激光在显示技术中的应用

2022-09-10

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, 现有的显示器的色彩重现能力很低, 其显色范围仅能覆盖人眼所能观察到的色彩空间的33%, 而其他67%的色彩空间是数字显示技术和现在已有的显示技术都无法重现的。因此, 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。

在这里我们首先了解一下激光产生的基本原理。激光即受激辐射产生的光, 首先是通过激励能源即泵浦 (bump) 源激励工作物质实现粒子反转, 使工作物质处于激活状态, 就是粒子很容易产生跃迁的一种状态, 当光经过这种被激活的工作物质时, 会激发更多的光子, 光在谐振腔里面经过多次反射不断增强, 达到一定阈值条件后, 产生激光输出。

激光的特性如下。

(1) 方向性。

激光束基本上是沿着激光器光轴所确定的方向向前传播的, 除了半导体激光器, 一般的激光器的发散角都很小。

(2) 单色性。

由于激光的发光频率ν=△E/h, △E为两能级之差, 所以它的线宽极小。众所周知, 色彩的表现主要取决于RGB三基色的纯度, 而激光的高单色性决定了通过激光能最完美地再现自然色彩。

(3) 激光的相干性。

激光的频率、振动方向、相位高度一致, 使激光光波在空间重叠时, 重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉, 所以激光是相干光。而普通光源发出的光, 其频率、振动方向、相位不一致, 称为非相干光。

(4) 高亮度。

光在谐振腔的多次反射过长中, 经过处于反转状态的工作物质, 光能量不断加强, 所以激光的亮度可比普通光源高出1012~1019倍, 是目前最亮的光源, 强激光甚至可产生上亿度的高温。

正是由于激光有着这些特殊的性质, 使得激光在工业、医疗、军事等方面有着非常广泛的应用。激光在显示技术方面的研究早在1960年激光发明以来就开始了。1965年美国Texas公司发表了525行单色激光扫描显示。1968年美国通用电话电子公司发表了525行彩色扫描显示技术。同年日本日立公司展出了525行彩色扫描大屏幕 (3×24m) 显示。1970年中国科学院物理研究所采用转镜扫描、电光调制技术, 研制成62吋彩色激光电视, 成功地显示了中央电视台播放的样板戏节目。1973年日本NHK公司和日立公司发展了1125行高分辨率激光彩色显示技术。在上世纪80年代末, 激光显示技术就已进入我国863计划。2002年我国在该技术领域实现重大突破, 推出全固态激光显示原理样机, 2003年研制出60英寸背投激光显示机, 之后又相继推出84英寸和140英寸大屏幕激光显示样机。2006年10月中科院光电研究院与民营资本结合组建了中视中科光电技术有限公司作为激光显示技术产业化研发平台。

激光在显示技术的应用可以分为两种:一种就是投影, 利用激光作为光源, 把像投射到屏幕上, 从而实现图像显示。另一种就是扫描: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, 如图所示。激光全色显示产品的优点是:色域空间大、色彩丰富、色饱和度高, 其颜色表现力是目前传统电视的2倍以上;其次, 光源寿命长、维护费用总体使用成本低, 激光光源完全打破传统光源的电光转换模式, 寿命可长达10年, 是传统光源寿命的10倍~20倍;第三, 生产装备投资规模小, 激光显示产品生产装备的投资, 可以从几千万美元到几十亿美元分期投入;第四, 环保节能, 功耗仅是传统电视的1/3, 非常符合节能减排的国策, 另外激光光源生产过程中不使用对环境有威胁的重金属材料, 属环境友好型光源;第五, 成本下降潜力大, 随着产业规模的扩大和新技术的采用, 将对激光显示系统设计产生革命性的变革, 在提升显示器件品质的同时大大降低成本如图1。

目前激光显示技术在中国已经完成了在实验室的研发阶段, 但产业化还没有实质性进展, 我国在生产设备、人员规模等方面已经落后于发达国家。中国目前有很多的研究成果都走在国际前列, 但一涉及产业化就不行了, 主要原因是资金投入的问题。国家的资金不够, 企业又没有投入, 技术便被搁置。随着政府部门、企业的重视民营资本的投入, 众多专家、学者的参入相信在不远的将来我们会看到我们自主研发生产的激光电视。

摘要：本文结合激光的原理、特性, 论述了激光在显示技术方面的优越性, 简要介绍了激光在显示技术中的应用原理, 分析了激光显示技术的发展状况及实现产业化的前景, 最后针对激光显示技术未来在我国的发展及产业化作出了总结。

关键词：激光,显示技术,激光电视