（物理电子学专业论文）大屏幕真彩色全固态激光显示系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 由于激光具有单色性好、 亮度高、 方向性好的特点， 使得激光在显示领域具 有独特的优势。 全固态激光显示具有高分辨、 高对比 度、 色彩丰富自 然真实以及 可在任意曲 面上显示等优点。与闪光灯泵浦的激光器相比， 全固态激光有结构紧 凑、 寿命长 ( 超过1 0 , 0 0 0 小时) 、 效率高、 功耗低等优点。 本文围绕全固态激光 大屏幕真彩色投影电 视系统关键技术展开研究，主要内容及创新点概括如下: 1 . 系统地总结了激光显示系统的发展及现状， 并与现存其他几种显示方式 进行了比较; 2设计并制作成功了 适用于p a l电视系统的铝合金材料的转镜一 振镜激光 二 维 扫描 系统， 多 面 转 镜面数为4 0 面， 半 径4 0 m m ， 转 速3 9 0 .6 2 5 r p s ， 镜 面激光反射率大于8 5 % ，并实现了稳定的扫描光栅; 3 . 理论分析了转镜一 振镜激光扫描系统的非线性和非对称性的问题，得到 了画面上激光斑点移动速度的解析表达式， 讨论了画面曝光量分布等与 扫描系统各参数间的关系， 分析了转镜的尺寸以及视频信号对光斑的限 制条件。 数值计算表明， 行扫描中光斑移动的速度差最大为6 m- s - ， 对 称中心由3 2 u s 移至 3 0 . 7 4 7 7 u : 处，光斑直径最大为0 . 8 1 m m ; 4 . 研制了r g b 激光布拉格声光调制器， 采用s f - 1 0 无色透明玻璃， 衍射效 率约为7 4 % ，载波频率1 5 0 m h z ， 调制频率大于1 o m h z ,输出功率1 5 w ; 5 . 设计并研制了以p c机为视频信号源的视频信号的缓存与控制系统，输 入信号可以为v g a 或d v i 类型，以三个5 1 2 k 的f i f o( 先进先出) 存储 器作为r g b 数据流的缓冲器。 此系统很好地解决了 机械扫描系统和视频 信号的同步问题; 6 . 总结了显示系统中的色度学问题， 包括颜色的基本特征， 人眼对颜色的 分辨力， 混色方案等。 重点讨论了基色的转换及白 平衡的实现， 计算了 激光三原色实现白 平衡时的亮度比 为l , : 几: l b =0 . 2 5 : 0 . 7 2 : 0 . 0 5 和功率比为p r : p: p o 二0 . 8 6 5: 0 . 8 1 6: 0 . 7 9 4 ; 7 . 系统总结了三原色激光的研究进展以及几种激光锁模技术。实现了 1 1 8 . 3 4 5 m h z的高频锁模脉冲激光输出。 研究了 高非线性光学系数晶体 b i b o 的光学特性及倍频性能， 获得了2 . 2 w 的绿光输出。 设计研制了r g b 激光光源，采用 l d侧面泵浦的 n d : y a g / k t p倍频绿光激光器，实现了 4 0 w的绿光输出， 用k t p - o p o 产生1 2 5 7 n m 和9 2 2 n m 红外光， 倍频后产生 6 2 8 n 。 的红光和4 6 1 n m 的脉冲蓝光输出。 关键词:激光显示技术，大屏幕显示，真彩色，全固态激光， r g b激光，频率 变换，三原色，白平衡，扫描系统，视颇缓存系统 a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e r d i s p l a y t e c h n o l o g y ( l d t ) i s o n e o f t h e m o s t p r o m i s i n g t e c h n o l o g i e s f o r l a r g e a r e a ( o r s c r e e n ) d i s p l a y . d u e t o t h e u n i q u e a d v a n t a g e s o f r g b la s e r , s u c h a s , m o n o c h r o m a t i c , s m a l l d i v e r g e n c e , h i g h b r i g h t n e s s , e t c , l d t h a s m a n y a d v a n t a g e s . t h e g r e a t e r s p a t i a l c o h e r e n c e r e s u l t s i n g r e a t e r d e p t h o f f o c u s , p e r m i t t i n g p r o j e c t i o n o n c u r v e d s u r f a c e s , h i g h r e s o l u t i o n , h i g h d e f in i t i o n , g re a t e r p i x e l c o n t r a s t . t h e m o n o c h r o m a t i c n a t u r e o f l a s e r l i g h t r e s u l t s i n b r i l l i a n t , s a t u r a t e d c o l o r s a n d g re a t e r o p t i c a l e f f i c i e n c y . d io d e - p u m p e d a l l - s o l i d - s t a t e l d t o ff e r s n u m b e r a d v a n t a g e s o v e r t h e i r l a m p - b a s e d c o u n t e r p a rt s . t h e i r a d v a n t a g e s re s u l t i n l d t s lo n g l i f e t i m e s ( i n e x c e s s o f 1 0 , 0 0 0 h o u r s ) , l o w p o w e r c o n s u m p t i o n , c o m p a c t s t r u c t u r e , s m a l l b u l k a n d e a s y o p e r a ti o n . t h is d i s s e rt a t i o n h a s m a d e s y s t e m a t i c r e s e a r c h e s o n t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f l a r g e d i s p l a y a r e a l d t . t h e m a i n c o n t e n t s a r e a s f o l l o w s : 1 . c o m p a r i n g t o o t h e r d i s p l a y t e c h n o l o g i e s , t h e m a i n a d v a n t a g e s o f l d t w e r e i n t ro d u c e d a s w e l l a s i t s d e v e l o p m e n t s ; 2 . t h e p o l y g o n a l m i r r o r s c a n n in g s y s t e m i s d e s i g n e d a n d m a d e f o r p a l s t a n d a r d t v s i g n a l w i t h a l u m i n u m a l l o y , t o g e t h e r w i t h a g a l v a n o m e t r i c m ir r o r . t h e s y s t e m c a n s c a n 2 - d i m e n s i o n s v i d e o s i g n a l . t h e p o l y g o n f a c e t s n u m b e r i s 4 0 , r a d iu s i s 4 0 m m , r o t a t i o n s p e e d i s 3 9 0 . 6 2 5 r p s ，t h e r e fl e c t i o n r a t e o f p o l y g o n a l m i r r o r s u r f a c e i s 8 5 %. t h e s t a b l e g r a t i n g s s c a n n i n g w a s r e a l i z e d 3 . a n a n a l y s i s s o lu t i o n w a s o b t a i n e d f o r s c a n n in g v e l o c i ty o f l a s e r p o in t o n p r e o b j e c t iv e m ir r o r o f p o l y g o n - m i r r o r s c a n n i n g s y s t e m . t h e n o n l i n e a r i ty , a s y m m e t r y a n d s u b s e q u e n t i m a g e a b e rr a t i o n a r e a t t r ib u t e d t o t h e i n t r in s i c s t r u c t u r e o f t h e s c a n n i n g s y s t e m . a n u m e r i c a l c a l c u l a ti o n w a s m a d e t o d e m o n s t r a t e t h a t t h e re i s a b o u t 6 m . s - d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e m a x i m u m a n d m i n i m u m s c a n n i n g s p e e d d u r in g a h o r i z o n t a l s c a n n i n g . t h e t i m e s y m m e t r y c e n t e r i s c h a n g e d fr o m 3 2 g s t o 3 0 .7 4 7 7 g s ; 4 . t h e m a i n m e t h o d s o f l a s e r i n t e n s i ty m o d u l a t i o n w e re s u m m a r i z e d b r i e fl y . t h e r e d , g r e e n a n d b l u e ( r g b ) l a s e r a c o u s t i c - o p t i c a l m o d u l a t o r s w e re m a d e w i t h t r a n s p a r e n t g l a s s s f - 1 0 . t h e ir d i f f r a c t i o n e f f i c i e n c y i s o v e r 7 4 %. t h e c a r r i e r fr e q u e n c y i s 1 5 0 mh z , m o d u l a t i o n fr e q u e n c y i s l o mh z , a n d o u t p u t p o w e r i s 1 5 城 a b s t r a c t 5 . t h e v i d e o s i g n a l b u ff e r s t o r a g e a n d c o n t r o l s y s t e m w as d e s i g n e d a n d m a d e . t h e s i g n a l t y p e i s v g a o r d v i s t o r a g e s w e r e u s e d a s b u ff e r fr o m p c . t h r e e 5 1 2 k f i f o s ( f i r s t - i n f a s t - o u t ) s t o r a g e s f o r r g b d a t e s t r e a m s . t h e s y n c h r o n i z a t i o n b e t w e e n t h e s c a n n e r a n d p c v i d e o s i g n a l w a s r e a li z e d . 6 . t h e c h r o m a t i c p r o b l e m i n d i s p la y s y s t e m w as d i s c u s s e d , i n c l u d i n g c o l o r s b a s i c c h a r a c t e r s , h u m a n s r e s o lv i n g p o w e r o f c o l o r , t h e c o l o r m i x in g t h e o ry a n d t h e t r a n s f o r m a t i o n o f t h r e e p r i m a ry c o l o r s . t h e r a t i o o f t h r e e p r im a r y c o l o r s b r i g h t n e s s a n d p o w e r t o o b t a i n w h i t e b a l a n c e c o l o r w as c a l c u l a t e d t o b e l , : l g : 几=0 . 2 5 : 0 . 7 2 : 0 . 0 5 a n d 几: 凡: 几二 0 . 8 6 5: 0 . 8 1 6: 0 . 7 9 4 , r e s p e c t i v e l y ; 7 . t h e d e v e l o p m e n t o f r g b l a s e r a n d t h e t e c h n o l o g i e s o f m o d e - l o c k e d l as e r w e r e s u m m a r i z e d . 1 1 8 . 3 4 5 m h z h i g h r e p e t i t i o n r a t e m o d e - l o c k e d l a s e r w a s r e a li z e d . t h e s t r u c t u r e a n d s h g p r o p e rt i e s o f a n e w n o n l i n e a r o p t i c a l 卿l o ) b o r a t e c rys t a l b i 13 3 0 6 ( 13 1 13 0 ) w e r e i n t r o d u c e d b r i e fl y . i ts m a i n a d v a n t a g e s i n c lu d e h i g h e ff e c t i v e n l o c o e f f i c i e n t ( d ff ) , b r o a d t r a n s m i s s i o n b a n d , s t a b l e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r ti e s , n o n - h y g r o s c o p y e t c . 2 .2 w g r e e n l a s e r w a s g a in e d w it h in t r a c a v i ty fr e q u e n c y d o u b l e d n d :y a g bi b o l a s e r . a r g b l a s e r s y s t e m w a s d e s i g n e d w it h d o u b l e o s c i l l a t i o n r e s o n a n t ( d o r ) f o l l o w in g w i t h t w o s h g s , a n d o v e r 4 0 w gr e e n b e a m w as g a in e d , r e d , b lu e l as e r w as g a i n e d w i t h l o w r e p e t it io n r a t e . k e y w o r d s : l a s e r d i s p l a y t e c h n o lo g y , l a r g e a r e a d i s p l a y , f u l l c o l o r , a l l - s o l i d s t a t e l a s e r , r g b l a s e r , fr e q u e n c y - c o n v e r s i o n , t h r e e p r im a ry c o l o r s , w h it e b a l a n c e , s c a n n i n g s y s t e m , v i d e o s i g n a l b u ff e r s t o r a g e s y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论 文中不包含其他人己经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得k; 目. 色或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中 作了明确地说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : -a a 签 字 日 期 :l 0 4 年 月 可日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 e ;丈有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 特 授 权 k 建立崖 址 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日 期:7 n 幸 年 : tv h a i 月 ， 了 日 导师签名: + a 有 签字日 期: 2 v o o 日立的1 3 . 3 英寸的l c d 视角可达1 4 0 度。 彩色p d p 是用气体( h e , n e , a r , k r , x e 或h g 蒸气等 ) 放电 产生的真空紫 外线激发三基色荧光粉发光而实现显示的新型平板型显示技术。 其特点是主动 发光， 视角大， 响应快，有存储功能色彩与c r t 相当， 数字化工作模式，易于制 作大屏幕显示等，因此发展速度很快。 现有的p d p 技术存在成本高、 发光效率 低、 使用寿命有限等不足， 价格却异常昂贵， 就是因为制造复杂且成品率低导致 生产成本居高不下。由东南大学承担的 “ 3 4 英寸全彩色荫罩式p d p ( 等离子显示 屏) 研制”课题成果， 己正式通过国家 “ 8 6 3 ”计划新材料技术领域办公室的验收 和鉴定。 这标志着我国 荫罩式p d p 技术获得重大创新和突破。 荫罩式p o p 具有工 艺 简单、 生产效率和成品率高、 与目 前p d p 制造兼容、 分辨率高、 对比 度高、 发 光效率高、 成本低廉( 仅为目 前生产成本的三分之一) 等优点， 可以 使p d p 的 制造 费用大幅度 卜 降， 具有非常好的产业化前景， 将为我国p d p 产业实现跨越式发展 开辟一条重要的技术途径。 l e d ( l i g h t e m i t t i n g d i o d e ) 显示屏是由发光二极管排列组成的显示器 件。它采用低电压扫描驱动，具有如下优点:1 、耗电省;2 、使用寿命长;3 , 成本低:4 、亮度高;5 、视角大;6 、可视距离远:7 ,规格品种多。 近年来l e d 显示屏市场得到了迅猛的发展，己经广泛应用到银行、邮电、 税务、 机场、 车站、 证券市场及其它交易市场、 医院、电力、 海关、 体育场等多 种需要进行公告、宣传的场合。目 前 l e d 显示屏作为信息传播的一种重要手段， 已经成为城市信息现代化建设的标志。 随着社会经济的不断进步， 以及l e d 显示 技术的不断完善， 人们对l e d 显示屏的认识将会越来越深入， 其应用领域将会越 来越广。 采用高辉度红色、 绿色l e d 的平面显示元件已广泛用于各种信息显示板。 对 于最难实现的蓝色 l e d采用了s i c材料，数年前也已经实用化最近利用 g a n 系已 实 现预期的高辉度蓝光3 , 30 7 。 另外， 利用z n s e 等工 i - v i 族化和物半导体材料 制成p 型单晶，开发出与g a n 发光亮度不相上 f 的高辉度蓝色l e d ., 第一章 激光显示系统的发展及现状及其与其他几种显示方式的比较 光电显 示分为投影式、直视式、虚拟式。投影显示又分为前投影和背投影。 背投影占 据的空间小，6 0英寸以下屏幕多采用背投影。前投影占据的空间大， 但投影面积可以做得很大。c r t显示器亮度有限，投影屏幕尺寸不能太大，c r t 最大尺寸只能 做到4 0英寸【 日 。 直视式显示是显 示的 主体。 平板显示分为 发光式 和受光式发光式显示美观、 视角大、 暗处显示效果更好， 但发光式主动显示对 视觉有刺激， 不适合于长时间观看显示屏。 受光式显示为被动显示， 主要代表是 液晶显示， 其功耗低、 亮处显示清楚、 对肉眼无刺激: 但存在视角小、暗处要求 照明等问题。 虚拟式显示实际上是空间成像式， 是利用光学系统把来自图像源的 像形成于空间。 比如看虚像的头盔显示器或观看全息图像的全息显示器等。当 前， 显示技术主要有两大发展方向， 即大屏幕多媒体化和便携式多媒体化lt a 2 1 世纪的主导产品将是壁挂式、 台式高分辨、 纸张式轻便多媒体显示器和高亮度大 屏幕多媒体显示器。 前者主要以p d p , l c d 为主: 后者主要以l c d、 f e d , o e l ( 有 机电致发光)为主。未来显示在亮度、色彩、分辨率、功耗等方面的要求更高 为满足上述要求， 需要在显示材料、 相关材料、 显示器件结构设计、 器件制造工 艺等方面有新的改进和发展。 本论文工作是研究当前大屏幕多媒体化显示领域最 活跃、最有前景的基于全固态激光器的大屏幕真彩色激光显示技术 ( l a s e r d i s p l a y t e c h n o l o g y l d t ) o 1 . 1 . 2显示系统的一般指标要求2 1 评价显示器件， 要考虑视感特性、 物理特性和电学特性，同时还应考虑制造 难易程度和成本等。评价显示器件关键参数有亮度、发光效率、 对比 度、 功耗、 分辨率、灰度、彩色、寿命 ( 稳定性) 、视角、屏幕尺寸、响应时间等。在后面 的章节中会涉及这些参数。下面将简要说明这些参数的意义: 1 . 亮度 亮度是指显示器件的发光强度。它是指垂直于光束传播方向单位 面积上的发光强度，单位为w e 。视感度大的绿光显示器件亮度较高。发光式 显示器件和受光式液晶显示器件 ( 采用背照明透射式显示) 均采用亮度参数。 受 光式、 反射式显示器件以反射光的强度表明亮度， l d t 显示是通过屏幕反射激光 实现的，所以用反射光的强度表明亮度。 2 . 发光效率发光效率是指显示器件辐射出的单位能量所发出的光通 量，单位为 l m / w 一般发光式显示器件的发光效率为0 . 1 l m / w 1 . 5 1 m / w ,其中 第一章 激光显示系统的发展及现状及其与其他几种显示方式的比较 光电显 示分为投影式、直视式、虚拟式。投影显示又分为前投影和背投影。 背投影占 据的空间小，6 0英寸以下屏幕多采用背投影。前投影占据的空间大， 但投影面积可以做得很大。c r t显示器亮度有限，投影屏幕尺寸不能太大，c r t 最大尺寸只能 做到4 0英寸【 日 。 直视式显示是显 示的 主体。 平板显示分为 发光式 和受光式发光式显示美观、 视角大、 暗处显示效果更好， 但发光式主动显示对 视觉有刺激， 不适合于长时间观看显示屏。 受光式显示为被动显示， 主要代表是 液晶显示， 其功耗低、 亮处显示清楚、 对肉眼无刺激: 但存在视角小、暗处要求 照明等问题。 虚拟式显示实际上是空间成像式， 是利用光学系统把来自图像源的 像形成于空间。 比如看虚像的头盔显示器或观看全息图像的全息显示器等。当 前， 显示技术主要有两大发展方向， 即大屏幕多媒体化和便携式多媒体化lt a 2 1 世纪的主导产品将是壁挂式、 台式高分辨、 纸张式轻便多媒体显示器和高亮度大 屏幕多媒体显示器。 前者主要以p d p , l c d 为主: 后者主要以l c d、 f e d , o e l ( 有 机电致发光)为主。未来显示在亮度、色彩、分辨率、功耗等方面的要求更高 为满足上述要求， 需要在显示材料、 相关材料、 显示器件结构设计、 器件制造工 艺等方面有新的改进和发展。 本论文工作是研究当前大屏幕多媒体化显示领域最 活跃、最有前景的基于全固态激光器的大屏幕真彩色激光显示技术 ( l a s e r d i s p l a y t e c h n o l o g y l d t ) o 1 . 1 . 2显示系统的一般指标要求2 1 评价显示器件， 要考虑视感特性、 物理特性和电学特性，同时还应考虑制造 难易程度和成本等。评价显示器件关键参数有亮度、发光效率、 对比 度、 功耗、 分辨率、灰度、彩色、寿命 ( 稳定性) 、视角、屏幕尺寸、响应时间等。在后面 的章节中会涉及这些参数。下面将简要说明这些参数的意义: 1 . 亮度 亮度是指显示器件的发光强度。它是指垂直于光束传播方向单位 面积上的发光强度，单位为w e 。视感度大的绿光显示器件亮度较高。发光式 显示器件和受光式液晶显示器件 ( 采用背照明透射式显示) 均采用亮度参数。 受 光式、 反射式显示器件以反射光的强度表明亮度， l d t 显示是通过屏幕反射激光 实现的，所以用反射光的强度表明亮度。 2 . 发光效率发光效率是指显示器件辐射出的单位能量所发出的光通 量，单位为 l m / w 一般发光式显示器件的发光效率为0 . 1 l m / w 1 . 5 1 m / w ,其中 第章 激光显示系统的发展及现状及其与其他几种显示方式的比较 真空荧光显示发光效率高达 1 1 m / w - 1 o l m / w 。 发光效率是衡量发光材料性能的非 常重要的参数 3 . 对比度 ( c ) 对比 度表示画面上最大亮度 ( l -)和最小亮度 ( l , )之 比。即 c = . l m - l . n( 1 - 1 ) 在室内照明条件下对比度达到5 : 1 ，基本上可以满足要求。在实用中都是有 环境光的， 所以显示器必须有足够的亮度才能在实用中有足够的对比度， 这时的 对比度为: c , = l 二 十 l _ l , 十 l . u , ( 1 - 2) 若显示材料非线性特性差、 阂值不明显， 则会产生行、 列电极交叉干扰， 使 非选通部分发光， 降低了对比度。 为了提高对比度， 在材料非线性、 周边电路驱 动方式、 器件结构等方面做了大量的研究工作。 例如， 液晶有源矩阵显示中每个 像元与开关元件相结合， 使 对比 度高达1 0 0 : 1 以 上 l d t 可 达1 5 0 , 0 0 0 : 1 4 . 灰度灰度表示图上亮度的等级。人眼能分辨的亮度层次为; 二 lo g c s ( 1 - 3) 其中，s 是人眼 对亮度差的 分辨率， 一 般取0 . 0 2 - 0 . 0 5 , c 是对比 度。 以 亮度的2 1 / 2 倍的发光强度的变化划分等级。灰度越高，图像层次越分明，彩色 显示中颜色更丰富， 图像更柔和。 为了检测电视通道的线性和检查、 调整电 视图 象亮度、 对比度的准确性， 常采用1 0 级灰度测试图。通常电视接收机所重现的 图像能达到7 .8 级灰度就很好了。电视中的一个灰度级间的亮度差层次为6 9 级。人眼可分辨的最大亮度层次为 1 0 0 级。 5 .分辨率显示器分辨率的高低有双重含义， 即像元密度和器件包含的像 元总数。 c r t 分辨率可达到l 0 0 p p i 一1 1 0 p p i ( 每英寸像元数) 时， 但是再提高有 难度， 原因是受电 子束聚焦有限性和发光粉颗粒及发光效率等因素的影响。 p d p , l c也由 于象素尺寸难于进一步缩小而限制了像元密度的提高。 6 .响应时间、 余辉时间响应时间表示从施加电压到显示图像所需要的时 间，又称为上升时间。而当切断电压后到图像消失所需要的时间称为余辉时间， 第一章 激光显示系统的发展及现状及其与其他几种显示方式的比较 又称为下降时间。视频图像显示要求响应时间和余辉时间加起来小于 5 0 m : 才能 满足帧频的要求。 7 . 色彩 显示颜色分为黑自、单色、多色、全色。显示颜色是衡量显示器 件性能优劣的重要参数。 发光显示以 红光、 绿光、 蓝光三基色加法混色得到c i e 色度图舌形曲 线上任意颜色。 复合光光谱丰富程度取决于三基色发光光谱纯度和 饱和度以 及三基色发光像元的灰度级别。 c r t , l c d 及p d p已 可显示几百万种颜 色， 基本上达到全色显示要求。 液晶显示色彩靠背照明冷阴极灯白光和三基色绿 光膜相匹配得到c i e 色度图舌形曲 线饱和区，实现了全色显示提高三原色r , g , b的光谱纯度， 可以 进一步扩大彩色再现的范围。 由于激光光源具有目 前所 有光源中最高的纯度， 所以l d t 的彩色再现范围比其他显示方式的大得多， 大约 是普通电视如p a l 制式的2 . 3 倍9 o 。吕 l d t色域 户夕 沪沪尹 ，!，/ v g 0 。4 o 2 于一尸- 钻 o 。 2 o 。 4o 。 g o 。8 图 1 -2 颜色三角形中可重现的颜色范围比 较 8视角 在受光式被动显示中，观察角度不同，对比度不同。在液晶显示 中问题特别突出。由 于液晶分子具有光学各向异性， 液晶分子长轴方向和短轴方 向光吸收不同， 因而会引起对比 度不同。 在发光式主动显示中几乎不存在视角问 题，因为像元就是光辐射源，光空间分布是均匀的， 视角大又均匀。 l d t 在漫反 射屏上显示，不存在视角限制的问 题，就是说基本上达到 1 8 0 度的显示角度。 1 . 2激光显示系统的发展现状 第一章 激光显示系统的发展及现状及其与其他几种显示方式的比较 又称为下降时间。视频图像显示要求响应时间和余辉时间加起来小于 5 0 m : 才能 满足帧频的要求。 7 . 色彩 显示颜色分为黑自、单色、多色、全色。显示颜色是衡量显示器 件性能优劣的重要参数。 发光显示以 红光、 绿光、 蓝光三基色加法混色得到c i e 色度图舌形曲 线上任意颜色。 复合光光谱丰富程度取决于三基色发光光谱纯度和 饱和度以 及三基色发光像元的灰度级别。 c r t , l c d 及p d p已 可显示几百万种颜 色， 基本上达到全色显示要求。 液晶显示色彩靠背照明冷阴极灯白光和三基色绿 光膜相匹配得到c i e 色度图舌形曲 线饱和区，实现了全色显示提高三原色r , g , b的光谱纯度， 可以 进一步扩大彩色再现的范围。 由于激光光源具有目 前所 有光源中最高的纯度， 所以l d t 的彩色再现范围比其他显示方式的大得多， 大约 是普通电视如p a l 制式的2 . 3 倍9 o 。吕 l d t色域 户夕 沪沪尹 ，!，/ v g 0 。4 o 2 于一尸- 钻 o 。 2 o 。 4o 。 g o 。8 图 1 -2 颜色三角形中可重现的颜色范围比 较 8视角 在受光式被动显示中，观察角度不同，对比度不同。在液晶显示 中问题特别突出。由 于液晶分子具有光学各向异性， 液晶分子长轴方向和短轴方 向光吸收不同， 因而会引起对比 度不同。 在发光式主动显示中几乎不存在视角问 题，因为像元就是光辐射源，光空间分布是均匀的， 视角大又均匀。 l d t 在漫反 射屏上显示，不存在视角限制的问 题，就是说基本上达到 1 8 0 度的显示角度。 1 . 2激光显示系统的发展现状 第一章 激光显示系统的发展及现状及其与其他几种显示方式的比 较 第一 台激光电视是1 9 6 5 年在美国t e x a 。 仪器公司诞生的。 随后的十多年 里，多家科研机构如美国的z e n i t h 公司5l ，日 本的n n k 和日 立公司等对激光电 视展开许多有意义的研究，但在商品化上无重大进展。 主要原因有两个方面: 一是扫描装置技术难度大， 不易批量生产; 二是激光器的发光效率低， 电功耗大， 难于实用化。 8 0 年代末， 英国 将激光显示用于空间 导弹 模拟训练室中 3 3 。进入 9 0 年代， 激光电视技术有呈现迅速发展的趋势，到9 0 年代末，己 经有商品化的 激光电视出现。 近年来，由于微电子技术和新材料等相关技术的支持， 激光电视 迅速发展， 同时固体激光技术的发展使三基色光源固体化， 效率大大提高。 信息 和多媒体显示的市场需求也驱动了 激光电 视的快速发展l2 8 1 。 最近中国 科学院长 春光机所科技人员利用中 科院最新研究成果一 j 用于激光显示的红、 绿、 蓝d p l 固体激光器， 采用成熟的面阵空间光电寻址调制技术， 同时实现像素选通和光强 调制， 提出了非点扫描成像激光电视技术一小区域扫描投影成像，实现了6 0 英 寸激光全彩色视频显示【 l l 。 目 前国内 仅有单色激光扫描演示的产品， 尚 无真彩色 激光扫描大屏幕显示产品。 激光扫描显示技术是激光技术与电 视技术相结合、渗透，利用视频信号调 制的激光束直接扫描屏幕而形成图像的， 是大屏幕彩色电视的发展方向之一。 激 光显示器主要由 激光器、 光偏转器和屏幕组成。 在激光电 视中，一 个光点以一定 的速度扫过屏幕， 产生一个点点对应的图像， 视觉暂留使得观众看到的是一幅高 质量的图像。 由于激光具有极好的单色性和方向性， 所以用激光显示不仅能保证 重现图像的颜色， 而且对自 然界中难以看到高饱和度色彩也能显示出来 前苏联 科学院研制成功的激光电视， 不仅色彩鲜艳逼真， 而且可以收看全息图像和立体 画面的电视节目。 激光显示是投影显示领域的最新技术。 由于激光的特性， 它比其他显示技术 具有更多的优越性:( 1 ) 超大屏幕、高亮度;( 2 ) 色域宽，高度饱和色彩，可实 现最佳色彩转换;( 3 )有无限的焦深，可实现高分辨率，可在不同材质 水幕、 雾幕、 屏幕等) 以 及任意形状表面显示， 甚至在悬崖峭壁上成象; ( 4 ) 高对比 度 ( 可达1 5 0 , 0 0 0 : 1 ) , ( 5 ) 光纤导光、多通道投影及卫星式分布， 光源可与投影 头分离， 操作方便。因此，它是实现超大屏幕、 高清晰度显示最有前途的技术之 l d t主要包含的技术为两个方面，一是与 此相适应的p s 激光器泵浦的瓦级 红、绿、蓝激光光源:另一是与全色显示有关的调制、扫描及同步等关键技术。 第一章 激光显示系统的发展及现状及其与其他几种显示方式的比较 作为激光显示的关键技术， 红、 绿、 蓝激光器是激光显示领域研究和开发的 重点。 产生红、 绿、 蓝激光有多种方法，如气体、固体、 半导体激光器等， 就高 功率 ( 大于瓦级)的红、绿、 蓝激光光源而言， 仅有气体与固体激光器两类。 气 体激光器 氢离子激光能产生蓝4 8 8 n m 和绿5 1 4 . 5 n m , 氢离子激光可产生红光) 耗电量大、 体积庞大及操作维护困难， 寿命也较短，目 前己有逐渐被固体激光器 所取代的趋势。 而固体激光器， 特别是全固态的激光器 ( 激光乙极管泵浦的固体 激光器，简称d p l )以其效率高、体积小、寿命长及工作稳定可靠等特点被广泛 应用 尤其是瓦级以上的高功率r g b 激光器， 采用d p l 再加上非线性频率变换技 术将是最佳方案。 德国k a i s e r s l a u t e r n 大学和l t d g m b h 激光振荡及放大器 ( 重复频率 8 0 m h z ，脉宽为 7 p s ) 。 并利用l b o - s h g , k t a - o p o , k t a - s f m , l b o - s f m 等技术实现波长的 转换。 正常投影范围可以达到4 m x 6 m ， 这是国际上的最高水平。 文献 2 剑提出利用激 光二极管泵浦的脉冲n d : y v o 或n d : y l f 激光器， 通过s h g , o p o 及s f m 等技术得 到适用于激光彩色显示的红、 绿、 蓝三色激光输出。 锁模n d : y v o , 激光器的输出 脉宽为3 0 - - - 5 0 p s ，重复频率为7 0 - l 0 o m h z ，当泵浦二极管功率为6 0 0 w 时，可 以 得到 2 0 -3 0 w的 近红外输出，通过波长转换，可以 得到瓦级红、 绿、 蓝激光 输出。正常投影可以达到对角线长为2 m的范围。文献【 2 1 提出利用通过s h g , o p o及 s f m等技术得到适用于彩色显示的至少三个波长的输出。此专利主要对 s h g , o p o及s f m 等波长转换的方案 ( 如输出波长及晶体选择等)进行了讨论， 未提及实现最初的红外光的具体方法 ( 如激光介质和泵浦源的选取，以及连续 或脉冲的运转方式) ， 及输出功率和脉冲频率。文献 2 2 h o l l e m a n n 等研究了第 一台工业化大面积激光显示用的全固态红、绿、蓝激光光源，其输出功率分别 为4 4 6 n m( 蓝光)4 . 8 w , 5 3 2 n m( 绿光) 6 . 5 w , 6 2 8 n m( 红光) 7 . o w 、 泵浦源采用 锁模n d : y v o 、 激光振荡及放大器 ( 重复频率8 0 m h z ，脉宽为7 p s 量级，光束质量 矿 4 1 9 2 ， 输 出 波 长 为9 4 6 n m ， 成 为 实 现 4 7 3 n m的蓝光输出的突破口， 近年来人们投入大量精力研究.但功率都仅为几十 m w 量 级 19,201 。b e n a g a t e 等 采 用c r : l i s a f 实 现 飞 秒 级 锁 模 激 光 输出 2 11 。 去 年 德国c z e r a n o w s k y等人对 9 4 6 n m 4 . 6 w的 线偏振激光进行腔内 倍频实现了 高达 2 . 8 w的 连续蓝光 输出2 2 1 ， 这是国际上同 类激光器输出 功率的 最高水平。 他们使 用的倍频晶体为b i b o ( 输出2 . 8 w ) , b b o输出2 . 1 w ) ， 和l b o ( 输出1 . 5 2 w ) ，转换 效率分别为6 3 %, 4 7 % 和3 3 %.最近， 国内中科院物理所许祖彦领导的研究小 组实现了 瓦级以 上的 连续蓝光输出 2 3 1 ， 中 科院 李平雪和长光所王军营等利用 l b o 晶 体倍频也实现了 连续瓦级的4 7 3 n m 蓝光输出:70 , 7 11 。 2 . 2锁模激光理论与实验 自1 9 6 6 年m a r i a 等人首次实现了 激光的锁模2 8 1 以来， 锁模激光一直是人们 研究的热点。目 前， 实现锁模的方法按工作机理分有主动锁模、 被动锁模、 主被 动同时锁模、 同 步泵浦锁模和对撞锁模等多 种形式2 4 1 。 其中 用可饱和吸收体的 对 撞 锁 模 是目 前 实 现 超 短 的 脉 冲( 飞 秒 量 级) 的 重 要 手 段。 1 9 9 2 年k e l l e r 等 人 利用可 饱和吸收镜( s e m i c o n d u c t o r s a t u r a b l e a b s o r b e r m i r r o r , s e s a m ) 使脉冲 宽 度， 平均功率， 脉冲能量和重复频率等方面都有很大的 提高25 1 。 随 着全固 态激 光的发展， k e r r透镜实现更短脉冲更快重复频率成为可能。脉冲重复频率依赖 于所用的材料和吸收体的参数，可以从几个皮秒到几个飞秒变化、 工 n n e r h o f e r 等人在y b : y a g 激光器中 实 现平均功率达6 0 w ， 单脉冲能 量可达l mjcz , 1 的锁模激光， k r a i n e r 等人在n d 二 y v 0 4 激光器中实 现了 重复频率高达1 6