近年来,智能投影凭借其大屏、便携性和智能化等特性受到越来越多使用者的青睐。投影显示技术可以追溯到上世纪50年代CRT投影机的问世,此后光源技术的研发成为推动投影显示技术发展的重要因素之一,其中激光光源因其高亮度备受关注而成为研究重点,然而随着LED光源技术的成熟,特别是2010年以来LED光源的效率和亮度均得到大幅提升,LED光源在家用、教育等投影显示场景被越来越多地使用。在此基础上结合智能系统控制,智能投影被应用于更多场景并为普通消费者所接受。本文将从专利视角对智能投影显示中光源技术的发展进行分析。

笔者使用Incopat检索平台对投影光源技术进行了专利检索。截至2020年6月3日,全球范围内投影光源技术相关专利共4707件(合并简单同族后)。从申请量增长趋势上来看,自2001年以来,全球专利申请量在2005年至2009年、2010年至2014年、2015年至今经历了三次增长,而中国专利申请在2010年之前占比较低,自2010年起中国专利年申请量超过100件,申请量的增长得益于LED光源技术的发展,2015年以来年申请量均超过200件,投影光源技术发展迅速,智能投影市场十分活跃(图1)。

图1 全球及中国专利申请趋势

从当前专利申请量地域分布看,中、美、日三国专利申请量占到全球申请量四分之三以上,其中,中国以3687件申请占全球总申请量的36%,美国以2995件申请占全球总申请量的29%,日本以1238件申请占全球总申请量的12%(图2)。在中国进行专利布局的企业中,中国企业申请量为2035件占比76%,日本企业申请量为382件占比14%,美国企业申请量为108件占比4%。可见,经过近年发展,中国在投影显示用光源技术的研究和应用越来越多,日本企业在中国的专利布局数量要多于美国企业。

图2 全球申请人地域分布

在技术层面上,目前投影光源技术主要有三基色激光、蓝光激光+荧光色轮、LED+激光三种。三基色激光光源具有色彩丰富、色饱和度高等优点,理论上可实现自然界最丰富、最真实的色彩显示,采用三基色激光光源的投影设备可达到2万流明以上的亮度,但三色激光器成本较高,主要应用于数码影院、商务会议等高端应用场景,主要代表为比利时巴可(Barco)公司、日本NEC公司和美国科视(Christie)公司。巴可公司侧重于投影模块的技术布局,例如通过同步地调制光源和偏振转换元件来实现高亮度输出和紧凑结构(公开号:US20060132772A1);通过在基本色光通道设置两个以上具有基本不同光谱特性的光源,来防止色彩偏移(公开号:US20060132403A1)。长期以来,三基色激光投影技术被国外公司所垄断,国内中视迪威激光显示技术有限公司、杭州中科极光科技有限公司(下称中科极光)等公司近年来不断取得突破,逐渐扩大市场份额。中科极光联合中国科学院理化技术研究所致力于小型化高性能三基色LD激光模组(公开号:CN1041663300A)、匀场照明与散斑消除(公开号:CN105116679A)等关键技术,开发出系列化激光投影显示产品。

从发光光谱构成来说,绿色所需比例最大,而绿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对高亮度绿色激光高需求与低效率、高成本之间的矛盾。在此背景下,蓝光激光+荧光色轮技术应运而生,成功解决了激光显示在成本和用户体验之间的矛盾,占据激光投影显示的中端市场,成为当前智能投影中普遍采用的激光光源。

荧光色轮技术采用高功率蓝色激光激发含有红、绿等荧光粉的旋转荧光粉色轮产生红、绿光,仅使用蓝色激光光源使得成本大幅降低,同时可达到1万流明以上的最高亮度,能够适用大部分日常应用场景。在激光投影显示的荧光色轮技术分支,从全球范围专利申请地域分布来看,中国专利申请以668件占到全球申请量的60%,美国申请以249件紧随其后,日本、韩国申请量分居第三、四位。从专利申请人分布来看,海信集团有限公司、深圳光峰科技股份有限公司、卡西欧计算机株式会社的申请量占据前三位,佳世达科技股份有限公司、四川长虹电器股份有限公司、无锡视美乐激光显示科技有限公司在激光荧光色轮方面申请量也较多。上述公司围绕激光荧光色轮技术分别进行专利布局,研究方向各有侧重。深圳光峰科技股份有限公司以高功率蓝色激光激发转动荧光色轮产生白光为核心,围绕光源设计、色轮结构、荧光材料等技术点进行专利布局,攻克了可靠性和性价比方面的技术难题,获得了可稳定持久色彩显示。

目前,除了荧光色轮技术,深圳光峰科技股份有限公司还在整机结构、光路设计、棱镜结构、散热以及显示控制等方面进行了专利布局。海信集团有限公司则多使用蓝色、红色双色激光器,利用荧光色轮产生绿光从而实现彩色显示(公开号:US20190361331A9、CN107850826B),通过扩散片等光路设计增加激光光束的空间随机相位,减弱散斑效应(公开号:CN105116675A)。无锡视美乐激光显示科技有限公司改进筒状荧光色轮的光路设计和驱动方法(公开号:CN110967899A、CN110967898A),扩大激发区域的同时增强散热功能。

卡西欧计算机株式会社在三基色激光和蓝光激光+荧光色轮技术之间采取折中,使用LED+激光技术。该技术利用激光激发荧光粉产生绿色光,使用红色和蓝色LED产生红色和蓝色光,也取得了较好的效果。

随着LED光源效率和亮度的大幅提升,进一步提高LED光源亮度并最终替换激光光源从而实现成本控制成为研发方向之一。三洋电机株式会社通过改进LED光源透镜设计,使用蝇眼目镜聚集LED阵列光源的发射光(公开号:CN1677226A),较早研发了基于LED光源的小型正面投影仪。深圳光峰科技股份有限公司采用双面激发层状荧光材料进一步提升激发效率,获得基于LED的高亮度发光光源(公开号:CN102252169A)。总体而言,中国在激光投影显示领域关键技术上的专利申请增长迅速,尤其在蓝光激光+荧光色轮技术上技术领先,布局完善,在中端智能投影市场形成较强竞争力,但在高端激光投影显示方面还需要进一步发展。

来源:中国知识产权报

作者:张少鹏

作者单位:国家知识产权局专利局光电技术发明审查部