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《Light》人物:专访“液晶屏幕业界先锋”吴诗聪教授

励志人生网 2020-09-19 08:02 励志人物 101次

原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#Light人物5个
Light记者 | 孙婷婷
编者按
近日,美国中佛罗里达大学光学与光子学学院杰出教授、佛罗里达州发明家名人堂六名入选者之一、美国国家发明家学院院士吴诗聪教授接受了 《Light》记者孙婷婷的专访,就液晶显示技术与材料等关键研究问题进行深入探讨与解答,并发表了他对显示技术未来发展趋势的看法。同时,吴诗聪教授还分享了在科研工作中保持初心与培养优秀人才的宝贵经验与心得体会。
《Light》人物是《Light: Science & Applications》发起的系列高端人物访谈。这一期,我们很荣幸能邀请到液晶显示领域的泰斗级专家——吴诗聪教授。本期采访展现了一个敢为先驱、勇于突破的世界顶级科学家与发明家的卓越风采。

《Light》人物:专访“液晶屏幕业界先锋”吴诗聪教授

吴诗聪 教授
吴诗聪是美国中佛罗里达大学(UCF)光学与光子学学院的杰出教授。在2001年加入中佛罗里达大学任教前,他在加州著名的休斯研究实验室工作了18年,休斯实验室是首例激光和硅基液晶的发明地。他在UCF的研究主要集中在三个领域:
1)先进的显示器,包括mini-LED、micro-LED、量子点LCD以及AR/VR显示器;
2)激光束转向和人眼成像的光学;
3 )自适应镜头,如可调/可切换焦点的液晶和液体镜头。
吴诗聪是佛罗里达发明家名人堂首批的六名入选者之一,是美国国家发明家学院首批院士,电气和电子工程师协会(IEEE)、美国光学学会(OSA)、国际信息显示学会(SID)和国际光学工程学会(SPIE)会士。他曾获得2014年美国光学学会 Esther Hoffman Beller 勋章、2011年国际信息显示学会Slottow-Owaki 奖、2010年美国光学学会Joseph Fraunhofer 奖、2008年国际信息显示学会Jan Rajchman 奖和2008年国际光学工程学会G. G. Stokes 奖。他还被选为2018年台湾交通大学荣誉教授、2013年南京大学荣誉教授。吴教授合著了7本书 (其中两本被译成中文),发表600多篇期刊论文,290篇会议论文,并拥有92项美国专利。他的出版物已被引用超过35,500次,h指数为89。他曾担任IEEE /OSA显示技术杂志的创刊主编,OSA出版委员会主席,OSA董事会和SID荣誉和奖励委员会主席。
深度专访
《Light》记者:您在2001年加入美国三大光学中心之一的中佛罗里达大学任教之前,曾在现代激光技术的发源地-美国著名的休斯研究实验室(Hughes Research Laboratories)工作18年,并且在那里发明了硅基液晶,多年来您一直活跃在液晶研究领域的前沿,攻克了多项液晶显示的关键技术,并取得多项重要发明。我们很想知道,最初是什么让您对液晶研究产生了浓厚兴趣,或者说是什么激发了您的研究灵感?在您的科研生涯中,是如何数十年如一日地保持对科研工作的热情与初心?
吴诗聪:在加入休斯研究实验室(HRL)之前,我根本不了解液晶(LC)。我的博士学位论文主要研究大功率红外激光与材料的相互作用,我在红外领域有一定的背景,但在HRL的工作是探索液晶的红外特性与应用。在1980年代初期,几乎所有的液晶研发都针对平板显示器以便与CRT竞争。令人兴奋的是,我是第一个发现液晶的红外特性及其应用的人。基于这一突破,我的团队开发了第一台基于液晶的红外投影仪。类似于我们在会议室中使用的投影仪,只是投影的图像是红外图像。人眼看不到红外图像,但许多红外探测器可以看到。因此,我的小组获得了大量研究经费,以继续进行液晶研究。经过一番努力,我发现了液晶双折射的起源,并推导出扩展柯西方程来描述折射率。1830年发布的经典柯西方程式仅适用于各向同性材料,但不适用于各向异性的液晶。在休斯实验室,我还发明了一种新的反射式显示器,称为混合模式扭曲型(MTN)液晶。MTN启用了两个新的显示设备:1)用于增强现实显示器的硅基液晶(LCoS)投影仪,例如Google Glass,HoloLens和Magic Leap 1;以及2)直视型反射显示器,例如任天堂GAME BOY Color。最近,京东方和天马演示了反射型MTN液晶原型,在室外阳光下仍然可以看得清楚的直视型显示器。
做研究很有趣,尤其是当我发现一些新的知识可以来改善人类生活的时候。时间流逝,一眨眼我在HRL就过了18年,我在2001年转行到学术界。我很怀念我在休斯的那段时间。

《Light》人物:专访“液晶屏幕业界先锋”吴诗聪教授

2014年,吴诗聪教授等六人入选首届佛罗里达州发明家名人堂
《Light》记者:近年来,传统液晶显示(LCD)的劣势日益明显,背光层的存在限制了其在柔性场景中的应用,有机发光二极管(OLED)显示技术由于其优越的暗态性能,轻薄自由的外形等优点,在电视和智能手机等领域与LCD展开了激烈的竞争,您能说一下LCD和OLED显示在实现高动态范围HDR性能中的主要优势与劣势吗?
吴诗聪:正如我们在2018年的论文"Liquid crystal display and organic light-emitting diode display: present status and future perspectives"【】中的分析,与OLED相比,LCD在寿命,峰值亮度和成本方面具有优势,而OLED在纯暗状态、快速响应时间和超薄外型方面具有优势,从而实现柔性显示。LCD是非发射性的,因此它需要背光单元(BLU)。缺点是BLU会增加LCD面板的厚度并限制其柔性。然而,优点是LCD可以使用高效率且长寿命的蓝光LED作为背光,并使用绿色和红色量子点作为颜色转换层以实现宽色域。绿色和红色量子点的半峰全宽仅为25-30 nm。因此,量子点增强型LCD比OLED表现出更宽的色域。
另一个重要的性能指标是高动态范围(HDR)。显示器的动态范围由峰值亮度,暗态深度和灰阶细度决定。由于TFT阵列、LC层和彩色滤光片会轻微破坏背光的偏振态,所以智能手机的典型LCD对比度约为2000:1,电视的对比度约为5000:1。最近2-3年,借助mini-LED(芯片尺寸为100-200μm)背光和足够的局部调光区域,LCD的对比度可以提高到与OLED相当的1,000,000:1。mini-LED背光的LCD可以看作是双层面板显示器。第一层mini-LED可用作低分辨率(例如1000个区域)背光面板,而第二层LCD用作高分辨率(例如8K)显示器。通常,mini-LED可以提供8阶灰度,而LCD也可以提供8阶灰度, 所以mini-LED 背光的LCD可以达到16阶灰度。同时mini-LED背光也可以提供高亮度。大于2000 nits的LCD已经商业化,可用于户外公共信息显示。在2020年SID显示周上,夏普展示了一种10,000nits的IGZO(铟镓氧化锌)液晶显示器。同样,我们也可以提高OLED显示器的亮度,但是存在效率降低、图像烙印和寿命缩短等问题。
另一个常见的误解是OLED的响应时间比LCD快得多, 所以图像比较清晰。这从材料的角度来看是正确的。但是,有源矩阵显示器的图像模糊是由运动图像响应时间(MPRT)来决定的,该时间是由显示材料的响应时间,帧频和占空比共同决定。确实,OLED具有比LCD更快的材料响应时间,但是LCD可以使用更低的占空比来实现与OLED相同或更快的MPRT,因为它具有更高的峰值亮度。虽然低占空比有助于抑制图像模糊,但会降低显示器的亮度。
因此,我认为以mini-LED为背光的宽色域LCD会继续在平板电脑,笔记本电脑,游戏显示器和电视中占据主导地位。对于高端智能手机,OLED正在蓄力发展,因为在这一细分市场中,设备寿命并不那么关键,而且其超薄外形可实现新型柔性显示器并使用更高容量的电池。值得一提的是,在2019年台湾触控展上,群创光电展示了一款三屏拼接液晶屏,接缝和边框都非常窄。看到这些原型后,我印象非常深刻。由于良性竞争,LCD和OLED的图像质量都越来越好,而且价格越来越便宜。客户是最终的赢家。
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