光电显示 2.docx

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光电显示2

激光显示技术及其应用

摘要：

激光显示技术的革命性优势作光显示技术是以高饱和度的红、绿、蓝（RGB）三基色激光作为光源的显示技术。

其充分利用激光波长可选择性和高光谱亮度的特点，使显示图象具有更大的色域表现空间，色域覆盖率可达90%，可实现2倍于传统光源的色彩再现能力，色彩饱和度为传统显示的100倍以上。

最大程度地能展现人眼可以识别的色彩，真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。

同时，传统光源的属于泛光光源，光学发散角大，不利于照明系统的能量传输。

与灯泡光源和LED光源完全不同，激光具有优越的空间传输特性，亮度极高，在很小的芯片上可以实现高的光能利用效率，这样便可实现高画质的大屏幕及超大屏幕投影显示。

激光显示作为新一代显示技术，继承了数字显示技术所有优点，能够最完美的再现自然色彩。

本文简要介绍了激光显示技术的原理、优势、技术，并对激光显示技术的发展历史和现状作了介绍。

关键词：

激光显示技术、三基色激光、数字显示技术、技术进展

引言

激光显示，即以激光发生器为光源，在计算机的控制下，通过棱镜、转镜、衍射光栅、光路扫描器等各种光学设备将激光光束进行分光、转向、发散、扫描等处理，在幕体上显示出预定的效果、图案、文字或动画。

根据国际激光显示协会关于激光显示工业的定义，激光显示的应用主要有两种方式：

激光表演和激光效果。

激光表演以激光为主，并辅以灯光、烟火、喷泉、音乐等，主要表现激光的特殊效果。

如新加坡圣陶沙的激光音乐喷泉，成为当地旅游的一大景点。

激光效果与前者相反，激光的演示只是为了辅助主题而提供激光的特效，如用激光显示系统作舞台背景灯光。

这两种方式在功能上各有侧重，但在系统原理上是一样的。

激光显示技术在色彩方面成为第四代显示技术，从颜色发展演变史首先显示技术从黑白逐渐发展到彩色显示，在彩色显示基础上融入信息技术的发展和数字技术的发展，现在数字显示解决了解析度问题。

激光显示技术一方面高分辨，另一方面颜色的表达能力远远超过现在的所有显示器件，给人们一种全新的色彩体验。

激光显示光色纯正，能量集中，系统方便地被计算机控制，能表现出应时应景的主体内容和艳丽奇特的效果魅力，其应用的场合非常广泛。

如城市建设、舞台灯光、盛大集会、迪斯科舞厅、俱乐部、展示会、太空馆……

激光光源在投影仪，包括数字影院的应用，未来市场的显示技术由将逐渐由气体发光光源向固态发光光源发展，激光光源将成为未来的主流[1]。

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，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。

激光显示技术是高技术密集型的技术，包括半导体材料发展，激光技术的发展，以及微电子工业和整机制造等一系列产业链。

目前我们国家在激光显示技术方面和国外差距是非常小的。

一激光显示技术基本原理

1.1基本物理原理

激光显示技术以红绿蓝三基色激光作为显示光源，与原有的阴极射线管（CRT）、液晶（LCD）和等离子体（PDP）等显示技术相比，在显示系统工艺构成上取得了光源升级换代的重大发明，在色度学方面实现了重大突破。

由于激光为线谱，色饱和度高，色彩鲜艳；又由于激光谱线丰富，可以选择实现大色域显示，因此可显示超过CRT、LCD和PDP两倍以上的色彩，解决显示技术领域长期以来悬而未决的大色域色彩再现的难题。

所以，激光显示技术能够最完美地再现自然色彩，是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的第四代显示技术。

激光全色显示技术以红、绿、蓝激光为光源，其工作原理如图1所示：

红、绿、蓝三色激光分别经过扩束、匀场、消相干后入射到相对应的光阀上，光阀上加有图像调制信号，经调制后的三色激光由X棱镜合色后入射到投影物镜，最后经投影物镜投射到屏幕，得到激光显示图像[2]。

图1激光全色显示工作原理图

1.2技术实现方法

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。

举例：

直观式（点扫描）电视激光显示

基本结构

RGB激光光源

激光调制

扫描投射系统

图像变换光学系统

光导传输

电子控制和软件

显示原理：

外部视频/PC信号被分解为三原色经颜色转换后调制三束激光的强度；被调制的光信号经过光缆传输到扫描系统，激光束被偏转（行扫描：

转镜，帧扫描：

振镜）投射到屏幕上，“写”出图像。

1.3激光显示技术优势

（1）寿命长、光学衰减慢、散热小低衰减、冷光源特性、

（2）激光色度极纯、RGB纯色激光可实现高色域

（3）电压低、不炸灯、使用寿命长。

无汞污染

（4）功率反馈控制系统、色温、亮度精确可调、利于大屏幕拼接

（5）无需加装风扇散热通过光纤实现光机分离

（6）长久高画质、色彩最亮丽、安全免维护、单机高亮度、使用无噪声、真正数字化【3】

二激光显示技术的研究进展

2.1技术进展

2006年10月南沙慧视通讯科技有限公司在广州展示具有自主知识产权的激光电视可以自由裁量显示画面大小。

2007年5月25日北京中视中科光电技术有限公司在第十届中国北京国际科技产业博览会上首次推出304.8cm英寸全球最大屏幕激光电视。

这些科研成果标志着我国进入国际激光彩色显示技术开发的先进行列。

在激光全色显示技术领域,我们国家拥有较高程度的自主知识产权,具备在该领域实现产业化重大突破的良好基础[5]。

2.2各种技术的优劣比较

（1）激光阴极射线管LCRT（LASERCATHODERAYTUBE）

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。

激光面板：

半导体材料的两面与镜面相邻接，从而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。

单片半导体是由宽谱带间隙的II-VI族单晶化合物（如ZnS、ZnSe、CdS、CdSSe、ZnO等）构成的。

通过选择合适的材料，完全可以获得可见光谱上的任何一个波长。

为了减少损耗，激光腔只有几个微米厚。

激光面板预计能承受长时间的高能电子束轰击，达到10000至20000小时的寿命。

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。

（2）激光光阀显示

基本原理是激光束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。

激光光阀显示的优点是清晰度极高。

它是利用激光束对液晶进行热写入寻址。

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。

另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。

擦除过程是：

用电擦除法，即在液晶层上施加高于条件阈值（约70kV/cm）的高电场E，使之反加到初始的透明结构。

这种擦除方式速度极快，已被广泛使用。

（3）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。

点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【3】

2.3商业化前景

激光显示在2005年就被列入了国家中长期发展规划，并成为一项重点技术，激光显示技术2006年被信息产业部评为“总体技术世界先进、关键指标世界领先”。

在2003年，RGB三基色激光器研发初步完成，推出激光显示原理样机，至2005年推出60英寸、80英寸、140英寸激光电视样机，2006年通过信息产业部的鉴定，推出200英寸前投影样机，2007年完成40平方米投影屏幕激光数字电影放映机样机。

为了推动激光显示产业快速发展，中国科学院光电研究院于2006年联合民间资本成立了“北京中视中科光电技术有限公司”，致力于实现激光显示技术产业化。

公司由多名院士、行业专家担当技术及战略顾问，为激光显示技术的产业化发展提供全方位支持。

在激光全色显示技术领域，我国拥有完整自主知识产权链，具备在该领域实现产业化重大突破的良好基础。

激光全色显示技术产业化项目的顺利实施，可以充分发挥我国在电子、电器制造业的优势，同时也将在创意产业、信息产业方面起到引领作用，带动全国相关行业的快速发展。

激光显示产业上游行业包括：

新材料、激光器、精密加工、影像标准；下游行业包括：

多媒体公共显示屏、大屏幕指挥系统、数字电影、家庭影院、移动影像等。

发展激光全色显示产业将最终成就一个新的高科技产业群。

目前激光显示技术相关专利156项中国目前已经拥有48项。

2007年8月10日中视中科的激光显示投影设备安装进奥运大厦。

显示产业是信息产业的重要组成部分，在显示产品的升级换代中处于被动局面；光电研究院的科研团体系统地研究了激光显示的关键技术问题，自主提出了包括激光光源模组、匀场整形照明系统、消相干技术和系统集成的4大技术解决方案，形成了具有鲜明实用化特色的专利技术，构建了完整的知识产权体系。

通过自主创新和系统优化集成，光电院研究团队2006年5月7日成功集成出200英寸激光投影显示工程样机，标志我国在主流的投影式激光显示技术领域已具备产业发展的技术基础。

2006年7月中科院光电研究院以知识产权和专有技术投资的方式，通过产研结合的模式与社会资本合资成立“北京中视中科光电技术有限公司”（以下简称“中视中科”），产研联合、优势互补，开展激光显示光源模组的研发、生产、销售业务，为电视机、投影机、放映机等终端产品生产厂家提供关键核心模组和激光显示技术整体解决方案。

2007年5月，中视中科在北京市永丰产业基地建成我国第一个激光显示示范基地，可满足激光显示技术核心模组研发与生产、激光显示系统集成、调试的要求，具备开展激光家庭影院和超大屏幕显示系统的集成条件。

目前激光显示的发展更重要的是产业化问题，不仅仅要关注技术研发等前端问题，更要关注市场的应用问题，关注产品的可靠性问题，关注企业的资本运作、销售推广、服务等后端问题。

我国通过多年研究积累，已经在激光全色显示技术领域拥有较完整的自主知识产权链，特别是在全固态三基色激光、匀场、消相干、激光显示等关键器件和整机技术方面均有自己的专利保护，具备在该领域实现产业化重大突破的良好基础。

我国专利占世界专利总数的30％，涉及到激光显示的主要关键环节，在激光器件、匀场、消相干和整机技术占有优势；其中，本工程投标单位拥有国内激光显示专利的75％以上，在国内激光显示领域居于绝对领先的地位[8]。

激光显示被认为是“一次显示领域的革命”，具有每年500亿美元以上的市场前景。

SONY、三菱电气、精工爱普生、三星、德国欧士朗等国际产业巨头正在加紧激光显示技术和产品的研发[9]。

目前，国际激光显示技术已发展到产业化前期阶段，2007年-2009年是激光显示技术以行业应用为主的示范期，这一时期核心材料与器件的工业化生产和配套产业的完善以及争夺先期市场成为当前的发展重点，同时要完善产业链、形成专利池和国家标准，未来几年将是全球激光显示技术产业化发展的关键时期。

三未来的激光显示技术

3.1未来的激光显示技术

第一个发展方向：

就是高功率，高亮度。

固体激光已经做到万瓦功率了。

但同事可能会有两个基础问题：

第一个随着激光技术的提高，光的质量不会跟着提高，甚至于激光功能提高到一定程度的时候，光的质量是下降的，这样就不能保持激光的高亮度。

在这个方面也开展了很多研究，就是怎样高功率和高光子的质量同时达到；还有一个问题，激光材料也需要有所创新，要解决破坏的问题。

要解决这个问题，现在最新的是陶子激光，也正在发展当中。

第二个发展方向：

激光是可调节的。

一个是朝宽频段发展，还有一个是长波，现在已经做到了中红波段，像亚毫米波，甚至于毫米波。

现在是朝两极方向发展。

刚才我介绍的深紫外频谱仪是朝短的方向发展。

第三个重大发展方向：

是产业化就是一致性，成批量的产业化。

为了更大地发挥支撑作用，把已有的激光向产业化方向去发展，降低价格，批量生产，提高性能。

值得指出的是半导体激光器，它可以提高效率，从4、50%提高到7、80%。

第二个是它可以提高亮度。

第四个发展方向：

防线是朝可见波段发展，最早的激光器都是红外的，或者是近红外的，现在蓝光板的已经出来了，如果蓝光板出来的话，DVD的光盘存储率会成倍的增长。

从激光本身来说，原理问题已经解决，但是它应用前景非常大【6】。

四结论

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。

我国显示产业要进入良性发展循环，就必须依靠自主创新的核心技术和关键技术，实现技术和产品的跨越发展。

但从显像管到液晶、等离子，作为继黑白、彩色、数字之后的第四代显示技术，激光显示技术正悄然兴起，为我国显示产品自主创新带来了难得的新机遇。

激光显示目前正处于大规模产业化前的技术和产品研发竞争阶段，尚未形成垄断性的国际分工，也尚未形成垄断性的技术标准，这也为我国激光显示产业的发展留有难得的空间。

环保节能已经成为了全球各国政府共同的使命，

同时环保节能理念日益成为国家与国家、企业与企业生产制造能力竞争的重要手段之一。

中国的显示产业若要改变核心技术缺乏与环保规则双重困扰的局面，发展具有环保节能及自主知识产权的新一代显示技术。

参考文献：

[1]阎吉祥，崔小虹，高春清.激光原理与技术[M].北京市：

北京工业大学出版社，2005

[2]我国激光显示1激光显示技术概述[EB/OL].

[3]激光显示技术简介

[4]《三明高等专科学校学报》1998年02期

[5]激光显示技术原技术的现状[EB/OL].，2008-08-29

[6]未来的显示技术--激光投影

[7]屈伟平.激光显示技术掀起色彩革命[DB/OL].，2010-02

[8]毕勇.激光全色显示技术[DB/OL].中国期刊全文数据库