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:ScienceApplications》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。
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。他曾获得年美国光学学会EstherHoffmanBeller勋章、年国际信息显示学会Slottow-Owaki奖、年美国光学学会JosephFraunhofer奖、年国际信息显示学会JanRajchman奖和年国际光学工程学会G.G.Stokes奖。他还被选为年台湾交通大学荣誉教授、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)，发表多篇期刊论文，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,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（HughesResearchLaboratories）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。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GoogleGlass，HoloLens和MagicLeap1；以及2）直视型反射显示器，例如任天堂GAMEBOYColor。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，我在年转行到学术界。我很怀念我在休斯的那段时间。
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：正如我们在年的论文Liquidcrystaldisplayandorganiclight-emittingdiodedisplay:presentstatusandfutureperspectives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25-30nm。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：1，电视的对比度约为0：1。最近2-3年，借助mini-LED（芯片尺寸为-μm）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,,：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0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nits的LCD已经商业化，可用于户外公共信息显示。在年SID显示周上，夏普展示了一种10,nits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。
年，吴诗聪教授任职SID荣誉与奖励委员会主席;OLED发明者邓青云教授(中间)同为委员会委员
《Light》记者：Micro-LED是当前显示领域的研究热点，也是最有潜力的显示技术之一，与Mini-LED相比，除了显示像素的尺寸不同，两者的技术指标与性能的差异主要体现在哪些方面呢？制备工艺与难度面临着怎样的挑战？两种显示技术在现实生活中的潜在应用都包括什么？
吴诗聪：是的，如果micro-LED的成本可以与LCD和OLED相媲美，那么它可能会成为一种颠覆性的显示技术。micro-LED的芯片尺寸小于50微米，无需偏光片和滤色片，RGBmicro-LED显示器可提供前所未有的峰值亮度和深度暗态。此外，芯片尺寸可以比像素小很多，实现了较小的孔径比。例如，索尼的Crystalmicro-LED显示屏的孔径比仅为1％，剩下的99%被黑底覆盖。如此小的孔径，可实现大面板、透明显示器的无缝拼接，并具有良好的阳光可读性。在年，索尼展示了一款模块化CLEDISmicro-LED显示屏，面板尺寸为19.2mx5.4m，分辨率为16Kx4K，唯一的缺点是它的价格超过万美元。随着前景广阔的发展和对先进技术的大量投资，制造和维修技术都在不断的进步。一个积极的目标是在未来5年内将micro-LED成本降低20倍。
由于mini-LED的芯片尺寸在-微米左右，因此它的生产良率比micro-LED高，成本也比micro-LED低。mini-LED有两种应用:1)作为LCD的背光，2)本身作为发光显示器。前者已经被几乎所有的大型显示公司商业化，如苹果、三星、LGD、京东方、TCL、友达、和群创等，用于电视、台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、和AR/VR显示器。最初的价格仍然较高，但随着技术的成熟，预计价格会迅速下降。mini-LED作为发射显示器应用时，它的像素大小与观看距离都跟人眼的视觉敏锐度有关，即1arcmin。例如，在一辆汽车中，驾驶员距离一个12.3英寸的仪表显示面板大约0.8米，所需的分辨率约为PPI(像素/英寸)。因此，mini-LED可以用作无需LCD的发射显示器。其优异的峰值亮度将让GPS导航在阳光下仍然看的清楚。
年，吴诗聪教授访问PlayNitride讨论micro-LED的未来发展
《Light》记者：作为液晶显示技术的先驱者与开拓者，您认为目前限制液晶显示技术发展的关键问题有哪些？对于显示领域未来的发展趋势与方向，能发表一下您的看法吗？
吴诗聪：经过50年的研究和开发，以及对先进制造技术的大量投资，液晶显示器的一些主要问题，如视角、解析度、峰值亮度、色域、响应时间等都已逐渐被克服了，剩下的技术挑战是对比度、功耗和柔性。液晶材料是非发射性的，所以LCD需要一个有效率的背光和交叉偏光片来实现良好的对比度。一般液晶显示器的对比度大约从:1到0:1，这远远比不上OLED和micro-LED。通过mini-LED背光划分成足够的区域，LCD的对比度可以提高到与OLED和micro-LED相当的水平。此外，量子点和双色荧光粉大大地拓宽了LCD的色域。因此，我相信在micro-LED价格尚未降至消费者可接受的水平之前，基于mini-LED的宽色域液晶显示器将继续主导大型面板的应用与市场。
对于所有显示器，特别是电池供电的移动显示器来说，功耗是一个关键问题，功耗与显示的图像密切相关。如果图像大多较暗，那么OLED的功耗要比LCD低。不过最近的mini-LED背光已经扭转了这种劣势,在较暗的影像也可以像OLED那么省电。另一方面，如果图像大多是明亮的，那么LCD的功耗要比OLED低。液晶面板的平均透射率约为5%，主要受偏光片和滤色片的限制。3M公司的DBEF(双倍增强膜)可实现偏振再循环，使光学效率几乎翻倍。为了去除滤色片，LCD有一个秘密武器叫场序列色，通过这种操作方式,解析度密度和光学效率都可以提高三倍。但是，为了抑制颜色分裂，帧频也应该提高三倍，即LC响应时间应该小于1ms。另一种提高LCD光学效率的方法是使用更有效率的mini-LED。根据Haitz定律，LED的发光效率几乎每两年就翻一番。
要使LCD柔性化是一项挑战，因为我们需要一个柔性背光和聚合物柱，使LC单元间隙在弯曲的时候保持不变。柔性mini-LED已经被数家公司演示，如Innolux和TCL/CSOT，而FlexEnable/Truly和Merck已经开发了聚合物柱。但是，它的柔性仍然不如OLED。
年，吴诗聪教授及其博士论文导师MichaelBass分别获得OSA的奖项
《Light》记者：您的杰出贡献极大的推动了液晶显示技术的发展和进步，您发明的混合模式扭曲型（Mixed-modeTwistedNematic）液晶器件，已被广泛应用于高端商业电子产品中，极大的改善并提升了人类的生活品质。在您潜心研究液晶显示技术的过程中，您遇到过哪些瓶颈？是什么信念支撑着您勇往直前地攻克那些难关呢？有没有让您特别难忘的事情或经历？
吴诗聪：我很感激我的一些发明可以进一步发展成为新产品来造福人类生活。我的MTN是在年发明的，并于年和年获得了两项专利。当时休斯已经将它的LCD技术卖给了JVC，随后JVC又将休斯的技术带回日本。因此，我们小组的研究资金变得紧张，我的大多数团队成员不是退休就是换了工作。
休斯研究实验室位于加州马里布海滩风景秀丽的山坡上。它正面面对着太平洋，背面是一座小山。我喜欢那里的工作环境，想在那里退休。然而，没有资金，我无法继续液晶显示器的研究。有一次，我拜访了我的博士论文导师MichaelBass教授，他离开了南加州大学到中佛罗里达大学担任主管研究的副校长，他问我是否有兴趣加入UCF当教授。我很挣扎，因为我的女儿即将进入加州大学伯克利分校，而我的儿子即将进入高中。经过和太太的讨论之后，她同意了。当然，我儿子非常不愿意搬到佛罗里达去，因为他会失去他的朋友。几天后，我递交了辞职信。年7月21日，我们全家开车从洛杉矶前往奥兰多。我们在路上度过了5天，拜访了我们的朋友，享受了沿途美景，我和家人生命的新篇章就这样开始了。
吴诗聪教授发明的反射式MTN液晶显示器,除了已经被广泛使用在LCoS增强现实之外,京东方也已研发出直视型显示器,正在评估其量产的可能性。
年，吴诗聪教授全家开车从加州搬到佛罗里达
《Light》记者：我们知道，除了科研之外，您非常注重人才教育与培养，指导的博士生已达数十位，为学术界和产业界输送了大量的优秀人才。您曾经鼓舞青年研究者：要敢于做一个先驱，而不是一个跟随者，做出一项发明或者发现，这是刺激和有意义的。作为科研路上的领路人，您认为青年科研工作者应该具备哪些素养？您在培养学生方面有哪些心得体会？
吴诗聪：时光飞逝，我在UCF已经19年了。在这期间我培养了博士毕业生34人，硕士生8人，指导博士后20人，接待访问学者超过20人。目前，我还有10名在读博士生。毕业后，大约90%的学生进入了工业界，只有10%的学生继续留在学术界。苹果公司是我的学生的最大雇主，目前，我有13名学生在苹果公司工作，4名学生在Facebook工作，他们为iPad、iPhone、MacBook和AR/VR显示屏做出了不可估量的贡献。
当我的新学生刚到UCF时，我总是先问他们:“到目前为止，你们对人类有什么贡献?”经过一番思考，他们会回答“目前还没有”。然后我会鼓励他们说:“在接下来的几年里，你会的。”在历史上有些博士生的论文后来导致了诺贝尔奖或重大技术突破。诺贝尔物理学奖的范围包括重大发现(例如引力波)，或是重大发明(例如蓝光LED)。
领导者和追随者之间的区别是显而易见的。作为一个先锋，你在探索新事物，因为以前没有人这样做过，所以你必须确保你的结果是正确的。作为博士论文指导老师，我需要有远见卓识，才能引导我的学生找到正确的研究方向，如此就能事半功倍。当今时代技术发展迅速，因此我也必须保持着研究的活力。例如，在过去的20-30年里，CRT和PDP曾与LCD激烈竞争，但最终被淘汰。现在，LCD正在与OLED和micro-LED竞争，每种技术都有其优点和缺点,很难预测谁会最终脱颖而出。因此，我必须分析它们的基本原理和材料特性，是否存在限制其发展的根本问题，比如OLED的寿命和烙印,以及micro-LED的制造和修补，这些障碍能否通过合理的成本来克服?
我爱我的学生像爱自己的孩子一样，他们的年龄相似，我希望我的学生能发掘出他们最大的恩赐与潜能。在一个大的团队中，我的学生有机会相互讨论和合作，因此，他们的工作效率很高。我的博士生平均每人在毕业前发表了大约20篇期刊论文。他们不断地获得世界性的专业组织（如IEEE、OSA、SPIE和SID）的重大奖项，他们让我感到骄傲。
目前为止,吴诗聪老师有13名学生在苹果公司工作,为苹果的智能手机,平板电脑和未来产品做出了重要贡献.
《Light》记者：您在Light上发表的综述文章Liquidcrystaldisplayandorganiclight-emittingdiodedisplay:presentstatusandfutureperspectives同时入选了年度Light优秀论文、高引用论文、高下载论文，其被引频次高达；您的另外一篇文章GoingbeyondthelimitofanLCDscolorgamut也入选了年度高引用论文；而您最近在Light上发表的综述文章Mini-LED,Micro-LEDandOLEDdisplayspresentstatusandfutureperspectives，自6月18日上线以来，短短两个月左右的时间内，访问量已经达到10余次，这离不开您精湛的专业技术背景与享誉业界的高度影响力，我们也衷心感谢您对Light期刊的鼎力支持与杰出贡献，将这么重要且极具影响力的科研成果投给Light，让我们见证了一个又一个骄人的数据，您认为Light期刊具有哪些独特的魅力？我们在哪些方面还需要提升与加强？您能对Light的发展提一些宝贵建议吗？
吴诗聪：Light属于Nature家族，影响因子很高。坦率地说，要在Light上发表论文并不容易，大约80-90%的稿件无法通过审查。到目前为止，我的团队仅在Light上发表了3篇论文，其中2篇为综述文章，这两篇文章是由认识我的资深编辑特别邀请的。写一篇综述文章需要对一个新兴领域或热门议题有深入浅出的了解，才能激发广泛读者的兴趣。
Light，顾名思义，聚焦的是新科学和新兴应用。因此，它的读者群相当广泛，潜在影响力也很大。然而，近年来其他竞争期刊也正在崛起。
几年前，我担任IEEE/OSAJournalofDisplayTechnology创办主编达5年之久。每年，我都被邀请去参加为期3天的OSA冬季领导力研讨会。OSA是一个非常专业的学会，当我担任出版委员会主席时，OSA创办了旗舰期刊Optica，它的原始计划就是要成为一个高影响的期刊。一开始，编辑委员会积极邀请一些重量级的OSA会员来撰写评论论文和原创论文，它的影响因子确实每年都在稳步上升。
有些期刊会请管理编辑来发掘新兴的主题和领先的研究群。之后，他们会邀请这些权威学者或专家来撰写评论或观点论文，这对提升它的影响因子是有益的。我不认为Light需要做同样的事情。作为Nature大家族的一员，Light已经有了卓著的声誉。不过,有权威的评论文章对提升期刊的影响力确实是有帮助的。
年，南京大学颁发荣誉教授给LCD的奠基科学家Dr.MartinSchadt(左三)和吴诗聪教授.
参考文献
1.Chen,H.,Lee,J.,Lin,B.etal.Liquidcrystaldisplayandorganiclight-emittingdiodedisplay:presentstatusandfutureperspectives.LightSciAppl7,().