激光显示是我国新型显示技术发展主流

2019-04-16 10:24
文/许祖彦 毕勇 张文平


激光显示是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的新型显示技术,可实现显示技术的双高清(几何/颜色)、大色域(度)、真3D等三要素突破性提升。我国激光显示技术研究与国际同步,产业发展处于引导期。大力发展激光显示,将有力推动我国发展自主可控不受制于人的新型显示产业。

人机界面显示技术的发展方向是走向人眼视觉极限,发展目标是双高清、大色域、真三维的高保真图像再现,国际显示产业最新标准是BT2020。激光具有谱宽窄、亮度高、指向好三大特性,因此,激光显示是唯一能够实现BT2020超高清标准的显示技术。

显示技术发展历史与现状

显示是将信息显示给人眼观看的人机界面技术和产业,是信息链的终端。显示技术的发展方向是走向人眼视觉极限(全保真图像再现),目标是高保真图像再现,其技术指标体系是三要素,即双高清(几何/颜色)、大色域(度)和真三维。

激光显示是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的新型显示技术,是激光技术、光电子技术、半导体技术等高速发展与综合集成的产物。激光显示采用激光取代宽带非相干光源,可实现显示技术的双高清(几何/颜色)、大色域(度)、真3D等3要素突破性提升,是实现高保真图像再现的最佳技术途径,将给予人类最美好的视觉享受。

显示技术的发展历程和方向如图1所示,上世纪30年代出现的黑白显示解决了视频图像的有无问题,上世纪50年代的彩色显示解决了视频图像无颜色问题,上世纪末出现的数字显示解决了视频图像易受干扰、清晰度差的问题,当前的激光显示是要解决视频图像的全色问题,将来基于全息术的三维显示技术有望解决真三维(3D)显示问题。

图1 显示技术的发展历程和方向

显示产品市场将在六大领域发展,即大屏幕/超大屏幕、电视/家庭影院、办公投影/微型投影、计算机屏幕/游戏机屏幕、手机/可穿戴显示、三维显示/AR/VR,形成数千亿美元级/年的规模市场。电视作为显示终端,集观赏/娱乐应用和信息应用于一身,其显示产品产值最大(大于60%),是国际关注的主流产业。2012年至今,电视国际标准遵循BT2020超高清电视标准,其核心是超高清,即双高清(8K分辨和12bit色阶数)和大色域(色域覆盖率>70%)。各显示技术应用到电视终端时,都应满足BT2020国际标准作为产品性能指标。

当前液晶显示(LCD)、有机发光(OLED)显示、量子点(QD)显示、发光二极管(LED)显示、激光显示(LDT)等多种显示技术互争长短、力争主流,实则在不同细分产品领域都有应用基础。而在满足BT2020国际标准方面,激光显示是唯一能实现该标准的显示技术。

激光显示技术原理

激光显示,是以红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色激光为光源的显示技术,通过控制三基色激光强度比、总强度和强度空间分布实现彩色图像显示。由于激光具有方向性好、单色性好和亮度高等3个基本特性,可实现大色域、双高清(几何、颜色)视频图像显示和真三维显示,被国际业界视为人类视觉史上的革命。

激光显示技术以红、绿、蓝激光为光源,其工作原理如图2所示:红、绿、蓝三色激光分别经过扩束、匀场、消相干后入射到相对应的光阀上,光阀上加有图像调制信号,经调制后的三色激光由棱镜合色后入射到投影物镜,最后经投影物镜投射到光学屏幕,实现高保真图像再现。其中激光显示主要关键技术涵盖红绿蓝三基色光源、图像调制(光阀、液晶面板等)、激光干涉噪音抑制和总体设计/集成等四大类关键技术。

图2 激光显示原理图

激光显示技术的国内外发展

自1965年美国Texas公司发表单色激光扫描显示研究报告以来,世界各国均在大力开展激光显示技术研发和产业攻关。欧美多家公司率先开展相关研究,如天文馆天象显示(德国耶拿光学),用于战斗机飞行员训练的飞行员仿真视景平台(美国ES公司),以及4.5万流明激光数字电影机(美国柯达公司、比利时巴克公司、加拿大科视公司)等。

亚洲的日本、韩国等政府扶持本国企业,已开发出多种激光显示样机,积极探索激光显示产业应用,从65/75英寸激光背投电视(三菱)、激光工程投影机(NEC,1.6万流明)到激光显示技术特效影院(Sony,500m2,亮度20nit)的应用等,形成了较好的技术基础和产业链条。

我国高度重视新型显示产业发展,相继出台多项政策支持发展激光显示这一国家战略性新兴技术和产业(见表1)。

表1 我国发布的激光显示产业发展政策

时间文件名称
2017科技部发布科技创新2030—重大项目
2016国务院“十三五”国家战略性新兴产业发展规划
2015中国制造2025重点领域技术路线图计划
2014国家发展改革委、工业和信息化部2014-2016 年新型显示产业创新发展行动
2014国家发展改革委办公厅,工业和信息化部办公厅关于组织实施新型平板显示和宽带网络设备研发及产业化专项有关事项的通知
2013工业和信息化部关于印发信息化和工业化深度融合专项行动计划 (2013-2018 年)的通知
2012新型显示科技发展“十二五”专项规划
2011国务院关于印发“十二五”国家战略性新兴产业发展规划的通知
2010国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定


在国内,激光显示技术研究与国际同步,总体水平相当,中科院代表国内最高水平。在国家863计划和中科院创新工程计划支持下,中科院许祖彦团队2005年在国内首次研制成激光全色投影显示原理样机(全固态激光源),2006年1月通过信产部和中科院联合鉴定,“总体水平世界先进,色域覆盖率等关键技术国际领先,并拥有多项核心技术发明专利为代表的知识产权”,证实了激光显示能显示出大色域的高画质视频图像,同时发现激光空间相干性引起的散斑现象(噪声),并提出同频激光耦合专利技术实现散斑抑制。之后,又提出了激光显示产业化的顶层设计和以红绿蓝三基色半导体激光(LD)为核心的产业发展路线图(如图3所示),2015年研制成功国际首台100英寸三基色LD激光电视产品样机,证明了激光显示技术实现产业化的可行性,打通了激光显示走向产业化之路。同时,许祖彦团队提出的以三基色LD材料器件为核心的《激光显示产业发展建议》得到了国家战略咨评委论证和6部委的支持,并获得中央批准列入国家材料重大专项。而且,作为国家专项的先导项目,“激光显示国家重点研发计划”也得到科技部的支持。

图3 激光显示产业发展路线图

目前激光显示国内外都处于产业化引导期(产品试销),是我国自主可控开发不受制于人的新型显示产业的大好机遇。激光显示产业的发展已进入三基色LD光源阶段,三基色LD具有电激发、高效率、长寿命、超小型的优点,且可利用半导体工艺实现大规模量产降低成本,支撑激光显示形成规模产业,进入千家万户,红绿蓝三基色LD是激光显示产业化最佳光源,但是目前红蓝绿三基色LD尚待国产化。

在用于显示的红绿蓝三色LD中,国外处于领先地位,指标已可满足激光显示应用需求。其中基于GaAs材料体系的638nm红光LD,日本的索尼、日立、Oclaro和三菱等公司已实现单管功率750 mW,使用寿命超过2万小时。蓝绿光LD基于GaN材料,以日本 Nichia、德国欧司朗为代表,450nm蓝光 LD 单管输出功率已经达到了4W,520nm绿光LD单管输出功率超过1W。

表2 激光显示产品性能表

产品
指标
三基色LD激光显示激光荧光粉显示
色域覆盖率>70%,满足BT2020~40%,达不到BT2020
亮度(lm)>4000(电视);
>6万(电影/工程)
>3000(电视);
>2万(电影/工程)
荧光粉存在烧蚀效应,亮度较低
屏幕尺寸50英寸~无缝拼接100m2级(色温精确可调)50英寸~100英寸级
色温不能精确调控
能效(lm/W)9~13~6
寿命(hour)>30000~20000


我国在三基色LD研发起步稍晚,近年来国家已开始布局并取得了重要突破,但是在功率、寿命等关键指标尚需进一步提高,以期满足激光显示整机实用化需求。红光LD方面,中科院半导体所、深圳瑞波公司以及山东华光光电子等单位代表国内最高水平,2016年深圳瑞波公司在国内首次实现国际先进水平的638nm红光LD;山东华光光电子公司已经实现了 650nm红光LD生产。在蓝绿LD方面,国内中科院苏州纳米所、半导体所、北京大学、清华大学等先后研制成功了GaN 基紫光、蓝光和绿光LD;中科院苏州纳米所研制的蓝光LD 寿命已超过5000 小时,单管最大输出功率1.5W;2014年纳米所首次在国内研制成功GaN 基绿光LD,目前最大输出功率达到60mW。

在激光显示整机开发与应用方面,国内与国外基本同步,中科院理化所、杭州中科极光、海信、长虹、光峰等激光显示研究单位和企业是主要力量。在激光显示发展的过渡阶段—激光荧光粉显示(图3),海信、长虹、光峰等企业先后推出2K及4K系列产品,但是此类产品存在色域覆盖率低、亮度低、寿命短等问题,不能满足BT2020要求,是一个过渡性产品。杭州中科极光公司(中科院理化所、杭州市组建)自主开发出以三基色LD为光源的系列激光显示产品,包括100英寸激光家庭影院、7.5万流明数字电影放映机、工程投影机,以及特种显示器等,在亮度、色域覆盖率、能效等主要技术指标方面国际先进、国内领先(如表2所示),已建成产能超过3万台/年生产示范线,销售超过2亿元。

国内在激光显示配套材料与器件方面,如相干散斑抑制、宽角度光学屏幕、超广角超短焦镜头等关键技术也不断取得突破。杭州中科极光基于独创的波长/角度/散射多手段散斑抑制专利技术,将散斑对比度降低至2%以下,相比国外的机械转动式消散斑技术,具有更好的可靠性、更低的噪音,推进了散斑抑制技术的实用化进程。在高分辨率光学引擎方面,海信建立了4K光学引擎千级洁净厂房和生产线,组装调试能力达到业内先进水平,初步实现了镜头、光机在内的4K光学引擎的批量生产。在高性能菲涅尔光学屏幕方面,长虹提前开展布局,在2016年行业首创激光显示配套柔性菲涅尔光学屏幕,实现了百英寸超大尺寸光学屏幕轻松电梯入户,建成了专业的屏幕制备、光学检测实验室,持有多项核心设计/制造专利。另外,在知识产权方面,我国有激光显示相关专利数百项,涵盖整机、光学引擎、照明系统、成像系统、投影光学等全技术链,未来产业化发展没有知识产权壁垒,可自主可控发展激光显示产业。

激光显示技术的优势

一、光源谱宽窄,亮度高

激光光源谱宽小于5nm,可以实现12bit颜色灰阶编码不重叠;波长可控,能构成70%以上的色域覆盖率(如图4所示);同时亮度高,且可精确控制在人眼最佳视觉感知区,实现8K几何高清。因此,三基色LD激光显示技术是唯一能够全面实现BT2020标准的显示技术。

图4 各种显示色域覆盖率


二、节能、环保,性价比高

激光光源色温可调,可真正实现超大屏幕(百平米级)无缝拼接显示;功耗比同尺寸液晶电视节能50%以上;寿命可达5万小时以上;体积小、重量轻,100英寸激光电视不到20Kg,一人即可搬动(如图5所示),易进入寻常百姓家,且与同尺寸的平板电视相比,性价比高(目前<5万元)。100英寸平板电视重量超过100Kg,难以进电梯和入户普通家庭,价格非常昂贵(Sony 100英寸液晶电视售价约50万元)。

图5   LHT-203型100英寸三基色LD激光电视产品(杭州中科极光科技有限公司)

三、激光显示观赏舒适度高

激光显示采用反射式成像,光线经屏幕反射至人眼,光线柔和不刺眼;同时激光显示工作原理决定了其像素与发光面积相同,且像素与像素之间无“硬边界”,过渡平缓,与自然万物反射光成像进入人眼原理相同,观看舒适度高。中国电子技术标准化研究院的研究报告称“激光显示具有很强的护眼特性”。

总的来看,采用激光作为显示光源,可实现超高清几何分辨、大色域覆盖率、高色饱和度,以及全息真3D显示的高保真图像再现,同时观看舒适度高,兼具欣赏和舒适两大优点,将给予人类最美好的视觉享受,因此激光显示是综合发展观赏/娱乐和信息两大市场的最佳选择,是下一代电视机、计算机、游戏机、电影机、工程机以及超大屏幕显示产业的主流(如表3所示)。

表3 各种显示(技术及产业)对比


显示
光谱宽度/可达标准现状(国外/国内)特点产业发展方向、前景
激光~5nm / BT2020超高清电视标准试销期三基色LD光谱窄,12bit颜色灰阶编码不重叠(颜色超高清),波长可控,色域覆盖率大(>70%),亮度高,可控制在人眼最佳视觉感知区(8K几何高清),色温可控,可实现无缝拼接超大屏幕。功耗低,节能环保●下一代显示产业主流,电视、电影等中、大、超大屏幕高端信息、观赏/娱乐市场
●我国自主可控发展下一代显示产业的重大机遇
抗环境杂散光能力较差,对比度较低,不宜在白天户外条件和室内强照明环境下使用
LCD~70nm / BT709高清电视标准已趋饱和低电压(2~5V)、电磁辐射低、分辨率高(已实现8K)、长寿命、价格低(TFT工艺已实现大规模制造)●发展电视、电脑等领域的低端市场,收回前期投资
●开发新材料(低温多晶硅、金属氧化物等)、新工艺(快响应、高对比度)等,实现产业升级换代
色域覆盖率低(33%左右),响应速度较慢(ms级,运动画面拖影)、对比度较差、工作温度范围窄(0~40℃)、观看舒适度差、大尺寸显示市场(如75英寸以上)难以规模应用等
OLED~50nm / BT709高清电视标准成熟期/开发期(手机屏等)电致自发光显示,抗环境光干扰强,对比度高;面板超薄(mm级)、省电;响应速度快(us级),工作温度范围宽(-30℃~+85℃),能实现柔性显示、透明显示●大力发展手机屏、可穿戴等小屏幕短使用期产品,探索柔性、透明显示市场
●存在寿命问题,不宜发展电视等中、大屏幕产品
试销期(电视)光谱宽度较大(~50nm),电致有机发光材料存在本征寿命问题,且蓝光寿命短于红光,导致红脸现象、负像残影和烧屏问题等。
LED(屏)~50nm / BT709高清电视标准大、小间距屏公共信息市场趋成熟
MicroLED屏观赏/娱乐市场处于样机/研发阶段
电致自发光显示,抗环境光能力强,对比度高;亮度高(6,000 cd/m2),响应速度快(ns级),寿命长,可实现大屏幕显示,工作温度宽,最适合户外和室内强光环境。●在信息显示市场已形成产业,应着力改善显示清晰度和观看舒适度
●MicroLED屏尚需突破关键技术(巨量转移等)方可走向观赏/娱乐市场
像素之间存在“硬边界”,像素密度尚低,导致观看舒适度差,还不能应用于观赏/娱乐市场
量子点(QD)~40nm / BT709高清电视标准试销期(背光源)较高的亮度(~1000cd/m2)和较好的色彩表现。材料含有毒(镉)元素,欧盟已禁售●停止有毒(镉)量子点显示产业
●着力探索无毒电致发光QLED显示在中小尺寸、短使用期等市场应用
样机(QLED显示)电致自发光显示,可用喷墨打印制造,可用于柔性显示。无毒材料(如InP)三基色效率一致性差,制备工艺复杂且费用高昂。
电子纸尚无成熟期(黑白)
研发(彩色、动态)
观看舒适度高(环境光反射式显示)、超低功耗、低成本●应继续发展电子书、电子价签等市场
●国产化关键材料(墨水等),探索彩色化、可动化
对比度低、分辨率较低、灰阶低、响应时间慢


半导体技术的不断发展将推动三基色半导体激光器的国产化进程。我国5G技术的普及,还将解决激光显示对视频图像信息的高速率(>12Gb/s)、大带宽(>1.2G)的要求,支撑超高清激光电视进入寻常百姓家,推动我国超高清激光显示产业快速发展。

小结

电子信息产业是实体经济的重要产业。显示产业作为我国电子信息产业的基石之一,是信息领域为数不多的千亿美元级产业,带动力和辐射力极强,在我国国民经济中占有重要的战略地位。

当前显示产业发展到了“更新换代大洗牌”阶段,多种技术/产业竞相发展,如液晶显示(LCD)、有机发光(OLED)显示、量子点(QD)显示、发光二极管(LED)显示、电子纸(E-paper)显示、三维(3D)显示、激光显示(LDT)等。我国显示产业正处在由大变强的产业转型机遇期,在日益复杂国际形势下显示产业自主可控安全发展,需要全面分析各种新型显示技术特点和发展现状,明确我国显示产业的发展方向,制定相应发展路线图。

我们应以激光显示产业为主要发展方向,同时开拓多种新型显示的特色市场,圆“13亿中国人看中国(安全)电视”的梦想,推动我国显示产业由大变强,成为显示产业强国,为中华民族百年复兴做出应有贡献。



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