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由吸光材料組成的色塊來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)獎頒給了量子點(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

    該研究通過理論推導(dǎo)、仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對一種新的量子連續(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