浅谈激光显示技术

来源:快资讯    关键词:激光显示, 图像, 激光光阀,    发布时间:2019-06-20

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随着社会的进步 ,人们对图像显示方面的需要飞速发展。由于激光自身具有亮度高、单一波长等特有性质 ,与其它显示方式相比较 ,激光显示技术(LDT) 受到人们更多的关注。该技术以其色域宽广、亮度高、饱和度高以及可以更真实再现自然界多姿多彩的颜色世界等优点 在第二代显示技术革命中成为人们研究的热点。


自从 1965年美国 ZENITH 无线电公司研制出了第一台激 光彩色显示器 (该系统光源为 Kr2Ar 激光器 ,调制和扫描采用声光扫描器 ,图像分辨力可达340 l)以来 ,激光显示技术已经发展了几十年。早期的激光显示应用氦氖激光器致使光束能量利用率非常低,加上庞大的水冷系统 ,体积非常笨重 ,各国的激光电视都停留在试验阶段 ,无法实用化真正投入市场。近些年随着固态激光器的发展 ,相继发明了各种颜色、能量达到瓦级、体积小巧的固态二极管泵浦激光器(Diode Pumped La2ser) ,激光显示技术得以迅速发展。 在国际上 ,美国、德国、韩国等国家相继开展了激光显示的研究 。在国内 ,我们应用红、绿、蓝三色固体激光器,根据三基色原理 ,已经制造出国内第一台激光显示样机。下面将针对什么是激光技术,它的分类、显示原理,及其优于其他显示技术的方面,还有国内外这这个领域上的发展历史极其未来发展趋势进行介绍。



一、 激光显示技术

激光显示技术是继黑白显示、标准彩色显示和数字显示后的下一代显示技术,是显示技术的一场革命。激光显示以激光为光源,充分利用了激光波长可选择和高光谱亮度的特点,因此显示图像具有更大的色域,其色域覆盖率可达荧光粉的2倍以上,可达到人眼所能识别色彩空间的90%以上,而且具有很高的色饱和度。激光电视利用半导体泵浦固态激光工作物质,产生红、绿、蓝3种波长的连续激光作为彩色激光电视的光源,通过电视信号控制三基色激光扫描图像。激光显示系统由激光器、调制器、光偏转器和屏幕等组成。系统接收到视频信号后,从信号中分离出红、绿、蓝三色图像信号和帧同步信号。经过处理,三色信号控制三色半导体激光二极管行阵列,使之发出相应强度的光,经合色器调制输出,在帧同步信号的控制下,通过光偏转器,实现光束扫描,射到接收屏上,形成图像。红、绿、蓝激光器是彩色显示的三原色光源,与荧光光源相比,光束质量和效率更高,没有荧光光源产生的绿影和白炽光源产生的黄影,可实现三原色的平衡。


激光显示的产业链很广,包括半导体、人工晶体、光学冷加工、图像引擎、数字信号处理、整机集成技术等方面。具体说来,化合物半导体及封装、激光泵浦源、人工晶体、激光器等产业链构成了激光产业,也就是激光显示的上游产业。应用于显示领域的激光器和激光光源整合处理技术以及光学引擎技术、光机制造,为激光显示的中游,是把激光产业与显示产业联合起来的关键环节。显示终端的制造企业,比如投影机和电视等为下游产业。


二、 激光显示技术的分类

(一)是激光阴极射线管LCRT(Laser Cathode Ray Tube),基本原理是用半导体激光器代替阴极射线显像管的荧光屏来实现的一种新型显示器件。1964年尼古拉·G·巴索夫博士(诺贝尔物理学奖获得者)提出用电子束激发半导体导致受激发射或得到激光的设想。60年代中列别捷夫物理研究所在液氦温度下实现了绿光的发射。直到近年来才研制出几种主要颜色的室温下工作半导体材料。1999年,Principia Optics Inc公司获得4.5万伏阳极电压下能在室温下工作的红、绿、蓝激光CRT样机,完成了商业化的第一步。LCRT的工作原理除了用半导体激光器代替荧光面板外,激光CRT实质上就是一个标准的投影用阴极射线管。半导体材料的两面与镜面相邻接从面形成一个激光器的谐振腔,并与一片衬底相结合从而形成一块激光面板。用电子束扫描激光面板时,在电子束轰击到的地方就产生出激光来。这种激发的物理机制和荧光CRT相似,只是产生的是激光而不是荧光。LCRT的分辨率能够做得很高,在CRT电流为2mA时,电子束直径为25μm,其激光束直径略小于电子束斑直径为20μm,目前激光面板的光栅尺寸为40mm×30mm,它可以给出2000×1500个像素。目前正在向真正的影院放映质量的方向努力。LCRT同时也是一种理想的影院放映光源,它不会产生损害胶片的红外和紫外强光。预期可以延长胶片的放映寿命,所以可以做为兼容的数字/胶片放映机。


(二)是激光光阀显示,基本原理是激光速仅用来改变某些材料(如液晶等)的光学参数(折射率或透过率),而再用另外的光源把这种光学参数变化而构成的像投射到屏幕上,从而实现图像显示。激光束写入原理为:把介电各向异性为正的近晶相液晶夹于两片带有透明电极的玻璃基板之间(其中一片玻璃基板内涂有激光吸收层),构成液晶光阀。把聚焦约为10μm的YAG激光束照射到液晶光阀上,被吸收膜吸收后变成热能并传给液晶。于是照射部分的液晶随温度上升,从近晶相,经由向列相变成各向同性液体。当激光束移向他处,液晶温度急剧下降,出现由各相同性液体-向列液晶-近晶相的转变的相变过程。由于速冷作用,相变过程中形成一种具有光散射的焦锥结构,这种结构一直保持到图像擦除。别一方面没有照射部分的液晶仍为垂直于表面取向的透明结构。这样通过对激光束的调制和扫描,便可在整个画面上形成光散射结构和透明结构的稳定共存。 (三)是直观式(点扫描)电视激光显示,它是将经过信号调制了的RGB三色激光束直接通过机械扫描方法偏转扫描到显示屏上。直接激光扫描激光电视利用了激光器的色纯度高,色域比一般彩色电视大的特点。显示的图像色彩更加鲜艳、逼真。直接扫描方式与光学系统成像不同,无聚焦范围限制,可以在任何反光物体上显示,所以可以在建筑物上,水幕上(水幕电视),烟雾上(空中显示)等特殊效果。


三、激光显示关键技术

从光源产生的手段上五花八门,在显示方式上也是各有不同,有走投影技术路线的,也有走扫描技术路线的。经过二十年的研发,可以说目前基本上大家在技术发展方向上逐渐地认识趋于统一。在大屏幕显示方面,比如大屏幕的投影或者电视领域的应用,投影方式的技术路线已经被业界主流所看好。扫描式的目前是在一些手机的显示方式,或者大型的微平面的屏幕上进行显示的主要应用。


研究了国内外的研发现状,在2010年前后正是产业化前期的阶段,这个阶段重要的是通过产业的示范,目前看到了索尼公司、三菱公司都在不断地对出样机,来试探市场对这个技术的反应。一方面,通过这种产业的示范,要培育一个成熟的产业链。另一方面,积聚专利,在技术标准上要达成一个共识,这样在产业的规模化生产来临之前,为大规模的产业做铺垫。德国的一家传媒的报道对激光显示未来的市场做了预期,他们认为在不久的将来,激光显示市场将达到每年570亿美元的市场规模。



激光显示技术整个的系统构成,首先,激光显示技术的核心问题是光源问题,在光源的产生过程中,主要是走光电子的技术路线。首先是通过半导体的生产工艺,设计出半导体结构,然后通过(MOSD)外延出半导体的(声源),通过这个解体成(半路儿)芯片,结合起来,产生红、绿、蓝三色激光,经过光束的整形、匀场、消相干等一系列复杂的光学处理之后,输入给显示系统,通过显示系统把它作用出来,形成电视或者其它进行应用。


激光光源与目前传统的光源完全不同,主要是从几个方面,首先是在光谱程度上,它的光谱宽度远远小于一个半米,这样高的光谱程度的光,在整个颜色系统管理以及控制方面是与我们过去的灯泡光源或者是荧光粉光源产生的控制手段都不同。另外,激光的亮度极高,它可以容纳万瓦以上甚至十万瓦的光的强度。第三,方向性极好,在空间上传输的与一般的光源的发光特性是完全不一样的。这样一个光源在照明方式以及光束控制方面光学系统设计对我们已有的照明方式发生一些革命性的变化。同时,激光光源的偏振度极好,有上千米的偏振度,这样的偏振度对于LCD这样与偏振相关的显示技术来说,可以极大地节省原材料,而且它的对比度比目前的偏振度要高得多。与灯泡光源和LED光源完全不同,激光光源由于光学的特性,在很小的芯片上可以实现高的光能的利用效率。这张图横坐标是芯片的尺寸,纵坐标是光能的利用。灯泡光源的照明利用随着芯片尺寸的减小,它的光能的利用效率是比较低的。



对于激光来说,基本上可以保持不变,原因就是激光的方向性好。对比了一些应用,比如在微显背投或者投影机或者电影放映机来说,即使对于电影放映机这样一个庞然大物来说,如果要是作为一万的显示的话,所需要的激光的光功率也不过是140瓦,如果激光器件发展得足够好的话,它需要耗的电功率只有2500瓦,如此低的功耗和高的效率,实际上是扩展了高能源数,大屏幕的显示在各种应用场合或非应用场合的应用。


四、激光显示的优势

完美的自然色彩  显示产业是现代高技术产业的重要组成部分,也是现代信息社会发展的重要基础产业。显示技术在经历了黑白显示、彩色显示到数字显示之后,已经完成了向高分辨、数字化的转变。但是,目前显示产品的色域空间仅能覆盖人眼所能识别色彩空间的31.8%,难以真实还原自然色彩,这已经成为进一步提高显示质量的重要障碍。激光显示作为新一代显示技术,在继承了数字显示技术所有优点的基础上,以高饱和度的红、绿、蓝三基色激光作为显示光源,解决了显示技术领域长期难以解决的大色域色彩再现难题,其色域可覆盖接近90%人眼可识别色彩,从而最完美地再现自然色彩。2009年5月19日,第十二届科博会在北京国际展览中心隆重举行,北京中视中科光电技术有限公司展出了自主研发的65 in激光电视。其色彩空间、色彩饱和度分别是传统电视显示标准的2倍和100倍。


2、高品质的图像  新的图像再现技术充分利用了激光本身的优点。在光的传播方式上,激光光源与传统的白炽灯有着本质上的不同:普通白炽灯的光线向所有方向发射,而激光器将所有的光线都聚集在一个平行的光束中。此外,激光放映机比传统放映机能够表达更大的颜色范围,提供更加清晰的图像。高清晰度使得激光放映机能够用于传统放映机不适用的一些领域。当前普遍采用的带卤化物灯的传统放映机不能随意向房间四处投影,因为放映镜头只能补偿非常小的失真,因此原则上放映机应该在放映轴线附近,一般位于房间的中央。无论激光以垂直或水平角度照射银幕,效果都是一样的,没有失真。即使是怪异的投影几何结构,比如一个拱形银幕,甚至一个圆形屏幕,激光投影在任何地方都不会产生模糊不清的现象。激光放映机的这种特性为环形放映开创了—个美好的前景。在实际应用中,激光技术还有其他许多优点:小巧紧凑的放映头可以与激光单元分开;激光单元可以隐藏在房间内,只将小的放映头露在外面;由倾斜放映而产生的失真可以非常简单地校正等等。 3、环保节能  激光显示作为新一代的显示技术具有卓越的低能耗特点。如果要显现60 in的图像,激光合成白光的功率一般需要20 w就足够了,若按发光效率10%来计算,整机功耗只有200 w左右,而目前一般的投影产品显现60 in的图像,功耗应该在700 w ~ 800 w(200 w左右的功率是激光在量产后得到优化的情况下实现的功率,目前因没有实现量产,尚未达到这一水平)。在平板显示领域,目前液晶电视、等离子电视的市场发展空间很大,如果平板电视应用激光显示技术,其功耗可以降低1/3甚至1/2。以1 000万台平板电视每天工作4小时计算,年耗电共计29亿度,如果这些家庭采用更节能的激光电视每年将节电20亿度,近于几个大型火力发电厂年发电量的总和,相当于每年减少173万吨二氧化碳的排放。激光显示的核心部件在生产过程中不使用任何重金属,没有废水、废气、废物排放,是名副其实的环境友好型显示光源。 4、应用范围更广  激光显示技术不仅可以进入现有的激光电影机、激光投影机、激光背投电视、激光背投拼接墙等显示产品市场,应用于家庭影院、大屏幕指挥显示系统、公共信息大屏幕、数码影院、家庭影院、飞行员模拟训练、水幕成像表演等领域,而且能够创造出新型显示产品市场,如激光微型投影、激光投影手机、激光三维立体显示等。


五、激光显示技术的发展历程

激光器发明不久,人们就开始了激光显示的研究,1996年以前使用气体激光器为光源,实现了扫描式激光全色显示,但因气体激光寿命短,效率低,体积庞大而不能实用化,近年来,由于半导体激光器(LD)和LD泵浦的全固态激光器(DPL)的快速发展,打开了激光显示技术向产业发展的大门。国际上德、日、美、韩等国均投入大量人力物力进行全固态激光显示技术的研究。国际显示巨头已认识到"一次显示领域的革命"的到来。国际上如日本Sony,三菱电气、精工爱普生、韩国三星、美国德州仪器、德国欧士朗、耶拿光学等巨头正在加紧该技术的研发。


目前,国际激光显示技术已发展到产业化前期阶段,核心关键技术的工业化和配套产业的培育以及应用示范成为当前的发展重点。未来5~10年是全球以及我国激光显示技术产业发展的黄金时期也是关键时期:一方面未来十余年间,目前的主流平板显示技术将面临产业的新一轮升级换代,市场前景广阔;另一方面激光显示关键技术已经得到初步解决,我国也已经拥有和掌握了部分自主创新的核心技术和知识产权,总体技术国际先进,色域覆盖率等关键技术国际领先,优势显著。在国家863计划"八.五"、"九.五"和"十.五"的持续支持下,以及中国科学院知识创新工程和北京市政府的支持下,中国科学院坚持自主创新,优势单位密切合作,由中国科学院光电研究院组织,各单位共同努力,在激光全色显示领域取得了重大进展,2002年9月在国内首次实现全固态激光全色显示,目前已研制出60英寸激光家庭影院、84英寸及140英寸大屏幕激光显示样机,并且在2006年5月研制成功200英寸大屏幕激光显示工程样机,形成的色域国际最大,可显示世界上最丰富的色彩,总体水平与国际同步,具有自主知识产权,多项成果达到国际领先、先进水平,在晶体材料、全固态三基色激光、激光显示等关键器件和技术方面均有自己的专利保护。 我国已具备自主发展、逐步实现产业化、建立激光显示民族产业的条件。激光全色显示将成为未来高端显示的主流,在公共信息大屏幕、数码影院、家庭影院、飞行员模拟训练、天文观测、大屏幕指挥显示系统、水幕成像表演以及个性化头盔显示系统等领域具有很大的发展空间和广阔的市场应用前景。现在我们正按照中科院院长路甬祥院士"激光显示是显示技术的跨越式发展,应当逐步实现产业化" 的指示,努力降低成本,提高可靠性,使激光显示早日进入市场。2008年奥运会我国将以"绿色奥运、科技奥运、人文奥运"三大理念向全世界展现中国改革开放二十年成就和中国人民自强不息、奋发有为的精神风貌,也为激光显示技术的创新发展提供了历史机遇。以大屏幕激光投影显示系统MOC指挥系统应用为契机,扭转我国前三代显示技术"无自主知识产权,受制于人"的被动局面,占领未来显示的主流市场。


六、激光显示技术发展现状

采用激光光源与传统光源来比,比如超高压汞灯或者氙灯,在一切方面都有一定的优势。首先是在色域方面,激光光源的色域可以做到两倍以上的色域标准,事实上已经实现了223% NTSC。用激光的光源可以实现红、绿、蓝三色独立动态控制,这样的话对于更高对比度的获得是有潜在的优势。这和灯泡光源是显著的不一样,灯泡光源是整个白光光阻,要么是一起亮,要么就一起暗。


第三方面是激光光源的寿命极长。对激光寿命的定义是将它的功率降低到80%,是到寿命了。从显示的角度来说,一般是一半的光输送是寿命。在激光的寿命中,激光的寿命目前已经超过两万小时,如果按照显示领域的目标,对亮度或者灯光源的寿命来对比的话,应该说超过十万小时已经是没有问题了。第四方面是灯光光源扩展非常小,它非常有利于在小尺寸的芯片上实现高的输出。同时,可靠性也高。另外,激光的偏振特性以及它的高的光谱成色,有利于减少光学组件,降低成本。所以,激光在显示技术中的应用有一切的优点。 正是这样,目前激光显示技术得到了快速的发展,虽然现在还没有产业化,但是国际上一些大的公司对这个技术的研发,据了解是非常积极的。日本由政府组织,著名跨国公司参与,全力研发新一代显示技术:索尼(SONY)2005年首先成功研制出出一个6平方米的投影显示系统。在2005年的(艾格世博会)上,它利用这一技术通过拼接的办法,实现了一个五百平方米的超长激光显示系统;另外,索尼还专门为了这个激光影院搭建了一个巨大的建筑,当时成为世博会最大的亮点,也是索尼公司展示在未来技术中领先地位的重大举措。 三菱电气在2006年推出了激光缩影电视,同时在2006年宣布,大概在2008年前后把激光投影背投电视投入生产。精工爱普生公司与美国Novalux进行战略合作,计划预计在2012年前后将激光电视推入家庭市场。 另外,还有德国的OSRAM公司获得美国相干公司(Coherent)的激光技术授权,相干公司是全球激光领域当中最富盛名的一家公司,激光技术全球领先,目前把激光技术授权给德国OSRAM,德国OSRAM把它进行工业化的开发,满足批量化的生产要求,用于激光显示领域。韩国的三星电子在06年到中科院进行科学院和三星电子之间的技术合作、交谈,韩国三星副会长带着韩国的一个团队参观了我们实验室的情况。韩国三星电子对于激光光源显示系统的应用寄予的厚望,预计在3-5年之内将激光显示推向市场。但是市场不是以电视为目标,而是以微小型显示和便携式的显示作为主要市场目标。在2007年的2月份,日本电子信息产业情报协会所属的颜色管理委员会制订了新的颜色标准,目前已经通过了NEC的认证。这个新的颜色技术标准就是基于激光显示提出了一个新的显示规范。日本的策略是,先定制色域作为最新标准,然后由激光这个光源的电视产品符合最新的色域标准,形成一个闭环。从目前来看,国际上有索尼、三菱、爱普生、东芝、三星、OSRAM、相干公司、耶拿公司,包括松下都在开发激光光源的显示技术。可以说,背光电视潜在的竞争就是下一个显示光源在现实系统上的应用,竞争是相当激烈的。追溯激光显示技术的历史,激光显示的概念,在上世纪六十年代激光一出现就已经存在。但是由于当时产生的激光气主要是气体激光气,体积大、寿命短、效率低,这样的话显示技术应用领域的研究,包括发展受到了很大的限制。直到上世纪九十年代,也就是1996年之后,由于全固态激光器性能的大幅度提升,实现了高功率、小型化、长寿命的技术,重新燃起了产学界对激光光源在显示领域应用的研究热情。 可以说,一直到2000年前后,都是处于研发的阶段。在这个阶段,各种各样的技术都被国内外的研究机构广泛地尝试,包括光源的产生,也有从半导体直接变成的,也有通过全固态激光产生的,也有通过电子束激发半导体器件产生激光的。


七、激光显示发展趋势

激光光源可以说与LCD光源和其它显示方式来说有很多的特点。首先,黄色的都是它的优势,亮度提高是数倍于现在的LED或者氙灯。在光度宽度上和色彩饱和度上面是极强的。激光的电光效率来说,激光的电光效率严格来说可以超过20%,这样的电光整合效率虽然现在还没有做到,但是理论上是可以实现的,达到了这样一个高的电光整合效率,无论是在成本还是在器件的可靠性、体积以及功耗都会大幅度的改善。


在照明效率上更高,由于激光的方向性好的特点,它完全可以达到80%以上效率。在效率方面它是2万小时以上的寿命,在目前激光光源在显示当中的应用最大的问题是成本问题。所以,下一步国际上的显示技术的发展,一定首先是要解决光源的问题,把一体化RGB光源发展起来,大幅度降低成本,提高系统集成度。同时,要研究光学的模组,集成化光学模组,匀场消散斑模组,以标准的模块提供给系统集成商或者终端厂商,用这样的器件来完成整个系统构件,以产业和市场合作。激光显示技术未来的发展,我认为它将会成为多平台应用技术,其大色域、高效率、长寿命等优点将为显示技术的发展提供一个新的选择。激光显示将来的应用领域包括在手机的显示上,便携式的投影机以及背光电视甚至影院,可以广泛的应用于市场。而且中科院最近也在考虑如何将激光光源应用于液晶电视照明,把新型的光源与当前的主流电视技术相结合。