中國激光照明的專利布局情況分析
LED照明的標桿人物,被瑞典皇家科學(xué)院譽為“二十一世紀的愛迪生”,2014年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者中村修二在6月25日的2016年中國·成都全球創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)交易會上,在接受媒體采訪時表示,未來十年內(nèi)激光照明將會代替LED照明。網(wǎng)上有言論說激光照明的效率是LED的上千倍,不僅能增加投射距離,提高了安全性,同時體積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊。
這一下激光照明火了,微信朋友圈到處都是激光照明將在10年內(nèi)代替?zhèn)鹘y(tǒng)LED照明的新聞,我們先不管這個激光照明是否真如中村修二說得那么神,會在短短的十年內(nèi)就取代LED照明。但是我們認為至少“激光照明的效率是LED的上千倍”這一論斷是不可能成立的。因為如果效率要達到LED燈具的上千倍,意味著原來的LED燈具效率低于0.1%。在照明基礎(chǔ)理論領(lǐng)域,有個Km值叫光譜光視效能最大值,它的數(shù)值是683lm/w。這是明視覺狀態(tài)下電轉(zhuǎn)化為光的極限值。什么意思呢?就是任何一瓦的電功率,它要轉(zhuǎn)化為可見光的話,是不可能大于683lm的!如果激光照明的效能要達到LED的上千倍,也就需要LED的效能下降到0.683lm/w。!
我們再簡單看下LED照明與激光照明的區(qū)別。從激發(fā)源上看,激光與LED光沒有太大的區(qū)別,YAG激光在于多了一個受激光輻射,LED是在半導(dǎo)體激發(fā)光后增加了一個熒光轉(zhuǎn)換;從視覺效果上看,激光單色性很好,LED的光譜則要廣一些,適合顯示屏、照明等;而在亮度上,LED亮度與激光沒法相比。因為激光的方向性很強,是直線光,如果不經(jīng)過處理亮度要比LED大很多。激光作RGB視覺效果還不成熟,目前還只是停留在實驗室階段。
那么問題來了,激光照明是啥?激光照明在中國有專利了嗎?小編帶大家簡單介紹下。
一、什么是激光照明?
激光照明分紅外激光照明,可見光激光照明。
紅外激光照明,是利用半導(dǎo)體材料,在空穴和電子復(fù)合的過程中電子能級的降低而釋放出光子來產(chǎn)生光能的,然后光子在諧振腔間產(chǎn)生諧振規(guī)范光子的傳播方向而形成激光。多應(yīng)用于夜視、夜間攝像頭監(jiān)控照明。
可見光激光照明,按原理分為藍光激發(fā)熒光粉實現(xiàn)白光照明(例如2011年寶馬概念車推出的激光車大燈,見圖1和圖2)和紅綠藍激光合成白色激光,或真彩色光照明(例如青島中科光譜的激光照明燈)。
圖1 2011年寶馬概念車推出的激光車大燈
圖2 激光照明應(yīng)用在汽車上
二、激光照明已經(jīng)有專利了嗎?
答案當然是肯定的,早在1970年的時候,SIEMENSAG申請人已經(jīng)在德國、美國、荷蘭、英國等國家布局了專利“Laser lighting system”,例如其美國的專利公開號為:US3688281A
圖3 US3688281A摘要附圖
這是一種方法和裝置,用于檢索信息從一個全息圖設(shè)置在列和行的矩陣。不過可惜的是激光照明一直未能被開發(fā)應(yīng)用。其實歷史上激光照明的研發(fā)一直在進行,但是相對來說顯得默默無聞,甚至有人稱,激光照明的概念比LED照明還要早,當然這也沒法考證了。
我們再來看看激光照明在中國布局專利的情況。
中國的激光照明專利布局稍微來得比較慢,原因可能與中國傳統(tǒng)照明的產(chǎn)業(yè)情況以及中國政府政策引導(dǎo)有關(guān)系,最早在激光照明領(lǐng)域內(nèi)申請專利的是1985年由田景華個人申請的“激光超高功率照明燈”,專利公開號CN85102745,不過審查員以違反能量守恒原理駁回了其申請,而后將激光應(yīng)用在照明上的就是中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所于1993年申請的“用半導(dǎo)體激光產(chǎn)生強照明的方法和系統(tǒng)”,專利公開號為CN1100187A。
圖4 CN1100187專利附圖
從2006年開始,中國開始有越來越多的個人和企業(yè)著手布局激光照明的相關(guān)專利,雖然數(shù)量不多(參考圖5),占主要地位的領(lǐng)域還是G02B27/09、G03B15/05,即光學(xué)元件、系統(tǒng)或者儀器和相機、電子閃光設(shè)備的聯(lián)合以及電子閃光單元在激光中的應(yīng)用,剩下的大部分集中在光學(xué)錄像、激光刻錄、望遠鏡等領(lǐng)域,因為在激光照明的領(lǐng)域上,研究尚少,不過近幾年在激光照明方面的專利開始增多,想在這個領(lǐng)域發(fā)展的可以考慮下哦。
圖5 激光照明專利技術(shù)構(gòu)成申請數(shù)量
圖6 激光照明專利技術(shù)構(gòu)成
圖7 專利技術(shù)申請公開趨勢(截止發(fā)稿前)
在未來10年,激光照明會否取代LED照明,這個我們無從完全準確預(yù)斷;诩す庹彰黧w積更小、結(jié)構(gòu)更緊湊、投射距離遠等特點,在某些領(lǐng)域可能確實會取代LED照明,比如車燈和顯示技術(shù)領(lǐng)域。但在普通照明領(lǐng)域,創(chuàng)新中心的知識產(chǎn)權(quán)工程師對激光照明在十年內(nèi)取代LED照明表示存疑。不過我們可以肯定的是,任何一個創(chuàng)新的想法都可能會是未來10年,甚至是20年,30年的行業(yè)機會發(fā)展方向,成為時代的大趨勢,值得我們對相關(guān)技術(shù)保持關(guān)注!
中國目前在激光照明專利申請的情況
我國關(guān)于激光照明的專利申請大概有425件,其中授權(quán)的發(fā)明58件,實用新型184件,排名前十的的專利權(quán)人如下:
山東神戎電子股份有限公司主要在激光照明的夜視儀的領(lǐng)域分部較多的專利申請,大部分專利都是圍繞夜視儀以及配件等分領(lǐng)域的較多;
其次是中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所,主要研究的激光在光學(xué)元件關(guān)于顯微鏡、望遠鏡等領(lǐng)域應(yīng)用的研究;還有就是排名第三的無錫亮源激光技術(shù)有限公司,其領(lǐng)域是關(guān)于激光照明器的自動變焦功能、帶溫控的風(fēng)冷激光照明系統(tǒng)、芯片制造的激光器以及部分的夜視儀等,目前看到公司的多個專利已經(jīng)質(zhì)押出去,可見其技術(shù)領(lǐng)域的專利是具有一定的商業(yè)性以及可開發(fā)性;深圳市佶達德科技有限公司、長春長光奧立紅外技術(shù)有限公司等都在激光照明的領(lǐng)域有所研究,并且也有一部分是關(guān)于智能控制等部分。
目前總體的技術(shù)構(gòu)成如下:
圖1 激光照明專利技術(shù)構(gòu)成
G02B27是光學(xué)元件、系統(tǒng)或儀器,G03B15 是攝影、放映或觀看用的裝置或設(shè)備;利用了光波以外其他波的類似技術(shù)的裝置或設(shè)備;以及有關(guān)的附件,H04N5 是圖像通訊,如涉及電視攝像機的。這個三個技術(shù)領(lǐng)域?qū)@纳暾堈剂思す庹彰骷s50%。
由上可知我國激光照明專利申請目前還是針對于專有產(chǎn)品的技術(shù)領(lǐng)域比較多,如夜視儀、顯微鏡、望遠鏡等,偶爾也有比較零散的專有特色的技術(shù),如無錫亮源激光技術(shù)有限公司的專利構(gòu)成。
我們再具體談?wù)勀壳凹す庹彰鲬?yīng)用得比較火的領(lǐng)域:汽車大燈。
如今,燈光與汽車已經(jīng)成為了密不可分的整體,汽車燈光的演變經(jīng)歷一個多世紀的技術(shù)沉淀,由最先的煤油燈開始,到電氣時代的鹵素?zé)襞荩诫瘹獯鬅,到LED光源,再到如今的激光科技時代。汽車燈光演變歷程也是標志著社會生產(chǎn)力一次又一次的改革和進步的縮影。初期的車燈存在很多的不穩(wěn)定因素,直到進入了電氣時代后才開始正式的投產(chǎn)應(yīng)用在汽車當中。近幾年車燈的科技含量也跟隨著車型開始大踏步的前進,代表著現(xiàn)行車燈技術(shù)最高水平的寶馬I8激光大燈也已經(jīng)步入了量產(chǎn)之中。
圖2 BMW I8 激光大燈
2012年寶馬股份公司在中國申請獲得授權(quán)的一項涉及激光照明的專利,專利號CN103765085B 用于機動車的照明裝置。
該照明裝置包括一個或多個照明單元,每個照明單元在運行中借助激光產(chǎn)生一個點狀光源,同時設(shè)有光學(xué)裝置,由點狀光源的光在通過光學(xué)裝置之后產(chǎn)生預(yù)定的光分布。借助該照明裝置可在小的結(jié)構(gòu)空間中以高精度或高效率形成光分布。解決由于LED的亮度相對小,在較小的結(jié)構(gòu)空間中基于LED的照明裝置效率不高,另外很難借助LED以高精度形成任意形狀的光分布。
首項權(quán)利要求描述中是這樣描述的:
用于機動車的照明裝置,該照明裝置包括一個或多個照明單元(1)以及包括光學(xué)裝置(6),每個照明單元(1)在運行中借助激光產(chǎn)生一個光源(5),光學(xué)裝置(6)這樣構(gòu)造并且相對于所述一個或多個照明單元(1)這樣設(shè)置,即由光源(5)的光在通過所述光學(xué)裝置(6)之后產(chǎn)生預(yù)定的光分布,其特征在于,所述光源(5)是點狀光源,所述點狀光源(5)在俯視圖中具有20μm或更小的最大延伸尺寸。
圖三 專利CN103765085B結(jié)構(gòu)圖
激光大燈響應(yīng)速度很快,并且亮度衰減弱,而體積又小,能耗低和壽命長等特點,使得激光大燈在很多方面都比剛商品化不久的LED大燈更具有優(yōu)勢。比如發(fā)光體直徑小,僅僅只有數(shù)微米,是常規(guī)LED燈的百分之一,理論發(fā)光效率卻遠高于LED燈60%。也就是說,兩者達到相同照明效果時,激光大燈能耗更低,從而節(jié)約電能。同時,LED大燈的發(fā)熱問題一直被詬病,因此需要非常復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。但激光大燈的的發(fā)光面積以及能耗就少得多,冷卻系統(tǒng)也變得相對簡單。
激光大燈具有許多優(yōu)點,而且激光器也早早在上個世紀60年代就已經(jīng)具有發(fā)明,但是因為激光本身也存在狹窄光斑與光線輸出(紅、藍、綠、黃)以及穩(wěn)定性不足的缺陷,再加上激光光源不容易形成片狀照射區(qū)域,可實現(xiàn)的顏色也非常有限等原因,所以直到現(xiàn)在才應(yīng)用在汽車照明上。
結(jié)語
目前雖然激光照明在中國布局的專利不算很多,而且激光照明存在價格高,技術(shù)不完善等缺點,但是在未來汽車照明,戶外照明領(lǐng)域中必定會有其一席之地,至于在其他照明領(lǐng)域則要看將來技術(shù)的發(fā)展。