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智能投影光源技術專利分析
  發布時間:2020年7月7日 已被瀏覽 718 次

近年來,智能投影憑借其大屏、便攜性和智能化等特性受到越來越多使用者的青睞。投影顯示技術可以追溯到上世紀50年代CRT投影機的問世,此后光源技術的研發成為推動投影顯示技術發展的重要因素之一,其中激光光源因其高亮度備受關注而成為研究重點,然而隨著LED光源技術的成熟,特別是2010年以來LED光源的效率和亮度均得到大幅提升, LED光源在家用、教育等投影顯示場景被越來越多地使用。在此基礎上結合智能系統控制,智能投影被應用于更多場景并為普通消費者所接受。本文將從專利視角對智能投影顯示中光源技術的發展進行分析。

 

筆者使用Incopat檢索平臺對投影光源技術進行了專利檢索。截至2020年6月3日,全球范圍內投影光源技術相關專利共4707件(合并簡單同族后)。從申請量增長趨勢上來看,自2001年以來,全球專利申請量在2005年至2009年、2010年至2014年、2015年至今經歷了三次增長,而中國專利申請在2010年之前占比較低,自2010年起中國專利年申請量超過100件,申請量的增長得益于LED光源技術的發展,2015年以來年申請量均超過200件,投影光源技術發展迅速,智能投影市場十分活躍。

 

 

 

從當前專利申請量地域分布看,中、美、日三局專利申請量占到全球申請量四分之三以上,其中,中國以3687件申請占全球總申請量的36%,美國以2995件申請占全球總申請量的29%,日本以1238件申請占全球總申請量的12%(圖2)。在中國進行專利布局的企業中,中國企業申請量為2035件占比76%,日本企業申請量為382件占比14%,美國企業申請量為108件占比4%。可見,經過近年發展,中國在投影顯示用光源技術的研究和應用越來越多,日本企業在中國的專利布局數量要多于美國企業。

 

在技術層面上,目前投影光源技術主要有三基色激光、藍光激光+熒光色輪、LED+激光三種。三基色激光光源具有色彩豐富、色飽和度高等優點,理論上可實現自然界最豐富、最真實的色彩顯示,采用三基色激光光源的投影設備可達到2萬流明以上的亮度,但三色激光器成本較高,主要應用于數碼影院、商務會議等高端應用場景,主要代表為比利時巴可(Barco)公司、日本NEC公司和美國科視(Christie)公司。巴可公司側重于投影模塊的技術布局,例如通過同步地調制光源和偏振轉換元件來實現高亮度輸出和緊湊結構(公開號:US20060132772A1);通過在基本色光通道設置兩個以上具有基本不同光譜特性的光源,來防止色彩偏移(公開號:US20060132403A1)。長期以來,三基色激光投影技術被國外公司所壟斷,國內中視迪威激光顯示技術有限公司、杭州中科極光科技有限公司(下稱中科極光)等公司近年來不斷取得突破,逐漸擴大市場份額。中科極光聯合中國科學院理化技術研究所致力于小型化高性能三基色LD激光模組(公開號:CN1041663300A)、勻場照明與散斑消除(公開號:CN105116679A)等關鍵技術,開發出系列化激光投影顯示產品。

 

從發光光譜構成來說,綠色所需比例最大,而綠色激光恰恰效率最低、成本最高,因此在三基色激光光源中存在對高亮度綠色激光高需求與低效率、高成本之間的矛盾。在此背景下,藍光激光+熒光色輪技術應運而生,成功解決了激光顯示在成本和用戶體驗之間的矛盾,占據激光投影顯示的中端市場,成為當前智能投影中普遍采用的激光光源。

 

熒光色輪技術采用高功率藍色激光激發含有紅、綠等熒光粉的旋轉熒光粉色輪產生紅、綠光,僅使用藍色激光光源使得成本大幅降低,同時可達到1萬流明以上的最高亮度,能夠適用大部分日常應用場景。在激光投影顯示的熒光色輪技術分支,從全球范圍專利申請地域分布來看,中國專利申請以668件占到全球申請量的60%,美國申請以249件緊隨其后,日本、韓國申請量分居第三、四位。從專利申請人分布來看,海信集團有限公司、深圳市光峰光電技術有限公司、卡西歐計算機株式會社的申請量占據前三位,佳世達科技股份有限公司、四川長虹電器股份有限公司、無錫視美樂激光顯示科技有限公司在激光熒光色輪方面申請量也較多。上述公司圍繞激光熒光色輪技術分別進行專利布局,研究方向各有側重。深圳市光峰光電技術有限公司以高功率藍色激光激發轉動熒光色輪產生白光為核心,圍繞光源設計、色輪結構、熒光材料等技術點進行專利布局,攻克了可靠性和性價比方面的技術難題,獲得了可穩定持久色彩顯示。

 

目前,除了熒光色輪技術,深圳市光峰光電技術有限公司還在整機結構、光路設計、棱鏡結構、散熱以及顯示控制等方面進行了專利布局。海信集團有限公司則多使用藍色、紅色雙色激光器,利用熒光色輪產生綠光從而實現彩色顯示(公開號:US20190361331A9、CN107850826B),通過擴散片等光路設計增加激光光束的空間隨機相位,減弱散斑效應(公開號:CN105116675A)。無錫視美樂激光顯示科技有限公司改進筒狀熒光色輪的光路設計和驅動方法(公開號:CN110967899A、CN110967898A),擴大激發區域的同時增強散熱功能。

 

卡西歐計算機株式會社在三基色激光和藍光激光+熒光色輪技術之間采取折中,使用LED+激光技術。該技術利用激光激發熒光粉產生綠色光,使用紅色和藍色LED產生紅色和藍色光,也取得了較好的效果。

 

隨著LED光源效率和亮度的大幅提升,進一步提高LED光源亮度并最終替換激光光源從而實現成本控制成為研發方向之一。三洋電機株式會社通過改進LED光源透鏡設計,使用蠅眼目鏡聚集LED陣列光源的發射光(公開號:CN1677226A),較早研發了基于LED光源的小型正面投影儀。深圳市光峰光電技術有限公司采用雙面激發層狀熒光材料進一步提升激發效率,獲得基于LED的高亮度發光光源(公開號:CN102252169A)。

 

總體而言,中國在激光投影顯示領域關鍵技術上的專利申請增長迅速,尤其在藍光激光+熒光色輪技術上技術領先,布局完善,在中端智能投影市場形成較強競爭力,但在高端激光投影顯示方面還需要進一步發展。

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