激光電視的原理與介紹

激光技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展課程論文(夏季學(xué)期)題目：激光電視的原理與介紹姓名：學(xué)號(hào)：?jiǎn)挝唬豪蠋煟杭す怆娨暫?jiǎn)介1.1簡(jiǎn)介激光電視（LASERTV）是利用半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光工作物質(zhì)，產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三種波長(zhǎng)的連續(xù)激光作為彩色激光電視的光源，通過(guò)電視信號(hào)控制三基色激光掃描圖像。其色域覆蓋率理論上可以高達(dá)人眼色域范圍的90%以上[1]。這比目前LED電視最高的62%色域覆蓋率又提高了一個(gè)檔次。色域覆蓋率的提高，不僅可以使整個(gè)電視畫面看起來(lái)更加真實(shí)、有層次感、通透的感覺，同時(shí)畫面的清晰度也會(huì)隨著色彩飽和度的提高有較大幅度的提升。由于采用激光作為電視的背光源，激光電視可以做的更薄，適合家庭使用。激光電視還克服了人眼長(zhǎng)時(shí)間觀看熒光粉產(chǎn)生的熒光色所造成的不適感，而且對(duì)人眼沒有輻射。1.2特點(diǎn)傳統(tǒng)的彩色電視機(jī)是利用三原色電子光束,按照視頻信號(hào)的規(guī)律逐行打在熒光屏上,使熒光屏形成彩色光斑。利用人眼的殘留視覺效應(yīng)使我們能夠看到連續(xù)運(yùn)動(dòng)的彩色圖像,此傳統(tǒng)彩色攝像機(jī)必須設(shè)置陰極攝像管,即使現(xiàn)在超薄彩色電視也必須有液晶顯示器、等離子顯示器等〔z0l?，F(xiàn)在主流的電視種類有CRT電視、液晶電視、等離子電視、背投電視等。cRT電視是一種使用陰極射線管(CathodeRayTube)的顯示器,具有可視角度大、色彩還原度高、響應(yīng)時(shí)間極短,價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但其龐大笨重的結(jié)構(gòu)成為其發(fā)展的瓶頸,而且難以超過(guò)29英寸,功耗較大,不符合當(dāng)前的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),除了特殊場(chǎng)合外,正逐步退出歷史舞臺(tái)。液晶(LcD)電視是采用液晶控制透光度技術(shù)的顯示器,需要有一個(gè)白色背光源,通過(guò)控制液晶透光度控制背光透過(guò)紅綠藍(lán)三色的濾色片來(lái)發(fā)出不同的顏色。當(dāng)前大部分的LCD背光源多為冷陰極熒光燈管(CCFL),其組成的色域僅為CRT顯示器的70%左右,顯示的圖像遠(yuǎn)不如CRT顯示器的鮮艷。等離子電視(PDP)是一種利用氣體放電的顯示裝置,大量的等離子腔排列在一起構(gòu)成屏幕。等離子腔體內(nèi)部充有氖氛等惰性氣體,通電時(shí)產(chǎn)生紫外光,激勵(lì)腔體內(nèi)的紅綠藍(lán)三基色熒光粉發(fā)出可見光。具有亮度高,顏色鮮艷,不受電磁干擾的特點(diǎn),但有燒屏和海拔壓強(qiáng)問題,大屏幕時(shí)很難做到高分辨率。激光單色性好,色純度極高,與現(xiàn)有其他顯示器(CRT、LCD、PDP等)相比,激光電視具有非常明顯的優(yōu)勢(shì),發(fā)展前景和潛在的價(jià)值巨大。[2]激光電視技術(shù)是20世紀(jì)90年代新興的新型彩色電視顯示技術(shù)，由于激光的特性，它比其他顯示技術(shù)具有更多的優(yōu)越性：(1)超大屏幕、高亮度；(2)色域?qū)?，高度飽和色彩，可?shí)現(xiàn)最佳色彩轉(zhuǎn)換。色域的大小反映的是顏色系統(tǒng)所能包含的顏色集合的大小。顯示設(shè)備的色域越寬廣,所能顯示的色彩越多,畫面越生動(dòng)。圖2-1投射式和掃描式激光電視示意圖投射式激光電視的成像類似于液晶顯示的原理,成像原理如圖所示。普通投影顯示器的光源為普通白光,經(jīng)過(guò)分色棱鏡分為三基色,投影式激光電視是把普通光源換成了紅、綠、藍(lán)三色激光,再將激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直和擴(kuò)束之后投射到屏幕上。電視接收機(jī)分離出的三基色信號(hào)和行場(chǎng)同步信號(hào)送到cPu,經(jīng)過(guò)CPu選址,控制液晶各個(gè)像素點(diǎn)的光通量,最后在液晶屏幕上成像。掃描式激光電視與投影式的差別主要在調(diào)制方式上。掃描式激光電視利用三基色電視信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器的供電電壓或固體激光器發(fā)出的激光強(qiáng)弱,已調(diào)激光經(jīng)光合成器合成,投射到掃描裝置上,經(jīng)掃描裝置偏轉(zhuǎn)成像。掃描裝置受電視同步信號(hào)控制。下面介紹的激光電視機(jī)是利用半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光工作物質(zhì),產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三種波長(zhǎng)的三種激光作為彩色激光電視的光源,電視信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼后,存儲(chǔ)到圖像存儲(chǔ)系統(tǒng),分別從圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)中提取亮度和色度信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)色彩管理系統(tǒng)后得到新的RGB驅(qū)動(dòng)信號(hào)并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸給LCOS顯示系統(tǒng),將激光光束直接投影到屏幕顯示彩色圖像,主要由激光器、色彩管理系統(tǒng)、LCOS顯示系統(tǒng)、屏幕等組成[6]。如圖所示:圖2-2激光電視組成示意圖紅、綠、藍(lán)激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)光學(xué)引擎調(diào)制后,投射到LCOS空間調(diào)制解調(diào)器上,電視信號(hào)經(jīng)過(guò)DVI標(biāo)準(zhǔn)接口儲(chǔ)存到色彩管理系統(tǒng)的緩存器中,色彩管理系統(tǒng)對(duì)色彩信號(hào)進(jìn)行處理后,將適合激光顯示的色彩信號(hào)傳遞到LCOS顯示系統(tǒng),然后將圖像投射到屏幕上。LCOS顯示原理3.1LCOS技術(shù)簡(jiǎn)介L(zhǎng)COS(LiquidC哪talOnSilieon)技術(shù)是進(jìn)幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型液晶微顯示技術(shù),該技術(shù)問世后,世界各地的大小公司都對(duì)它很感興趣,一致認(rèn)為L(zhǎng)COS微顯示技術(shù)是投影領(lǐng)域中最具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)「33]。近幾年來(lái)經(jīng)過(guò)各方面(芯片或稱面板設(shè)計(jì)制造商,光引擎設(shè)計(jì)制造商和系統(tǒng)集成制造商)的努力,用LCOS技術(shù)制造出的LCOS液晶投影(包括背投影機(jī)和前投影機(jī))性能不斷提高,逐漸走向成熟,己經(jīng)由試生產(chǎn)到小批量生產(chǎn)到大批量生產(chǎn),其產(chǎn)品逐漸被市場(chǎng)認(rèn)同,在北美市場(chǎng)已大批量銷售。LCOS技術(shù)是在LCD技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,因此,它們有許多相同之處,例如:LCOS面板和LCD面板工作都必須用偏振光,這是因?yàn)閮烧叨际且壕骷?。利用加到像素電極上的圖像信號(hào)電壓的作用,改變灌注在像素中的液晶分子的排列(取向),從而液晶層對(duì)透過(guò)它的光通量進(jìn)行調(diào)制從而形成圖像光信號(hào),所不同的是LCD是光透過(guò)器件,即光線穿過(guò)液晶層而射出去;而LCOS是光反射器件,光進(jìn)入液晶層后又被反射回來(lái)又從光的入射面射出去。從偏光的角度說(shuō),S偏振光進(jìn)入LCD面板后,輸出的光仍是S偏振光;而為了避免入射光和反射光的干涉,S偏振光進(jìn)入LCOS器件的液晶層后,再反射后輸出的偏振光不再是S偏振光,而是被PBS稱了P偏振光。和LCD微顯技術(shù)相比,LCOS微顯技術(shù)有著明顯的優(yōu)點(diǎn)[7]。(1)LCOS面板的開口率大,光利用率高,因而用LCOS面板做的投影機(jī)的亮度高。(2)LCD面板中只有TFT制造在像素中,其他的面板驅(qū)動(dòng)IC都在面板的外面,而LCOS面板中集成了面板的驅(qū)動(dòng)IC及外圍電路,使LCOS外圍引線大大減少,提高了可靠性。(3)LCOS面板用一般2.5微米的CMOS工藝就可以生產(chǎn),因此其制造成本低,這也是該器件的最大優(yōu)點(diǎn)之一。(4)LCOS技術(shù)的專利權(quán)比較少。3.2LCOS面板結(jié)構(gòu)及工作原理[8]LCOS的基本含義是在硅片上的液晶,現(xiàn)在通稱為硅基液晶,是一種液晶反射式器件。其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。在單晶硅片上用CMOS工藝把驅(qū)動(dòng)陣列電路和液晶驅(qū)動(dòng)電路集成在硅片上,液晶電極上鍍上鋁材料兼做反射鏡,以該電極為基板與對(duì)面的一塊透明半導(dǎo)體電極(ITO)板之間灌注上液晶。圖中黑白小格子表示集成在硅基板上的驅(qū)動(dòng)電路。液晶層兩邊的小圓狀物是起密封和支撐作用,最上面是玻璃蓋板,這樣就構(gòu)成了一個(gè)LCOS液晶像素,圖3-2所示為其工作原理。入射光進(jìn)入偏振光變換器PBS,該變換器反射S偏振光,S偏振光穿過(guò)玻璃蓋板和ITO公共電極進(jìn)入液晶層,被下面的鍍鋁電極反射后再次穿過(guò)液晶層、ITO電極和玻璃蓋板進(jìn)入偏振光變換器,變成P偏振光射出,用偏振光變換器實(shí)現(xiàn)了入射光和反射光的分離,保證了LCOS面板的對(duì)比度不受影響。由于鍍鋁電極是液晶控制電極,在它上面有圖像信號(hào)電壓,液晶分子因圖像信號(hào)電壓的作用,取向狀態(tài)發(fā)生改變,發(fā)射出的光通量收到調(diào)制,像素陣列反射光的總和就形成了圖像光信號(hào),再通過(guò)投影透鏡進(jìn)行聚焦、放大后投射到投影屏幕形成光圖像[9]。圖3-1LCOS面板結(jié)構(gòu)圖圖3-2LCOS像素工作原理3.3LCOS背投的原理[10]LCOS光學(xué)引擎是整個(gè)背投系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,LCOS光學(xué)引擎可以分成單片式和三片式兩大類網(wǎng)。單片式光學(xué)引擎占用空間相對(duì)小,僅需一片面板,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,因此在成本上具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。然而目前在技術(shù)上也面臨一些困難,以色輪而言,白光經(jīng)過(guò)偏極化后,亮度明顯降低,能量?jī)H僅剩余三分之一。此外,由于LCOS面板要在紅、綠、藍(lán)畫面快速的切換下合成影像,對(duì)面板反應(yīng)速度的要求更高。三片式LCOS光學(xué)引擎是目前市場(chǎng)上LCOS高清背投電視采取的主要光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)l39]。由于三片式LCOS光學(xué)引擎除了需要三片面板外,仍需結(jié)合多項(xiàng)的分光、合光光學(xué)系統(tǒng),因此體積較大、成本也較高,不過(guò)由于其可以達(dá)到較高的光學(xué)效率,又具備高畫質(zhì)的特性,因此主要是朝高階的專業(yè)用途發(fā)展。最新進(jìn)展與前景在以激光為代表的下一代顯示技術(shù)競(jìng)技場(chǎng)上，跨國(guó)公司一度占有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。2006年，三菱推出了40英寸激光電視機(jī)。2007年1月，索尼55英寸激光電視機(jī)在美國(guó)消費(fèi)電子產(chǎn)品展亮相。4個(gè)月后舉行的第十屆北京科博會(huì)上，中視中科將這個(gè)數(shù)字改寫為120英寸。激光顯示技術(shù)是新一代顯示技術(shù)，是《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》的重要方向和國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。光電院面向國(guó)家在新型顯示技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大需求，“十一五”期間作為牽頭單位和主要承擔(dān)單位組織國(guó)內(nèi)包括“中科院物構(gòu)所”、“中科院長(zhǎng)光所”、“中科院理化所”、“中科院半導(dǎo)體所”、“海信”、“長(zhǎng)虹”、“中視中科”、“首控光電”等13家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)共同承擔(dān)國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“新一代激光顯示工程化開發(fā)”，取得了一批重大成果，成為“十一五”材料領(lǐng)域的亮點(diǎn)之一。同時(shí)，光電院作為牽頭發(fā)起單位之一，在國(guó)內(nèi)組織建設(shè)“激光顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，并與社會(huì)資本合資成立了“北京中視中科光電技術(shù)有限公司”，推進(jìn)激光顯示技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作的模式構(gòu)建激光顯示上下游產(chǎn)業(yè)鏈，打造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)體系，為我國(guó)激光顯示產(chǎn)業(yè)化發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。激光顯示技術(shù)和產(chǎn)品也因此被列入國(guó)家“十二五”十大產(chǎn)業(yè)振興計(jì)劃。光電院瞄準(zhǔn)未來(lái)的顯示技術(shù)發(fā)展前沿，繼續(xù)承擔(dān)激光顯示核心技術(shù)的研發(fā)，支撐該戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展。光電院在激光顯示核心關(guān)鍵技術(shù)方面以激光顯示共性核心技術(shù)突破為重點(diǎn)，在小型化激光顯示光源模組、顏色空間虛擬擴(kuò)展與映射、超短焦成像鏡頭以及激光相干散斑測(cè)量方法與評(píng)價(jià)等方面取得重大突破。獲得專利110余項(xiàng)，技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，研制出60英寸、84英寸和140英寸激光大屏幕投影顯示系統(tǒng)，展示出色彩艷麗的清晰動(dòng)態(tài)圖像。84英寸樣機(jī)先后參加了“國(guó)家十五重大成果展”、“國(guó)家科技創(chuàng)新成就展”、“上海國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)”，均受好評(píng)，并獲科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。經(jīng)中科院、信產(chǎn)部聯(lián)合科技成果鑒定，“色域覆蓋率國(guó)際領(lǐng)先，總體技術(shù)國(guó)際先進(jìn)”。200英寸激光投影工程樣機(jī)已達(dá)到實(shí)用化水平，并成功應(yīng)用于2008年北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)中國(guó)館33米層劇場(chǎng)顯示工程，被評(píng)為“科技奧運(yùn)優(yōu)秀項(xiàng)目”；隨后，項(xiàng)目組研制成功世界首臺(tái)遵循DCI國(guó)際數(shù)字電影規(guī)范的10510流明激光數(shù)字電影放映機(jī)，通過(guò)了國(guó)家計(jì)量院的檢測(cè)、用戶驗(yàn)收和電影行業(yè)專家的評(píng)審，并已投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。2014年6月25日消息長(zhǎng)虹近日推出了6萬(wàn)元的激光電視。這款電視為100英寸，外接一個(gè)投影設(shè)備加一個(gè)玻璃基板組成。而在此前，另一家國(guó)內(nèi)企業(yè)光峰華影推出的100英寸第二代炫幕激光電視售價(jià)為12萬(wàn)元。除了長(zhǎng)虹之外，另一家彩電企業(yè)海信也將在7月份推出激光電視。而據(jù)海信相關(guān)人士透露，2012年，海信便投入研發(fā)激光電視。長(zhǎng)虹展示了100吋的激光投影電視產(chǎn)品，這款令人印象深刻的家庭影院系統(tǒng)，包括一個(gè)可身臨其境觀感的100英寸激光電視屏幕，和可以極短距離播放畫面的外部超級(jí)短投(UST)投影部件。這個(gè)獨(dú)特的系統(tǒng)能提供全高清1080分辨率。在半封閉空間里，設(shè)置有采用行業(yè)領(lǐng)先的激光投影技術(shù)的100寸激光投影電視，新技術(shù)新體驗(yàn)新觀感，大尺寸高清晰度帶來(lái)全新的視覺震撼。同時(shí)配合手勢(shì)識(shí)別功能，通過(guò)體感游戲，讓你在感受震撼的視覺效果的同事，盡情享受靈敏手勢(shì)識(shí)別技術(shù)帶來(lái)的愉悅。長(zhǎng)虹此次展示的100吋激光電視，不僅畫面看起來(lái)更加真實(shí)、有層次感、通透的感覺，同時(shí)畫面的清晰度也會(huì)隨著色彩飽和度的提高有較大幅度的提升。由于采用激光作為電視的背光源，激光電視可以做的更薄，適合家庭使用。激光電視還克服了人眼長(zhǎng)時(shí)間觀看熒光粉產(chǎn)生的熒光色所造成的不適感，而且對(duì)人眼沒有輻射。激光電視與LED電視相比，首先在在圖像顯示方面，與LED同為固態(tài)光源的激光，無(wú)論是技術(shù)、成本還是領(lǐng)先性等方面，生來(lái)就有著LED難以比擬的諸多優(yōu)勢(shì)，色彩更鮮明、亮度更高，在激光電視的技術(shù)上也掌握著主動(dòng)地位。激光電視的優(yōu)勢(shì)不僅是在顏色反應(yīng)上，產(chǎn)品以激光器為主，經(jīng)過(guò)光信號(hào)的處理，通過(guò)光圖象，最終形成圖像。這樣基本上可以去掉傳統(tǒng)的相關(guān)部件，省去一些光學(xué)器件之后，節(jié)省成本是30%至40%。激光電視在超大屏幕制造方面也有著先天的優(yōu)勢(shì)。與同尺寸的LED液晶電視比較，激光光源的壽命更長(zhǎng)，可以達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)以上；其耗電量也更低，符合社會(huì)節(jié)能環(huán)保需求。目前，大屏幕激光電視的主要應(yīng)用市場(chǎng)是大型場(chǎng)館，如奧運(yùn)等體育場(chǎng)館、大型會(huì)議室、賓館設(shè)施、市政建設(shè)等。隨著產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和市場(chǎng)的成熟，成本價(jià)格的降低，激光電視在大型場(chǎng)館的應(yīng)用率將大幅提高，進(jìn)入家庭的時(shí)間也會(huì)縮短。據(jù)預(yù)測(cè)，激光電視進(jìn)入普通家庭需要5至10年的時(shí)間，屆時(shí)，激光電視將會(huì)取代傳統(tǒng)顯示電視，如果進(jìn)入家庭，其年產(chǎn)值將達(dá)到數(shù)億元。參考文獻(xiàn)[1]余理富，湯曉安．《信息顯示技術(shù)》．北京：電子工業(yè)出版社，2004[2]田民波．《電子顯示》．北京：清華大學(xué)出版社．2001[3]G.Hrbek,J.Lekavich,W.Watson.AnimprovedlasercolorTVsystemusingacousto－opticinteraction.Proc.SID,1971,29(2):77～85[4]李謹(jǐn)俞，唐春明．激光投影大屏幕顯示機(jī)，《應(yīng)用激光》．1993.2:2