馮子成

中國電影市場的高速發(fā)展，城市化進程的加快，對電影放映技術(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起云涌地開始建設(shè)新的影院，除了對設(shè)備成本有更高的要求，對設(shè)備安裝的簡便性、耗材成本、運營成本都產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)性的新的巨大的需求。

上世紀70年代氙燈的出現(xiàn)，從前期的膠片放映機到近十年的數(shù)字電影放映機，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所青睞至今，使得連續(xù)放映長故事片成為可能，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。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，正在為電影行業(yè)所重視和接受。

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

我們會在下面的文章中用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。

什么是激光

特指利用特殊物質(zhì)受到“激勵”后從高能級躍遷到低能級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)的從高能級向低能級躍遷的趨勢。所以低能級上的電子數(shù)要比高能級上的電子數(shù)要多得多，此時是無法發(fā)出激光的。為了產(chǎn)進生受激輻射，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)”通常完成這個工作方式我們稱為“激勵”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，因為受激輻射太微弱，我們還需要讓發(fā)出來的光線進行放大增益，這個時候就需要諧振腔，他的作用就是放大器，用兩個反射鏡使得光子不斷在腔軸方向上往返運行，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，最終發(fā)出足夠強的激光。如圖2

什么是激光電影放映機

激光電影放映機是以半導(dǎo)體激光器模組作為光源來進行成像的顯示終端，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）將光信號投射到銀幕上，對于數(shù)萬流明的高亮度放映機來說激光光源模塊一般獨立于放映機，通過光纖來完成光能量的傳輸，而對于較低亮度的放映機來說，從成本和設(shè)計空間方面考慮，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NC1100L的主要特點

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比較，單個半導(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，這樣就可以實現(xiàn)光源的多模塊化和小巧化如圖6，使得整機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)計也使得其抗震性增強

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

且由于NEC激光電影放映機的光源模塊是由多組半導(dǎo)體激光模塊組成的，每個模塊又可以獨立的控制，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)計理念也避免了影院停映黑屏的風險。

2. 光利用率高

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

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，比普通的光源的發(fā)散角小2到3個數(shù)量級。這樣就使得光路系統(tǒng)中的光更加具有準直性，不會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，這就意味著放映機可以根據(jù)放映片源的需求來對半導(dǎo)體激光器模組的光輸出進行智能的控制。譬如說當播放2D影像時我們可以把放映機的光亮輸出降低到原來的30%。當播放3D影像時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)都是納秒級的，所以激光電影放映機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

NEC推出的這款激光電影放映機的光源壽命超過20000小時，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，傳統(tǒng)氙燈光源的放映機存在著每過一段時間就需要更換新的燈泡，并對更換后燈泡進行三軸調(diào)整，這個過程不但增加了影院的運營成本，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)下都會有5-10個大氣壓，其脆弱的玻璃泡殼在很小沖擊下都可能引發(fā)爆炸，時時刻刻威脅著替換燈泡人員的人身安全，對于運營方來說是無形的風險。

5. 亮度衰減極低

無論是氙燈還是汞燈放映機都存在著其亮度輸出會隨著燈泡使用時間的增加而逐漸衰減的過程。這個過程不但迫使影院方不斷的購買新的燈泡，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動來實現(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激光電影放映機的光源相對于傳統(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700-800度，燈頭溫度可達200度左右。這種高溫的運行環(huán)境不但增加了整個光源系統(tǒng)的衰老和氧化還增加放映機的散熱量響應(yīng)的排風量也會隨之增加。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，整個放映機只要對光路系統(tǒng)進行高強度的散熱即可。這也使得我們的NC1100L的排熱量遠小于同級別的氙燈放映機，與NC900C一樣不需要外置排風系統(tǒng)，同樣可以幫助影院節(jié)省掉大筆的排風系統(tǒng)建設(shè)費用。NC1100L的自排風系統(tǒng)和可吊裝的特點也可以讓這款機器完全支持無機房的解決方案。

7. 開關(guān)速度“零”等待，響應(yīng)時間快（納秒級）

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)子之間的運動→空穴的復(fù)合→諧振腔的振蕩，整個過程都是在光速下進行的，所以在開啟和關(guān)閉的過程中不會存在任何延遲。高效的液冷系統(tǒng)也保證半導(dǎo)體激光永遠保持在正常溫度工作狀態(tài)下（溫度對半導(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

相對于放電氣體燈所需要保持電極的形狀和每次點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，與氙燈相比半導(dǎo)體激光器不存在因為電極損耗而帶來的燈泡無法正常點亮，畫面閃爍等現(xiàn)象。

激光的波長只有能帶和工作介質(zhì)來決定，所以激光光源不會因為使用時間的增長而導(dǎo)致顏色發(fā)生漂移。

9. 激光電影放映機與氙燈放映機的性能對比

總結(jié)

對于現(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)字電影放映機之后，繼續(xù)發(fā)力激光光源，成為同時擁有氙燈，汞燈，激光光源投影產(chǎn)品的唯一供應(yīng)商，從現(xiàn)在發(fā)展趨勢來看，低功耗、小體積、模塊化、發(fā)光效率高、波長精準、廣色域，穩(wěn)定性高，使用壽命長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空間也是值得期待的。