激光电视或将称霸未来大屏显示

2019-04-16 10:25
文/郭汝海


激光电视技术是以激光作为显示光源的一种新型显示技术,被誉为代替液晶电视的第四代显示技术,其具有大色域、高亮度、低能耗、长寿命、无污染等优点。当前我国激光电视产业存在规模偏小、关键元器件掌握在少数国外厂家手中、产业链尚未有效整合等问题,需要加大研发力度、打破国外厂商对半导体激光器芯片的垄断,将现在分散的产业链集聚起来,形成协同效应,增强对激光电视产业的支撑。

2018年中国彩电市场持续低迷,量额跌幅明显。据中怡康数据显示,2018年零售量同比下降2.7%,零售额同比下降11.4%。预计2019年市场将持续低迷,零售量预计继续下降1%以上。在彩电市场整体量价齐跌的背景下,大屏化和高端化电视的销量成为了“寒冬”市场的一抹“亮色”。2018年,国内彩电市场55寸电视成为销量冠军,65寸电视市场占比为8.2%。75寸及以上虽然规模不大,但在2018年整体增长了近3倍以上,中怡康统计2019年中国75寸彩电零售量将达到百万级。

大屏化和高端化逆市上扬,其内在驱动是消费升级,外在驱动是上游高世代面板不断投产。液晶面板的大尺寸化需要上游面板厂商进行巨大的投资,国内大厂华星光电、京东方等已投资数百亿元布局液晶面板超高世代线。权威机构调研表明,电视主流尺寸每年增长4.5英寸,带来的成本增长呈几何级数上升。相比于传统的液晶电视,激光电视以激光作为光源,天生具有大屏幕兼顾高色彩表现力的技术特点,不需要液晶高世代面板动辄百亿的大型投资。

而且,由于采用激光光源,激光电视色域覆盖率、色彩饱和度都远远大于传统液晶电视。作为光源的半导体激光器也属于绿色环保能源。从物料消耗的角度,激光电视的核心就是光学引擎,仅仅需要几个非常少的关键部件,属于国家支持的绿色环保产业。其屏幕为抗环境光菲涅尔幕,对激光电视的画面还原度好,且能够有效保护人眼视力。从国家产业层面和产品性能层面分析,激光电视具有广阔的发展前景,激光作为新一代显示技术,有着广阔的发展潜力。

本文介绍激光电视研究的历史和国内外的发展现状,并从激光电视的原理及优势出发,分析激光显示成为大屏显示终结者的必然趋势,并描绘激光电视未来技术的发展前景,展示激光电视这种新一代显示技术的广阔市场潜力。

激光显示技术的发展历程

一、激光电视技术总体框架

激光电视由激光光源模组、照明模组和投影镜头模组三个核心部件组成,它们三个部分共同组成了光学引擎,总体技术框架如图1所示。其中核心技术就是光学引擎,它决定了激光电视的显示效果,并且占据了整机成本的50%以上。

光源模组主要为整机提供照明光源,整机的主要关键指标如亮度、色域、整机功耗等均由光源决定,主要包括荧光粉轮发光和合光技术、激光合光系统、激光器驱动技术等。照明模组是整机成像的关键模组,主要作用是将光源模组的光束进行整形,均匀照射到成像器件(DMD芯片),并将成像器件的图像无损耗地进入投影镜头模组,投影镜头模组把图像放大后无畸变地投射到屏幕上。其中三大模组中每个都有一个最核心的元器件,分别为激光器、DMD和超短焦镜头。

目前激光显示三大部件中的核心元器件仍掌握在国外优势厂商手中,这就实际上控制了激光显示发展的最终趋势,成为了限制中国激光显示产品“卡脖子”的关键,并占据了整个产业链利润的最顶端,攫取了最大的收益,进一步限制了激光显示产品价格的下降空间。

图1 激光电视总体技术框架


二、激光电视技术核心元器件发展现状

1. 半导体激光器芯片

激光电视中的半导体激光芯片一直以来依赖于日本厂商的进口资源,如Nichia的蓝色半导体激光器以及三菱的红色半导体激光器,包括更高出光密度的MDP封装激光器都掌握在国外激光器厂家(德国欧司朗)的手中。对于蓝绿色半导体激光器,日本Nichia公司一直处于国际核心地位,无论激光器的转化效率和输出功率都处于全球第一,其半导体激光器的寿命可以达到60000小时,满足激光电视对于光源寿命的规格需要。

目前激光电视主流还是采用Nichia公司的蓝色半导体激光器芯片,并加上激发荧光粉轮的方式产生多基色光。未来激光电视的发展是与其他波段的半导体激光器芯片的成熟与成本的下降相关联的,预计在2018年以后市场上会逐渐出现三基色的激光电视,也就是激光电视的光源模组各色段全部采用半导体激光器,这样才能充分发挥激光电视的技术优势。

国内在半导体激光器领域已经取得了瞩目的成就,特别是近红外波段半导体激光器,已经可以广泛用于大功率激光加工等领域。可见光半导体激光器由于起步较晚,离半导体激光器产业化还有较大距离,较领先的单位有中科院长春光机所、中科院半导体所、苏州纳米所等,都处于关键技术攻关阶段。

海信已经和长春光机所王立军院士联合组建了产、学、研的合作团队,先期已经在半导体封装技术上进行了全面合作,近期已经开始半导体芯片技术的生长技术攻关,对其中LD材料生长、器件设计、器件制备进行研究,解决其关键科学与技术问题,为激光器的共性关键技术突破和工程化奠定理论和材料基础,也急需国家各项政策资金的扶持。力争在5年内,在InGaP基红光、GaN基蓝光和GaN基绿光技术上取得国际先进或领先的创新研究成果,实现激光电视半导体激光光源的国产产业化,其中GaN基绿光由于“green gap”,也就是“绿色鸿沟”成为了最难突破的半导体激光技术。可喜的是,国内山东大学采用独有的自倍频晶体技术同样实现了超过10%光电转换效率的宽温稳定工作的大功率绿光激光器,且波长范围相比于半导体激光器更容易实现调谐,有可能走出一条属于中国路线的激光显示用绿色激光源技术路线。只有掌握激光电视全产业链最核心的关键器件与技术,才能创造更大的经济及社会价值。

2. 成像芯片DMD

DLP(Digital Light Processing)技术是由德州仪器公司基于其研发的数字微镜装置(DMD)所创造的全数字反射式的投影技术,DLP技术就是先把影响信号经过数字处理,然后再把光投影出来。DMD(Digital Micromirror Device)是上百万片尺寸在微米量级的微反射镜片组成的阵列,是DLP技术的主要关键处理元件,用来实现数字光学处理过程,也就是由数字信号分别控制每个镜片处于“开”或“关”两种反射状态,通过控制微镜片的开关时间,来控制反射进入镜头的照明光强,形成显示图像。DLP技术芯片可靠性高,投影光路设计简单,并能与半导体激光光源良好匹配,是目前主流的显示方案。缺点在于基于半导体工艺,制造难度高,目前仅有美国TI有制造批产能力。国内各高校研究所以及公司目前还都没有这方面的研究基础,短时间内还主要依赖于美国TI公司。

3. 超短焦镜头

超短焦镜头由十数枚镜片组成,除了对镜头组装工艺要求极高之外,其内含的数枚非球面与自由曲面反射镜对于镜片本身的面形状精度、尺寸公差与材质特性等等都需要精密的控制与监测,才能达到良好的超短焦投影的成像质量。目前掌握超短焦镜头的设计能力的主要厂商包括日本理光、日东、爱普生、日立,以及中国台湾中强光电、杨明光学,中国大陆具有完整超短焦镜头设计与加工装调能力的主要集中在海信以及亿思达等少数厂商手中。

由于日本镜头厂商如理光、日东、日立等最早提出了投影镜头专利技术,光学系统核心技术参数处于完全保密状态,并在中国国内光学加工厂进行代工,性能和成本均得到了优化,已经占据了全球绝大部分投影镜头市场份额。海信通过先期和我国台湾及日本优势厂商合作逐步掌握了超短焦镜头设计技术,但大口径高阶非球面镜片加工技术、塑胶非球面技术及高透过率镀膜技术仍依赖于国外厂商。这里海信激光显示产品目标市场是国内每年5000万台以上销量的彩电市场,而亿思达等厂商主要针对每年几百万台销量的商教投影市场。

海信最新一代的超短焦镜头达到了业界领先的4K分辨率,投射比仅有0.24,利用了非远心的光路设计,使得屏幕亮度均匀性及色度均匀性都得到了较大比例的提高。超短焦镜头为了实现良好的画质表现,需要采用工艺复杂的非球面镜片。非球面镜片的制造工艺高,公差限定使整个装配要求非常严格,海信已经成功掌握超短焦镜头的组装工艺及检测方法,拥有小批量组装超短焦镜头的制造能力积累,已经搭配海信多个产品线在市场上销售,反应良好。

我国在激光显示知识产权及标准方面的成果

相比于其他新型显示技术,如OLED、QLED及Micro LED,中国激光显示企业已经在知识产权申请和授权上处于国际领先地位。特别是海信集团的刘卫东博士连续两届成为IEC WG10激光显示器件标准组召集人,国内激光显示技术的各项标准也在紧锣密鼓地制订中,在国际标准化体系中激光显示技术掌握了极大的主动权。

选取海信、光峰、长虹、视美乐、钟强光电、中国华录、中视、威创视讯、TCL和极米等10家主要厂商,以涉及激光投影光学领域分类号:G02B1/00 or G02B3/00 or G02B7/00 or G02B9/00 or G02B17/00 or G02B26/00 or G02B5/00 or G02B11/00 or G02B15/00 or G02B27/00 or G02B21/00 or H01S,申请日在2008~2018年时间段内进行检索,在激光投影显示领域专利申请情况如图2。

图2 中国近10年来申请的激光显示领域发明专利

中国发明专利申请约940件,其中授权270件。在全固态三基色激光、匀场、消散斑、画质处理、激光显示关键器件和整机技术方面均有中国自主的专利保护,作为全球激光电视的领头羊企业,海信已经申请发明专利超过450项,授权超过160项,在国内激光电视领域处于领跑地位。

此外,海信还分别与中国电子技术标准研究院、中国电子视像行业协会,牵头起草制定激光电视行业技术规范,在2018年10月发布了《激光投影电视接收机技术规范》、《激光投影电视接收机用光学屏幕技术规范》、《激光电视尺寸与观看距离推荐指南》三项标准,极大地推动激光电视产业健康有序发展,对行业发展和用户价值的保障具有重要意义。

激光显示成为未来大屏终结者的原因分析

为方便分析,将激光电视和传统液晶电视主要的优缺点做了对比,如表1所示。

表1 激光电视与液晶电视优缺点比较


激光电视液晶电视
优点
  1. 超大尺寸(可调)

  2. 光效高,节能

  3. 可实现最高的色域(BT.2020)

  4. 大尺寸情况下比液晶电视有更高的成本优势

  5. 舒适护眼

  6. 环保节能

  1. 画面均匀性好;

  2. 消费者认同度高;

  3. 技术工艺成熟;

  4. 小尺寸低廉的成本优势。

  5. 完备的标准体系。

缺点
  1. 技术仍处于不断更新迭代;

  2. 标准体系仍不完善;

  3. 环境光仍有影响;

  4. 中小尺寸下目前还没有成本优势

  1. 光效低、能耗高;

  2. 屏幕尺寸不可调节;

  3. 大尺寸重量过大,不便携;

  4. 长时间观看视觉疲劳;

  5. 环境污染。


从表中第一项可以看到,激光电视是实现大尺寸屏幕显示的最佳方式(投影的光学原理决定),人们以往非常担心由于屏幕尺寸过大,在近距离观看情况下,成像芯片的像素化痕迹也会被放大,但激光电视发展到今天已经达到4K分辨率的主流液晶显示水平,随着技术的进步未来还会达到8K甚至16K,因此用户完全可以在更小的客厅环境下(通常观看范围在8-15英尺)观看到大屏幕无暇的画面效果。图3给出了投影尺寸及观看距离需要的画面分辨率水平。也可以断言,在家用客厅的范围内,随着分辨率的提高,越来越大尺寸的电视将成为市场主流。

从另一方面考虑,物料的消耗决定了产业最终的成本。激光电视如果能达到与液晶电视相近的产业规模,其成本的优势是显而易见的。相比于液晶电视,越大尺寸的激光显示成本优势越明显,同时又避免了传统液晶大屏在运输和安装上的缺点。

另外,大屏显示技术还需考虑观看者的用眼健康问题,激光电视“健康护眼”能力获得了国家权威机构证实。中国电子技术标准化研究院赛西实验室和北京协和医院眼科专家通过人群相同条件下观看激光电视和液晶电视的严格对比试验,得出了144组测试数据。数据证实:激光电视具有明显的护眼特性,对长时间观看视频节目有较明显的视力保护作用(如图4所示)。


图2 投影尺寸及观看距离和图像分辨率的关系(建议换成中文标注)

图3 激光电视视觉健康测试证书



激光显示产业面临的主要问题

相较于传统的液晶电视,由于激光电视采用投影显示技术,因而其最大的特点是不需要复杂而昂贵的液晶显示面板,而只需轻便的投影屏就可以实现显示功能。但这样的优点也带来了显示图像方面的弊端,这就是显示分辨率的不足,以及亮度水平达不到自发光液晶电视的图像亮度水平等,因此在一定程度上影响了用户的使用体验。而且激光电视中的激光光源和光学镜片系统对机械稳定性和工作环境都提出了较高要求,对可靠性及寿命也提出了较大挑战,这在很大程度上限制了激光电视的应用领域。

因此,当前我国激光电视产业面临的问题主要体现在以下几个方面:

(1)产业规模偏小,无法形成集群效应。2018年,激光电视的整体销量在16.4万台的规模,其市场前景预期没有在国内外电视厂商中达成广泛共识,如戴尔,LG和Sony等厂商每年仅推出一款产品进行试水,没能在产业规模上形成规模化效应,也没有对传统电视用户进行必要的引导。国内仅只有少数家电厂商如海信、长虹、PPTV等在大力推广激光电视产品,产业链尚未形成集群效应,众多上游供应元器件供货占比小,不具备成本优势,造成激光电视成本依然高企,无法进入大众消费市场。而中国已经在液晶面板上投入巨大(近万亿),拥有液晶面板生产线的家电厂商很难快速转型进入激光电视阵营;

(2)关键元器件掌握在少数国外厂家手中。比如半导体激光器芯片、美国TI的DMD芯片、日本DNP的微结构屏幕膜片以及大口径高阶次模压非球面透镜等,这些国外厂商利用独家技术优势,占据激光电视利润的最高端,限制了激光电视成本的下降空间,且激光电视的产量也受到其产能及交货周期的限制,并有可能由于贸易摩擦的升级,无法有效应对快速扩大的激光电视市场份额,成为激光电视产品技术升级换代“卡脖子”的难题;

(3)产业链尚未有效整合。激光电视的产业链覆盖设计、制造、营销和服务多个流程,除少数厂商外、国内还没有针对激光电视光学引擎设计的大规模专业团队,制造环节也较为分散,营销和服务流程也没有严格规范,造成产业链协调成本过高,激光电视的发展急需对产业链进行有效整合,形成协同效应。中国激光显示产业在青岛海信、四川长虹等地形成了规模生产的示范线,但由于组装调试及质检相比于液晶电视复杂度更高,造成生产线制造效率不高,良品率提升较慢。

激光显示产业未来发展趋势及建议

激光电视技术是以激光作为显示光源的一种新型显示技术,被誉为代替液晶电视的第四代显示技术,其具有大色域、高亮度、低能耗、长寿命、无污染等优点,在大屏幕激光家庭影院、数字电视、军事指挥、展览展示、便携显示终端、VR/AR以及空间科学等领域有着广泛的应用(如图5所示)。由于其具有诸多优点,成为对传统显示技术的一次颠覆性创新,有望造就一个千亿/年的市场,成为下一代新型显示技术的重要组成。

图4 激光显示技术广泛的应用领域

同时激光显示兼具了大屏化、便携性、高分辨率、柔性以及半透明显示等诸多优点,未来5-10年基于激光的相干特性,在原理上可以实现显示的终极形态全息立体显示,也可以通过光场成像的原理实现裸眼3D立体显示、空间定位及交互感知等多种技术融合。只有大屏化才能完全发挥上述各种新技术的优势。

为促进激光显示技术及产业快速健康发展,提出以下几点建议:

(1)对上游核心器件可见光半导体激光器进行产业化布局,打破日本及德国厂商对半导体激光器芯片的垄断。国内各大高校科研院所已经对此有一定的技术基础储备,联合相应的国内电视厂商形成半导体芯片的产业化规模,必将带来整个激光电视性价比大幅提高,形成销量的爆发式增长。还包括超短焦镜头的关键非球面镜片的加工及检测技术。为了提高激光电视的整体成像质量,达到甚至超过传统电视的画质水平,也需要加大在高端光学非球面及自由曲面产业的投入支持力度。

(2)举全国优势科研力量突破高分辨率、高可靠性成像芯片技术。目前仅有美国TI公司能够实现高分辨率投影成像芯片DMD的量产,掌握这个行业最高的话语权,占据整个产业链利润的最高端。

从2019年起,市场上的各类新型显示产品将会越来越把高分辨率、大屏作为核心卖点,8K分辨率甚至10K、16K分辨率在可预期的将来成为主流,因此研发此类高可靠性的核心芯片成为了下一代激光显示产品的关键。在此有两类技术路线可供选择:一是采用硅基液晶技术(LCoS),优势是较容易实现高分辨率和高对比度,国内前期已经有较好的研发基础,如低分辨率、小尺寸LCoS芯片已经实现量产;另一个可选路线是结合国内微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System),结合国内已经快速发展多年的半导体技术及微纳加工技术,通过MEMS结构及器件的要求,设计出对应的微纳米冲压模具,再利用该冲压模具对MEMS微纳结构及器件进行加工,形成高分辨率、低成本规模化的MEMS成像芯片。目前德国和国内高校、研究所已经开始这方面的研究工作,但实现量产据评估还有很长的路要走,需要投入的资源也是巨大的。

(3)在目前市场优势厂商周边进行产业布局,使现在分散的产业链布局产生集聚效应,形成协同效应,大幅降低产业链协调成本,形成对激光电视的有效支撑。与此同时,配套相应政策来提升激光显示产品规模化生产的智能制造水平,大幅提升制造效率及降低制造成本,利用云计算及大数据平台打通研发、生产、物流、仓储及市场销售等各个数据链环节,以应对市场日益增长的激光电视需求。

综上,激光显示产业是未来显示领域颠覆性创新的朝阳产业,其持续健康发展需政府的大力支持与政策导向,在每个关键产业链环节扶持一两个骨干企业快速做大做强,实现新旧动能的快速有效转换。作为未来家电最重要的组成部分,激光电视肩负着下一代彩电产业的升级重任,助推中国人看自主大屏激光电视的“中国梦”早日实现。


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