隨著社會的進步?,人們對圖像顯示方面的需要飛速發(fā)展。由于激光自身具有亮度高、單一波長等特有性質(zhì)?,與其它顯示方式相比較?,激光顯示技術(LDT)?受到人們更多的關注。該技術以其色域寬廣、亮度高、飽和度高以及可以更真實再現(xiàn)自然界多姿多彩的顏色世界等優(yōu)點?在第二代顯示技術革命中成為人們研究的熱點。

自從?1965年美國?ZENITH?無線電公司研制出了第一臺激?光彩色顯示器?(該系統(tǒng)光源為?Kr2Ar?激光器?,調(diào)制和掃描采用聲光掃描器?,圖像分辨力可達340?l)以來?,激光顯示技術已經(jīng)發(fā)展了幾十年。早期的激光顯示應用氦氖激光器致使光束能量利用率非常低,加上龐大的水冷系統(tǒng)?,體積非常笨重?,各國的激光電視都停留在試驗階段?,無法實用化真正投入市場。近些年隨著固態(tài)激光器的發(fā)展?,相繼發(fā)明了各種顏色、能量達到瓦級、體積小巧的固態(tài)二極管泵浦激光器(Diode?Pumped?La2ser)?,激光顯示技術得以迅速發(fā)展。 在國際上?,美國、德國、韓國等國家相繼開展了激光顯示的研究?。在國內(nèi)?,我們應用紅、綠、藍三色固體激光器,根據(jù)三基色原理?,已經(jīng)制造出國內(nèi)第一臺激光顯示樣機。下面將針對什么是激光技術，它的分類、顯示原理，及其優(yōu)于其他顯示技術的方面，還有國內(nèi)外這這個領域上的發(fā)展歷史極其未來發(fā)展趨勢進行介紹。

一、?激光顯示技術

激光顯示技術是繼黑白顯示、標準彩色顯示和數(shù)字顯示后的下一代顯示技術，是顯示技術的一場革命。激光顯示以激光為光源，充分利用了激光波長可選擇和高光譜亮度的特點，因此顯示圖像具有更大的色域，其色域覆蓋率可達熒光粉的2倍以上，可達到人眼所能識別色彩空間的90%以上，而且具有很高的色飽和度。激光電視利用半導體泵浦固態(tài)激光工作物質(zhì)，產(chǎn)生紅、綠、藍3種波長的連續(xù)激光作為彩色激光電視的光源，通過電視信號控制三基色激光掃描圖像。激光顯示系統(tǒng)由激光器、調(diào)制器、光偏轉器和屏幕等組成。系統(tǒng)接收到視頻信號后，從信號中分離出紅、綠、藍三色圖像信號和幀同步信號。經(jīng)過處理，三色信號控制三色半導體激光二極管行陣列，使之發(fā)出相應強度的光，經(jīng)合色器調(diào)制輸出，在幀同步信號的控制下，通過光偏轉器，實現(xiàn)光束掃描，射到接收屏上，形成圖像。紅、綠、藍激光器是彩色顯示的三原色光源，與熒光光源相比，光束質(zhì)量和效率更高，沒有熒光光源產(chǎn)生的綠影和白熾光源產(chǎn)生的黃影，可實現(xiàn)三原色的平衡。

激光顯示的產(chǎn)業(yè)鏈很廣，包括半導體、人工晶體、光學冷加工、圖像引擎、數(shù)字信號處理、整機集成技術等方面。具體說來，化合物半導體及封裝、激光泵浦源、人工晶體、激光器等產(chǎn)業(yè)鏈構成了激光產(chǎn)業(yè)，也就是激光顯示的上游產(chǎn)業(yè)。應用于顯示領域的激光器和激光光源整合處理技術以及光學引擎技術、光機制造，為激光顯示的中游，是把激光產(chǎn)業(yè)與顯示產(chǎn)業(yè)聯(lián)合起來的關鍵環(huán)節(jié)。顯示終端的制造企業(yè)，比如投影機和電視等為下游產(chǎn)業(yè)。

二、?激光顯示技術的分類

（一）是激光陰極射線管LCRT（Laser?Cathode?Ray?Tube），基本原理是用半導體激光器代替陰極射線顯像管的熒光屏來實現(xiàn)的一種新型顯示器件。1964年尼古拉·G·巴索夫博士（諾貝爾物理學獎獲得者）提出用電子束激發(fā)半導體導致受激發(fā)射或得到激光的設想。60年代中列別捷夫物理研究所在液氦溫度下實現(xiàn)了綠光的發(fā)射。直到近年來才研制出幾種主要顏色的室溫下工作半導體材料。1999年，Principia?Optics?Inc公司獲得4.5萬伏陽極電壓下能在室溫下工作的紅、綠、藍激光CRT樣機，完成了商業(yè)化的第一步。LCRT的工作原理除了用半導體激光器代替熒光面板外，激光CRT實質(zhì)上就是一個標準的投影用陰極射線管。半導體材料的兩面與鏡面相鄰接從面形成一個激光器的諧振腔，并與一片襯底相結合從而形成一塊激光面板。用電子束掃描激光面板時，在電子束轟擊到的地方就產(chǎn)生出激光來。這種激發(fā)的物理機制和熒光CRT相似，只是產(chǎn)生的是激光而不是熒光。LCRT的分辨率能夠做得很高，在CRT電流為2mA時，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個像素。目前正在向真正的影院放映質(zhì)量的方向努力。LCRT同時也是一種理想的影院放映光源，它不會產(chǎn)生損害膠片的紅外和紫外強光。預期可以延長膠片的放映壽命，所以可以做為兼容的數(shù)字/膠片放映機。

（二）是激光光閥顯示，基本原理是激光速僅用來改變某些材料（如液晶等）的光學參數(shù)（折射率或透過率），而再用另外的光源把這種光學參數(shù)變化而構成的像投射到屏幕上，從而實現(xiàn)圖像顯示。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-近晶相的轉變的相變過程。由于速冷作用，相變過程中形成一種具有光散射的焦錐結構，這種結構一直保持到圖像擦除。別一方面沒有照射部分的液晶仍為垂直于表面取向的透明結構。這樣通過對激光束的調(diào)制和掃描，便可在整個畫面上形成光散射結構和透明結構的穩(wěn)定共存。 （三）是直觀式（點掃描）電視激光顯示，它是將經(jīng)過信號調(diào)制了的RGB三色激光束直接通過機械掃描方法偏轉掃描到顯示屏上。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。顯示的圖像色彩更加鮮艷、逼真。直接掃描方式與光學系統(tǒng)成像不同，無聚焦范圍限制，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。

三、激光顯示關鍵技術

從光源產(chǎn)生的手段上五花八門，在顯示方式上也是各有不同，有走投影技術路線的，也有走掃描技術路線的。經(jīng)過二十年的研發(fā)，可以說目前基本上大家在技術發(fā)展方向上逐漸地認識趨于統(tǒng)一。在大屏幕顯示方面，比如大屏幕的投影或者電視領域的應用，投影方式的技術路線已經(jīng)被業(yè)界主流所看好。掃描式的目前是在一些手機的顯示方式，或者大型的微平面的屏幕上進行顯示的主要應用。

研究了國內(nèi)外的研發(fā)現(xiàn)狀，在2010年前后正是產(chǎn)業(yè)化前期的階段，這個階段重要的是通過產(chǎn)業(yè)的示范，目前看到了索尼公司、三菱公司都在不斷地對出樣機，來試探市場對這個技術的反應。一方面，通過這種產(chǎn)業(yè)的示范，要培育一個成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。另一方面，積聚專利，在技術標準上要達成一個共識，這樣在產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)來臨之前，為大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)做鋪墊。德國的一家傳媒的報道對激光顯示未來的市場做了預期，他們認為在不久的將來，激光顯示市場將達到每年570億美元的市場規(guī)模。

激光顯示技術整個的系統(tǒng)構成，首先，激光顯示技術的核心問題是光源問題，在光源的產(chǎn)生過程中，主要是走光電子的技術路線。首先是通過半導體的生產(chǎn)工藝，設計出半導體結構，然后通過（MOSD）外延出半導體的（聲源），通過這個解體成（半路兒）芯片，結合起來，產(chǎn)生紅、綠、藍三色激光，經(jīng)過光束的整形、勻場、消相干等一系列復雜的光學處理之后，輸入給顯示系統(tǒng)，通過顯示系統(tǒng)把它作用出來，形成電視或者其它進行應用。

激光光源與目前傳統(tǒng)的光源完全不同，主要是從幾個方面，首先是在光譜程度上，它的光譜寬度遠遠小于一個半米，這樣高的光譜程度的光，在整個顏色系統(tǒng)管理以及控制方面是與我們過去的燈泡光源或者是熒光粉光源產(chǎn)生的控制手段都不同。另外，激光的亮度極高，它可以容納萬瓦以上甚至十萬瓦的光的強度。第三，方向性極好，在空間上傳輸?shù)呐c一般的光源的發(fā)光特性是完全不一樣的。這樣一個光源在照明方式以及光束控制方面光學系統(tǒng)設計對我們已有的照明方式發(fā)生一些革命性的變化。同時，激光光源的偏振度極好，有上千米的偏振度，這樣的偏振度對于LCD這樣與偏振相關的顯示技術來說，可以極大地節(jié)省原材料，而且它的對比度比目前的偏振度要高得多。與燈泡光源和LED光源完全不同,激光光源由于光學的特性，在很小的芯片上可以實現(xiàn)高的光能的利用效率。這張圖橫坐標是芯片的尺寸，縱坐標是光能的利用。燈泡光源的照明利用隨著芯片尺寸的減小，它的光能的利用效率是比較低的。

對于激光來說，基本上可以保持不變，原因就是激光的方向性好。對比了一些應用，比如在微顯背投或者投影機或者電影放映機來說，即使對于電影放映機這樣一個龐然大物來說，如果要是作為一萬的顯示的話，所需要的激光的光功率也不過是140瓦，如果激光器件發(fā)展得足夠好的話，它需要耗的電功率只有2500瓦，如此低的功耗和高的效率，實際上是擴展了高能源數(shù)，大屏幕的顯示在各種應用場合或非應用場合的應用。

四、激光顯示的優(yōu)勢

完美的自然色彩? 顯示產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代高技術產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是現(xiàn)代信息社會發(fā)展的重要基礎產(chǎn)業(yè)。顯示技術在經(jīng)歷了黑白顯示、彩色顯示到數(shù)字顯示之后，已經(jīng)完成了向高分辨、數(shù)字化的轉變。但是，目前顯示產(chǎn)品的色域空間僅能覆蓋人眼所能識別色彩空間的31.8%，難以真實還原自然色彩，這已經(jīng)成為進一步提高顯示質(zhì)量的重要障礙。激光顯示作為新一代顯示技術，在繼承了數(shù)字顯示技術所有優(yōu)點的基礎上，以高飽和度的紅、綠、藍三基色激光作為顯示光源，解決了顯示技術領域長期難以解決的大色域色彩再現(xiàn)難題，其色域可覆蓋接近90%人眼可識別色彩，從而最完美地再現(xiàn)自然色彩。2009年5月19日，第十二屆科博會在北京國際展覽中心隆重舉行，北京中視中科光電技術有限公司展出了自主研發(fā)的65?in激光電視。其色彩空間、色彩飽和度分別是傳統(tǒng)電視顯示標準的2倍和100倍。

2、高品質(zhì)的圖像? 新的圖像再現(xiàn)技術充分利用了激光本身的優(yōu)點。在光的傳播方式上，激光光源與傳統(tǒng)的白熾燈有著本質(zhì)上的不同：普通白熾燈的光線向所有方向發(fā)射，而激光器將所有的光線都聚集在一個平行的光束中。此外，激光放映機比傳統(tǒng)放映機能夠表達更大的顏色范圍，提供更加清晰的圖像。高清晰度使得激光放映機能夠用于傳統(tǒng)放映機不適用的一些領域。當前普遍采用的帶鹵化物燈的傳統(tǒng)放映機不能隨意向房間四處投影，因為放映鏡頭只能補償非常小的失真，因此原則上放映機應該在放映軸線附近，一般位于房間的中央。無論激光以垂直或水平角度照射銀幕，效果都是一樣的，沒有失真。即使是怪異的投影幾何結構，比如一個拱形銀幕，甚至一個圓形屏幕，激光投影在任何地方都不會產(chǎn)生模糊不清的現(xiàn)象。激光放映機的這種特性為環(huán)形放映開創(chuàng)了—個美好的前景。在實際應用中，激光技術還有其他許多優(yōu)點：小巧緊湊的放映頭可以與激光單元分開；激光單元可以隱藏在房間內(nèi)，只將小的放映頭露在外面；由傾斜放映而產(chǎn)生的失真可以非常簡單地校正等等。 3、環(huán)保節(jié)能? 激光顯示作為新一代的顯示技術具有卓越的低能耗特點。如果要顯現(xiàn)60?in的圖像，激光合成白光的功率一般需要20?w就足夠了，若按發(fā)光效率10%來計算，整機功耗只有200?w左右，而目前一般的投影產(chǎn)品顯現(xiàn)60?in的圖像，功耗應該在700?w?~?800?w（200?w左右的功率是激光在量產(chǎn)后得到優(yōu)化的情況下實現(xiàn)的功率，目前因沒有實現(xiàn)量產(chǎn)，尚未達到這一水平）。在平板顯示領域，目前液晶電視、等離子電視的市場發(fā)展空間很大，如果平板電視應用激光顯示技術，其功耗可以降低1/3甚至1/2。以1?000萬臺平板電視每天工作4小時計算，年耗電共計29億度，如果這些家庭采用更節(jié)能的激光電視每年將節(jié)電20億度，近于幾個大型火力發(fā)電廠年發(fā)電量的總和，相當于每年減少173萬噸二氧化碳的排放。激光顯示的核心部件在生產(chǎn)過程中不使用任何重金屬，沒有廢水、廢氣、廢物排放，是名副其實的環(huán)境友好型顯示光源。 4、應用范圍更廣? 激光顯示技術不僅可以進入現(xiàn)有的激光電影機、激光投影機、激光背投電視、激光背投拼接墻等顯示產(chǎn)品市場，應用于家庭影院、大屏幕指揮顯示系統(tǒng)、公共信息大屏幕、數(shù)碼影院、家庭影院、飛行員模擬訓練、水幕成像表演等領域，而且能夠創(chuàng)造出新型顯示產(chǎn)品市場，如激光微型投影、激光投影手機、激光三維立體顯示等。

五、激光顯示技術的發(fā)展歷程

激光器發(fā)明不久，人們就開始了激光顯示的研究，1996年以前使用氣體激光器為光源，實現(xiàn)了掃描式激光全色顯示，但因氣體激光壽命短，效率低，體積龐大而不能實用化，近年來，由于半導體激光器（LD）和LD泵浦的全固態(tài)激光器（DPL）的快速發(fā)展，打開了激光顯示技術向產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大門。國際上德、日、美、韓等國均投入大量人力物力進行全固態(tài)激光顯示技術的研究。國際顯示巨頭已認識到"一次顯示領域的革命"的到來。國際上如日本Sony，三菱電氣、精工愛普生、韓國三星、美國德州儀器、德國歐士朗、耶拿光學等巨頭正在加緊該技術的研發(fā)。

目前，國際激光顯示技術已發(fā)展到產(chǎn)業(yè)化前期階段，核心關鍵技術的工業(yè)化和配套產(chǎn)業(yè)的培育以及應用示范成為當前的發(fā)展重點。未來5～10年是全球以及我國激光顯示技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金時期也是關鍵時期：一方面未來十余年間，目前的主流平板顯示技術將面臨產(chǎn)業(yè)的新一輪升級換代，市場前景廣闊；另一方面激光顯示關鍵技術已經(jīng)得到初步解決，我國也已經(jīng)擁有和掌握了部分自主創(chuàng)新的核心技術和知識產(chǎn)權，總體技術國際先進，色域覆蓋率等關鍵技術國際領先，優(yōu)勢顯著。在國家863計劃"八.五"、"九.五"和"十.五"的持續(xù)支持下，以及中國科學院知識創(chuàng)新工程和北京市政府的支持下，中國科學院堅持自主創(chuàng)新，優(yōu)勢單位密切合作，由中國科學院光電研究院組織，各單位共同努力，在激光全色顯示領域取得了重大進展，2002年9月在國內(nèi)首次實現(xiàn)全固態(tài)激光全色顯示，目前已研制出60英寸激光家庭影院、84英寸及140英寸大屏幕激光顯示樣機，并且在2006年5月研制成功200英寸大屏幕激光顯示工程樣機，形成的色域國際最大，可顯示世界上最豐富的色彩，總體水平與國際同步，具有自主知識產(chǎn)權，多項成果達到國際領先、先進水平，在晶體材料、全固態(tài)三基色激光、激光顯示等關鍵器件和技術方面均有自己的專利保護。 我國已具備自主發(fā)展、逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、建立激光顯示民族產(chǎn)業(yè)的條件。激光全色顯示將成為未來高端顯示的主流，在公共信息大屏幕、數(shù)碼影院、家庭影院、飛行員模擬訓練、天文觀測、大屏幕指揮顯示系統(tǒng)、水幕成像表演以及個性化頭盔顯示系統(tǒng)等領域具有很大的發(fā)展空間和廣闊的市場應用前景?，F(xiàn)在我們正按照中科院院長路甬祥院士"激光顯示是顯示技術的跨越式發(fā)展，應當逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化"?的指示，努力降低成本，提高可靠性，使激光顯示早日進入市場。2008年奧運會我國將以"綠色奧運、科技奧運、人文奧運"三大理念向全世界展現(xiàn)中國改革開放二十年成就和中國人民自強不息、奮發(fā)有為的精神風貌，也為激光顯示技術的創(chuàng)新發(fā)展提供了歷史機遇。以大屏幕激光投影顯示系統(tǒng)MOC指揮系統(tǒng)應用為契機，扭轉我國前三代顯示技術"無自主知識產(chǎn)權，受制于人"的被動局面，占領未來顯示的主流市場。

六、激光顯示技術發(fā)展現(xiàn)狀

采用激光光源與傳統(tǒng)光源來比，比如超高壓汞燈或者氙燈，在一切方面都有一定的優(yōu)勢。首先是在色域方面，激光光源的色域可以做到兩倍以上的色域標準，事實上已經(jīng)實現(xiàn)了223%?NTSC。用激光的光源可以實現(xiàn)紅、綠、藍三色獨立動態(tài)控制，這樣的話對于更高對比度的獲得是有潛在的優(yōu)勢。這和燈泡光源是顯著的不一樣，燈泡光源是整個白光光阻，要么是一起亮，要么就一起暗。

第三方面是激光光源的壽命極長。對激光壽命的定義是將它的功率降低到80%，是到壽命了。從顯示的角度來說，一般是一半的光輸送是壽命。在激光的壽命中，激光的壽命目前已經(jīng)超過兩萬小時，如果按照顯示領域的目標，對亮度或者燈光源的壽命來對比的話，應該說超過十萬小時已經(jīng)是沒有問題了。第四方面是燈光光源擴展非常小，它非常有利于在小尺寸的芯片上實現(xiàn)高的輸出。同時，可靠性也高。另外，激光的偏振特性以及它的高的光譜成色，有利于減少光學組件，降低成本。所以，激光在顯示技術中的應用有一切的優(yōu)點。 正是這樣，目前激光顯示技術得到了快速的發(fā)展，雖然現(xiàn)在還沒有產(chǎn)業(yè)化，但是國際上一些大的公司對這個技術的研發(fā)，據(jù)了解是非常積極的。日本由政府組織，著名跨國公司參與，全力研發(fā)新一代顯示技術：索尼（SONY）2005年首先成功研制出出一個6平方米的投影顯示系統(tǒng)。在2005年的（艾格世博會）上，它利用這一技術通過拼接的辦法，實現(xiàn)了一個五百平方米的超長激光顯示系統(tǒng)；另外，索尼還專門為了這個激光影院搭建了一個巨大的建筑，當時成為世博會最大的亮點，也是索尼公司展示在未來技術中領先地位的重大舉措。?三菱電氣在2006年推出了激光縮影電視，同時在2006年宣布，大概在2008年前后把激光投影背投電視投入生產(chǎn)。精工愛普生公司與美國Novalux進行戰(zhàn)略合作，計劃預計在2012年前后將激光電視推入家庭市場。 另外，還有德國的OSRAM公司獲得美國相干公司（Coherent）的激光技術授權，相干公司是全球激光領域當中最富盛名的一家公司，激光技術全球領先，目前把激光技術授權給德國OSRAM，德國OSRAM把它進行工業(yè)化的開發(fā)，滿足批量化的生產(chǎn)要求，用于激光顯示領域。韓國的三星電子在06年到中科院進行科學院和三星電子之間的技術合作、交談，韓國三星副會長帶著韓國的一個團隊參觀了我們實驗室的情況。韓國三星電子對于激光光源顯示系統(tǒng)的應用寄予的厚望，預計在3-5年之內(nèi)將激光顯示推向市場。但是市場不是以電視為目標，而是以微小型顯示和便攜式的顯示作為主要市場目標。在2007年的2月份，日本電子信息產(chǎn)業(yè)情報協(xié)會所屬的顏色管理委員會制訂了新的顏色標準，目前已經(jīng)通過了NEC的認證。這個新的顏色技術標準就是基于激光顯示提出了一個新的顯示規(guī)范。日本的策略是，先定制色域作為最新標準，然后由激光這個光源的電視產(chǎn)品符合最新的色域標準，形成一個閉環(huán)。從目前來看，國際上有索尼、三菱、愛普生、東芝、三星、OSRAM、相干公司、耶拿公司，包括松下都在開發(fā)激光光源的顯示技術。可以說，背光電視潛在的競爭就是下一個顯示光源在現(xiàn)實系統(tǒng)上的應用，競爭是相當激烈的。追溯激光顯示技術的歷史，激光顯示的概念，在上世紀六十年代激光一出現(xiàn)就已經(jīng)存在。但是由于當時產(chǎn)生的激光氣主要是氣體激光氣，體積大、壽命短、效率低，這樣的話顯示技術應用領域的研究，包括發(fā)展受到了很大的限制。直到上世紀九十年代，也就是1996年之后，由于全固態(tài)激光器性能的大幅度提升，實現(xiàn)了高功率、小型化、長壽命的技術，重新燃起了產(chǎn)學界對激光光源在顯示領域應用的研究熱情。 可以說，一直到2000年前后，都是處于研發(fā)的階段。在這個階段，各種各樣的技術都被國內(nèi)外的研究機構廣泛地嘗試，包括光源的產(chǎn)生，也有從半導體直接變成的，也有通過全固態(tài)激光產(chǎn)生的，也有通過電子束激發(fā)半導體器件產(chǎn)生激光的。

七、激光顯示發(fā)展趨勢

激光光源可以說與LCD光源和其它顯示方式來說有很多的特點。首先，黃色的都是它的優(yōu)勢，亮度提高是數(shù)倍于現(xiàn)在的LED或者氙燈。在光度寬度上和色彩飽和度上面是極強的。激光的電光效率來說，激光的電光效率嚴格來說可以超過20%，這樣的電光整合效率雖然現(xiàn)在還沒有做到，但是理論上是可以實現(xiàn)的，達到了這樣一個高的電光整合效率，無論是在成本還是在器件的可靠性、體積以及功耗都會大幅度的改善。