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激光显示技术生长的现状和趋势:博亚体育app下载
作者:博亚体育app下载 来源:博亚体育app下载 点击: 发布日期: 2022-08-23 22:24
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本文摘要:一、前言信息技术是有关信息的收罗、储存、处置惩罚、传输、显示等各信息链关键技术的总称,是我国战略性新兴工业。显示作为信息技术的重要组成和信息链的终端人机界面,应用领域已广泛工业、交通、通信、教育、航空航天、卫星遥感、娱乐、医疗等日常生活各方面,是信息工业的一个重要支柱。随着第五代移动通信技术(5G)、大数据、人工智能等未来信息技术的生长和融合,显示将向泛在、融合、智能和绿色偏向生长,需求增长空间庞大。

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一、前言信息技术是有关信息的收罗、储存、处置惩罚、传输、显示等各信息链关键技术的总称,是我国战略性新兴工业。显示作为信息技术的重要组成和信息链的终端人机界面,应用领域已广泛工业、交通、通信、教育、航空航天、卫星遥感、娱乐、医疗等日常生活各方面,是信息工业的一个重要支柱。随着第五代移动通信技术(5G)、大数据、人工智能等未来信息技术的生长和融合,显示将向泛在、融合、智能和绿色偏向生长,需求增长空间庞大。

激光显示是以红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色(或多基色)激光为光源的新型显示技术和产物,通过控制三基色激光强度比、总强度和强度空间漫衍即可实现彩色图像显示 [1],如图 1 所示。由于激光具有偏向性好、单色性好和亮度高等三个基本特性,用于显示可实现“打击人眼极限”的大色域、双高清(几何、颜色)的高保真视频图像再现,被国际业界视为“人类视觉史上的革命”,是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的新型显示技术(见图 2),《〈中国制造 2025〉重点领域技术门路图(2015 年版)》已将其列入生长重点,是显示工业转型升级的重要战略偏向 [2]。

图 1 红、绿、蓝三基色激光合成白光实验 图 2 显示技术生长门路图二、激光显示技术的特点研究讲明,人类获取的信息中有 70%~80% 来自于视觉,显示作为人机界面终端,最终是要满足人眼寓目、鉴赏等需求和实现这些功效。激光显示作为新一代显示技术,在继续了数字显示技术所有优点的基础上,还具有以下本征优势,可真正实现高保真图像再现。

(一)几何 / 颜色双高清几何高清即线分辨率。人眼生物学和视光学原理讲明,人眼极限分辨力约为 1′,人眼清晰视场为横向 35°、纵向 20°,余光视场横向 120°、纵向60°[1],因此人眼可视察到超高分辨率图像以及富厚和精致的色彩。激光的偏向性好,其发散角小,易实现 4 K、8 K 甚至更高的(全屏)显示分辨率。

颜色高清即颜色数。激光显示最突出的特点就是激光光谱很窄,称之为线状光谱,谱宽小于5 nm,而其他显示光源基本为带状光谱,谱宽约为30~40 nm,如图 3 所示。由于谱宽太宽,三基色光谱在颜色混淆时许多精致的颜色重叠人眼已经分辨不出,无法在终端很好地展现出来。而接纳小于5 nm 光谱宽度的三基色激光作为光源时,颜色的色纯度很高,可以完全实现 12 bit 颜色数编码不重叠,实现传统显示的 500 倍以上的大颜色数显示,更能反映自然界的真实色彩 [3~6]。

图 3 传统显示的波长与激光显示的波长对比(二)大色域现有的彩色显示设备,其红、绿、蓝三基色光源为带谱,在色度图中,其色域只笼罩了人眼所能识别颜色的一小部门,因而不能再现饱和度很高的颜色。激光的单色性好,其光谱为线谱,可在色度图上形成超大色域,如图 4 所示,颜色越发鲜艳,颜色体现能力是传统显示器的 2~3 倍,拥有无与伦比的颜色再现能力。图 4 差别显示技术在色度图中实现的色域(三)高鉴赏舒适度激光显示接纳反射式成像,与自然万物反射光成像进入人眼原理相同,光线经屏幕反射至人眼,光线柔和不耀眼;同时激光显示事情原理决议了其像素与发光面积相同,且像素与像素之间无边缘效应,过渡平缓,因此寓目舒适度高。

中国电子技术尺度化研究院赛西实验室与北京协和医院举行寓目舒适度测试,效果显示激光显示是良好舒适性的显示产物 [7]。综上所述,在技术上激光显示具有许多优点:光源谱宽窄(~5 nm),可以实现 12 bit 颜色灰阶编码不重叠;激光波长可控,依据 1952 年美国国家电视尺度委员会制定的彩色电视广播尺度(简称“NTSC 尺度”),可组成 150% NTSC 以上超大色域;激光明度高,且可准确控制在人眼最佳视觉感知区(8 K 几何高清);激光色温准确可调,极易实现超大屏幕(百平米级)无缝拼接显示;与全息技术联合,可再现物光波长(颜色)、振幅(强度)和相位(立体)的全部信息,实现真三维显示。激光显示是现在唯一能够实现 BT.2020 超高清国际显示尺度的显示技术 [8],可满足人类追求优美视觉效果的极致需求。

同时,激光显示还兼具轻薄、低成本、绿色制造等特点:功耗比同尺寸液晶电视节能 50%,寿命可达 2×104 h 以上,节能环保;产物体积小、重量轻、价钱低,100 in 激光电视质量约为 20 kg(同尺寸液晶电视质量约为 150 kg),容易投放于电梯和进入寻常黎民家;激光显示接纳反射式成像,寓目舒适度好;激光显示属于绿色制造工业,不需要大型投资规模,相比于传统平板显示在高世代面板的庞大投资(显示面板领域累计投入凌驾 1.2 万亿元),激光显示制程工艺简朴,切合新型显示柔性、便携、低成本、高色域、高光效的生长趋势。因此,激光显示可兼顾鉴赏 / 娱乐和信息两大市场,将是下一代电视机、影戏机、超大屏幕显示产物的主流。激光显示作为新型显示技术的代表,与我国《〈中国制造 2025〉 重点领域技术门路图(2015 年版)》和《超高清视频工业生长行动计划(2019—2022 年)》等国家重大战略高度契合,已经成为我国影响国计民生以及后续生长的优势工业,是维护国家工业宁静、体现国家信息技术智能化水平、促进工业转型升级的重要战略工业。

三、海内外激光显示技术现状(一)外洋激光显示生长情况外洋激光显示强国,如日本、韩国、美国早在 20 世纪 90 年月就开始结构激光显示关键技术研究,先后通过美国能源部计划、日本科技基本计划等国家项目予以引导,支持相关企业开展攻关。其中日今日亚、三菱团体等公司已投入约 32 亿美元研发三基色半导体激光器(LD),其中磷化铟(InP)红光 LD 单管功率可达 750 mW,氮化镓(GaN)蓝、绿光 LD 划分实现凌驾 4 W 和 1 W 的单管输出功率,寿命凌驾 2×104 h,技术经济指标国际领先;美国德州仪器(TI)、日本索尼团体基本垄断2 K/4 K 分辨率的反射式数字微镜(DMD)、反射式硅基液晶(LCOS)激光显示超高清图像处置惩罚芯片;日本理光团体、DNP 印刷株式会社等企业在超高清镜头以及超大尺寸菲涅尔光学膜片等技术领域处于世界领先。

在整机关键技术方面,日本由政府组织企业和研究机构配合鼎力大举研发激光显示技术,索尼团体、松下电器工业株式会社、三菱团体、精工爱普生等公司支持,制定了“xvYCC”大色域显示尺度,并在全球规模举行工业链整合,维护日本下一代显示技术的竞争优势。三菱电机乐成研制激光背投电视、65 in 激光电视、3D 激光电视;精工爱普生公司推出了基于 3LCD 的激光前投影样机。在西欧,多家公司凭据应用场景努力开发激光显示整机,德国耶拿光学团体公司开发了应用于天文馆等特殊市场的激光显示产物;美国 Evans & Sutherland 公司使用大屏幕激光显示系统开发航行员仿真视景平台,用于战斗机航行员训练;Barco 公司推出了 4 K 分辨率 60 000 lm 的激光投影机,2019 年展示了基于 RGB 激光光源、矩形阵列像素数字微镜器件(TRP DMD)、4 K 分辨率、98.5% REC2020 色域的激光影戏放映机等;2014 年科视数字投影系统公司(Christie)展示了使用六原色(6P)的 4 K 分辨率3D 激光放映系统,2019 年在 BIRTV 展示了 4 K 分辨率、120 Hz 的高帧率的 RGB 影戏放映机。

(二)海内激光显示生长现状海内激光显示生长与外洋基本同步,已经从已往的跟跑生长到总体并跑、工业规模领跑的阶段。中国科学院研究团队一直是海内从事激光显示领域的领军团队,在海内最早开展激光显示技术研发。20 世纪 70 年月中国科学院物理研究所等单元实现了基于气体激光光源的扫描式激光显示样机开发。在国家高技术研究生长计划(863 计划)和中国科学院创新工程计划支持下,中国科学院许祖彦在 2003 年研制乐成海内首台激光投影显示原理样机;2005 年推出 65 in、84 in、140 in、200 in 激光电视样机(见图 5);2006 年 1 月通过了工业和信息化部和中国科学院团结判定,判定认为总体水平世界先进,色域笼罩率等关键技术国际领先,并拥有多项焦点技术发现专利为代表的知识产权,与国际同期完成了激光显示研究阶段,加速推动了激光显示从样机走向实用化的历程;同年,许祖彦提出了以红、绿、蓝三基色半导体激光(LD)为焦点的工业生长门路图,并在 2015 年率团队研制乐成国际首台 100 in 三基色 LD 电视样机,证明晰激光显示技术实现工业化的可行性,随后建成三基色激光显示生产示范线,开端买通了激光显示质料、器件、整机到工业示范的创新链。

图 5 2005 年海内首台激光全色投影显示样机近年来,海内激光显示技术和工业生长迅速,从“十五”“十一五”“十二五”的 863 计划、科技支撑计划,到“十三五”的重点研发计划,激光显示关键质料、器件与应用技术逐步取得突破,尤其是在激光显示工业焦点——三基色 LD 以及整机设计制造方面希望显着,现在海内红光 LD 单管功率可达 2 W(寿命凌驾 1×104 h),蓝光 LD 单管最大输出功率为 2.8 W(寿命已凌驾 5000 h),绿光 LD 最大输出功率到达 500 mW;整机方面,我国在高功率激光模块、散斑抑制和集成制造关键技术方面已经形成多项焦点专利技术,总体已达国际领先水平。国家出台一系列相关政策及项目支持,极大地推动了主干企业在激光显示的投入和工业的快速生长,海内包罗海信视像科技股份有限公司、四川长虹电器股份有限公司、杭州中科极光科技有限公司、深圳光峰科技股份有限公司、TCL 科技团体股份有限公司等数十祖传统家电企业和互联网企业,围绕激光显示全链条开展工业结构,2019 年海内激光显示产值已经凌驾 125 亿元,近几年年复合增长率靠近 100%,工业规模达国际领先水平。

四、激光显示的生长趋势分析和挑战激光显示技术要走向工业应用,亟待解决红绿蓝三基色光源、超高清视频图像技术、配套关键质料与器件、总体设计与集成这四大关键技术(见图 6),同时系统结构激光显示专利池和国际尺度,有望打造具有自主知识产权的激光显示工业生态体系,抓住显示工业转型升级重大机缘,实现我国显示工业从大国到强国的跨越式生长。图 6 激光显示四大关键技术(一)三基色激光光源纵观激光显示几十年来的生长历程,实际上驱动着激光显示工业不停生长的焦点推动力就是激光光源,也是激光显示实现高画质图像再现的焦点竞争力。

如图 7 所示,激光显示光源履历了从气体激光器(体积大、耗电大、寿命短、不易实用化)、全固态激光器(结构庞大、效率低、难以消散斑),现在已生长到三基色 LD 光源为代表的阶段。图 7 激光显示工业生长门路三基色 LD 光源,与其他相干 / 非相干光源相比,具有直接电引发、高效率、高偏振度、长寿命、高可靠、小型化、频域 / 空域 / 时域综合参数易于调控等优势,更重要的是,LD 具有可用半导体制造工艺实现大规模量产降低成本的独到优势,支撑激光显示实现高性价比,可进入寻常黎民家。LD 是激光显示工业化的最佳光源。

现在海内三基色 LD 质料器件已经取得了重大希望,红光 LD 单管功率可达 2 W(寿命凌驾 1×104 h),蓝光 LD 单管最大输出功率为 2.8 W(寿命已凌驾 5000 h),绿光 LD 最大输出功率到达 500 mW,已经靠近了实用化水平。(二)超高清视频图像技术显示已经进入超高分辨率时代,8 K 超高清电视技术全球竞争已经展开,工业和信息化部等多部门印发《超高清视频工业生长行动计划(2019—2022 年)》,预示着我国 2022 年要实现超高清视频生态体系建设。激光显示作为超高清显示技术的代表,亟待解决 4 K/8 K 超高分辨率显示芯片、超高清视频图像的获取 / 存储 / 处置惩罚 / 传输、人眼生物学特征和视觉心理特性等关键技术。

在超高清视频尺度方面我国希望较快,自主研究制定自主数字视音频编解码技术尺度。同时,新一代信息技术好比 5G、大数据、云盘算技术的普及,使激光显示视频图像信息的高速率、大带宽需求成为可能,支撑超高清电视信号进入寻常黎民家。(三)激光显示配套质料与器件超高分辨光学成像镜头、高增益光学屏幕、新型匀光整形质料、智能驱动 / 显示芯片等激光显示 配套关键质料与器件,是激光显示生态体系必不行少的一环。

我国已掌握了超短焦镜头设计和制造能力,开端实现了镜头、光机在内的 4 K 光学引擎的批量生产;在高性能菲涅尔光学屏幕方面,持有多项焦点设计 / 制造专利,实现了超大尺寸光学屏幕生产示范;在散斑抑制技术方面,海内已有许多专利技术基础,提出多手段消散斑技术和评价方法,加速了其实用化历程 [9~12]。另外,关键质料生长和加工设备如菲涅尔模具大型 CNC 加工设备等也亟需解决依赖入口的问题。(四)激光显示整机总体设计与集成在激光显示整机方面,需要重点开展超高清、大色域整机设计、关键器件集成、高良率量产工艺、可靠性测试以及相应的尺度等工业化应用技术研究,详细包罗光学设计、图像处置惩罚、整机鲁棒性和寿命检测 / 分析及优化对策研究 [13],以及规模量产工艺与设备研究,以整机应用需求为牵引,动员激光显示关键质料器件快速走向应用,从而建成完备的设计、质料生长、器件制备、整机集成到工业应用的全链条创新体系。

五、我国激光显示领域存在的主要问题(一)关键质料器件对外依存度高,工业自主生长存在宁静隐患我国激光显示工业已达世界领先,可是不应忽视的是,红绿蓝三基色激光器、超高清成像芯片等焦点质料器件尚未实现自主可控,存在“卡脖子”问题,工业生长存在重大隐患。(二)研究与工业应用衔接度低,未形成良好的评价体系引导焦点技术生长激光显示关键质料器件的研发和攻关与整机应用衔接度不高,围绕关键质料器件的综合性能测试和应用技术评价体系尚未完善,稳定性、寿命、装备等技术经济指标与外洋相比尚有很大差距,导致创新链上下游未完全领悟。

(三)工业集中度不高,工业生态体系尚不完善现在海内多家研究机构和企业从事激光显示技术研发和工业攻关,可是缺乏统一部署,研发气力相对单薄,资金投入疏散,许多企业追逐短平快项目而缺少久远计划,导致现在工业集中度不高,没有围绕理论、关键技术、创新应用等层面构建完善的技术、人才和知识产权的协同创新体系。六、政策建议( 一 ) 增强顶层设计,建设国家引导、资源整合工业生长新机制激光显示作为我国自主创新的新一代信息技术,具有工业规模大、经济动员性强、技术集成度高的特点,需要增强对激光显示技术及工业未来生长趋势研判,对工业生长举行计划和顶层设计,建设国家引导、投入稳定增加的研发新机制,各级政府能够在保持工业支持政策延续性的同时,加大对海内具有自主创新能力与焦点技术企业的政策支持力度,与企业自主创新形成协力,形成社会多元投入支持的质料、技术、器件到工业的良好局势。(二) 加大关键焦点技术研发力度,结构颠覆性技术,提高本事域自主创新能力激光显示具有超高清、大色域、高亮度、高鉴赏舒适度等优势,我国已经在激光电视、激光影院等领域实现了产物化应用,并逐渐形成高端显示产物门类,工业规模已达国际领先,但恒久遭受光源芯片、显示芯片等焦点技术被外洋垄断,成为工业生长的“卡脖子”问题。

为了继续保持在激光显示领域的技术和工业优势,应通过“政产学研”团结创新,注重应用驱动,加大三基色 LD 光源和超高清显示芯片的国产化研究,在短期内补足短板;结构全息真三维显示等激光显示前瞻性技术,从而在远期形成先发优势。(三)建设专利池、制定尺度与规范,为提高我国激光显示技术和产物焦点竞争力提供支撑知识产权是自主可控生长我国激光显示工业的导引和抓手,是规避商业壁垒、将产物推向全球的最有效措施。我国在激光显示知识产权方面有较好的积累和储蓄,现有专利凌驾 7000 项,主导和到场了多项国际尺度的制定,知识产权体系开端建设。

未来应重点围绕激光显示焦点质料器件开展全链条结构,突破焦点技术制约,建设完整的激光显示专利池、技术尺度和规范,加速推动我国激光显示技术及产物全球化,取得国际话语权。(四)建设激光显示创新平台,培育工业生态,构建工业体系,实现可连续生长围绕激光显示全工业链,打造建设激光显示创新平台,以关键质料为基础,以激光显示制造技术为焦点,上承质料 / 装备,下启整机 / 终端,增强体现激光显示技术优势的视频内容产物和高速信息处置惩罚技术研发,解决工业化共性关键技术,结构前瞻性技术,造就创新团队和人才,最终全面形成具有自主知识产权的笼罩激光显示上下游的激光显示工业生态体系,支撑工业聚集,实现我国显示工业由大到强的跨越式生长。


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