第六章 光电显示

1、第6章 光电显示光电显示6.1光电显示技术基础6.2阴极射线显示6.3液晶显示6.4等离子体显示6.5场致发光显示6.1光电显示技术基础光电显示技术基础6.1.1显示技术与显示器件显示技术与显示器件1897年德国的布劳恩（Braun）发明了阴极射线管（CRT）雏形1968年美国的Heilmeier发现液晶双折射的电光效应可以用于制作显示装置，即现在的液晶显示器（LCD）20世纪90年代，液晶显示器首先在笔记本电脑领域取得了绝对优势。 显示器件与显示系统主要性能指标显示器件与显示系统主要性能指标 1 亮度 指垂直于传播方向单位面积上的发光强度，单位为cd/m2(坎德拉每平方米)。 一般室内观看清

2、晰可见亮度要在70 cd/m2 以上，室外要在300cd/m2以上。人眼可见的亮度范围为0.03-50000cd/m2。 填空坎德拉和流明的定义 坎德拉坎德拉在空气中波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度 时，则在该方向上的发光强度为1cd。 流明流明波长为555nm的单色辐射体，其辐射功率为1瓦时，则该辐射体所发出的光通量为634流明。2 对比度和灰度 对比度指画面上最大亮度与最小亮度之比。一般显示器对比度应达30:1。 灰度指图像画面上亮度的等级差别。灰度越多，图像层次越分明，图像越柔和。电视图像画面应有8级左右灰度，人眼可分辨的最大灰度级别为100级左

3、右。填空3 分辨力 分辨力是人眼观察图像清晰程度的标志。用光栅高度（帧高）范围内能分辨的等宽度黑白条纹（对比度100%）数目或电视扫描行数来表示。通常电视垂直分辨力为500线；也可用单一光点直径来表示,约为几微米到几毫米，电脑显示器分辨力常为0.28mm，CCD则可小到数微米以下。4 发光（显示）颜色 发光（显示）颜色可用发射光谱或显示光谱的峰值及带宽来衡量，或用色度坐标来表示。包括颜色的种类、层次与范围。 各种光电显示器性能比较见下表。6.1.2发光、色彩与视觉发光、色彩与视觉(1) 发光发光1 定义定义 指固体受到某种形式的能量激励后所产生的光发射现象，也即以某种方式(紫外线、高能电子、X

4、射线、/射线等高能辐射)来激发某些物质，使其部分能量以（非热激发形式）可见或近可见光谱形式重新发射出来的现象。分类：分类： 根据发光体化学结构可将发光现象分为无机化合物、有机化合物、晶态磷光体发光； 根据发光时间长短可分为长余辉(0.1s)、中余辉(1ms-0.1s)、短余辉(10ns6.1.2发光、色彩与视觉（2）颜色颜色具有以下性质：颜色具有以下性质：(1) 连续性：指光波长连续变化时颜色连续变连续性：指光波长连续变化时颜色连续变化的性质，表示为颜色化的性质，表示为颜色c为波长为波长 的函数：的函数：(2) 可分性：指白光可分为其他颜色成分，如可分性：指白光可分为其他颜色成分，如三棱镜将白

5、光分为三棱镜将白光分为7彩颜色。彩颜色。(3) 可合性：指多种颜色的光总可以按一定比可合性：指多种颜色的光总可以按一定比例混合使得通过三棱镜合成为白光。例混合使得通过三棱镜合成为白光。 )(fc nkkkcac1简答(4) 三基色原理：指自然界中客观存在的任一三基色原理：指自然界中客观存在的任一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色的线性组合。的基色的线性组合。 实用上常选择红实用上常选择红(R)、绿、绿(G)、蓝、蓝(B)作为三基色。作为三基色。将三基色按一定比例混合调配，就可模拟各种将三基色按一定比例混合调配，就可模拟各种显示颜色显示颜色 彩电中常采

6、用相加混色法获得所需颜色；而彩彩电中常采用相加混色法获得所需颜色；而彩印、胶片中常采用相减混色法，为了方便，相印、胶片中常采用相减混色法，为了方便，相减混色法常取黄、品红和青为三基色，三者相减混色法常取黄、品红和青为三基色，三者相加为黑色。加为黑色。 (5) 亮度、色调和饱和度亮度、色调和饱和度 亮度表示各种颜色的光对人眼所引起的视亮度表示各种颜色的光对人眼所引起的视觉强度，它与光的辐射功率有关；觉强度，它与光的辐射功率有关； 色调（色品）表示颜色种类的区别，也就色调（色品）表示颜色种类的区别，也就是不同波长辐射在色觉上的不同色调表现，是不同波长辐射在色觉上的不同色调表现，自发光体的色调决定于

7、它本身光辐射的光自发光体的色调决定于它本身光辐射的光谱，非发光体的色调决定于照明光源的光谱，非发光体的色调决定于照明光源的光谱组成和该物体的光谱反射或透射特性；谱组成和该物体的光谱反射或透射特性； 饱和度（色纯度）表示颜色光的色纯粹性饱和度（色纯度）表示颜色光的色纯粹性程度，与颜色光中白光含量有关，色越纯，程度，与颜色光中白光含量有关，色越纯，白光含量越少。白光含量越少。 6.1.2发光、色彩与视觉发光、色彩与视觉(3) 视觉视觉人眼彩色视觉特性包括：人眼彩色视觉特性包括： (1)人眼有三种锥状色感细胞，分别对红、绿、蓝最人眼有三种锥状色感细胞，分别对红、绿、蓝最敏感；敏感；(2)人眼具有空间

8、混色特性，指同一时刻当空间三种人眼具有空间混色特性，指同一时刻当空间三种不同颜色的点靠得足够近，使得人眼不能分辨出不同颜色的点靠得足够近，使得人眼不能分辨出其各自颜色，而只能感觉到其混合色的特性其各自颜色，而只能感觉到其混合色的特性(3)人眼具有时间混色特性，指同一空间不同颜色的人眼具有时间混色特性，指同一空间不同颜色的变换时间小于人眼的视觉惰性时，人眼不能分辨变换时间小于人眼的视觉惰性时，人眼不能分辨出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色；出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色； (4)人眼具有生理混色特性，指两只眼睛同时分别观人眼具有生理混色特性，指两只眼睛同时分别观看两种不同颜色的同一景

9、象时，人眼不能分辨出看两种不同颜色的同一景象时，人眼不能分辨出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色简答6.1.3色度坐标系与彩色重现色度坐标系与彩色重现1 色度坐标系色度坐标系CIE-RGB计色系统该系统规定：波长700nm、光通量为1lm的红光为一个红基色单位，用(R)表示；波长546.1nm、光通量4.5907lm的绿光为一个绿基色单位，用(G)表示；波长435.8nm、光通量0.0601lm的蓝光为一个蓝基色单位，用(B)表示；等量的RGB能配出等能白光； 任一彩色光F总可以通过下列配色方程配出：式中，R(R)、G(G)、B(B)称为F的三色分量，R、

10、G、B称为三色系数，m称为色模，代表F所含三基色单位的总量，r、g、b称为色度坐标或相对色系数，分别代表F所用三基色单位总量为时所需的各基色量的数值，且)()()()()()(BbGgRrmBBGGRRF1bgr图图6-1 CIE-RGB色度图色度图 其可见光光谱轨迹为一舌形曲线，其中(R)的坐标为(1，0)，(G)的坐标为(0，1)，(B)的坐标为(0，0)，三角形RGB内各点所代表的彩色可以用规定的三基色相加配出，三角形的重心坐标为等能白光色坐标，而三角形之外的彩色不能直接相加配出，而需经过将一个或两个基色移到待配彩色一侧才能配出。该计色系统存在缺陷：A)光谱分布色系数和色坐标出现负值，不

11、易理解且计算不便；B)光谱轨迹不全在坐标第一象限内，作图不便；C)色度图上没有直接表示出亮度，需要经过计算才能求出。 (2) CIE-XYZ标准计色系统任意彩色光F的配色方程为：式中，(X)、(Y)、(Z)为三基色单位，X(X)、Y(Y)、Z(Z)称为F的三色分量，X、Y、Z称为三色系数，m 称为色模，x、y、z为色度坐标或相对色系数， )()()()()()(ZzYyXxmZZYYXXF1zyx 该计色系统中三基色单位(X)、(Y)、(Z)的选择保证了色度坐标系中三色系数均为正，并规定Y(Y)既含色度又包含亮度，而另两基色为纯色分量不含亮度，还保证了X=Y=Z时仍代表等能白光。 CIE-XY

12、Z色度图色度图 x,y,z与r,g,b之间的转换公式： bgrbgrx20063. 113240. 166697. 020000. 031000. 049000. 0bgrbgry20063. 113240. 166697. 001063. 081240. 017697. 0bgrbgz20063. 113240. 166697. 099000. 001000. 0(X)、(Y)、(Z)在RGB色度图中的位置如图7-3所示：图图6-3 (X)、(Y)、(Z)在在RGB色度图中的位置色度图中的位置图图6-4 XYZ色域图色域图 等色调波长线与等饱和度线等色调波长线与等饱和度线 等色差域图等色差域

13、图 (3) CIE-UCS均匀计色系统均匀计色系统CIE-XYZ色度图色度空间的不均匀性给颜色差别的衡量带来很多不便，为此提出均匀计色系统CIE-UCS，色度图如图7-6所示。这一计色系统规定：31224yxxu312126yxyvvuw1并规定坐标决定颜色亮度，白色点坐标为（0.201,0.307）。2彩色重现彩色重现 电视彩色图像的获得需经过景物彩色画面的分色、摄像器件的光电转换、电信号的处理和传输、显像器件的电光转换等主要过程。 彩色显像管利用红、绿、蓝三种荧光粉作为显像三基色，采用空间相加混色法实现彩色重现。 对图像的亮度、色调和饱和度三参量的电信号进行色度编码，通过矩阵电路使其成为发

14、送端的编码矩阵。 在接收端，用矩阵电路实现解码，用取出的三基色图像信号控制彩色显像管的三个电子束，激发相应荧光粉发光，即可实现彩色重现。 6.2阴极射线显示阴极射线显示6.2.1发光机理发光机理1 复合发光复合发光 晶态发光体：复合发光，特点：能量吸收晶态发光体：复合发光，特点：能量吸收在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上产生，即发光过程在整个晶体内完成。由产生，即发光过程在整个晶体内完成。由于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂移或扩散，从而常常产生特征性光电导现移或扩散，从而常常产生特征性光电导现象，因而这类发光一般又称

15、光电导型发光。象，因而这类发光一般又称光电导型发光。 晶态发光体的能带结构示意图晶态发光体的能带结构示意图 它由晶体基质所决定的价带和导带、制备发光体掺入的激活剂离子所产生的局部能级G(一般为基态能级)以及晶体结构缺陷或加入的协同激活剂而产生的局部能级T（一般为电子陷阱能级）等几部分组成。其发光的微观过程包括：(1) 吸收激发能电离过程 晶体吸收外界激发能，引起基质价带电子和激活剂G能级上的电子（远少于基质电子）激发、电离而到达导带，从而在价带中引入空穴，导带中引入电子。(2) 电子和空穴的中介运动过程 电离产生的电子和空穴分别在导带和价带中扩散。空穴扩散到价带顶附近后被激活剂离子G能级俘获。

16、电子扩散到导带底附近时，有的不经过亚稳态，直接落入激活剂离子G能级相应的激发态A（a过程）；有的被浅层亚稳态的陷阱能级T俘获，之后借助热运动回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（b过程）；有的被深层陷阱能级T俘获，之后在外界能量激发下回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（c过程）。(3) 电子空穴对复合发光过程 激活剂离子A能级上的电子与G能级上的空穴复合并向外辐射光子。上述a过程中的电子在导带中停留时间少于0.1ns即复合发光，因而称短时复合发光；而b、c过程的电子由于存在T能级 (即亚稳态)俘获过程，因而复合发光滞后于电子受激发跃迁，存在余辉时间，称为长时复合发光。 硫化物型发光体是这

17、类发光体的典型代表。发光过程中，除了基质ZnS本身提供的导带(由Zn2+构成)和价带(由S2-构成)外，不仅需要激活剂(最有效的有Cu,Ag,Au)提供基态能级G，还需要协同激活剂(最有效的有Cl,Ar,I 等)提供陷阱能级T。 2 分立发光分立发光分立发光机理的位形坐标模型分立发光机理的位形坐标模型 当一束高能（keV）粒子打到某一固体上时，小部分(约10%)被反向散射，剩余部分穿透到固体中并在其中失去能量，使图中处于基态1上位置A处的电子吸收外界高能量子而跃迁到激发态2上位置 处。由于电子在 处不稳定，因而必然经由状态B下降到激发态能量最低点 。当电子从激发态 跃迁到基态G点时，便发生发光

18、现象。 其特点是，能量吸收和辐射均发生在晶体单分子中的激活剂附近，即发光中心上，因而称为短时非光电导型发光，俗称荧光。 AAGG斯托克斯位移斯托克斯位移 由于其发射光子的能量总小于吸收的能量 这种能量损失称为斯托克斯损失。当外部激发量子为光子时，这种损失就体现为发射光谱的峰值相对吸收光谱峰值向长波方向移动的现象，称斯托克斯位移。在荧光灯中，通过由氩气和水银蒸气组成的混合气体放电，发出浅蓝色的光和具有大量能量的紫外线。如果在荧光灯的管壁上涂上适当的发光材料，就可发生斯托克斯位移，把紫外线变为可见光，从而大大增加荧光灯发光效率。 6.2.2阴极射线管阴极射线管(Cathode Ray Tube,

19、CRT) 1 黑白显像管黑白显像管(1)工作原理：电子枪发射出的电子束被加在工作原理：电子枪发射出的电子束被加在电子枪栅极或阴极上的视频电信号所调制电子枪栅极或阴极上的视频电信号所调制后，经过加速、聚焦、扫描、复合发光等后，经过加速、聚焦、扫描、复合发光等一系列过程最终变为荧光屏上按空间分布一系列过程最终变为荧光屏上按空间分布的、亮度随电信号强弱而变化的相应光信的、亮度随电信号强弱而变化的相应光信号，从而得到与原被摄景物几何相似、明号，从而得到与原被摄景物几何相似、明暗对应的适合人眼视觉特性要求的光学图暗对应的适合人眼视觉特性要求的光学图像。像。 灯丝灯丝 2. 阴极阴极 3. 控制极控制极

20、4. 加速极加速极 5. 聚焦极聚焦极 6. 高压阳极高压阳极 7.电子束电子束 8.玻壳玻壳 (2)黑白显像管的基本结构黑白显像管的基本结构 (3)电子枪电子枪单电位电子枪单电位电子枪(UPF，Uni-Potential Focus)结构结构 灯丝Hf阴极K控制极G1加速极G2第二阳极(聚焦极)G3和高压阳极G4电子枪的作用电子枪的作用 发射并加速电子发射并加速电子 ，电子枪的电子发射系统主要由，电子枪的电子发射系统主要由阴极、控制极、加速极组成，加速极电压一般在阴极、控制极、加速极组成，加速极电压一般在700伏左右。伏左右。 用视频信号调制电子束流用视频信号调制电子束流 ，目前显像管一般采

21、用，目前显像管一般采用阴极调制的方式，也就是控制极接地，将视频信阴极调制的方式，也就是控制极接地，将视频信号加到阴极上，此时阴极电压越向负极变化，电号加到阴极上，此时阴极电压越向负极变化，电子束流就越大，所以称负极性调制。这种调制方子束流就越大，所以称负极性调制。这种调制方式对电子束的控制较强，调制灵敏度较高。式对电子束的控制较强，调制灵敏度较高。 利用电子透镜会聚电子束，并在荧光面上将电子利用电子透镜会聚电子束，并在荧光面上将电子束聚焦成小点。高速电子束流经束聚焦成小点。高速电子束流经G2和和G3构成的予构成的予聚焦透镜被压缩变细，再经聚焦透镜被压缩变细，再经G3、G4、G5构成的聚构成的聚

22、焦透镜进一步聚焦，在荧光粉面上产生足够小的焦透镜进一步聚焦，在荧光粉面上产生足够小的光点。光点。 (4)偏转系统偏转系统 偏转系统的作用偏转系统的作用 ： 为了显示一幅图像，必须让电子束在水平为了显示一幅图像，必须让电子束在水平方向和垂直方向上同时偏转，使整个荧光方向和垂直方向上同时偏转，使整个荧光屏上的任何一点都能发光而形成光栅屏上的任何一点都能发光而形成光栅 磁偏转系统磁偏转系统 由两组套在管颈外面的互相垂直的偏转线圈组由两组套在管颈外面的互相垂直的偏转线圈组成，常为成，常为S/T型结构，即：垂直偏转线圈绕在型结构，即：垂直偏转线圈绕在磁环上为环形，水平偏转线圈为空心鞍型；水磁环上为环形，

23、水平偏转线圈为空心鞍型；水平线圈放在垂直线圈里面，且紧贴管颈。平线圈放在垂直线圈里面，且紧贴管颈。 偏转线圈的输入：一般情况下，在水平偏转线圈上输入行频为15625Hz的锯齿波电流，在垂直偏转线圈上输入场频为50Hz的锯齿波电流。 电子束着屏点偏移量：当电流通过线圈时，产生偏转磁场，使电子束偏转，如图7-11所示。垂直磁场入射的电子束在磁场内作圆周运动，离开磁场后沿圆周切线射向荧光屏面 。 图图7-11 偏转线圈上的电流偏转线圈上的电流tansin)cos1 (LLD偏移量偏移量 PAL制式规定： 每帧625行，每秒25帧；隔行扫描，每帧两场，每秒50场。每行水平扫描正程为52s，逆程为12s

24、，场正程时间18.4ms，逆程时间1.6ms，垂直方向显示575行。 (5)荧光屏荧光屏 对荧光屏要求：对荧光屏要求： 发光亮度和发光效率足够高，发光光谱适合人眼观察，图发光亮度和发光效率足够高，发光光谱适合人眼观察，图像分辨力高、传递效果好，余辉时间适当，机械、化学、像分辨力高、传递效果好，余辉时间适当，机械、化学、热稳定性好，寿命高。热稳定性好，寿命高。 荧光屏的组成：荧光屏的组成： 由涂覆在玻壳内表面的荧光粉层和叠于荧光粉层上面的铝由涂覆在玻壳内表面的荧光粉层和叠于荧光粉层上面的铝膜共同组成。黑白显像管一般用两种荧光粉（蓝与黄，比膜共同组成。黑白显像管一般用两种荧光粉（蓝与黄，比例例55

25、：45）混合制得）混合制得 制作方法：制作方法： 一般采用沉积法，把洗净烘干的玻屏放在涂胶机上，玻屏一般采用沉积法，把洗净烘干的玻屏放在涂胶机上，玻屏的倾角和转速都可由涂胶机控制。向玻屏中心注入加有醋的倾角和转速都可由涂胶机控制。向玻屏中心注入加有醋酸钡等电解质的荧光粉和水玻璃悬浮液，开启涂胶机使其酸钡等电解质的荧光粉和水玻璃悬浮液，开启涂胶机使其均匀涂布于玻璃基板上，经烘干后即形成牢固的荧光粉层均匀涂布于玻璃基板上，经烘干后即形成牢固的荧光粉层 金属化荧光屏金属化荧光屏 ： 在荧光粉层表面蒸镀一层在荧光粉层表面蒸镀一层0.10.5 m的铝膜，并的铝膜，并使之与电子枪阳极相连使之与电子枪阳极相

26、连. 可以提高图像显示性能。可以提高图像显示性能。 金属化荧光屏优点：金属化荧光屏优点： 铝膜与电子枪的阳极相连，可防止介电性的荧光粉负铝膜与电子枪的阳极相连，可防止介电性的荧光粉负电荷积累导致的荧光面电位下降电荷积累导致的荧光面电位下降(这会限制亮度提高这会限制亮度提高)； 铝膜可将荧光粉所发向管内的光线反射到观察者一侧，铝膜可将荧光粉所发向管内的光线反射到观察者一侧，从而增高荧光屏亮度、改善对比度；从而增高荧光屏亮度、改善对比度； 铝层能有效阻挡管内负离子对荧光粉的轰击，防止荧铝层能有效阻挡管内负离子对荧光粉的轰击，防止荧光屏出现离子斑。光屏出现离子斑。2彩色显像管彩色显像管 彩色显象管组

27、成：彩色显象管组成： 电子枪、偏转系统、三色组荧光屏、荫罩 荫罩荫罩 显像管选色机构，是彩管中特有的极为重要的组件显像管选色机构，是彩管中特有的极为重要的组件 作用作用 当显像管工作时，荫罩限制电子束着屏方向和着屏束径，当显像管工作时，荫罩限制电子束着屏方向和着屏束径，以保证电子束只能打中荧光屏面上规定的基色粉点以保证电子束只能打中荧光屏面上规定的基色粉点(条条)，即保证电子束正确选色。即保证电子束正确选色。 彩色显像管分类：彩色显像管分类： 根据荫罩管四个组成部分不同组合方式根据荫罩管四个组成部分不同组合方式 品字型三枪三束荫罩式彩管（简称荫罩管）品字型三枪三束荫罩式彩管（简称荫罩管） 单枪

28、三束栅网荫罩彩管（简称单枪三束管）单枪三束栅网荫罩彩管（简称单枪三束管） 自会聚式彩管（简称自会聚管）自会聚式彩管（简称自会聚管）目前彩色电视机采用最多的是自会聚管。目前彩色电视机采用最多的是自会聚管。三枪三束荫罩管结构三枪三束荫罩管结构红绿蓝三基色点呈品字型红绿蓝三基色点呈品字型均匀交替排列在整个荧光屏上，均匀交替排列在整个荧光屏上， 品字型排列、相隔品字型排列、相隔120度、度、与管颈中轴线倾斜与管颈中轴线倾斜11.5度度的小电子枪的小电子枪 。荫罩板上打有数十万个小孔荫罩板上打有数十万个小孔 数目达数目达100万颗以上万颗以上 显象管的结构显象管的结构 b 自会聚彩管典型结构：自会聚彩管

29、典型结构：电子枪采用了三枪三束精密直列式结构电子枪采用了三枪三束精密直列式结构 ，采用精密环形偏转线圈，实现了会聚自校正采用精密环形偏转线圈，实现了会聚自校正。 6.3液晶显示液晶显示LCD是利用液晶的光学各向异性，在电场是利用液晶的光学各向异性，在电场作用下对外照光进行调制而实现显示的。作用下对外照光进行调制而实现显示的。6.3.1 液晶及其物理性质液晶及其物理性质1 液晶的特点及分类液晶的特点及分类 介于完全规则状态介于完全规则状态(如固态晶体如固态晶体)与不规则状与不规则状态态(如各向同性液体如各向同性液体)之间的中间态物质。之间的中间态物质。热致液晶是指某些有机物加热溶解后，由于热致液

30、晶是指某些有机物加热溶解后，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶。加热破坏结晶晶格而形成的液晶。溶致液晶是指某些有机物放入一定的溶剂中溶致液晶是指某些有机物放入一定的溶剂中时，由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。时，由于溶液破坏结晶晶格而形成的液晶。 名词解释 根据分子的不同分类：根据分子的不同分类： 近晶型，也称层状液晶近晶型，也称层状液晶 由棒状或条状分子排列成层，层内分子长轴相互平行，方向垂由棒状或条状分子排列成层，层内分子长轴相互平行，方向垂直于层面或与层面呈倾斜排列直于层面或与层面呈倾斜排列 分子层间作用力较弱，相互间容易滑动，呈现二维流体性质，分子层间作用力较弱，相互间容易滑动，呈现二维

31、流体性质，黏度高，具有正单轴晶体的双折射性黏度高，具有正单轴晶体的双折射性 向列型液晶，也称丝状液晶向列型液晶，也称丝状液晶 由长径比很大的棒状分子组成，每一分子位置无规则，但整体由长径比很大的棒状分子组成，每一分子位置无规则，但整体分子轴向着同一方向分子轴向着同一方向 各个分子容易顺着长轴方向自有移动，黏度小，易流动，仍具各个分子容易顺着长轴方向自有移动，黏度小，易流动，仍具有正单轴晶体的双折射性有正单轴晶体的双折射性 胆甾胆甾(zi)型，也称螺旋形液晶型，也称螺旋形液晶 和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列与向列型类似，和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列与向列型类似，分子长轴在层

32、内相互平行分子长轴在层内相互平行 各层分子取向与邻层都略有偏移，整体呈现可见光波长量级的各层分子取向与邻层都略有偏移，整体呈现可见光波长量级的螺旋结构，具有旋光性、选择性光散射性、偏振光二色性、负螺旋结构，具有旋光性、选择性光散射性、偏振光二色性、负单轴晶体双折射性单轴晶体双折射性填空(b) 向列型向列型 (c) 胆甾型胆甾型2热致液晶的物理性质热致液晶的物理性质(1)介电各向异性液晶分子中偶极矩和分子长轴间的夹角的大小是决定液晶分子正负介电各向异性的关键数值。 的液晶称为正性液晶，或称P型液晶； 的液晶称为负性液晶，或称N型液晶。(2)电导各向异性电导率平行与垂直于分子轴方向的分量不同的特性

33、，称为电导各向异性。如向列型液晶总有 00/(3)粘度粘度液晶粘度对显示器响应时间和余辉时间产液晶粘度对显示器响应时间和余辉时间产生较大影响生较大影响 。(4)双折射双折射光在液晶这种各向异性物质中传播时会发生光在液晶这种各向异性物质中传播时会发生双折射，相应于正单轴晶体的液晶称为正双折射，相应于正单轴晶体的液晶称为正双折射液晶，或称正光性液晶，向列型晶双折射液晶，或称正光性液晶，向列型晶体的光轴与分子取向一致，一般有，体的光轴与分子取向一致，一般有，0/nnnnnoe为正光性液晶。为正光性液晶。 液晶材料的物理性质与显示器性能液晶材料的物理性质与显示器性能参数关系表参数关系表6.3.2液晶的

34、电光效应液晶的电光效应1垂直排列相畸变效应垂直排列相畸变效应 将具有负介电各向异性的液晶材料采取垂直排列方法使液晶分子垂直排列于基片表面后，利用液晶分子的高度双折射性，给此液晶层施加电场控制分子的倾斜程度，则当偏振光通过该液晶层后，将使偏振光变为椭圆偏振光，且所加电压不同，经检偏器后显示图像的颜色就不同，液晶的这种电压控制颜色变化从而进行色相调制的电光效应就称为垂直排列相畸变效应，又称电控双折射效应(ECB)。2扭曲向列效应扭曲向列效应 液晶分子在基片相对的两个电极面上沿面排列且轴线互相垂直，从基片一面到另一面，分子扭转 。若上下玻璃板基片两侧偏振片的偏振方向互相垂直，则不加外场时，当一束偏振

35、光入射到液晶层时，由于液晶不均匀的光学特性，垂直于玻璃板壁的线偏振光通过液晶层后旋转而透过检偏器射出液晶层，称为亮场；当在液晶两基片上加上足够高的电压(大于阈值电压)时，则除两基片壁上液晶分子外，中间部分的液晶分子取向要平行于电场，因而成为垂面排列，这样，分子排列对入射偏振光没有作用，光束不能通过液晶显示器件，此时为暗场。 090TFT-LCD技术发展简介技术发展简介 TFT-LCD薄膜晶体管液晶平板显示器。 利用液晶作为光阀的优良特性把发光显示器件分解成两部分，即光源和对光源的控制。 LCD发明以来，背光源在不断地进步，由单色到彩色，由厚到薄，由侧置荧光灯式到平板荧光灯式。 对光源的控制，把

36、半导体大规模集成电路的技术和工艺移植过来，研制成功了薄膜晶体管（TFT）生产工艺，实现了对液晶光阀的矩阵寻址控制， 基本原理：显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的象素组成，只要控制各个象素显示相应的颜色就能达到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技术，为了能精确地控制每一个象素的颜色和亮度就需要在每一个象素之后安装一个类似百叶窗的开关，当“百叶窗”打开时光线可以透过来，而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。 TFT显示器组成：一般由一个夹层组成，组成这个夹层的每一层是偏光板、彩色滤光片组成，这两层之间就是液晶层。偏光板、彩色滤光片决定了多少光可以通过以及生成何种颜色的光。这个夹层位于两层玻璃基

37、板之间。在上层玻璃基板上有FED晶体管，而下层是共同电极，他们共同作用可以生成能精确控制的电场，电场决定了液晶的排列方式。目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器 TFT象素架构如下图所示，彩色滤光镜依据颜色分为红、绿、蓝三种，依次排列在玻璃基板上组成一组（dot pitch）对应一个象素每一个单色滤光镜称之为子象素（sub-pixel）。也就是说，如果一个TFT显示器最大支持12801024分辨率的话，那么至少需要128031024个子象素和晶体管。对于一个15英寸的TFT显示器（1024768）那么一个象素大约是0.0188英寸（相当于0.30mm） TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片

38、上（当然也可以在晶片上）通过溅射、化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜，通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路（LSIC）。 在大面积玻璃或塑料基板上制造控制像元开关性能的TFT比在硅片上制造大规模IC的技术难度更大。对生产环境的要求（净化度为100级），对原材料纯度的要求（纯度为99.999985），对生产设备和生产技术的要求都超过半导体大规模集成，是现代大生产的顶尖技术。 三星三星40英寸大屏幕英寸大屏幕TFTLCD显示效果显示效果 6.4等离子体显示等离子体显示等离子体显示是利用气体放电产生发光现象的平板显示。等离子体就是高度电离化的多种粒子存在的空间，其中带电粒子有电子、正离子，不带电

39、粒子有气体原子、分子、受激原子、亚稳原子等。名词解释6.4.1气体放电物理基础气体放电物理基础1 气体放电与等离子体气体放电与等离子体6-21 PDP中气体放电的伏安曲线中气体放电的伏安曲线 第一区为非自持放电区，其特点是起始带电粒子由外界电离源引起，撤走电离源放电即停止。 第二区为自持暗放电区，此时放电电流很小( )，管压降接近电源电压。 第三区为过渡区，也叫欠辉区。图中D点对应的电压称为辉光放电着火电压 ，也称起辉电压、击穿电压 。 第四区为正常辉光放电区，放电电流 A1010711bUA101014 第五区异常辉光放电 区。 第六区称为第二过渡区 G点对应的电压称为弧光放电着火电压。 第

40、七区弧光放电区 。 可以通过控制放电管中的气体种类、压强、端电压、负载电阻等来控制气体放电由一种形式转化为另一种形式或维持某种放电形式。PDP一般工作在第2-4区组成的负阻区，其中辉光放电时放电管中的辉光区包括负辉区、正柱区 等，负辉区是PDP的主要发光源，而正柱区的本质是等离子体，可用来激发荧光粉使其发光。2 气体放电理论气体放电理论电子繁流理论电子繁流理论用以说明繁流放电中带电粒子的增长规律用以说明繁流放电中带电粒子的增长规律。巴邢定律巴邢定律说明从非自持放电到自持放电的条件说明从非自持放电到自持放电的条件6.4.2 PDP等离子体显示包括交流等离子体显示(ACPDP)与直流等离子体显示(

41、DCPDP)。1 ACPDPACPDP结构结构 ：在两块厚3-6mm的玻璃板上制作条状电极，并在电极上覆盖一层介质（常为沉积一层低熔点玻璃），使电极不与放电气体接触。将制好的上下玻璃板电极按空间正交方式面对面相距0.1-0.15mm放置，四周用低熔点玻璃密封，之后再经排气、烘烤、充入总压强(58)104Pa的Ne-Ar混合气体(Ar占0.1%)后密封、老炼即可。 ACPDP结构结构玻璃板介质覆盖层Ne-Ar气体Y电极X电极隔离玻璃6-24 ACPDP结构结构 2 DCPDP DCPDP结构 ：在两块玻璃板中间夹一块铝板，其上用光刻法制作许多小孔后再通过阳极氧化形成绝缘层；铝板两侧交叉排列铂金丝

42、，形成空间正交的X、Y电极，交点在铝板小孔处，电极与放电气体接触。四周用低熔点玻璃密封，之后再经排气、烘烤、充入纯Ne气后密封、老炼即可。DCPDP结构结构1.铂丝2.玻璃板3.X电极4.Y电极5.阳极氧化铝板6-26 DCPDP结构结构 彩色显示彩色显示 DCPDP中的直流自扫描显示器(SSPDP)在彩色显示中最受关注，它是利用稀有气体辐射的紫外线激励荧光粉发光而实现彩色显示的。 显示过程中只是在阴极扫描侧放电，之后通过起火孔点燃稳态气体，扩散到显示侧。其每行的工作原理如图6-27。 在时钟脉冲作用下，放电依次按预定方向沿该行各单元向下传递，直到最后一个阴极。第二个循环再重复以上过程。这样，

43、当扫描侧放电沿行逐个单元移动时，显示侧相应各单元根据指令显示出所希望的图案。6.5场致发光显示场致发光显示EL：固体发光材料在电场激发下产生发光的现象：固体发光材料在电场激发下产生发光的现象 按照场致发光激发过程不同其分为两类：按照场致发光激发过程不同其分为两类：注入式电致发光注入式电致发光: 由直接装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴由直接装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时发光的现象。注入式电致发光的基本结在晶体内再复合时发光的现象。注入式电致发光的基本结构是结型二极管（构是结型二极管（LED）。）。本征电致发光本征电致发光 高场电致发光：荧光粉中的电子或由

44、电极注入的电子在外加强电高场电致发光：荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发场作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发/离化，电子离化，电子在回复基态时辐射发光。大屏幕显示有前途的发展方向在回复基态时辐射发光。大屏幕显示有前途的发展方向 低能电致发光：是指某些高电导荧光粉在低能电子注入时的激励低能电致发光：是指某些高电导荧光粉在低能电子注入时的激励发光现象。典型代表是荧光显示发光现象。典型代表是荧光显示 ，主要用在数字、文字、简单图，主要用在数字、文字、简单图形显示等方面。形显示等方面。6.5.1 LED发展情况发展情况 20世纪世纪60年

45、代人们用年代人们用GaAsP外延生长技术制成了外延生长技术制成了第一只实用化红光第一只实用化红光LED 其后相继问世的是橙色、黄色其后相继问世的是橙色、黄色LED。 70年代绿光年代绿光LED得以实现。得以实现。 80年代初，高亮度年代初，高亮度LED拓展了拓展了LED的应用范围。的应用范围。 1991年，利用年，利用MOCBD外延工艺制作出的超高亮外延工艺制作出的超高亮度红、橙、黄度红、橙、黄LED更使更使LED走出室外。走出室外。 1994年年GaN超高亮度蓝光超高亮度蓝光LED问世及其后不久的问世及其后不久的超高亮度绿光超高亮度绿光LED，还有近年的紫光，还有近年的紫光GaN LED研研

46、制成功，制成功， 6.5.2 有机薄膜发光显示器（有机薄膜发光显示器（OLED）1. OLED特点：特点：(1) 发光效率高、亮度大；发光效率高、亮度大；(2) 有机发光材料众多、价廉且易大规模有机发光材料众多、价廉且易大规模/大面积生产大面积生产(3) 发光光谱覆盖红外到紫外，便于实现全彩色显示发光光谱覆盖红外到紫外，便于实现全彩色显示(4) 材料的机械性能良好，易加工；材料的机械性能良好，易加工；(5) 驱动电压低驱动电压低 ，能与半导体集成电路的电压相匹配，能与半导体集成电路的电压相匹配，驱动电路易实现驱动电路易实现OLED已成为当今超薄、大面积平板显示示器件已成为当今超薄、大面积平板显

47、示示器件研究的热门。研究的热门。 2 OLED器件结构器件结构 由夹在一个透明阳极和金属阴极之间的有机层组由夹在一个透明阳极和金属阴极之间的有机层组成层状结构。成层状结构。 有单异质结构和双异质结构。有单异质结构和双异质结构。 由阴极注入的电子和阳极注入的空穴在发光层相由阴极注入的电子和阳极注入的空穴在发光层相互作用形成受激的激子。激子从激发态回到基态互作用形成受激的激子。激子从激发态回到基态时，将其能量差以光子的形式释放出来，光子的时，将其能量差以光子的形式释放出来，光子的能量为能量为: 其中其中h为普朗克常数，为普朗克常数， 为出射光子的频率，为出射光子的频率，2为激子在激发态的能量，为激

48、子在激发态的能量，1为激子在基态的能为激子在基态的能量。量。 12EEh3 OLED发光机制发光机制4 OLED器件的分类器件的分类 无源矩阵无源矩阵OLED ： 有机层夹在两个互相垂直的电极层（阳极和阴极）间，发有机层夹在两个互相垂直的电极层（阳极和阴极）间，发光像素按矩阵排列，被扫描像素在相应行、列驱动电压的光像素按矩阵排列，被扫描像素在相应行、列驱动电压的驱动下，流过电流而发光。驱动下，流过电流而发光。 电极与发光层上、下分别有保护层与玻璃基板。电极与发光层上、下分别有保护层与玻璃基板。 显示器件结构简单，价格低廉，适于低信息量的显示应用，如字显示器件结构简单，价格低廉，适于低信息量的显示应用，如字符、数字显示器。符、数字显示器。 有源矩阵有源矩阵OLED ： 显示面板上增加一层电子底板，每个像素通过在电子底板显示面板上增加一层电子底板，每个像素通过在电子底板上相应的薄膜晶体管和电容器来进行独立的寻址，采用恒上相应的薄膜晶体管和电容