光电显示技术绪论课件

1、光 电 显 示 技 术目 录1. 绪论2. 阴极射线管(CRT)显示技术3. 液晶显示器件 4. 发光二极管(LED)显示技术5. 等离子显示器件 6. 激光显示技术7. 新型光电显示技术8. 大屏幕显示技术 了解显示技术的基本原理，能够在选择显示手段时，有明确的理论依据。了解各种显示器件的结构、发光机理、工作原理，驱动方式和制造工艺了解不同显示器件的性能差异及其各自所擅长的应用领域及应用方法了解显示技术的发展现状及趋势。教学目的主要参考书应根裕,胡文波,邱勇.平板显示技术. 人民邮电出版社，2002.10古千束.先进显示器技术. 科学出版社，共立出版社，2002.8大石严等.显示技术基础(前

2、沿显示技术丛书).科学出版社，2003新居宏壬等.显示器的应用(前沿显示技术丛书).科学出版社，2003山崎映一.发光型显示(前沿显示技术丛书).科学出版社，2003小林俊介.下一代液晶显示(前沿显示技术丛书).科学出版社，2003彩色液晶显示(前沿显示技术丛书).科学出版社，2003西田信夫. 大屏幕显示(前沿显示技术丛书).科学出版社，2003李宏.液晶显示器件应用技术.机械工业出版社，2004.7郭强.液晶显示应用技术.电子工业出版社，2003.2国内相关研究所、院校、公司以及论坛中国电子科技集团公司第五十五研究所国家平板显示工程技术研究中心南京国显电子公司东南大学显示技术研究中心陕西科

3、技大学电气与电子工程学院京东方科技集团股份有限公司/光电论坛/bbs/中国光学光电子行业论坛/forum/default.asp液晶论坛/index.php光行天下论坛/bbs/大屏幕显示论坛/bbs/ OLED中国论坛/液晶之家/omp/index.php 光机人考核方式平时成绩（ 30% ）：包括考勤、作业（A4纸）、平时回答问题等。期末成绩（ 70% ）：采取闭卷考试形式，考查课程基本和重点内容。第1章 绪论1.1 光电显示技术概述 1.2 显示参量与人的因素习题一一、显示技术的重要性人类获得信息的方式 1.1.1.显示技术研究的意义1.1 显示技术的概述 人类感知外界信息依靠眼、耳、鼻

4、、舌、身(皮肤)所具有的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。 人的各种感觉器官从外界获得的信息的比例: 电视和网络技术普及之前是: 视觉占60，听觉占20，触觉占15，味觉占3，嗅觉占2。 视觉信息特别是图像，能达到“眼见为实”、“一目了然”的效果。图像显示成为信息显示的最重要的方式。信息源信号处理与传送显示电子显示技术是用电子学等手段将各种信息以文字、符号、图形和图像的形式付诸于人的视觉的技术。 电视和网络技术普及之后是: 视觉占83，听觉占11，触觉占3.5，嗅觉占1.5,味觉占1。二、显示技术研究的意义 光电子（Optical Electronic）技术是由光学、激光、电子学和信息技术互相渗透

5、、交叉而形成的一门高新技术学科，具有广泛应用背景。光电子技术以物理学为基础，涉及激光技术、光波导技术、光检测技术、光计算和信息处理技术、光存储技术、光电显示技术、激光加工与激光生物技术、光生伏特技术、光电照明技术，已逐渐形成了光电子材料与元件产业、光信息产业、现代光学产业、光通信产业、激光器与激光应用产业等五大类光电子信息产业，开创出了“光电子时代”！早期的显示器(1970年) 最早使用的电子式信息显示器由阴极射线管(CRT-Cathode Ray Tube)构成的示波器。 1897年，德国的Braun发明了最初的显像管布劳恩管，也称阴极射线管，主要用于观测波形及相应的测量设备。当时因为它的体

6、积大、重量沉，而且还拖了一个“尾巴”，就有人认为不超过10年，它就会被某些平板显示器所替代。殊不知，体积和重量不是它的缺点，而是存在的问题，如CRT电视机只能做到40英寸以下，但人们关心的屏幕上显示图像的质量，如亮度、对比度、分辨率、视野角、刷新频率和响应时间等综合性的视觉性能，迄今为止，任何平板显示器件的工作性能都不如CRT。而且，由于它的工作原理很巧妙，本身及相应配合线路也简单，成本低，所以在显示器件中，CRT的性能价格比是最高的。2001年，市场规模达到了2.74亿只、250亿美元。1. 显示技术的发展史三、显示技术的发展及分类1950年，RCA公司研制了第一只彩色显像管。到1954年正

7、式播送彩色电视节目，开创了彩色显示的新纪元。 1953年日本黑白电视广播开播，1958年中国黑白电视广播开播。1924年，美国无线电公司(RCA)俄裔科学家佐里金发明的光电摄像管和显像管打开了电视系统由机械进入电子时代的大门，出现了黑白电视。 1928年，佐里金又取得了彩色电视系统的发明专利。 1935年，德国开始了世界上最早的电视广播。1923年，英国人约翰贝尔德根据尼普可夫原理设计出机械式电视系统 。 现今的显示器发展方向是平板显示器，平板显示器是60-70年代发展起来的LCD、LED、PDP、ELD等显示器，如今平板显示器所占市场份额已超过CRT。 平板显示有CRT无法超越的优点：分辨率

8、不断提高、显示面积不断扩大、功耗低、体积小，与数字技术很容易融合。风靡一时的平板显示器(FPD)时代(1990今)LCD大放异彩 90年代末，由于采用了改进的光学补偿膜和面内切模式(IPS)、多畴垂直取向(MVA)方式的TFT-LCD (非晶硅薄膜晶体管液晶显示器) 大大改进了对角线的依赖性，LCD向着大屏幕、高清晰度进发了，开始拓展电视机显示器的市场。 同时，网络及手机的普及，数字影象设备的发展，使小型LCD具有更多的发展空间。低能耗、高亮度反射型，超薄是当前小型LCD的发展方向。全彩色PDP的实用化大型化，PDP（等离子体显示器）不仅用于40英寸以上的彩色显示器，用于高清晰度电视（HDTV

9、）的PDP已进入家庭用显示器领域，并成为一个新兴显示器件产业。企盼已久的明亮的蓝色发光二极管LED 1993年日本人采用InGaN系双异质结结构，研制出发光强度为1cd的蓝色发光二极管，随后，高亮度蓝色LED及高亮度绿色LED产量化迅猛发展，到90年代末，三色高亮度LED代替了原小型CRT，放电管等构成的全彩色大型广告牌用显示器。 新器件的登场 有机发光二极管OLED (Organic Light Emitting Diode)，场致发射显示器FED（Field Emission Display)，硅基液晶显示LCOS，数字微镜显示DMD（DLP）。OLED甚至可以折叠，被誉为“梦幻显示器”，

10、可用于可视移动多媒体。 显示器件Display 发展趋势 显示器件 发展趋势 阴极射线管 CRT提高分辨率，小型化，平板化电致变色显示器ECD electrochomeric display 改进可靠性 真空荧光显示器VFD 多色，矩阵显示的实际使用 液晶显示器 LCD 彩色，小电视的实际使用交流等离子体显示器Ac Plasma Display Panel 驱动的简化 发光二极管 高亮度，蓝LED的实际使用 直流等离子体显示器DC Plasma Display Panel提高电视显示效率 电致发光显示器ELD矩阵显示商品化电泳显示器Electrophoretic Display 改进可靠性 在

11、大屏幕显示方面，除了当前教学和商业用投影器的主流产品透射式TFT-LCD投影仪外，近期开发的直观式HDTV 大屏幕显示系统把HDTV (High-definition TV ) 、PAL (Phase Alternating Line)和NTSC(National Television System Committee)制式普通电视以及计算机的VGA、SVGA、XGA等全在一个大屏幕上显示，被称为“多媒体大屏幕显示墙”（Multimedia Display Wall)，还有蓝光LED（Light Emitting Diode）和高亮度、超高亮度LED组成的三基色全彩色LED大显示屏由于使用寿命

12、长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在大屏幕显示领域得到了广泛的应用。 如今的显示器件世界，无论是市场还是技术都处于急剧变化的时期，可谓是百花齐放、争奇斗艳。各种显示器的应用范围不断扩大，争夺未来潜在的大市场。2002年全世界显示器件销售额为500亿美元，估计到2025年将达到5000亿美元。显示器行业群雄争霸，前景难料。1.1.2 光电显示器件分类 如果根据收视信息的状态分类，可分成： 1. 直观型（Direct View Type） 2. 投影型（Projection Type） 3. 空间成像型（Space Imaging Type） 原则上把显示设备上出现的视觉信息直接

13、观看的方式称为直观型把由显示设备或者光控装置所产生的比较小的光信息经过一定的光学系统放大投射到大屏幕后收看的方式称为投影型。 指采用某种光学手段（如激光）在空间形成可供观看图像的方式，从原理上说，图像大小与显示器无关,可以很大。空间成像显示因为图像具有纵深而大大提高了真实感和现场感。（6） 真空荧光显示管(VFD: Vacuum Fluorescent Display) ;主动显示器件的有：（1） 阴极射线管(CRT：cathode Ray Tube);（2）等离子体显示（DPP: Plasma Display Panel）；（3）电致发光显示(ELD: Electro Luminescent

14、 Display)；（4）场致发射显示FED(Field Emission Display)；（5）发光二极管(LED: Light Emitting Diode); （7） 激光显示 ( Laser Display)等。属于被动显示器件的有：（1）液晶显示(LCD: Liquid Crystal Display);（2）电致变色显示(ECD: Electro Chromatic Display)；（3）电泳显示(EPID: Electro Phoretic Image Display)；（4）铁电陶瓷显示(PLZT : Transparent Ceramics Display)等。 按所用显

15、示材料分类有： 固体(晶体和非晶体)、液体、气体、等离子体、液晶体显示等。按显示原理分类有： 阴极射线管(CRT)、真空荧光管(VFD)、辉光放电管（GDD）、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、发光二极管(LED)、场致发射显示器(FED)、电致发光显示器(ELD)、电致变色显示器（ECD）、 激光显示器(LPD)、电泳显示器(EPD)、铁电陶瓷显示器(PLZT)等等。图1.1 光电显示器件的种类 1.2显示参量与人的因素 1.2.1 光的基本特性 光是一种波长很短的电磁波，可见光是光刺激人眼的感觉，波长范围为380780nm），频率为7.51084.0108MHz，波谱很窄；而

16、电磁波的波谱范围很广，包括甚低频（VLF）超长波、低频（LF）长波、中频（MF）中波、高频（HF）短波、甚高频（VHF）超短波、特高频（UHF）分米微波、超高频（SHF）厘米微波、极高频（EHF）毫米微波、红外线、光波、紫外线、X射线、射线等 。图1.2 电磁波的波谱对光量的测量称为测光（Photometry）。介绍几个主要的测光量的定义及其基本单位：光通量(Luminous flux) 光源单位时间内发出的光量称为光通量，符号为，单位为流明（lm）。发光强度（Luminous intensity） 光源在给定方向的单位立体角（）辐射的光通量称为发光强度，符号为，单位为坎德拉（cd）。发光强度

17、可由下式表示： 光通量的大小反应了一个光源发出的光辐射所能引起的人眼光亮感觉的能力。光照度 单位受光面积上（S）所接收的光通量称为光照度，符号为E，单位为勒克斯（lx）。光照度E可由下式表示：亮度 垂直于传播方向单位面积（ ）上的发光强度称为亮度，符号为L，单位为cd/m2 ，也称为尼特（nt）。亮度L可由下式表示：1.2.2 人眼视觉特性 1.人眼的视觉生理基础 ： 外界信息以光波形式射入眼帘，通过眼睛的光学系统在视网膜上成像。视网膜内的视觉细胞把光信息变换为电信号，传递给视神经。由左右眼引出的视神经在视交叉处把左右眼分别获得的右视觉信号和左视觉信号进行整理，然后传向外侧膝状体。外界右半部分

18、的视觉信息传入左侧的外侧膝状体，而左半部分的视觉信息传入右侧的外侧膝状体。两个外侧膝状体经视放射线神经连接于左右后头部的大脑视觉区域。图1.3 信息从人眼到大脑的路径 人的眼睛很像一部精巧的照相机，图1.4是眼球的截面图。该图是把右眼沿垂直方向剖切后，从前部所见的构造。眼球为直径约24mm的球状体，光线通过瞳孔射入眼球内，再经晶状体在位于眼球后部内侧的视网膜上成像。角膜的作用类似照相机的第一组镜片，承担着为了能在视网膜上成像所必需的光线折射作用。虹膜紧贴在晶状体上，虹膜中心有一个小孔称为瞳孔。瞳孔的直径可以从2mm调节到8mm左右（16倍）。改变瞳孔的大小，就可以调节进入眼睛的光通量，类似于照

19、相机光圈的作用。图1.4眼球的构造 晶状体起着照相机透镜的作用，四周的睫状肌收缩、松缓可以调节其凸度，亦即调节了焦距，以便使不同距离的景物成像在视网膜上；晶状体同时吸收一部分紫外线，对眼睛起到保护作用。晶状体的弹力会随着年龄增加而减小，到60岁左右，会失去调节能力而变得扁平。 视网膜广泛分布于眼球的后部，其作用很像照相机中的感光胶片。视网膜主要由许多感光细胞组成，感光细胞把光变换为电信号，它又分为两大类：一类叫杆状（rod）细胞，另一类叫锥状（cone）细胞。 锥状细胞大部分集中分布在视网膜上正对者瞳孔的中央部分直径约为2mm的区域，因呈黄色，称为黄斑区。在黄斑区中央有一个下陷的区域，称为中央

20、凹（fovea）。在中央凹内锥状细胞密度最大，视觉的精细程度主要由这一部分所决定。在黄斑区中心部分，每个锥状细胞连接着一个视神经末梢。根据对光谱敏感度的不同，锥状细胞又可分为三类，即红视锥状细胞（吸收峰值为700nm）、绿视锥状细胞（吸收峰值为540nm）和蓝视锥状细胞（吸收峰值为450nm）。 在远离黄斑区的视网膜上分布的视觉细胞大部分是杆状细胞，而且视神经末梢分布较稀，每个锥状细胞和几个杆状细胞合接在一条视神经上。所有视神经都通过视网膜后面的一个空穴，称为乳头（nipple）的通到大脑去。在乳头处没有感光细胞，不能感受光线，故又称为盲点。2. 人眼视觉特性 光射入眼睛会引起视觉反应，单一波

21、长成分的光称为单色光，人眼感觉到的单色光按波长由长到短的顺序为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，参考图1.2。包含两种或两种以上波长成分的光称为复合光。太阳光就是一种复合光，且波长范围宽、能量几乎均匀分布，给人以白光的综合感觉。（1）光谱光效率。人眼对不同波长光的敏感程度。相同主观亮度感觉情况下，=555nm的黄绿光，所需光的辐射功率最小。 （2）视觉二重功能。人的视觉具有明视觉功能和暗视觉功能。锥状细胞的感光灵敏度比较低，大约在104个光子数量级，只有在明亮条件下才起作用。锥状细胞密集地分布在视网膜中央凹区域，且每个锥状细胞连接一根视神经，因此它能够分辨颜色和物体细节，是一种明视觉器官。杆状细胞

22、的感光灵敏度比较高，大约在102个光子数量级，是一种暗视觉器官。（3）暗适应。从明亮处向昏暗处移动时，视觉系统灵敏度会逐渐变化，大约40min左右达到最大灵敏度。 当我们从明亮的地方进入黑暗环境，或突然关掉电灯，要经过一段时间才能看清物体，这就是暗适应现象。（4）明适应。从黑暗环境到明亮环境变化的逐渐习惯过程，称为明适应。与暗适应比较，其时间要快得多，大约仅需1min左右即可完成。（5）视觉惰性。在外界光作用下，感光细胞内视敏感物质经过暴光染色过程是需要时间的，响应时间大约为40ms；另一方面，当外界光消失后，亮度感觉还会残留一段时间，大约为100ms。（6）闪烁（flicker）。 以周期性

23、光脉冲形式反复刺激眼睛，频率低时，可以出现闪烁现象；随着频率逐渐提高就观察不到闪烁了，视觉变得稳定而均匀。将此闪烁感刚刚消失时的频率称为临界闪烁频率（CFF:Critical Fusion Frequency）。此时视野内的明亮度等于亮度的时间平均值。（7）视角。 眼睛的视野是比较大的，由视线方向的中心与鼻侧的夹角约为65，与耳侧的夹角约为100104，向上方约为65，向下方为75。1.2.3. 色彩学基础 彩色是物体反射光作用于人眼的视觉效果。自然界中的景物，在太阳光照射下，由于反射了可见光中的不同成分而吸收其余部分，从而引起人眼的不同彩色感觉。 1.三基色原理 自然界中任意一种颜色均可以表

24、示为三个确定的相互独立的基色的线性组合。国际照明委员会（CIE）的色彩学CIE-RGB计色系统规定：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，光通量为4.95lm的绿光为一个绿基色单位，用（G）表示；波长435.8nm，光通量为0.060lm的蓝光为一个蓝基色单位，用（B）表示。 可见光范围：380nm780nm； 三 基 色：任何一种基色都不能由其它两种基色合成。人眼对红、 绿 、蓝最为敏感。 太阳光组成：颜色波长范围（nm）红620780橙590620黄560590黄绿530560绿500530青470500蓝430 470紫380430 将三

25、基色按一定比例相加混合，就可以模拟出各种颜色，如：红色+绿色=黄色绿色+蓝色=青色红色+蓝色=紫色红色+绿色+蓝色=白色图1.5三基色原理示意图 等量的RGB能配出等能的白光。这样三基色按不同比例就能合成出如图1.5所示的以三基色为顶点的三角形所包围的各种颜色。2. 色彩再现 显示器中的色彩再现，不是把实际的色彩完全忠实地再现，只要再现出的色彩令收看者满意就可以了。图1.6所示为一个彩色显像管（CPT）荧光粉点的布局图，红（R）、绿（G）、蓝（B）三色荧光粉点各自在相应的红、绿、蓝电子束的轰击下发光从而产生颜色。 三个荧光粉点虽然在荧光屏上占有不同的空间位置，但它们产生的不同颜色的光却落在同一

26、个视觉细胞上，产生出三色相加的视觉效果。可见，彩色再现是对人眼视觉特性的巧妙利用，荧光屏上所显示的颜色实际上是在观察者自己的视觉上混合产生的。色彩再现的过程如图1.7所示。图1.6 彩色显像管荧光粉点布局图图1.7 色彩再现过程示意图 红、绿、蓝三个发光点，当他们互相靠的很近，近到人眼不能分辨时，这三个发光点便在人眼中产生混色效应。3.颜色的特征参数：颜色包括三个特征参数：亮度、色度、饱和度。 明度是指刺激物的强度作用于眼睛所发生的效应，它的大小是由物体反射系数决定的。反射系数越大，明度越大。是人眼直接感受到的物体明亮程度。 色调是指在物体反射的光线中以哪种波长占优势来决定的，不同波长产生不同

27、颜色的感觉。色调是彩色最主要的特征，决定了颜色的本质。 饱和度指一个颜色的鲜明程度，饱和度越高物体的颜色越深，是色调的表现程度，饱和度越高，则颜色越深，如深红、深绿等。饱和度越低，则颜色越浅，如浅红、浅绿等。取决于反射光波长范围的狭窄性。色调与饱和度又合称为色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。1.2.4 .显示器件主要性能指标 1.像素（pixel）： 像素指构成图像的最小面积单位，具有一定的亮度和色彩属性。在显示器中，像素点的大小可依据该系统的观看条件（如观看距离、照明环境等）下，肉眼所能分辨的最小尺寸而确定。实际系统的具体例子，如表1-3所列。器件显示器制式有效像素数宽高

28、比宽高总像素数比彩色显像管PAL7205764032001.3143NTSC7204903528001.1543HDTV1920108020736006.75169彩色显示器VGA6404803072001.0043SVGA8006004800001.5643XGA10247687864322.5643SXGA1280102413107204.2754UXGA1600120019200006.2543QXGA20481536314572810.243QXGA25602048524288017.154表1-3 显示器制式与像素数、宽高比2.亮度：显示器所显示画面的亮度，单位cd/m2，不同的场合

29、对亮度的要求不同。1 暗室中亮度在3045 cd/m2，我们感觉足够亮。2 白天室内使用的显示器画面亮度应在70 cd/m2以上。3 室外使用的平板显示器画面亮度要达到300 cd/m2。4 明亮的阳光直射雪地亮度可达50000 cd/m2，是人眼忍受的极限。人眼所能感觉的最低亮度为0.03cd/m2。3.亮度均匀性： 亮度均匀性反应的是显示器件在不同显示区域所产生的亮度的均匀性。通常也用它的反面概念不均匀性来描述，或者用规定取样点的亮度相对于平均亮度的百分比来描述。4.对比度和灰度 对比度指画面上最大亮度和最小亮度之比。该指标与环境光线有很大关系，另外测试信号一般采用棋盘格信号，并将亮度控制

30、器调整到正常位置，对比度调整到最大位置，此时对比度为白色亮度和黑色亮度的比值。一般显示器应有301对比度。 5.灰度 指图像的黑白亮度层次，亮暗之间的过渡统称为灰色。显示灰度级数越多，图像层次越分明，图像也越柔和。 人眼在明亮的白天观看图片时可分辨的最大灰度级为100级。显示器重现原图像时灰度达到8级，人眼就可获得较佳的图像。 6.分辨率（resolution） 分辨率指单位面积显示像素的数量。7.清晰度（definition） 清晰度是指人眼能察觉到的图像细节清晰的程度，用光高度(帧高)范围内能分辨的等宽度黑白条纹(对比度为100)数目或电视扫描行数来表示。如果在垂直方向能分辨250对黑白条纹，就称垂直清晰度为500行(线)。8.分辨力 是人眼观察图像清晰程度的标志，与清晰度定义近似，分辨力可以用图像小投影点的数量表示，如SVGA彩色显示器的分辨力是800600，就代表画面是由800600个点所构成，组成方式为每条线上有800个投影点，共有600条线。 分辨力有时也用光点直径来表示。用光栅高度除以扫描线数，即可算出一条亮线的宽度，此宽度即为荧光屏上光点直径的大小。在显示器件中，光点直径大约几