随着显示技术的不断进步,人们对画面质量和设备便携性的需求日益提升。传统LED显示虽然得到广泛应用,但在亮度、色彩表现和厚度方面存在一定的局限,难以满足包括增强现实(AR)在内的高性能视觉应用。而凭借其高亮度、高色彩纯度和独特的偏振特性,激光显示技术被视为下一代显示革命的重要方向。近年来,一项核心技术 - - 大规模光子集成电路(PIC)的兴起,为平板激光显示打开了全新空间,极大地推动了激光显示由传统体积庞大的投影系统向超薄、紧凑的平板结构转变。 传统激光投影系统通常依赖多组复杂的光学元件,如准直透镜、色光合成器、偏振分束器和多层光学滤波器,来实现激光光束的扩展、形状调整和色彩混合。这不仅导致设备体积庞大,也增加了制造复杂度和成本,难以广泛应用于便携式显示器和AR眼镜等领域。
然而,借助大规模可见光子集成电路技术,研究者创新性地将千上万个光学组件集成于单芯片之上,实现了对激光光源的精细控制和高效光学整形。 大规模光子集成电路基于硅基或氮化硅等低损耗材料,利用兼容标准CMOS工艺生产,可实现波导、光栅耦合器、色光分离器等功能模块在微米级尺度上的精确布局。相比传统"扩散加滤波"式的LED背光方案,PIC借助"导引加选择"机制,通过波导内的级联分路器和特定设计的光栅耦合结构,实现光束的均匀发射并精准控制出射角、偏振和色散。这种方式不仅保持了激光光的高方向性和高偏振度,有效避免了在扩散过程中的能量损失,还使得色彩输出更为纯正和宽广。 在设计层面,为了兼顾亮度均匀度、偏振消光比、光学透明度和光效等多项性能指标,工程师们针对不同颜色的红、绿、蓝波段,采用多层薄膜结构:由硅氮化物波导层、二氧化硅间隔层以及铝氧化物光栅层构成的三层堆叠设计。该堆叠不仅能够独立调控不同波长光的模场分布,使得每种颜色的光栅耦合效率相匹配,确保颜色均匀性达到专业显示标准,同时抑制杂散光,减少串扰及鬼影现象。
创新性的空间交错光路设计则通过从芯片两端对称输入光源,调节光强衰减,实现整体输出亮度的高度均匀分布,避免边缘过亮或中心偏暗的问题。 可见光子集成芯片与传统液晶硅(LCoS)显示面板组合,实现了一种非发光型的显示架构。激光源输入光经PIC处理后,均匀地照射至LCoS 表面,通过液晶层调制光线的偏振状态并反射形成图像,最终通过外层偏振片转换为人眼可见的亮度信息。该模式避免了将高密度激光二极管直接集成在超小像素格栅上的技术难关,同时借助PIC的精准光束控制,实现了厚度仅2毫米的超薄激光平板显示器。 性能测试表明,PIC激光平板显示在色域覆盖上远超现有LED背光显示系统,色彩表现达211%的sRGB标准色域,接近或超越Adobe RGB标准。此外,芯片的高偏振消光比(模拟达到10,000:1,实测超过250:1)极大提升了显示对比度,令图像更为鲜明生动。
更重要的是,得益于CMOS兼容工艺和可大规模生产的制造路线,此类PIC平板激光显示具备极佳的产业化潜力,能够突破传统激光显示的成本和体积瓶颈。 扩展应用方面,大规模PIC平板激光显示器极其适合用于增强现实眼镜等空间受限且对功耗和轻薄化有极高要求的设备。通过结合专门设计的光学系统和高效耦合器,光引擎的总体积预计可缩减至1立方厘米以下,为轻便、舒适的AR终端提供显示方案。此外,PIC显示架构还具备进行区域性动态照明控制的潜力,可通过集成开关或调制元件实现屏幕局部分区点亮,从而降低能耗并提升图像对比度,类似于传统LCD中的局部调光技术。 虽然PIC激光显控技术进步显著,但仍面临诸多挑战。其中激光散斑效应影响成像质量较为明显,目前测试设备未集成主动散斑抑制手段,预计未来可通过多波长、多偏振和动态扩散元件等方法有效降低视觉不适感。
此外,高效紧凑的RGB激光源与PIC芯片之间的集成封装技术尚需优化,当前实验多依赖外置光纤耦合,一旦实现成熟的芯片级直接耦合和异质集成,将进一步推动整体系统性能和体积的提升。 展望未来,伴随半导体激光器、多通道波导调制器和纳米制造工艺的不断进步,基于大规模光子集成技术的平板激光显示有望深入到虚拟现实、全息显示及高分辨率光场显示等更为复杂的视觉场景。特别是在全息光波导和平面光学器件的结合下,PIC能够为光场信息的生成和光学传输提供精细定制的光源照明平台,推动沉浸式视觉体验的新高度。 总结来看,大规模光子集成电路不仅为激光显示提供了从根本上革新的光源处理方案,更实现了激光光学系统的超薄化、轻量化和高性能化。其在AR设备、超高清屏幕及全息显示领域的潜力不可限量。未来随着技术成熟和规模化制造的实现,激光平板显示有望成为大众化消费电子及专业显示市场的新宠,开创显示技术的又一辉煌时代。
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