激光新體驗(yàn)

馮子成

中國(guó)電影市場(chǎng)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，對(duì)電影放映技術(shù)和設(shè)備提出了更高的結(jié)構(gòu)性需求。大城市的多廳影院數(shù)量在增加，影院建設(shè)成本水漲船高；越來越多的中小城市風(fēng)起云涌地開始建設(shè)新的影院，除了對(duì)設(shè)備成本有更高的要求，對(duì)設(shè)備安裝的簡(jiǎn)便性、耗材成本、運(yùn)營(yíng)成本都產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性的新的巨大的需求。

上世紀(jì)70年代氙燈的出現(xiàn)，從前期的膠片放映機(jī)到近十年的數(shù)字電影放映機(jī)，氙燈以其不可替代的大功率發(fā)光，能產(chǎn)生接近可見光范圍的連續(xù)光譜而被電影放映機(jī)所青睞至今，使得連續(xù)放映長(zhǎng)故事片成為可能，氙燈以其卓越的光影表現(xiàn)為電影行業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。而隨著科學(xué)技術(shù)同樣更迅猛的發(fā)展，新型的光源不斷出現(xiàn)，克服了氙燈壽命短、光效低、熱量高、體積大、存在穩(wěn)定性安全性隱患等等的缺點(diǎn)，正在為電影行業(yè)所重視和接受。

擁有雄厚光學(xué)和顯示科研實(shí)力的世界500強(qiáng)企業(yè)NEC，高度重視中國(guó)市場(chǎng)的發(fā)展和變化，針對(duì)中國(guó)電影院的現(xiàn)實(shí)性的結(jié)構(gòu)性的需求，NEC繼2012年推出采用高壓汞燈的S2K放映機(jī)之后，2014年將率先將激光應(yīng)用到電影放映機(jī)中。

我們會(huì)在下面的文章中用NEC剛剛推出的以半導(dǎo)體激光器作為光源的數(shù)字電影放映機(jī)NC1100L主要的特性來讓大家了解下激光的原理和其作為投影光源的幾大優(yōu)勢(shì)。

什么是激光

特指利用特殊物質(zhì)受到“激勵(lì)”后從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)的過程中釋放光能并不斷放大增益的現(xiàn)象，主要分為氣體激光器（如He-Ne、CO2）、固態(tài)激光器（如紅寶石）、液體激光器（如染料激光器）、半導(dǎo)體激光器（如GaAs、InGaN）等，投影系統(tǒng)中被廣泛采用的是半導(dǎo)體激光器。

結(jié)合下面的圖1，容易理解受激輻射的過程，物質(zhì)中絕大多數(shù)粒子都處于穩(wěn)定狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)），粒子有著自發(fā)的從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷的趨勢(shì)。所以低能級(jí)上的電子數(shù)要比高能級(jí)上的電子數(shù)要多得多，此時(shí)是無法發(fā)出激光的。為了產(chǎn)進(jìn)生受激輻射，我們來一次粒子的大遷移，把多數(shù)低能態(tài)的粒子搬到高能態(tài)（受激態(tài)）或者亞穩(wěn)態(tài)上去。我們也稱之為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”通常完成這個(gè)工作方式我們稱為“激勵(lì)”或“泵浦”就像水泵抽水一樣。不同的受激物質(zhì)決定最終的發(fā)光光譜是什么。

光有發(fā)光還不行，因?yàn)槭芗ぽ椛涮⑷酰覀冞€需要讓發(fā)出來的光線進(jìn)行放大增益，這個(gè)時(shí)候就需要諧振腔，他的作用就是放大器，用兩個(gè)反射鏡使得光子不斷在腔軸方向上往返運(yùn)行，介質(zhì)從而被反復(fù)利用和往返中的光子產(chǎn)生受激輻射，最后產(chǎn)生的光子也就越來越多，光也越來越強(qiáng)，最終發(fā)出足夠強(qiáng)的激光。如圖2

什么是激光電影放映機(jī)

激光電影放映機(jī)是以半導(dǎo)體激光器模組作為光源來進(jìn)行成像的顯示終端，徹底摒棄了傳統(tǒng)燈箱、反光碗、燈泡、燈泡底座等相關(guān)元器件和結(jié)構(gòu)件，直接把封裝后的激光模組（發(fā)光模組）通過特殊的耦合方式接入到了光路系統(tǒng)中最終通過通用的成像元器件（DMD芯片）將光信號(hào)投射到銀幕上，對(duì)于數(shù)萬流明的高亮度放映機(jī)來說激光光源模塊一般獨(dú)立于放映機(jī)，通過光纖來完成光能量的傳輸，而對(duì)于較低亮度的放映機(jī)來說，從成本和設(shè)計(jì)空間方面考慮，完全可以像NC1100L一樣將激光光源模塊內(nèi)置。

NEC激光電影放映機(jī)NC1100L的主要特點(diǎn)

1. 光源模塊化、體積小、工作電壓低、數(shù)量可配置

與傳統(tǒng)的用氙燈作為光源的放映機(jī)比較，單個(gè)半導(dǎo)體激光器的發(fā)光模塊可以做到很小跟一枚錢幣一樣大小，這樣就可以實(shí)現(xiàn)光源的多模塊化和小巧化如圖6，使得整機(jī)的重量和尺寸得以減小，使得投影顯示系統(tǒng)的集成化度更高。同樣緊湊的設(shè)計(jì)也使得其抗震性增強(qiáng)

NC1100L的半導(dǎo)體激光器的正常工作電壓低（2-3.6V）功耗小，這也使得其整機(jī)功耗很小，從另一方面也可以幫助用戶節(jié)省了一定的運(yùn)營(yíng)成本。

且由于NEC激光電影放映機(jī)的光源模塊是由多組半導(dǎo)體激光模塊組成的，每個(gè)模塊又可以獨(dú)立的控制，這樣如果其中一組半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)了故障，其它的模組也可以正常的保證影片的正常放映，這種設(shè)計(jì)理念也避免了影院停映黑屏的風(fēng)險(xiǎn)。

2. 光利用率高

光源的出射光的方向性決定了整個(gè)光路系統(tǒng)的光利用率，我們也管它叫光學(xué)擴(kuò)展量。

從激光半導(dǎo)體發(fā)出的激光的光束的發(fā)散立體角很小，為毫弧度量級(jí)，比普通的光源的發(fā)散角小2到3個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣就使得光路系統(tǒng)中的光更加具有準(zhǔn)直性，不會(huì)有額外的光散射到光路系統(tǒng)以外的地方，也從而保證了激光電影放映機(jī)的光利用率。如圖5

3. 擁有智能電源控制

NC1100L使用了智能電源控制，這就意味著放映機(jī)可以根據(jù)放映片源的需求來對(duì)半導(dǎo)體激光器模組的光輸出進(jìn)行智能的控制。譬如說當(dāng)播放2D影像時(shí)我們可以把放映機(jī)的光亮輸出降低到原來的30%。當(dāng)播放3D影像時(shí)我們可以在把功率調(diào)回100%。而且由于半導(dǎo)體激光器的響應(yīng)都是納秒級(jí)的，所以激光電影放映機(jī)可以快速的在不同亮度需求的片源間切換其輸出功率，最終可以幫助用戶在能耗上節(jié)約了成本。相比之下氙燈調(diào)節(jié)范圍一般在60%-100%之間，所以一般情況下是無法完全滿足的。

4. 無需換燈，光源壽命超長(zhǎng)

NEC推出的這款激光電影放映機(jī)的光源壽命超過20000小時(shí)，所以用戶在正常的放映環(huán)境下使用，5-6年都不用更換或者維護(hù)，傳統(tǒng)氙燈光源的放映機(jī)存在著每過一段時(shí)間就需要更換新的燈泡，并對(duì)更換后燈泡進(jìn)行三軸調(diào)整，這個(gè)過程不但增加了影院的運(yùn)營(yíng)成本，還增加了放映員的工作量，并且由于氙燈是高壓氣體發(fā)電等，所以氙燈即便在不工作的狀態(tài)下都會(huì)有5-10個(gè)大氣壓，其脆弱的玻璃泡殼在很小沖擊下都可能引發(fā)爆炸，時(shí)時(shí)刻刻威脅著替換燈泡人員的人身安全，對(duì)于運(yùn)營(yíng)方來說是無形的風(fēng)險(xiǎn)。

5. 亮度衰減極低

無論是氙燈還是汞燈放映機(jī)都存在著其亮度輸出會(huì)隨著燈泡使用時(shí)間的增加而逐漸衰減的過程。這個(gè)過程不但迫使影院方不斷的購(gòu)買新的燈泡，而且在一定程度上還影響了觀眾的觀影效果。NC1100L的光源其核心是半導(dǎo)體制成的。半導(dǎo)體激光器發(fā)光原理是依靠著載流子的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)光的輻射，已經(jīng)不再有電極和泡殼的概念了，所以也不存在著電極的消耗和泡殼的污染造成的光通量下降問題。這些都使得NEC激光電影放映機(jī)的光源相對(duì)于傳統(tǒng)的氙燈光源的亮度衰減小很多。如圖8

6. 排熱量小、無需外置排風(fēng)系統(tǒng)

NC1100L采用的是半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體正常工作溫度是在攝氏30度左右，傳統(tǒng)的氙燈工作溫度在幾百度左右，泡殼溫度可達(dá)700-800度，燈頭溫度可達(dá)200度左右。這種高溫的運(yùn)行環(huán)境不但增加了整個(gè)光源系統(tǒng)的衰老和氧化還增加放映機(jī)的散熱量響應(yīng)的排風(fēng)量也會(huì)隨之增加。相反在30度左右工作的半導(dǎo)體激光器其散熱量是非常小的，整個(gè)放映機(jī)只要對(duì)光路系統(tǒng)進(jìn)行高強(qiáng)度的散熱即可。這也使得我們的NC1100L的排熱量遠(yuǎn)小于同級(jí)別的氙燈放映機(jī)，與NC900C一樣不需要外置排風(fēng)系統(tǒng)，同樣可以幫助影院節(jié)省掉大筆的排風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用。NC1100L的自排風(fēng)系統(tǒng)和可吊裝的特點(diǎn)也可以讓這款機(jī)器完全支持無機(jī)房的解決方案。

7. 開關(guān)速度“零”等待，響應(yīng)時(shí)間快（納秒級(jí)）

由于半導(dǎo)體激光的從粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)→P區(qū)和N區(qū)子之間的運(yùn)動(dòng)→空穴的復(fù)合→諧振腔的振蕩，整個(gè)過程都是在光速下進(jìn)行的，所以在開啟和關(guān)閉的過程中不會(huì)存在任何延遲。高效的液冷系統(tǒng)也保證半導(dǎo)體激光永遠(yuǎn)保持在正常溫度工作狀態(tài)下（溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器的受激輻射影響較大、所以必須工作在規(guī)定溫度下）。如圖9

相對(duì)于放電氣體燈所需要保持電極的形狀和每次點(diǎn)燈都需要超高的電壓，因此，減少了燈泡的使用壽命來看。半導(dǎo)體激光的粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)過程的頻率并不會(huì)與半導(dǎo)體的使用壽命有關(guān)。這樣就使得系統(tǒng)的使用更加的簡(jiǎn)便和人性化。

8. 的光源更加穩(wěn)定

NC1100L的光源體積小結(jié)構(gòu)緊密，這樣使得其抗震性更好。沒有電極的設(shè)計(jì)，與氙燈相比半導(dǎo)體激光器不存在因?yàn)殡姌O損耗而帶來的燈泡無法正常點(diǎn)亮，畫面閃爍等現(xiàn)象。

激光的波長(zhǎng)只有能帶和工作介質(zhì)來決定，所以激光光源不會(huì)因?yàn)槭褂脮r(shí)間的增長(zhǎng)而導(dǎo)致顏色發(fā)生漂移。

9. 激光電影放映機(jī)與氙燈放映機(jī)的性能對(duì)比

總結(jié)

對(duì)于現(xiàn)代投影光源技術(shù)來說，隨著技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，人們開始關(guān)注與嘗試各種光源在投影顯示技術(shù)中的應(yīng)用。NEC在正式推出了雙汞燈的數(shù)字電影放映機(jī)之后，繼續(xù)發(fā)力激光光源，成為同時(shí)擁有氙燈，汞燈，激光光源投影產(chǎn)品的唯一供應(yīng)商，從現(xiàn)在發(fā)展趨勢(shì)來看，低功耗、小體積、模塊化、發(fā)光效率高、波長(zhǎng)精準(zhǔn)、廣色域，穩(wěn)定性高，使用壽命長(zhǎng)的激光光源必定在未來占據(jù)主導(dǎo)地位，它所帶來的巨大市場(chǎng)空間也是值得期待的。