激光新體驗

馮子成

中國電影市場的高速發展，城市化進程的加快，對電影放映技術和設備提出了更高的結構性需求。大城市的多廳影院數量在增加，影院建設成本水漲船高；越來越多的中小城市風起云涌地開始建設新的影院，除了對設備成本有更高的要求，對設備安裝的簡便性、耗材成本、運營成本都產生了結構性的新的巨大的需求。

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

擁有雄厚光學和顯示科研實力的世界500強企業NEC，高度重視中國市場的發展和變化，針對中國電影院的現實性的結構性的需求，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剛剛推出的以半導體激光器作為光源的數字電影放映機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勢。

什么是激光

特指利用特殊物質受到“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象，主要分為氣體激光器（如He-Ne、CO2）、固態激光器（如紅寶石）、液體激光器（如染料激光器）、半導體激光器（如GaAs、InGaN）等，投影系統中被廣泛采用的是半導體激光器。

結合下面的圖1，容易理解受激輻射的過程，物質中絕大多數粒子都處于穩定狀態（穩態），粒子有著自發的從高能級向低能級躍遷的趨勢。所以低能級上的電子數要比高能級上的電子數要多得多，此時是無法發出激光的。為了產進生受激輻射，我們來一次粒子的大遷移，把多數低能態的粒子搬到高能態（受激態）或者亞穩態上去。我們也稱之為“粒子數反轉”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。不同的受激物質決定最終的發光光譜是什么。

光有發光還不行，因為受激輻射太微弱，我們還需要讓發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，介質從而被反復利用和往返中的光子產生受激輻射，最后產生的光子也就越來越多，光也越來越強，最終發出足夠強的激光。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，徹底摒棄了傳統燈箱、反光碗、燈泡、燈泡底座等相關元器件和結構件，直接把封裝后的激光模組（發光模組）通過特殊的耦合方式接入到了光路系統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，從成本和設計空間方面考慮，完全可以像NC1100L一樣將激光光源模塊內置。

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、數量可配置

與傳統的用氙燈作為光源的放映機比較，單個半導體激光器的發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，使得投影顯示系統的集成化度更高。同樣緊湊的設計也使得其抗震性增強

NC1100L的半導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體激光器出現了故障，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的光利用率，我們也管它叫光學擴展量。

從激光半導體發出的激光的光束的發散立體角很小，為毫弧度量級，比普通的光源的發散角小2到3個數量級。這樣就使得光路系統中的光更加具有準直性，不會有額外的光散射到光路系統以外的地方，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放映片源的需求來對半導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回100%。而且由于半導體激光器的響應都是納秒級的，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約了成本。相比之下氙燈調節范圍一般在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境下使用，5-6年都不用更換或者維護，傳統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電等，所以氙燈即便在不工作的狀態下都會有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體制成的。半導體激光器發光原理是依靠著載流子的運動來實現光的輻射，已經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

NC1100L采用的是半導體激光器，半導體正常工作溫度是在攝氏30度左右，傳統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。這種高溫的運行環境不但增加了整個光源系統的衰老和氧化還增加放映機的散熱量響應的排風量也會隨之增加。相反在30度左右工作的半導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，同樣可以幫助影院節省掉大筆的排風系統建設費用。NC1100L的自排風系統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. 開關速度“零”等待，響應時間快（納秒級）

由于半導體激光的從粒子數的反轉→P區和N區子之間的運動→空穴的復合→諧振腔的振蕩，整個過程都是在光速下進行的，所以在開啟和關閉的過程中不會存在任何延遲。高效的液冷系統也保證半導體激光永遠保持在正常溫度工作狀態下（溫度對半導體激光器的受激輻射影響較大、所以必須工作在規定溫度下）。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。半導體激光的粒子數的反轉過程的頻率并不會與半導體的使用壽命有關。這樣就使得系統的使用更加的簡便和人性化。

8. 的光源更加穩定

NC1100L的光源體積小結構緊密，這樣使得其抗震性更好。沒有電極的設計，與氙燈相比半導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，畫面閃爍等現象。

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

9. 激光電影放映機與氙燈放映機的性能對比

總結

對于現代投影光源技術來說，隨著技術的創新和發展，人們開始關注與嘗試各種光源在投影顯示技術中的應用。NEC在正式推出了雙汞燈的數字電影放映機之后，繼續發力激光光源，成為同時擁有氙燈，汞燈，激光光源投影產品的唯一供應商，從現在發展趨勢來看，低功耗、小體積、模塊化、發光效率高、波長精準、廣色域，穩定性高，使用壽命長的激光光源必定在未來占據主導地位，它所帶來的巨大市場空間也是值得期待的。