平板显示技术经历了从传统的阴极射线管到现代液晶和有机发光二极管的发展历程,彻底改变了人们与视觉信息的交互方式。然而,激光显示作为新兴的显示技术,以其卓越的亮度和色彩表现优势,成为增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和其他沉浸式体验领域的理想选择。然而,现有的激光显示设备通常受限于体积庞大和结构复杂,难以实现大规模普及和便携应用。面对这一挑战,基于大规模光子集成电路(PIC)的平板激光显示架构应运而生,开创了超薄激光显示的新趋势。传统激光投影显示需要多级复杂的光学元件实现激光束的扩展、整形和混色,同时依赖大量的自由空间传播路径,难以满足轻薄化和小型化需求。相比之下,光子集成电路通过将成千上万种光学功能集成于单芯片上,能够精准控制光的空间、角度、光谱和偏振特性。
这样的"引导与选择"方法代替了传统LCD显示中"扩散与过滤"的光管理模式,有效保护了激光固有的高方向性和高色彩纯度优势。设计核心在于多层叠加的光子芯片结构,利用氮化硅(SiN)波导作为核心传输层,并通过硅氧化物(SiO2)作为间隔层,上覆氧化铝(AlOx)刻蚀形成的光栅柵极,实现对红绿蓝三色激光的精准发射和均匀照明。通过创新的波导电路布局,采用倒置Y型分光器从两端入光,有效解决了光强随传播距离衰减带来的均匀性问题,从而保证了色彩和亮度在显示区域内的稳定一致。激光光源的集成同样至关重要,现阶段采用RGB激光二极管依序脉冲驱动,与液晶硅基反射显示面板(LCoS)配合,实现无子像素的颜色序列调制,确保画面色彩纯净且响应快速。技术难点之一是平衡发射效率与显示对比度。高效率的光栅设计虽提升了亮度输出,但可能引发光强分布不均和偏振泄漏,影响显示的暗场效果和视觉质量。
通过精密的光子层厚度调控和极化选择性设计,设备实现了极高的偏振消光比,明显提升了对比度,满足AR应用对图像质量的苛刻要求。此外,芯片具备极高的透光性,以最大限度减少LCoS反射后的重入衍射干扰,避免图像重影。该技术不仅可适配多种平板显示面板,还能广泛应用于智能手机、AR眼镜、未来的全息显示和光场显示等领域。实验表明,基于光子集成电路的平板激光显示在尺寸上较传统设备缩减超过80%,色彩涵盖率超越sRGB与BT.709标准,实现了211%的色域增长,带来更为鲜艳和丰富的显示效果。揽括了高分辨率、宽视角、高刷新速度及极致色彩表现,显著提升观感舒适度和沉浸感。大规模光子集成电路的制备依托成熟的CMOS兼容制造工艺,支持量产并降低制造成本。
芯片层采用先进的刻蚀与薄膜沉积技术,保证波导低损耗与折射率精确控制。同时,激光与芯片的边缘耦合或倒装芯片封装技术为大众化集成奠定基础。尽管前景广阔,平板激光显示还面临一定挑战,例如激光散斑效应影响视觉连贯性、激光光源的功耗和散热管理问题、以及局部点亮的照明效率优化。当前采取的解决方案包括多波长及偏振多样化技术、动态散斑抑制器设计及分区调光等,未来随着集成调制器和智能驱动技术的引入,将进一步提升显示性能和能效。展望未来,基于PIC的激光显示或将推动下一代全息显示及三维视觉技术迅速发展,实现更高的亮度、色彩饱和度和视觉深度。此外,配合多层空间光调制器与新的光学设计,平板激光显示将解锁更丰富的显示形态及应用场景,如超薄投影屏幕、可穿戴式视觉设备及沉浸式互动平台。
大规模光子集成电路不仅带来了技术革命,更为激光显示产业注入创新动能。它使得高性能、轻便化和高色彩还原的新型显示设备成为可能,助力增强现实等新兴技术的普及和商业落地。随着相关制造技术的成熟,平板激光显示将在未来智能终端、医疗显示、工业监视乃至文化娱乐领域发挥不可替代的作用,推动视觉科技步入全新纪元。 。
