色轮是当代投影显示中最重要的器件之一。近日，福州大学/闽都创新实验室郭太良和严群教授科研团队的陈恩果教授研究小组在投影显示用高性能色转换器件研究中取得重要进展，研究成果以“Quantum-dot color wheel for projection displays”为题发表在光学期刊 Optica。他们通过理论推导、仿真分析和实验验证，系统地演示了一种新的投影显示用量子点色轮器件，相对于传统投影显示所用分色器件具有更高的色纯度和光转换效率，在投影显示和其他显示领域具有广阔的应用前景。
2023 | 前沿进展
02 研究背景
传统投影色轮实现的色彩定义是让白光通过由吸光材料组成的色块来滤除掉其他波段的光，从而获得特定颜色光，工作方式和材料的局限性使得传统色轮的色转换性能较低，显示色彩不理想。2023年，诺贝尔化学奖颁给了量子点材料的合成和发现，将量子点材料引入传统色轮会大大提升色轮器件的色转换性能，不同于传统色轮是滤光型的色彩生成机制，量子点色轮是采用光致发光的色转换机制，这一工作方式的不同使得量子点色轮具有更高的光转换效率，让投影显示系统的色彩性能提升到一个新的高度。
03 研究创新点
基于以上基础，陈恩果教授团队从量子点色轮的白平衡设计与仿真入手，提出了调节色轮三基色圆心角占空比的白平衡调节理论，将实验获得的材料和膜层参数导入仿真软件中，建立量子点色轮模型，通过不断优化三基色圆心角占空比参数，获得了量子点色轮实现白平衡时的三基色圆心角占空比，最终输出的CIE坐标与D65光源完美匹配。通过光刻工艺制备的量子点色轮具有光滑平整的表面，有利于减小色轮的光散射，在自然光和UV光下能够发出鲜艳明亮的红、绿色光。
图1 仿真获得的量子点色轮三基色占空比及其光谱
图2 通过光刻工艺制备的量子点色轮器件
将通过光刻工艺制备的量子点色轮与蓝光Micro-LED结合，以电机驱动量子点色轮匀速旋转，在蓝光的激发下，色轮依次发出红、绿、蓝三基色光，然后根据颜色叠加原理，红、绿、蓝三基色光将会在空间中叠加，最后出射的就是光谱叠加后的白光，最终量子点色轮器件发射光谱的CIE色坐标为（0.317,0.338），与D65白光源的色坐标（0.313,0.329）匹配良好，验证了仿真结果的正确性，且最终计算出量子点色轮器件的色域面积高达116.6%NTSC，比传统的色轮器件高出约40%NTSC。
图3 量子点色轮性能表征
为进一步探索量子点色轮用于投影直视显示，将量子点色轮与蓝光激光投影仪结合组成了展示样机，激光投影仪提供的蓝光图像源经过量子点色轮色转换直接投射至屏幕，最终在屏上直接观察到红、绿、蓝三种颜色的彩色图案，验证了量子点色轮直接投影显示的可行性。
图4 量子点色轮投影显示验证
04 总结与展望
该研究通过理论推导、仿真分析和实验验证，对一种新的量子连续波器件进行了系统地研究和实验验证，采用多轮光刻工艺制备了量子点色轮器件样品。提出的量子点色轮器件的LCE比传统的色轮器件高1.2倍，色域面积比传统的色轮器件高约40%。利用该量子点色轮器件样品组装了一个直视激光泵浦投影仪，实现了全彩色投影图像。这种新型的量子连续波器件具有更高的效率和显色性能，有望应用于投影显示和相关显示领域。
论文以福州大学为第一完成单位，闽都创新实验室为第二完成单位，物理与信息工程学院2020级硕士研究生严银菓为论文第一作者，陈恩果教授为通讯作者，肖宇泽、蔡俊虎、张宇硕也参与了相关实验工作。该项研究工作获得国家自然科学基金面上项目、闽都创新实验室自主部署项目的支持与资助。