Лазерное цветное телевидение ( лазерное телевидение ) или лазерный цветной видеодисплей — это тип телевидения, который использует два или более индивидуально модулированных оптических (лазерных) луча разных цветов для создания комбинированного пятна, которое сканируется и проецируется поперек плоскости изображения системой полигонального зеркала или, что менее эффективно, оптоэлектронными средствами для создания цветного телевизионного дисплея. Системы работают либо путем сканирования всего изображения по точкам и модуляции лазера непосредственно на высокой частоте, подобно электронным пучкам в электронно -лучевой трубке , либо путем оптического распространения и последующей модуляции лазера и сканирования по строке за раз, причем сама строка модулируется почти так же, как при цифровой обработке света (DLP).
Частный случай одного луча сводит систему к монохромному дисплею , как, например, в черно-белом телевидении . Этот принцип применим как к дисплею прямого обзора, так и к (передней или задней) лазерной проекционной системе.
Технология лазерного телевидения начала появляться в 1990-х годах. В 21 веке быстрое развитие и зрелость полупроводниковых лазеров и других технологий дали ей новые преимущества.
Источник лазера для телевидения или видеодисплея был первоначально предложен Хельмутом К. В. Лётшем в немецком патенте 1 193 844. [1] В декабре 1977 года Х. К. В. Лётш и Ф. Шрётер объяснили лазерное цветное телевидение для обычных, а также проекционных систем и привели примеры потенциальных применений. [2] 18 лет спустя немецкая компания Schneider AG представила функциональный прототип лазерного телевизора на выставке IFA'95 в Берлине , Германия . Однако из-за банкротства Schneider AG прототип так и не был доработан до готового к выходу на рынок продукта.
Предложенная в 1966 году [3], технология лазерного освещения оставалась слишком дорогой для использования в коммерчески жизнеспособных потребительских товарах. [4] На выставке потребительской электроники в Лас-Вегасе в 2006 году компания Novalux Inc., разработчик технологии полупроводникового лазера Necsel, продемонстрировала свой источник лазерного освещения для проекционных дисплеев и прототип «лазерного» телевизора с обратной проекцией. [5] Первые отчеты о разработке коммерческого лазерного телевизора были опубликованы еще 16 февраля 2006 года [6] [7] с решением о широкомасштабной доступности лазерных телевизоров, ожидаемой к началу 2008 года. [8] 7 января 2008 года на мероприятии, связанном с выставкой бытовой электроники 2008 года, компания Mitsubishi Digital Electronics America, ключевой игрок на рынках высокопроизводительных красных лазеров [9] и широкоэкранных HDTV, представила свой первый коммерческий лазерный телевизор, модель 65" 1080p . [10] [11] [12] Автор Popular Science был впечатлен цветопередачей лазерного видеодисплея Mitsubishi на выставке CES 2008. [13] Некоторые даже описали его как слишком интенсивный до такой степени, что он казался искусственным. [14] Этот лазерный телевизор под маркой «Mitsubishi LaserVue TV» поступил в продажу 16 ноября 2008 года по цене 6999 долларов, но весь проект лазерного телевизора Mitsubishi был закрыт в 2012 году. [15] [16] [17]
LG представила фронтальный проекционный лазерный телевизор в 2013 году [18] как потребительский продукт , который отображает изображения и видео размером 100 дюймов (254 сантиметра) с полным разрешением высокой четкости 1920 x 1080 пикселей. Он может проецировать изображения на экран на расстоянии 22 дюймов (56 сантиметров).
В Китае шестая сессия седьмого совета Ассоциации китайской электронной видеоиндустрии официально одобрила создание отрасли лазерной телевизионной промышленности. Создание отрасли также символизирует, что вся промышленная цепочка, соединяющая восходящий и нисходящий поток лазерной телевизионной отрасли, официально открыта, чтобы сделать лазерную телевизионную промышленность больше и сильнее. К 2022 году продажи лазерных телевизоров на китайском рынке превысят 1 миллион единиц, а продажи достигнут 11,8 миллиардов юаней . [19]
Изображения лазерного телевизора отражаются экраном и попадают в человеческий глаз для формирования изображения. Принцип лазерного телевизора заключается в использовании технологии DLP для отображения изображения. Возьмем в качестве примера чип DMD . Чип DMD является основным компонентом формирования изображения лазерного телевизора. На нем расположены миллионы маленьких зеркал, и каждое маленькое зеркало может переворачиваться в положительном и отрицательном направлениях с частотой десятки тысяч раз в секунду. [20] Свет отражается непосредственно на экране через эти маленькие зеркала, формируя изображение. Из-за зрительной инерции человеческого глаза три основных цвета , которые излучаются на один и тот же пиксель с высокой скоростью, смешиваются и накладываются друг на друга, образуя цвет. [21]
Лазеры могут стать идеальной заменой для ламп UHP [22] , которые в настоящее время используются в проекционных устройствах отображения, таких как телевизоры с обратной проекцией и фронтальные проекторы. LG заявляет о сроке службы 25 000 часов [23] для своего лазерного проектора по сравнению с 10 000 часов для UHP. Современные телевизоры способны отображать только 40% цветовой гаммы , которую потенциально может воспринимать человек. [24]
Лазерные телевизоры используют лазерный источник света, который имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными технологиями LED и OLED . Лазеры обычно используют определенные длины волн света, что обеспечивает более широкую цветовую гамму и превосходную яркость. В отличие от LED или OLED, лазерные источники света могут воспроизводить более чистые цвета, улучшая качество просмотра за счет более яркой и точной цветопередачи. Кроме того, лазерные источники света обычно имеют более длительный срок службы и более энергоэффективны, что способствует снижению эксплуатационных расходов и воздействия на окружающую среду.
Для цветного телевидения требуется свет в трех различных длинах волн — красной, зеленой и синей. В то время как красные лазерные диоды имеются в продаже, зеленых лазерных диодов, которые могут обеспечить необходимую мощность при комнатной температуре с достаточным сроком службы, в продаже нет. Вместо этого для обеспечения зеленых длин волн можно использовать удвоение частоты . В качестве источников удвоенной частоты можно использовать несколько типов лазеров: волоконные лазеры, лазеры с удвоенной частотой между резонаторами, лазеры с удвоенной частотой с внешним резонатором, eVCSEL и OPSL (оптически накачиваемые полупроводниковые лазеры). Среди лазеров с удвоенной частотой между резонаторами VCSEL показали большую перспективность и потенциал, чтобы стать основой для серийно выпускаемого лазера с удвоенной частотой.
Синие лазерные диоды стали доступны в открытом доступе примерно в 2010 году.
VECSEL представляет собой вертикальную полость и состоит из двух зеркал. Сверху одного из них находится диод в качестве активной среды. Эти лазеры сочетают высокую общую эффективность с хорошим качеством луча. Свет от мощных ИК -лазерных диодов преобразуется в видимый свет с помощью внерезонаторной волноводной генерации второй гармоники . Лазерные импульсы с частотой повторения около 10 кГц и различной длиной отправляются на цифровое микрозеркальное устройство, где каждое зеркало направляет импульс либо на экран, либо в дамп. Поскольку длины волн известны, все покрытия можно оптимизировать для уменьшения отражений и, следовательно, спеклов.
Изображения лазерного телевизора отражаются экраном и попадают в человеческий глаз для визуализации. По мнению офтальмологов и профессиональных оценок, лазерные телевизоры являются дисплеями, которые безвредны для невооруженного глаза. Экран не имеет электромагнитного излучения , что защищает глаза, полезно для здоровья и удобно. [ удалить или уточнить необходимо ] По сравнению с чтением с бумаги, это на 20% комфортнее. Лазерные телевизоры в основном большого размера, с чистыми источниками света, яркими цветами и подлинностью, также поддерживают разрешение дисплея 4K .
Лазерные телевизоры потребляют меньше энергии, чем ЖК-телевизоры того же размера. Например, 100-дюймовый лазерный телевизор потребляет менее 300 Вт, что составляет ½-⅓ от ЖК-телевизора того же размера. Лазерные телевизоры весят примерно одну десятую веса ЖК-телевизоров того же размера, и люди могут смотреть 80-дюймовые лазерные телевизоры с расстояния просмотра 3 метра. [25]
Видеосигнал вводится в лазерный луч с помощью акустооптического модулятора (АОМ), который использует фоторефрактивный кристалл для разделения луча под различными углами дифракции. Луч должен войти в кристалл под определенным углом Брэгга этого кристалла АОМ. Пьезоэлектрический элемент преобразует видеосигнал в колебания в кристалле для создания изображения.
Быстро вращающееся полигональное зеркало дает лазерному лучу горизонтальную модуляцию обновления. Он отражается от изогнутого зеркала на зеркало, установленное на гальванометре , которое обеспечивает вертикальное обновление . Другой способ — оптически распространить луч и модулировать каждую целую строку сразу, как в DLP, снижая пиковую мощность, необходимую лазеру, и сохраняя постоянное энергопотребление.
Существует несколько реализаций лазерных проекторов, одна из которых основана на принципе летящего светового пятна, записывающего изображение непосредственно на экран. Лазерный проектор этого типа состоит из трех основных компонентов — лазерный источник использует видеосигнал для создания модулированного света, состоящего из трех резких спектральных цветов — красного, зеленого и синего, — который затем гибкий волоконно-оптический волновод переносит в относительно небольшую проекционную головку. Проекционная головка отклоняет луч в соответствии с пиксельной тактовой частотой и излучает его на экран на произвольном расстоянии. Такие методы лазерной проекции используются в портативных проекторах , планетариях, а также для авиасимуляторов и других приложений виртуальной реальности.
Благодаря особым характеристикам лазерных проекторов, таким как высокая глубина резкости , можно проецировать изображения или данные на любую проекционную поверхность, даже не плоскую. Как правило, резкость, цветовое пространство и коэффициент контрастности выше, чем у других проекционных технологий. Например, контрастность включения-выключения лазерного проектора обычно составляет 50 000:1 и выше, в то время как современные DLP и LCD проекторы имеют диапазон от 1000:1 до 40 000:1. По сравнению с обычными проекторами лазерные проекторы обеспечивают более низкий световой поток, но из-за чрезвычайно высокой контрастности яркость на самом деле кажется больше.
Чтобы еще больше ускорить внедрение лазерных дисплеев, Министерство науки и технологий Китая выделило «разработку и развитие технологии лазерных дисплеев следующего поколения» в качестве одного из восьми основных направлений промышленного развития. Поскольку связанные с этим технические проблемы постепенно решаются, популяризация лазерных телевизионных продуктов в домашних хозяйствах остается главной целью.
В конце декабря 2019 года лаборатория CESI Китайского национального института электронной стандартизации и группа офтальмологов из больницы Пекинского объединённого медицинского колледжа провели исследовательский проект, посвященный визуальному восприятию и напряжению глаз лазерных дисплеев. В ходе исследования 32 испытуемых были помещены в одинаковые условия окружающей среды, сравнивая лазерный телевизор и ЖК-телевизор. Частота моргания глаз и субъективная оценка восприятия сравнивались и анализировались между дисплеями. Результаты показали, что просмотр ЖК-телевизора в течение длительного периода времени вызывал определенные симптомы, такие как отёк глаз, боль в глазах, светобоязнь, сухость глаз и нечёткость зрения, при просмотре лазерного телевизора не было никаких очевидных визуальных изменений или дискомфорта для глаз. [27]
16 января 2020 года отделение лазерной телевизионной промышленности Китайской ассоциации электронной видеоиндустрии выпустило в Шанхае первую в отрасли Белую книгу по уходу за глазами с помощью лазерных телевизоров. В белой книге были опубликованы данные оценки ухода за глазами лазерных телевизоров и традиционных ЖК-телевизоров, полученные экспертами-офтальмологами из лаборатории CESI Китайского института стандартизации электронных технологий и больницы Пекинского союза медицинского колледжа , а также были сделаны научные предложения о том, как защитить здоровье зрения подростков. [28] Рынок лазерных телевизоров показал общий совокупный темп роста в 281% с 2014 по 2019 год. В 2019 году Hisense Laser TV 80L5 занял первое место в ежегодном списке бестселлеров среди телевизоров. Согласно данным опроса пользователей, более 93% пользователей выбрали лазерные телевизоры из-за заявленных преимуществ защиты здоровья глаз. [29]
По сравнению с ЖК-телевизорами со светодиодной подсветкой лазерные телевизоры имеют много преимуществ в области широкоэкранного изображения. С точки зрения технического состава лазерный телевизор состоит из лазерного источника света, модуля формирования изображения, системы управления цепями и дисплея. Технологический прогресс каждого из этих устройств поможет увеличить долю рынка по сравнению с конкурирующими технологиями отображения. Кроме того, лазерные источники света имеют такие преимущества, как более низкие производственные выбросы углерода , более широкий цветовой охват и более высокая энергоэффективность . Развитие лазерного телевидения в сочетании с улучшенной оптической технологией формирования изображения может быть прибыльным на будущем рынке домашних дисплеев. [30]
Лазеры являются самыми дорогими компонентами лазерных телевизоров. Более продвинутые лазерные диоды обычно требуют больше полупроводниковых материалов для производства, поэтому снижение затрат останется проблемой для индустриализации лазерных телевизоров в обозримом будущем. Существующие лазерные телевизоры обычно используют импортные полупроводниковые приборы. В современных решениях для дисплеев с большим экраном существует множество конкурирующих технологий, таких как LCD, OLED и будущие дисплеи Micro LED . Лазерные телевизоры должны продолжать развиваться, чтобы сохранить конкурентное преимущество и занять большую долю рынка. [31]