前沿進(jìn)展 | “量子點(diǎn)色輪”助力投影顯示光效和色域雙提升

    導(dǎo)讀

    色輪是當(dāng)代投影顯示中最重要的器件之一。近日，福州大學(xué)/閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室郭太良和嚴(yán)群教授科研團(tuán)隊(duì)的陳恩果教授研究小組在投影顯示用高性能色轉(zhuǎn)換器件研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以“Quantum-dot color wheel for projection displays”為題發(fā)表在光學(xué)期刊 Optica。他們通過(guò)理論推導(dǎo)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)地演示了一種新的投影顯示用量子點(diǎn)色輪器件，相對(duì)于傳統(tǒng)投影顯示所用分色器件具有更高的色純度和光轉(zhuǎn)換效率，在投影顯示和其他顯示領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

    研究背景

    傳統(tǒng)投影色輪實(shí)現(xiàn)的色彩定義是讓白光通過(guò)由吸光材料組成的色塊來(lái)濾除掉其他波段的光，從而獲得特定顏色光，工作方式和材料的局限性使得傳統(tǒng)色輪的色轉(zhuǎn)換性能較低，顯示色彩不理想。2023年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了量子點(diǎn)材料的合成和發(fā)現(xiàn)，將量子點(diǎn)材料引入傳統(tǒng)色輪會(huì)大大提升色輪器件的色轉(zhuǎn)換性能，不同于傳統(tǒng)色輪是濾光型的色彩生成機(jī)制，量子點(diǎn)色輪是采用光致發(fā)光的色轉(zhuǎn)換機(jī)制，這一工作方式的不同使得量子點(diǎn)色輪具有更高的光轉(zhuǎn)換效率，讓投影顯示系統(tǒng)的色彩性能提升到一個(gè)新的高度。

    研究創(chuàng)新點(diǎn)

    基于以上基礎(chǔ)，陳恩果教授團(tuán)隊(duì)從量子點(diǎn)色輪的白平衡設(shè)計(jì)與仿真入手，提出了調(diào)節(jié)色輪三基色圓心角占空比的白平衡調(diào)節(jié)理論，將實(shí)驗(yàn)獲得的材料和膜層參數(shù)導(dǎo)入仿真軟件中，建立量子點(diǎn)色輪模型，通過(guò)不斷優(yōu)化三基色圓心角占空比參數(shù)，獲得了量子點(diǎn)色輪實(shí)現(xiàn)白平衡時(shí)的三基色圓心角占空比，最終輸出的CIE坐標(biāo)與D65光源完美匹配。通過(guò)光刻工藝制備的量子點(diǎn)色輪具有光滑平整的表面，有利于減小色輪的光散射，在自然光和UV光下能夠發(fā)出鮮艷明亮的紅、綠色光。

    將通過(guò)光刻工藝制備的量子點(diǎn)色輪與藍(lán)光Micro-LED結(jié)合，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)色輪勻速旋轉(zhuǎn)，在藍(lán)光的激發(fā)下，色輪依次發(fā)出紅、綠、藍(lán)三基色光，然后根據(jù)顏色疊加原理，紅、綠、藍(lán)三基色光將會(huì)在空間中疊加，最后出射的就是光譜疊加后的白光，最終量子點(diǎn)色輪器件發(fā)射光譜的CIE色坐標(biāo)為（0.317,0.338），與D65白光源的色坐標(biāo)（0.313,0.329）匹配良好，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，且最終計(jì)算出量子點(diǎn)色輪器件的色域面積高達(dá)116.6%NTSC，比傳統(tǒng)的色輪器件高出約40%NTSC。

    為進(jìn)一步探索量子點(diǎn)色輪用于投影直視顯示，將量子點(diǎn)色輪與藍(lán)光激光投影儀結(jié)合組成了展示樣機(jī)，激光投影儀提供的藍(lán)光圖像源經(jīng)過(guò)量子點(diǎn)色輪色轉(zhuǎn)換直接投射至屏幕，最終在屏上直接觀察到紅、綠、藍(lán)三種顏色的彩色圖案，驗(yàn)證了量子點(diǎn)色輪直接投影顯示的可行性。

總結(jié)與展望

    該研究通過(guò)理論推導(dǎo)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)一種新的量子連續(xù)波器件進(jìn)行了系統(tǒng)地研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用多輪光刻工藝制備了量子點(diǎn)色輪器件樣品。提出的量子點(diǎn)色輪器件的LCE比傳統(tǒng)的色輪器件高1.2倍，色域面積比傳統(tǒng)的色輪器件高約40%。利用該量子點(diǎn)色輪器件樣品組裝了一個(gè)直視激光泵浦投影儀，實(shí)現(xiàn)了全彩色投影圖像。這種新型的量子連續(xù)波器件具有更高的效率和顯色性能，有望應(yīng)用于投影顯示和相關(guān)顯示領(lǐng)域。

    論文以福州大學(xué)為第 一完成單位，閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為第二完成單位，物理與信息工程學(xué)院2020級(jí)碩士研究生嚴(yán)銀菓為論文第 一作者，陳恩果教授為通訊作者，肖宇澤、蔡俊虎、張宇碩也參與了相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作。該項(xiàng)研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室自主部署項(xiàng)目的支持與資助。

論文鏈接：

    https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-10-11-1559&id=542466