CN103778864A - 激光散射显示器 - Google Patents

Abstract

本发明激光散射显示器的原理是：利用激光为光源，通过光纤把激光传导到显示屏上像素位置，每个像素位置有特殊材料制作的传光介质，所述介质在电流或磁场作用下能够产生物理或化学变化，使激光产生散射光或透明无散射光，每个像素位置有散射光时，散射光作为像素；无散射光时是透明的，作为激光通路，散射光的有或无决定了像素的亮灭，许多这样的像素构成图像，实现影像还原。本发明生产工艺简单，成本低，适用于电视屏、电脑屏、手机屏以及机电仪表等。该设计产品性能稳定可靠，经久耐用。更适合3D电视以及未来的三维立体电视等。

Description

激光散射显示器

技术领域

本发明设计激光散射显示器，是利用三基色激光混合为光源，通过传光介质把激光传导到显示屏上的像素位置，像素位置的传光介质在电流作用下发生物理或化学变化，使激光传播路径改变而传播到显示屏外，利用该点变向光作为像素组成画面。本发明设计适用于电视屏、电脑屏、手机屏以及机电仪表等。也适合3D电视以及未来的三维立体电视等。 

背景技术

CRT电视色彩好，但是有辐射，体积太大，不适应大屏幕的需求。液晶电视是需要背光灯来照亮，用液晶来控制像素，对比度不好，色彩鲜艳度较差。目前LED电视最高色域覆盖率只有62％，并且液晶电视对比度受可视角度的影响严重，因此造成图像观看空间限制。等离子电视每个像素是由三个气室构成的，气壁不能太薄，因此像素较大，分辨率低。等离子电视相对较暗，能耗也比较高，色彩也不太理想，目前等离子电视最高的色域覆盖率70％左右。 

激光为电视光源与传统电视相比具有如下特点：不仅可以使整个电视画面看起来更加真实、有层次感、通透的感觉，同时画面的清晰度也会随着色彩饱和度的提高有较大幅度的提升。激光是纯单色光，彩色效果非常理想，其色域覆盖率高达人眼色域范围的90％以上。激光电视机色彩艳丽、亮度高。它的室温寿命一般可达10万小时，特殊处理后能达到百万小时，因此它是一种长寿命高可靠性的产品。激光光源本身即为偏振光，是最适合表现3D效果的光源，而二者的结合也十分的容易。可以说在3D显示领域，激光电视有着无法比拟的优势，它还可以做成未来的三维电视。 

激光电视为何迟迟不能进入大众市场的原因：在技术方面，激光电视 中的扫描偏转是个难题：和CRT彩色显像管一样，激光束也要一行行从上至下完成整幅图像的扫描。让激光束偏转的主要方法是靠激光束照射在高速旋转的多面棱镜轮上，在角度不停变化的镜面上反射后形成的。如高清画面1080行，刷新率50次/秒，每秒就要扫描5.4万次，使用八面棱镜轮时，因旋转1周能扫描8次，因此5.4万次/8为6750转/秒，等于棱镜轮的转速为40.5万转/分钟，如此高的转速带来的噪声、润滑、成本和寿命等都难以满足投放市场实用的条件。用超声波或电场来偏转激光其幅度太小，不适合大屏幕发展的要求。 

发明内容

本发明的目的是解决激光扫描的问题，如何用高效、简洁的办法获得快速、稳定、长寿命、体型小以及结构多样的显示器。 

本发明采用三基色红、蓝、绿激光混合为彩色光源；通过光纤导入显示屏，显示屏中有特殊材料制成的传光介质，所述介质分布在各个像素点位置，所述介质材料的光学属性在外加电场或磁场的作用下能发生稳定、可逆的变化，使经过所述介质的激光在像素位置产生散射或透明无障碍通过，有散射时，散射光便可以传播出显示屏外，利用该散射光作为图像像素。 

在显示屏内各个像素位置安装有电极和传光介质，电极与传光介质相连，电极电源来源于驱动IC，此驱动IC与等离子电视驱动IC相似，它的作用是依次给电极通电，使像素位置的传光介质受电场的影响而逐个产生散射或透明，使散射光依次向前变动，从而实现图像像素的有序亮灭。合理改变激光的色彩，使得各个亮点具有需要的色彩，从而达到图像的显示还原。有时候需要在电极上加一个薄膜电感，利用磁致旋光效应来改变光的传播路线而传出显示屏，成为像素；有时候需要在彩色激光中加入红外激光，加快响应速度。由于没有机 械扫描，因此没有机械方面的技术障碍，使得运作更可靠、更平稳、更持久。 

传光介质材料有多种，适用于本发明的主要有：①电致色变材料，特性是：不通电是透明的，通电时因化学反应而显色，典型代表是三氧化钨；②液晶，不通电是浑浊的，对光有散射作用，通电时是透明的，极少有散射；③克尔效应材料，不通电是透明的，通电时能改变光的折射率，例如硝基苯；④磁致旋光材料，见专利号200410056177.X；⑤光放大器材料，有半导体材料等；⑥慢光开关材料，如光子晶体等。 

附图说明

图1是激光在显示屏中传播路线示意图；图2是方法1的电极、电线排布简图，S1、S2、S3、S4……Sn表示列开关，它们与列驱动IC相连，使列电线逐个通电或断电；G1、G2、G3……Gn表示行开关，它们与行驱动IC相连，使行电线逐个通电或断电；L、F、H系列表示被分隔的液晶点，也是像素位置；05表示入射激光；06、07表示反光镜；图3是方法2的电极、电线排布简图，L、F、H系列表示电极电流通过的液晶点，即像素位置；图4是被网格分隔的液晶点和行、列电线结构放大图，01是指列电线；02是指行电线；03是电极(在实际制作时03是不需要的，只要电线做成扁平的就可以了，在此只是便于观察结构)；04是指被封闭的液晶。图5是半导体SOA结构图，05入射光；08散射光；09直传出光，10导电散射膜。以上五个图只是简单的说明原理，需要根据实际要求适当调整，不能限制本发明的其他结构方式。 

具体实施方式

激光散射显示器以液晶材料作传光介质为主，方法如下： 

方法1：先在显示面板表面刻上一系列沟槽，用于安放行电线，沟槽的位置与像素一致，印刷上透明导电体材料，将该平面多余的导电体清理掉，只留沟 槽里的导电体，沟槽里的导电体凝固后就成为行电线，行电线的一端止于最后一个像素位置，另一端与行驱动IC相连。用同样的方法再做一块有列电线的面板，不同的是沟槽成列排布，连接列驱动IC。用透明绝缘材料制成丝网，网格数量、尺寸、位置与像素一致，丝网的折射率与液晶清亮时一致，将液晶材料填满网格，如图2。丝网作用是：把液晶分割成小块(称之液晶点)，当液晶没有完全清亮时由于折射率与网格不一样，所以网格会反射激光，阻止激光通过，避免下一个液晶点被动发光，把丝网粘在行面板或列面板上。另一块面板的电极面盖在此板上面，行、列电线要垂直。在行的始末两端分别镶上反射镜或全反射光纤，如图2中06、07，反射镜是由许多四十五度角的镜面组成，其作用是把余光反射到下一行。最后把液晶密封，显示屏就基本成型。 

如图2所示。由于行、列电线都与液晶点相交并相连，使得每个液晶点都有两个电极。成像过程是：液晶在常温下是浑浊的，由光纤导入混合激光，浑浊的液晶使激光产生散射，激光此时被液晶阻挡而停止前进，只能形成一个发光点，成为像素，其它液晶点不发光，在驱动IC的作用下电极通电，电流使液晶变得透明而失去散射光，该像素熄灭，这就实现了一个像素的亮灭周期。由于该点变透明了，激光能通过该点到达第二个相邻点，使第二个点产生散射光，同时激光变换颜色，第二个点也成为像素，在驱动IC的作用下，电流给第二个液晶点通电，第二个点也会因电场作用透明而失去散射光。如此逐个循环下去直到最后一个点，这就完成了一帧图像的扫描。电流变换电极的时间要与激光变换像素色彩的时间一致。 

在此过程中，由于液晶通电后要5毫秒以上才清亮(有理论表明液晶响应时间可以提高到纳秒级，现在是不行的)，而本发明要求激光在19纳秒左右就得换一个像素，所以电极通电时间必须要早于激光达到时间，电流与激光一前 一后以相同速度前进。 

还可以在激光中加入红外激光，红外激光有很好的热效应，能够提高液晶的响应速度；或者在液晶加入电介质也可以提高响应速度。此方案要求液晶的上升时间越快越好，下降时间要少于二十毫秒就可以了。随着科技进步，当未来液晶响应时间达到纳秒级时，电流和激光就可以同时达到液晶像素位置。 

依次通电到最后，前面已经断电的液晶都还是透明的，因为液晶需要二十毫秒以上才恢复成浑浊状态，二十毫秒足够激光扫描完一帧画面。也可以接通后不断电，扫描完一屏后所有电极才一起断电，使激光无阻通过。 

在行的两端有反光镜或全反射光纤，其作用是把激光余光反射到下一行，如果直接进入下一行尾，则要求改变相应电视信号的先后次序，使得在下一行像素信号首尾颠倒才能成像。或者通过透明光纤把上一行余光传回下一行的开头也可以。 

还可以采用常通电式，即全屏的电极是常通的，先使全屏透明，工作时候逐个断电，断电的液晶恢复浑浊而散射激光，成为像素，然后再恢复通电，使每一时刻只有一个液晶点断电，使激光在一定时间内只能形成一个亮点，进行逐点扫描。由于现在液晶材料的响应速度限制，断电过程也需要提前启动。 

驱动IC不用像等离子电视、LCD电视那样复杂，只要求按固定时间依次给电极通电，只需要一条通路。由于驱动IC只是按固有频率断通，不考虑信号处理，所以没有带宽问题。 

像素的散射光会使相邻的液晶有一些光亮，对成像有一定影响，但是不会太大，因为像素光是快速移动的，人眼只能看到最亮的光点。 

方法2：该方法与方法1基本一样，不同的是去掉绝缘丝网，全屏的液晶是相连的整体。先将两面板的电极面合在一起，中间留有间隙，两端镶上反射镜， 充入液晶后四周密封，如图3。由于液晶有很大电阻，所以通电时电流不会传遍所有液晶材料，只选择最近电极连通，被连通液晶自然形成像素。此方法结构简单，制造方便，缺点是清晰度没有方法1好，因为浑浊的液晶不能在很短距离内完全阻挡激光，使得该亮点比较大，此方法适合做大屏幕显示屏。 

这两种方法都是把混色激光导入液晶，从行的左上端进入，行尾射出，在行尾有反光镜或全反射光纤把该激光折返到下一行，依次向下传导，直到贯穿全屏。在中途的折返点还可以设能量补给装置，例如半导体光放大器等。行、列电线数量无固定数，按像素需要排布。 

方法3：利用具有克尔效应的材料代替液晶也可以做成显示器，其制作与方法1相似，不同的是把网格传光的两边改成偏振片，液晶材料改成克尔效应材料，两偏振片的偏振方向垂直放置，偏振片与显示屏不垂直(这样做是为了让偏振片的反射光能够射出屏外)，在显示屏上贴一层雾化膜(使反射光传向各个方向)。此方法的缺点是电压高，结构复杂，不安全，外形尺寸大。 

方法4：利用电致变色材料代替液晶，其制作与方法1相似，这一方法制作简单，在任何时刻它只有一个点可以散射激光，其它部分全都是透明的。它现在面临的困难是现有材料响应速度慢，达不到做显示器的要求，同时现有材料都有彩色，对通过的光有选择，影响像素色彩。 

方法5：利用SOA光放大器作像素开关，如图5，将半导体光放大材料放在像素位置，两端与行线平行，两端有能导电的散射膜，也是工作电极，激光只能散射而不能穿过该膜，散射膜中间留有透光孔，两孔在同一直线上，光放大材料通过该孔首尾连接成光纤，两端散射膜电极与行、列电极相连，没有电流时，激光能够从一端小孔透过到另一端小孔，不散射激光，当电极有电流时，激光被放大，放大的部分被散射膜传出显示屏外而发光，成为像素，见图5中08，电流停止时激光直接穿过两孔，去到下一个孔。直传光09不会使后面的像素发光，因为后面的放大体材料没有电流，没有放大作用。该方法结构与方法1相似，不同的是把液晶换成放大体材料及增加散射膜(电极)。其优点是响应速度快，达到纳秒级，能满足激光电视要求。如果该材料对混合光有太多失真，则需要把三基色分开传播，可以把放大体上的通光孔改为扁平状，用三条光路并行，或把放大体分隔成三条光纤，分别传播。此方案不用红外激光。 

方法6：用慢光材料作像素开关，把慢光材料放置在像素位置，与行、列电极相连，慢光材料在电流作用下使光在像素位置变慢，变慢的激光会产生散射，使得像素发光，达到显示时间后断电，慢光材料恢复透明，像素熄灭，激光得以穿过去到下一个像素位置，该方法结构与方法1相似，该技术还不成熟。 

本设计的缺陷是：显示器的像素不一样亮，原因是随着距离增加激光能量在减少。解决办法是将入射激光逐渐加强，用以补偿损失。 

通常光纤传输激光信号，每1千米光纤能量损失5％，其透射率为90％。其能量损失不是太多。激光通过42英寸电视有1千米左右的距离，液晶的透射率在85％左右，液晶介质能满足液晶激光电视只用一束激光点亮全屏的要求。 

在上述像素位置背面涂上水银可以增加前面图像的亮度。 

一屏像素完成后，又从头开始新的一屏扫描，在前一轮结束时候有一个短暂的激光暂停，这是为了让所述传光介质有时间恢复浑浊态或清亮。如果目前的材料很难满足高速显示要求，还可以采用多屏重叠，逐屏扫描，多屏扫描完后，先前扫描的屏就有足够的时间恢复浑浊或清亮。这一设计还可以用于未来的三维立体电视。 

Claims (9)

1.影像还原产品激光散射显示器，包括有显示屏和激光，其特征是：所述显示屏由激光提供光源；所述激光显示屏有透明面板；所述激光显示屏有背板；所述透明面板与背板之间的每个成像位置有激光介质；所述介质上连接有若干均匀分布电极，所述电极与像素位置一致；所述电极电流能够使介质发生物理、化学变化而使通过的激光发生散射；所述散射激光作为像素光源；所述激光中混合有红外激光。

2.根据权利1要求的激光介质，其特征是：所述电极电磁场对介质施加作用，使介质改变传光状态而产生散射光，使该处有散射光或无散射光。

3.根据权利1、2要求的散射光，其特征是：散射光作为显示屏的发光像素。

4.根据权利1要求的激光显示器的电极，其特征是：所述电极依次通断电流，使每个介质依次产生散射，散射光斑依次前移。

5.根据权利1、4要求的激光显示器的电流，其特征是：电场变换电极频率与所述激光调色频率一致。

6.根据权利1要求显示器的介质，其特征是：像素的色彩由激光携带。

7.根据权利1要求的激光介质，其特征是：所述传光介质可以按像素大小分隔成很多小块或是一个整体。

8.根据权利1要求的显示屏，其特征是：所述屏的两侧有反光镜或全反射光纤，把所述激光余光反射到下一行。

9.根据权利1要求的近红外激光激光，其特征是：红外激光的作用是加热液晶，使液晶在电场作用下响应速度更快。

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