激光顯示技術(shù)簡介課件

激光顯示技術(shù)簡介Sang

JianMech.

Design

PartAPPDepartment2012.09引言激光顯示技術(shù)的原理激光顯示技術(shù)的類型激光顯示技術(shù)的應(yīng)用激光顯示技術(shù)的未來-2-激光顯示——引言黑白單色標(biāo)準(zhǔn)彩色模擬數(shù)字Full

Color大色域標(biāo)清高清小尺寸中尺寸大尺寸激光顯示技術(shù)的時代黑白時代

標(biāo)準(zhǔn)彩色時代

高清時代1G

2G

3GCRT

CRT

LCD/PDP大色域時代4GOLED/

Laser

TV-3-定向發(fā)光顏色極純亮度極高激光顯示——引言-4-激光顯示——引言半導(dǎo)體激光二極管半導(dǎo)體泵浦固體激光器-5-半導(dǎo)體激光器20世紀(jì)80年代中期以來，半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展以及與激光技術(shù)的結(jié)合，催生了半導(dǎo)體激光二極管，這類兼具半導(dǎo)體和激光器特性的激光源，具有更高的峰值功率和較低的能耗，且它的發(fā)射脈寬也較窄，本身不需要溫度和光學(xué)補償，比傳統(tǒng)的發(fā)射光源具有明顯的優(yōu)勢半導(dǎo)體泵浦固體激光器簡介半導(dǎo)體泵浦固體激光器（英文全稱：Diode

Pump

Solid

StateLaser），是近年來國際上發(fā)展最快，應(yīng)用較廣的新型激光器。該類型的激光器利用輸出固定波長的半導(dǎo)體激光器代替了傳統(tǒng)的氪燈或氙燈來對激光晶體進行泵浦，從而取得了嶄新的發(fā)展，被稱為第二代的激光器。這是一種高效率、長壽命、光束質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊小型化的第二代新型固體激光器，目前在空間通訊，光纖通信，大氣研究，環(huán)境科學(xué)，醫(yī)療器械，光學(xué)圖象處理，激光打印機等高科技領(lǐng)域有著獨具特色的應(yīng)用前景。-6-半導(dǎo)體泵浦固體激光器的優(yōu)勢1、低功耗：傳統(tǒng)的燈泵浦激光器的轉(zhuǎn)換效率大約只有3%左右，泵浦燈的發(fā)出的能量大部分轉(zhuǎn)換成了熱能，造成了極大的能源浪費。而半導(dǎo)體泵浦固體激光器所用的二極管發(fā)出固定的，被激光晶體吸收的808nm波長的激光，光光轉(zhuǎn)換效率可高達40%以上，大大減少了運行成本。2、性能可靠、壽命長：激光二極管的壽命大大長于閃光燈，達15000小時以上，閃光燈的壽命只有300—1000小時。激光半導(dǎo)體的泵浦能量穩(wěn)定性好，比閃光燈泵浦優(yōu)

一個能量級，性能可靠，可制成全固化器件。運行壽命長，成為至今為止唯一無需維護的激光器，尤其適用于大規(guī)模

生產(chǎn)線。3、輸出光束質(zhì)量好：由于半導(dǎo)體泵浦激光的高轉(zhuǎn)換效率，減少了激光工作物質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)，大大改善了激光器的輸出光束質(zhì)量，激光光束質(zhì)量已接近理論極限。-7-

（一）激光器的結(jié)構(gòu)

激光器是產(chǎn)生激光的裝置。它主要由工作物質(zhì)、激勵源和諧振腔三部分組成。-8--9--10-6.1.3

常用激光器激光按其產(chǎn)生的工作物質(zhì)的不同可分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器、化學(xué)激光器和自由電子激光器等。1.氣體激光器氣體激光器又可分為原子、分子、離子氣體激光器3大類。原子氣體激光器中，產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體原子，其典型代表是氦氖激光器。分子氣體激光器中，產(chǎn)生激光作用的是沒有電離的氣體分子，分子激光器的典型代表是CO2激光器、氦分子（N2）激光器和準(zhǔn)分子激光器。離子激光器的典型代表是氬離子（Ar+）和氦鎘（He-Cd）離子激光器。-11-第6章 激光顯示技術(shù)氣體激光器有以下特點：

（1）發(fā)射的譜線分布在一個很寬的波長范圍內(nèi)，已經(jīng)觀測到的激光譜線不下萬余條，波長幾乎遍布了從紫外到遠紅外整個光譜區(qū)。

（2）氣體工作物質(zhì)均勻性較好，使得輸出光束的質(zhì)量較高。

（3）氣體激光器很容易實現(xiàn)大功率連續(xù)輸出，如CO2激光器目前可達萬瓦級。

（4）氣體激光器還具有轉(zhuǎn)換效率高、工作物質(zhì)豐富、結(jié)構(gòu)簡單和器件成本低等特點。由于氣體原子（分子）的濃度低，一般不利于做成小尺寸大能量的脈沖激光器。由于氣體激光器具有以上優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)直、導(dǎo)向、計量、材料加工、全息照相以及醫(yī)學(xué)、育種等領(lǐng)域。-12-第6章 激光顯示技術(shù)2．固體激光器固體激光器是將產(chǎn)生激光的粒子摻于固體基質(zhì)中。工作物質(zhì)的物理、化學(xué)性能主要取決于基質(zhì)材料，而它的光譜特性則主要由發(fā)光粒子的能級結(jié)構(gòu)決定，但發(fā)光粒子受基質(zhì)材料的影響，其光譜特性將有所變化。固體工作物質(zhì)中，發(fā)光粒子（激活離子）都是金屬離子。-13-第6章 激光顯示技術(shù)

固體激光器的突出特點是：產(chǎn)生激光的粒子摻于固體物質(zhì)中，濃度比氣體大，因而可獲得大的激光能量輸出，單個脈沖輸出能量可達上萬焦耳，脈沖峰值功率可達1013～1014W/cm2，因固體熱效應(yīng)嚴(yán)重，連續(xù)輸出功率不如氣體高。但是固體激光器具有能量大、峰值功率高、結(jié)構(gòu)緊湊、牢固耐用等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、科研等方面。-14-第6章 激光顯示技術(shù)3．半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)的激光器。常用的半導(dǎo)體激光器材料是CaAs（砷化鎵）、CdS（硫化鎘）、PbSnTe（碲錫鉛）等。半導(dǎo)體激光器有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等一系列特點。在光纖通信、激光唱片、光盤、數(shù)顯等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。-15-第6章 激光顯示技術(shù)4．液體激光器液體激光器可分為兩類：有機化合物液體（染料）激光器（簡稱染料激光器）和無機化合物液體激光器（簡稱無機液體激光器）。雖然都是液體，但它們的受激發(fā)光機理和應(yīng)用場合卻有著很大的差別。染料激光器已獲得了廣泛的應(yīng)用，已發(fā)現(xiàn)有實用價值的染料約有上百種，最常用的有若丹明6G、隱花青、豆花素等。-16-第6章 激光顯示技術(shù)染料激光器的特點如下：激光波長可調(diào)諧且調(diào)諧范圍寬廣，它的輻射波長已覆蓋了從紫外321

nm至近紅外1.3

μm譜線范圍，一些染料激光波長連續(xù)可調(diào)范圍達上百納米?？僧a(chǎn)生極短的超短脈沖，脈沖寬度可壓縮到3×10－15s

?？色@得窄的譜線寬度，線寬可達6×10－5nm，連續(xù)染料激光可達10－6

nm。-17-第6章 激光顯示技術(shù)化學(xué)激光器化學(xué)激光器是基于化學(xué)反應(yīng)來建立粒子反轉(zhuǎn)的，如氟化

氫（HF）、氟化氘（DF）等化學(xué)激光器。化學(xué)激光器的主要優(yōu)點是能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成激光能，不需要外加電源或光源作為泵浦源，在缺乏電源的地方能發(fā)揮其特長。在某些化學(xué)反應(yīng)中可獲得很大的

能量，因此可得到高功率的激光輸出。這種激光器可以作為激光武

器用于軍事領(lǐng)域。自由電子激光器自由電子激光器不是利用原子或分子受激輻射，而是利用電子運動的動能轉(zhuǎn)換為激光輻射的，因此它的輻射波長可以在很寬的范圍內(nèi)（從毫米波直到X光）連續(xù)調(diào)諧，而且轉(zhuǎn)換效率可達50％。-18-第6章 激光顯示技術(shù)參數(shù)種類顯示效果體積顯示尺寸功耗工藝復(fù)雜度制造成本價格CRT好龐大較小大較簡單較高一般等離子較差輕薄大大復(fù)雜高昂貴液晶較差輕薄大小復(fù)雜高昂貴LPD好很小大小簡單較低一般表6.2

LPD與其它顯示器的對比-19-第6章 激光顯示技術(shù)激光顯示技術(shù)的原理半導(dǎo)體激光器原理圖半導(dǎo)體激光器以不同摻雜類型的半導(dǎo)體材料作為激光工作物質(zhì)，自然解理面構(gòu)成諧振腔，通過一定的激勵方式，例如在半導(dǎo)體激光器的PN結(jié)區(qū)加正向電壓，在半導(dǎo)體物質(zhì)的導(dǎo)帶與價帶之間,形成非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時,將多余的能量以光的形式釋放出來。由于解理面諧振腔的共振放大作用實現(xiàn)受激反饋，從而實現(xiàn)定向發(fā)射而輸出激光。-20-激光顯示技術(shù)的原理激光顯示系統(tǒng)原理圖激光顯示系統(tǒng)由激光器、調(diào)制器、光偏轉(zhuǎn)器和屏幕等組成。系統(tǒng)接收到視頻信號后，從信號中分離出紅、綠、藍三色圖像信號和幀同步信號。經(jīng)過處理，三色信號控制三色半導(dǎo)體激光二極管行陣列，使之發(fā)出相應(yīng)強度的光，經(jīng)合色器調(diào)制輸出，在幀同步信號的控制下，通過光偏轉(zhuǎn)器，實現(xiàn)光束掃描，射到接收屏上，形成圖像。紅、綠、藍激光器是彩色顯示的三原色光源，與熒光光源相比，光束質(zhì)量和效率更高，沒有熒光光源產(chǎn)生的綠影和白熾光源產(chǎn)生的黃影，可實現(xiàn)三原色的平衡。-21-激光顯示原理

顯示原理外部視頻/PC信號被分解為三原色經(jīng)顏色轉(zhuǎn)換后調(diào)制三束激光的強度；被調(diào)制的光信號經(jīng)過光纜傳輸?shù)綊呙柘到y(tǒng)，激光束被偏轉(zhuǎn)（行掃描：轉(zhuǎn)鏡，幀掃描：振鏡）投射到屏幕上，“寫”出圖像?；窘Y(jié)構(gòu)

RGB激光光源

激光調(diào)制

掃描投射系統(tǒng)

圖像變換光學(xué)系統(tǒng)

光導(dǎo)傳輸

電子控制和軟件激光掃描系統(tǒng)示意圖-22-圖6.5波長（nm）流明/瓦10000流明5504K所需瓦數(shù)10000流明6504K所需瓦數(shù)R62026012.912.3G52048512.813.0-23-B460419.511.5激光顯示技術(shù)的原理激光輸出功率與注入功率的關(guān)系功率反饋控制色域：是對一種顏色進行編碼的方法，也指一個技術(shù)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的顏色的總和。色域覆蓋率：是以馬蹄形可見色域作為參照系表達彩色還

原范圍，如自然界有100萬種色彩，傳統(tǒng)的顯示設(shè)備只能表現(xiàn)其中的30萬種左右，而激光顯示技術(shù)能表現(xiàn)90萬種以上，基本上能真實還原自然界的所有色彩。-24-圖6.4

顯示技術(shù)可以顯示的色彩空間現(xiàn)有顯示器的色彩重現(xiàn)能力

低，其顯色范圍僅能覆蓋人

眼所能觀察到的色彩空間的

33％，而其它67％的色彩空問是數(shù)字顯示技術(shù)和現(xiàn)在已

有的顯示技術(shù)都無法重現(xiàn)的，如圖6.4所示。-25-激光顯示作為新一代

顯示技術(shù)，在繼承了

數(shù)字顯示技術(shù)所有優(yōu)

點的基礎(chǔ)上，以高飽

和度的紅、綠、藍三

基色激光作為顯示光

源，解決了顯示技術(shù)

領(lǐng)域長期難以解決的

大色域色彩再現(xiàn)難題，其色域可覆蓋接近90％人眼可識別色彩，從而最完美地再現(xiàn)自然色彩。第6章 激光顯示技術(shù)激光顯示技術(shù)的原理LED激光NTSC

<

60%-26-NTSC

>

90%激光顯示技術(shù)的類型1

激光陰極射線管LCRT2激光光閥顯示3直觀式（點掃描）電視激光顯示-27-激光顯示技術(shù)的類型1.

激光陰極射線管LCRT（LASER

CATHODE

RAY

TUBE）激光面板-28-激光顯示技術(shù)的類型-29-1.

激光陰極射線管LCRT（LASER

CATHODE

RAY

TUBE）基本原理是用半導(dǎo)體激光器代替陰極射線顯像管的熒光屏來實現(xiàn)的一種新型顯示器件。激光面板半導(dǎo)體材料的兩面與鏡面相鄰接，從而形成一個激光器的諧振腔，并與一片襯底相結(jié)合從而形成一塊激光面板。用電子束掃描激光面板時，在電子束轟擊到的地方就產(chǎn)生出激光來。這種激發(fā)的物理機制和熒光CRT相似，只是產(chǎn)生的是激光而不是熒光。單片半導(dǎo)體是由寬譜帶間隙的II-VI族單晶化合物（如ZnS、ZnSe、CdS、CdSSe、ZnO等）構(gòu)成的。通過選擇合適的材料，完全可以獲得可見光譜上的任何一個波長。為了減少損耗，激光腔只有幾個微米厚。激光面板預(yù)計能承受長時間的高能電子束轟擊，達到10000至20000小時的壽命。LCRT的分辨率能夠做得很高，在CRT電流為2mA時，電子束直徑為25μm，其激光束直徑略小于電子束斑直徑為20μm，目前激光面板的光柵尺寸為40mm×30mm，它可以給出2000×1500個像素。目前正在向真正的影院放映質(zhì)量的方向努力。LCRT同時也是一種理想的影院放映光源，它不會產(chǎn)生損害膠片的紅外和紫外強光。預(yù)期可以延長膠片的放映壽命，所以可以做為兼容的數(shù)字/膠片放映機。表6.2

數(shù)字電影放映機預(yù)期參數(shù)-30-分辨率2048×1536激光峰值功率615nm

13W，520nm

13W，460nm

12W，相當(dāng)于10000lm陽極電壓50000V電子速電流最大值3mA反差2000：1激光面板工作溫度水冷，0℃激光顯示技術(shù)的類型2.

激光光閥顯示激光光閥顯示的優(yōu)點是清晰度極高。它是利用激光束對液晶進行熱寫入尋址。激光束寫入原理為：把介電各向異性為正的近晶相液晶夾于兩片帶有透明電極的玻璃基板之

間（其中一片玻璃基板內(nèi)涂有激光吸收層），構(gòu)成液晶光閥。把聚焦約為10μm的YAG激光束

照射到液晶光閥上，被吸收膜吸收后變成熱能并傳給液晶。于是照射部分的液晶隨溫度上升，從近晶相，經(jīng)由向列相變成各向同性液體。當(dāng)激光束移向他處，液晶溫度急劇下降，出現(xiàn)由各相同性液體-向列液晶-近晶相的轉(zhuǎn)變的相變過程。由于速冷作用，相變過程中形成一種具有光散射的焦錐結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)一直保持到圖像擦除。另一方面沒有照射部分的液晶仍為垂直于表面取向的透明結(jié)構(gòu)。這樣通過對激光束的調(diào)制和掃描，便可在整個畫面上形成光散射結(jié)構(gòu)和透明結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定共存。擦除過程是：用電擦除法，即在液晶層上施加高于條件閾值（約70kV/cm）的高電場E，使之反加到初始的透明結(jié)構(gòu)。這種擦除方式速度極快，已被廣泛使用。-31-激光顯示技術(shù)的類型-32-基本結(jié)構(gòu)RGB激光光源激光調(diào)制掃描投射系統(tǒng)圖像變換光學(xué)系統(tǒng)光導(dǎo)傳輸電子控制和軟件顯示原理外部視頻/PC信號被分解為三原色經(jīng)顏色轉(zhuǎn)換后調(diào)制三束激光的強度；被調(diào)制的光信號經(jīng)過光纜傳輸?shù)綊呙柘到y(tǒng)，激光束被偏轉(zhuǎn)（行掃描：轉(zhuǎn)鏡，幀掃描：振鏡）投射到屏幕上，“寫”出圖像。點掃描激光電視利用了激光器的色純度高，色域比一般彩色電視大的特點。顯示的圖像色彩更加鮮艷、逼真。直接掃描方式與光學(xué)系統(tǒng)成像不同，無聚焦范圍限

制，可以在任何反光物體上顯示，所以可以在建筑物上，水幕上（水幕電視），煙霧上（空中顯示）等特殊效果。3.

直觀式（點掃描）電視激光顯示-33--34--35--36--37--38--39--40--41--42--43--44--45--46-激光顯示技術(shù)的優(yōu)勢激光顯示技術(shù)優(yōu)勢安全免維護長久高畫質(zhì)單機高亮度真正數(shù)字化色彩最亮麗使用無噪聲激光色度極純RGB純色激光可實現(xiàn)高色域-47-壽命長，光學(xué)衰減慢散熱小功率反饋控制系統(tǒng)色溫、亮度精確可調(diào)利于大屏幕拼接無需加裝風(fēng)扇散熱通過光纖實現(xiàn)光機分離低衰減冷光源特性電壓低不炸燈使用壽命長無汞污染6.2.2

常用激光顯示器件1.激光背投電視機激光顯示技術(shù)的原理與CRT顯示相似。激光束從上到下，從左到右進行掃描。水平偏轉(zhuǎn)(行掃描)通過放映頭中的一個多面旋轉(zhuǎn)鏡實現(xiàn)，垂直偏轉(zhuǎn)(幀掃描)通過一個傾斜鏡實現(xiàn)。工作過程和CRT的電子束在熒光屏上掃描類似，不過電子束是通過磁場偏轉(zhuǎn)完成掃描，而激光靠棱鏡進行偏轉(zhuǎn)。如圖6.7所示，視頻信號經(jīng)過放大并調(diào)制到激光發(fā)生器和激光閥門控制器，分別控制激光器和激光閥門，激光亮度和輸入亮度信號成正比，進行同步變化。激光閥門按照輸人視頻信號的變化控制激光束的水平和垂直偏轉(zhuǎn)，然后投射到屏障上，形成圖像。-48-第6章 激光顯示技術(shù)圖6.7

激光背投電視機顯示原理LPD的結(jié)構(gòu)很簡單，容易建立生產(chǎn)線。只要激光功率足夠大，亮度就可以很高；當(dāng)激光束足夠細，顯示分辨率就可以非常高；提高控制閥門的控制速度，就可以得到很高的刷新率，避免閃爍。-49-第6章 激光顯示技術(shù)激光電視機有3種光線處理方式:一種是激光掃描技術(shù)，掃描技術(shù)需要很精細的鏡片加工和裝配；另外兩種是陣列激光技術(shù)和激光光纖導(dǎo)入技術(shù)。它們都需要使用成

像設(shè)備，不過不是控制激光本身，而是改進激光光源的利用方式。

通過使用陣列激光技術(shù)，把RGB

3色激光分別做成大規(guī)模的陣列，通過硅片加工技術(shù)實現(xiàn)成本的大幅度降低，既保證了單個激光頭滿

足公開環(huán)境下的使用，又提高了整體的光效輸出。由于要使用成像

芯片，體積無法做到很小，而且需要保證激光模塊與成像模塊的角

度，否則無法呈現(xiàn)大尺寸的畫面。把激光通過光纖導(dǎo)入一個擴散器，使得激光的面積成百倍放大，并且重新適當(dāng)聚焦之后，投射到成像

元件上成像輸出。-50-第6章 激光顯示技術(shù)2.激光前投電影放映機激光電影放映機、激光投影機基本上基于普通的投影技術(shù)，將原有的UHP（Ultra

HighPerformance，超高壓）汞燈泡換成了激光器，在前投顯示中方便應(yīng)用。-51-第6章 激光顯示技術(shù)全色激光放映機、投影機是一種體積小（可以做到煙盒般大?。?、畫面大，與CRT色彩還原能力相當(dāng)?shù)那巴缎惋@示器，它用紅、綠、藍三束波長極短的激光從束圖分可別以打看到出屏，幕其上原理，非并常進簡行單色。彩只調(diào)要制激，光的從而達到還原真彩-52-圖像的目的，功如率圖足6夠.9所大，示激。光束足夠細，那么其投影圖像

圖6.9

全色激光放映機、投影機顯示原理

尺寸將會非常大，畫面將會非常細膩、亮度足夠亮。第6章 激光顯示技術(shù)激光顯示技術(shù)應(yīng)用——激光電視-53-激光顯示技術(shù)應(yīng)用——激光電視-54-激光顯示技術(shù)應(yīng)用——激光電影院-55-機-56-激光顯示技術(shù)應(yīng)用——激光投影儀-57-3.激光空間成像投影機激光空間成像投影機由激光器（包括光學(xué)系統(tǒng)、激光電源、

聲光電源、制冷系統(tǒng)）和掃描系統(tǒng)（包括控制計算機機、圖形輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換D/A卡、振