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激光电视的颠覆:没有这亮度还敢说是好机?

2017-01-18 14:26
Hsiao Chen
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一年一篇老皇历,翻翻转转之后,大屏君在投影圈浪荡快20年的经验居然不管用了——因为,从CES2017展会开始,激光电视要抢工程投影机的饭碗了。

CES2017展会上,极米展出了120英寸双色超级反射式短焦激光电视产品,主要亮点是双色激光+超级短焦+5000流明的亮度。对,你没看错,亮度是5000流明。无独有偶,作为激光电视最早的倡导者,海信也拿出了最新实力作品:双色4K激光——其亮点之一则是360尼特的实际屏幕亮度,较目前市场主流产品亮度高50%左右。

屏幕实际工作亮度达到360尼特,对于高级抗光幕而言,往往意味着100英寸需要4300流明的亮度,如果是120英寸屏幕则需要6000+的亮度。假设海信等业界品牌真的要推出140英寸的高亮激光电视,则激光电视亮度将直逼8500流明。

看看这些亮度指标,5000-8000流明,这还是家用投影吗?这都赶上现在很多工程投影机的水平了!大屏君可清清楚楚的记得十三四年前,家用投影还在800或者1000流明的标准上努力。那么,问题来了,激光电视真的需要这么高的亮度吗?

激光电视的亮度如何定义:

对这个问题的回答,大屏君觉得首先必须搞清楚什么是投影机的亮度,什么是实际投影画面的亮度(后者即是海信所说的屏幕亮度360尼特)。

在市场上可以广泛看到的投影机产品“标示”的亮度即是投影机亮度。用最简单的词汇解释,这个亮度可以称为“理想值”。什么是理想值呢?即在理想工况下、理想环境下,抽测抽检得到的亮度指标。

大屏君愿意对“理想工况下、理想环境下,抽测抽检”三个概念做更为具体的说明:

所谓理想工况是指,投影机全新产品、电气性能处于最佳工作状态;同时,不考虑最佳成像效果、尽可能将亮度等指标调节到最高值时的产品亮度状态。所谓理想环境则包括,零环境光、屏幕反射率100%、标准测定需要的60英寸画面以最短距离在真空条件下投射、亮度检验和测试设备灵敏度和准确度极高。——对于这两个“理想”条件,相信读者已经明白:这是现实使用中不可能出现的状态。

而对于“抽测抽检”的理解则应该包括如下含义:首先,投影机标称亮度是一个概率范畴的中间值,而不是具体这台机器的效果。第二,既然是抽测抽检得到的概率值,那么就有误差允许范围。早期投影市场这个误差空间可能高达±20%,即一个型号的产品,亮度差距最多有4成。现在的产品亮度差异分布更小一些,基本能做到在±10%以内——即,一台标称3000流明的产品,亮度可能是2700-3300之间的一个值。

通过以上说明,读者可以看到,所谓的投影机标称亮度是一个非常非常苛刻条件下得到的“尽可能大”的参数:与此对应的则是“实际投影画面的亮度”。影响实际投影画面亮度的条件很多:例如投射画面的大小、投射距离的远近、屏幕的反射率与可视角度、投影机的调节状态、投影机光学系统和光源系统的工况、甚至投影机的电源系统的稳定性,镜头上的灰尘都能巨大的影响实际投射亮度。

此外,大屏君要特备指出:即便是在投射条件比较优越的环境中,人的眼睛也会开“亮度”玩笑。即环境亮度高的时候,视觉上总是感觉画面亮度不足。这是视觉对“对比度损失”的理解偏差,也是瞳孔光圈效应和感光细胞感光物质合成速度、视觉信号传递神经元敏感阀值调节的结果——即,环境光是“感知亮度”的一大杀手。

综合了以上因素,大屏君可以给出如下结论:即投影机标称亮度和消费者真正应用的时候可以感受到的亮度相差“可以非常巨大”。其中,仅仅“理想的100%”反射屏幕和“零环境光”,就是“要命问题”。更何况,到了激光电视时代,产品特备强调“高对比度的屏幕”+“明亮环境光”下的工作呢?

效果好坏取决于对环境光的对抗

“高对比度的屏幕”+“明亮环境光”这个工况条件,就是激光电视需要“高亮度”的原因。因为,3000流明虽然是一个很高的亮度数值了,但是实际工况中的“亮度损失”是一个大问题。事实上,对抗环境光是所有显示设备的公共课题,为此显示系统付出的代价也是巨大的。

例如,以液晶和OLED这等平板显示产品、自发光系统为例,他们的屏幕有一个结构叫做“上偏光片”。从成像角度看,这个偏光片是不需要的(液晶成像必须依赖下偏光片,OLED显示则可以没有偏光片)。但是,为了有效对抗环境光,这些设备还是加上了“上偏光片”(其中,OLED产品主要采用圆偏光片产品)。

对于液晶显示,“上偏光片”的工作过程是:外部的环境光照射上之后,只有50%透过,其余被吸收;透过的50%环境光偏振方向刚好满足液晶分子的开关条件——即只有打开光路的、呈现明亮画面液晶结构处有反射光,其他部分则继续被吸收。对于OLED屏幕采用的“圆偏光片”而言,透过偏光片的50%的光线中的大部分,会在被面板底层反射的前后经过两次四分之一波长偏振调整,调整后的偏振光偏振极性调转,被偏光片再次吸收,大部分不能反射出显示面板。

平板显示系统利用上偏光片结构,实现了大部分环境光线被吸收,而不是反射。但是,显示设备自身发出的光线也要经过这些光学结构。这一过程中产品也付出了很大的亮度代价。对于OLED屏幕而言,这个结构层直接损失至少一半的理论亮度。对于液晶显示,上下偏光+彩色滤光膜两个光学过程就已经损失70%的背光亮度。当然,这些代价是值得的——由此得到的效果则是更为纯正的黑色,即便是光照下也能呈现极高的对比度。对于投影显示而言,后者则是最大的“传统弱点”。

但是,投影人也有自己的“抗环境光”绝技,这就是高对比度屏幕。大屏君觉得,好的“高对比度屏幕”至少决定了投影显示系统整个性能的50%。

这项投影绝技的原理和平板显示的偏光片不同:平板显示是自发光系统,画面光线和环境光线方向相反,正好利用偏光片技术,牺牲部分亮度来实现高对比度。但是,正投影系统的画面光线和环境光线方向相似,这个时候,吸收环境光的手段就不能用偏光系统了。

事实上,抗环境光的高对比度屏幕主要有两个核心技术:第一是区分方向的反射。尤其是对于超近距离的反射式短焦投影机,可以认为画面光线和大多数环境光线都成一定的角度。光学投影幕利用这个角度来区分环境光线和画面光线——即菲涅耳棱镜结构,实现对投影机位置对面一侧和垂直屏幕摄入光线的高度吸收和反光看方向大角度反射。当然,这种区分画面和环境光线的技术,不是非常准确。即在区别吸收反射环境光的时候,会漏掉一部分环境光(至少30%),也会损失一部分画面亮度。

再此技术上,抗环境光高对比度屏幕还有另一个技术:即整个屏幕涂覆吸收层。这个技术的原理是,投影机投射的画面光线总是比环境光线亮很多。屏幕均衡吸收环境光线,如果吸收比是70%,画面光线所剩余部分还很亮,但是环境光线剩余部分已经比较暗。

以上两种技术结合,抗环境光投影幕可以轻松做到排除85%的环境光线干扰,好一些的屏幕甚至做到90%的抗环境光。不过,由此带来的代价与平板显示的抗环境光则是一样的:大量的亮度损失——甚至损失比例超过OLED平板产品的50%,达到七成以上的亮度损失。且抗环境光效果越好,亮度损失越高。

理想的激光电视必须亮度很高

如果结合考虑到投影机投射整个外光路的效率问题,在激光电视上,就会出现屏幕可见亮度效果的瓶颈。这就是开头大屏君说的,如果在120英寸屏幕上长期稳定实现可视360尼特的显示效果,投影机则需要6000+的亮度。两个数据为何差别这么大呢?因为前者是实际效果,后者则是“60英寸画面上的理想”测试值。

但是,从投影显示的未来讲,大屏君觉得,激光电视的发展对高亮度的需求一定会加码。理由有三个。第一,画面更大自然需要更高的亮度,例如,120英寸画面比100英寸面积大了44%,140英寸几乎是两个100英寸画面的大小——即140英寸画面的主机亮度最少也是100英寸主机的2倍,才能保障亮度效果一致。

第二,激光电视需要实现与液晶和OLED相当的画面亮度效果。现在激光电视大多数在抗光幕上的亮度只有200尼特到250尼特——这个指标只是液晶和OLED的最低标准。后者一般会强调400+尼特的亮度效果。这就需要激光电视的亮度指标再提升一个档次。

第三,激光电视虽然采用抗光幕技术,但是受制于对比度和亮度两个参数的平衡,以及主流的投影机3000+亮度的技术条件,其抗光效果还不是很理想。而在极限条件下提升画面的抗光效果,激光电视系统对主机亮度的额外损耗也就会更多。

以上三个方面联系在一起决定了:140英寸的、对比度和亮度效果都较为理想,接近液晶电视机视觉亮度水平的激光电视主机,至少要保持8500流明的亮度。对于主流的100英寸激光电视,4300+的亮度,会是“好效果的门槛”。

当然,有人会批评大屏君:你这个是理想的提法,但是现实很残酷……一个事实是,家用投影机这么多年来都没实现这么高的亮度,即便是工程机,8000+的亮度也是“高级品”了。

对此,大屏君却要说:1.如此指标很有必要。这是激光电视家用和明亮条件下、白天光照下应用效果的基础保障。2.有了激光技术,此前关于投影机亮度的重重不利因素都在渐弱。

激光光源有条件开启投影高亮平民时代

大屏君认为,阻碍传统家用投影亮度提升的关键障碍不是做不出高亮度产品,而是高亮产品难以保障很好的色彩分辨率、全寿命成本和全程效果。君不见汞灯的高亮工程机很多吗?——高亮其实没有想象的那么难。但是,汞灯高亮之后,寿命大幅下降,需要不断换灯泡,这是成本问题;高亮的汞灯产品色彩表现力比较差,这是家庭影院效果问题;高亮的汞灯系统不断的在“亮度衰减——更换灯泡”中循环,缺乏全程性的效果稳定性。这些问题在特种工程应用中,可以用成本和维护来克服,在家用、商用和教育市场中则是致命问题。

但是,激光时代,激光天然是纯色光源,显色性能无与伦比,且纯度与亮度无关;激光是长寿命光源,只要温控得力,亮度与寿命没有必然关系;激光是高稳定性光源,即便寿命期内亮度衰减三四成,色彩显示能力也不会弱化,色彩纯度依然如初——以上三点正好克服了传统汞灯家用投影机高亮化后的“种种弊端”。

同时,大屏君要特别指出激光的另一个优势:即激光是高亮光源。一方面,激光的能量密度高、体积小,可以采用多光头实现更高亮度;另一方面,半导体激光器件技术还在快速进步,同等功率的激光光源,三年来的亮度提升了大约30%,未来还会大幅提升。

这些特点决定了“激光时代”“家用投影”能够在避免一系列负面影响的背景下实现“高亮”。而高亮之后则可以配合更高吸收比的抗环境光屏幕,实现明亮光线环境下更高的“画面视觉亮度”和“画面视觉对比度”。

大屏君觉得,“抗光技术”无论是哪种方式(平板电视的偏光片、光学幕布的反射、黑色系幕布的吸收)都会面临如下问题:即抗环境光就要牺牲亮度。抗环境光的目的是避免色彩失真并提高视觉对比度,这样“高效益收入”必然决定“投资不小”。这个投资就是“更高的亮度”。事实上,更高的亮度不仅仅是激光电视现在的技术追求,也是OLED电视和液晶电视的追求,也曾经是已经消失的CRT电视和等离子电视的追求。

显示产品首先是发光系统,发光系统的根本就是要“更亮”——只有更亮的基础能力,才允许在其之上做更多其他技术性能的要求。大屏君因此说,激光电视高亮化,或许是未来三年的一个竞争焦点。3000亮度只配80+英寸屏幕,4500成为百寸幕的入门,更大的画面则需要更高的亮度——甚至这一趋势会溢出激光电视行业,成为整个激光显示产业的特征:因为只要是显示,都需要好的效果;好的效果则离不开亮度、对比度、抗环境光这三个要素。

2017年CES展会,极米和海信的动作就是这个过程的开始。未来的投影不要说“工程才高亮”,而是要说“亮度不高何谈效果”。另一方面,大屏君也预测“抗光幕会越来越火爆”:因为,亮度上不去,抗光幕就没有用武之地;没有抗光效果,高亮投影机也效果乏味!

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