Лазерные дисплеи активно развивались в течение последних 50 лет, но коммерческая жизнеспособность технологии была ограничена, главным образом, большими размерами и высокой стоимостью лазерных источников. Ожидается, что последние разработки в области лазерных технологий придадут импульс развитию лазерных дисплеев для потребительского рынка.
Поиск миниатюризации и высокой эффективности заменил модулирующие устройства и технологии сканирования в таких проекторах на непосредственно модулируемые лазерные источники и сканирующие зеркала на основе микроэлектромеханических систем (МEMS).
Хотя технология диодного лазера может производить мощные синие и красные лазеры на основе нитрида галлия (GaN) и фосфида алюминия индия (AlInGaP), соответственно, прямой излучающий зеленый лазерный диод был недоступен до недавнего времени.
Nichia Corporation и Osram Opto Semiconductors продемонстрировали лазерные диоды с прямым излучением 515 нм на основе нитрида индия галлия (InGaN), который, как ожидается, заменит менее эффективные зеленые лазеры с удвоенной частотой. Одним из представленных на рынке лазерных дисплеев является "LaserVue", телевизор с лазерной обратной проекцией от Mitsubishi. Другие компании, такие как Microvision, Alcatel-Lucent, Light Blue Optics (LBO) и Explay, также разрабатывают собственные архитектуры лазерных дисплеев для массового рынка. Требования к источнику во многом зависят от архитектуры дисплея.
Для компактных лазерных проекторов мобильных устройств важным фактором является эффективность настенного штекера источника лазера. Хотя лазерный дисплей может предложить широкую цветовую гамму по сравнению с другими технологиями отображения, он также поставляется с проблемой, специфичной для лазерного света - пятнышком, которое возникает в результате когерентности лазерного света.
Лазеры и требования к дисплеям
Хотя идея использования лазеров для дисплеев была предложена в 1960-х годах, именно доступность лазеров, излучающих красный, зеленый и синий цвета, послужила толчком для недавней разработки портативных лазерных проекторов. Непосредственным преимуществом использования спектрально чистого лазерного света для дисплеев является широкая цветовая гамма, которую он может производить.
Хотя газовые лазеры доступны с широким диапазоном длин волн, их громоздкость и низкая эффективность делают их непригодными для рынка дисплеев массового производства. Кроме того, им требуются внешние модуляторы, которые повышают стоимость и сложность системы. Примером может служить лазерный проектор, в котором использовалась лазерная система Kr-Ar со сканированием пучка. Требования к источнику лазерного излучения зависят от архитектуры дисплея. Для плоского дисплея с подсветкой панели параметр лазерного луча M2 может быть в несколько сотен раз больше, чем у ограниченного дифракционным лучом.
Системы отображения информации, основанные на методе летных пятен, считаются более подходящими для мобильных устройств. Такой подход требует, чтобы лазерный луч коллимировался при сохранении небольшого размера луча, что накладывает ограничения на выбор источника излучения. Поскольку лазерный луч TEMоо можно рассматривать как истинный точечный источник, такой луч является идеальным выбором проектировщика в данном случае. Быстро движущееся пятно на 30% меньше по сравнению со статическим пятном, что увеличивает разрешение линии.
Краеизлучающие лазерные диоды
В 1962 г. первый полупроводниковый лазер на основе GaAs был изобретен Холлом. Эти устройства требовали криогенных температур, и они работали в импульсном режиме. Эксплуатация непрерывных волн (КВ) при комнатной температуре была позже продемонстрирована с использованием гетеропереходного подхода, что привело к эффективному ограничению носителей и фотонов к активной области прибора .
Позже внедрение волоконно-оптических систем связи доказало, что изобретение полупроводникового лазера стало одним из революционных этапов в истории лазеров. Полупроводниковые диоды, излучающие в видимой области, изготовлены из GaInN/GaN и AlGaInP/GaAs. Зеленые лазеры с прямым излучением не были доступны, но недавно Nichia Corporation сообщила об устройствах на базе InGaN, которые излучают 515 нм.
Компания Osram, Incorporated, также сообщила о зеленом лазере на базе InGaN мощностью 50 мВт, работающем на длине волны 515 нм. Современный лазерный телевизионный продукт Mitsubishi LaserVue использует красные и синие кромочные диоды на основе модифицированных систем материалов AlGaInP и GaN.
Несмотря на преимущество прямой модуляции, длина выходной волны этого типа лазеров может изменяться в зависимости от температуры стыка, что, в свою очередь, отрицательно скажется на цветовом балансе дисплея, если оставить его неконтролируемым.
Для красного лазерного диода отклонения от заданной длины волны должны быть менее 0:5 нм, в то время как отклонения мощности должны быть ниже 0,7%. Температурная стабилизация может быть осуществлена с помощью термоэлектрических охлаждающих устройств. Другими недостатками лазеров с такой архитектурой являются ограниченная выходная мощность и очень астигматический луч. Для получения высокой мощности часто используется массив диодов.
Хотя от такой решетки можно получить большую мощность, коэффициент заполнения намного меньше по сравнению с отдельными излучателями, и требуются специальные технологии для получения однородной подсветки и соединения волокон. Кроме того, из-за несоответствия коэффициента теплового расширения различных слоев диодной лазерной решетки, а также несоответствия между лазерной решеткой и радиатором, отдельные излучатели могут не отображаться на линии во время работы.
Твердотельные лазеры
Лазеры с диодной накачкой способны генерировать ватты оптической мощности на интересующих длинах первичных волн в процессе нелинейного преобразования частоты. В красно-зелено-голубой (RGB) лазерной системе, о которой сообщили, такой подход использовался для получения комбинированной оптической мощности в 18 Вт . Другая система, продемонстрировала генерацию лазерного света мощностью до 7:1 Вт на 629 нм, 6:9 Вт на 532 нм и 5:0 Вт на 446 нм.
Выходная мощность белого цвета составила 19 Вт, при 110 Вт оптической накачки диодными лазерами. Но такие системы являются дорогостоящими и требуют сложных оптических настроек для процессов преобразования частоты. Поскольку не было прямого излучения зеленых полупроводниковых лазеров, большинство дисплеев используют удвоение частоты инфракрасного света для производства зеленого.
В модуле Corning Green Laser G-1000 используется распределенный лазер с отражателем Брэгга, работающий на 1060 нм, за которым следует удвоение частоты в периодически полированном ниобат-литиевом волноводе. Весь агрегат может быть заключен в объем 0:69 куб. см.
Малый форм-фактор и высокая оптическая выходная мощность делают этот лазер подходящим для малых проекторов. Источником зеленого света в лазерном телевизоре Mitsubishi является 15 излучателей лазеров с удвоенной частотой 532 нм, излучающих свет.
Применение дисплеев лазеров с вертикальной резонансной поверхностью иногда требует высокой выходной оптической мощности и хорошего качества пучка, но обычные полупроводники не могут удовлетворить обе потребности в одно и то же время. VCSELs используют поверхностное излучение в отличие от обычных диодов, излучающих по краям, обеспечивают лучшее качество луча.
Луч круговой, но и здесь выходная мощность ограничена, и для получения высокой оптической мощности необходимо суммирование диодов. Преимуществом VCSELs является то, что в отличие от кромочных излучателей, они могут быть изготовлены в виде монолитных массивов, что устраняет необходимость в единичных мощных лазерах и обеспечивает параллелизм при рисовании изображения.
Полупроводниковые лазеры
Этот класс лазеров обеспечивает высокую оптическую мощность при хорошем качестве луча. В отличие от VCSEL, где электрический ток используется для запуска и обслуживания лазера, здесь используется оптическая накачка для запуска и обслуживания лазера. Небольшим недостатком является то, что внешняя полость этого типа лазера требует выравнивания. Но высокая мощность и хорошее качество луча делают их привлекательными для дисплеев.
Важность этой технологии заключается в возможности получения высокой мощности при хорошем качестве пучка.
Серия мощных лазеров Genesis компании Coherent, Incorporated использует технологию OPSL для создания длин волн на 639, 532, 577, 480 и 460 нм с уровнями мощности от 500 до 8000 мВт. Компания Osram использовала оптическую накачку для производства эффективных и компактных зеленых лазеров мощностью до 50 мВт. Они также выпустили красно-зеленые мини модули этих лазеров, что демонстрирует масштабируемость технологии.