光电显示技术绪论

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光机人国内相关的学术与技术期刊《液晶与显示》《现代显示》《光电子技术》《电视技术》《现代电子技术》《现代电视技术》《电子技术》《微纳电子技术》《光电子技术与信息》《光电技术应用》《家庭电子》《电子产品世界》《视听技术》《今日电子》《电视工程》《仪器仪表学报》《中国图象图形学报》《山东理工大学学报》《世界电子元器件》《微电脑世界》《中国计算机用户》《稀土信息》《半导体行业》《山西电子技术》《电脑迷》《真空电子技术》《福建电脑》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人类获取信息的方式人类感知外界信息依靠眼、耳、鼻、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％。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％。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、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（OpticalElectronic）技术是由光学、激光、电子学和信息技术互相渗透、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”！光电子技术也是当今世界上竞争最为激烈的高技术领域之一，许多科学家认为：光电子技术、纳米技术及生物工程技术构成当今三大高新技术，是21世纪的代表产业。

显示（display），就是指对信息的表示，即informationdisplay。在信息工程学领域中，把显示技术限定在基于光电子手段产生的视觉效果上，即根据视觉可识别的亮度、颜色，将信息内容以光电信号的形式传达给眼睛产生视觉效果。

光电显示技术是将电子设备输出的电信号转换成视觉可见的图像、图形、数码以及字符等光信号的一门技术。它作为光电子技术的重要组成部分，近年来发展迅速，应用广泛。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-CathodeRayTube)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。与半导体、计算机技术共同发展(1970~1990)视频显示终端(VDT－VisualDisplayTerminal)的进展1970年，计算机终端显示用CRT实用化。用于显示的彩色CRT称为彩色显示器(ColorDisplayTube,CDT)，而用于电视机的彩色CRT称为彩色显像管(ColorPictureTube,CPT)平板型显示器的实用化1970年，对电子信息显示器的需求迅速朝着多样化发展，该时期也是各种新型显示材料、器件进入实用化阶段。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）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LED1993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(OrganicLightEmittingDiode)，场致发射显示器FED（FieldEmissionDisplay)，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”，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ECDelectrochomericdisplay

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AcPlasmaDisplayPanel

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DCPlasmaDisplayPanel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ElectrophoreticDisplay

改进可靠性

在大屏幕显示方面，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-definitionTV)、PAL(PhaseAlternatingLine)和NTSC(NationalTelevisionSystemCommittee)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”（MultimediaDisplayWall)，还有蓝光LED（LightEmittingDiode）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（DirectViewType）2.投影型（ProjectionType）3.空间成像型（SpaceImagingType）

原则上把显示设备上出现的视觉信息直接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。从显示原理的本质来看，光电显示技术利用了发光和电光效应两种物理现象。所谓电光效应是指加上电压后物质的光学性质（如折射率、反射率、透射率等）发生改变的现象。因此，根据像素本身发光与否，又可将显示器件分为以下两大类：1.主动发光（emissive）型2.被动显示(passive)型在外加电信号作用下，主动发光型器件本身产生光辐射刺激人眼而实现显示。比如CRT、PDP、ELD、激光显示器(LPD:LaserProjectionDisplay)等。在外加电信号作用下，被动显示型器件单纯依靠对光的不同反射呈现的对比度达到显示目的。人类视觉所感受的外部信息中，90%以上是由外部物体对光的反射，而不是来自物体发光。所以，被动显示更适合人的视觉习惯，不会引起疲劳。当然，被动显示在黑暗的环境下是无法显示的，这时我们必须为器件配上外光源。比如LED、各种光阀管（lightvalve）投影仪等。（6）真空荧光显示管(VFD:VacuumFluorescentDisplay);主动显示器件的有：（1）阴极射线管(CRT：cathodeRayTube);（2）等离子体显示（DPP:PlasmaDisplayPanel）；（3）电致发光显示(ELD:ElectroLuminescentDisplay)；（4）场致发射显示FED(FieldEmissionDisplay)；（5）发光二极管(LED:LightEmittingDiode);（7）激光显示(LaserDisplay)等。属于被动显示器件的有：（1）液晶显示(LCD:LiquidCrystalDisplay);（2）电致变色显示(ECD:ElectroChromaticDisplay)；（3）电泳显示(EPID:ElectroPhoreticImageDisplay)；（4）铁电陶瓷显示(PLZT:TransparentCeramicsDisplay)等。

按显示屏幕大小分类有：超大屏幕（＞4m2）、大屏幕（1~4m2）、中屏幕（0.2~1m2）和小屏幕（＜0.2m2）。按色调显示功能分类有：黑白二值色调显示、多值色调显示（三级以上灰度）和全色调显示。按色彩显示功能分类有：单色（monochrome）黑白或红黑显示、多色（multicolor）显示（三种以上）和全色显示。按显示内容、形式分类有：数码、字符、轨迹、图表、图形和图像显示。按成像空间坐标分类有：二维平面显示和三维立体显示。按所用显示材料分类有：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380~780nm），频率为7.5×108~4.0×108MHz，波谱很窄；而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、γ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(Luminousflux)光源单位时间内发出的光量称为光通量，符号为Φ，单位为流明（lm）。发光强度（Luminousintensity）光源在给定方向的单位立体角（ω）辐射的光通量称为发光强度，符号为Ｉ，单位为坎德拉（cd）。发光强度Ｉ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，λ=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1