導讀

色輪是當代投影顯示中最重要的器件之一。近日，福州大學/閩都創新實驗室郭太良和嚴群教授科研團隊的陳恩果教授研究小組在投影顯示用高性能色轉換器件研究中取得重要進展，研究成果以“Quantum-dot color wheel for projection displays”為題發表在光學期刊 Optica。他們通過理論推導、仿真分析和實驗驗證，系統地演示了一種新的投影顯示用量子點色輪器件，相對于傳統投影顯示所用分色器件具有更高的色純度和光轉換效率，在投影顯示和其他顯示領域具有廣闊的應用前景。

研究背景

傳統投影色輪實現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色輪的色轉換性能較低，顯示色彩不理想。2023年，諾貝爾化學獎頒給了量子點材料的合成和發現，將量子點材料引入傳統色輪會大大提升色輪器件的色轉換性能，不同于傳統色輪是濾光型的色彩生成機制，量子點色輪是采用光致發光的色轉換機制，這一工作方式的不同使得量子點色輪具有更高的光轉換效率，讓投影顯示系統的色彩性能提升到一個新的高度。

研究創新點

基于以上基礎，陳恩果教授團隊從量子點色輪的白平衡設計與仿真入手，提出了調節色輪三基色圓心角占空比的白平衡調節理論，將實驗獲得的材料和膜層參數導入仿真軟件中，建立量子點色輪模型，通過不斷優化三基色圓心角占空比參數，獲得了量子點色輪實現白平衡時的三基色圓心角占空比，最終輸出的CIE坐標與D65光源完美匹配。通過光刻工藝制備的量子點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光下能夠發出鮮艷明亮的紅、綠色光。

將通過光刻工藝制備的量子點色輪與藍光Micro-LED結合，以電機驅動量子點色輪勻速旋轉，在藍光的激發下，色輪依次發出紅、綠、藍三基色光，然后根據顏色疊加原理，紅、綠、藍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，最終量子點色輪器件發射光譜的CIE色坐標為（0.317,0.338），與D65白光源的色坐標（0.313,0.329）匹配良好，驗證了仿真結果的正確性，且最終計算出量子點色輪器件的色域面積高達116.6%NTSC，比傳統的色輪器件高出約40%NTSC。

為進一步探索量子點色輪用于投影直視顯示，將量子點色輪與藍光激光投影儀結合組成了展示樣機，激光投影儀提供的藍光圖像源經過量子點色輪色轉換直接投射至屏幕，最終在屏上直接觀察到紅、綠、藍三種顏色的彩色圖案，驗證了量子點色輪直接投影顯示的可行性。

總結與展望

該研究通過理論推導、仿真分析和實驗驗證，對一種新的量子連續波器件進行了系統地研究和實驗驗證，采用多輪光刻工藝制備了量子點色輪器件樣品。提出的量子點色輪器件的LCE比傳統的色輪器件高1.2倍，色域面積比傳統的色輪器件高約40%。利用該量子點色輪器件樣品組裝了一個直視激光泵浦投影儀，實現了全彩色投影圖像。這種新型的量子連續波器件具有更高的效率和顯色性能，有望應用于投影顯示和相關顯示領域。

論文以福州大學為第 一完成單位，閩都創新實驗室為第二完成單位，物理與信息工程學院2020級碩士研究生嚴銀菓為論文第 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實驗工作。該項研究工作獲得國家自然科學基金面上項目、閩都創新實驗室自主部署項目的支持與資助。

論文鏈接：

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