随着显示技术的不断演进,如何在维持高亮度和色彩表现的同时实现设备的小型化和高效能,一直是行业面临的重大挑战。传统的激光显示以其卓越的亮度和色彩优势,在影院投影等专业领域广受欢迎,但其体积庞大、色彩控制复杂的缺陷限制了更广泛的应用。近年来,借助大规模光子集成电路(Photonic Integrated Circuits,简称PIC)的技术革新,平板激光显示进入了一个全新的发展阶段,为显示设备带来了前所未有的超薄设计和卓越性能。大规模光子集成电路是将成千上万个微型光学元件集成在单一芯片上的技术,使得激光光源的控制和管理更加精确和高效。通过这种集成方式,传统激光光源所需的复杂自由空间光学系统被集成芯片所替代,极大地缩小了显示模组的体积,实现了平板化设计。其核心优势在于能够"引导并选择"光线,而非传统的"扩散与过滤",这就保证了激光的高方向性、极低损耗及纯净色彩得以延续。
主要的设计理念包括利用 PIC 中的波导和耦合器来分光和扩展激光光,采用微小的像素化衍射光栅实现光的定向发射,同时通过三层结构的制备工艺精确匹配红绿蓝三色激光的模式,实现色彩均匀且纯净的输出。采用硅氮化物(SiN)作为核心波导材料,配合氧化铝(AlOx)衍射层和二氧化硅(SiO2)间隔层,使得不同波长的激光光能在芯片上达到最佳的导光和发射性能。该技术的另一个关键点是极高的偏振选择性,保证了用于液晶硅(LCoS)等显示面板的偏振调制过程能够实现高对比度图像显示。PIC 技术还可通过设计使得显示面板不同区域发出的光线方向可调,进一步提升显示系统的成像质量和亮度分布均匀性。借助这些创新,研究团队开发出厚度仅为 2 毫米的平板激光显示器,结合了 LCoS 显示面板,实现超过传统显示机体积 80% 的减小以及211%的色域扩展,全面覆盖 sRGB 和 BT.709 标准。这不仅代表了显示器体积与性能的巨大飞跃,也为增强现实(AR)设备的轻薄和高性能显示引入了新的技术路径。
在实际应用方面,平板激光显示适用于非发光式显示架构,选择激光二极管作为光源,经过光子集成芯片均匀导引和扩散光线,再由 LCoS 对光线进行空间偏振调制,从而在偏振片后呈现出清晰的图像。色彩采用RGB顺序显示,实现高分辨率和彩色显示。由于集成化设计,可实现高达上万比一的偏振消光比,确保图像清晰且对比鲜明。平板激光显示亦以激光的窄谱特性,避免传统 LED 背光普遍存在的色彩叠加和过滤光损失,实现了比LED显示更广的色域和更饱和的色彩表现。更重要的是,PIC 能够大幅提升系统的光学效率,涵盖波导传输、波长复用、耦合等多个光学环节,利用芯片微细结构优化光路,减少损失,提高激光能量的利用率。作为增强现实应用的典范,平板激光显示搭配定制的光学透镜和波导系统,实现了50度对角视场以及微型化显示引擎设计,大幅降低系统尺寸与重量,满足佩戴舒适和长时间使用的需求。
虽然激光显示具有诸多优势,但仍面临诸如激光斑点噪声(Speckle)问题。PIC 平台的高度集成度伴随着发射光源间的干涉,可能在成像上产生颗粒状噪点。目前已有多种减小斑点噪声的方法被讨论,例如调制波长或偏振、多样化的动态扩散器、微透镜阵列等,这些均可结合 PIC 技术进一步改进。另一个发展挑战是激光器与 PIC 的高效集成与包装。通信领域的硅光子技术实现了激光器与芯片的紧密结合,但可见光波段下RGB激光的集成仍处于早期。边缘耦合、翻转芯片键合等技术路径为未来实现大规模量产提供了可能。
此外,针对显示内容的稀疏性,未来活跃式 PIC 调光技术或可实现局域亮度控制,类似"局域调光"提升整体功率效率和图像对比度,为节能和性能并重的显示方案铺路。展望未来,大规模光子集成电路将不仅推动增强现实、虚拟现实显示设备发展,在全息显示、光场显示、眼动追踪引导的视场优化等先进显示系统上也具备广阔的应用潜力。通过与空间光调制器(SLM)、全息平面透镜等组合,PIC 显示技术有望实现更紧凑的设备体积和更高的视觉沉浸感。综合来看,平板激光显示基于大规模光子集成电路的出现,标志着显示技术进入了一个融合纳米光电子学的新时代,不仅突破了体积与性能的传统制约,也为未来多样化视觉体验开启了新的大门。随着制程工艺的不断提升与新型激光源的集成优化,PIC 平板激光显示有望成为未来主流显示技术,为智能手机、AR 眼镜以及高清全息投影等应用带来革命性的视觉体验。 。
