPL)的快速发展,打开了激光显示技术向产业发展的大门。
  
  一、国外激光显示发展现状
  
  一是从发展阶段看,当前激光显示仍处于产业化前期。业界曾预期在2012-2017年全球激光显示技术产业将迎来发展的黄金时期,不过根据前景视讯 (Pre-Vision)公布的数据显示,2014年全球主要厂商的主要品牌在售激光投影不超过30款,而2015年第三季度激光投影接近80款。激光光源及相关组件的成本、性能等阻滞了激光显示的产业化进程,现阶段全球激光显示技术仍以行业的示范应用为主,核心材料与器件尚未实现规模化生产,配套产业链有待完善。业界目前认为,未来3-5年将是全球激光显示技术产业化发展的关键时期,激光显示有望在高端消费类产品率先实现普及。
  
  二是从竞争态势看,美国、日本占有研发优势地位。美、日、韩等国都投入了大量人力物力在开发激光显示技术,意欲争夺下一代显示器件的国际市场。日本政府高度重视激光显示技术,正以国家的力量加速开发,意欲保持其显示产业大国的地位。在当前激光显示的专利总量上,美国以2292件、日本以1732件分居第一和第二。在企业竞争方面,日本的索尼、三菱电气、松下、爱普生、三洋,美国Novalux等公司均已开发出激光电视或激光投影机样机。在研发布局上,日本的三菱电气、爱普生,美国的维视图像(Micro Vision),英国的讯宝(Symbol)都很重视终端产品的专利布局;日本的松下侧重于激光器的技术布局;日本的三洋侧重于材料的技术布局;美国的Novalux、德州仪器以及比利时的巴可公司侧重于投影模块的技术布局;韩国的Iljin注重用于手机的微型激光投影模块的布局。
  
  三是从未来发展看,安全与沉浸体验效果是影响激光显示普及的重要因素。据预计,到2026年,激光显示产品年销售额将达5000 亿美元。预期能否实现很大程度上与安全和用户沉浸体验效果有关。在安全因素上,美国激光管制协会和欧盟安全机构因激光的安全隐患制定强制法令限制大功率激光民用,因此激光产品长期无法正式发售。2013年底,美标、欧标纷纷有限制地开放标准,高功率激光投影开始合法登场。在沉浸体验效果上,激光显示目前超大屏幕和可移动两大发展方向的用户体验是否足够震撼和舒适对于普及推广至关重要。同时,激光显示与虚拟现实、增强现实的交互融合程度,对于激光显示成为下一个人机交互的组成部分非常关键。
  
  二、国内激光显示发展现状
  
  一是从研发能力看,国内激光显示技术处于奋起急追阶段。我国激光显示的研发自“八五”以来得到了国家的持续支持,在2005年被列入国家中长期发展规划重点技术。目前,1)在专利总量上,中国1553件激光显示专利位居全球第三位,已涉及从激光光源、照明模组、图像引擎到激光显示整机设计、集成等各方面。2)在专利申请趋势上,中国与美国、日本在2008年以前呈现同步稳步上升的趋势;2008—2014年,在美、日等各国呈下降趋势的情况下,中国在该领域的专利申请呈现较快的逆势上升趋势。3)在产品研制上,我国在2003年初步研发完成RGB三基色激光器,推出激光显示原理样机;2005年推出60英寸、80英寸、140英寸激光电视样机;2006年推出200英寸前投影样机;2007年完成40平方米投影屏幕激光数字电影放映机样机;近年,中国迪威视讯在大屏显示领域的影院投影机、工程投影机相继面市;2014年海信、康佳等国内厂商纷纷推出大尺寸激光电视产品和激光影院系统。
  
  二是从市场竞争力看,国内激光显示企业尚未对国际巨头形成足够冲击。我国2015年激光显示产品需求量预估为6.1万台,比2014年增长79.4%。但国内生产激光显示产品的企业既面临占据原显示市场大份额的国际大企业转型挤压(如激光投影显示方面有比利时的巴可公司,美国的科视公司,日本的NEC、SONY、三菱电气、爱普生和东芝,德国的欧司朗,韩国的三星等),也要面对新创科技企业抢占先机的卡位(如激光扫描显示方面,英国剑桥的Light Blue Optics公司于2006年即推出了480P分辨率的产品,于2009年获得1500万美元的A系列展期融资,于CES2010上推出一款480P分辨率的Light Touch可将任意平面经过投影变成一块触摸屏;而国内上海的企业虽已首先达到720P分辨率即将突破1080P,在国际上并不知名)。
  
  三、激光显示产业技术演进路线
  
  从激光显示的技术体系构成来看,除了显示技术所通用的显示终端包括软件技术等,激光显示的技术核心在于光路的前端,即光源和光学系统。依据成像原理的不同,激光显示国际上主要有以下三种技术路线。
  
  (一)激光投影,使用新型光源的投影换代产品。
  
  激光投影是将激光作为新型光源进行投影,目前主要是向大屏幕方向发展。激光投影显示赋予投影显示更多优点,如寿命更长、维护成本更低、色域更大、光亮度更高,可模块化分体式构造(光源与播放镜头分离),可多屏无缝拼接大屏显示等等。
  
  一是从激光光源看,三基色纯激光是未来研发主要方向。目前,激光投影的激光光源主要有三基色纯激光、荧光粉+蓝光、LED+激光三种技术方案,每种光源都存在各自的优缺点。从各自技术特点以及对应的终端投影产品来看,采用三基色纯激光技术的投影设备可轻松达到20000流明以上的亮度,荧光粉对应的最高亮度刚突破10000流明,LED与激光混合光源技术的终端显示设备亮度不超过3000流明。现阶段而言,三项投影激光光源方案技术将会共存一段时间。从技术推演角度分析,三基色纯激光将成为未来投影市场的主流方案。
  
  二是从图像引擎看,光学行业巨头企业仍将把持核心。激光投影一般采用LCD(透射式液晶)、LCOS(反射式液晶)或者DLP(数字光处理)作为光调制器,配合镜头在屏幕上进行投影显示。美国科视数字系统公司自1929年以来,在传统的电影放映机和现代的数码投影机两个领域投入了巨大的研发力量,是世界上唯一使用DLP、LCD、LCOS、CRT(阴极射线管)技术的公司。比利时的巴可公司和德国的欧司朗公司等光学行业大企业在图像引擎和照明模组上也积累了一定的优势。作为图像引擎中更具发展前景的DLP引擎的核心部件,DMD(数字微镜)芯片技术则主要掌握在美国的德州仪器等芯片大公司手中。
  
  (二)激光扫描,疑有安全隐患的便携显示产品。
  
  激光扫描是用三基色激光束在屏幕上进行高速扫描直接成像。激光扫描比起投影式显示在系统体积、功耗方面都有优势,且不同投影距离无需调焦就可以实现清晰显示。不足之处在于,由于扫描直接成像所需激光强度高于激光投影,国内激光领域的院士专家们认为若不慎照入人眼可能有安全隐患。
  
  一是从三基色激光束看,半导体绿光和蓝光激光器是发展关键。三基色纯激光光源发展从固体激光器(半导体泵浦倍频激光器)阶段正在向半导体激光器阶段迈进。半导体激光光源是基于半导体芯片制备技术而研发设计的微型激光器,与LED芯片的生产过程类似,具有结构简单、体积小、功率稳定、可靠性高、寿命长等特点。而在半导体激光器中,高性能的绿光激光器研发生产难度大大高于蓝光激光器,而蓝光激光器又比红光激光器技术含量高。
  
  二是从微振镜系统看,微加工技术是体现产品竞争力的关键。激光扫描的核心就在于通过MEMS扫描镜片在相互垂直的两个方向上高速振动,实现经准直的反射光光束在水平和垂直两个方向上的高速扫描。激光扫描显示产品的核心竞争力就体现在微振镜系统的速度和分辨率两个性能指标上。MEMS振镜的微加工技术,包括硅体、LIGA(光刻、电铸和注塑工艺)和晶片键合微加工技术等是最终微振镜系统实现的关键。目前,国际上,美国的维视图像(Micro Vision),韩国的Iljin,英国的讯宝(Symbol)、Light Blue Optics(LBO)等公司专注于激光扫描的微振镜系统研发。
  
  (三)视网膜成像,服务增强现实的激光微投产品。
  
  第三种激光显示的发展路线是视网膜成像,即以人眼视网膜为成像屏幕的微信投影显示,产品通常以头盔、眼镜等形式出现。视网膜成像通过多色眼镜,可同时观看视频信息和前方实景,目前技术已基本成熟,没有安全问题。
  
  一是从系统结构看,激光光源和LCOS是核心部件。该激光显示产品的系统结构主要由扩束准直系统和滤波投影系统等子系统构成。激光光束扩束准直后,经过LCOS芯片调制后形成图像,最后经过滤波系统与投影系统直接投影成像到视网膜。在人眼和投影系统之间有一片半透半反镜,其主要作用是人眼在观察LCOS图像的同时,可以观察外界环境。
  
  二是从产品应用看,增强现实是最主要的应用方向。该激光显示的开发方向以其头戴形式、视频信息与眼前实景同步显示的特点,使该类产品的应用主要是服务于增强现实,既可集中注意力在显示内容上,也可以通过稍稍转移视线观察眼前实景而不需要摘下整个设备。日本公司兄弟工业(Brother)的AiRScouter、美国创业公司Avegant的Glyph等产品是其中的代表。在应用中,此类产品可以与增强现实(AR)技术结合,提高生产现场的作业效率,提供新的娱乐方式。如施工人员可以佩戴产品,在进行组装作业的同时,确认后续操作的内容,或是接收拣选零部件的指示。
  
  四、对激光显示未来发展的观点
  
  1、抓激光显示近期发展,在于促进其与虚拟现实和增强现实间的紧密融合。随着可穿戴设备、互联网、移动终端应用、大数据应用等新型应用需求的不断涌现,虚拟现实技术与各个行业的结合越来越紧密。几乎所有领域的应用,其体验都可能因为采用虚拟现实技术而升级为身临其境式的交互方式。激光显示全球产业发展不如预期,很大程度上是因为以平板电视为主的大屏平面显示不再成为人们日常生活的主要接口之一,同时目前信息网络传输能力与摄制器材还不足以使激光显示的高清和全色优势在显示终端充分呈现。在技术方案相对成熟的情况下,拉动激光显示的有效需求需要借助新的平台入口。激光显示通过激光微投影与手机(目前接口)的结合是当前正在发生的,提前一步布局就需要着眼激光显示与虚拟现实和增强现实(未来接口)的融合。视网膜成像、安全性得到保障的便携激光扫描成像等激光显示已经呈现出了这方面的极大潜力。
  
  2、抓激光显示中期发展,在于提升半导体激光器等核心部件的性能。激光显示本身不同技术路线的共同突破点在于半导体激光器。三基色半导体激光器的材料、器件产业化关键技术攻关是支撑激光显示自主发展的核心。目前,在红光半导体激光器研制上,国内水平(单管工程样品达到2.2W)不逊与国际水平(单管1W小批量产品);在蓝光和绿光半导体激光器研制上国内与国际水平还有一段距离(蓝光半导体激光器国内为0.5W的科研样品,国际上达到3W的工程样品;绿光半导体激光器国内为在研、实现激射,国际上是达到1W的工程样品)。据中国工程院许祖彦院士等激光技术专家预测,5年左右国内三基色半导体激光器技术可能获得突破。半导体芯片激光器不仅仅是激光显示的关键环节之一,也是民用、商用、军用的各激光应用方向的基础核心部件。值得注意的是,国内半导体激光器研发优势团队集中在中科院苏州纳米所和中科院半导体研究所(北京),在支持半导体激光器研发时需要注重研发团队的引进支持和区域间的产学研协同。此外,激光显示的持续发展需要加强对微纳器件加工技术的支持。
  
  3、抓激光显示长期发展,在于跳出激光显示自身、瞄准未来真三维显示技术。从显示技术的发展来看,从静态到动态、从黑白到彩色、从单向到交互、从平面到多维是给用户体验带来本质性变革的方向。激光显示作为显示光源的更新换代,从显示技术大发展方向来看,革命性还不足。目前来看,以全息三维显示技术为代表的真三维显示技术正处于触发阶段,有望在10年后成熟(根据Gartner公司《2015年新兴技术成熟度曲线》)。而据许祖彦院士等激光技术专家研判,激光显示将在2025年左右实现产业化。由此来看,激光显示的产业机会窗口约为10年,即2020年至2030年虚拟现实、增强现实技术成熟(5年后)和真三维显示技术成熟间的时间。从长期发展来看,就需要以真三维显示技术为着眼点前瞻布局。另一方面,激光显示的研发对真三维显示技术有益。除波长、振幅外,激光可以突破位相显示,实现物波全息再现。激光显示能通过全息技术实现真三维显示,创建出高度的幻觉效果或立体的视觉感受,从而助推真三维显示时代的到来。
  
  联系方式:上海市科学学研究所 科技发展研究中心 wuyy@siss.sh.cn; 课题联系人 庄珺 zhuangjun@siss.sh.cn