第四讲光存储与光显示

1、第四讲第四讲 光存储与光显示光存储与光显示本本 章章 内内 容容一、光存储一、光存储1、概述、概述（2）光存储原理及分类）光存储原理及分类（1）原理：）原理：只要材料的某种性质对光敏感，在只要材料的某种性质对光敏感，在被信息调制过的光束照射下，能产生理化性质被信息调制过的光束照射下，能产生理化性质的改变，并且这种改变能在随后的读出过程中的改变，并且这种改变能在随后的读出过程中使读出光的性质发生变化，都可以作为光学存使读出光的性质发生变化，都可以作为光学存储的介质。储的介质。（2）分类）分类n按介质的厚度：面存储、体存储；按介质的厚度：面存储、体存储；n按数据存取：逐位存储、页面并行式存储；按数

2、据存取：逐位存储、页面并行式存储；n按鉴别存储数据：位置选择存储、频率选择存按鉴别存储数据：位置选择存储、频率选择存储等。储等。（3）光存储的特点）光存储的特点（1）存储密度高）存储密度高 信息的存储密度信息的存储密度表征单位面积或单位体积表征单位面积或单位体积可存储的二进制位数（可存储的二进制位数（bit/cm2，bit/cm3），用），用以表示各种存储方法的性能指标。以表示各种存储方法的性能指标。电子存储器电子存储器的存储密度约的存储密度约104106 bit/cm2 ，即使是，即使是超大规模集成电子存储器也不会超过超大规模集成电子存储器也不会超过106 bit/cm2 。光学存储器光学存

3、储器的理论极限值：的理论极限值： 面存储密度为面存储密度为1/2 ；体存储密度为；体存储密度为1/3 。 按按=500 nm 计算，存储密度为计算，存储密度为 1 Tbit/cm3。（2）并行程度高）并行程度高 光子之间不会相互作用，因而光计算的并光子之间不会相互作用，因而光计算的并行处理能力远远高于电子计算。提供并行输入行处理能力远远高于电子计算。提供并行输入输出和数据传输。输出和数据传输。（3）抗电磁干扰）抗电磁干扰 光子不荷电，抗电磁干扰。光子不荷电，抗电磁干扰。（4）存储寿命长）存储寿命长 磁存储磁存储 23年；光存储年；光存储10年以上。年以上。（5）非接触式读写信息）非接触式读写信

4、息（6）信息价格位低）信息价格位低 价格可比磁记录低几十倍。价格可比磁记录低几十倍。（3）光存储的特点）光存储的特点2、 光盘存储光盘存储 自自60年代末美国年代末美国ECD及及IBM公司共同研制出公司共同研制出第一片光盘以来，光盘存储技术发展之迅速第一片光盘以来，光盘存储技术发展之迅速出人意料。出人意料。n 激光唱片激光唱片(CompactDisk，CD)n 激光视盘激光视盘(LaserVideoDisk，LVD)： LD，VCD，DVD。n 计算机外存设备计算机外存设备：光盘：光盘（1 ）光盘存储的原理）光盘存储的原理 激光经聚焦后可在记录介质中形成极微激光经聚焦后可在记录介质中形成极微小

5、的光照微区小的光照微区(直径为光波长的线度，即直径为光波长的线度，即1m 以下以下)，使光照部分发生物理和化学变，使光照部分发生物理和化学变化，从而使光照微区的某种化，从而使光照微区的某种光学性质光学性质(反射反射率、折射率、偏振特性等率、折射率、偏振特性等)与周围介质有较与周围介质有较大反衬度，可以实现大反衬度，可以实现信息的存储信息的存储。 语音、乐曲、语音、乐曲、图像、文字、图像、文字、数据数据将原始信息转换为将原始信息转换为电子信号，再变换电子信号，再变换成成二进制编码二进制编码使光源的强度按照编码信号变化使光源的强度按照编码信号变化每一个采样编码称为一个字节，一个字节内除了包含有对应

6、采样点的信息，如声音的强弱、图像或文字对应像素的灰度之外，还包含有诸如纠错等为提高解码准确度和系统抗干扰能力等内容的编码。聚焦烧坑烧坑由激光写入信息的光盘称为由激光写入信息的光盘称为母盘母盘，母盘再经过特，母盘再经过特殊处理成压模，再用殊处理成压模，再用压制工艺压制工艺大量复制出最终的大量复制出最终的CD、VCD和和DVD产品。产品。光学透镜会聚的光学透镜会聚的光斑直径光斑直径可小至波长量级（可小至波长量级（300800nm），光盘上圆环形），光盘上圆环形信道的间隔信道的间隔也是波也是波长量级，记录轨道的密度可高达长量级，记录轨道的密度可高达1000道道mm以以上，所以单面光盘的存储密度比例于

7、上，所以单面光盘的存储密度比例于1/2 ,存储存储容量则约等于光盘的有效面积乘以容量则约等于光盘的有效面积乘以1/2 。（2）光盘读出的原理）光盘读出的原理光盘的播放（读出）过程实际上是写入的反过程。光盘的播放（读出）过程实际上是写入的反过程。激光光盘光探测器电子放大器解码处理器原始信息 光盘在电机的驱动下以均匀速度转动，聚焦的激光束光盘在电机的驱动下以均匀速度转动，聚焦的激光束跟踪光盘上的信道读出被存储的信息。存储于光盘表面的跟踪光盘上的信道读出被存储的信息。存储于光盘表面的烧坑造成光盘表面烧坑造成光盘表面反光特性规律的变化反光特性规律的变化，因而使投射的激，因而使投射的激光强度受到调制，于

8、是光盘表面反射的激光便携带了存储光强度受到调制，于是光盘表面反射的激光便携带了存储于光盘的信息。于光盘的信息。（3）光盘与磁盘比较）光盘与磁盘比较n存储密度：存储密度： 磁盘的道距磁盘的道距(约约10m)， 光盘的道距光盘的道距(约约 l m) 据据DataStorage l998年年2月报道。月报道。IBM已已有突破磁盘存储密度有突破磁盘存储密度10 Gbit / in2 大关的大关的实验室样机实验室样机.n数据传输速率：数据传输速率：光盘的性能不及磁盘。光盘的性能不及磁盘。（4 ）光盘的分类）光盘的分类n按其功能划分主要有四种：按其功能划分主要有四种：n(1)只读存储光盘只读存储光盘 (

9、CD-ROM )n(2)一次写入光盘一次写入光盘 ( WORM；或称；或称DRAW )n 烧蚀型烧蚀型 起泡型起泡型 熔绒型熔绒型 n 合金型合金型 相变型相变型n(3)可擦重写光盘可擦重写光盘( EDAW )：先擦后写：先擦后写n(4)直接重写光盘：写同时擦除原信息直接重写光盘：写同时擦除原信息3、全息存储技术、全息存储技术全息存储技术属全息存储技术属体存储体存储，采用，采用并行并行写入和读出方写入和读出方式，因而具有极高的写入与读出速度，其极限值式，因而具有极高的写入与读出速度，其极限值主要限于写入和读出光子器件（空间光调制器和主要限于写入和读出光子器件（空间光调制器和面阵列面阵列CCD光

10、探测器）的性能。目前采用快速并光探测器）的性能。目前采用快速并行探测器阵列的全息存储系统，其数据传输速率行探测器阵列的全息存储系统，其数据传输速率可达到可达到1Gb/s。二、光显示技术二、光显示技术 1、概述、概述n光显示器光显示器是光子信息系统的重要组成部分。是光子信息系统的重要组成部分。n电视广播接收机中由电视屏幕将电视图像电视广播接收机中由电视屏幕将电视图像显示给观众。将视频电子图像信号转换为可显示给观众。将视频电子图像信号转换为可视图像的显像管及其用于图像生成的附加电视图像的显像管及其用于图像生成的附加电磁控制部分的组合称为磁控制部分的组合称为图像显示器。图像显示器。n显示器是图像（包

11、括文字、图形和数据）显示器是图像（包括文字、图形和数据）信息系统的终端，是专门为人的视觉设置的，信息系统的终端，是专门为人的视觉设置的，所以它应该所以它应该满足人眼视觉的需求满足人眼视觉的需求，让人感觉，让人感觉到再生图像的逼真性。到再生图像的逼真性。（1）光电显示技术的分类）光电显示技术的分类n按面积：按面积：小型，中型小型，中型(约约0.2 m2 左右左右)、大型、大型(1 m2 以上以上)和超大型显示和超大型显示(如如4 m2 以上以上)n按结构形状：按结构形状：颈瓶状显示器、平板显示器。颈瓶状显示器、平板显示器。n按颜色：按颜色：黑白、单色、彩色显示。黑白、单色、彩色显示。n按显示内容

12、、形式：按显示内容、形式：数码、字符、轨迹、图数码、字符、轨迹、图表、图形、图像显示。表、图形、图像显示。n按所用显示材料：按所用显示材料：固体固体(晶体和非晶体晶体和非晶体)、液、液体、气体、等离子体、液晶体显示等。体、气体、等离子体、液晶体显示等。n按显示发光类别：按显示发光类别：自发光型、被动受光型显示等。自发光型、被动受光型显示等。n按成像空间坐标：按成像空间坐标：二维平面显示、三维立体显示。二维平面显示、三维立体显示。n按显示原理：按显示原理：电子束显示电子束显示(CRT)、真空荧光显示、真空荧光显示(VFD)、发光二极管显示、发光二极管显示(LED)、电致发光显示、电致发光显示(E

13、LD)、等离子体显示等离子体显示(PDP)、液晶显示、液晶显示(LCD)、激光显示、激光显示(LD)和电致变色显示和电致变色显示(ECD)，等等。，等等。 （1）光电显示技术的分类）光电显示技术的分类阴极射线管阴极射线管(CRT)平板显示平板显示(Flat Panel Display，FPD)显显示示技技术术液晶显示液晶显示(LCD)等离子体显示等离子体显示(PDP)电致发光显示电致发光显示(ELD)发光二极管显示发光二极管显示(LED)（2）显示器件主要性能指标）显示器件主要性能指标亮度亮度: 指垂直于光束传播方向上的单位面积上指垂直于光束传播方向上的单位面积上 的发光强度。单位为的发光强度

14、。单位为cd/m2。 一般显示器应有一般显示器应有70cd/m2的亮度，具有这种亮度图的亮度，具有这种亮度图在普通室内照度下清晰可见。在室外观看要求亮度更在普通室内照度下清晰可见。在室外观看要求亮度更高，可达高，可达300cd/m2以上。以上。 对比度和灰度对比度和灰度 对比度对比度：指画面上最大亮度和最小亮度之比。一般：指画面上最大亮度和最小亮度之比。一般显示器应有显示器应有 30:1 的对比度。的对比度。 灰度灰度：指画面上亮度的等级差别。：指画面上亮度的等级差别。 例如，一幅电视画面图像应有八级左右的灰度。眼例如，一幅电视画面图像应有八级左右的灰度。眼睛可分辨的最大灰度级大致为睛可分辨的

15、最大灰度级大致为100级。级。 分辨力：分辨力： 人眼观察图像清晰程度的标志。人眼观察图像清晰程度的标志。 用光栅高度用光栅高度(帧高帧高)范围内能分辨的等宽度黑白范围内能分辨的等宽度黑白条纹条纹(对比度为对比度为100)数目或电视扫描行数来表数目或电视扫描行数来表示。如果在垂直方向能分辨示。如果在垂直方向能分辨250对黑白条纹，就对黑白条纹，就称垂直分辨力为称垂直分辨力为 500 行行(线线)。有时也用光点直径。有时也用光点直径来表示。用光栅高度除以扫描线数，即可算出一来表示。用光栅高度除以扫描线数，即可算出一条亮线的宽度，此宽度即为荧光屏上光点直径的条亮线的宽度，此宽度即为荧光屏上光点直径

16、的大小。在显示器件中，光点直径大约几微米到几大小。在显示器件中，光点直径大约几微米到几千微米。一般对角线为千微米。一般对角线为 23 53 cm 的电视显像管的电视显像管其光点直径约其光点直径约 0.2 0.5 mm。 发光颜色发光颜色 发光颜色发光颜色(或显示颜色或显示颜色)的衡量方法，可用发的衡量方法，可用发射光谱或显示光谱的峰值及带宽，或用色度坐标射光谱或显示光谱的峰值及带宽，或用色度坐标表示。显示器件的颜色显示能力，包括颜色的种表示。显示器件的颜色显示能力，包括颜色的种类、层次和范围，是彩色显示器件的一个重要指类、层次和范围，是彩色显示器件的一个重要指标。标。 余辉时间余辉时间: 指荧

17、光粉的发光，在电子轰击停止后起，到指荧光粉的发光，在电子轰击停止后起，到亮度减小到电子轰击时稳定亮度的亮度减小到电子轰击时稳定亮度的l/10(或或1/100)所经历的时间，余辉时间主要决定于荧光粉，一所经历的时间，余辉时间主要决定于荧光粉，一般阴极射线荧光粉的余辉时问从几百纳秒到几十般阴极射线荧光粉的余辉时问从几百纳秒到几十秒。秒。2、典型的图像显示器、典型的图像显示器（1）阴极射线显像管（）阴极射线显像管（CRT） Cathode Ray TubeCRT是技术最完善、应用最广泛的电子图像显示器是技术最完善、应用最广泛的电子图像显示器CRT主要由主要由电子枪电子枪、偏振控制系统偏振控制系统和和

18、荧光屏荧光屏三部分组成。三部分组成。产生的荧光是白光，则称为产生的荧光是白光，则称为黑白显象管黑白显象管；若是彩色的，则；若是彩色的，则称为称为彩色显象管彩色显象管。荧光屏荧光屏是一块涂有发是一块涂有发光物质的透明玻璃，光物质的透明玻璃，高速电子束撞击荧光高速电子束撞击荧光物质产生可见光点，物质产生可见光点，由光点（像素）组成由光点（像素）组成图像或图形。图像或图形。彩色显象管的电子枪要发射彩色显象管的电子枪要发射三束电子束三束电子束并由三路对应红、并由三路对应红、绿、蓝三个可见光波段的视频信号分别控制其强度，经过绿、蓝三个可见光波段的视频信号分别控制其强度，经过聚焦后分别打在荧光屏的同一空间

19、点（一个像素）处相邻聚焦后分别打在荧光屏的同一空间点（一个像素）处相邻的红、绿、蓝荧光粉上构成彩色画面。的红、绿、蓝荧光粉上构成彩色画面。CRT显示器的主要优点：显示器的主要优点： 寿命长（寿命长（2万小时）万小时） 亮度、对比度大，无视角问题亮度、对比度大，无视角问题 清晰度高，可达到清晰度高，可达到SDTV及及HDTV要求要求 对高速运动图像重显效果好对高速运动图像重显效果好 技术成熟，综合性价比最好技术成熟，综合性价比最好数字电视（数字电视（Digital TV）包括数字）包括数字HDTV、数字、数字SDTV和数字和数字LDTV三种。三者区别主要在于图像三种。三者区别主要在于图像质量和信

20、道传输所占带宽的不同。从视觉效果来质量和信道传输所占带宽的不同。从视觉效果来看，数字看，数字 HDTV（1000线以上）为高清晰度电视线以上）为高清晰度电视（High Definition Television）的简称，图象质量的简称，图象质量可达到或接近可达到或接近35mm宽银幕电影的水平；宽银幕电影的水平；SDTV（500-600线）即标准清晰度电视线）即标准清晰度电视，主要是对应现，主要是对应现有电视的分辨率量级，其图象质量为演播室水平；有电视的分辨率量级，其图象质量为演播室水平；LDTV（200-300线）即普通清晰度电视线）即普通清晰度电视，主要是，主要是对应现有对应现有VCD的分辨

21、率量级。的分辨率量级。 数字电视（数字电视（Digital TV）CRT显示器的主要缺点：显示器的主要缺点： 体积大，重量重，实现体积大，重量重，实现34英寸以上显示有困难英寸以上显示有困难 光栅失真大，受地磁影响，全屏亮度不均匀光栅失真大，受地磁影响，全屏亮度不均匀 屏幕边沿和屏幕中心清晰度不同屏幕边沿和屏幕中心清晰度不同 存在辐射，功耗较大存在辐射，功耗较大CRT背投影显示背投影显示 背投电视CRT背投影显示器的主要优点：背投影显示器的主要优点： 易于实现大屏幕、易于实现大屏幕、SDTV显示显示 亮度、对比度较高亮度、对比度较高 技术成熟，目前在屏幕尺寸相同情况下性技术成熟，目前在屏幕尺寸

22、相同情况下性 价比最高价比最高 惰性小，对高速图像重显效果好惰性小，对高速图像重显效果好CRT背投影显示器的主要缺点：背投影显示器的主要缺点： 光栅失真大，调整复杂，受地磁场影响光栅失真大，调整复杂，受地磁场影响 可视角小，屏中和屏边清晰度不同可视角小，屏中和屏边清晰度不同 屏幕越大，亮度越低屏幕越大，亮度越低 投影管寿命短（投影管寿命短（12002000小时），需小时），需 定期更换定期更换（2）液晶显示器（）液晶显示器（LCD） Liquid Crystal Display液晶显示器属液晶显示器属投影式平板显示器投影式平板显示器，液晶相当于一个二维，液晶相当于一个二维阵列可变透过率滤光器，

23、称其为光阀。液晶光阀可由外阵列可变透过率滤光器，称其为光阀。液晶光阀可由外加视频信号控制其像素阵列上相应像素的透光特性而构加视频信号控制其像素阵列上相应像素的透光特性而构成图像。成图像。液晶（液晶（Liquid Crystal） n液晶是物质的一种状态，介于固态和液态之间，具有液晶是物质的一种状态，介于固态和液态之间，具有液体的流动性，同时又具有固体物质中分子有序排列的液体的流动性，同时又具有固体物质中分子有序排列的晶体特性，所以称为晶体特性，所以称为液晶液晶。n液晶分子的结构有明显的液晶分子的结构有明显的方向性方向性，因而其光学和电学，因而其光学和电学特性也具有强烈的各向异性。若对液晶施加电

24、场，就会特性也具有强烈的各向异性。若对液晶施加电场，就会引起其分子排列放心和位置的变化，从而导致其光学性引起其分子排列放心和位置的变化，从而导致其光学性质的变化，此称为质的变化，此称为液晶的电光效应液晶的电光效应。液晶显示的原理液晶显示的原理液晶盒：液晶盒：外加电场的变化导致液晶分子取向变 化，而使入射液晶内的光波偏振态变化检偏器：检偏器：将偏振态的变化转化为出射光强的变化起偏器：起偏器：保证入射光为线偏光TN（Twisted Nematic）显示模式）显示模式扭曲扭曲9090度的显示模式度的显示模式TN-LCD：手表、仪表、计算器手表、仪表、计算器STN显示模式显示模式通过对通过对TN液晶的

25、改善获得的液晶的改善获得的STN液晶材料液晶材料，具，具有陡峻的透过率有陡峻的透过率 电压特性，和大的弹性系数电压特性，和大的弹性系数比比 K33/K11。STN-LCD：BP、移动电话、移动电话、PDA、笔记本电脑、笔记本电脑TFT（Thin Film Transistor）显示模式显示模式液晶与薄膜晶体管液晶与薄膜晶体管TFTTFT组成的有源矩阵方式已成组成的有源矩阵方式已成为为液晶显示的主流液晶显示的主流。 两夹层间填充液晶分子的设计。只不过是把一边夹层两夹层间填充液晶分子的设计。只不过是把一边夹层的电极改为了的电极改为了FET晶体管，而另一边边夹层的电极改为晶体管，而另一边边夹层的电极

26、改为了共通电极。但不同的是，了共通电极。但不同的是，由于由于FET晶体管具有电容效晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方电极下一次再加电改变其排列方式为止。式为止。 相对而言，相对而言，TN就没有这个特性，液晶分子一就没有这个特性，液晶分子一旦没有被施压，立刻就返回原始状态，这是旦没有被施压，立刻就返回原始状态，这是TFT液晶和液晶和TN液晶显示原理的最大不同。液晶显示原理的最大不同。 TFT型液晶显示器型液晶显示器(TFT-LCD)高电阻率高电阻率对紫外

27、光的高稳定性（无分解）对紫外光的高稳定性（无分解）TFT液晶材料液晶材料TFT-LCD：电视、监视器、投影器电视、监视器、投影器LCD电视LCD显示器的主要优点：显示器的主要优点： 寿命长（理论可到寿命长（理论可到5万小时）万小时） 光栅不受磁场影响，光栅不受磁场影响， 清晰度高，屏幕边缘和中心清晰度相同清晰度高，屏幕边缘和中心清晰度相同 防爆、防辐射、安全性好防爆、防辐射、安全性好 体积小、重量轻体积小、重量轻LCD显示器的主要缺点：显示器的主要缺点： 惰性大，快速图像显示有拖尾惰性大，快速图像显示有拖尾 存在视角问题存在视角问题 大屏幕高清晰度显示成品率低，成本高大屏幕高清晰度显示成品率低

28、，成本高（3）等离子显示器（）等离子显示器（PDP） Plasma Display Panel等离子显示器属等离子显示器属自发光平板显示器自发光平板显示器。这种显示器利用气。这种显示器利用气体放电中的体放电中的直接发光直接发光或由其发出的或由其发出的紫外光二次激发荧光紫外光二次激发荧光粉涂层粉涂层，发出彩色荧光，实现黑白和彩色显示。，发出彩色荧光，实现黑白和彩色显示。称其为称其为等离子等离子，是因为工作气体在放电激励下处于等离，是因为工作气体在放电激励下处于等离子状态。子状态。 处在高度电离状态的气体，由于强大的处在高度电离状态的气体，由于强大的库仑吸引力，其中正离子和负离子形成的库仑吸引力，

29、其中正离子和负离子形成的空间电荷密度大体相等，使整个气体呈电空间电荷密度大体相等，使整个气体呈电中性。中性。1929年朗缪尔（年朗缪尔（I.Langmuir）将其将其命名为命名为plasma,中文译作中文译作等离子体等离子体。 等离子体是除固、液、气之外的又一种等离子体是除固、液、气之外的又一种物质状态。物质状态。等离子体（等离子体（plasma）PDP显示器的主要优点：显示器的主要优点： 没有聚焦、会聚问题，图形失真小，全屏一致没有聚焦、会聚问题，图形失真小，全屏一致 性好，性好， 亮度亮度、对比度、对比度、 可视角可视角优于优于LCD及及CRT背投影背投影 属于自发光器件，惰性小，显示高速

30、图像无属于自发光器件，惰性小，显示高速图像无 拖尾现象，拖尾现象，PDP显示器的主要缺点：显示器的主要缺点： 功耗大，功耗大，42寸功耗在寸功耗在250W以上以上 实现实现200万象素万象素HDTV有困难有困难 长期显示固定图像会造成屏幕灼伤长期显示固定图像会造成屏幕灼伤 显示垂直高速运动图像有伪轮廓效应显示垂直高速运动图像有伪轮廓效应 PDP电视六、几种电视比较六、几种电视比较 CRTCRTLCDLCDPDPPDPCRT背投影寿命2万小时5万小时短于5万小1200小时更换投影灯泡亮度最高较高高劣于LCD视角问题/拖尾问题无/无明显/明显无/垂直轮廓有/无清晰度高（HDTV）最高（HDTV）高（HDTV）较高(SDTV)屏中与屏边均匀性问题有无无明显光栅失真及受地磁干扰问题有无无有功耗/辐射较大/较大小/无大/很小大/有发光二极管（发光二极管（LED）构成的显示器属自发光显）构成的显示器属自发光显示器。示器。（4）半导体发光二极管显示器）半导体发光二极管显示器发光二极管发光二极管数数 字字红绿橙蓝红绿橙蓝驱动电压低驱动电压低 亮度高亮度高 寿命长寿命长发光