CN105225644B - 一种激光显示装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种高分辨率激光显示装置，其具有微腔激光阵列，微腔激光器阵列由多组RGB微腔激光器排列形成，每组RGB微腔激光器由三个微腔激光器构成，采用单个光源作为激发源，激发激光阵列得到RGB激光，并利用匹配的透射式液晶屏对RGB像素激光进行混色，实现整个像素的灰度控制，且RGB微腔出射光为激光，保留了激光显示广色域、高饱和度的优点，显示装置中显示像素没有经过投影放大，便于实现高清画质图像。另外，由于每个微腔激光器相互独立，出射光之间不会产生相干叠加，因此不再需要复杂的消激光散斑装置。
Description
技术领域
本发明涉及激光显示领域，尤其涉及一种红绿蓝微腔激光器阵列和基于该激光器阵列实现的高分辨率激光显示装置。
背景技术
激光显示技术，是指以激光作为光源来实现信息显示功能的技术。由于激光本身具有单色性好、方向性好和亮度高等优点，适于用作显示光源。与现有的其他显示技术相比，激光显示技术具有色域空间大、图像品质高、节能环保、易于与3D技术结合等优点。激光技术也因此被誉为继CRT(阴极射线管)第一代显示技术、液晶和等离子体二代显示技术、OLED(有机发光二极管)第三代显示技术之后的第四代显示技术，被称为“人类视觉史上的革命”，具有划时代的意义。
自从上世纪60年代激光显示概念被提出以来，国际上发展了扫描成像、激光投影以及激光荧光体这三种激光显示技术。其中扫描成像方式利用了激光方向性好的优点，采用红、绿、蓝三个激光器为光源，利用转镜、声光或电光等技术实现行扫描，转镜技术实现帧扫描、声光或者电光技术进行信号调制，具有可投射非平面屏幕、大屏幕和光能利用率高的特点。激光投影显示技术，以红绿蓝为光源，利用液晶显示器、硅基液晶、数字微反射镜等投影引擎进行信息图像显示，由于实现方式简单、安全性高，在目前市场应用最为成功。激光荧光体显示，其集成一束蓝色激光头为光源，通过激光轰击涂在屏幕内部的红、绿、蓝荧光粉像素成像，有着光视角、高亮度、低功耗的优点。
虽然现有利用上述技术已经开发出了成品，但应用仍然受限，主要是因为现阶段技术存在一些不能克服的缺陷。扫描成像技术中，激光束需要一行行从上至下完成整副图像的扫描，激光束偏转主要靠激光在高速旋转的多面棱镜轮上不停变化的反射角度。如高清画面1080行，刷新率50次/秒，每秒就需要扫描5.4万次，相应棱镜轮的转速需要达到40.5万转/分钟，如此高的转速带来的噪声、润滑、成本和寿命都难以满足投放市场应用条件。中国专利CN 1125881A提出了一种结合振镜扫描器和声光调制器的激光显示系统，可以大为提高扫描速度，但是操作难度大，成本高。
激光投影显示利用红、绿、蓝三个二极管泵浦(DPL)的全固态激光器，经过扩束、匀场、消相干器后得到匀强平行光，分别照射红、绿、蓝透射光阀。光阀受调制信号控制以得到单色的图像，再由X棱镜进行混色，最后通过投影透镜，在屏幕上投影出放大的彩色图像。采用的光阀可以是LCD(透射式液晶)，也可以是LCOS(反射式液晶)，还可以是GLV(栅状光阀)或者DMD(数字微镜)。最小像素尺寸＝光阀像素尺寸×投影倍数，因此该技术无法投射4K分辨率的影片，最高只能达到1080P的画质水准。另外整个系统需要RGB三色激光器和复杂的消散斑装置，这无疑增加了器件的复杂性和成本，对于实现器件小型化及大规模实用化造成了很大的困难。中国专利CN 1900805A公布了一种利用单个红光激光器获得红绿蓝彩色激光显示光源的方法，该专利利用两个变频晶体和三个光强调节扫描控制器达到该目的，成本高、控制难度大。中国专利CN 104166300 A提出了利用温度控制调节RGB三色半导体激光器出射波长，从而可调实现尽可能大的色度三角形面积，但是并没有解决投影激光显示所存在的价格大、体积大的问题。中国专利CN 103412406 A提出了一种用于激光显示的面阵光源，包括红光垂直腔面发射半导体激光器面阵和微透镜阵列，可以缩短照明光路长度，提高光能利用率，弱化激光散斑，但是无法用于彩色激光显示。
激光荧光体显示技术，仅需要单束的蓝光激光进行激发，但是由于荧光体激发后发出的RGB光并不是激光，光谱不纯，其已经失去了原本激光显示色域光、色饱和度高的优点，从本质上而言该技术无法归纳到激光显示领域，而且其仍然采用了扫描工作方式，具体实现过程复杂。
因此，业界亟需一种成本低、体积小，器件结构简化、显示性能佳的仅需单个激发源就可以实现的高清激光图像显示技术。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种高分辨率激光显示装置，其具有微腔激光阵列，微腔激光器阵列由多组RGB微腔激光器排列形成，每组RGB微腔激光器由三个微腔激光器构成，采用单个光源作为激发源，激发激光阵列得到RGB激光，并利用匹配的透射式液晶屏对RGB像素激光进行混色，实现整个像素的灰度控制，且RGB微腔出射光为激光，保留了激光显示广色域、高饱和度的优点，显示装置中显示像素没有经过投影放大，便于实现高清画质图像。另外，由于每个微腔激光器相互独立，出射光之间不会产生相干叠加，因此不再需要复杂的消激光散斑装置。
根据本发明的目的提出的一种激光显示装置，包括液晶面板像素阵列、微腔激光器阵列以及一个激发光源，所述微腔激光器阵列由多组RGB微腔激光器排列形成，所述每组RGB微腔激光器由三个微腔激光器构成，所述微腔激光器阵列依次包括亚波长光栅、增益薄膜层及封装层，所述液晶面板像素阵列由多组像素RGB组成，所述微腔激光器阵列与所述液晶面板像素阵列对应贴合，所述激发光源均匀照射微腔激光器阵列，不同的微腔激光器结构在激发下输出相应波长的RGB激光。
优选的，所述增益薄膜层选用有机半导体材料、无机半导体材料、量子点材料、掺有染料的聚合物材料中的一种或多种。
优选的，有源矩阵控制的液晶面板对每个像素中的RGB激光进行灰度混色，RGB微腔激光器的排布、尺寸与所述液晶面板像素一致。
优选的，所述增益薄膜层的厚度设置在80nm到1μm之间，相应的亚波长光栅的深度设计为所述增益薄膜层厚度的四分之一到二分之一之间。
优选的，所述微腔激光器的谐振腔选用二级分布反馈腔、分布式布拉格反射腔或法布里珀罗腔。
优选的，所述微腔激光器阵列和像素阵列之间设有黑矩阵。
优选的，所述激发光源为脉冲激光器或紫外半导体二极管。
本发明还提出了一种激光显示装置的制作方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上涂布光刻胶，用光刻系统制作分别对应RGB输出激光的三种周期亚波长光栅阵列，进行亚波长光栅的光刻、显影；
S2、将完成光刻的图案表面浸银，置于电解槽中，形成具有和光刻胶上相反图案的金属模板，将所述模板包覆在金属辊筒上，通过卷对卷或卷对平UV纳米压印技术，将亚波长光栅阵列压印到紫外固化胶上；
S3、通过喷墨打印、纳米转印或基于精密镂空掩膜版的丝网印刷技术，将增益薄膜层涂覆到亚波长光栅上；
S4、通过封装层对器件进行封装，所述封装层的折射率和厚度根据波导结构进行优化；
S5、将RGB微腔激光器的排布、尺寸设置与液晶面板像素一致，微腔激光器阵列与液晶面板像素阵列对应贴合，激发光源均匀照射在整个微腔激光器阵列上，不同的微腔激光器结构在激发下出射相应波长的激光。
优选的，所述步骤S1中的光刻系统采用点阵干涉光刻系统或电子束光刻系统。
优选的，在可见波段内任意选择RGB激光的波长，R激光波长在610nm-650nm之间，G激光波长在510nm-540nm之间，B激光波长在420nm-460nm之间，组成任意所需的色度三角。
与现有技术相比，本发明具有如下的技术优势：
(1)仅需要单个短波激光器或者发光二极管，RGB激光通过单个泵浦源激发微腔激光器阵列即可获得，而现有的激光显示技术，一般需要三个半导体泵浦源共同工作。因此本发明的现实装置便于简化激光显示器件结构，降低整个系统的成本及体积，并提高其轻便性。
(2)工作形式简单、便利，仅需要将单束激发光扩束，均匀打在微腔激光器阵列上，不涉及激光点扫描及复杂的光束偏转控制。
(3)RGB微腔的出射光为激光，保留了激光显示广色域、高饱和度的优点，且RGB微腔激光器和高清液晶屏像素直接对应上，不存在放大过程，最终分辨率即为使用光阀的分辨率，通过结合高清液晶屏，便于实现高清激光显示。
(4)RGB背光光源为微腔激光器阵列，每个微腔激光器实质上是相互独立的，发射的激光不会产生相干叠加，因此不再需要传统激光显示中复杂的消散斑装置。
(5)增益薄膜层折射率较高，可以起到波导导芯的作用，由此光在行进的时候不会从上下基板泄露出去，震荡光分别在导芯中行进，在增益薄膜层得到放大。
(6)单个微腔激光器的能量转化效率在10％左右，液晶面板中无需放置滤色片及前偏振片，系统整体能量利用率可以接受。背光除了采用激光器外，也可以用廉价的紫外半导体二极管。
(7)在可见波长中，可任意选择组成色度图的RGB激光波长，这给色度三角的选择带来了极大灵活性，且单一微腔激光器出射激光波长的半宽小于1nm，混色后可以得到广色域、高饱和度的图像。
(8)可利用柔性卷对平或卷对卷技术制作微腔激光器阵列，金属模板可选用镍模板，其可具有数万次的转印次数，适合大规模生产。另外，用溶液制备法，例如喷墨打印或纳米转印或基于镂空掩膜版的丝网印刷等柔性印刷技术，将增益材料涂覆到相应微腔上，成本低廉。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中单个DFB微腔激光器结构图
图2是本发明中RGB三个微腔激光器结构图
图3是本发明中基于微腔激光器阵列的激光显示装置结构图
具体实施方式
正如背景技术中所述，现有的激光显示装置，需要三个激光器为光源，还需要复杂的消散斑装置，且无法实现高清激光显示，复杂性高、成本高、装置体积大。因此，本发明提出一种激光显示装置，具有微腔激光器阵列，其采用单个光源作为激发源，激发微腔激光器阵列得到RGB激光，并利用匹配的透射式液晶屏对RGB像素激光进行混色，实现整个像素的灰度控制，且RGB微腔出射光为激光，保留了激光显示广色域、高饱和度的优点。同时，显示装置中显示像素不经过投影放大，便于实现高清画质图像。另外，由于每个微腔激光器相互独立，出射光之间不会产生相干叠加。
下面，将对本发明的具体技术方案做详细介绍。
请参见图1，是本发明中单个DFB微腔激光器结构图，单个DFB微腔激光器由亚波长光栅102、增益薄膜层103以及封装层104组成，另外应设有激发光源101，即泵浦源，用以激发出射相应波长的激光，本发明利用单个激发光源101即可获得RGB激光。亚波长光栅102提供滤波及反馈作用，增益薄膜层103在激发光源101作用下，大部分发光分子会被抽运到寿命较长的亚稳态，当符合反馈条件的反馈光105在增益薄膜层103中行进时，会通过受激辐射过程进行放大，发光分子回到基态。若反馈光105得到的增益大于行进时的损耗(吸收、散射等)时，激光就可以出射。其中增益薄膜层103折射率较高，可以起到波导导芯的作用，由此光在行进的时候不会从上下基板泄露出去。封装层104起到隔绝水蒸汽、氧气以及一些对增益薄膜层103发光有影响的物质，由此可以提高器件的工作寿命。
本发明中采用二级分布反馈腔作为微腔激光的谐振腔，其具有面垂直发射的特点，该腔有以下特点：(1)反馈光105通过1级耦合过程和亚波长光栅102进行作用，得到垂直发射的输出激光106，该耦合过程和泵浦源入射角度无关，因此不需要对泵浦源的角度进行调控。(2)输出波长λ满足条件：λ＝neff∧，其中有效折射率neff与各膜层厚度及折射率有关，可以设计为定值，因此通过调控亚波长光栅102的周期可以得到需要的激光波长输出，该选频过程也和泵浦源入射角度无关，因此也不需要对泵浦源的角度进行调控。另外，为了控制发散角，最好采用二维DFB微腔。而微腔的选择不限于DFB腔，也可以采用DBR腔(分布式布拉格反射腔)或者FP腔(法布里珀罗腔)等具有垂直面发射特点的、可以实现面发射的谐振腔，用来制作本发明中的微腔激光阵列。
图2为本发明中RGB三个微腔激光器结构图。其中激发光201a、201b以及201c从同一激发光源输出。R像素中，亚波长光栅202a的周期在390nm到430nm之间，对应输出激光206a的波长在610nm到650nm之间；G像素中，亚波长光栅202b的周期在320nm到340nm之间，对应输出激光206b的波长在510nm到540nm之间；B像素中，亚波长光栅202c的周期在270nm到300nm之间，对应输出激光206c的波长在420nm到460nm之间，具体选择取决于光刻设备条件以及所需图像色品图，亚波长光栅202a、202b及202c的最佳占空比为0.25，光栅的均匀性和质量对激光显示装置的性能也会有影响。
图2中增益薄膜层203a、203b以及203c所选用的材料分别对应在选取的RGB波长位置有很强增益的材料。增益薄膜层203a、203b以及203c可以选用有机半导体材料、无机半导体材料、量子点材料或者掺有染料的聚合物材料等在可见波段范围内有光学增益的材料，也可以将不同材料混合形成Forster能量转移系统，使得材料对于背光有足够吸收效率，并通过喷墨打印或者纳米转印或者丝网印刷的方式，涂覆到相应亚波长光栅202a、202b及202c上。为了优化材料的增益性能，以及可以被同一激发光源激发，增益薄膜层203a、203b以及203c可以通过混合不同增益材料而获得。混合的增益材料存在Forster能量转移机制，从而达到改善吸收性质、提高增益系数的目的。增益薄膜层203a、203b以及203c的厚度在80nm到1μm之间，具体厚度选择需依据增益薄膜层203a、203b、203c对激发光201a、201b、201c的吸收效率及微腔激光器单模工作的原则。相应的亚波长光栅202a、202b及202c的深度设计为增益薄膜层203a、203b、203c厚度的四分之一到二分之一之间。因为增益薄膜层折射率较高，可以起到波导导芯的作用，由此光在行进的时候不会从上下基板泄露出去，震荡光204a、204b、204c分别在导芯中行进，在增益薄膜层203a、203b以及203c得到放大。
亚波长光栅202a、202b及202c的尺寸和分布需要根据人眼对RGB敏感度以及RGB微腔激光器具体的转化效率进行安排，例如R微腔尺寸为80微米，G微腔尺寸为60微米，B微腔尺寸为100微米，则单个大像素尺寸为240微米，可以实现42寸电视的4K激光显示。
图3为本发明中基于微腔激光器阵列的激光显示装置结构图。此激光显示装置的制作方法包括：首先在衬底上涂布光刻胶，厚度在50nm到300nm之间，用光刻系统制作分别对应RGB输出激光的三种周期亚波长光栅阵列，根据排列的RGB像素进行亚波长光栅的光刻，显影，其中，利用点阵干涉光刻(dot-matrix holography)或者电子束(e-beam)光刻技术进行制作。然后通过电铸工艺形成光栅阵列模板，即将完成光刻的图案表面浸银，置于电解槽中，形成具有和光刻胶上相反图案的金属模板，优选镍模板，将该模板包覆在金属辊筒上，通过卷对卷或卷对平UV纳米压印技术对微腔阵列进行复制，将光栅阵列压印到紫外固化胶上，固化后302a、302b、302c折射率在1.36到1.53之间。图案衬底及亚波长光栅302a、302b、302c需要在短波(349nm到400nm)以及整个可见范围内透光良好，可在柔性衬底(PET、PC、PMMA等)或者硬质衬底(二氧化硅)操作。增益薄膜层303a、303b、303c通过喷墨打印(ink-jet printing)、纳米转印(nano-transfer)或基于精密镂空掩膜版的丝网印刷等柔性印刷技术，涂覆到亚波长光栅302a、302b、302c上面。增益薄膜层采用的增益材料，折射率需要高于亚波长光栅302a、302b、302c，具体数值应综合考虑各膜层厚度及激光单模工作原则。最后利用封装层304对器件进行封装，封装层304的折射率和厚度需要根据波导结构进行优化。
将该微腔激光器阵列和液晶面板像素阵列对应起来，像素阵列由多组像素R305a、像素G 305b、像素B 305c组成，微腔激光器阵列和液晶面板像素阵列需完全贴合。RGB像素出射光为纯激光，因此像素R 305a、像素G 305b、像素B 305c液晶像素中不需要RGB滤色片，另外激光为偏振光，因此像素R 305a、像素G 305b、像素B 305c液晶像素中也不需要起偏片，由此保证了装置的能量利用率。激发光源301均匀照射在整个微腔激光器阵列上，不同的微腔在激发下出射相应波长的激光。采用液晶屏有源矩阵独立控制像素RGB，对每个像素中的RGB激光进行灰度混色，RGB微腔激光器的排布和尺寸需要和采用的液晶面板像素一致，得到输出激光306a、306b、306c，即所需的RGB输出，以实现高清激光显示。也在可见波段内任意选择R(610nm-650nm)G(510nm-540nm)B(420nm-460nm)激光的波长，组成任意所需的色度三角，最终实现一个大像素图像。单个微腔尺寸可以和现有4K液晶屏亚像素尺寸一样，容易实现高分辨率显示。
其中，泵浦源，为单个脉冲激光器或者单个紫外半导体二极管，输出波长在349nm到420nm之间，工作频率高于50Hz，出射能量高于20mJ/Pulse，通过光学元件均匀照射在增益薄膜层303a、303b、303c上。若人眼获得的白色仍存在一些不平衡，此时可微调像素R305a、像素G 305b、像素B 305c的RGB像素控制程序。另外，在微腔激光器阵列和液晶面板像素阵列之间需要添加黑矩阵307，以滤去像素缝隙中透过的背光及未被微腔激光器完全吸收的背光，从而提高成像质量。
另外，也可以直接将背光的短波激光光源用作蓝色像素出光，结合激发光源泵浦出射的红色和绿色微腔激光，三者进行混色，从而达到激光显示的目的。需采用的背光波长在420nm到460nm之间，在原本蓝光微腔激光器的位置开设和其尺寸一致的窗口，窗口对蓝光有一定吸收作用，来降低背光强度，吸收率需要考虑人眼色敏感度及RGB激光器的能量转化效率。红、绿微腔激光器的增益材料需要另外优化，背光波长应位于其吸收谱内。
本发明中的激光显示装置，采用分布反馈腔(DFB)作为微腔激光的谐振腔，其中像素型亚波长光栅作为反馈元件，制作分别对应RGB输出激光的三种周期光栅阵列，排布方式对应液晶面板中像素排布。将RGB激光阵列和液晶屏上像素对应起来，脉冲激光器或者紫外LED灯均匀照射在整个微腔激光器阵列上，不同的微腔在泵浦源激发下出射相应波长的激光，利用液晶屏TFT矩阵对RGB亚像素进行混色操作，最终实现一个大像素图像。单个微腔尺寸可以和现有4K液晶屏亚像素尺寸一样，容易实现高分辨率显示，且具有广色域、高饱和度的优点。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种激光显示装置，其特征在于：包括液晶面板像素阵列、微腔激光器阵列以及一个激发光源，所述微腔激光器阵列由多组RGB微腔激光器排列形成，每组所述RGB微腔激光器由三个微腔激光器构成，所述微腔激光器阵列依次包括与其输出激光周期对应的亚波长光栅、增益薄膜层及封装层，所述液晶面板像素阵列由多组像素RGB组成，所述微腔激光器阵列与所述液晶面板像素阵列对应贴合，所述激发光源均匀照射微腔激光器阵列，不同的微腔激光器结构在激发下输出相应波长的RGB激光。
2.如权利要求1所述的一种激光显示装置，其特征在于：所述增益薄膜层选用有机半导体材料、无机半导体材料、量子点材料、掺有染料的聚合物材料中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种激光显示装置，其特征在于：有源矩阵控制的液晶面板对每组像素中的RGB激光进行灰度混色，RGB微腔激光器的排布、尺寸与所述像素RGB一致。
4.如权利要求1所述的一种激光显示装置，其特征在于：所述增益薄膜层的厚度设置在80nm到1μm之间，相应的亚波长光栅的深度设计为所述增益薄膜层厚度的四分之一到二分之一之间。
5.如权利要求1所述的一种激光显示装置，其特征在于：所述微腔激光器的谐振腔选用二级分布反馈腔、分布式布拉格反射腔或法布里珀罗腔。
6.如权利要求1所述的一种激光显示装置，其特征在于：所述微腔激光器阵列和液晶面板像素阵列之间设有黑矩阵。
7.如权利要求1所述的一种激光显示装置，其特征在于：所述激发光源为脉冲激光器或紫外半导体二极管。
8.一种激光显示装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底上涂布光刻胶，用光刻系统制作分别对应RGB输出激光的三种周期亚波长光栅阵列，进行亚波长光栅的光刻、显影；
S2、将完成光刻的图案表面浸银，置于电解槽中，形成具有和光刻胶上相反图案的金属模板，将所述模板包覆在金属辊筒上，通过卷对卷或卷对平UV纳米压印技术，将亚波长光栅阵列压印到紫外固化胶上；
S3、通过喷墨打印、纳米转印或基于精密镂空掩膜版的丝网印刷技术，将增益薄膜层涂覆到亚波长光栅上；
S4、通过封装层对器件进行封装，所述封装层的折射率和厚度根据波导结构进行优化；
S5、将RGB微腔激光器的排布、尺寸设置与液晶面板像素一致，微腔激光器阵列与液晶面板像素阵列对应贴合，激发光源均匀照射在整个微腔激光器阵列上，不同的微腔激光器结构在激发下出射相应波长的激光。
9.如权利要求8所述的一种激光显示装置的制作方法，其特征在于：所述步骤S1中的光刻系统采用点阵干涉光刻系统或电子束光刻系统。
10.如权利要求8所述的一种激光显示装置的制作方法，其特征在于：在可见波段内任意选择RGB激光的波长，R激光波长在610nm-650nm之间，G激光波长在510nm-540nm之间，B激光波长在420nm-460nm之间，组成任意所需的色度三角。
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