第十一课光电显示(上)-524final教材课件

1、第十一课 光电显示（上）第十一课 光电显示（上）2022/10/11 2022/10/11主要内容1.光电显示器件概论 2.典型的显示器件2.1CRT2.2LCD2.3PDP2.4LED2.5LD2.6HD2.7 Others1.1定义1.2历史1.3分类1.4 性能指标2022/10/11主要内容2.1CRT1.1定义1.1 光电显示器件的定义显示（display）：指对信息的视觉表示，即information display。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。光电显示器

2、件：利用光电显示技术实现电光转换的显示器件。2022/10/11 2022/10/111.1 光电显示器件的定义显示（display）：指对信息的1950球形彩色布劳恩管布劳恩(Braun)18971.2 光电显示器件的历史1950球形彩色布劳恩管布劳恩(Braun)18971.2 82英寸的薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD） 1983年,开创了LCD的新纪元150英寸等离子体显示器(PDP) 如纸板薄的OLED显示器 发展历史82英寸的薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD） 1983年132英寸多屏幕三维显示墙（飞利浦的3D WOWzone） 发展历史132英寸多屏幕三维显示墙（飞利浦的

3、3D WOWzone） 1.3 光电显示器件的分类 一、按收视信息的状态分类，可分成： 1. 直观型（Direct View Type）：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。 2. 投影型（Projection Type）：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。 1.3 光电显示器件的分类 一、按收视信息的 一、按收视信息的状态分类，可分成：3. 空间成像型（Space Imaging Type）：指采用某种光学手段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

4、像具有纵深而大大提高了真实感和现场感。 一、按收视信息的状态分类，可分成：二、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。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 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、LED等。 2. 被动显示(passive)型 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或透射呈现的对比度达到显示目的。比如LCD等。二、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两三、按显示屏幕大小分类有：超大屏幕（4m2）、大屏幕（14m2）

5、、中屏幕（0.21m2）和小屏幕（0.2m2）。四、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。五、按色彩显示功能分类有：单色（monochrome）黑白或红黑显示、多色（multi color）显示（三种以上）和全色显示。三、按显示屏幕大小分类有：超大屏幕（4m2）、大屏幕（1六、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。七、按成像空间坐标分类有：二维平面显示和三维立体显示。八、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。六、按显示内容、形式分类有：数码、字符、轨迹、图表、图形和图1. 阴极射线管

6、(CRTCathode Ray Tube)2. 真空荧光管显示(VFDVacuum Fluorescence Display)九、按显示原理分类有：九、按显示原理分类有：3.液晶显示(LCDLiquid Crystal Display)4. 等离子体显示(PDPPlasma Display Plate)3.液晶显示(LCDLiquid Crystal Dis5.辉光放电管(GDD-Glow Discharge Display)辉光放电 辉光放电球 阳极间被大量的光电子和离子所充斥，引起辉光放电现象6. 电致发光显示器(ELDElectroluminescence Display)_LED、OL

7、ED、半导体激光器、电致发光板均是广义上的电致发光索尼电致发光显示器仅有一张打印纸厚5.辉光放电管(GDD-Glow Discharge Dis8.场致发光显示器(ELDField Emitting Display)7. 发光二极管(LEDLight Emitting Diode)8.场致发光显示器(ELDField Emitting D10. 激光显示(LPD-Laser Projection Display)9. 电致变色显示器(ECDElectro Chromism Device)10. 激光显示(LPD-Laser Projection 12. 铁电陶瓷显示(Transparent c

8、eramics display)11. 电泳显示(EPD-Electro Phoretic Display)电泳电子纸12. 铁电陶瓷显示(Transparent ceramic2022/10/11 2022/10/11光电显示器件的分类光电显示器件投影型数字光处理(DLP)激光显示(LPD)硅基液晶(LCOS)空间成像型全息显示激光显示(LPD)直观型阴极射线管（CRT）平板显示(FPD)被动型主动型液晶(LCD)电致色变(ECD)电泳(EPID)等离子(PDP)电致发光(ELD)发光二极管(LED)场致发光(FED)真空荧光(VFD)2022/10/11光电显示器件的分类光电显示器件投影型

9、数字1.4 光电显示器的主要性能指标相关背景知识显示器件的主要性能指标2022/10/11 2022/10/11光的基本特性光的度量色彩学基础1.4 光电显示器的主要性能指标相关背景知识2022/10/光的基本特性电磁波谱光的基本特性电磁波谱(1)光通量: 单位时间内所发出的光量；单位：流明(lm)。(3)光照度:单位受光面积（S）上所接收的光通量，单位：勒克斯(lx).(4)亮度:垂直于传播方向单位面积( )上的发光强度，单位cd/m2(2)发光强度: 在给定方向的单位立体角( )辐射的光通量，单位：坎德拉(cd)。光的度量(1)光通量: 单位时间内所发出的光量；单位：流明(lm)。1. 三

10、基色原理 自然界中任意一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色红(700 nm) 、绿(546.1 nm)、蓝(435.8nm)的线性组合。将三基色按一定比例相加混合，就可以模拟出各种颜色。红色+绿色=绿色+蓝色=红色+蓝色=红色+绿色+蓝色=色彩学基础黄色青色紫色白色1. 三基色原理色彩学基础黄色青色紫色白色红蓝紫蓝紫紫红绿黄黄绿橙白青蓝绿绿蓝三基色原理示意图红蓝紫蓝紫紫红绿黄黄绿橙白青蓝绿绿蓝三基色原理示意图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。下图中所示为一个彩色显像管（CRT）荧光粉点的布局图，红（R）、绿（G）、

11、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。2. 色彩再现 显示器中的色彩再现，不是把实际彩色再现过程示意图 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。彩色再现过程示意图 三个荧光粉点虽然在荧光屏上占有不3. 颜色的特征参数亮度(luminance)：表示各种颜色的光对人眼所引起的视觉强度，与光的辐射功率有关。色调(hue)：表示颜色彼此区分特性，不同波长的单色光辐射在物体上表现出不同色

12、调特性。饱和度(saturation)：表示颜色光所呈现的颜色深浅程度(或纯度)。单色光与白光的混合，饱和度越高则颜色越深。 色调与饱和度又合称为色度(chroma)，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。3. 颜色的特征参数亮度(luminance)：表示各种颜色建立色度图的目的：用来定量标定各种颜色，并且能用数学方法计算各种颜色的混合结果。r =R/(R+G+B ), g =G/(R+G+B ), b =B/(R+G+B )式中R、G、B表示亮度，r、g、b表示色度可知r +g +b =1,因此只用给出 r和 g的值, 就能惟一地确定一种颜色（色度图：以r，g为坐标轴，以颜色为坐

13、标值）。r =g =b =1/3对应的坐标称为等能白光点。4. 色度图4. 色度图CIE色度图CIE色度图显示器件的主要性能指标(1)像素(pixel)：指构成图像的最小面积单位，具有一定的亮度和色彩属性。(2)亮度：从给定方向上观察的任意表面的单位投射面积上的发光强度，用cd/m2。一般显示器应有70cd/m2的亮度，具有这种亮度图像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300cd/m2以上。常用显示器件的发光强度：CRT：1000；LCD：300-500；PDP：1300（cd/m2）。(3)亮度均匀性：不同显示区域所产生的亮度的均匀性。显示器件的主要性能指标(1)像素(p

14、ixel)：指构成图像的(4).对比度对比度是指画面上最大亮度和最小亮度之比，即C=Lmax/Lmin在实用中有环境光的存在时，必须保证足够的亮度才可以保证足够的对比度。C=(Lmax+L外)/(Lmin+L外) 一般的显示器要求其对比度至少大于30，这就要求显示器必须有足够高的亮度。另外，如何降低外光的影响也是设计显示屏所必须考虑的因素之一。(4).对比度(5).灰度灰度：画面上亮度的等级差别。 电视通常采用10个灰度级，但一般只能达到7级左右。灰度级越多，图像层次越分明，图像也越柔和。人眼能分辨的最大量度层次约为100级。(5).灰度(6).分辨率分辨率是指单位面积显示像素的数量，代表着屏

15、幕图像的精密度。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多，所以分辨率是个非常重要的性能指标之一。以分辨率为1024768的屏幕来说，即每一条水平线上包含有1024个像素点，共有768条线，即扫描列数为1024列，行数为768行。只有具备高分辨率，高亮度与高对比度的图像才可能是高清晰度的图像。(6).分辨率(7)(a)清晰度：人眼能察觉到的图像细节清晰的程度。 (b)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。(7)(a)清晰度：人眼能察觉到的图像细节清晰的程度。(b)(8).发光颜色：用发射光谱或显示光谱的峰值

16、及带宽，或用色度坐标表示。(9).解析度：1英寸长度上小投影点的数量。(10).收看距离：可用绝对值表示，也可以用与画面高度H的比值来表示。(11).周围光线环境：观看者所在的水平照度及照明装置。(12).图像的数据率：一定时间内、一定速度下，显示系统能将多少单元的信息转换成图形或文字显示出来。(8).发光颜色：用发射光谱或显示光谱的峰值及带宽，或用色度(13).响应时间与余辉时间从施加电压到出现图像显示的时间称为响应时间，又称为上升时间。从切断电源到图像显示消失（亮度减少到1/10）的时间称为余辉时间，又称为下降时间。电视图像显示时响应时间需小于1/30s。主动发光型显示器件的响应时间都小于

17、0.1ms。LCD的响应时间为10-500ms, 在显示快速运动的图像时会出现拖尾或余像。(13).响应时间与余辉时间(14).工作电压驱动显示器件所施加的电压，外加驱动电压有直流和交流之分，一般CRT、LCD显示器件用交流供电，而OLED、LED用直流供电。为了便于驱动电压集成化，希望显示器驱动电压45V，LCD、OLED、LED、VFD显示器件工作电压在0.540V之间，可满足此要求。而PDP、CRT的驱动电压较高，前者约200V。(15).寿命一种显示器件能否商品化其寿命至关重要，一般都要求在3万h以上；(14).工作电压(15).寿命2022/10/11 2022/10/112.1CR

18、T显示器CRT显示器是一种使用阴极射线管(Cathode Ray Tube)的显示器，是最早被广泛应用的显示器。2022/10/112.1CRT显示器CRT显示器是一种使CRT显示器2022/10/11 2022/10/11CRT显示器2022/10/112022/10/11 2022/10/11CRT的发展历史1897年，德国人 布劳恩 示波管1938年，德国人 弗莱彻 彩色显像管1950年，美国RCA公司 三枪三束荫罩式彩色显像管 1953年实用化20世纪60年代，玻壳： 圆形角矩形；荧光粉 ： 磷酸盐硫化物（蓝绿）+稀土（红）；尺寸： 21 （70）25（90 ）20世纪70年代后，玻壳

19、：平面直角超平纯平近年，高分辨率2007年10月1日，从中国各大家电连锁店退市2022/10/11CRT的发展历史1897年，德国人 布CRT的发展2022/10/11 2022/10/11CRT的发展2022/10/112022/10/11 2022/10/11CRT的分类CRT显示器主要分为黑白CRT显示器和彩色CRT显示器两大类。CRT显示器的核心部件是CRT显像管（即阴极射线管），其主要由五部分组成：电子枪(Electron Gun)、偏转线圈(Defiection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳，其中电子枪是显像管的核心。2022

20、/10/11CRT的分类CRT显示器主要分为黑白CR黑白CRT显示器黑白CRT即单色(Monochrome Monitor)CRT，只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色。它的主要用途是在电视机中显示图像，以及在工业控制设备中用作监视器。黑白CRT主要由圆锥形玻壳、玻壳正面用于显示的荧光屏、封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统和位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭器件四部分组成。 2022/10/11 2022/10/11黑白CRT显示器黑白CRT即单色(Monochrome Mo黑白CRT显示器的结构2022/10/11 2022/10/11单色CRT的结构示意图圆锥形玻壳荧光屏电子枪系统磁轭

21、器件(偏转 系统)黑白CRT显示器的结构2022/10/11单色CRT的结构示CRT实物结构图CRT实物结构图工作原理工作时，电子枪中阴极K被灯丝加热发射大量的电子，电子束首先由加在第一控制栅极的视频电信号调制，然后经加速和聚焦后，高速轰击荧光屏上的荧光体，荧光体发出可见光。黑白CRT的工作原理工作原理工作时，电子枪中阴极K被灯丝加热发射大量的电子，电子黑白CRT的工作原理电子束的电流是受显示信号控制的，信号电压高，电子枪发射的电子束流也越大，荧光体发光亮度也越高不同灰度级的实现。最后通过偏转磁轭控制电子束，在荧光屏上从上到下，从左到右依次扫描，从而将图像或文字完整地显示在荧光屏上。 2022

22、/10/11 2022/10/11黑白CRT的工作原理电子束的电流是受显示信号控制的，信号电压彩色CRT显示器 彩色CRT利用三基色图像叠加原理实现彩色图像的显示。荫罩式彩色CRT是目前占主导地位的彩色显像管，这种管子的原始设想是德国人弗莱西（Fleshsig）在1938年提出的。2022/10/11 2022/10/11彩色CRT显示器 彩色CRT利用三基色图像叠加原理实现彩色图荫罩式彩色CRT显示器件结构示意图彩色CRT显示器的结构荫罩式彩色CRT显示器件结构示意图彩色CRT显示器的结构2022/10/11 2022/10/11电子枪电子束聚焦线圈偏转线圈高压帽荧光粉荫罩荫罩（特写）202

23、2/10/11电子枪电子束聚焦线圈偏转线圈高压帽荧光粉单色CRT和彩色CRT结构的比较彩色CRT相对于单色CRT，由单个电子束变成了三个电子束，单一的白光荧光粉变成了由产生红、绿、蓝三种荧光体组成，另外，多了一个荫罩。单色CRT和彩色CRT结构的比较彩色CRT相对于单色CRT，红、绿、蓝荧光粉2022/10/11 2022/10/11红、绿、蓝荧光粉2022/10/11荫罩的作用为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体，在荧光面内设有选色电极荫罩。当电子束到达屏幕后部时，还要通过一个非常薄的，大约只有0.1MM厚的荫罩板，只使有用的电子束通过，无用电子束击打在荫罩板上做无用功发热。对于原来孔

24、状的荫罩板，其上每一个孔都与屏幕上的一组三个荧光粉颗粒相对应(一个点有红绿蓝三个荧光粉颗粒组成)。荫罩的形状荫罩有圆孔形， 长方形等形式。通常，三角形 布置的电子枪采用圆孔形荫罩 ，直线形布置的电子枪可采用 各种形式的荫罩。 荫罩的作用荫罩的作用三角形布置直线形布置荫罩的结构三角形布置直线形荫罩的结构荫罩与荧光面结构示意图荫罩与荧光面结构示意图彩色电视荧光屏内壁涂有发光颜色为红、绿、蓝的荧光粉点，每一组三个红、绿、蓝荧光粉点排列成品字形，组成一个彩色像素，这些粉点的直径很小(几微米到几十微米)。彩色CRT显示器原理彩色电视荧光屏内壁涂有发光颜色为红、绿、蓝的荧光粉点，每一组当一个图像被显示在屏

25、幕上时，它是由无数小点组成的，它们被称为像素(pixel)。像素也即发光“点”；分辨率指屏幕上象素的数目，数目越大，分辨率也就越高。屏幕上的像素可以被置为不同的颜色和亮度。每一个像素包含一个红色、绿色、蓝色的磷光体，如图所示。大量的像素就组成了图像。屏幕上的像素彩色CRT显示器原理当一个图像被显示在屏幕上时，它是由无数小点组成的，它们被称为彩色CRT显示器原理利用显像管内的电子枪，将红、绿、蓝三个电子束分别打在R、G、B荧光粉层上，荧光粉被激活，即可发出光来。R、G、B三种荧光点被不同强度的电子流点亮，就会发出各种色彩。在适当的距离外，人眼分辨不出单色小点，而只是看到一个合成的彩色光点。彩色C

26、RT显示器原理利用显像管内的电子枪，将红、绿、蓝三个电CRT显示器的主要单元电子枪荧光屏偏转系统荫罩玻璃外壳2022/10/11 2022/10/11CRT显示器的主要单元电子枪2022/10/11电子枪2022/10/11 2022/10/11电子枪的功能是生成一束强度可调的聚焦电子束，在黑白显像管中是一把电子枪生成一个电子束，在彩色显像管中是一把（三把）电子枪生成三个电子束，即所谓的单枪（三枪）三束管。电子枪2022/10/11电子枪的功能是生成一束强度可调的聚电子枪的内部结构2022/10/11 2022/10/11电子枪的内部结构2022/10/112022/10/11 2022/10

27、/11电子束在电子枪中的运动2022/10/11电子束在电子枪中的运动2022/10/11 2022/10/11荧光屏荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层和铝膜层构成。面玻璃尺寸宽度与高度之比有4:3、16:9等类型，习惯上将屏幕对角线长度定为显像管的规格，用厘米（或英寸）表示。工作的时候荧光屏后面的电子枪发射电子束打在荧光粉上，于是一部分荧光粉亮起来，显示出字符或者图像。名称ZnS:Ag, Cl(Zn，Cd) S:Au, AlY2O2S:EuY2O2S:TbY2SiO5:Tb Zn2SiO4:Mn颜色蓝色绿色红色红色绿色绿色用于CRT中常见荧光粉组成及发光颜色2022/10/11荧光屏荧光屏一般由

28、玻璃基板、荧光粉层和铝2022/10/11 2022/10/11黑白CRT所用荧光粉称白场粉，因为未开发出在电子轰击下发白光的荧光粉，所以用两种荧光粉：发黄光的ZnS:Cu和发蓝光的ZnS:Ag。配比为45:55。 彩色CRT采用红、绿、蓝三种荧光粉，各工厂生产的管子色坐标略有不同。常用的三色荧光粉为： 绿色粉 ZnS:Cu, Al和ZnS:Al的混合粉； 蓝色粉 ZnS:Ag； 红色粉 RCA公司研制的铕激活的氧硫化钇（Y2O2S:Eu）2022/10/11黑白CRT所用荧光粉称白场粉，因为未开发2022/10/11 2022/10/11偏转系统当轰击荧光屏的电子束不发生任何偏转时，则电子束会始终轰击在荧光屏中心一个点上，此时荧光屏只有一个亮点。为了使整个荧光屏都发光，必须在管锥根部套一只偏转线圈，使电子束在偏转磁场的作用下发生水平、垂直方向偏转，这又称电子束扫描。2022/10/11偏转系统当轰击荧光屏的电子束不发生任何偏202