浅议激光显示技术及其进展

1、浅议激光显示技术及其进展摘要：当前主流的液晶显示器(lcd)、等离子显示器(pdp) 以及有机发光显示器(oled)等都存在着色彩重现能力低的 问题，无法满足真正的数字高清显示的要求，而激光显示器 有着目前主流显示器无法比拟的优点，有可能是未来显示技 术的主流。文章详细介绍了激光显示技术的原理、特点、国 内外激光显示技术的进展以及存在的问题等，最后指出激光 显示器可能引领显示技术的第四次革命。关键词：激光显示；激光荧光显示；色域中图分类号：tn27文献标识码：athe technology and development of laser display zhao fu-baol, wu hu

2、ai-yul, yang yan-ning2(1. broadcast television network media co. , ltd. of shaanxi ansai branch, ansai shaanxi 717400, china； 2. institute of electronics , yan' an university, yan" an shaanxi 716000, china)abstract： the current mainstream technologies of the liquid crystai display (lcd ), p

3、lasma display panels (pdp) and organic light emitting display (oled ) all exist the problem of low color reproduction , which cannot satisfy with the realdigital high-definition display requirements. compared with current mainstream displays, a laser display has the incomparable advantages, which wi

4、ll become the mainstream technology. it detailedly introduces the principle, characteristics of laser display technology , the technology progress of domes tic and int erna tio nal laser display, the exis ting problems and so on. finally, it points out that the laser display may lead the fourth tech

5、nological revolution in display.keywords： laser display； laser phosphor display； color edge引言从crt (cathode ray tube)电视到目前主流的液晶、 等离子平板电视，再到oled (organic light-emitting diode)第三代显示技术，或许很多人都会觉得电视的显示 技术已经到达顶峰，其实不然，现有的显示器件的色彩重现能力低，无法满足真正的高清显示的要求，其显色范仅能覆盖人眼所能观察到的色彩空间的31.8%,而其它68. 2%的 色彩空间是数字显示技术和现在已有的其它显示

6、技术都无 法重现的1。人们一直没有停止对显示技术的进一步探索,当国内很多厂商还在宣传led (light emitting diode)光 源的lcd (liquid crystal display)电视的时候，美国采 用lpd (laser phosphor display)技术的显示产品已经投 入市场，lpd已经在户外展示领域崭露头角。在日本，激光 全色显示技术被产业界称为“人类视觉史上的革命” 2, 具有划时代的意义，激光显示被认为是未来显示领域的主流 技术。1激光显示的原理激光显示是近几年来刚刚兴起的一种显示技术，它的显 示原理是以红、绿、蓝(rgb)三基色激光为光源的显示技 术，可以

7、最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更 加震撼的表现力。激光显示的两种典型模式为投影式和扫描 式。投影式激光显示系统主要由三基色激光光源、光学引擎 和屏幕三部分组成，光学引擎是指中的红、绿、蓝三个光阀, 有的设计三光阀合一时分复用。由合束x棱镜、投影镜头和 驱动光阀构成图像调制信号系统，光阀驱动部分使光阀上分 别生成红、绿、蓝三色对应的小画面，然后分别引入红、绿、 蓝三色激光照明投影到屏幕上，即产生全色显示图像。扫描 式可利用转镜、声光、电光等技术实现行扫描，转镜技术实 现帧扫描，声光或电光技术进行信号调制，类似于传统电视 的逐行逐点扫描模式，具有可投射非平面屏幕、大屏幕、特 种屏幕以及

8、光能利用率高等特点。不同于液晶显示的背光显 示方式，lpd是通过大概相当于20个蓝光播放器采用的蓝色 激光头集成一束作为光源，通过激光轰击涂在屏幕内部的 红、绿、蓝各色荧光粉构成的像素，以显示出图像。简单地 说，lpd更像是将传统crt显示器里面的电子枪换成了蓝色 激光头，显示原理如图1所示3。2激光显示技术的特点激光显示技术是以激光作为光源的图像信息终端显示 技术，由于激光具有单色性好、方向性好和亮度高等优点， 非常适合用于显示。与现有的显示技术相比，激光显示技术 具有色域空间大、色饱和度高、光源寿命长以及环保节能显 著等特点4。（1）色域空间大。激光发射光谱为线谱，色彩分辨率 高，色饱和度

9、高，能够显示非常鲜艳而且清晰的颜色；激光 可供选择的谱线（波长）很丰富，可构成大色域色度三角形, 能够用来显示最丰富的色彩。目前市场上销售的显示器件如 crt、lcd、pdp、dlp投影仪以及电影放映机等的色彩再现能 力均未突破ntsc制式的色彩空间，其色域空间仅能覆盖人 眼所能识别的色彩空间的31.8%,难以真实还原自然色彩， 这一不足成为进一步提高显示质量的重要障碍。对比传统光 源在色域方面，led是很好的光源技术，但由于其属于泛光 照明的特性，在高亮度、大屏幕显示方面的不足，大大影响 了 led在投影显示技术上的应用空间。与此不同的是，激光 具有非常高的强度，这样就为高亮度、大屏幕及超大

10、屏幕显 示提供了实现基础。得益于激光在色彩高纯度方面的优势， 在色温方面，lpd可以实现从2, 400k到11, 000k的宽幅调 整。对比度方面，lpd技术更是可以达到100, 000： 1的超 高对比度，可以满足户外广告行业用户的苛刻要求。(2) 刷新率高。高刷新率也是lpd的一大优势，240mhz的 刷新速度，让观看者完全不会感到画面的闪动。(3) 画面的一致性好。在画面的一致性方面，这也是 液晶显示器用户最苦恼的问题，因为光源的布置位置和使用 时间的增加，会让液晶显示器的画面出现越发不一致的画 面，尤其在拼接使用时更加明显。但是lpd却可以做得很好, 这主要是得益于lpd的发光模式不需

11、要液晶显示器所采用的 众多灯管。lpd还内置了老化程度评价程序，可以让用户在 拼接不同使用时间的显示器时实现高画面一致性，不会出现 过去使用液晶显示器时出现的画面偏暗、色彩不同的问题。(4) 真正的“无边”显示器。由于lpd不需要液晶显 示器那样对液晶的边缘进行包边处理，所以可以尽可能地把 显示器的边缘做得很薄。在拼接使用时，边缘的厚度是非常 关键的，如果边缘过厚，会影响到整体的显示效果。lpd技 术目前可以把拼接的缝隙控制到0.4mm,几乎是一条线的宽 度。通过边缘像素增亮技术(将边缘的像素增亮1. 2倍)， 还可以让lpd的边缘几乎看不出来。(5) 寿命长。激光光源是满足各种高端显示要求的

12、最 佳光源，所以业界将激光显示技术称为“人类视觉史上的一 场革命”。激光器产生的为单波长可见光，电光转化效率与 传统的显示光源相比有极大提高，避免了传统大功率光源放 热过高的缺点。激光光源使用寿命长，可长达十年之久，相 当于传统光源寿命的10至20倍，从长远来看使用成本明显 低于现在通用的传统大功率光源，产品整体性价比明显高于 传统产品。lpd可以做到6万小时工作后亮度和色调的衰减 小于5%,这样优秀的性能，主要得益于lpd的激光扫描方式。 lpd不同于crt从上到下的扫描方式，lpd是将激光作上下 左右扫描来呈现影像，激光照射荧光体的时间很短，这大大 延长了产品的使用寿命。在6万小时中，每个

13、像素的平均激 光照射时间仅为47分钟，并且维护简便，总体维护成本低。(6) 环保节能显著。激光显示作为新一代的显示技术, 具有卓越的低能耗特点。与目前主流的lcd显示产品相比， 激光显示产品在制造过程中不需要消耗大量的水资源，也不 需要使用汞等重金属，没有废水、废气、废物排放，因而更 加节能、环保。lpd的结构类似crt的结构，可能很多人会 联想到高功耗，但是，lpd的功耗却低得惊人。lpd的功耗 大概是同等尺寸采用ccfl液晶显示器的八分之一，相当于 每平方米155wo由于lpd发热较低，所以在一般情况下无需 使用散热装置，进一步降低了 lpd显示器的功耗，要知道往 往散热的功耗要占到整个系

14、统的三分之一。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，近乎 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。正是lpd的低功耗，可以为户外 广告业主节省大量的能源消耗。(7) 分辨率低。在显示性能方面，lpd技术大大优于目 前的液晶显示技术、led显示技术。但是lpd的缺点也是非 常明显的，在目前的技术下，lpd的分辨率很难大幅提升。 25英寸的lpd显示器分辨率只有320x240,比液晶显示器 动辄1, 920x1, 080的分辨率差了很多，只能拼接使用。(8) 体积较大。由于激光

15、投射到屏幕需要距离，lpd显 示器很难做到lcd那样薄，这也就限制了 lpd的适用范围。3激光显示技术的进展激光显示技术研究与发展可分为4个阶段：概念阶段、研发阶段、产业化前期阶段和规模产业化阶段。激光显示概 念在上世纪60年代出现，世界各国的科学家都尝试将激光 技术运用于显示光源的研究，2003年激光显示技术研究获得 了历史性的突破，并在当时推出了一系列工程样机，不过一 直到20052010年间才逐渐进入了激光显示产业化的前期 阶段。早期的激光显示利用了激光方向性好的特点，采取扫 描式成像方式，激光光源主要是氫离子激光/氟离子激光等 气体激光器。由于气体激光器体积大、耗电高、寿命短且易 损坏

16、，不能使激光显示技术实现产业化。上世纪80年代末, 大功率半导体激光(ld)技术、全固态激光(dpl)技术和 微型显示器系统技术的长足进展，使激光显示技术开始向实 用化迈进，特别是激光投影显示技术。预计到2026年，激 光显示产品年销售额将达5, 000亿美元。正因为如此巨大 的市场，当前日、韩、美等国都投入了大量人力物力在开发 激光显示技术，意欲争夺下一代显示器件的国际市场。曾在 lcd、pdp以及数字电视的开发竞赛中占尽先机的日本产业 界，将激光显示技术称之为人类视觉史上的革命。日本政府 高度重视激光显示技术，现在正以国家的力量加速开发，意 欲保持其显示器产业大国的地位。具有代表性的研究工

17、作包 括日本索尼公司、日本三菱电气公司、韩国三星电子、韩国 lg公司以及美国laser power公司等。2009年，三菱电器 推出了 65英寸的激光电视，2010年又推出了 75英寸的激光 电视，三菱激光电视在日本和美国的销量共计10万台。2012 年1月，比利时巴可(barco)公司展示了激光数字电影放 映机样机;2012年4月，日本索尼公司和美国科视(christie) 公司也推出了样机。目前，国际激光显示技术已发展到产业 化前期阶段，未来3到5年将是全球激光显示技术产业化发 展的关键时期5。我国在激光显示技术的研究方面具有十分坚实的基础， 通过国家863计划等科学计划的周密部署，已经建

18、立了从核心光学材料与器件、半导体与全固态激光器至整机集成的完 整技术链，为我国激光显示的研究打下了坚实的基础和具备 了良好的发展环境。在国家863十五计划期间，中国科学院 光电研究院在曹健林院长组织领导、许祖彦院士的指导下， 在大色域、大屏幕的激光显示核心关键技术领域取得了国际 领先的突破，成功研制出60英寸、84英寸、140英寸和200 英寸大屏幕激光显示样机，相关产品在国内专业科技博览会 和显示技术展览会上多次获奖，受到业界人士的广泛高度评 价，为我国显示产业的自主创新、跨越发展带来了难得的机 遇。在2006年1月10日，中科院与信息产业部联合科技成 果鉴定的结果为总体技术国际先进，色域覆

19、盖率等技术达到 国际领先水平，拥有很好的研究基础。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。我国激光显示产业上的 跨越似乎更难于技术上的突破，目前走的是一条中科院与民 营资本结合推进激光显示技术产业化的路子6。4激光显示存在的问题目前，激光显示仅有新的终端显示器是不够的，为了扩 大图像色域，增加颜色分辨率，将导致色彩数目大大增加， 因此要真正发挥激光显示的色度学优势，势必要加大图像信 息的颜色带宽，而摄像、信息处理、存储和传输系统均要作 相应调整，可能导致的结果就是制定新的显示标准，以适用 于今后的显示器发展。当然，使激光显示

20、技术走向市场化之 前，还有很多问题尚待解决，如激光显示器的大色域和现有 图像的小色域兼容问题、消除激光时间干涉条纹和空间干涉 耀斑的消干系统深入研究与干涉噪音的标准问题以及分辨 率低、体积大、成本过高以及激光对眼睛的损伤等问题。5展望随着技术的不断进步，借助dlp数字光学技术与数字显 示技术相结合，将发展出新一代的显示系统一一激光全色显 示7。激光显示能够“革命性”地让显示产业发生翻天覆 地的变化，应用激光显示技术的产品，能够同时实现高清晰、 大色域的显示，并且在节能环保方面体现出不凡的水平，导 致显示市场的更新换代和重大发展，这些技术将广泛应用在 超大屏幕、显示、家庭影院、计算机屏幕、便携式投影显示、 手机投影器、头盔式个性化立体显示以及真三维激光显示等 领域。以色彩的高还原显示作为突破的激光显示将是显示技 术的第四次革命，激光显示为我国显示产业的重新崛起提供 了