激光显示技术简介课件

激光显示技术简介Sang

JianMech.

Design

PartAPPDepartment2012.09引言激光显示技术的原理激光显示技术的类型激光显示技术的应用激光显示技术的未来-2-激光显示——引言黑白单色标准彩色模拟数字Full

Color大色域标清高清小尺寸中尺寸大尺寸激光显示技术的时代黑白时代

标准彩色时代

高清时代1G

2G

3GCRT

CRT

LCD/PDP大色域时代4GOLED/

Laser

TV-3-定向发光颜色极纯亮度极高激光显示——引言-4-激光显示——引言半导体激光二极管半导体泵浦固体激光器-5-半导体激光器20世纪80年代中期以来，半导体制造技术的发展以及与激光技术的结合，催生了半导体激光二极管，这类兼具半导体和激光器特性的激光源，具有更高的峰值功率和较低的能耗，且它的发射脉宽也较窄，本身不需要温度和光学补偿，比传统的发射光源具有明显的优势半导体泵浦固体激光器简介半导体泵浦固体激光器（英文全称：Diode

Pump

Solid

StateLaser），是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。这是一种高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑小型化的第二代新型固体激光器，目前在空间通讯，光纤通信，大气研究，环境科学，医疗器械，光学图象处理，激光打印机等高科技领域有着独具特色的应用前景。-6-半导体泵浦固体激光器的优势1、低功耗：传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3%左右，泵浦灯的发出的能量大部分转换成了热能，造成了极大的能源浪费。而半导体泵浦固体激光器所用的二极管发出固定的，被激光晶体吸收的808nm波长的激光，光光转换效率可高达40%以上，大大减少了运行成本。2、性能可靠、寿命长：激光二极管的寿命大大长于闪光灯，达15000小时以上，闪光灯的寿命只有300—1000小时。激光半导体的泵浦能量稳定性好，比闪光灯泵浦优

一个能量级，性能可靠，可制成全固化器件。运行寿命长，成为至今为止唯一无需维护的激光器，尤其适用于大规模

生产线。3、输出光束质量好：由于半导体泵浦激光的高转换效率，减少了激光工作物质的热透镜效应，大大改善了激光器的输出光束质量，激光光束质量已接近理论极限。-7-

（一）激光器的结构

激光器是产生激光的装置。它主要由工作物质、激励源和谐振腔三部分组成。-8--9--10-6.1.3

常用激光器激光按其产生的工作物质的不同可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、液体激光器、化学激光器和自由电子激光器等。1.气体激光器气体激光器又可分为原子、分子、离子气体激光器3大类。原子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体原子，其典型代表是氦氖激光器。分子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体分子，分子激光器的典型代表是CO2激光器、氦分子（N2）激光器和准分子激光器。离子激光器的典型代表是氩离子（Ar+）和氦镉（He-Cd）离子激光器。-11-第6章 激光显示技术气体激光器有以下特点：

（1）发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，已经观测到的激光谱线不下万余条，波长几乎遍布了从紫外到远红外整个光谱区。

（2）气体工作物质均匀性较好，使得输出光束的质量较高。

（3）气体激光器很容易实现大功率连续输出，如CO2激光器目前可达万瓦级。

（4）气体激光器还具有转换效率高、工作物质丰富、结构简单和器件成本低等特点。由于气体原子（分子）的浓度低，一般不利于做成小尺寸大能量的脉冲激光器。由于气体激光器具有以上优点，已经被广泛应用于准直、导向、计量、材料加工、全息照相以及医学、育种等领域。-12-第6章 激光显示技术2．固体激光器固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体基质中。工作物质的物理、化学性能主要取决于基质材料，而它的光谱特性则主要由发光粒子的能级结构决定，但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特性将有所变化。固体工作物质中，发光粒子（激活离子）都是金属离子。-13-第6章 激光显示技术

固体激光器的突出特点是：产生激光的粒子掺于固体物质中，浓度比气体大，因而可获得大的激光能量输出，单个脉冲输出能量可达上万焦耳，脉冲峰值功率可达1013～1014W/cm2，因固体热效应严重，连续输出功率不如气体高。但是固体激光器具有能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点，已广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面。-14-第6章 激光显示技术3．半导体激光器半导体激光器是以半导体为工作物质的激光器。常用的半导体激光器材料是CaAs（砷化镓）、CdS（硫化镉）、PbSnTe（碲锡铅）等。半导体激光器有超小型、高效率、结构简单、价格便宜等一系列特点。在光纤通信、激光唱片、光盘、数显等领域有广泛应用。-15-第6章 激光显示技术4．液体激光器液体激光器可分为两类：有机化合物液体（染料）激光器（简称染料激光器）和无机化合物液体激光器（简称无机液体激光器）。虽然都是液体，但它们的受激发光机理和应用场合却有着很大的差别。染料激光器已获得了广泛的应用，已发现有实用价值的染料约有上百种，最常用的有若丹明6G、隐花青、豆花素等。-16-第6章 激光显示技术染料激光器的特点如下：激光波长可调谐且调谐范围宽广，它的辐射波长已覆盖了从紫外321

nm至近红外1.3

µm谱线范围，一些染料激光波长连续可调范围达上百纳米。可产生极短的超短脉冲，脉冲宽度可压缩到3×10－15s

。可获得窄的谱线宽度，线宽可达6×10－5nm，连续染料激光可达10－6

nm。-17-第6章 激光显示技术化学激光器化学激光器是基于化学反应来建立粒子反转的，如氟化

氢（HF）、氟化氘（DF）等化学激光器。化学激光器的主要优点是能把化学能直接转换成激光能，不需要外加电源或光源作为泵浦源，在缺乏电源的地方能发挥其特长。在某些化学反应中可获得很大的

能量，因此可得到高功率的激光输出。这种激光器可以作为激光武

器用于军事领域。自由电子激光器自由电子激光器不是利用原子或分子受激辐射，而是利用电子运动的动能转换为激光辐射的，因此它的辐射波长可以在很宽的范围内（从毫米波直到X光）连续调谐，而且转换效率可达50％。-18-第6章 激光显示技术参数种类显示效果体积显示尺寸功耗工艺复杂度制造成本价格CRT好庞大较小大较简单较高一般等离子较差轻薄大大复杂高昂贵液晶较差轻薄大小复杂高昂贵LPD好很小大小简单较低一般表6.2

LPD与其它显示器的对比-19-第6章 激光显示技术激光显示技术的原理半导体激光器原理图半导体激光器以不同掺杂类型的半导体材料作为激光工作物质，自然解理面构成谐振腔，通过一定的激励方式，例如在半导体激光器的PN结区加正向电压，在半导体物质的导带与价带之间,形成非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,将多余的能量以光的形式释放出来。由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，从而实现定向发射而输出激光。-20-激光显示技术的原理激光显示系统原理图激光显示系统由激光器、调制器、光偏转器和屏幕等组成。系统接收到视频信号后，从信号中分离出红、绿、蓝三色图像信号和帧同步信号。经过处理，三色信号控制三色半导体激光二极管行阵列，使之发出相应强度的光，经合色器调制输出，在帧同步信号的控制下，通过光偏转器，实现光束扫描，射到接收屏上，形成图像。红、绿、蓝激光器是彩色显示的三原色光源，与荧光光源相比，光束质量和效率更高，没有荧光光源产生的绿影和白炽光源产生的黄影，可实现三原色的平衡。-21-激光显示原理

显示原理外部视频/PC信号被分解为三原色经颜色转换后调制三束激光的强度；被调制的光信号经过光缆传输到扫描系统，激光束被偏转（行扫描：转镜，帧扫描：振镜）投射到屏幕上，“写”出图像。基本结构

RGB激光光源

激光调制

扫描投射系统

图像变换光学系统

光导传输

电子控制和软件激光扫描系统示意图-22-图6.5波长（nm）流明/瓦10000流明5504K所需瓦数10000流明6504K所需瓦数R62026012.912.3G52048512.813.0-23-B460419.511.5激光显示技术的原理激光输出功率与注入功率的关系功率反馈控制色域：是对一种颜色进行编码的方法，也指一个技术系统能够产生的颜色的总和。色域覆盖率：是以马蹄形可见色域作为参照系表达彩色还

原范围，如自然界有100万种色彩，传统的显示设备只能表现其中的30万种左右，而激光显示技术能表现90万种以上，基本上能真实还原自然界的所有色彩。-24-图6.4

显示技术可以显示的色彩空间现有显示器的色彩重现能力

低，其显色范围仅能覆盖人

眼所能观察到的色彩空间的

33％，而其它67％的色彩空问是数字显示技术和现在已

有的显示技术都无法重现的，如图6.4所示。-25-激光显示作为新一代

显示技术，在继承了

数字显示技术所有优

点的基础上，以高饱

和度的红、绿、蓝三

基色激光作为显示光

源，解决了显示技术

领域长期难以解决的

大色域色彩再现难题，其色域可覆盖接近90％人眼可识别色彩，从而最完美地再现自然色彩。第6章 激光显示技术激光显示技术的原理LED激光NTSC

<

60%-26-NTSC

>

90%激光显示技术的类型1

激光阴极射线管LCRT2激光光阀显示3直观式（点扫描）电视激光显示-27-激光显示技术的类型1.

激光阴极射线管LCRT（LASER

CATHODE

RAY

TUBE）激光面板-28-激光显示技术的类型-29-1.

激光阴极射线管LCRT（LASER

CATHODE

RAY

TUBE）基本原理是用半导体激光器代替阴极射线显像管的荧光屏来实现的一种新型显示器件。激光面板半导体材料的两面与镜面相邻接，从而形成一个激光器的谐振腔，并与一片衬底相结合从而形成一块激光面板。用电子束扫描激光面板时，在电子束轰击到的地方就产生出激光来。这种激发的物理机制和荧光CRT相似，只是产生的是激光而不是荧光。单片半导体是由宽谱带间隙的II-VI族单晶化合物（如ZnS、ZnSe、CdS、CdSSe、ZnO等）构成的。通过选择合适的材料，完全可以获得可见光谱上的任何一个波长。为了减少损耗，激光腔只有几个微米厚。激光面板预计能承受长时间的高能电子束轰击，达到10000至20000小时的寿命。LCRT的分辨率能够做得很高，在CRT电流为2mA时，电子束直径为25μm，其激光束直径略小于电子束斑直径为20μm，目前激光面板的光栅尺寸为40mm×30mm，它可以给出2000×1500个像素。目前正在向真正的影院放映质量的方向努力。LCRT同时也是一种理想的影院放映光源，它不会产生损害胶片的红外和紫外强光。预期可以延长胶片的放映寿命，所以可以做为兼容的数字/胶片放映机。表6.2

数字电影放映机预期参数-30-分辨率2048×1536激光峰值功率615nm

13W，520nm

13W，460nm

12W，相当于10000lm阳极电压50000V电子速电流最大值3mA反差2000：1激光面板工作温度水冷，0℃激光显示技术的类型2.

激光光阀显示激光光阀显示的优点是清晰度极高。它是利用激光束对液晶进行热写入寻址。激光束写入原理为：把介电各向异性为正的近晶相液晶夹于两片带有透明电极的玻璃基板之

间（其中一片玻璃基板内涂有激光吸收层），构成液晶光阀。把聚焦约为10μm的YAG激光束

照射到液晶光阀上，被吸收膜吸收后变成热能并传给液晶。于是照射部分的液晶随温度上升，从近晶相，经由向列相变成各向同性液体。当激光束移向他处，液晶温度急剧下降，出现由各相同性液体-向列液晶-近晶相的转变的相变过程。由于速冷作用，相变过程中形成一种具有光散射的焦锥结构，这种结构一直保持到图像擦除。另一方面没有照射部分的液晶仍为垂直于表面取向的透明结构。这样通过对激光束的调制和扫描，便可在整个画面上形成光散射结构和透明结构的稳定共存。擦除过程是：用电擦除法，即在液晶层上施加高于条件阈值（约70kV/cm）的高电场E，使之反加到初始的透明结构。这种擦除方式速度极快，已被广泛使用。-31-激光显示技术的类型-32-基本结构RGB激光光源激光调制扫描投射系统图像变换光学系统光导传输电子控制和软件显示原理外部视频/PC信号被分解为三原色经颜色转换后调制三束激光的强度；被调制的光信号经过光缆传输到扫描系统，激光束被偏转（行扫描：转镜，帧扫描：振镜）投射到屏幕上，“写”出图像。点扫描激光电视利用了激光器的色纯度高，色域比一般彩色电视大的特点。显示的图像色彩更加鲜艳、逼真。直接扫描方式与光学系统成像不同，无聚焦范围限

制，可以在任何反光物体上显示，所以可以在建筑物上，水幕上（水幕电视），烟雾上（空中显示）等特殊效果。3.

直观式（点扫描）电视激光显示-33--34--35--36--37--38--39--40--41--42--43--44--45--46-激光显示技术的优势激光显示技术优势安全免维护长久高画质单机高亮度真正数字化色彩最亮丽使用无噪声激光色度极纯RGB纯色激光可实现高色域-47-寿命长，光学衰减慢散热小功率反馈控制系统色温、亮度精确可调利于大屏幕拼接无需加装风扇散热通过光纤实现光机分离低衰减冷光源特性电压低不炸灯使用寿命长无汞污染6.2.2

常用激光显示器件1.激光背投电视机激光显示技术的原理与CRT显示相似。激光束从上到下，从左到右进行扫描。水平偏转(行扫描)通过放映头中的一个多面旋转镜实现，垂直偏转(帧扫描)通过一个倾斜镜实现。工作过程和CRT的电子束在荧光屏上扫描类似，不过电子束是通过磁场偏转完成扫描，而激光靠棱镜进行偏转。如图6.7所示，视频信号经过放大并调制到激光发生器和激光阀门控制器，分别控制激光器和激光阀门，激光亮度和输入亮度信号成正比，进行同步变化。激光阀门按照输人视频信号的变化控制激光束的水平和垂直偏转，然后投射到屏障上，形成图像。-48-第6章 激光显示技术图6.7

激光背投电视机显示原理LPD的结构很简单，容易建立生产线。只要激光功率足够大，亮度就可以很高；当激光束足够细，显示分辨率就可以非常高；提高控制阀门的控制速度，就可以得到很高的刷新率，避免闪烁。-49-第6章 激光显示技术激光电视机有3种光线处理方式:一种是激光扫描技术，扫描技术需要很精细的镜片加工和装配；另外两种是阵列激光技术和激光光纤导入技术。它们都需要使用成

像设备，不过不是控制激光本身，而是改进激光光源的利用方式。

通过使用阵列激光技术，把RGB

3色激光分别做成大规模的阵列，通过硅片加工技术实现成本的大幅度降低，既保证了单个激光头满

足公开环境下的使用，又提高了整体的光效输出。由于要使用成像

芯片，体积无法做到很小，而且需要保证激光模块与成像模块的角

度，否则无法呈现大尺寸的画面。把激光通过光纤导入一个扩散器，使得激光的面积成百倍放大，并且重新适当聚焦之后，投射到成像

元件上成像输出。-50-第6章 激光显示技术2.激光前投电影放映机激光电影放映机、激光投影机基本上基于普通的投影技术，将原有的UHP（Ultra

HighPerformance，超高压）汞灯泡换成了激光器，在前投显示中方便应用。-51-第6章 激光显示技术全色激光放映机、投影机是一种体积小（可以做到烟盒般大小）、画面大，与CRT色彩还原能力相当的前投型显示器，它用红、绿、蓝三束波长极短的激光从束图分可别以打看到出屏，幕其上原理，非并常进简行单色。彩只调要制激，光的从而达到还原真彩-52-图像的目的，功如率图足6够.9所大，示激。光束足够细，那么其投影图像

图6.9

全色激光放映机、投影机显示原理

尺寸将会非常大，画面将会非常细腻、亮度足够亮。第6章 激光显示技术激光显示技术应用——激光电视-53-激光显示技术应用——激光电视-54-激光显示技术应用——激光电影院-55-机-56-激光显示技术应用——激光投影仪-57-3.激光空间成像投影机激光空间成像投影机由激光器（包括光学系统、激光电源、

声光电源、制冷系统）和扫描系统（包括控制计算机机、图形输入设备、数据转换D/A卡、振