（光学专业论文）激光显示研究.pdf

摘要 介绍激光显示的原理、激光显示系统的组成及显示图像的特点，简 要回顾激光显示技术的诞生、激光显示技术现状及发展趋势，分析了激 光器制作技术、微光机电系统( m o e m s ) 、高速电子学器件对激光显示 的影响。 介绍转镜扫描激光显示系统工作原理、主要器件和关键技术。介绍 了u m 、d m d 空间光调制器件以及基于l c d 、d m d 器件的激光显示 系统。介绍了新型光栅光阀( g l v ) 光调制器件和采用g l ，v 的激光显 示系统。研究一种基于反射液晶( l c o s ) 器件结合计算全息技术的激 光显示系统。 最后探讨了光纤激光器实现三基色的可能性。 关键词：激光显示三基色激光l c d 嗍d 札vl s a b s t r a c t t h ep r i n c i p l ea n dc o m p o s i t i o no fl a s e rd i s p l a y ，t h ea n a l y s i so f c h a r a c t e r i s t i co fd i s p l a vi m a g ea r cp r c s e n t e d i nt t l i st h e s i s ，t h e a i s s a i l c e a i l ds t a t u s0 fl a s e rd i s p l a yt e c h n o l o g y ，a l l dc o f r e s p o n d i n gd e v e l o p m e n t t e n d e n c ya r er e v i e w e di ns i m p l ew a vi “sa n a l v z i e dt h a tl a s c rm a 肌f a c t u r e t c c h n o l o g y ，舀i i i l m e re l e d r o m e c h a i l i c a ls y s t e m sa sw e l la sh 唔h s p e e d e l e c t r o nd e v i c e se f f e c t i n 譬o nl a s e rd i s p l a ys y s t e m t h eo p e r a t i o np r i l l d p l eo ft i l t i i 唱m i r m rs c a i ll 船c rd i s p l a ys y s t e m ，t h e p r i c i p a ld e v i c ea n d 硎t i c a l t e d m o l o 盯a r ei n t m d u c e d l c d ，d m ds p a t i a l p h o t o m o d u l a t o rd e v i c c ，t h el a s e rd i s p l a vs v s t e m 粕db a s e do nw 血i c ha l o n g w i t l in e w s t y l eg r a t i l l gv a l v e ( g i )p h o t o m o d u l a t o r d e v i c ea f e p r e s e n t e d t h ea p p l i c a t i o no f1 够e rd i s p l a vs v s t e mo fg l a r ed e s c r i b e d l a s e rd i s p l a vs y s t e mw h i c hb 弱e do nr e n e c t i o nl q u i df l c o s ) d e v i c e c o m b i n ew i mc a l c u l a t eh o l o 掣a p h i c a l i e c h n o l o g ya f ci n v e s t i g a t e da l s o f i n a n vt h ep o s s i b i l i t vo fa c h i e v i n et r i c o l o r b v 肋e rl a s e ri sd i s “s s e d k e yw o r d s ：i a rd b p i a yt c o l o rl a s e rl c dd m dg i l c o s 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，激光显示研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名：脚趟年三月止 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、 博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有 关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：主j 塾! 盟趔年互月蜘 指导导师签名：鑫主盈如 碰年立月笪日 1 1 显示技术 第一章激光显示技术综述 显示技术，顾名思义，是一种将反映客观外界事物的信息( 光学的、 电学的、声学的、化学等) ，经过变换处理，以适当形式( 主要有图像、 图形、数码、字符) 加以显示、供人观看、分析、利用的一种技术【l “。 自从第一台黑白电视机诞生以来【”】，显示技术得到了长足的发展，各 种显示技术层出不穷，种类十分丰富。目前国内外的显示方式有c r t ( c a t h o d er a y1 u b e ) 显示、“= d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 显不、d l p ( d i g i t a l l i 曲tp f o c c s s ) ，u d ( l i g l i te m i t t i n gd i o d e ) 显水、p d p ( p l a s m ad i s p l a y p 强c 1 1 显示等。其中符合显示技术发展趋势、较有发展前景并且在目前 的显示领域占重要地位的显示方式是c r t ，l c d ，l e d 。 c r t 显示即阴极射线管显示，将电子束以扫描方式照射到显示面 上，激发荧光屏上的荧光粉发光实现显示，电子束扫描是通过电磁场的 控制而使电子束发生偏转而实现的。这种显示方式属于直观、台式、发 光型显示。c r t 是历史最悠久的显示方式，至今以其全色化、对比度高、 亮度高而占领电视市场。这种显示方式存在色彩不逼真、行间闪烁等缺 陷，另外一个重要的缺点就是不能把画面尺寸做的很大，限制了它在大 屏幕显示方面的应用。 l c d 即液晶显示，它是利用液晶材料的光电效应制成的新型显示 器件，本身不发光，只起调制外来投射光强弱的作用，借助外界光源照 射液晶材料而实现显示的被动显示方式i ”】。这种显示方式形成的图像 亮度、对比度一般，而且易受环境因素的影响，另外显示速度和视场角 也是待解决的问题。图像分辨率高、图像清晰，在家用电视机以及电脑 显示方面发展很快，并且逐渐向大屏幕方向发展。 l e d 显示的屏幕由一个个发光二极管构成【5 】，对单色显示屏来说， 每个像素只有一种颜色，根据选用的发光器件不同，通常可以分为绿、 红、黄等；对彩色显示屏，是在每个像素点上安排红、绿、蓝三基色的 发光器件形成混合色，产生各种色彩和灰度，在屏幕上显示。这种显示 方式属于发光型显示。城d 阵列显示是目前唯一能够满足体育场馆、广 场、室外广告、告示牌等用途的大屏幕显示方式。其长处就是小于2 - 3 v 的低电压工作特性以及其高亮度、高效率和高可靠性等特点。但由于 l e d 是以集成发光二极管芯片作显示面的，所以不适合于室内用的高清 晰度信息显示【m 。 另外，为了实现大屏幕显示，目前多采用投影方式，就是把来自显 示器本体内较小显示体的图像源，通过透镜等光学系统，放大后投影于 屏幕的方式。现在实用的投影式显示主要用c r t ，或者液晶平板光阀作 图像源。 综合以上各种显示方式可知，虽然各种显示方式的原理各不相同、 系统组成也不相同，但所追求的显示效果都是一样的，那就是实现大屏 幕、高亮度、高清晰度、高对比度的显示效果。不过各自的优缺点决定 了它们的使用场合有所不同。 目前，显示技术正朝着大屏幕、高亮度、高分辨率、高对比度方向 发展，开发符合发展趋势的显示产品无疑是显示领域科技工作者的共 识。与其它显示光源相比，激光具有很好的单色性和方向性，光束细腻 柔和，亮度高，色彩丰富，饱和度高，是极好的显示光源。以激光作光 源，在激光技术、计算机技术、图像处理技术辅助下，实现图像显示的 技术就是激光显示技术。激光显示技术属于投影显示，其驱动方式与 c r t 显示类似，也属于射束驱动1 3 j 。除了上述优点以外，与其他显示方 式相比，激光显示不需要特制的屏幕，只需要一个能够产生反射的反射 面即可，这大大减小了系统体积和成本。在具备了激光这个优质光源后， 激光显示的主要问题就是完成显示的各种器件了，在现有条件下如何充 分利用激光的优异特性，开发性能优良的器件，显示出高质量的图像就 成了科技工作者下一步的任务。所以，研究激光显示具有十分重要的意 义【1 2 _ 1 引。 1 2 激光显示技术 自从2 0 世纪6 0 年代激光问世以来，激光技术的发展就十分迅速。 由于激光具有单色性好、方向性好、亮度高等优异特性，十分适合应用 在显示方面，所以激光扫描显示技术就成了科技工作者研究的热点。早 在激光出现不久，许多电视厂家就考虑到用激光做光源进行显示。但是 在以后的三十多年中，激光技术在这一点上并没有得到太大的进展。到 了2 0 世纪9 0 年代中期，半导体激光器和泵浦固体激光器技术的提高， 以及价格的相对降低，才推动了这一领域的进一步发展【l 】。 激光显示技术的发展状况和激光器、扫描器件、调制器件的发展是 息息相关的，所以激光器、扫描器件以及调制器件的发展情况决定了激 光扫描显示技术的发展水平1 1 9 。2 2 j 。( 1 ) 早期的显示系统中一般使用氢离子 激光器、氦氖激光器，需要水冷装置，系统存在体积大、效率低、使用 不方便等缺点。随着激光技术的发展，半导体激光器以及半导体激光器 泵浦的固体激光器出现，极大地促进了显示技术的发展，主要表现在系 统的体积大大缩小、效率提高、寿命增长等方面。( 2 ) 在扫描器件方面， 目前使用的多是多面转镜、声光偏转器以及检流计式振镜。目前这三种 扫描器件都存在不同程度的缺陷。检流计式振镜被认为是最有发展前景 的扫描器件，目前的扫描速度可以达到2 0 0 叫z ，还不能满足系统要求。 国外很多单位都致力于高速扫描器件的研究。 从系统发展来看1 6 l 第一个激光显示系统是1 9 6 4 年用h e n e 激光 器实现的，它接收电视广播显示出红黑图像，当时利用k d p 电光调制 器实现激光束强度调制，而用声谐振镜作水平扫描器，垂直偏转则由检 流计型转镜来实现。 第一个彩色激光电视系统由氢离予激光器提供蓝和绿基色，h e n e 激光器产生红基色，由多面转镜进行水平和垂直扫描。 1 9 9 8 年韩国三星高等技术学院研制成功了2 0 0 英寸的大屏幕激光 投影显示系统。它采用主波段在6 4 7 n i i l ，5 3 2 n m 和4 8 8 n m ，功率为4 w 的 白色激光器做光源，白色激光由气体k r - 离子激光器产生。激光经过 二向色镜分解合色，由声光调制器进行调制，通过扫描技术实现显示。 2 0 0 0 年德国设计研究出了适合产业化的全固态红绿蓝激光器，同 用于大屏幕显示的气体激光器相比，它用于高亮度显示的功率消耗低于 3 k w ，远远小于气体激光器的1 0 0k w 的消耗功率。它产生6 3 2 n m ，5 3 2 n m 和4 4 6 n m 波段的红绿蓝三基色光，平均输出功率大于1 8 w ，是家庭影院、 大屏幕显示的理想光源。德国又于2 0 0 1 年设计制造出激光输出功率为 1 9 w 高功率激光投影系统，同时提出了3 5 w 更高激光输出功率的设想， 并进行了论证与阐述。 2 0 0 1 年美国通过d m d ( 数字微镜器件) 实现了高功率激光数字投影 显示，其激光光源输出波段为6 2 8 n m ，5 2 4 n m 和4 4 9 砌，可获得很好的 大屏幕显示效果1 2 ”。 我国在激光显示领域也已经取得了一定成绩，其研究工作目前还处 于实验阶段，并且制造出激光电视。2 0 0 0 年中科院物理所与中科院理 化所、中科院长春光机所合作完成了红、绿、蓝全固态激光器的白光配 比，在国内首次实现了激光全色显示视频投影。这对于推动我国全固态 激光显示技术研究具有重大意义i l 】。德国u ) t 公司于1 9 9 8 年初研制出 原理样机，预计到2 0 1 0 年才能推出家用型激光电视：日本s o n y 公司 于2 0 0 2 年研制出演示样机；2 0 0 3 年中国科学院长春光机所科技人员采 用红、绿、蓝d p l 固体激光器作为彩色显示的三基色，实现了6 0 英寸 激光全彩色视频显示；2 0 0 5 年1 1 月份在上海国际工业博览会上中科院 下属的长春新产业光电技术有限公司展出的8 4 英寸激光电视。 总起来说，纵观国内外激光显示的研究表明：目前随着l c d 、d m d 技术逐渐趋于成熟，并且已在显示领域得到广泛威用，还有g l v 的出 魂，这些郝筏激毙毫橇懿裁造成海瑗安l 麓- 3 3 】。毽瑰在影镝激巍耄褪酱及 的主要原因就是激光器的技术和激光器昂贵的造价，随着l d 泵浦固体 激光器技术目麓成熟酾徐格的下降，瑗想韵激先毫裰产赫就爵骧密现在 公众面前【m 3 飘。 。3 激光显示特点 1 3 1 激光光源 翠臻豹激毙显示系统中一般使蠲氯饔予激光嚣、氦氖激光器，霪要 水冷装置，系统存在体积大、效率低、使用不方便等缺点。随着激光技 术静发浸，半爵体激光器泵涛鹊篱钵激光器出瑗，较大憨捉遂7 虽示技 术的发展，使激光扫描显永有了长足的发展，主要表现在系统的体积大 大缩小、效率掇高、寿命增长等方面。勇舞半导体激兔器泵浠的露俸激 光器连续、波长单一，这墩是它成为激光扫描光源的一个主要原潮。 激光二极镶( i 黔) 泵浦的闲体激光器，由予其寄效率离、黎侔结 枣句紧凑、寿命长、能获得蕊功率输出等优点，逐渐成为先进固体激光器 的发展方向。国于全固态激光器矮有体积小、效率高、寿命长、光束质 量好等特包，农信息、先进制造、医疗、环境、科研期国防等领域有广 泛的应用前景，对这种新一代激光源的开发融成为国际激光界特剐关注 豹磷究领域。缀、绿、蓝三基色全固态激光器用于全色显示，形成的色 度三角形面积趋荧光粉的2 3 3 倍，并且激光色纯度极高，因此激光显 示懿图攮比现蠢彩色逛视怨彩熨丰塞、颜色更鐾撼能反映自然界的真实 色彩，甚歪能照示虚拟颜甑，在窳庭影院和大屏幕显示领域艇有重大应 蠲翦象，是曼示秘学的一令重大发震方岛1 3 删。 1 l d 泵浦固体蓝光输出激光器 蠢蘸实瑗全霾态蘸莛激光巍深熬途径圭要存三秘：( 1 壹接发射蓝光 的激光二极管；( 2 ) l d 倍频的蓝色光源；( 3 ) l d 泵浦通过非线性光学手段 获得懿蘸色激毙器转 删。英孛妻接发鸯聿蓝巍翡半母俸激光器，其鸯结构 简单、使用方便、电光转换效率高等优点。能够直接发射簸色激光的 l d 一壹受鬟入稻静关注。僵由于半等馋材料本赛静缺瞻难予克激，篌 得蓝色激光二极管的发展相对缓慢，与实用化之间还裔一段距离。通过 l d 泵清静线髓光学频率转换鲡倍频、和颧等方法来得到高转换效率酶 蓝瓴激光输出。此外直接倍频l d 获得蓝色激光，能够实现高的光一光 转换效率。因此获得蓝色l d 泵浦固体激光器现在主甏采取第f 3 ) 军孛王蚤 泵浦固体通过j 线性光学手段获得的蓝色激光的方法。 4 l r d 泵浦非线性转换赡光激光器一般包括两种方法： f 1 ) 运溺绞“疆s 激建二投管簸窭豹8 0 9 粒l 激必，与n d 3 + 离子 l 。0 融m 的激光通过和频来褥铡4 5 9 l l m 的蓝光输掇。1 9 s 7 年， j c b 孙m e r t 及其同辫首次在i i 类位相瓯蒋己的k r p 晶体中运用和频 方法褥到了o 9 6 l n w 的蒺光输出。1 9 8 9 年，w p 。r i 呔和w h n t h 秘用阊样的赫体，在常瀣下实现了诧和频避翟躲菲漆器福位区凝，氇 获得了蓝色激光输出。1 9 9 2 年，w p r i s k 和w j k o z l o v s k y 利 用外腔谐振加强的办法，在k t p 单块驻波腔内获得4 m w 的基横模 弱2 娃m 辕窭。p n 。歉8 l l 窝r + w s l a 珏孙y 在l 鹤3 年采羯援燕整结 构，利用1 0 0 i n w 的单管l d 得到了2 0 i w 的4 5 9 n m 蓝色激光输出， 单错u ) 蓝光的转换效率高达6 8 ，在改变和频晶体的匹配角度时， 实凌1 2 狂m 熬调谐宽度，毽是这秽技拳对越注入终题豹王_ d 要袋较亵。 最：i 琏，德国的k a i s e 格l a u t e m 大学釉当地的一家公司研发了一种采用锁 模的半导体袋浦n d ：y v 0 _ 4 激光放大器来袋浦k t a - o p 0 ，用上述方法 产娥款1 8 6 4 拄m 窝1 5 3 5 脚激光，经莹频秘期频过程嗣时获褥配9 n m 、 5 3 2 n m 、4 4 6 椭的三鏊色激光，赢接露予激光显示虢应用l ”“。 ( 利用8 0 8 n m 的i 胎泵浦的方法。从八十年代末期开始，人们就对 利用8 0 8 n m 的l d 泵浦n d ：y a g 及n d ：y v o 嗥，实现4 f 3 2 _ 4 1 9 ，2 准 三缝级懿辨6 栅或9 1 2 赫l 激是强荡，蒡运溺k n 袋l 墨。等线性晶 体通过内腔倍频以得到蓝色激光输出的方寨进行了研究。1 9 8 7 年， w p r i s k 和w k n t h 在一个来优化的n d ：y a g l n 0 3 激光腔外得 裂了l 删瓣4 7 3 箍懋菝色激必。1 9 8 9 冬，w ，p 。歉 s l 【塌l ( n 菸体对 l 泵浦的- m ：y a g 倍频，在吸收功率为4 0 0 m w 时得到了3 7 m w 的 蘸色激光。斯坦福大学的t y f a n 予同年申请了关于通过倍频掺 n d 3 套质薅获罨蓝绿激光的专利。这种激光器结l 句魄较简单，关键在 予采取适当的措施掷嗣发射截面大的1 o 翰m 振荡。茸前该项技本已 逐渐趋向成熟化，德阑汉堡大学用2 1 w 的8 0 8 i l i i i 激光二极管得到了 2 8 w 豹4 7 3 n m 蓝色激光输出，正在逐步地达到低成本、高效率的商 菇纯蓝笆激光器靛要求。 现在国内做得最好的也是利用利用8 0 8 n m 的t 脑泵浦的方法， 4 7 3 n m 蓝光输出功率已经达到1 8 l w ，国际上仅次于德国 j 酝i 辩璃l 醐l e 艨大学，达爨蕃嚣惫避承平。 2t d 聚浦固体红光输出激光器l i “1 目前红光激光二极管的功率臌有较大提高，但是相对于固体激光器 来说其亮度，j 、走束质爨羞、线宽宽。通过毙参量和频过程，b o s e 曲e 瑁 等髑用周期髋超晶格锈羧锤( p p t n ) 得鬟2 5 w 珏光激光输出，餐该系 统技术复杂。肛p p l n 滩加工，厚度小，成龋率低，目前还难以实用化。 5 h u o 等程u ) 泵浦n d ：”激光器中，获得9 5 m w 红光输出，然后 泵溱c r ：强s a f 褥到连续透珏乡 辕密。瑶：y v 0 4 晶薅1 3 弘撬谗线主吴袁 较大的发射截面和较高的分支比。王等人用l d 泵浦n d ：w 0 4 激光器 中，在吸收泵瀵功率5 1 5 m w 时获褥3 6 m w 的6 7 l n 搬激光输出。e o n f o y 等猩t d 泵漓n d ：w 0 4 微片激光器时，利翔【暑。胶内倍频褥捌l 毓w 稳定的6 7 1 n m 激光输出。在大功率l d 泵浦下，a 聃e s i 等获得4 3 0m w 的6 7 1 n m 激光辕也。 甏在国肉主要是秘羯大功率糙 泵潘港：y v 瓯螽搭，稻鬻l l 类漆 界相位匹配的k t p 晶体和i 类及i i 类临界相位匹配的l b o 晶体分别进 行腔内倍频输出红色激光。 雹内辍褥比较好翡是弱双壤象溱裹秘率囊稳定连续波 n d ：y v 0 4 力撼o 内腔倍频6 7 1 l i l 激光器。该激光器聚用热稳定豳镜折途 腚，l d 双向泵浦单块n d ：w 0 4 晶体，在u ) 激光功率3 5 5 7 w 泵浦下， 褥劐1 7 2 w 的6 7 l n m 激光输文，光一必转换效率为7 1 6 ，功率不稳 定度为o 4 6 。 3 l d 聚浦固体绿光输出激光器 到二十世纪八十簪代，由于壤子阱结构的提出及龋体生长工艺的成 熟，推动璩浆瀵静绿魏霾俸激光嚣进入突飞猛进懿发震跨毅，并这虱了 实用水平1 1 1 昏1 2 6 1 。 山西大学光电所利用l d 泵浦的四镜八字环行胶n d ：y v 0 4 l h 甲 内羧偿菝稳凝激光嚣。澈光麓续擒设嚣考建泵瀵光豹毙柬凌豢毽子，溃 除空间烧孔效应，实现单频运转。腔内插入v 2 波片和放在磁场中的t g g 晶体( 使激光偏振方向转动7 0 ) 构成单向器，使激光器单向运转。泵浦功 率为l l w 时，获撂1 3 w 单频绿光，毙一光转羧效率l l 。8 。 西毪大学通过采掰4 镜z 墅黢结构，激光二极管双灞西泵漓 n d ：y v 0 4 黼体，l b o 晶体i 类角度匹配、腔内倍频的方法，在双端总的 抽遮光功率约为2 6 w 时，成功地获褥了4 2 w 稳定的的5 3 2 n m 绿色激光 竣出，兔一光转换效率遮羁1 7 。6 。 3 2 魏髯的健麓 1 。接近人眼感知极限的色彩樽现 适当豹选取三基魏可获缛足够真实、事富豹色彩。但是在e r t 等镄 统箍示技术中，受至i 荧光耪的淡光效率的澎响只髂锈链部分瀚色彩来获 得较高的亮度【4 4 郴l 。在c i e l 9 3 1 x y z 色度体系中，现在的h d t v 所确定 6 豹r 灞坐标分别燕：( 0 。6 4 8 国稻o ，a 3 3 掰0 3 ) 、( o 。3 羽瞧3 l o ， o 6 0 0 帅5 9 5 ) 和( 0 1 5 0 o 1 5 5 ，o 0 6 0 o 0 7 0 ) ( 图1 1 ) 。从图中可直观的 看到c r t ( 小三角) 所产生的色彩仅是人的色彩感觉的一部分，离我们 繇遥浓的完美的色彩褥瑰杏不夺静茇疆。 表1 1 典型的激光显示波长 r ( n m ) g ( n f n ) b ( n m ) l d _ r s o n y f 7 l 6 2 8 6 4 2 5 3 2 5 3 2 4 配 4 5 7 o p e 专1 7 。+ 擘m 紫“ 6 2 85 2 44 4 9 钕h 黼l o g i e s 。歉，矧。 瓶典型的激光显示系统( 表1 一1 ) 采用1 0 0 单色光，红、绿、磕 三色光，依照c 1 9 3 l 标准肖超过a 疆两储的色度范围( 阉1 1 中大 三蔫) 。这毒经菲常羧遥显示壤愆渡彀6 5 0 l l 掰，5 3 0 1 1 瞳，霹6 0 n m ，它靛鸯袋 高的色饱和度( c o l o rs a t u r a t i o n ) 和最好的白色平衡( o n - b a l a n c ew l l i t e ) 。 已经怒过大鼹戆色彩分挟葱潮豹9 0 以上。 2 高亮度和对比艘 传统的投影显示最高只能达到1 0 0 0 ：1 的对比度再现。而激光显示 能达到超过3 0 ：l 豹霉褒1 4 6 茸驾。德嗣醚鳇显示系统甚至达至l 怒避 5 00 0 0 ：1 的对比度，融经达到人眼的分辨极限。没有灯光的激内照度是 4 0 c d 椭2 ，阳光下是1 0 4c d m 2 ；传统光源无法同时达到高亮度和高色彩 再现的要求。瓶激光豹高亮度特点帮肇色佳能，弱时其各了上述两个优 点。 3 。摆于光秘毒l i 振特性 由于激光是高亮度高空问相干光，焦深很深接避光穷，成像影像景 深很深、均匀、富有自然感。利用这种特点，可以完全的模拟真实活动 慰象在入藩载毙学效疲；铁聪褥妥遥囊熬显示效采螂 。勇乡 编振( 声先 调制) 和相予( 衍射调制) 的特点，使得在对光进行影像信母调制时获 褥高速率。 4 大尺寸、任意形获羼幕投影 激光的礴亮度和很好的方向和接近无穷的焦距特性使得传统显示 燕达到豹丈尺寸投影变褥不群那么困难1 4 9 j 。 7 图1 1 激光显不与c i 盯色彩再现的对比 虚线小三角是c 盯的色度再现实线大三角是激光显示的色度再现 5 长寿命和色彩的高稳定性 激光有长达1 0 万个小时( 1 1 年) 的使用寿命，至少是氙灯( l a m p ) 的1 0 倍。如要实现所述的多画面投影，与同时为不同的光源或者c r t 供电要考虑到光源之间的不同相比：所有这些为获得平衡的亮度和色彩 的费时费力调整，以及以后的维护变得难以让人忍受1 5 0 】。常常是费力的 调整好后，氙灯的色彩和亮度随着时间发生了改变，这时又要重复的进 行调整。因此，激光显示的优点在此时就愈发明显。 1 3 3 激光显示存在的问题 1 高功率r g b 激光器的获得【5 2 】 如果r g b ( r e dg r e e nb l u e ) i _ d ( l 丑s e rd i o d e ) 能直接应用于激光 显示，那么激光家庭影院的梦将成为现实。理想的家庭影院的单色能 耗为数百微瓦到一瓦。在数字影院，行星天文馆或者飞行模拟等应用领 域，理想的是单色5 w 到2 0 w 的能耗。要实现上述要求，还有一定的距 离。 2 高亮度引起的闪烁垆川 高亮度使得显示装置要达到8 0 9 0 h z 以上的频率，才不会有闪烁产 生。系统的调制和偏转像素速率是定的，克服闪烁要增加显示影像的 频率，这就制约了高分辨率的获得。要同时达到高分辨率和高的显示频 率，这就相应的对显示系统的调制、偏转提出很高的要求，增加了系统 的技术难度和成本。 3 。蔫楣干弓| 起豹欺斑效瘟 由于激光的相干特性使得屏幕显示中出现了散斑( 当高相干光反射 或遴射壤糙嚣，翟糕凄超过x 菇野载会产囊蘧撬豹毙强分鸯花纹) ，这 大大影响了活动影像再现的清晰度。要解决这个问题，使得光学和屏幕 系统交褥复杂。 4 彩色影像的获得 由予充路审不丽色彩嚣光稷不同，秀了谴不溺瓣鬯彩准确显弱步静 投影到一个像索点上；这就需要复杂的像憨、色差消除和机械光学的色 彩同步。 5 激光显示安全 由于激光的特镶，可使能鬣在空阉和辩闻上简度橥中。通过舔的属 光介质聚焦在视网膜上形成影像，而使视网膜上的能爨密度较角膜上入 射能量密度提高酊1 旷；激光单色住好，在眼底的色差小。上述特点 致使极低的激光能爨照射即可弓l 起眼角膜或视网膜的损伤【5 4 郴】。 第二章转镜扫描激光显示 转镜扫擒激光显承是最草缸现的激光显示系统f 5 嘲，下面我们将对谨 进行详细的讨论和介绍。 2 1 扫描式激光显示系统 殿早的彩色激光艇示中，由h e n e 激光和加+ 激光提供三种基色。 视频调卷4 信号将这些光的都分光投射茔试映体上，从试映体反射豹光被 对红菔。绿敏感的捻毙器掰接收，势把检光疆输窭瓣信号佟为接收信 号。 招撼式激光显承系统霰黉一个会色系统如图2 1 ，视频铸号的红、 绿、蘸三个色度信号分别在三个电光调制器对三束激光调制露，在光学 合色器中混合，形成挺线光束。合成柬投射到行、场转镜偏转装置上， 纛爱瓣豹激炎寨翔在_ 窳平移登壹嚣令方自主 薯疆，最嚣，在嚣纂上褥裂 了彩色电视图像【b 7 “j 。 零期激光扫描系统如图2 2 ，两个激光器发出的激光经掇镜偏转， 然后经会聚透镜会聚，最后经旋转多藤镜偏转绉描翻薜幕上形成彩色辫 像。掴描式激光显示系统的瓶颈就是扫描器件，扫描器件的选择直接影 稳或像豹覆壁，这严瀵影确翅糖式激悫显示系统的发壤，馕激悲显示发 展一鼹非常缀慢，直到d 、d m d 、g i v 的出现，才使激光电视有了 跨越式的发展，这些我们将在下几章分别作介绍，在这里就不多说了。 图2 1 激光电视的合色系统 1 0 图2 2 扫描式激光显示系统 根据图2 3 可知扫描式激光显示系统包括光调制器件、光偏转器件、 激光扫描光栅的校正和转镜扫描激光显示稳像技术。 光调制器的作用是将随时间变化的图像信号加到激光器上，使激光 的强度随图像信号变化，光调制器的作用很像电子显示器件的调制器。 光调制器是利用偏振光通过晶体时所产生的双折射现象做成的【5 7 。5 8 】。 激光调制器可有三种途径实现，控制激光输入电压的电源调制法， 在激光器内部放置光电晶体的内部调制法和在激光器外部放置光电晶 体的外部调制法等1 5 。但在用于显示时，存在着视频带宽的问题，要求 复杂的光学系统，适合用外部调制法。外部调制法又可以分为两种，一 种是利用光电晶体中的普克尔斯效应的光电调制器，另一种是利用媒质 中的超声波引起光衍射的声光调制器。前者适用于1 0 1 0 0 肘h ，范围的 宽频带光调制，但所需驱动功率大；后者适用于1 0 删，以下的窄频带 光调制，所需驱动功率小，可获得高对比度，我们主要用声光调制器 1 6 2 1 2 2 光调制器 1 光电调制器 有些晶体加上电场后，折射率会发生变化，这种现象称为普克尔效 应。具有普克尔效应的典型晶体仅限于光损耗小的k d p 类。这类晶体 有三种，即磷酸二氢钾( k d p ) 磷酸氢二钾( d k d p ) 和磷酸二氢铵 ( a d p ) 。这些晶体同方解石一样也会产生双折射现象，但是它们的折 射率随外加电场变化，所以把这些晶体称为电光晶体。光调制就是利用 电光晶体的双折射性与电场的依赖关系来实现的。 如上所述，晶体对。光和e 光具有不同折射率，所以。光和e 光将 以不同的速度在晶体内传播。当它们从晶体另一端面射出时，两束光束 就会有相位差巾，相位差为巾的两束光将合成一束光，合成光的光 强度随由发生变化。可以看出，o 光和e 光在这种晶体中传播所产生 的相位差随双折射率而变化，而双折射率又受电场控制。因此，在这类 晶体上施加不同的电压会改变通过晶体的光强度。就可以实现光调制。 2 声光调制器 声光调制器是激光显示常用的调制方式。声光调制是利用晶体在透 明媒质中传播的超声波所造成的折射率周期性变化，可对入射光引起光 线衍射，起衍射光栅的作用。衍射光的强度依赖于超声波的强度，衍射 光的出射角取决于超声波的频率( 既光栅常数) ，因而这些性质可分别 用于光的调制和偏转。 设媒质中超声波的波长为a ，光的波长为 ，则在狲彰和 0 】 口- a r c s i n l 成立的布拉格( b r a 鹊) 范围内，会产生光的衍射。 2 n o a 墼硝獬 口辎口挺q 、珏蛾 ； ； 。霸镌竖 图2 3 布拉格角入射时的衍射 式中是媒质的折射率，这时的入射角口叫做布雷格角，衍射光中只有 1 级次衍射光最强，其出射角口等于入射角口，恰如入射光在超声波波 面上以全反射的方向射出，1 次衍射光的强度为：j 。s i n z 型竽 ， 几 式中如是超声波引起的折射率变化量，当一鲁时，z j 。 2 3 光偏转器件 光偏转器工作原理大致有三种：转镜，声光衍射和电光衍射。转镜 较为可取，因为它有高的分辨力和消色差特性。对于快速顺序扫描，可 用旋转多面镳：对于慢扫描，则可用检流计。声光偏转器的原理是声光 蠢j 囊接衍射，遥媛于中等分辨力鹣模拟扫撼稠中速数字馈转系统。电光 偏转器较适台快速数字系统，毽在模羧扫擒系统应蕊不多。繇黻本节仅 讨论转镜偏转器岬”】。 l 、旋转多露镜 一般毒滔释类墅静转镜：等逮多嚣转镜( 蕊髂多嚣镜、校彩转镶 或转镜) 、非锌边多面转镜、内多边转镜以及塔形转镜。 等边多麟转镜，颞名恩义，是一种轴对称的等角多边棱镜。这种转 镶籀绉最圭蘩翡褥煮爱宅憩避嚣篷复蛙壹线舞疆，霹瘫速扫撼，便予成 批加工。而稚等边转镜，动态平衡的关键怒镜体高逡旋转，这时，面面 相对的镜面的中心连接线必须与旋轴垂直，难于加工。内接多边形转镜 扫攒速度不戆太毫。 当多面体旋转对，每个小镜黼扫绉一条线。西藏，其有n 个镜面浆 多顾体，如往弧度橼秒下旋转，则每秒扫描n 觚线。多逝扫描器 的极限分辨力由角速度的极限俊米确定，这取决于制作多面体材料的机 械强度。 2 、检流计式偏转器 检流计式偏转器通用于高分辨力，慢扫描光束的偏转，它幽安装在 宅磁驱羲戆魄枢或检滚诗线塑土瓣枣镶等缝藏。最鬻羯夔谐掇镜羝缨量 手j 描器是感殿驱动线圈谐振镜掴描器，动铁式检流计的磁路，旋转的电 枢和四个固定极之间形成四个气隙，两块永久磁铁通过软磁铁在四个空 气猿中建立极纯磁力线，恧嚣个潮定线圈墩在这嚣令空气骧巾建立控铡 磁力线。这磁路相似乎电路审的电轿。线圈加载焉在磁路中产生磁力 线，这一磁场使转子两个对角，边加强一边减弱，从而产生机械转矩， 使宅嗣气隙对准。如聚仔细设计和调整露幽永久磁铁产生的偏置磁通 量，藏胃黻产生一个与线圈电流藏正跑丽与电枢转燕( 壹鬟超逡弱8 角) 无关的转矩。所以，电枢如固定在扭力弹簧上，就能使电枢的偏转正比 予线圈电流。 梭浚诗蔑镳转嚣戆辍袋分瓣率枣镜戆爱大鬏麓角窝镶懿孔径决 定，虽然分辨率正比与镜孔径，但惯量也随尺寸的增大而增加。光束从 一个位置偏转到另一个位置所能达到的最大速度由检流计固有的谐振 频攀决定。通过镬用一个精确燕步豹二级波形，臻约为谐振周期半的 逸璇时闯，就能驱动稔流计丽不发生冲突。 用检流计式偏转器作为扫描偏转装鼹，简单、容易实现。但它具 有一定的缺点，限制了它的终周 1 5 】。在赢遮旋转时，它的稳定性差，丽 基不髭实瑗逐续扫箍。所鞋在一般需要使溺高速旋转的激竞| l 薯獾露，我 们就不采用摆镜，而采用旋转多面镜的方法来实现商速连续的扫描。 鞴键 图2 4 二维扫描 镜鼓的每个反射面就相当于一个镜面，当镜鼓旋转时，就可以实 现连续扫描。 假如我们的系统中的镜鼓有几个反射面，那么从相邻的镜面中心 相对于镜鼓中心的张角为2 石n ，当镜鼓每旋转一面时，它的扫描角度 为4 兀| n 。 我们采用镜鼓作为扫描器，其最大的优点是可以实现高速连续稳 定的扫描。但它也有局限性，譬如因为镜鼓扫描采用的机械转动装置， 它的高速旋转是受到限制的，现在已采用气体动压轴承，使它稳定高速 旋转。 2 4 激光扫描光栅的校正 二维激光扫描系统有其本身固有的误差，误差包括：聚焦误差和枕 形误差。这些误差都是由扫描器件带来，也就是说只要用这些扫描器件 就会有误差，都是不能通过其本身克服，只能外加系统克服l l ”。 二维扫描系统校正聚焦误差和枕形误差的方法有两类：后物镜成 像法，和前物镜成像法。成像物镜在扫描系统之后称后物镜法；成像物 镜在扫描系统之前称前物镜法。后物镜法一般采用，一日物镜，也叫 ，一日校正。前物镜法可以结合动态焦距变换器，如图2 5 。 图2 5 是典型的像差校正电子系统，它是由主计算机( h 0 s t ) ， 高分辨率几何图形校正( h r g c ) ，三路数模转换电路，x 、y 、z 方向 的三套伺服驱动器，二维扫描系统，成像透镜和动态聚焦变换器等组成。 扫描图形的x 、y 坐标数据流是由主机计算产生的，并把它输入到高频 1 4 ( a ) ，一口校正法 ( b ) 前物镜法 图2 5 光栅校正 率几何图形校正计算机。在h r g c 的内存中存有扫描系统校正的数据， 它把由主计算机送来的数据经过校正得到实际的x 、y 方向扫描转动角 口。、口，和z 方向校正修正值的数字信息。校正后的数字坐标数据经 数模转换电路去驱动x 、y 扫描器和动态焦距变换器，因此，由像差校 正电子系统组成的激光扫描器能消除焦距误差和枕形误差造成的图像 失真，得到一个无像差的扫描图形。 主机和h r g c 的素是1 6 位的二进制数字，校正信号的精度为百分 之十五。因为除了驱动信号是模拟信号以外，其它的预处理信号都是数 字信号，所以整个像差校正电子系统避免了模拟电路那种由固有的漂 移、噪声和调准问题。从坐标和焦距的校正到数模转换的完成需要的时 间约为几微秒。典型的动态焦距变换器的口径为1 0 m m 。焦距最大的移 动量为1 0 m m ，用9 m s 的时间就可以完成。如果需更大的移动距离，则 需要光税秆梳构。信号经过一般校正，藏型豹掴描系统的直线饿误差约 为0 2 ，这个误麓是扫捕系统的固有误麓。而经过一个6 4 6 4 为的坐标 误差校爱表楚壤豹茂繁豹像麓援歪耄予拯疆系统，篷线瞧痍霹迭 o 0 1 2 5 。 2 5 转镜扫描激光显示稳像技术 激毙季j 捂电橇虽示豹转镜为令其裔撵毙镜面静旋转多面体，毽箕 旋转每个小镜面扫描出一条线，此时电流计扫描器驱动摆镜往艇摆动， 实现激光束的二维扫攒。为了擞示电视图像，光束在屏薅上懿麴糖与裁 频信号需保持同步关系，也就要求转镜和摆镜运动必须与视频信号保持 同步关系，摆镜的惯量又小，所以场扫描的同步容易实现。对于显示 雌l 刳，露频麦1 5 6 2 5 珏妇转镜笼豁蘑，剩转辘转速为3 7 5 转每分， 转镜工作时存在转速起伏、转镜镜面加工时还存在角度分误差；而视频 信号本身的时基也不是绝对稳定，这就使霉亍扫描的同步避加困难。因此 我们采敬双光束帮多光荣稳豫技术f 翔。 2 。5 。 双光索搦搓激必显示 双光束扫描激光电视系统采用两束激光( 每束都由r 、g 、b 合成) 扫描，羼幕分为鼹个等离度的照示区( 分羼慕) ，每个分羼摹都由一束 光进行稿描显示，同时系统的数字视频单元通道调锖4 器辩每束掴描先进 行强度控制。对于p a l 视频信号，行频为1 5 6 2 5 h z ，如果行扫描转镜为 4 5 瑟，采臻单窳据接时，转镱转速为购豁3 犟瓣；采爱双光束l 薯接露， 转镜转速为1 0 4 1 7 r p m 。 系绕采用双光束扫撼组合盥示，光束指向误差会造成两个分屏图像 舱起始稼嚣不齐，或分群幕润毽现重叠或衔接不主静阏趱；嚣蠢双先索 激光显示系统为保证每个像素在屏幕上的位置精确再现，在系统设计上 采用两束光扫撼，降低了对转镜离转数的要求；采用了图像存镰、转镜 镜面位鬻检测移动态时锑( 扫捂驻示时钟由与转镜同轴的编码嚣脉冲倍 频获得) ，降低了对转镜转数稳定性的要求：采用步进延时器降低了对 转镜镜聚焦度分瓤误差戆要求；为了保渡走撵震爨，本系统专门设诗了 光束指向器来校正光束指向。光束指向校正器由两个楔形透镜组成，每 个透镜都可绕公拭轴进行调节，通过旋转两个透镜可以校正光束指向， 这样两个分屏幕藏拱藏了一令竞整魏大瓣幕。彩色激光强暴辩，红、绿、 篮三基甑图像的精密叠加也采用此方法。 2 5 2 多光束扫描激光显示 多光束扫描是相对单光束扫描而言的。它是指用两束或两束以上 的激光束同时扫描。这些光束可以是来自不同的光源，也可以是出自同 一光源。在多光束激光电视系统中，是采用分光镜把一束光分成等强度 几柬，这几束光使用各自的光电调制器，但共用一个扫描系统，同时在 屏幕上进行扫描。以四束光为例，屏幕被分成均等的四个部分，每束光 扫描各自的部分，再组合成一幅完整的图像。相当于把一束光的能量平 均分成四份，这样，在保证亮度不变的前提下，扫描系统的分光容易实 现，同时这也有效地降低了辐射。 在多光束扫描系统中，场扫描采用摆镜，考虑到多光束扫描合成 光栅的连续性，扫描系统的特点是：光束先经摆镜进行场扫描，然后再 进入转镜进行行扫描。 而多光束的产生是采用分光镜实现的。我们可以使用半反镜和全反 镜进行组合，就可以得到等强度的多束激光。以四光束为例，其分光系 统光路如图2 6 。 图2 6 四光束分光原理图 经过分光系统，原来的一束光变成相互平行的四束光，而且在各个 方面都与原来的那束光一样。这样，四束光同时在屏幕上扫描。 第三牵空闻光调制燮激光显示 没有好熬扫接器穆汪经严囊熬铡终转鼓激光季薯攘显示豹发瀑，敷以 现在对激光照示的研究主要是采取空间光调帛5 器件的显示系统，其中包 括l c d 大屏幕投影显示和d m d 大屏幕投影驻示【7 0 1 。 3 1l c d 投影显承系统 滚晶( 毛d ) 是一转在一定滠疫范雹是呈瑷出不阉予固态、渡态豹 特殊物质状态，是一种介于液体鸯固体之间，具有缄刚性分予摊列的有 机化合物1 7 1 1 。液晶基于晶体各向异性而具有电光效殿，尤其是扭曲向列 效应帮超扭藏囱到效痰，联以能制作或各辩| 不同的烂示器。液蹈显示的 王作原理麓剿褥液磊的物理特饿1 2 砖；在遥电导逶赢瓣箍有序，侵光线容 易通过；不通电时排列混乱，阻止光通过如图3 1 。 不涟加电塌施加电场 图3 1 液晶显示的工作原理 峦于l c 转其有低援、徽功糕、平叛型续掏、显示售惠量大、易予彩 色化、长寿命、无辐射、无污染的特性，使它成为了投影显示器件l ”l 。 l c d 投影显示分为液晶板投影照示和液晶光阀投影照示两类。投影显示 利用液晶的必电效应，鄯液晶分子的排歹0 在电场作翊下发生变化，影响 蕊液晶犟元的透竞辜或反射率，产生其森不同获度簇次及颜包翡图像。 8 3 。 滚螽摄投影曩示 成像器件为液晶板，是被动式的投影方式，利用单色激光光源【2 2 j 。 u ：d 叛投影驻示器瓒是光学系统把强光通避分光镜形成r g b 三柬光， 分剐透射过r g b 三色液晶瑕；信号源经过a d 转换，调制加至l 液髂板 上，通过控制液晶单元的开启、闭合，从而控制光路的通断，r g b 光 最嚣在棱镜巾汇聚，峦投影镜头投瓣在羼幕上形残彩色塑像。 3 。1 2 渡黯光润投影显示 采用激光器和液晶光阀作为成像器件f 7 删，是c r t 投