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1 显示技术 主讲老师 李诚桂林电子科技大学2011 2 李文峰光电显示技术清华大学出版社 2010 使用教材 3 1 余理富信息显示技术 电子工业出版社 20042 张兴义 电子显示技术 北京理工大学出版社 1995 主要参考书目 4 目录 第1章绪论第2章阴极射线管显示技术第3章液晶显示技术第4章发光二极管显示技术 5 第5章等离子体第6章激光显示技术第7章新型光电显示技术第8章大屏幕显示技术 6 第1章绪论 1 1显示技术概述1 1 1研究显示技术的意义1 1 2显示技术的发展过程1 1 3显示器件分类1 2显示参量与人的因素1 2 1光的基本特性1 2 2人眼的视觉特性1 2 3色彩学基础1 2 4显示器件主要性能指标 7 第1章绪论 1 1显示技术概述 显示技术 将电子设备输出的电信号转换成视觉可见的图像 图形 数码及字符等光信号的一门技术 光电显示技术是多学科交叉技术 包括光学 激光 电子学 材料 发光 视觉 色彩等相关知识 8 第1章绪论 1 1 1研究显示技术的意义 信息获取是信息传输 处理 显示和存储的前提 是人类认识客观世界的首要步骤 人类感知世界首先靠自己的感觉器官 眼睛具有对信息并行处理功能 它所获得的信息占总获得信息量的65 以上 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 图1 1信息获取示意图 9 1 1 2显示技术的发展过程 1 1897年 德国人布劳恩发明了第一只CRT 实现了电信号向光输出的转换 成为电子显示技术的起点 2 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 第1章绪论 图1 2CRT和黑白电视机 10 3 1928年 佐里金又取得了彩色电视系统的发明专利 4 1950年 RCA公司研制了第一只彩色显像管 1 1 2显示技术的发展过程 第1章绪论 图1 3彩色CRT和彩色电视机 11 5 60 70年代至今发展起来的是平板显示器LCD LED PDP ELD等显示器 1 1 2显示技术的发展过程 使用LCD屏的电脑显示器使用PDP屏的彩色电视机如今平板显示器所占市场份额已超过CRT 第1章绪论 图1 4新型彩色平板显示器 12 1 主动发光型和被动显示型 1 1 3显示器件分类 第1章绪论 主动发光型 利用信息调制各像素的发光亮度和颜色进行直接显示 例如 阴极射线管CRT 等离子体显示器PDP 电致发光显示ELD 真空荧光管VFD 场致发光显示器FED 发光二极管LED 辉光放电管GDD 非主动发光型 本身不发光 利用信息调制外光源进行显示 例如 液晶显示器LCD 电致变色显示器ECD 电泳显示器EPD 铁电陶瓷显示器PLZT 13 1 2显示参量与人的因素 第1章绪论 人能感觉到图像的颜色和亮度是眼睛的生理结构造成的 在显示技术中 显示效果和人眼的特性有着很大的关系 波长不同的可见光光波 给人的颜色感觉不同 亮度感觉也不同 人眼对不同波长光的灵敏度是不同的 14 第1章绪论 1 光的辐射波谱 1 2 1光的基本特性 15 第1章绪论 1 2 1光的基本特性 2 光的度量单位 a 光通量 光源单位时间内发出的光量称为光通量 单位为流 lm 用符号 表示 描述发光能力 光通量与眼睛的分光敏感度有关 当 555nm的单色光辐射功率为1W时 产生的光通量为683lm 或称1光瓦 在其它波长时 由于相对视敏度V 下降相同辐射功率所产生的光通量随之下降 16 第1章绪论 1 2 1光的基本特性 40W的钨丝灯泡其输出的光通量约为468lm 发光效率为11 7lm W 40W的日光灯可以输出2100lm的光通量 发光效率为52 5lm W 电视演播室卤钨灯其发光效率大约可达80 100lm W 17 第1章绪论 1 2 1光的基本特性 b 发光强度 光源在给定方向的单位立体角辐射的光通量称为光源在该方向的发光强度 单位为坎德拉 cd 用符号I表示 I d d 1 1 18 第1章绪论 1 2 1光的基本特性 c 光照度 单位受光面积上所接收的光通量称为光照度 单位勒克斯 lx 用符号E表示 描述受光面积的明亮程度 E d ds 1 2 表1 1典型环境下的光照度 19 第1章绪论 1 2 1光的基本特性 d 亮度 垂直于传播方向单位面积上的发光强度称为亮度 单位尼特 cd 用L表示 描述发光体表面的明亮程度 L d d ds 1 3 图1 2视在面积 20 第1章绪论 1 2 1光的基本特性 表1 2一些实际光源的亮度 尼特 21 第1章绪论 1 2 2人眼的视觉特性 1 人眼的视觉生理基础人眼视网膜上有大量的光敏细胞 按形状分为杆状细胞和锥状细胞 杆状细胞灵敏度很高 但却对彩色不敏感 人的夜间视觉主要靠它起作用 因此 在暗处只能看到黑白形象而无法辨别颜色 锥状细胞既可辨别光的强弱 又可辨别颜色 白天视觉主要由它来完成 图1 6眼球的构造 22 第1章绪论 1 2 2人眼的视觉特性 2 人眼的视觉灵敏度锥状细胞又可分成三类 分别称为红敏细胞 绿敏细胞 蓝敏细胞它们各自的相对视敏函数曲线分别为VR VG VB 如图1 7所示 其峰值分别在580nm 540nm 440nm处 VB 曲线幅度很低 已将其放大20倍 23 第1章绪论 1 2 2人眼的视觉特性 三条曲线的总和等于相对视敏函数曲线 三条曲线是部分交叉重叠的 很多单色光同时处于两条曲线之下 例如 600nm的单色黄光就处在VR VG 曲线之下 所以600nm的单色黄光既激励了红敏细胞 又激励了绿敏细胞 引起混合的感觉 24 第1章绪论 1 2 2人眼的视觉特性 当混合红绿光同时作用于视网膜时 分别使红敏细胞 绿敏细胞同时受激励 只要混合光的比例适当 所引起的彩色感觉 可以与单色黄光引起的彩色感觉完全相同 不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的 产生的彩色视觉各异 人眼因此能分辨出五光十色的颜色 25 第1章绪论 1 2 2人眼的视觉特性 3 人眼的分辨力分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力 26 第1章绪论 1 2 2人眼的视觉特性 分辨力 眼睛对被观察物上相邻两点之间能分辨的最小距离所对应的视角 的倒数 即分辨力 1 1 4 用L表示眼睛与图像之间的距离 d表示能分辨的两点间最小距离 则有 3438 1 5 27 第1章绪论 1 2 2人眼的视觉特性 4 人眼的视觉堕性实验证明 人眼的主观亮度感觉与客观光的亮度不是同步的 当一定强度的光突然作用于视网膜时 不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉 而是按近似指数规律上升 当亮度突然消失后 人眼的亮度感觉并不立即 28 第1章绪论 1 2 2人眼的视觉特性 消失 也是按近似指数规律下降 人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的 这一特性称为视觉惰性或视觉暂留 图1 9人眼的视觉惰性 图1 9 a 表示作用于人眼的光脉冲 图1 9 b 表示该光脉冲造成的主观亮度感觉 它滞后于实际的光脉冲 29 第1章绪论 1 2 2人眼的视觉特性 图中 光脉冲消失后 亮度感觉还要一段时间才能消失 图1 9 b 中t1 t2就是视觉暂留时间 在中等亮度的光刺激下 视力正常的人视觉暂留时间约为0 1s 人眼视觉暂觉留时间 在日间视觉时约为0 02秒 中介视觉时为0 1秒 夜间视觉时为0 2秒 30 第1章绪论 1 2 3色彩学基础 1 彩色三要素描述一种色彩需要用亮度 色调和饱和度三个基本参量 这三个参量称为彩色三要素 31 第1章绪论 1 2 3色彩学基础 亮度反映光的明亮程度光谱一定的彩色光 发光物体 辐射功率越大 亮度越高 反之则亮度越低 不发光物体的亮度取决于它反射光功率的大小 照射光越强 物体越明亮 反之则越暗 物体的反射性能越好 物体越明亮 反之则越暗 32 第1章绪论 1 2 3色彩学基础 色调反映彩色的类别例如红 橙 黄 绿 青 蓝 紫等不同颜色 发光物体的色调由光的波长决定 不同波长的光呈现不同的色调 不发光物体的色调由照明光源和该物体的吸收 反射或透射特性共同决定 33 第1章绪论 1 2 3色彩学基础 色饱和度反映彩色光的深浅程度同一色调的彩色光 会给人以深浅不同的感觉 例如 深红 粉红是两种不同饱和度的红色 深红色饱和度高 粉红色饱和度低 饱和度与彩色光中的白光比例有关 白光比例越大 饱和度越低 34 第1章绪论 1 2 3色彩学基础 高饱和度的彩色光可加白光来冲淡成低饱和度彩色光 饱和度最高称为纯色或饱和色 谱色光就是纯色光 其饱和度为100 饱和度低于100 的彩色称也称为非饱和色 日常生活中所见到的大多数彩色是非饱和色 白光的饱和度为0 35 第1章绪论 1 2 3色彩学基础 2 三基色原理a 自然界中绝大多数的彩色可以分解为三基色 三基色按一定比例混合 可以得到自然界中绝大多数的彩色 b 三种基色必须是相互独立的 c 混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定 d 混合色的亮度等于三种基色亮度之和 36 第1章绪论 1 2 3色彩学基础 三基色原理是彩色电视技术的基础 摄像机把图像分解成三基色信号 电视机又用三基色信号配出原图像的色彩 图像信息的传送变得容易实现 37 第1章绪论 1 2 4显示器件主要性能指标 1 像素像素是组成图像的最小单位 具有一定的亮度和色彩属性 表1 3显示器制式与像素 宽高比 38 第1章绪论 1 2 4显示器件主要性能指标 2 分辨率分辨率是指屏幕上单位面积显示像素的数量 3 亮度显示器件的亮度 是指从给定方向上观察的任意表面单位投射面积上的发光强度 单位为cd 不同的场合对亮度的要求不同 39 第1章绪论 1 2 4显示器件主要性能指标 4 对比度指画面上最大亮度与最小亮度的比 好的图像显示应达到30 1的对比度 对比度越高 还原的画面层次感越好 5 灰度指图像画面上亮度的等级差别 显示器重现原图像时灰度应达到8级左右 显示灰度级数越多 图像层次越分明 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 图1 10八级灰度等级示意图 40 第1章绪论 1 2 4显示器件主要性能指标 6 分辨力能够分辨出图像最小细节的能力 是人眼观察图像清晰程度的标志 用能够从屏幕上分辨出黑白交替直线条的总数来表示 CRT显示器用每帧画面的扫描行数或扫描线数来表示 如525行 625行 1024行等 平板显示则直接用电极线数来表示 例如1024 768 指水平分辨力1024线 垂直分辨力768线 它所显示的画面是由1024 768个像素构成 高清电视 HDTV 扫描行数或电极线数要大于1000 显然 分辨力越高 则每帧画面的像素就越多 包含的细节越多 信息量就越大 图像越清晰 41 第1章绪论 1 2 4显示器件主要性能指标 7 响应时间 a 黑白响应时间 是描述液晶显示器各像素点对黑白信号反应的速度 即像素由暗转亮或由亮转暗所需要的时间 其原理是在液晶分子内施加电压 使液晶分子扭转与回复 响应时间越短有利于画面的快速切换 在显示快速运动图像时 不会出现拖尾现像 一般将黑白响应时间分为两个部分 上升时间 Risetime 和下降时间 Falltime 而表示时以两者之和为准 42 第1章绪论 1 2 4显示器件主要性能指标 全白全黑画面的切换所需的驱动电压是比较高的 所以切换速度比较快