光电子复习参考第6章.ppt

1.CRT主要有哪几部分组成？各起 什么作用？据此说明CRT显示器 的工作原理。 6.1 阴极射线管（Cathode Ray Tube, CRT） 一、黑白显像管 目前，黑白显像管主要用于电视机中显示图像， 工业控制设备中用做监视器。 1.显像管结构 （1）电子枪结构及工作原理 电子枪用来产生电子束，以轰击荧光幕上的荧光粉发光。为 了在屏幕上得到亮而清晰的图像，要求电子枪满足如下的要求： 电子枪产生大的电子束电流，束流在50A-200A，屏幕电压 为10KV-20KV，屏幕大的显像管电子束流较大，电压较高。 在屏幕上形成细小的扫描点（约0.2mm），屏幕越大，光点尺 寸越大； 电子枪应有良好的调制特性，调制特性陡。 灯丝加电发热时，阴极被间接均匀加热； 顶端涂有氧化物材料、镍金属制成的阴极为圆筒状，氧化物阴极比其它金属 制成的阴极更容易发射电子。当热至2000K时，阴极便大量发射电子。 栅极是一个套在阴极外面的小圆筒，中心处有一小孔，使电子流成束飞出。 栅极离阴极通常在1mm以下，栅极中心孔直径为0.6-0.8mm。 * 当栅极上所加电压比阴极低时，对从阴极来的电子起排斥作用，只有部分电 子能通过栅极到达屏幕，其余电子被排斥阻挡回到阴极附近，形成电子云。 * 改变栅极负电压的大小，可改变电子被排斥的程度，从而改变电子束的电流 大小，控制光点亮暗。 * 栅极距阴极越近，控制作用越强。电流为零时的电压，称为栅极截止电压。 加速极中间也开有小孔，加速极的电压相对阴极为正电压（300-450V）， 聚焦极直流电压可调，以改变电子聚焦的质量，所以叫聚焦极。 高压阳极与荧光粉后面的铝背膜相连，使电子束以足够高的速度轰击荧光 屏，激发荧光粉发出亮光。聚焦极和高压阳极构成主聚焦透镜，将交叉点成 像在荧光屏上。 以上五个电极用玻璃绝缘柱支撑组装成一个坚实的整体，总称为电子枪。 2 荧光屏 荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层、铝膜 构成。 荧光屏的尺寸 人眼的最大视角-水平方向约17，垂直方向13, 画面的宽高比为- 4:3 或 5:4，我国取4:3。 为减小环境光的影响，提高图像对比度，荧光屏玻 璃采用具有中性吸光性能的烟灰玻璃。此外还要满足光 洁度、均匀性、耐压性、耐张力、防爆性等要求。 2.何为液晶？其分子结构有何特 点？液晶的结构类型主要有几种 ？液晶的特性有哪些（如：折射 率，介电常数，光学特性） 一、液晶的基本知识 1 什么是液晶 液晶液态晶体的简称（Liquid Crystal） 最早报告液晶的是奥地利植物学家莱尼采尔。 1888年，他在研究植物生理作用时，加热一种有机化 合物晶体时发现。 发 现： 晶体熔化时- 首先呈现为浑浊不透明的液体，它具有 流动性，又有像晶体那样的各向异性； 继续升温时- 液体变成透明，各项异性的特征也消失 了，成了普通的液体。 因此，把既有液体的流动性，又有晶体的各向异 性的物质状态称为液态晶体，简称液晶。 液晶分为两大类： 溶致晶体：溶解在一定溶剂中才呈现液晶性（人体 内存在）, 热致晶体 :一定的温度范围内才呈现液晶性(显示用 液晶)。 显示用的液晶都是一些有机化合物，分子量一 般在200-500范围内。 液晶分子的形状呈棒状，很像“雪茄烟”，宽不 足一纳米，长约数纳米，长为宽的4-8倍。 * 棒状分子结构如下图所示，其中 X 和两个苯环称 为中央基团，y 和 y为末端基团。 * 液晶的各种物理、化学性质完全由这些基团决定， 可通过改变基团的种类而改变液晶的某种性质。 * 采用单一种类的液晶，无法满足显示器件的多种要 求，所以 彩色电视和彩色计算机终端显示器，所用 的液晶材料通常由20种以上的单质液晶混合而成。 液晶的结构类型 液晶分子中含有极性基团，分子间相互吸引，并 按一定的规律有序排列。 排列方式可分成以下3 种类 型： 近晶相 * 棒状分子按分子长轴方向互相平行，分层排列， * 分子只能在层内转动或滑 动，不能在层间移动， * 晶体的粘度、表面张力大， 对电、磁、温度等变化不 敏感. 向列相 * 棒状分子按分子长轴 方向互相平行交错排 列，不分层， * 分子可以上下左右、 前后滑动，流动性好， 对外界反应敏感，是 目前显示器的主要材 料。 胆甾相 甾有机化合物的一类，存在于动植物的体内。 分子排列成层，层内分子相互平行，分子长轴平行于层平面， 不同层的分子长轴方向稍有变化，相邻两层分子，其长轴彼此 有一轻微的扭角（约15分）， 扭转成螺旋形，旋转360的 层间距离称螺距，螺距大致与 可见光波长相当。 胆甾相实际上是向列项的一种 畸变状态，胆甾相在一定条件 下可变为向列相。 3 液晶的光电特性 液晶物质的折射率n，介电常数、磁化率、电 导率、粘度等各种物理性质，存在各向异性。 正是基于液晶的各向异性，通过施加电压或加热 等，分子出现再排列的现象，使液晶得到广泛的应用。 液晶分子的介电常数 液晶分子的取向对液晶的显示起决定性作用。 无外加电场时 液晶分子排列的有序程度表示： 其中： S：有序化参数 ：个别液晶分子长轴方向与n偏离 的角度 ：分子长轴的择优取向的单位矢量。 ：表示对全部液晶分子取平均。 S 的取值与温度有关，向列相液晶的 s 取值在0.3-0.8之间 对液晶施加电场时 设/ 和 分别为测得的液晶介电常数，其中： /：电场与取向矢量 平行时的介电常数(与长轴平行)， ：电场与取向矢量 垂直时的介电常数(与长轴垂直), * P型液晶-0，具有正的介电各向异性，在外电场下， 分子长轴平行外电场方向； * N型液晶- Vth 时，液晶分子的长轴开始向电场方向倾斜， V2Vth 时，大部分分子长轴与电场方向平行排列， 当： * 上下偏振片偏振方向平行： 光透过，亮态，黑底白字，负显示 * 上下偏振片偏振方向垂直： 光遮断，暗态，白底黑字，正显示 4.请分别给出二端和三端有源矩 阵液晶显示驱动的电路原理图， 并分别说明其工作原理。 四、有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD） STN-LCD采用简单矩阵驱动，没有从根本上克 服交叉效应，也没有解决因扫描行数增加，占空比 下降所带来的显示质量变化问题。 所以，如果每个象素可以被独立驱动，就可以 克服交叉效应。 目前，主要有以下二种显示方式： 1. 二端有源矩阵液晶显示 结构： 在每个象素回路中串入一个二端器件-MIM（ 金属- 绝缘体-金属）二极管，要求其满足如下 要求： 具有正、反向对称的非线性伏安特性(即正、反向 开关特性) CMIMCLC ， MIM的面积 液晶单元的面积 二端有源矩阵液晶显示的电极排列和等效电路如图. CMIM 和 RMIM 分别是它的等效电容和等效电阻， CLC 和 RLC 分别是液晶单元的等效电容和等效电阻。 工作原理 当扫描电压和信号电压同时作用到象素单元时，二端 器件处于断态（OFF）。由于 RMIN 很大，且： CMINCLC，电压主要降在 RMIN 上 当CMIN上的电压大于二端器件的阈值电压时，二端器 件进入通态（ON），RMIN 迅速减小，大的通态电流对 CLC 充电。一旦 CLC 上电压的有效值 VrmsVth时，该 单元显示。 当扫描移到下一行时，原来单元上的外加电压消失， 二端器件恢复到断态，RMIN 很大，接近开路，这时 CLC 上充的信号电荷只能通过 RLc 缓慢放电。 如果设计得当，可使此放电在此后一帧时间内还维持 在： VrmsVth，则该单元不光在选址期内，而且在以后 的一帧时间内都保持显示状态，这就清除了简单矩阵随 着占空比的下降而引起对比度下降的弊病。 综上所述，串接有源器件以后，液晶象素不再具 有双向导电的特性，从而因电压在矩阵阻抗电路上的 分配形成的串扰得以克服。 依靠存储电容的帮助，液晶象素二端电压可以在 一帧时间内保持不变，从而使占空比提高到接近1， 这就从原理上清除了扫描行数增加时对比度下降的矛 盾，从而获得很高的显示质量。 2 三端有源矩阵液晶显示 结构：三端有源矩阵液晶显示的结构和等效电路如图示。 * 每个象素上都有串入一个三端器件，即 MOS 场效应管或薄 膜晶体管（TFT）。 * 栅极(G)接扫描电压，漏极(D)接信号电压，源极(S)接 ITO 象素电极，与液晶象素串联。 * 液晶象素可以等效为一个电阻 RLC 和一个电容 CLC 的并联。 工作原理 * 当扫描脉冲加到 G 上时，使 D-S 导通，器件导通电阻很小 * 信号电压产生大的通态电流 Ion 并对 CLC 充电，很快充到信 号电压数值。 * 一旦 CLC 上的充电电压 Vrms 值大于液晶象素的阈值电压Vth 时，该象素产生显示。 * 当扫描电压移到下一行时，单元上的栅极消失，D-S 断开， 因器件断态电阻很大，CLC 上的电压只能通过RLC 缓慢放电. 只要选择电阻率高的液晶材料，可维持此后的一帧时间 内CLC上的电压始终大于Vth，使该单元象素在一帧时间内都在 显示，这就是所谓的存储效应。 存储效应使 TFT-LCD 的占空比为11，不管扫描行数增 加多少，都可以得到对比度很高的显示质量。 以上可见，三端 AM-LCD 的工作原理和二端 AM-LCD 基本 相同，只是由于 TFT 性能更优越，它的通态电流Ion更大，断 态电流Ioff更小，开关特性的非线性更陡，因而其显示性能也 更好。 现在用TFT制作的彩色液晶显示器其图像质量可做到与彩 色 CRT 媲美。 TFT-LCD 的液晶盒工艺和 TN-LCD类似，只是面积大，精 度高，环境要求严，设备体系的自动化程度高几个量级。 5.请画图说明单色AC-PDP的基本 结构及其工作原理 三、单色等离子体显示 1、基本结构 单色PDP是利用NeAr混合气体在一定电压作用下产生气 体放电，直接发射出582nm 橙红色光而制作的平板显示器件。 工作方式分为交流和直流两种。但DCPDP由于无故有的 储存特性，亮度比较低，目前已不大流行。 ACPDP由于有固有的存储特性，所以亮度可以做得很 高，是目前等离子体显示技术的主要发展方向。 在两块平板玻璃上制作电极，矩阵型的条形电极彼此正交， 交点处构成一个放电单元。电极材料采用Ag、Ag-Cr合金、透 明的SnO2。 在电极表示淀积一层厚约10m50m的介质层。 为保护介质层在放电过程中不受离子轰击，在介质表面再涂 复一层 MgO 的保护层，MgO的二次电子发射系数较大，可得 到稳定的放电和较低的维持电压，并能延长器件的寿命。 两块玻璃用衬垫保持间隙为80m120m，周边用低熔点玻璃 密封，充入NeAr混合气，气压约0.5个大气压或更高些。 2 工作原理 2 工作原理 ACPDP工作时，所有行、列电极之间都加上交变的 维持电压脉冲Vs，其幅值不足以引燃单元放电，但能 维持已有的放电。此时，各行、列电极交点形成的像 素均未放电发光。 如果在被选单元相对应的一对电极间叠加一个书写脉 冲VB，其幅值超过着火电压Vs，则该单元产生放电而 发光。 放电形成的电子、离子在电场作用下，分别向瞬时 加有正电压和负电压的电极移动。 由于电极表面是介质，电子、离子不能直接进 入电极而在介质表面累积起来，形成壁电荷。 壁电荷产生的电场与外加电场方向相反，则放 电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和，它将小 于维持电压Vs，使放电空间电场减弱，使放电单元 在26s内逐渐停止放电。 因介质电阻很高，壁电荷会不衰减地保持下来。 当反向的下一个维持电压脉冲到来时，上一次放电形成的 壁电压与此时外加电压同极性，叠加电压峰值将大于Vf，单元再 次着火发光，并在放电腔的两壁形成与前半周期板性相反的壁电 荷，并再次使放电熄火，直到下一个相反极性的脉冲的到来。 因此，单元一旦由书写脉冲电压引燃，只需要维持电压脉 冲就可维持脉冲放电，这个特性成为ACPDP单元的存储特性。 要使已放电的单元熄灭，只要在下一个维持电压脉冲到来