激光顯示技術(shù)

第6章激光顯示技術(shù)§6激光顯示技術(shù)激光顯示技術(shù)分為三種類型：（一）是激光陰極射線管LCRT（LaserCathodeRayTube），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(lái)實(shí)現(xiàn)的一種新型顯示器件。（二）是激光光閥顯示，基本原理是激光速僅用來(lái)改變某些材料（如液晶等）的光學(xué)參數(shù)（折射率或透過(guò)率），而再用另外的光源把這種光學(xué)參數(shù)變化而構(gòu)成的像投射到屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)圖像顯示。（三）是直觀式（點(diǎn)掃描）電視激光顯示，它是將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)制了的RGB三色激光束直接通過(guò)機(jī)械掃描方法偏轉(zhuǎn)掃描到顯示屏上。圖5.7激光面板基本結(jié)構(gòu)6.1、LCRT（LaserCathodeRayTube）1964年尼古拉·G·巴索夫博士（諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）提出用電子束激發(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)致受激發(fā)射或得到激光的設(shè)想。60年代中列別捷夫物理研究所在液氦溫度下實(shí)現(xiàn)了綠光的發(fā)射。直到近年來(lái)才研制出幾種主要顏色的室溫下工作半導(dǎo)體材料。1999年，PrincipiaOpticsInc公司獲得4.5萬(wàn)伏陽(yáng)極電壓下能在室溫下工作的紅、綠、藍(lán)激光CRT樣機(jī)，完成了商業(yè)化的第一步。圖6.1LCRT結(jié)構(gòu)圖LCRT的工作原理除了用半導(dǎo)體激光器代替熒光面板外，激光CRT實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的投影用陰極射線管。（LCRT的基本結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。）半導(dǎo)體材料的兩面與鏡面相鄰接從面形成一個(gè)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(shí)，在電子束轟擊到的地方就產(chǎn)生出激光來(lái)。這種激發(fā)的物理機(jī)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(guò)選擇合適的材料，完全可以獲得可見(jiàn)光譜上的任何一個(gè)波長(zhǎng)。為了減少損耗，激光腔只有幾個(gè)微米厚。激光面板預(yù)計(jì)能承受長(zhǎng)時(shí)間的高能電子束轟擊，達(dá)到10000至20000小時(shí)的壽命。圖6.3激光功率與陽(yáng)極電壓關(guān)系圖6.2激光輸出功率與注入功率的關(guān)系表6.1對(duì)應(yīng)5504K和6504K色溫所需的紅、綠、藍(lán)發(fā)光功率波長(zhǎng)（nm）流明/瓦10000流明5504K所需瓦數(shù)10000流明6504K所需瓦數(shù)62026012.912.352048512.813.0460419.511.5LCRT的分辨率能夠做得很高，在CRT電流為2mA時(shí)，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(gè)像素。目前正在向真正的影院放映質(zhì)量的方向努力。表6.2數(shù)字電影放映機(jī)預(yù)期參數(shù)分辨率2048×1536激光峰值功率615nm13W，520nm13W，460nm12W，相當(dāng)于10000lm陽(yáng)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℃LCRT同時(shí)也是一種理想的影院放映光源，它不會(huì)產(chǎn)生損害膠片的紅外和紫外強(qiáng)光。預(yù)期可以延長(zhǎng)膠片的放映壽命，所以可以做為兼容的數(shù)字/膠片放映機(jī)。6.2、激光光閥顯示圖6.4所示為激光光閥顯示。優(yōu)點(diǎn)是清晰度極高。它是利用激光束對(duì)液晶進(jìn)行熱寫入尋址，圖6.4激光光閥顯示激光束寫入原理為：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(guò)程。由于速冷作用，相變過(guò)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。別一方面沒(méi)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(guò)對(duì)激光束的調(diào)制和掃描，便可在整個(gè)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(guò)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(chǎng)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。6.3、點(diǎn)掃描激光電視

直接掃描式激光電視系統(tǒng)如圖6.5所示。其中應(yīng)包括RGB激光光源，掃描裝置，光強(qiáng)調(diào)制，和掃描同步控制部分。激光顯示原理顯示原理外部視頻/PC信號(hào)被分解為三原色經(jīng)顏色轉(zhuǎn)換后調(diào)制三束激光的強(qiáng)度；被調(diào)制的光信號(hào)經(jīng)過(guò)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圖6.5激光掃描系統(tǒng)示意圖直接激光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(diǎn)。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(wú)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。一、激光器選擇激光電視掃描的屏幕時(shí)，屏幕亮度可由人眼視覺(jué)暫留時(shí)間內(nèi)平均輸出亮度來(lái)計(jì)算。屏蔽幕亮度用L，光通量用表示，可得：（6.1）

顏色波長(zhǎng)（nm）色度坐標(biāo)xY紅NTSCR0.670.33He-Ne632.80.710.29Kr647.10.720.28YAG1319倍頻659.50.730.27綠NTSCG0.210.71YAG倍頻5320.170.80Ar514.50.040.81藍(lán)NTSCB0.140.08Ar488.00.050.25Ar476.50.100.10YAG973倍頻473.50.110.08Ar472.70.120.08Ar457.90.150.03He-Cd441.60.160.01采用氬離子激光器可以得到上述大多數(shù)藍(lán)、綠光譜線。下面以美國(guó)相干公司Innova激光產(chǎn)品為例，它所包括的譜線及功率如下表所示。氪離子激光器可以得到紅光譜線，以及混合氣體激光器可以得到全彩色譜線。表6.5氬氪混合氣體激光器輸出譜線型號(hào)StarPLStarPL-RStarPL-LDStarPL-LD/R全線功率3.5W3.5W2.5W2.5W紅色647nm0.9W1.1W0.7W0.9W黃色568nm0.04W-0.03W-綠色521-515nm0.7W0.7W0.6W0.6W藍(lán)色488-477nm0.7W0.9W0.6W0.7W深藍(lán)458nm0.035W0.04W0.03W0.04W表6.4Innova氬離子激光器譜線及功率分布

波長(zhǎng)（nm）1090.0528.7514.5501.7496.5488.0476.5472.7465.8457.9454.5功率（W）0.070.422.400.480.721.800.720.240.180.420.14固體激光器以及半導(dǎo)體激光泵浦的全固態(tài)激光器是當(dāng)今發(fā)展最快的激光器，可以產(chǎn)生連續(xù)輸出的譜線主要為YAG的1064nm，1319nm及946nm。如果用這些譜線倍頻，可以得到532nm綠光，660nm紅光及473nm藍(lán)光。它們也可以做為RGB全色激光顯示的光源。用固體激光器泵浦的非線性光學(xué)參量激光器也可以得到RGB全色激光輸出。藍(lán)光446nm：>4.8W綠光532nm：>6.5W紅光628nm：>7.0W脈寬：<7ps脈沖重復(fù)頻率：>80MHz光束質(zhì)量M2：<1.5偏振：>100:1（線性）振幅噪聲：<2%rms壽命：1000小時(shí)/5年該系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光泵浦的釩酸釔SESAM高重負(fù)率鎖模激光輸出的1064nm功率為42W的基頻光，倍頻后得到532nm綠光，部分透過(guò)的基頻光泵浦KTA晶體的參量振蕩產(chǎn)生1535nm的參量振蕩光，628nm的紅光是由1535nm的參量光與1064nm基頻光在KTA晶體中和頻產(chǎn)生，446nm的藍(lán)光是由1535nm的參量光與前級(jí)產(chǎn)生的628nm紅光在LBO晶體中和頻產(chǎn)生。采用鎖模激光器可以得到高重負(fù)率，同時(shí)也可以由鎖模激光短的相干長(zhǎng)度減少屏幕視覺(jué)的散斑效應(yīng)。二、光調(diào)制器激光器輸出光強(qiáng)的調(diào)制可以由二種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：由激光器驅(qū)動(dòng)電源直接調(diào)制，在激光器內(nèi)部外部放置光電晶體。外部調(diào)制法又分為：電光調(diào)制和聲光調(diào)制兩種。前者適合10~100MHz范圍內(nèi)的寬頻帶調(diào)制，但所需驅(qū)動(dòng)功率大；后者適用于10MHz以下的窄頻帶光調(diào)制，所需驅(qū)動(dòng)功率小，可獲得高對(duì)比度。（1）電光調(diào)制晶體的折射率隨外加電場(chǎng)E的改變而變化，稱為電光效應(yīng)。一般可以將晶體的折射率展開(kāi)為電場(chǎng)的級(jí)數(shù)場(chǎng)中a和b是常數(shù)，電場(chǎng)一次項(xiàng)代表線性電光效應(yīng)，即普克爾斯（Pockels）效應(yīng)；電場(chǎng)二次項(xiàng)代表克（Kerr）效應(yīng)，電光調(diào)制利用的是普克爾斯效應(yīng)。圖6.8電光晶體Z截面，實(shí)線為無(wú)外場(chǎng)時(shí)，虛線為加Z向電場(chǎng)時(shí)圖6.9軸向偏壓方式1）橫向運(yùn)用外加電場(chǎng)垂直于光軸的方式工作稱軸向偏壓方式。由于入射光被分解成為平行于X’和Y’兩個(gè)方向的互為垂直分量。在經(jīng)歷了兩個(gè)方向不同的折射率之后，通過(guò)晶體后兩個(gè)偏振方向的相位差變?yōu)?）縱向運(yùn)用①橫向運(yùn)用電光效應(yīng)與d/h有關(guān)，可以通過(guò)改變橫/縱比降低半波電壓；圖6.11聲光調(diào)制布喇格衍射②橫向運(yùn)用中含有自然雙折射的影響，這一項(xiàng)易受外界溫度和濕度的影響。為消除這種因素的影響，可采用兩塊準(zhǔn)確相