随着显示技术的不断发展,人们对于图像的清晰度、色彩表现、亮度以及设备体积的要求持续提升。传统的发光二极管(LED)显示屏虽然实现了从笨重的阴极射线管(CRT)到轻薄平板的转变,但随着增强现实(AR)、虚拟现实(VR)等新兴领域的兴起,显示技术迫切需要进行更深层次的创新以满足更高的性能需求。激光显示技术因其极高的亮度、色彩饱和度及方向性,成为实现未来显示革新的关键。然而,迄今为止,激光显示大多以投影仪的形式存在,体积庞大且光学系统复杂,限制了其在便携式设备和常规平板显示中的应用。如何在保证激光显示固有优势的同时,实现极致的体积缩减和集成化,是业内面临的一大挑战。近期,凭借大规模可见光光子集成电路(PIC)技术的突破,一种全新架构的平板激光显示问世,开创了激光显示技术平板化、集成化的新时代。
这项创新的显示架构以大型可见光PIC为核心,颠覆了传统激光显示对厚重自由空间照明组件的依赖。PIC通过将光学元件集成于芯片,能够准确控制红、绿、蓝三色激光的空间分布、角度、光谱特性及偏振态,有效提升显示均匀度对比度和整体光利用率。相比传统液晶显示器(LCD)采用的"漫散射+滤光"的被动照明方式,PIC采取"导引+选择"策略,使激光光源的优势得以充分发挥。该技术不仅抛弃了散射器和滤光层带来的能量损耗,还通过特殊设计的光栅发射器控制发光角度,实现了高效且均匀的光出射。 在实际应用中,该平板激光显示厚度仅为2毫米,可以实现更大于传统液晶硅基LCoS显示器80%以上的体积压缩,同时突破211%的色域,覆盖并超越sRGB及BT.709等传统色彩标准。此种极致的体积和色彩优势为AR设备带来全新的可能。
AR眼镜需要极其纤薄轻便的显示引擎,以确保佩戴舒适和高效能耗管理。基于PIC的激光显示系统能够无缝集成于AR器件中,为用户提供更亮、更色彩丰富且视角更宽阔的增强现实体验。 技术上,PIC采用三层结构设计,包括硅氮化物(SiN)波导芯层、二氧化硅(SiO2)间隔层及氧化铝(AlOx)光栅层。不同波长的红绿蓝激光在芯层形成各自模式,间隔层厚度的优化确保三色激光在光栅的耦合效率和均匀性间取得最佳平衡。这样精密的纳米光学设计使得光强衰减和色彩偏差大幅降低,提升了整体显示质量。同时单模波导和偏振选择性光栅确保了超高偏振消光比,使得显示系统的对比度和图像质量有显著保障。
值得一提的是,该芯片还具备极高的透明度,在反射式显示体系,如LCoS中,保证了反射光能高效通过,避免影像重影和成像质量下降。 在光学测试上,该技术表现出优秀的亮度均匀性和色彩一致性。光栅发射区域实现逾70%的亮度均匀度,色彩变异度远低于人眼可察觉阈值。此外,设备采用多级博衍射结构有效减少光学丢失,波导损耗低至亚分贝量级。在系统集成上,目前采用光纤耦合激光器输入方案,未来通过芯片级激光器直接耦合和翻转芯片封装,有望实现大规模生产的低成本和高稳定性。研发团队还针对激光显示固有的散斑效应提出多种抑制方案,包括波长和偏振多样性、动态散射器及微透镜阵列,对视觉舒适性做出积极改进。
具备平板形态的激光显示为多领域带来应用革新。除了AR和VR设备,该技术还促进了超薄全息显示的发展,结合空间光调制器和全息光学元件,实现三维虚拟影像的无缝再现。其光学场的可定制能力为未来光场显示和多视窗显示提供了基础,满足更加沉浸和交互的显示需求。同时,通过引入主动光子集成调制器,未来可以实现局部亮度控制和区域性照明,大幅提升显示功耗效率和动态对比度,类似于LCD中的局部调光功能,极大丰富显示表现力。 不可忽视的是,激光显示技术的商业化之路仍面临多重挑战。包括高集成度激光器与PIC的匹配度、散斑控制的有效性、制造一致性和成本效益、以及与现有显示器件的兼容性等。
当前研发集中于优化器件结构、精密光路设计及工艺稳定性,同时强化与产业链上下游的合作,推动芯片封装、光学设计及系统集成的协同发展。随着半导体工艺技术和光子制造水平的提升,借助硅基光子学成熟的生态,预期平板激光显示将在不久的未来实现量产并大规模应用。 总的来看,基于大规模光子集成电路的平板激光显示突破了传统激光显示体积大、结构复杂的瓶颈,实现了极致的平板化和集成化。通过对光的精确掌控,显著提升了光学效率和色彩表现,为高性能显示技术树立了新标杆。其在增强现实、虚拟现实以及未来全息显示领域的广泛应用潜力,不仅彰显光子集成技术对视觉产业的深远影响,也引导业界开启更加丰富多元的显示新时代。未来,随着技术的不断成熟和产业化进程推进,基于光子芯片的激光平板显示将有望成为主流显示解决方案,深刻影响消费电子乃至工业显示的格局,开启智能视觉时代的新篇章。
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