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解读新型激光平板电视技术

2008-05-06 11:24
木中君
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作者:鹰谷

   于消费者对大屏幕、高清晰、轻薄时尚的显示器的追求,原有的CRT显示技术已经不能满足要求,因此发展出各种平板显示技术。现有的平板显示技术主要有LCD、PDP和研发中的OLED等。LCD和PDP已经成为现在的市场主流。但是,LCD和PDP在显示图像时存在许多问题,其中包括色彩还原欠佳、动态图像显示速度较慢和清晰度较低等,尤其是很难同时满足高分辨率和高清晰度这两个性能指标的要求。另外,上述LCD和PDP两种技术在节能方面的情况也不能十分令人满意。OLED由于具有色彩鲜艳、低功耗、超薄等优点,被视为一项极具有发展前景的平板显示技术,但是由于该技术存在许多具体技术问题尚待解决,距实用阶段还有相当长的距离。

   平板显示技术已经成为不可逆转的潮流。随着各种高清晰图像源的不断丰富,消费者对平板显示器的各项性能的要求也越来越高,这正促使平板显示技术向着高清晰度、高解像度、大幅面、低功耗方向发展。

   现有平板显示技术存在的主要问题

   LCD和PDP是目前市场主流的平板显示技术,但是,由于这两种技术采用的物理显示原理和信号处理方法等方面的限制,使得它们在显示动态图像时存在很多问题,主要表现有:

   1、显示速度慢

   在显示速度上,首先由于这两种技术对信号的处理方式是按照象素点逐点进行运算,并逐点进行控制,因此受到信号处理硬件的运算速度限制,尤其是在要求图像的高分辨率和高清晰度同时兼备时,由于这两项指标对于图像数据量的影响是两者相乘的关系,两项指标的同时提高,图像数据量的增加则会十分巨大,造成超过硬件的处理能力,因此在实际应用时往往要在两者中进行取舍,意味着要降低其中的某一项指标。

   影响显示速度的原因中,还有一个来自于所采用显示器件的物理特性的限制。对于LCD,主要是液晶分子偏转速度的限制,对于PDP,则是由于微电极放电速度的限制。

   细心的消费者发现,当使用LCD和PDP电视播放静止的数码照片时,效果还是不错的,但是当播放大动态的电影片断时(例如近镜头的飞车追逐场面),LCD和PDP电视无一例外地均显示出图像层次感降低、画面发虚、画面不够流畅以及图像拖尾的现象,而将同样的信号切换到传统的CRT电视上时,却没有发现这种现象。这表明,很多平板电视在接收普通电视信号和播放DVD影碟时,效果还不如传统的CRT电视,这令许多消费者感到大失所望。而且平板电视包括显示器(尤其是LCD)对使用者的视力的损害实际上也大于传统的CRT(这个问题恰好与一般人的认识相反),这一点已经有许多专业人士发现并在一些文章中做了详细的指出。究其主要原因一是由于LCD存在的问题,导致生产厂家及消费者在使用时为了获得鲜艳的色彩效果,不得不将LCD屏的亮度调整得过高;另一原因是由于LCD实际很低的清晰度和时常发生的图像发虚的现象,使得人眼在下意识的情况下频繁地进行调整,以“试图”看清物体,因此长期使用会使眼睛因过分疲劳而受损。相对而言,传统得CRT显示器由于这方面的问题较小,对眼睛的伤害反而没有LCD和PDP那么大。

   2、色彩

   上述两种技术在图像色彩方面的表现,也不如CRT技术,这在业界已经是共识。其主要原因,对于LCD,是因为其需要通过滤色片产生彩色,因此其显示色彩饱和度不高,色域窄,加上信号处理的位数和液晶分子偏转角度的控制精度的限制,很难有大的提高。PDP则是因为需要多次的预放电才能产生足够的紫外线去轰击荧光粉发光,而如何对产生的紫外线的量进行精确控制是一个很困难的技术问题,加上发光和显色仍需使用荧光粉,因此PDP很难有超过CRT的色彩表现能力。

   3、功耗
  
   虽然在一般的场合,功耗并非影响显示质量的主要问题,但是随着消费者环保意识和能源价格的不断提高,功耗终将成为一个会影响消费者购买意向的问题。另外,在一些对耗电量要求苛刻的场合,如笔记本电脑和各种移动显示设备,则是一个不得不考虑的重要问题。LCD和PDP这两者的耗电量都相当的高。例如,目前的42寸PDP或LCD电视,功率多在300W左右,耗电量还是相当大的。

   上述问题是这两种技术本身存在的必然问题,虽然通过努力可以作进一步的改进,但要从根本上解决是不可能的。因此需要发展全新的技术加以解决。

   这里介绍的是一种全新薄型电视技术,它是一项获得了国家发明专利的“克尔效应开关光扫描薄型电视”(专利号:2005101205194)的专利技术。

   克尔效应开关光扫描薄型电视各主要部件基本结构

   克尔效应原理及光开关
  
   所谓克尔效应,是指非晶体或液体(例如硝基苯)在强大电场的作用下,内部分子作定向排列,因此获得光学上各向异性的特征。这一现象是克尔(J. Kerr)发现的,称为克尔现象。克尔效应的优点在于:建立与消失需时极短(约10–9S,即开关速度达到10 9赫兹),利用克尔效应制成的光断续器已被广泛应用于有声电影、电视、通信等领域。一个克尔效应开关的基本结构如图1所示:主要由两块正交放置的偏振片1、2,一对平行电极6,非晶体或液体(例如硝基苯)1及容器3构成。

   行、场开关及象素开关
  
   行、场开关的基本结构如图3所示,它是依据克尔效应开关的原理制成,主要是在两端光的行进路径上增加了用于引导光线行进的结构:光纤901。

   象素开关的基本结构如图4所示,它与行、场开关的区别在于将光纤901的一端换成扩散器307,以便将光线以尽量大的角度扩散出去,使显示器获得尽量大的可视角度。



 

   行、场导光杆

   行、场导光杆的结构是该显示器的核心技术之一。该结构可视为将一般液晶背面的背光导光板沿纵向剖切成细条状制成,当然也可制成园杆状。图6显示了其中的一种楔形杆状设计。图中表示:光线从导光杆的一端604射入,由于导光杆的楔形结构及漫射膜602、高反膜603的作用,光线在导光杆601的内部迅速混合并在出光口605的一侧达到匀强,然后由605均匀射出。每个605的一侧装置一个行、场开关或象素开关,因此实现了光线的受控导通。


   显示器整体结构示意图
  
   图8为显示器整体结构示意图,图中的主要结构有:可调制激光光源800,光纤900,光纤901,场导光杆600,场光入口604,场光出口605,行开关200,行导光杆700,行光入口704,行光出口705,像素开关300,扩散器307,像素开关电极305和306,导线801。

   克尔效应开关光扫描薄型电视工作原理及实施方式
对于CRT的工作原理,我们都很熟悉:它通过用图像信号对电子枪进行调制,然后加速电极使电子束飞向荧光屏,在此过程中,通过行、场扫描电路使电子束依据行、场规律逐点轰击到荧光屏上,使图像得以展开。撇开具体方式不谈,其根本方法可以归纳为:将一个“点”(电子枪)用图像信号进行调制,然后通过某种方法依据行、场规律展开到一个面上,使之显示出图像。

   根据以上启发,该技术提出了如下的实现方式:
   实现了用图像信号对“点”的调制

   相对于CRT的电子枪,该技术提出使用可调制的激光器加以取代,区别只是电子枪发射出的是电子束,而激光器发射出的是经过调制的、可见的RGB三色激光束

   激光束的亮度调制一直是一个难以解决的问题,但是,有一项技术能够解决这一问题。简单地说,该技术的要点是:分别将每种颜色的若干个激光二极管集成为一个阵列,得到共三块分别为RGB色的激光二极管阵列。利用激光二极管亮度虽然难以调节,但是可以高速开关的特性,将对单个激光器的亮度直接调制转变为对多个激光二极管点亮数量的控制,然后将激光二极管阵列所发出的若干根激光束进行汇聚叠加,由于阵列中被点亮的激光二极管的数量依据图像信号不断地变化,就具体到某一时刻而言,其数量由图像信号在该时刻的量值所决定,因此汇聚后的激光束亮度就反映了图像信号的变化,由此间接地实现了对激光束亮度的调制。

   激光二极管阵列的详细结构和调制方法可参考另一项专利技术:激光投影机(专利号:2005100375821),在此不作详细介绍。

   实现了将光线由点到面的无运算展开

   依上文及图8,将经过调制的激光束“灌入”一根光纤,各色激光在光纤内得到混合,并通过光纤传导到屏幕一侧的一根“场导光杆”内,“场导光杆”的形状设计成可以使光线在内部混合均匀的形状(如同LCD的背光导光板,只是为细杆状),“场导光杆”的一侧开有多个“场出光口”(例如1080个),每个“场出光口”通过一个“场克尔效应开关”与一根“行导光杆”相连接,这样,当“场克尔效应开关”受控导通时,“场导光杆”内的激光可以通过并进入到“行导光杆”中,“行导光杆”的形状也设计成类似于“场导光杆”的形状,并在“行导光杆”面向屏幕的一侧开有多个“行出光口”(例如1920个),在每个“行出光口”外安装一个“行克尔效应开关”,再在“行克尔效应开关”外面再安装一个能使光线以尽量大的角度进行扩散的“扩散器”,以便获得尽量宽的视角,每个“扩散器”构成屏幕上的一个物理象素点。

   下面以一帧图像的显示过程说明它的工作过程:

   在一帧的图像信号中,对应于图像上的每一个象素点,激光器发出一个激光脉冲,每帧共计1920×1080个(每行1920个,共1080行),每个激光脉冲的强度依据图像信号的量值确定。对于第一行的第一个象素点,激光器依据图像信号发出一个包含了亮度和颜色信号的激光脉冲,该脉冲通过光纤传导进入“场导光杆”内,并在它内部以光速迅速混合达到均匀(在1080个“克尔效应开关”的一侧达到相同强度),与此同时,“场导光杆”的第一个“场克尔效应开关”受控导通(导通时长为完成一次行扫描所需时长,期间共使1920个激光脉冲可通过,其余开关处于关断状态),于是光线通过第一个“场克尔效应开关”进入第一个“行导光杆”中,并在它内部以光速混合达到均匀(在第一行共1920个“行克尔效应开关”的一侧达到相同强度),与此同时,“行克尔效应开关”中的第一个受控导通(其余处于关断状态),使第一个激光脉冲可通过并由第一个扩散器扩散出去,于是在屏幕上显示出图像的第一个象素;当第二个激光脉冲到来时,轮到第二个“行克尔效应开关” 受控导通(其余处于关断状态),使第二个激光可通过并由第二个扩散器扩散出去,于是在屏幕上显示出图像的第二个象素;如此重复共1920次,便可完成一帧图像中的第一行的显示;

   在显示一帧图像的第二行时,第二个“场克尔效应开关”受控导通(导通时长同样为完成一次行扫描所需时长,期间共使1920个激光脉冲可通过,其余处于关断状态),“行克尔效应开关”则与显示第一行时一样工作一遍,于是完成一帧图像中的第二行的显示;

   将上述过程共重复1080次,即可显示出一帧分辨率为1920×1080p的图像,在每一秒内将上述过程重复60次,即可显示出1920×1080p,60Hz的连续图像。

   上述可更简单地描述为:屏幕可视为由1920×1080个“小孔”构成,经过上述过程,使这些“小孔”按照行、场扫描规律快速逐个地进行开关,使“小孔”后面的光线在“小孔”“开”时通过,而“小孔”“关”时不能通过。并且,“小孔”只有全开和全关两种工作状态,而通过的光线的颜色、亮度等与屏幕上的“小孔”无关——它们由前端的可调制激光光源决定。

   特别需要指出的是:上述“小孔”的开关过程是按照固定的规律进行的,期间并不需要进行任何运算。

   优点简述

   这种显示方法优点很多。首先,它减少了运算步骤。相对于LCD和PDP,该技术在使图像信号转变为图像上的各个素点的响应的过程中,由“点”(可调制激光器)产生的图像信号已经转变为模拟信号(由数量不同的激光脉冲汇聚而成的强度不同的激光脉冲),这一模拟信号在展开的过程中,各“克尔效应开关”是依据固定的行、场规律进行只有“通、断”两种状态的控制,因此而不需要再进行寻址,也不需要再次进行DA转换,这样就大为减少了运算量;其次,由于它的传输和展开是一个模拟的过程,因而不存在任何影响显示速度的问题。

   另外的一个突出优点是对纯黑色的显示。众所周知,由于液晶体的漏光,纯黑色显示是LCD无法完全做到的。而对于本显示器,由于在显示纯黑的画面时,克尔效应开关后面并没有任何光线,所以根本不存在漏光的问题,因此能够显示真正的纯黑色。这一点对于显示图像的自然和层次感非常重要。

   还有一个优点是对图像信号规格的普适性。大家知道,对于LCD和PDP,由于它们采用的显示方式,因此只有当图像信号的分辨率与显示屏本身的物理分辨率相同时,才能实现“点对点”的显示,此时才能发挥显示器的最佳显示效果,否则显示出的图像质量就会大打折扣。而采用这项技术,其显示屏的工作过程与CRT技术相似,因此无论输入的是何种分辨率的图像信号,显示器都能适应,而无需进行调整或变换,因此图像信号能够得到最佳的显示。

   因此它具有以下主要优点:

高清晰度。依据可调制激光器的清晰度,很容易达到1000线以上;
高分辨率。分辨率可满足1920×1080以上的要求;
高且自然的对比度;
高显示速度。达到纳秒级的响应速度;
极宽的色域。可达到激光显示的色域;
具有对图像信号规格的普适性;
极低的耗电量。整机约为几十瓦的量级;
低成本。远低于LCD、PDP的制造成本;
超薄。厚度达到毫米级。

   技术上的障碍

   对于一项新技术,工程人员更关心的是这种技术是否存在过多的技术障碍,以及跨越技术障碍的难度。对于此项技术,疑问主要集中在以下:

   1、激光器的调制方法

   激光器的调制方法是关键技术之一,由于涉及内容较多,在此不作详细介绍,有兴趣的读者可查阅“激光投影机(专利号:2005100375821)”的专利文献,笔者也将有另文专门进行详细介绍。

   2、“克尔效应开关”的开关速度能否达到要求

   对于此项技术,对开关速度要求最高的是“行克尔效应开关”。它的开关速度要求达到:1920×1080×60=124416000Hz,约为124MHz,而众所周知,“克尔效应开关”的开关速度为G级,完全能够满足该技术的要求。

   亮度能否达到要求

   相对于LCD的约6%的背光利用率而言,该技术亮度应能远远超过它。因为首先该技术采用激光成像,激光本身具有极高的亮度;其次,由于它没有滤色片、薄膜晶体管、电极、电极引线、液晶体等的遮挡,因此光的利用率高。预计可比PDP的亮度还要高。

   制造难度

   仅从技术角度来讲,制造难度很大程度上取决于所需加工精度。其制造可采用与LCD相似的技术和方法,但要简单和容易得多。该技术相对于LCD和PDP,对加工精度要求要低很多,因为最精细的部位为象素点,其大小和结构复杂程度是决定因素。以相同屏幕尺寸、相同物理分辨率和相同象素点距的情况下进行比较,该技术的象素点面积大小为LCD和PDP的三倍大,因为三色激光在“扩散器”之前已经充分混合,因此该技术的象素点显示的是经过混色的一个点,而不像LCD和PDP那样需要由分别是RGB的三个子象素点来构成一个象素点。另外,“克尔效应开关”只有通、断两种控制状态,不需要在每个子象素上制造一个薄膜晶体管,只需要一对电极,因此制造难度低,控制电路、控制方法和布线都非常简单,“行克尔效应开关”的控制甚至可以简化到按列并联控制的程度。同时,较大的布线距离也意味者较小的分布电容和电感。

   成本

   任何产品都需要控制成本,否则难以获得广阔的市场。由于该技术的制造难度较低,所采用的器件(例如激光二极管)价格也很低,因此可以预计生产成本要远低于LCD和PDP等现有平板技术产品。

   耗电量

   按设计水平解像度1000线左右计算,激光二极管的功耗每个约为10毫瓦,激光器共需32×32×3=3072个激光二极管,合计最大功耗约为30W(为屏幕显示最高亮度的白色全屏图像时),加上电路部分的功耗,估计总功耗最大约为60W左右,而且由于激光二极管是间歇工作的,因此实际耗电量还可能更低。因此说该技术是一种极为节能的显示器。

   厚度和重量
  
   由于没有类似于LCD的背光模组,细部结构也比PDP简单很多,以此估计成品的屏幕本身厚度可控制在一两个毫米以内,还可以将屏幕和激光器设计成分体式,通过光纤进行连接,这样在需要进行挂墙安装时更显轻薄时尚,且安装形式更加灵活多样。基于不同的“行、场导光杆”及屏幕材料,该技术还展现出生产柔性屏幕的可能性,进一步开阔了运用空间。

   耐用性

   该技术的耐用性主要取决于激光二极管的寿命。以现在的技术水平,激光二极管已经可达到10万小时的寿命,随着技术的进步,还会有更进一步的提高,因此该技术的产品寿命预期可以达到10万小时以上。

   基于消费者对平板电视图像质量上越来越高的需求,而现有的LCD和PDP在技术上的改进已经接近本身的技术极限,因此迫切需要一种替代技术。本文介绍的这一新型技术与已有的技术相比具有无可比拟的优点,为替代LCD和PDP技术提供了一种可能的方案。这一新型技术拥有完全自主的知识产权,并且与未来的激光显示技术同步,具有非常好的发展前景。

   (编辑:xiaoyao)

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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