现代显示技术正在经历一场由激光驱动的革命。长期以来,液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)主导市场,但它们在色彩范围、亮度以及视角性能方面受限。激光显示作为一种新兴技术,因其出众的亮度、色彩纯度和高方向性光线而被视为下一代高性能显示的理想选择。然而,激光显示技术在普及过程中一直面临体积庞大、系统复杂等难题。最新研究通过大规模光子集成电路(PIC)技术,成功开发出超薄型的平板激光显示,打破了激光显示体积与性能之间的传统矛盾。 激光显示的独特优势源自激光光源的固有特性。
激光光线具备高度方向性、极窄的光谱宽度以及偏振一致性,这使得显示图像能够达到极高的色彩饱和度和亮度。同时,激光对比于传统LED光源在色彩再现范围上更具优势,能够覆盖更广泛的色域,实现更富生动感和真实感的视觉体验。此外,激光的偏振特性帮助减少光学系统中的损耗,提高整体显示的能效。 然而,传统激光显示多采用投影仪形式,体系庞大且内部包含多个分光、扩束和整形光学元件,再加上激光束需在自由空间传输并扩展至大面积显示面板,导致设备结构复杂且难以紧凑化。平板激光显示技术的瓶颈主要在于如何有效地控制激光光线在较小空间内实现均匀、高效、准确的照明,同时保持激光光的优良特性未被牺牲。 借助大规模光子集成电路技术,研究团队打造了包含数千个精密光学组件的光子芯片,实现激光光的导引与控制高度集成化。
通过在单一芯片内部实现激光光源的分裂、颜色重组和定向发射等功能,芯片代替了传统投影仪中庞大的自由空间光学模块,从根本上缩小了显示器体积。该设计采用了集成波导技术和精密微结构光栅,将三基色红、绿、蓝激光引入芯片内部分路,各色激光通过光栅以特定角度和形态发射,形成均匀且高对比度的照明环境。 这种光子集成照明单元能够与液晶硅基反射显示面板(LCoS)完美结合。LCoS技术通过调制反射光的偏振态控制画面显示,与集成光子芯片提供的高质量激光照明相辅相成。整个显示堆栈由激光源、光子集成照明器以及LCoS面板构成,实现无RGB子像素的高分辨率全彩色彩顺序显示。系统通过脉冲调制方式轮流点亮各个激光波段,实现色彩合成,提高显示效率及亮度。
为解决激光光强沿波导传输时均匀性的问题,工程师们采用了双向光线分配策略,即通过空间交织设计的波导网络从芯片两端同时供光,实现亮度在整个发光区域的平滑分布。此外,研发团队在芯片中使用三层结构,包括氮化硅(SiN)波导核心、二氧化硅(SiO2)间隔层以及氧化铝(AlOx)微光栅层,通过精确调控各层厚度优化不同波长激光的模式匹配和耦合效率,从而达到满足亮度均匀性、色彩一致性和光提取效率的多重目标。 性能测试表明,该平板激光显示器在保持机身厚度仅为两毫米的同时,成功实现了高达211%的标准色域覆盖,远超过传统LED显示器。显示亮度和对比度显著提升,得益于激光源的高方向性和光子集成电路的高效光子管理。通过与AR光学导光结构结合,显示器能够在增强现实眼镜设备中实现小型化、高亮度及色彩丰富的显示效果,带来沉浸式的混合现实体验。 虽然技术优势明显,但平板激光显示仍面临诸多挑战。
激光固有的干涉光斑效应(俗称"激光散斑")在图像中造成颗粒状视觉纹理,降低显示质量。针对这一问题,研究中提出多波长及偏振多样性、动态扩散器以及微透镜阵列等多种抑制方案,可有效缓解散斑现象。 此外,激光光源与光子集成电路的高度集成化包装仍是产业化进程中的重点难点。虽然近红外激光在硅基光子学领域已较为成熟,但可见光波段的激光二极管集成仍处于初期阶段。通过高精度的翻晶封装工艺及异质集成技术有望加速实现大规模量产。未来,结合光子芯片上的活动调制元件,单个芯片将能够实现对照明区域的动态分区控制,提升功耗效率并进一步提高图像对比度。
对于增强现实及虚拟现实设备,体积小巧且高效节能的显示核心极为关键。大规模光子集成电路驱动的平板激光显示不仅满足了轻薄紧凑的设计要求,更具备卓越的视觉表现,极大推动了沉浸式显示设备的实际应用前景。同时,该技术还为未来3D全息显示、光场显示等前沿视觉技术提供了坚实的光学基础。通过实现对激光光场的精细塑形和主动调控,平板激光显示将突破传统光源的限制,开创全新显示体验。 总结来看,大规模光子集成电路的加入彻底革新了激光显示的硬件形态,实现从笨重投影仪向轻薄平板显示的跃迁。通过精准的光路设计和波导技术创新,激光光源的优势得以最大化发挥,显示器获得超高色彩表现和亮度表现。
尽管目前在散斑抑制、光源集成和动态调节方面尚有改进空间,但凭借标准CMOS工艺的兼容性和制造工艺的成熟,该技术具备广阔的市场潜力。未来随着光子集成技术的不断深入和制造成本的进一步降低,基于大规模光子集成电路的平板激光显示有望成为智能便携设备、增强现实终端乃至家庭娱乐系统的主流显示解决方案,开启视觉显示技术的新纪元。 。
