光电子技术基础-第七章-光电显示技术

第7章光电显示技术

7.1光电显示技术基础

从光源发出的光经调制加载信号后通过光波导(含光纤)传输到接收端，此时接收端常常

需要将所需信息解调并以图像、图形、数码、字符等形式表现出来，这一技术就称为显示技

术。由于解调信号必须通过介质转换成与人的视觉协调的信息表现出来，因而该技术涉及的

问题不仅需要材料发光方面的基础知识，而且需要视觉与色彩方面的知识。由于各类显示器

件理论基础不同，因而本章首先介绍一些显示的基础知识，接着学习典型显示器件的有关发

光机理及其他基础知识。

7.1.1显示技术与显示器件

1897年，德国的布朗发明了作为目前彩色电视机以及显示装置中心部件的阴极射线管

(CRT)雏形。之后百余年来，CRT一直占据光电显示的主导地位，如今其技术已极其成熟。

液晶是另一种显示介质，它是一种介于固态与液态之间的有机化合物，兼有液体的流动性与

固体的光学性质，1889年德国的莱曼发现其具有双折射现象，1968年美国的Heilmeier发

现其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。直到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。利用前面介绍过的本征场致发射

可以制造另一种很有发展前途的平板显示器件，这类器件常被称作FET或ELD器件。等离子

体显示器件(PDP)成为近年人们看好的未来大屏幕平板显示的主流。LCD、ELD、PDP被认为

代表着光显示器件未来发展方向。

显示技术在当代科技中占有相当重要的地位。广义地讲，显示技术是一种将反映客观外

界事物的信息(光学信息、电学信息、声学信息、化学信息等)经过变换处理，以恰当形式(图

像、图形、数码、字符等)表现出来，为人类提供视觉感受、分析、表达和处理信息的技术。

显示技术中的关键是显示器件。

光电显示多种多样，列如表7—1。光电显示按发光类别可分为主动型光电显示与被动

型光电显示；按照结构形状分为平板显示和体显示；按显示屏幕大小分为超大屏幕(Mm2)、

大屏幕(1〜4〃/)、中屏幕(0.2〜1加2)、小屏幕(〈0.2加2)显示；按颜色分为黑白、彩色

显示；按显示内容分为数码、字符、轨迹、图表、图形、图像显示；按成像空间坐标分为二

维平面与三维立体显示；按显示原理分为电子束显示(CRT)、真空荧光显示(VFD)、发光二极

管显示(LED)、电致发光显示(ELD)、等离子体显示(PDP)、液晶显示(LCD)、激光显示(LD)、

电致变色显示(ECD)。

表7-1显示器件分类表

按结构特点

按信息转换方式按用途

真空型小真空型

红外变像管夜视仪器

X射线像增强器高速摄影仪器

微光像增强器医用显示仪器

光学图像转换为光学图

全息立体显示三维空间显示

像

双目视差立体显示

液晶显示器电视

显像管等离子体显示器计算机监视器

荧光显示管发光二极管医疗图像显示

投影管电致发光显示器工业探伤图像显示

激光显示仪器仪表数码显示

光阀

电致变色显示大屏幕显示

电信号转化为光学图像

定位管

直观存储管雷达显示

示波管波形显示

静电印刷管

记录、印刷、特殊用

静电存储显示管

途

电信号转化为电信号

信号变换存储管,单像管

飞点扫描一光电组合显

示

表征显示器件与显示系统主要性能的指标如下：

⑴亮度

指垂直于传播方向单位面积上的发光强度，单位为cd/机2（坎德拉每平方米）。一般室

内观看清晰可见亮度要在70cd/m2以上，室外要在3004/〃/以上。人眼可见的亮度范围

为0.03~50000cd/m2.

（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级左右。

（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（如通常电视垂直分辨力为500线）；也可用

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。

各类显示的性能比较见表7—2。

表7-2各种光电显示性能比较

名称显示内容颜色特性缺陷用途

亮度高，响应快，体积大，高压供中型显示，大

数字，文字，分辨力高，扫描简

CRT黑白，彩色电，能耗大，有型显示（投影

图形单，有彩显和记忆

能力X射线辐射管）

数字，文字，由单色向驱动电压低，亮度

LED发光效率低小型显示

图形彩色发展高，寿命长

荧光数码管数字驱动电压低，亮度

VFD绿需要灯丝电源小型显不

荧光显示板数字，文字高，寿命长

PDP数码管数字橙，红，亮度高，造价低驱动电压高小型显示

绿

PDP直流PDP数字，文字橙，红，彩平板，可自扫描结构复杂中小型显示

色

交流PDP数字，文字，橙，红，彩平板，有记忆功能驱动复杂中型超大型

图形色

LCD数码管数字被动发光，功耗低，驱动电压响应速度慢，视

LCD由外光源中小型显示

LCD显示板数字，文字，定低，有记忆功能角小

图形

数字，文字，平板，造价低，功亮度低，寿命

交流粉末绿，蓝中大型显示

ELD图形耗小短，驱动复杂

平板，造价低，亮

ELD直流粉末数字，文字橙，黄寿命短功耗大中小型显示

ELD度高

平板，亮度高，寿

交流薄膜数字，文字橙，黄实现蓝光困难小型显示

ELD命长

1.1)图像彩色亮度高，显示面积设备大，功耗大大型显示

大

光阀数字，文字，黑白显示面积大造价高大型显示

图像

7.1.2发光、色彩与视觉

1.发光

上一部分所列各类显示器件中，大多数属于主动显示，也就是说能自行发光。发光一词

通常用来描述固体受到某种形式的能量激励后所产生的光发射现象，也就是指以某种方式

（紫外线、高能电子、X射线、£/尸//射线等高能辐射）来激发某些物质，使其部分能量

以非热激发形式的可见或近可见光谱形式重新发射出来的现象。发光要经过激发、中间状态

等一系列过程，发光时间大于0.1ns。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（＞（）.1s）、中余辉（ImS〜

0.1s）、短余辉（〈1ms）发光；根据发光机理不同可分为分立中心发光、复合发光；最常见的

是根据激励方式分为以下几类：

1）光致发光：激励来自对光子（通常是紫外光）的吸收。荧光灯是这类发光的代表，灯内

的水银蒸汽在外电场作用下放电而辐射出紫外光，紫外光激发管壁上的荧光粉而发光。

2）阴极射线发光：发光体在加速电子的轰击下激发发光。典型的器件有显像管（CRT）,其

中的电子枪在加速场作用下产生高速电子束，轰击屏幕上的荧光粉而发光。

3）场致发光：发光体在外电场或电流作用下激发发光。如交流粉末显示器、直流粉末显示

器、发光二极管、等离子体显示器等。

4）化学发光：发光体在化学反应过程中由化学能激发的发光。如磷在氧化时所发的磷光。

实际上，无论什么形式的能量输入到发光材料中，发光的最后阶段都是一个自发辐射过

程。由于高、低能级总是分别处于两条能带之中，因而观测到的不是发射某一波长的光，而

是某一波段的光。激励停止后，发光现象将继续维持一段时间，该段时间的长短等于电子在

能级多和居间的跃迁时间，若发光时间W10/75,则称为荧光，否则称为磷光。

磷光现象是由于出现了能量低于的亚稳态（又称陷阱能级），电子一旦陷入这种寿命

很长的亚稳态，需经过一段热激励时间后，才能被释放出来，因而发光时间一般较长。呈现

磷光的物质称为磷光体。一般情况下，磷光作用取决于磷光材料中的杂质离子一一活化剂，

当活化剂的电荷与被置换的基质离子的电荷相同时，它将置换某些基质离子。为了改善活化

剂在晶格中的“溶解度”，可进一步掺入具有不同离子电荷的杂质原子，称这种杂质为助活

化剂。

2.颜色

由于发光都是离子跃迁产生的，因而发光必然对应各种颜色。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化的性质，表示为颜色c为波长;I的函数

。=/（为（7-1）

2）可分性：指白光可分为其他颜色成分，如三棱镜将白光分为七彩颜色。

3）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。因而任

何一种颜色C都可以看做是许多独立色彩Q的线性组合

c=^akck（7-2）

i=l

4）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的

基色的线性组合。实用上常选择红（R）、绿（G）、蓝（B）作为三基色。将三基色按一定比例混

合调配，就可模拟各种显示颜色。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，相减混色法常取黄、品红和青为三基色，三者相加为黑色。

颜色包括三个特征参量：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

光体的色调决定于它本身光辐射的光谱，非自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。

饱和度(色纯度)表示颜色光的色纯粹性程度，与颜色光中自光含量有关，色越纯，白光

含量越少。

通常所说色度是色调和饱和度的总称。度量颜色常用色度图或色度坐标来表示。

3.视觉

人眼不仅有明暗视觉，而且有彩色视觉。国际标准眼能分辨出3000多种颜色，一般有

经验的人的眼睛也能分辨出120多种颜色。

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、蓝最敏感，体现为三条相对光视效率曲线,

三者相加则为明暗视觉。

2)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时，人眼不

能分辨出其各自颜色，而只能感觉到它们的混合色的特性。

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，而只能感觉到它们的混合色.

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，而只能感觉到它们的混合色。

7.1.3色度坐标系与彩色重现

1.色度坐标系

为了使各种颜色可以通过人的视觉系统良好地重现，人们建立了各种色度坐标系，总的

说来主要有以下种类：

⑴CIE—RGB计色系统

该系统规定：波长700nm、光通量为11m的红光为一个红基色单位，用(R)表示；波长

546.lnm＞光通量为4.59071m的绿光为一个绿基色单位，用(G)表示；波长435.8nm、光

通量为0.06011m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

F=/?(7?)+G(G)+8(8)=〃仃(R)+g(G)+b(B)](7-3)

式中，R(R)、G(G)、B(B)称为F的三色分量，R、G、B称为三色系数，优称为色

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1时所需的各基色量的数值，且

r+g+b-\(7-4)

由此采用r-g二维直角坐标系表示RGB色度图，如图7—1所示。本图及以后各色度图

中，A、B、C、D、E分别代表色温为2854K、4800K、6800K、5500K(等能白光)、6500K时的

位置。由图7—1可见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E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：①光谱分布色

系数和色坐标出现负值，不易理解且计算不便；②光谱轨迹不全在坐标第一象限内，作图不

便；③色度图上没有直接表示出亮度，需要经过计算才能求出。

图7-1CIE—RGB色度图

（2）CIE—XYZ标准计色系统

为了克服CIE-RGB计色系统的缺陷，国际照明委员会（CIE）规定了一种新的计色系统，

其中任意彩色光F的配色方程为

F=x（x）+y（y）+z（z）=加［无（X）+y（y）+z（z）］（7-5）

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，相称为色模，2、Y、z称为色度坐标或相对色系数

x+y+z(7-6)

由此采用2—Y二维直角坐标系表示XYZ色度图，如图7—2所示。

图7—2CIE—XYZ色度图

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。可见，该基色系统克服了RGB基色系统的一系列不便，系统、科学、方便地解

决了定量描述色度的问题。（X）、（Y）、（Z）在RGB色度图中的位置如图7—3所示。

x,y,z与r,g,b之间有转换公式

0.49000r+0.31000g+0.20000b

(7-7a)

0.66697r+1.13240g+1.20063b

0.17697r+0.81240g+0.01063h

y=(7-7b)

0.66697r+1.13240g+1.20063h

0.01000g+0.990006

z-(7-7c)

0.66697r+1.13240g+1.20063b

为了使用方便，人们又在XYZ制色度图基础上根据不同坐标点颜色的异同程度划分成若

干小区，形成色域图，如图7—4所示。另外还根据需要得到了等色调图、等饱和度线、等

色差域图等，如图7—5所示。

(3)CIE—UCS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,其色度图如图7-6所示。这一计色系统规定

4x

u=--------------------(7-8a)

—2元+12y+3

6y

v=--------------------(7-8b)

—2x+12y+3

w=\—u—z(7-8c)

X

图7—5等色调波长线与等饱和度线、等色差域图

并规定v坐标决定颜色亮度，白色点坐标为(0.201,0.307)«

2.彩色重现

有了人眼及颜色的概念后，人们就可以就此研究进行色彩重现。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。由于荧光粉选择时必须考虑到发光效率、亮度、色彩等因素，希望重现图像

的亮度和饱和度都尽量高，折中考虑的结果必然使得显像三基色很难与CIE规定的标准光谱

三基色完全一致，只能使色点尽可能靠近CIE三基色。另外还必须选择一个合适的参考白场,

并保证白场亮度必须达到100c。/不同制式采用的参考白场不同。国际电视NTSC制采

用CIE标准照明体C作白场；我国的PAL制和欧洲的EBU制均采用CIE标准照明体。65作白

场。不同制式彩色重现的亮度和色度略有差异。

荧光粉与白场选定后，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送端的编码矩阵，并使摄像端的综合光谱相应曲线分别与显像三基色

混色曲线一致，从而使输出的三路电信号功率谱正好与显像端要求的比例关系相吻合；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。

7.2阴极射线显示

7.2.1发光机理

阴极射线发光主要包括光致发光中的分立发光和阴极射线发光中的复合发光。

1.复合发光

典型的阴极射线显示发光物质为晶态发光体,这是一类含有杂质和其他缺陷的离子型晶

体。晶态发光体的发光机理为复合发光，其特点是：能量吸收在基质中进行，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象，因而这类发光一般又称光电导型发光。相对

而言这类发光余辉较长，俗称磷光。电视机或监视器就是这类发光。

复合发光可用能带模型描述。晶态发光体的能带结构如图7—7所示。

(a)(b)(c)(d)

图7.7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。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人激发态A（b、d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，因而称为短时复合发光；而b、c、d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Z/+构成）和价带（由52-构成）外，不仅需要激活剂（最有效的有Cu,A9,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。通常基质的数量大

大超过激活剂和协同激活剂的数量，所以其发光特性主要决定于基质晶格母体本身。激活剂

和协同激活剂主要是通过其化学价间接起作用而非元素本身直接起作用，作用结果使晶格受

到恰当微扰，但没有他们，ZnS不能正常发光。

2.分立发光

分立发光是另一类重要的发光机制，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。日光灯发光就属于

这类发光。

分立发光机理常用位形坐标模型来解释，如图7—8。由于原子的势能场对电子的作用

与位置有关，因而晶格中处于振动状态电子的能态随原子位置变化而变化。位形坐标就是用

来描述激活剂原子空间位置变化时电子能态的变化情况的。

当一束高能（》lkeV）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

图7—8分立发光机理的位形坐标模型

吸收外界高能量子而跃迁到激发态2上位置A处。由于电子在A处不稳定，因而必然经由

状态下降到激发态能量最低点G'。当电子从激发态G'跃迁到基态G点时，便发生发光

现象。其发射光子的能量总小于吸收的能量（G'G<A'A）,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。

事实上，在电子进行这一系列运动时，由于原子质量远大于电子质量，因而原子平衡位

置和运动速度不能得到及时调整，结果原子仅能在平衡位置附近发生微小振动。这种晶格振

动对活化剂离子能级产生影响，使得吸收不是发生在一点，而是发生在一个能带上，也就是

说有一个吸收带，同样发射光谱也是一个能带。这必然造成晶态发光体的发射光谱具有一定

的带宽，并且光谱分布通常是钟形的。

荧光灯就是斯托克斯位移的一个重要应用。在荧光灯中，通过由氯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。

7.2.2CRT

阴极射线管（cathoderaytube,CRT）的发展可追溯到1897年布朗的示波管，1938年

德国人W'.Fleching提出彩色显像管专利，1950年美国的RCA公司研制出三束三枪荫罩式

彩色显像管，1953年实用化。20世纪60年代，玻壳由圆形发展为圆角矩形管，尺寸由21

英寸（lin=2.54cm）进展到25英寸，偏转角由70°增大到90°,荧光粉由发光效率较低的磷

酸盐型发展为硫化物蓝绿荧光粉和稀土类红色荧光粉；70年代以后，彩色显像管进行了一

系列改进，显示屏由平面直角前进到超平、纯平，尺寸发展到主流29英寸以上，偏转角由90。

增大到110",横纵比不断增大，采用自会聚管以提高显示分辨率。并且近年正向高分辨率

彩电方向发展。近年这些方面取得突破性进展，研制成功了超薄、纯平彩电。

1.黑白显像管

黑白显像管是通过电光转换重现电视图像的一种窄束强流电子束管，其基本工作原理

是：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儿何相似、明暗对应的适合人眼视觉特性要求的

光学图像。

黑白显像管的基本结构包括电子枪、偏转系统、荧光屏和玻壳，如图7-9。

图7-9黑白显像管的基本结构

1.灯丝：2.阴极；3.控制极；4.加速极；5.聚焦极；6.高压阳极；7.电子束；

8.玻壳

(1)电子枪

电子枪是显像管中极为重要的组成部分。电子束的发射、调制、加速、聚焦均由电子枪

来承担。显示管用电子枪属于弱流电子枪，由圆筒、圆帽和圆片等旋转对称的金属电极同轴

排列、装配和固定而成。一般分双电位电子枪(bi—potentialfocus,BPF)和单电位电子枪

(uin-Dotentialfocus,UPF)。BPF枪中电子束在主聚焦透镜出入口处电位不同,UPF枪则

主透镜出入口处电位相同。U)F电子枪比BPF电子枪多一个高压阳极，大幅度增强了聚焦能

力，使得显像管具有了自聚焦能力，保证了显像管聚焦特性的稳定和提高，因而被广泛采用。

以下我们分析UPF电子枪的结构和工作原理。

UPF电子枪结构如图7—10所示，包括灯丝阴极K、控制极加速极G?、第

二阳极(聚焦极)G?和高压阳极

图7—10UPF电子枪结构

电子枪的第一个作用是发射并加速电子。显像管一般采用氧化物阴极，在基体金属上涂

敷一层以氧化钢为主体的氧化物，当灯丝加热使阴极表面温度达到800°C左右时，开始发

射电子。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700V

左右，当阴极一控制极电压低于截止电压时，阴极表面中心部位出现电子加速场，达到一定

温度的阴极就能发射出电子束，电子束经G2加速，形成高速电子束流。

电子枪的第二个作用是用视频信号调制电子束流。电子束流由阴极和控制极的电位控

制。发射电子束流的强度表示为

…”纥/(7-9)

式中，％为调制极电压，后的为扫描电子束截止电压，勺为比例系数，7为非线性系数，

常取2〜3。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。这种调制方式对

电子束的控制较强，调制灵敏度较高。

电子枪的第三个作用是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G?和G3构成的预聚焦透镜被压缩变细，再经G,,G4,G5构成的聚焦透

镜进一步聚焦，在荧光粉面上产生足够小的光点。

(2)偏转系统

如果不加偏转电压，则经过上述加速、聚焦的具有很高动能的电子束轰击荧光面时，仅

能在荧光屏中心位置产生亮度很高的光点，难以成像；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，使整个荧光屏上的任何一点都能发光而形成光栅，这就是

偏转系统的作用。

电子束的偏转方式分电偏转和磁偏转两类。由于磁偏转像差小，适用于大角度偏转，并

且在高阳极电压下偏转灵敏度的变化比电偏转小，所以显像管通常采用磁偏转。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成，常为S/T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；水平线圈放在垂直线圈里面，且紧贴管颈。偏

转线圈细管颈、大偏转角结构可使显像管长度减小，从而大大减小体积。

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。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。改变电流的大小和方向，磁场的强弱和方向也随

^-

r电

o0

o0

^^

o0

o0

图7—11偏转线圈上的电流

之改变，电子束于是随之上下左右偏移。假设偏转磁场只均匀存在于管轴方向上长度为L

的区域，其外磁场为零。于是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，电子束直线部分的反向延长线与Z轴的交点C为电子束的偏转中心，

。为电子束偏转角，D为电子束着屏点偏移量

£>二卬一cose）+.tan<9（7-10）

sin。

研究表明：

1）随着磁场的增强，偏转角度。增大，电子束偏转中心不固定，因而显像管必须采用校

正透镜，也就是使偏转线圈产生非均匀磁场；

2）偏转量D与磁场H间是非线性对应关系，因此电子束在均匀偏转磁场下扫描荧光屏会

产生枕型失真，这一点可以通过采用非均匀扫描电场校正，如要减小左右枕形失真，可加大

每一场扫描电场中心部位幅度；

3）不同偏转角度的电子束成像点组成一个半椭圆面，与显像管荧光面不重合，所以会出

现偏转散焦现象，它将降低再现图像的分辨率，为此需要校正。

在同步信号控制下，电子束的光栅扫描应满足电视系统工作要求。我国采用的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52a,

逆程为12偌，场正程时间218.4加s,逆程时间垂直方向显不575行。

（3）荧光屏

荧光屏是实现显像管电光转换的关键部件之一，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。

荧光屏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。

显像管的发光性能首先取决于所用的荧光粉材料。黑白显像管的荧光粉称白场粉，一般

用两种荧光粉（蓝与黄，比例55：45）_}9合制得，或直接采用单一白色粉。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

中心注入加有醋酸领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。

在荧光粉层表面蒸镀一层01-0.5必/的铝膜，并使之与电子枪的阳极相连，可以提高

图像显示性能，所得荧光屏称为金属化荧光屏。这种荧光屏具有三大优点，一是铝膜与电子

枪的阳极相连，可以防止介电性的荧光粉负电荷积累导致的荧光面电位下降（这会限制亮度

提高）；二是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；三是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。

另外，荧光屏发光亮度还和阳极高压有关，当阳极高压大于熄点电压后，荧光屏发光亮

度随阳极高压增加而呈现指数增大，所以提高阳极电压是提高亮度的有效方法之一。

2.彩色显像管

彩色显像管（后简称彩管）是彩色电视机中利用三基色混色原理来实现彩色图像显示的

电子束管。根据彩色图像重现方法的不同，可分为矩形式彩管和穿透式彩管。

穿透式彩管结构简单，具有较高的分辨力，管内无荫罩或栅网使其耐受振动和冲击的性

能良好，另外对杂散磁场抗干扰性强，因而适用于图像显示、航空管理系统、飞机和舰船上

的显示和雷达装置，但显示颜色太少，发光亮度因受阻挡层影响而不太高，外电路复杂，功

耗大，因而没能实现商品化，在市场上没有留下什么痕迹。

矩形式彩色显像管根据选色机构的不同可分为荫罩式、聚焦荫罩式、束指引式等各种类

型，其三基色组在荧光屏上矩阵状排列，每个色组含三基色荧光粉点（条），被各自电子枪激

发，发光点直径很小，且彼此靠得很近，所以，当离开一定距离观看时，利用人眼的空间混

色特性就只能看到它们的混合色。穿透式彩管的荧光屏分三色层，每层均匀涂敷一种基色，

三个电子束分别以不同的速度穿透不同的粉层厚度去激励相应的荧光粉层发光，于是，根据

人眼的时间混色特性，荧光屏上的一点就可以得到混色后的色彩,从而实现了彩色图像显示。

荫罩式彩管主要由电子枪、偏转系统、三色组荧光屏以及荫罩四部分组成。荫罩是彩管

中特有的极为重要的组件，是显像管的选色机构，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（条），即保证电子束正确

选色，同时制管过程中荫罩还起涂屏曝光的投影模板作用。荫罩一般由冷轧低碳钢带制成，

上面规则排列着许多细小的圆孔（长条）。彩管管壳采用全玻璃结构，由玻屏、玻锥和管颈几

部分组成，玻壳内真空度在1CT4以满足热阴极发射电子和电子束在管内运动的

需要。由于彩管内阳极电压很高，达20000V以上，因而电子束轰击会产生软X射线，于是

在玻璃配方中掺入重金属（玻屏上为氧化钢和氧化物!，玻锥内含氧化铅），以加大对软X射

线的吸收。根据荫罩管四个组成部分的不同组合方式,可分为品字形三枪三束荫罩式彩管（简

称荫罩管）、单枪三束栅网荫罩彩管（简称单枪三束管）和自会聚式彩管（简称自会聚管）。目

前彩色电视机采用最多的是自会聚管。

三枪三束荫罩管中，红绿蓝三基色点呈品字形均匀交替排列在整个荧光屏上，如图

7—12（a）所示，每个色点很小，只有几微米到十几微米，数目达100万颗以上，分别被各自

电子枪激发发光。发光点排列很近，于是根据空间混色原理，可以得到各种所需颜色。这种

彩管的电子枪由三个在管颈内呈品字形排列、相隔120度、与管颈中轴线倾斜1°~1.5°的

小电子枪组成，如图7—12（b）所示，其作用是发射三基色电信号控制的电子束并保证它们

能同时通过荫罩上同一thai.,并分别打在各自荧光粉点上。荫罩板上打有数十万个小孔［图

7-12（b）］,保证每个电子束在整个扫描过程中都能打到自己的基色粉点上。为了得到鲜艳

清晰的彩色图像，这类彩管通常还要在管外附加磁铁、偏转线圈和相应电路等来对电子束运

动加以校正，进行色纯化；提高阳极电压，以提高亮度；加大荫罩孑L孔径，使通过小孔的

电子束直径增大到荧光粉点直径大小，进一步提高亮度；在荧光粉间隙涂以石墨，以提高对

比度。这类显像管的结构如图7—12（c）所示。

色点状

荧光屏

图7一12三枪三束荫罩管结构

单枪三柬栅网荫罩彩管是荫罩管的改进型，其荧光粉层由1000多条三种基色荧光粉竖

条按RGB次序交替排列而成；孔状荫罩板被垂直刻有400-500条细丝栅网的薄钢片取代，

保证电子束正好在缝隙处交叉，且出射后打在各自的色条上；其三个电子枪灯丝、阴极与控

制极水平放置，其余电极共用。这种结构使得电子束的会聚调整比色点管简单许多，亮度大

大提高，还可缩小显像管颈尺寸，减小偏转功率，促进彩电小型化。但彩色重现较为粗糙，

因而多用于小型彩电。

自会聚彩管是近年彩管的主流，其典型结构如图7—13所示。电子枪采用了三枪三束精

密直列式结构，除阴极相互独立并用分立引线外，其他电极均采用整体式结构，用公共引线;

采用开槽式荫罩板及条形荧光屏，在板上开出细长的间隙微型槽，克服了栅网式结构怕振动

的缺陷，降低了垂直方向聚焦精度要求；采用精密环形偏转线圈，实现了会聚自校正。另外,

精密环形偏转线圈形成固定组件装架在管颈上与管子形成一个整体，大大方便了安装与调

整。

VJVJ\_J

O□(=

nnn

RGB

一般一字排列管

(a)

7.3液晶显示

液晶的发现可以追溯到19世纪。早在1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔就发现了胆固

醇的苯甲酸酯和醋酸酯在某些温度范围内呈白色混浊的液状且发出珍珠光泽。第二年，德国

物理学家发现这类白而混浊的液体外观上虽然属于液体，但却能显示出各向异性晶体特有的

双折射性，因而命名为“液晶”。1963年，美国无线电公司的威廉斯发现在向列型液晶层

Xz]JHI-_电压会使其变混浊。1968年，海尔梅耳进一步研究了这种现象并制成了液晶平板

显示器件，开创了液晶显示（liquidcrystaldisplay,LCD）应用的新纪元。此后，液晶显示

得到飞速发展，先后实现了液晶大屏幕显示、液晶彩色显示、激光寻址液晶光阀和便携式液

晶显示器，目前，液晶

显示已成为未来显示技术的主要发展方向之一。

7.3.1液晶及其物理性质

1.液晶的特点及分类

液晶是介于完全规则状态（如固态晶体）与不规则状态（如各向同性液体）之间的中间态

物质。目前已发现的液晶物质近万种，几乎都是有机物。

但总的来说可分为热致液晶和溶致液晶。热致液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；而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。由于现在液晶显示器件主要采用前者，因此我们主要介绍热致

液晶。

热致液晶实际上是某些有机物在某一限定温度范围内的状态。在这一温度范围的低端，

它呈晶状固体；而在这一温度范围的高端，它为清澈的液体；只有在这一限定温度范围内，

它是淡黄色的混浊液体，并具有固体和流动液体的某些光学特性。它既可以通过固相加热获

得，也可以通过液相冷却获得，其间涉及的相变有两种情况，一种称为互变相变，也叫可逆

相变

晶体液晶△+各向同性液体

另一种称为单变相变，这种相变中液晶只有在液体冷却时才形成

晶体H各向同性液体

t—液晶旦」

液晶材料结构的主要特点是：它们的分子都具有细长条状结构，分子取向与液晶表面状

态和其他分子有关。当外界的电场、磁场或温度稍有变化，分子的排列方向也随之变化，分

子的运动便会发生紊乱，从而使光学性质发生变化。我们将条型分子的旋转对称轴方向称作

分子指向，用n表示，它实际上也就是条型分子在空间的排列方向。根据分子的不同，可将

常见液晶分为向列型、胆番型和近晶型三种。

近晶型液晶也称层状液晶，由棒状或条状分子排列成层，层内分子长轴相互平行，其方

向垂直于层面或与层面呈倾斜排列，如图7—14(a)。这种排列的分子层间作用力较弱，相

互间容易滑动，呈现出二维流体的性质，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，由长径比很大的棒状分子组成，每一分子的位置虽无规则,

但从整体来看，分子轴向着同一方向，如图7—14(b)。由于其各个分子容易顺着长轴方向

自由移动，因而与近晶型液晶相比，向列型液晶黏度小，富于流动性，但仍呈正单轴晶体的

双折射性质。

胆脩型液晶也称螺旋型液晶，它和近晶型液晶一样具有层状结构，但层内分子排列却与

向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，如图774(c)。这类液晶各层的分子取向

与邻层的分子取向都略有偏移，液晶整体呈现螺旋结构，螺旋长度为可见光波长量级，具有

旋光性、选择性光散射性和偏振光二色性、负单轴晶体的双折射性。

图7—14三种液晶分子的排列

以上是三种典型的液晶结构，另外还有一些异型液晶，如圆盘型液晶和重入液晶。

圆盘型液晶由对称性良好的非极性分子组成，其形状如同硬币，可形成柱状堆积排列，

也像胆笛型液晶一样具有负单轴晶体的双折射性，但没有旋光特性，为非光学活性物质。

重入液晶是指某两组分混合液晶的各向同性液体在冷却过程中呈现出各向同性液体一

向列型液晶一近晶型液晶一向列型液晶这种奇妙相变现象的液晶。其命名是由于它在相变过

程中再次出现类型相同的液晶相。

液晶分子的取向聆可以用外界条件来控制，因而可用来制作显示器件，器件的性质只受

液晶纯度的影响。

2.热致液晶的物理性质

液晶的物理性质与分子结构密切相关,显示器中广泛应用的热致液晶主要具有如下典型

物理性质：

(1)介电各向异性

液晶介电各向异性是决定液晶分子受电场影响程度的主要参数。当液晶分子结构中不含永

久偶极矩时，在一定温度下，液晶各向异性主要取决于分子的极化率，其数值通常较小；而

含永久偶极矩时极化率较大。当液晶分子含有两个以上偶极矩时，其△£取决于分子中永久

偶极矩的矢量和；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。A£>0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〃型液晶。

(2)电导各向异性

一般热致液晶具有非离子结构，电导率很低，常小于10-9”相。电导率平行与垂直于

分子轴方向的分量不同的特性，称为电导各向异性。研究表明，向列型液晶总有b〃>b，,

因而离子更容易沿垂直于分子轴方向运动；近晶型液晶中，cr//<离子更容易在分

子间隙间运动。因而从液晶电导各向异性的变化可以分析液晶状态所经历的变化。

液晶中含有杂质或弱电导都会使电导率增高,混合液晶在温度变化时发生的相变也会使

电导率变化，体现为电导率随温度变化。图7—15为电导率随温度的变化关系。

100%

2500260027002800r-,/K

图7—15DH0AB液晶电导率随温度的变化的b—曲线

(3)黏度

液晶黏度对显示器响应时间和和余辉时间Q产生较大影响，其表达式为

4^77Z2

却=△屋_4万Kj(7-lla)

(7-llb)

式中，77为液晶黏度，C为液晶特性参数，z为液晶层厚度，K,为液晶弹性系数。

向列型液晶黏度系数与活化能、温度的关系为

〃=/e呼(一£7KT)(7-12)

式中，为为比例常量，E为活化能，「为温度，K为玻尔兹曼常量。图7—16给出了三种

液晶黏度随温度的变化关系。

(4)双折射

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

\n=ne-no=nlt-n±>0,为正光性液晶；胆笛型液晶的光轴同螺旋轴平行而与分子轴

垂直，因而A"=<0为负光性液晶。

图7—16液晶黏度随温度的变化曲线

(5)磁各向异性

磁场中，液晶分子的取向与磁场是平行还是垂直与分子结构有关。当液晶分子中含有苯

环时，由于苯环中万电子体系的环电流的液晶分子长轴总是沿磁场取向，因而其抗磁系数M

的两分量有而波尔等人对液晶的测量表明，无苯液晶分子长轴垂直于磁场取

向，因而

(6)弹性常量

弹性常量是描述液晶分子弹性形变的物理量，常用的弹性系数有三个，分别是弯曲弹性

系数(K”)、扭曲弹性系数(K22)、展曲弹性系数(K33)。沿液晶分子结构的横轴引进其他

基团而增加液晶分子的宽度时，K”增加，K33基本保持恒定，因而Ku/K”变大；液晶分

子末端烷基链长增加，会阻止液晶分子间滑动，使K“/K33变大；用某些烷基取代苯环会

使K“/K33变小。K1JK33越大，该液晶的电光锐度曲线越陡峭，多路驱动能力越强；通

常K22比K2K33小，许多液晶的K22/K”值在0.4〜0.8范围内。

(7)有序参数

液晶显示器制备中常采用垂直取向处理或平行取向处理形成垂直分子排列或沿面分子

排列，然而并非所有液晶分子都能相互平行且相对基片整齐、有序地排列。表征液晶分子整

齐有序排列的参数就称为有序参数，它在液晶的具体应用中是极其重要的，与液晶的极化率、

介电常量、磁化率等的各向异性密切相关，常用下式定义

1,

s=5（3cos-夕-1）（7-13）

式中，。角为单个液晶的长轴方向与液晶分子总取向n之间的夹角。S与弯曲弹性系数K”之

间有关系

1dK112ds