物理学在工程技术中的应用期末论文

1 考试序列号考试序列号 25 公选课 论文 屏幕显示与蓝光抑制屏幕显示与蓝光抑制 学 院 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年级班别 2014 级卓越工程师班 学 号 学生姓名 指导教师 2016 年 6 月 20 日 摘摘 要要 随着电子产品的飞速发展 人们在日常生活中越来越多地使用手机 平板电脑 笔记本电脑 液晶电视等电子产品 显示屏作为这些电子产品与我们消费者的交 互媒介 直接影响着产品体验及我们的身体健康 不同类型的显示屏有着不同的 显示结构 这决定它们的显示原理也必定有所差别 不同的显示方式或多或少地 会产生蓝光 本文将对电子产品的显示屏构造及原理进行介绍 并针对不同的显示屏显示原理 阐述蓝光产生的原因 最后对预防蓝光提出一些切实可行的建议 关键词关键词 电子产品 显示屏 显示原理 蓝光 危害 Abstract With the rapid development of electric products people are spending more time on electronic products such as mobile phone tablets laptops LCD TV liquid cystal display television and so on As the interaction media between electric products and we consumers display panel directly influence customer experience Different types of display panels have different displaying structure which results in differences in dislaying mechanisms to some extent But most of them produce blue light in the procedure of emitting lights The following paper will instruct the structure of display panel and explain its diplaying mechanism And the reason of how blue light is generated in different displaying practices is also pointed out At last methods to avoid the harm of blue light is also given for practical use Key words electronic products diplay panel displaying mechanism blue light harm 1 绪论绪论 1 1 课题研究背景和意义课题研究背景和意义 随着科学技术的进步 电子产品逐渐人们成为日常生活中不可缺少的一 部分 而电子产品与我们进行交互的媒介 显示屏也得到了飞速的发展 使我们对电子产品的用户体验得到了很大的提升 在显示屏的发展队列中 手机 平板电脑的触摸屏无疑是发展最快的两 支队伍 在本论文也将会有所侧重于这两者进行介绍 触摸屏 Touch Panel 简称 TP 起源于 20 世纪 70 年代 是搭载于显 示器件上 利用手指或输入笔 通过触摸来实现信息输入的新型人机界面装 置 触摸屏过去一直广泛应用于 PDA ATM POS 机等等 而 2007 年苹果 推出 iPhone 后 触摸屏出现井喷式增长 其中手机是触摸屏应用最多的电子 产品之一 并开始大规模渗透入智能手机 传统的功能型手机市场 手机触 摸屏年出货量可达每年 15 亿单元 市场规模庞大 2008 年 苹果成功推出 iPad 触摸屏需求量继续大幅增长 智能手机与 平板电脑成为触摸屏需求增长的主要驱动力 触摸屏技术自问世以来已相继发展出表面声波式 红外线式 电阻式 电容式 电磁式 光学成像式等多种应用技术 电阻式 电容式 光学成像 式被公认是最为主流的三种技术 触摸技术在带触控功能的手机上的应用技术主要有投射电容 P CAP 和电阻式触摸技术 这两者合起来占据了 95 以上的手机触摸屏 电阻式技 术曾经引领市场 但 iphone 的成功使得风向转变 促使大多数品牌改用投射 式电容屏 我们预计 2010 年电容式触摸屏技术将首次超越电阻式 然而 电 阻屏将不会完全从市场上消声灭迹 因为它仍然在一些低成本的解决方案中 拥有优势 而且在中国市场上还有手写输入技术的需求 电容屏 主要分为玻璃式 Glass based 和薄膜式 Film based 其中 薄膜式电容屏在光电特性上的一些局限 使其推广应用受到一定的限制 以 iPhone iPad 为代表的高端智能终端 均采用玻璃式结构的电容屏 未来的 主流仍是玻璃式电容式触摸屏 从 2010 年触控屏产值分析 投射电容已成为领先技术 自 2007 年 Apple 采用此技术以来 投射电容市场呈现爆炸性增长 许多平板电脑厂商 也都纷纷采用投射电容屏 以 2011 年为例 我们预估投射电容出货增长将超 过 100 同时占有 70 触控产值 除了原有触控屏供货商外 有好几家彩色 滤光片厂商也转换部份产线以生产触控屏 目前市场上估计有超过 60 家厂商 供应投射式电容触控屏 Sensor 与盖板集成是触摸屏技术发展的关键趋势 资料来源 美国康宁公司 1 主流显示屏的分类主流显示屏的分类 随着手机的 手机的普及 手机屏幕的材质也越来越成为挑选手机时被 关注的焦点之一 手机的彩色屏幕因为研发技术不同而有所差异 一般来说 能显示的颜色越多越能显示复杂的图象 画面的层次也更丰富 除去几大类 LCD 外 还能在一些手机上看到其他的一些 LCD 比如日本 SHARP 的 GF 屏幕 和 CG 连续结晶硅 LCD 两种 LCD 相比较属于完全不同的种类 GF 为 STN 的改良 能够提高 LCD 的亮度 而 CG 则是高精度优质 LCD 可以达到 QVGA 240 320 像素规格的分辨率 2 2 1 2 1 STNLCDSTNLCD 屏幕屏幕 STN Super Twisted Nematic 屏幕 又称为超扭曲向列型液晶显示屏 幕 在传统单色液晶显示器上加入了彩色滤光片 并将单色显示矩阵中的每 一像素分成三个像素 分别通过彩色滤光片显示红 绿 蓝三原色 以此达 到显示彩色的作用 颜色以淡绿色为和橘色为主 STN 屏幕属于反射式 LCD 它的好处是功耗小 但在比较暗的环境中清晰度较差 STN 也是我们接触得 最多的材质类型 目前主要有 CSTN 和 DSTN 之分 它属于被动矩阵式 LCD 器 件 所以功耗小 省电 但么应时间较慢 为 200 毫秒 2 2 2 2 CSTNCSTN LCDLCD 彩色式 彩色式 STNSTN 液晶 液晶 CSTN 即为 Color STN 在彩屏手机发展初期时 CSTN 彩屏手机为市场上 的主流 颜色数也从最早的 256 色 到现在可以显示到 65536 色 但发展到 现在 CSTN 最常见用途则是在翻盖机的外屏幕 CSTN 屏幕在正常光线及暗光 线下 显示效果都很好 但在户外 尤其在日光下 则很难辨清显示内容 2 3 2 3 FSTNFSTN LCDLCD 由于 STN 在不加电的时候总是呈现出一定的底色 比如绿色和蓝色 人 们为了消除 STN 的底色想了很多办法 最简单的就是利用一个完全一样 但 是旋向相反的两个 STN 盒叠加在一起 使得互相干涉的两束光线又互相补偿 回来 从而实现黑白显示 但是这种方式会使成本增加 于是人们想到用一 层碘分子的定向扭曲来模拟一个液晶盒 这样就用一层薄膜 位相差板 替 代了一个液晶盒 从而实现黑白显示 这种叫做 FSTN Film STN 到目前 为止 可以说所有的黑白手机屏全部都是 FSTN 型 2 4 2 4 GSTNGSTN LCDLCD GSTN 即为 Gray STN 显示屏幕的背景颜色是灰白色 而显示颜色是深蓝 色 其特点是可视角度比较大 不过对比度偏低 同时价格也比较贵 主要 使用在手机的外屏 2 5 2 5 DSTNDSTN LCDLCD 倍频扫描式扭曲液晶 倍频扫描式扭曲液晶 DSTN 即为双层式的 STN 过去主要是应用在笔记型计算机的屏幕上 这 种显示技术解决了传统 STN 显示器中的漂移问题 而且由于 DSTN 还采用了双 扫描技术 因而显示效果较 STN 有大幅度提高 由于 DSTN 分上下两屏同时扫 描 所以在使用中有可能在显示屏中央出现一条亮线 而当彩色屏幕手机开 始盛行时 也有几支采用 DSTN 屏幕材质的手机在市面上出现 例如 OKWAP i108 166 等 不过效果和 CSTN 差不多 最后也没有什么后续机种采用了 2 6 2 6 TFTTFT LCDLCD TFT Thin Film Transistor 即薄膜场效应晶体管 属于有源矩阵液 晶显示器中的一种 它可以 主动地 对屏幕上的各个独立的像素进行控制 这样可以大大提高反应时间 一般 TFT 的反应时间比较快 约 80 毫秒 而且 可视角度大 一般可达到 130 度左右 主要运用在高端产品 所谓薄膜场效应晶体管 是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集 成在其后的薄膜晶体管来驱动 从而可以做到高速度 高亮度 高对比度显 示屏幕信息 TFT 属于有源矩阵液晶显示器 在技术上采用了 主动式矩阵 的方式来驱动 方法是利用薄膜技术所作成的电晶体电极 利用扫描的方法 主动拉 控制任意一个显示点的开与关 光源照射时先通过下偏光板向上 透出 借助液晶分子传导光线 通过遮光和透光来达到显示的目的 TFT 液 晶显示屏是薄膜晶体管型液晶显示屏 也就是 真彩 TFT 2 7 2 7 LTPSLTPS LCDLCD 低温多晶硅液晶 低温多晶硅液晶 LTPS 来自于日本 也算是 TFT 材质的一种 不过一般统称的 TFT 属于非 晶硅 a Si 种类 LTPS 则为低温多晶硅的类别 LTPS 能提供比 a Si 更亮 更细致的画面 早期是运用在摄影机 数字相机的屏幕上 缺点方面就是成 本不低 未来如果技术纯熟的话 很有可能影响传统 TFT 的市场占有率 2 8 2 8 OLEDOLED OLED Organic Light Emitting Display 即有机发光显示器 在手机 LCD 上属于新型产品 被称誉为 梦幻显示器 OLED 显示技术与传统的 LCD 显示方式不同 无需背光灯 采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板 当有 电流通过时 这些有机材料就会发光 而且 OLED 显示屏幕可以做得更轻更薄 可视角度更大 并且能够显著的节省耗电量 目前在 OLED 的二大技术体系中 低分子 OLED 技术为日本掌握 而高分子的 PLED LG 手机的所谓 OEL 就是这 个体系的产品 的技术及专利则由英国的科技公司 CDT 的掌握 两者相比 PLED 产品的彩色化上仍有一定困难 不过 虽然将来技术更优秀的 OLED 可 能会取代 TFT 等 LCD 但有机发光显示技术还存在着使用寿命短 屏幕大型 化难等缺陷 2 9 2 9 UFSUFS LCDLCD 三星 SDI 开发研制 采用了可去除残影与杂色 完美呈现动态影像的数 字驱动 Digital Driving 技术和可大幅提升响应速度的液晶开发技术以及 可降低耗电的 Switching Driving 技术此外 还使用了可提升色彩再现性与 明暗对比的面板设计技术 使得这种 LCD 不仅可以显示顶级的 26 万色 而且 响应速度达到 13 5 毫秒 比我们常见的 TFT 约 30 40 毫秒 响应速度快两 到三倍 同时更具备 87 的色彩再现性 也比之 TFT 40 高出一倍以上 可完美呈现自然色的动态影像 2 10 2 10 UFBUFB LCDLCD UFB 是 2002 年 3 月 三星公司发布的一款手机所用的新型液晶显示器件 具有超薄 高亮度的特点 UFB 是专为移动电话和 PDA 设计的显示屏 具有 超薄 高亮度的特点 可显示 65536 种色彩 达到 128x160 的分辨率 该显 示屏还采用了特别的光栅设计 可减小像素间距 以获得更佳的图像质量 UFB 液晶显示屏的对比度是 STN 液晶显示屏的两倍 在 65536 色时亮度与 TFT 显示屏不相上下 而耗电量比 TFT 显示屏少 并且售价与 STN 显示屏差不多 可说是结合这两种现有产品的优点于一身 2 11 2 11 ASVASV LCDLCD AdvancedAdvanced SuperSuper ViewView 流动超视觉液晶 流动超视觉液晶 ASV 是夏普利用原有的 CG Silicon 屏幕的基础 再加上夏普的 AQUOS 系 列液晶电视的 ASV 宽视角技术经验 所创造出的 Mobile ASV 屏幕 对屏幕可 视角度及画面的对比度改善较大 目前只有夏普在日本所上市的 902sh 运用 此材质 具有高解析 高质量 160 度可看角度的显示效果 2 12 2 12 CGSCGS LCDLCD ContinuousContinuous GrainGrain SiliconSilicon 连续结晶技连续结晶技 术液晶 术液晶 CGS 是夏普的独家技术 CGS 画质表现除更为清晰亮丽之外 与 STN TFT 最大的差异 就是当在户外强光下观看 STN TFT 时 会出现黯然 失色的情况 而 CGS 则表现十分抢眼 依然展现出高亮度的色彩 缺点则是 像 TFT 一样耗电量大 2 13 2 13 TFDTFD LCDLCD TFD Thin Film Diode 屏幕 又称为薄膜二极管半透式液晶显示屏 TFD 技术由精工和爱普生公司开发出来 专门用在手机屏幕上 它是 TFT 和 STN 的折中 比 STN 的亮度和色彩饱和度更好 也比 TFT 省电 最大特点是 无论在关闭背光 反射模式 或打开背光 透射模式 条件下都能提供高画 质 易观看的显示 并具有低功耗 高画质 高反应速度等优点 3 显示原理显示原理 3 1 RGB 象素独立发光象素独立发光 3 3 利用发光材料独立发光是目前采用最多的彩色模式 它是利用精密的金 属荫罩与 CCD 象素对位技术 首先制备红 绿 蓝三基色发光中心 然后调 节三种颜色组合的混色比 产生真彩色 使三色 OLED 元件独立发光构成一个 像素 该项技术的关键在于提高发光材料的色纯度和发光效率 同时金属荫 罩刻蚀技术也至关重要 目前 有机小分子发光材料 AlQ3 是很好的绿光发光小分子材料 它的绿光色纯度 发光效率和稳定性都很好 但 OLED 最好的红光发 光小分子材料的发光效率只有 31mW 寿命 1 万小时 蓝色发光小分 子材料的发展也是很慢和很困难的 有机小分子发光材料面临的最 大瓶颈在于红色和蓝色材料的纯度 效率与寿命 但人们通过给主 体发光材料掺杂 已得到了色纯度 发光效率和稳定性都比较好的 蓝光和红光 高分子发光材料的优点是可以通过化学修饰调节其发光波长 现已得到了从蓝到绿到红的覆盖整个可见光范围的各种颜色 但其 寿命只有小分子发光材料的十分之一 所以对高分子聚合物 发光 材料的发光效率和寿命都有待提高 不断地开发出性能优良的发光 材料应该是材料开发工作者的一项艰巨而长期的课题 随着 OLED 显示器的彩色化 高分辨率和大面积化 金属荫罩刻 蚀技术直接影响着显示板画面的质量 所以对金属荫罩图形尺寸精 度及定位精度提出了更加苛刻的要求 3 2 光色转换光色转换 4 光色转换是以蓝光 OLED 结合光色转换膜阵列 首先制备发蓝光 OLED 的器件 然后利用其蓝光激发光色转换材料得到红光和绿光 从而获得全彩色 该项 技术的关键在于提高光色转换材料的色纯度及效率 这种技术不需要金属荫 罩对位技术 只需蒸镀蓝光 OLED 元件 是未来大尺寸全彩色 OLED 显示器极 具潜力的全彩色化技术之一 但它的缺点是光色转换材料容易吸收环境中的 蓝光 造成图像对比度下降 同时光导也会造成画面质量降低的问题 目前 掌握此技术的日本出光兴产公司已生产出 10 英寸的 OLED 显示器 3 3 彩色滤光膜彩色滤光膜 6 此种技术是利用白光 OLED 结合彩色滤光膜 首先制备发白光 OLED 的 器件 然后通过彩色滤光膜得到三基色 再组合三基色实现彩色显示 该 项技术的关键在于获得高效率和高纯度的白光 它的制作过程不需要金属 荫罩对位技术 可采用成熟的液晶显示器 LCD 的彩色滤光膜制作技术 所 以是未来大尺寸全彩色 OLED 显示器具有潜力的全彩色化技术之一 但采 用此技术使透过彩色滤光膜所造成光损失高达三分之二 目前日本 TDK 公 司和美国 Kodak 公司采用这种方法制作 OLED 显示器 RGB 像素独立发光 光色转换和彩色滤光膜三种制造 OLED 显示 器全彩色化技术 各有优缺点 可根据工艺结构及有机材料决定 4 蓝光的产生及预防蓝光的产生及预防 4 1 蓝光光生物效应蓝光光生物效应 蓝光危害是由波长介于 300nm 与 700nm 的辐射照射后引起的光化学 作用 通常会存在导致视网膜损伤的潜能 如果照射时间超过 lOs 这种 损害机理起主要作用 而且是热损害机理的数倍之多 4 2 LED 灯蓝光产生机理灯蓝光产生机理 白光 LED 技术可通过多种方式予以实现 如图 1 所示 主要有两种 一是利用蓝光技术与黄色荧光粉配合形成白光 二是多种单色光混合得 到白光 由于不同色彩 LED 的驱动电压 发光输出 温度特性及寿命各 不相同 因此多色混合白光 LED 的制作方式复杂 成本较高 生产厂商 普遍采用第一种技术 目前主流采用的 GaN 芯片 辐射谱的中心波长为 450nm 470nm 辐 射谱带的半宽度为 30nm 当辐射谱激发 YAG 黄色荧光粉并且混合了蓝光 后 就会形成如图 2 所示的典型白光 LED 光谱 从图 2 中可以看出 不 同色温 LED 的发射光谱与激发黄色荧 光粉的发光光谱的比例不同 高色温LED光谱中蓝光所占的比重明显高于 低色温的LED 目前普遍认为4000K以上的高色温白光LED会对人体造成光生物 辐射的潜在危险 特别是当LED用于室内照明时 由于与人体的接触时间较长 建议采用2700K 3000K且显色指数为80以上的低色温LED 但是 由于低色 温LED的光效较低 所以 照明产品生产厂家为了追求光效和显色指数 通过 会提高产品的色温 致使市场中存在较多高色温 高显色指数的产品 同时 为了追求高利用率的LED产品 出现了越来越多的大功率 高亮度的LED产品 这些产品通过增加二次光学设计元件 增加了光源的功率与亮度 但越来越 窄的光束角和越来越亮的LED 也使得潜在的光生物辐射危害悄然增加 4 3 蓝光的预防蓝光的预防 4 3 1 滤蓝滤蓝 技术技术 对长时间面对电脑屏幕的用户来说 双眼出现干涩胀痛等不适症状的现象极 为普遍 究其根本 显示器背光闪烁是