CN117742010A - 基于相变材料的激光显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相变材料的激光显示技术，具有高分辨率、高帧率、光斑均匀、能耗低等特点，该激光显示技术包含激光背光源、高斯相变灰度光阀、光学投影***、显示幕布等，本发明的激光显示技术可以广泛应用但不限于大尺寸电视、电子游戏设备、航空航天设备、军事装备或医疗设备的高分辨率需求。
Description
技术领域
本发明属于相变材料技术领域，更具体的，一种基于相变材料的激光显示装置。
背景技术
激光显示是一种利用激光作为光源，通过光阀控制激光的强度，最终在屏幕上形成图像的显示技术。激光显示技术由于其具有宽色域、高亮度、长寿命等优点，有着广阔的应用潜力，包括高档电视、电子游戏设备、航空航天设备、军事装备以及医疗设备等领域。
然而，现有的激光显示技术仍面临着分辨率不足和刷新率不足等问题，激光显示的分辨率与刷新率主要受到光阀尺寸的限制，由于传统的液晶光阀尺寸有限且响应速度慢，导致激光显示无法生成足够小的像素光斑且影响了其帧率的提升。这些问题影响了用户观看与操作的流畅性，降低了用户体验。这些问题的存在限制了激光显示技术的广泛应用，阻碍了其在各个领域的进一步发展。
相变材料是一类具备可逆相变特性的材料，通过电场刺激能够实现快速的光响应。相较于传统液晶材料，相变材料具有更快的光响应速度(纳秒级别)和较小的像素尺寸(纳米级别)，因此在改善激光显示技术的分辨率和切换速度等关键性能指标方面具备重要的潜力。
然而，将相变材料应用在激光显示上也存在一些问题。例如相变材料的消光系数相对于液晶材料较大，这导致光调制过程中的光损耗增加，降低了光波的传输效率，激光显示中的激光光源强度分布呈现高斯分布，光强分布不均匀也导致了激光显示图像质量的不理想。
本发明设计了一种基于相变材料的激光显示技术，该显示技术通过使用高斯相变灰度光阀和增透膜的设计，有效地解决了透过率低和激光光斑分布不均匀地问题。这种技术地应用将极大提升激光显示地视觉效果、推动激光显示技术地发展、拓宽其在各个领域地应用范围。
发明内容：
本发明提供了一种基于相变材料的激光显示技术，旨在实现高分辨率、高帧率、光强分布均匀且传输高效的激光显示技术。
该基于相变材料的激光显示技术，主要包括激光背光源、高斯相变灰度光阀、光学投影***、显示幕布；激光背光光源，其用于发射单色或多色激光光束，通过激光的颜色、强度和方向的控制，以生成所需的图像的光源；高斯相变灰度光阀，其由一系列符合高斯强度分布的相变单元组成，使得激光通过光阀时，其光斑被均衡化，从而改善子像素中光强分布的均匀性，进而提高激光显示的质量；光学投影***，用于接收由高斯相变灰度光阀调制后的激光，并将其投影至显示幕布上；显示幕布，用于接收并显示光学投影***投影的激光画面。
激光背光光源包括能发射单色或多色的激光发射器以及分束器，分束器用于将来自激光发射器的激光分离为多个独立的激光束。
高斯相变灰度光阀由衬底、高斯分布式相变控制单元阵列、增透层、crossbar控制结构组成。高斯分布式相变控制单元阵列，每个子像素中由n2个相变单元组成，中间相变单元厚度为边缘厚度的√2-3√2倍。增透层的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数，X≥1，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。crossbar控制结构包括多个水平电极组成的水平电极层和多个垂直电极组成的垂直电极层，所述多个水平电极和所述多个垂直电极形成交叉点阵列，每个交叉点中间都有一个光调制像素单元。
光学***包括一个或多个透镜，用于调正激光的焦距或方向，该光学***还包括一个光学调节模块，用于根据从数据处理器接收到的控制信号，自动调节透镜工作状态，以优化显示图像的质量。
本发明的激光显示技术可以广泛应用但不限于大尺寸电视、电子游戏设备、航空航天设备、军事装备或医疗设备的高分辨率需求。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明高斯相变灰度光阀在像素中的分布图；
图3是本发明增透层结构示意图；
图4是本发明crossbar控制电极结构示意图
附图标记：101激光发射器，102分束器，103高斯相变灰度光阀阵列，104光学***，105显示幕布，201红色子像素，202绿色子像素，203蓝色子像素，204相变控制单元，301高折射率薄膜层，302低折射率薄膜层，303高折射率薄膜层。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于相变材料的激光显示技术，旨在实现高分辨率、高帧率、光强分布均匀且传输高效的激光显示技术。
如图1所示，是本发明结构分布示意图，激光发射器101发出单色或多色激光，分束器102将来自激光发射器的激光分离为多个独立的激光束，高斯相变灰度光阀103将根据信息对激光进行振幅的调制，光学***104用于调正激光的焦距或方向。
如图2所示，是本发明高斯相变灰度光阀103在像素中的分布图，所述的高斯相变灰度光阀103由衬底、高斯分布式相变控制单元阵列、增透层、crossbar控制结构组成。每个子像素中由n2个相变单元组成，中间相变单元厚度为边缘相变单元厚度的√2-3√2倍，使得激光通过光阀时，其光斑被均衡化，从而改善子像素中光强分布的均匀性，进而提高激光显示的质量,其原理是√2-3√2是高斯分布标准差的范围。在高斯分布中，68％的数据位于均值加减一个标准差之内，即√2倍的范围内。约95％的数据位于均值加减两个标准差之内，即3√2的范围内。
所述的光学***104包括一个或多个透镜，用于调正激光的焦距或方向，该光学***还包括一个光学调节模块，用于根据从数据处理器接收到的控制信号，自动调节透镜工作状态，以优化显示图像的质量。
如图3所示是本发明增透层结构示意图；所述增透层的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层301、303，L为低折射率低消光系数薄膜层302，X为膜层组周期数(X≥1)，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长，用于提高透过率。
如图4所示，是本发明crossbar控制电极结构示意图；所述的crossbar控制结构即为两层电极层，所述的crossbar控制结构由多个水平控制电极和垂直电极形成交叉点阵列，每个交叉点中间都有一个光调制像素单元。
激光经过光调制像素单元，相变材料层的相变材料在电刺激或者激光刺激下可以在晶态和非晶态之间转换从而使得相变层的透过率发生变化。相变控制层204中夹着相变材料的两层透明电极层可以通过施加电压来控制相变材料的晶化状态，具体的，对相变材料层施加一个强度中等的脉冲电压或者激光脉冲，相变材料在电流或者激光脉冲的作用下温度升高到结晶温度以上，熔化温度以下的温度区间，并保持一定的时间，晶格此时有序排列形成晶态，实现由非晶向晶态的转变；对相变材料施加一个短而强的电压或者激光脉冲，使相变材料温度升高到熔化温度以上，使晶态的长程有序遭到破坏，脉冲下降沿非常短导致相变材料经快速冷却至结晶温度以下，使相变材料固定于非晶态，实现由晶态向非晶态转变，通过相变材料层的相变材料在非晶态和晶态之间相互转化时的透射率变化来对对空间入射光进行强度调制。
相变材料层的相变材料可以包括下列硫系化合物及其合金，包括但不限于：GST、GSST、IST、GeTe、SbTe、BiTe、InSb、InSe、GeSb、SbSe、GaSb、GaSb、GeSbTe、AgInSbTe、InSbTe、AgSbTe、Ag2In4Sb76Te17(AIST)，此外，上述各化学式中的原子百分比可变。相变材料层可进一步包含至少一种掺杂剂，如C、N。优选地，相变材料选择Sb2Te3，相同厚度下Sb2Te3在相变前后发生的透射率变化最大，且Sb2Te3的相变温度较低，转变所需要的电压或激光的幅值低，脉宽窄，便于降低整个器件的能耗及提高相变材料的响应速度，从而提升器件的图像刷新率，展现出更好的效果。
相变材料层的厚度在20nm～100nm范围，由于相变材料层的厚度的增加会使得可见光的透过率降低，且相变材料晶化所需的温度也越高，较合适的厚度是30nm。相变材料层的相变材料可以用激光驱动，也可以用电压驱动，电压驱动时，相变层两边的透明电极施加电压使相变材料发生相变。
该相变滤光组件的相变层在不同状态下透过率相差很大，相变材料在晶态和非晶态状态下是稳定的，所以相变材料在稳定状态下时可以移除电压或激光，所以整个器件的功耗很低。
该相变滤光组件的在晶态和非晶态之间转换时其速度很快，即单个像素在由暗转亮或由亮转暗所需要的时间很短，大约在100ns以下，完全满足各种场景下对器件响应速度的要求。
增透层的作用是为了解决由于界面反射、相变材料具有一定的消光系数等问题导致的透射光能量弱的问题，经过增透膜增透处理的透射光不仅可以提高透射率，同时也大大减少光在元件之间连续反射的能量，提高空间光的利用效率，增透层的低折射率材料可以包括以下材料，包括但不限于：SiO2、Al2O3、In2O3、MgF2，增透层的高折射率材料可以包括以下材料，包括但不限于：ZnS、TiO2等。
所述的激光显示技术可以广泛应用但不限于大尺寸电视、电子游戏设备、航空航天设备、军事装备或医疗设备的高分辨率需求。
通过以上的实施例，我们可以看到这种基于相变材料的激光显示技术具有响应速度快，分辨率高、光斑强度分布均匀、光利用率高等特点，可以在广泛的应用中使用。
为本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于相变材料的激光显示装置，其特征在于，所述激光显示装置包括激光背光源、高斯相变灰度光阀、光学投影***、显示幕布；
所述激光背光光源，其用于发射单色或多色激光光束，通过激光的颜色、强度和方向的控制，以生成所需的图像的光源；
所述高斯相变灰度光阀，其由一系列符合高斯强度分布的相变单元组成，使得激光通过光阀时，其光斑被均衡化，从而改善子像素中光强分布的均匀性，进而提高激光显示的质量；
所述光学投影***，用于接收由所述高斯相变灰度光阀调制后的激光，并将其投影至显示幕布上；
所述显示幕布，用于接收并显示光学投影***投影的激光画面。
2.根据权利要求1所述的基于相变材料的激光显示装置，其特征在于，所述的激光背光光源包括能发射单色或多色的激光发射器以及分束器，分束器用于将来自激光发射器的激光分离为多个独立的激光束。
3.根据权利要求1所述的基于相变材料的激光显示装置，其特征在于，所述高斯相变灰度光阀由衬底、高斯分布式相变控制单元阵列、增透层、crossbar控制结构组成。
4.根据权利要求3所述的基于相变材料的激光显示装置，其特征在于，所述的高斯分布式相变控制单元阵列，每个子像素中由n2个相变单元组成，中间相变单元厚度为边缘厚度的√2-3√2倍。
5.根据权利要求3所述的基于相变材料的激光显示装置，其特征在于，所述的增透层的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数，X≥1，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。
6.根据权利要求3所述的基于相变材料的激光显示装置，其特征在于，所述的crossbar控制结构包括多个水平电极组成的水平电极层和多个垂直电极组成的垂直电极层，所述多个水平电极和所述多个垂直电极形成交叉点阵列，每个交叉点中间都有一个光调制像素单元。
7.根据权利要求1所述的基于相变材料的激光显示装置，其特征在于，所述的光学***包括一个或多个透镜，用于调正激光的焦距或方向，该光学***还包括一个光学调节模块，用于根据从数据处理器接收到的控制信号，自动调节透镜工作状态，以优化显示图像的质量。
8.一种移动终端，其特征在于，所述终端包括权利要求1-7中任一的基于相变材料的激光显示装置。
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