激光新体验

冯子成

中国电影市场的高速发展，城市化进程的加快，对电影放映技术和设备提出了更高的结构性需求。大城市的多厅影院数量在增加，影院建设成本水涨船高；越来越多的中小城市风起云涌地开始建设新的影院，除了对设备成本有更高的要求，对设备安装的简便性、耗材成本、运营成本都产生了结构性的新的巨大的需求。

上世纪70年代氙灯的出现，从前期的胶片放映机到近十年的数字电影放映机，氙灯以其不可替代的大功率发光，能产生接近可见光范围的连续光谱而被电影放映机所青睐至今，使得连续放映长故事片成为可能，氙灯以其卓越的光影表现为电影行业的发展做出了巨大的贡献。而随着科学技术同样更迅猛的发展，新型的光源不断出现，克服了氙灯寿命短、光效低、热量高、体积大、存在稳定性安全性隐患等等的缺点，正在为电影行业所重视和接受。

拥有雄厚光学和显示科研实力的世界500强企业NEC，高度重视中国市场的发展和变化，针对中国电影院的现实性的结构性的需求，NEC继2012年推出采用高压汞灯的S2K放映机之后，2014年将率先将激光应用到电影放映机中。

我们会在下面的文章中用NEC刚刚推出的以半导体激光器作为光源的数字电影放映机NC1100L主要的特性来让大家了解下激光的原理和其作为投影光源的几大优势。

什么是激光

特指利用特殊物质受到“激励”后从高能级跃迁到低能级的过程中释放光能并不断放大增益的现象，主要分为气体激光器（如He-Ne、CO2）、固态激光器（如红宝石）、液体激光器（如染料激光器）、半导体激光器（如GaAs、InGaN）等，投影系统中被广泛采用的是半导体激光器。

结合下面的图1，容易理解受激辐射的过程，物质中绝大多数粒子都处于稳定状态（稳态），粒子有着自发的从高能级向低能级跃迁的趋势。所以低能级上的电子数要比高能级上的电子数要多得多，此时是无法发出激光的。为了产进生受激辐射，我们来一次粒子的大迁移，把多数低能态的粒子搬到高能态（受激态）或者亚稳态上去。我们也称之为“粒子数反转”通常完成这个工作方式我们称为“激励”或“泵浦”就像水泵抽水一样。不同的受激物质决定最终的发光光谱是什么。

光有发光还不行，因为受激辐射太微弱，我们还需要让发出来的光线进行放大增益，这个时候就需要谐振腔，他的作用就是放大器，用两个反射镜使得光子不断在腔轴方向上往返运行，介质从而被反复利用和往返中的光子产生受激辐射，最后产生的光子也就越来越多，光也越来越强，最终发出足够强的激光。如图2

什么是激光电影放映机

激光电影放映机是以半导体激光器模组作为光源来进行成像的显示终端，彻底摒弃了传统灯箱、反光碗、灯泡、灯泡底座等相关元器件和结构件，直接把封装后的激光模组（发光模组）通过特殊的耦合方式接入到了光路系统中最终通过通用的成像元器件（DMD芯片）将光信号投射到银幕上，对于数万流明的高亮度放映机来说激光光源模块一般独立于放映机，通过光纤来完成光能量的传输，而对于较低亮度的放映机来说，从成本和设计空间方面考虑，完全可以像NC1100L一样将激光光源模块内置。

NEC激光电影放映机NC1100L的主要特点

1. 光源模块化、体积小、工作电压低、数量可配置

与传统的用氙灯作为光源的放映机比较，单个半导体激光器的发光模块可以做到很小跟一枚钱币一样大小，这样就可以实现光源的多模块化和小巧化如图6，使得整机的重量和尺寸得以减小，使得投影显示系统的集成化度更高。同样紧凑的设计也使得其抗震性增强

NC1100L的半导体激光器的正常工作电压低（2-3.6V）功耗小，这也使得其整机功耗很小，从另一方面也可以帮助用户节省了一定的运营成本。

且由于NEC激光电影放映机的光源模块是由多组半导体激光模块组成的，每个模块又可以独立的控制，这样如果其中一组半导体激光器出现了故障，其它的模组也可以正常的保证影片的正常放映，这种设计理念也避免了影院停映黑屏的风险。

2. 光利用率高

光源的出射光的方向性决定了整个光路系统的光利用率，我们也管它叫光学扩展量。

从激光半导体发出的激光的光束的发散立体角很小，为毫弧度量级，比普通的光源的发散角小2到3个数量级。这样就使得光路系统中的光更加具有准直性，不会有额外的光散射到光路系统以外的地方，也从而保证了激光电影放映机的光利用率。如图5

3. 拥有智能电源控制

NC1100L使用了智能电源控制，这就意味着放映机可以根据放映片源的需求来对半导体激光器模组的光输出进行智能的控制。譬如说当播放2D影像时我们可以把放映机的光亮输出降低到原来的30%。当播放3D影像时我们可以在把功率调回100%。而且由于半导体激光器的响应都是纳秒级的，所以激光电影放映机可以快速的在不同亮度需求的片源间切换其输出功率，最终可以帮助用户在能耗上节约了成本。相比之下氙灯调节范围一般在60%-100%之间，所以一般情况下是无法完全满足的。

4. 无需换灯，光源寿命超长

NEC推出的这款激光电影放映机的光源寿命超过20000小时，所以用户在正常的放映环境下使用，5-6年都不用更换或者维护，传统氙灯光源的放映机存在着每过一段时间就需要更换新的灯泡，并对更换后灯泡进行三轴调整，这个过程不但增加了影院的运营成本，还增加了放映员的工作量，并且由于氙灯是高压气体发电等，所以氙灯即便在不工作的状态下都会有5-10个大气压，其脆弱的玻璃泡壳在很小冲击下都可能引发爆炸，时时刻刻威胁着替换灯泡人员的人身安全，对于运营方来说是无形的风险。

5. 亮度衰减极低

无论是氙灯还是汞灯放映机都存在着其亮度输出会随着灯泡使用时间的增加而逐渐衰减的过程。这个过程不但迫使影院方不断的购买新的灯泡，而且在一定程度上还影响了观众的观影效果。NC1100L的光源其核心是半导体制成的。半导体激光器发光原理是依靠着载流子的运动来实现光的辐射，已经不再有电极和泡壳的概念了，所以也不存在着电极的消耗和泡壳的污染造成的光通量下降问题。这些都使得NEC激光电影放映机的光源相对于传统的氙灯光源的亮度衰减小很多。如图8

6. 排热量小、无需外置排风系统

NC1100L采用的是半导体激光器，半导体正常工作温度是在摄氏30度左右，传统的氙灯工作温度在几百度左右，泡壳温度可达700-800度，灯头温度可达200度左右。这种高温的运行环境不但增加了整个光源系统的衰老和氧化还增加放映机的散热量响应的排风量也会随之增加。相反在30度左右工作的半导体激光器其散热量是非常小的，整个放映机只要对光路系统进行高强度的散热即可。这也使得我们的NC1100L的排热量远小于同级别的氙灯放映机，与NC900C一样不需要外置排风系统，同样可以帮助影院节省掉大笔的排风系统建设费用。NC1100L的自排风系统和可吊装的特点也可以让这款机器完全支持无机房的解决方案。

7. 开关速度“零”等待，响应时间快（纳秒级）

由于半导体激光的从粒子数的反转→P区和N区子之间的运动→空穴的复合→谐振腔的振荡，整个过程都是在光速下进行的，所以在开启和关闭的过程中不会存在任何延迟。高效的液冷系统也保证半导体激光永远保持在正常温度工作状态下（温度对半导体激光器的受激辐射影响较大、所以必须工作在规定温度下）。如图9

相对于放电气体灯所需要保持电极的形状和每次点灯都需要超高的电压，因此，减少了灯泡的使用寿命来看。半导体激光的粒子数的反转过程的频率并不会与半导体的使用寿命有关。这样就使得系统的使用更加的简便和人性化。

8. 的光源更加稳定

NC1100L的光源体积小结构紧密，这样使得其抗震性更好。没有电极的设计，与氙灯相比半导体激光器不存在因为电极损耗而带来的灯泡无法正常点亮，画面闪烁等现象。

激光的波长只有能带和工作介质来决定，所以激光光源不会因为使用时间的增长而导致颜色发生漂移。

9. 激光电影放映机与氙灯放映机的性能对比

总结

对于现代投影光源技术来说，随着技术的创新和发展，人们开始关注与尝试各种光源在投影显示技术中的应用。NEC在正式推出了双汞灯的数字电影放映机之后，继续发力激光光源，成为同时拥有氙灯，汞灯，激光光源投影产品的唯一供应商，从现在发展趋势来看，低功耗、小体积、模块化、发光效率高、波长精准、广色域，稳定性高，使用寿命长的激光光源必定在未来占据主导地位，它所带来的巨大市场空间也是值得期待的。