波长转换装置在投影光源系统中的应用

黄慧

摘 要：波长转换装置应用于投影光源系统，是投影市场在LED光源和纯激光光源之后基于低成本、高亮度、长寿命、低功耗等的追求，做出的进一步尝试和发展，本文主要以波长转换装置应用于投影光源系统的相关专利申请为研究对象，对其全球专利申请进行了统计和分析，包括申请量趋势、国别分布、申请人分布、专利技术分支及功效，并根据技术功效对专利技术发展路线进行了梳理，形成波长转换装置应用于投影光源系统领域的技术发展脉络，以期对其技术研发方向提供参考。

关键词：投影；光源；波长转换；发展脉络

中图分类号：TN929 文獻标识码：A

投影显示技术在任何地方，任何平面都可以成为一个屏幕，是显示技术的重要组成部分，基于红、绿、蓝三基色的原理形成的彩色投影系统，是目前市场的主流，可以采用多片式光调制器或者单片式光调制器。

投影显示系统的传统光源有超高压汞灯、金属卤化物灯、氙灯以及卤素灯。1962 年，通用电气公司开发出可见光发光二极管，LED投影机特别是DLP背投型投影机取得了飞速的发展。但是LED特别是绿光LED的发光效率不高，且各色LED的老化速度也不尽相同，波长会随着时间的推移和温度变化发生变化，导致颜色出现偏差，此外，较多的光源对功耗和散热的需求也较大。此后，配合激光光源得到其他色光的波长转换装置逐渐成为一个研究热点。

1.申请量、申请国别和申请人分析

波长转换装置利用能把短波长激发光转变为长波长受激光的发光材料作为波长转换材料的装置，具体的波长转换材料例如磷光材料、荧光材料和量子点等，其分子或原子吸收能量后即刻发光，供给能量中断时，发光几乎立即停止。

波长转换装置应用于投影光源系统的专利申请始于1997，此后的十年间，为该技术的初始阶段，并没有长足的发展。2006年，Novalux发布了使用 DLP 实现激光投影的技术、Vanadate用于剧院的激光投影机输出光效已经达到5000lum，Symbol宣布激光投影机将将于2008年批量进入市场。激光光源的高亮度名噪一时，但是纯激光光源的成本相对较高，危险性也较大。2007年起，在投影中结合激光光源实现波长转换的专利申请开始小幅增长。2008年后，卡西欧、爱普生等逐渐开始关注组合光源，例如激光与波长转换装置配合，或者再组合以LED光源，在亮度和成本方面寻找平衡，也带动了这一技术的快速发展，2009年开始迅速发展，2011年开始进入高峰期。

波长转换装置应用于投影光源系统的专利申请主要集中在日、中、德、美、韩等国家和地区，其中日本拥有的专利申请数量最多，达到全球总量的38%，申请专利的时间也最早，1997年便提出了波长转换装置应用于投影光源系统的技术方案。2008年后，日本率先开始对此作出大量研究，专利申请量迅速增加，在2010年达到高峰，其中卡西欧、爱普生等表现较为活跃，走在前列。

2.技术分支

波长转换装置应用于投影光源系统的专利主要有波长转换材料与结构、光路结构、光源以及控制与检测4个方面的技术分支，其中，波长转换材料与结构部分的专利目前相对较多，而关于控制与检测方面的专利相对还较少，这一方面多用于基于现有的技术和系统从节能、优化等方面做出进一步的改善，将成为后期技术发展的一个重点。

目前来看，日本在控制与检测方面占据绝对优势，各个分支的发展相对比较平均。中、美等国在控制与检测方面有所涉足，但是相对于其他方面，还是稍显薄弱，韩国目前尚未发现有对此进行相关的申请。

3.技术脉络

对于波长转换装置产生多色光的技术，日本的中川敏亮1997年申请的JP36647197是波长转换装置应用于投影光源系统技术领域最早的专利，采用单独的激发光源照射波长转换装置，得到多个颜色的受激光，改善彩色胶片投影的色差。此后，受激光的产生逐渐多元化，诸如利用多个波长转换装置产生对应的单色受激光，特别是激光和LED发光效率均较低的绿色光；利用波长转换装置进一步获得黄色等对色彩平衡进行补充的补色光；波长转换装置上各材料的结构设置也有顺序排列、混合、叠置、并列等不同的结构；进一步地添加散射材料等其他手段也逐步发展。

在光路结构中，最早着力于通过调整光路的折转、各色光的分束和合光来实现装置的小型化，此后，随着对于投影图像质量要求的进一步提高，逐渐出现了在波长转换装置的光路前后增加波长选择的光学元件，提高受激光的纯度和发光效率；采用两级光束进行波长转换，增强光转换效率和发光亮度；对激发光或受激光进行光束整形，提高光转换效率或消除图像散斑干扰等多种手段，提高投影系统的成像质量和发光效率。

投影系统的光源具有较长的发展历程，从早期的卤素灯、水银灯等到21世纪中期的激光光源，再到进一步结合LED等补充光源以降低功耗提高亮度，从初期采用单光源扩束或扫描入射到后期采用LD阵列等，光束亮度和发光效率取得了长足的进步。

控制和检测分支的技术研究可以进一步确保其安全性能、使用性能等，是在实际使用中进一步发展处的需求。例如，根据不同波长转换材料的发光效率，对光源的发光定时、驱动功率等进行控制；对波长转换材料本身、光源或环境温度进行检测和调整控制，提高使用环境的稳定性和安全性。

结语

波长转换装置与激光、LED等的混合光源的使用越来越广泛，实现激光光源在高明亮度的廉价投影机市场的普及应用，在LED特别是绿色LED的产品亮度具有大幅度突破之前，将会一直具有存在的市场价值。我国在该技术方面的起步相较于其他国家而言较晚，虽然在专利申请的拥有数量上并不输于美、日等国，然而，在技术方向的覆盖面和研究企业上还相对单一。该领域的研发应多关注国外的专利布局，在规避专利侵权风险的同时，着力发展自己核心技术，以突破已有专利布局，提高我国投影光源系统中波长转换技术的行业竞争力量。

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