第第 66 章 激光显示技术 章 激光显示技术

§6 §6 激光显示技术激光显示技术

激光显示技术分为三种类型： （一）是激光阴极射线管 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。

（二）是激光光阀显示，基本原理是激光速仅用来改变某些材料（如液晶等）的光学参数（折射率或透过率），而再用另外的光源把这种光学参数变化而构成的像投射到屏幕上，从而实现图像显示。

（三）是直观式（点扫描）电视激光显示，它是将经过信号调制了的 RGB 三色激光束直接通过机械扫描方法偏转扫描到显示屏上。

图 5.7 激光面板基本结构

6.16.1 、、 LCRTLCRT （（ Laser Cathode Ray TLaser Cathode Ray Tubeube ））

1964 年尼古拉 ·G· 巴索夫博士（诺贝尔物理学奖获得者）提出用电子束激发半导体导致受激发射或得到激光的设想。

60 年代中列别捷夫物理研究所在液氦温度下实现了绿光的发射。直到近年来才研制出几种主要颜色的室温下工作半导体材料。

1999 年， Principia Optics Inc 公司获得 4.5 万伏阳极电压下能在室温下工作的红、绿、蓝激光 CRT 样机，完成了商业化的第一步。

图 6.1 LCRT结构图

LCRT 的工作原理除了用半导体激光器代替荧光面板外，激光 CRT 实质上就是一个标准的投影用阴极射线管。（ LCRT 的基本结构如图 6.1 所示。）

半导体材料的两面与镜面相邻接从面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。

图 6.3 激光功率与阳极电压关系

图 6.2 激光输出功率与注入功率的关系

表 6.1 对应 5504K和 6504K色温所需的红、绿、蓝发光功率

波长（ nm ）

流明 / 瓦 10000 流明 5504K 所需瓦数

10000 流明 6504K 所需瓦数

620 260 12.9 12.3

520 485 12.8 13.0

460 41 9.5 11.5

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。

表 6.2 数字电影放映机预期参数

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℃

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。

6.26.2 、激光光阀显示、激光光阀显示

图 6.4 所示为激光光阀显示。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，

图 6.4 激光光阀显示

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。别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。

6.36.3 、点扫描激光电视、点扫描激光电视

直接扫描式激光电视系统如图 6.5 所示。其中应包括 RGB 激光光源，扫描装置，光强调制，和扫描同步控制部分。

激光显示原理激光显示原理

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

图 6.5 激光扫描系统示意图

直接激光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。

一、激光器选择 一、激光器选择

激光电视扫描的屏幕时，屏幕亮度可由人眼视觉暂留时间内平均输出亮度来计算。屏蔽幕亮度用 L ，光通量用表示，可得：

)1)(1()/1( VHGSL （ 6.1 ）

颜色 波长（ nm ）色度坐标

x Y

红

NTSC R 0.67 0.33

He-Ne 632.8 0.71 0.29

Kr 647.1 0.72 0.28

YAG 1319倍频 659.5 0.73 0.27

绿NTSC G 0.21 0.71

YAG倍频 532 0.17 0.80

Ar 514.5 0.04 0.81

蓝

NTSC B 0.14 0.08

Ar 488.0 0.05 0.25

Ar 476.5 0.10 0.10

YAG 973倍频 473.5 0.11 0.08

Ar 472.7 0.12 0.08

Ar 457.9 0.15 0.03

He-Cd 441.6 0.16 0.01

采用氩离子激光器可以得到上述大多数蓝、绿光谱线。下面以美国相干公司 Innova 激光产品为例，它所包括的谱线及功率如下表所示。氪离子激光器可以得到红光谱线，以及混合气体激光器可以得到全彩色谱线。

表 6.5 氩氪混合气体激光器输出谱线

型号 Star PL Star PL-RStar PL-

LDStar PL-LD/R

全线功率 3.5W 3.5W 2.5W 2.5W

红色 647nm 0.9W 1.1W 0.7W 0.9W

黄色 568nm 0.04W - 0.03W -

绿色 521-515nm 0.7W 0.7W 0.6W 0.6W

蓝色 488-477nm 0.7W 0.9W 0.6W 0.7W

深蓝 458nm 0.035W 0.04W 0.03W 0.04W

表 6.4 Innova 氩离子激光器谱线及功率分布

波長（ nm ）

1090.0 528.7 514.5 501.7 496.5 488.0 476.5 472.7 465.8 457.9 454.5

功率（ W ）

0.07 0.42 2.40 0.48 0.72 1.80 0.72 0.24 0.18 0.42 0.14

固体激光器以及半导体激光泵浦的全固态激光器是当今发展最快的激光器，可以产生连续输出的谱线主要为 YAG 的 1064nm ，1319nm及 946nm 。如果用这些谱线倍频，可以得到 532nm 绿光， 660nm 红光及 473nm 蓝光。它们也可以做为 RGB 全色激光显示的光源。

用固体激光器泵浦的非线性光学参量激光器也可以得到 RGB 全色激光输出。

蓝光 446nm ： >4.8W绿光 532nm ： >6.5W红光 628nm ： >7.0W脉宽： <7ps脉冲重复频率： >80MHz光束质量M2 ： <1.5偏振： >100:1 （线性）振幅噪声： <2% rms寿命： 1000 小时 /5 年

该系统采用半导体激光泵浦的钒酸钇 SESAM 高重负率锁模激光输出的 1064nm 功率为 42W 的基频光，倍频后得到 532nm 绿光，部分透过的基频光泵浦 KTA 晶体的参量振荡产生 1535nm 的参量振荡光， 628nm 的红光是由 1535nm 的参量光与1064nm 基频光在 KTA 晶体中和频产生， 446nm的蓝光是由 1535nm 的参量光与前级产生的 628nm 红光在 LBO 晶体中和频产生。采用锁模激光器可以得到高重负率，同时也可以由锁模激光短的相干长度减少屏幕视觉的散斑效应。

二、光调制器二、光调制器

激光器输出光强的调制可以由二种途径来实现：由激光器驱动电源直接调制，在激光器内部外部放置光电晶体。外部调制法又分为：电光调制和声光调制两种。前者适合 10~100MHz范围内的宽频带调制，但所需驱动功率大；后者适用于 10MHz 以下的窄频带光调制，所需驱动功率小，可获得高对比度。

（（ 11）电光调制）电光调制

晶体的折射率随外加电场 E 的改变而变化，称为电光效应。一般可以将晶体的折射率展开为电场的级数 2

000 bEaEnn 场中 a 和 b 是常数，

电场一次项代表线性电光效应，即普克尔斯（ Pockels ）效应；电场二次项代表克（ Kerr ）效应，电光调制利用的是普克尔斯效应。 图 6.8 电光晶体 Z截面，实线

为无外场时，虚线为加 Z向电场时

12 632

2

2

22

EXYn

Z

n

YX

eo

1'1

'1

'1 2

22

6322

632

Z

nYE

nXE

n eoo

En

no

Y 632

1' E

nn

oX 632

1'

图 6.9 轴向偏压方式

11）横向运用 ）横向运用

外加电场垂直于光轴的方式工作称轴向偏压方式。由于入射光被分解成为平行于 X’和 Y’ 两个方向的互为垂直分量。在经历了两个方向不同的折射率之后，通过晶体后两个偏振方向的相位差变为

ldnn XY

2

''2

VnEdn oo 633

633 22

2sin 2

0

II

6332

on

V

V

VII

2sin 2

0

22）纵向运用 ）纵向运用

Vnh

dnn

d

Ennnd

dnn

oe

oe

ZX

633

0

633

0

''

)(2

2

12

'2

①横向运用电光效应与 d/h 有关，可以通过改变横 /纵比降低半波电压；图 6.11 声光调制布喇格衍射

②横向运用中含有自然双折射的影响，这一项易受外界温度和湿度的影响。

为消除这种因素的影响，可采用两块准确相交的晶体互相串联，或用两块尺寸完全相同的晶体中间用半波片隔开，两块晶体Z’ 和 Y’轴应反向平行排列。

（（ 22）声光调制）声光调制

声光调制如图 6.11 所示。调整入射光束使其与声波光栅成布喇角 θ ，输出的调制光束侧出现在相对于入射光的两倍布喇格角 2θ处。视频信号电压经驱动电路加到超声波换能器上，换能器将电信号转变成声光介质中的超声波信号，由声光介质的弹性应变产生的折射率变化，形成布喇格光栅。衍射光做为输出光，其强度受到了视频信号的调制。