第章显示基础知识学生2015

1、显示科学与器件技术邓少芝教授，陈焕君副教授2015年3-7月内容l 第一章显示基础知识显示技术及发展概述电视基础知识（彩色电视原理、数字电视原理）电视图像的摄取与重现显示器性能参数前言二十世纪后十五年是信息l 信息产业（管理机构，行业）“十二五”（2010-2015）重点l 电子信息产业的组织方向 电子信息制造业（主要是平板显示器件制造） 集成电路产业 数字电视与数字家庭产业 太阳能光伏产业 电子基础材料和关键元器件 电子设备仪器信息传递l 信息输出是一个重要的信息功能，显示技术是实现信息输出的重要模式信息显示终端接口与处理信息高速公路人类获取信息的方式l 视觉l 听觉l 触觉l 味觉l 嗅觉

2、视觉获取的信息占全部信息量的70%以上显示技术的地位显示无处不在“显示器”是人机交互和信息展示的窗口l 显示器是显示技术的关键组成，在、工业、军事、交通、教育、航空航天、遥感等有广泛应用发展显示技术的重要性l 世界范围 新型显示技术的研究一直是发达关的制高点全球平板显示器产值超过了1000亿l 中国和新兴工业国科技攻 显示技术及其相关产业的占信息产业总产值的45% 电视机和显示器的生产是我国电子制造业近三十多年来的支柱之一，对经济有着举足轻重的影响 中国的彩电产量占世界产量的50以上，是中国电视机生产的重要基地陆显示产业状况显示产业集聚发展，形成四个重点区域北京/河北江苏/上海/ 陕西/广州/

3、9显示产业从业多学科的专业特征：物理、材料、化学、光学工程电子科学与技术、管理科学材料、器件、制造工艺、设备、表征技术电子器件、电路技术显示技术是一个多学科交叉的产物一、显示技术及发展概述信息显示技术特征：显示器平板化l 20世纪阴极射线管（CRT）占图像显示器件的绝对地位l 21世纪是平板显示器的呈现“百花齐放，百家，器件技术路线”状态不同发展阶段的显示器传统显示器：阴极射线管常用的平板显示器：液晶平板显示器新型平板显示器：OLED、FED、微显示、三维显示、电子纸显示、柔性显示等显示器实现图像显示原理显示信息信号调制到达人眼的光亮度、颜色和空间位臵显示器件：主动发光型和非主动发光型l 主动

4、发光型：器件本身发光；利用显示信息信号来调制各发光体（称为像素）的发光亮度和颜色，并直接显示l 非主动发光型：器件本身不发光；利用显示信息信号调制外光源使其达到显示目的显示器分类显示器（CRT） 原理l 电子以高能量轰击荧光粉发光以扫描方式有序轰击荧光屏上的荧光粉l显示器（CRT）发展的实用化过程布劳恩管的发明（德国）世界最早的电视广播开始（德国） 中国黑白电视广播开始彩色电视广播开始中国彩色电视广播开始1897年1935年1958年1960年1973年1991年1996年1997年1999年lllllllll晰度电视机的商品化（）Sorry公司推出第一台纯平面屏幕CRT彩色电视机薄平板型CR

5、T公开，其厚度只有1cm（荷兰）中国乐华推出国内第一台纯平面屏幕CRT彩色电视机2002年2007年各种全平面平面电视机在中国普及ll14th International Display Workshops 最后一次设立CRT的专题举例CRT平板化和微型化液晶显示器（LCD）原理l 原理液晶材料在光场/热场/电场作用下表现出的物理和光学各向异性性质l 实现液晶对投射光源起调制作用，即液晶光阈l 色彩实现采用滤色膜提取光源的红绿蓝三基色以空间混色方式获得彩色重现电场作用下的液晶运动液晶显示器（LCD）发展的实用化过程1888年1972年1980年1984年1984年1993年1997年1998年

6、1999年2000年2002年液晶的发现（奥地利）液晶手表、液晶计算器的实用化（美国）a-Si TFT驱动LCD试制（英） 液晶黑白电视机的实用化（日）液晶彩色电视机的实用化（日）lllllTFTLCD生产线开始建立大l47英寸TFT-LCD电视机韩国建设第3代彩色TFTLCD生产线l建设第3代彩色TFTLCD生产线中国l中国引进第一条TFTLCD生产线（吉林省电子韩国三星将61cm UXGA TFTLCD HDTV投入市场公司）llTFTLCD HDTV到来l等离子体显示器（PDP）显示原理气体放电等离子体紫外线荧光粉可见光原理：利用气体放电产生紫外线，紫外线激发光致荧 光粉，荧光粉发射可见

7、光等离子体显示器（PDP）发展的实用化过程1954年1968年1978年1987年1992年1996年1997年1999年2004年2005年2006年2008年DC驱动PDP的（美国）l用DC驱动的PDP显示电视图像（荷兰）16英寸DC驱动彩色PDP电视机的试制（ 美国Photonics公司开发出59英寸 AC PDP 富士通21英寸全彩色AC驱动PDP的商品化富士通42英寸全彩色AC驱动PDP的商品化先锋公司开发出50英寸 PDPl）llll150英寸PDP电视机lPlasmaco公司展出60英寸 HDTV（1366x768 线）彩色PDPLG开发出76英寸、三星开发出80英寸FHDTV

8、彩色PDP；LG、三星开发出102英寸FHDTV 彩色PDP 松下开发出103英寸FHDTV 彩色PDP松下开发出150英寸FHDTV 彩色PDPlllll有机发光显示器（OLED）显示原理l 原理利用正负载流子注入有机半导体薄膜后载流子复合产生发光l 彩色实现直接方式：材料的电致发光光谱决定间接方式：转换法/彩色滤色膜OLED发光原理示意图有机发光显示器（OLED）发展的过程1963年1987年Pope发现蒽单晶外加直流电压发光现象ll美国Kodak公司的C.W.Tang成功超薄层结构小OLED器件，了OLED研究热潮1990年1997年2000年2001年2月2001年10月2005年20

9、06年大学的FrendOLED柔软显示屏英国成功共轭高ll先峰公司开发成功OLED车载显示器并实现了Motorola把OLED显示屏应用于lllllSorry推出13英寸小全彩色OLED显示器样机Samsung在SID展示了15英寸小全彩色OLED显示器样机Samsung展示了40英寸a-Si OLED显示器（1280 x 800）DuPont 公司展示出7-14英寸P-OLED显示屏（采用ink-jet技术）市场出现LG 55英寸柔性WRGB模式的OLED电视（厚度4.4mm）2014年l场发射平板显示器（FED）原理l 发光原理：利用场致电子发射的物理现象来获得电子；电子在高电压作用下以高

10、能量轰击荧光粉发光极阵列替代电子枪ll 矩阵寻址替代扫描场发射显示器件（FED）发展过程l 1968年l 1986年l 1996年l 1997年l 1999年微尖针场发射阵列（英国）（钼微尖针，Spindt结构）微尖针场发射显示器（法国）（单色32×32像素FED器件 )表面传导场发射显示器件（MIM 场发射显示器件（碳纳米管场发射显示器件（发射场发射显示器件（）等），表面弹道电子）l 2000年l 2004 年印刷型场发射显示器件（英国、韩国、中国等）伊势电子（ISE）公司公布40英寸彩色CNT-FED韩国Samsung公司的30英寸CNT-FED的开发已接近完成双叶电子展示其已经

11、开始市场化的5款FED显示器佳能东芝的36英寸表面传导型FED等等l 2005年l 2007年英国PFE公司展示出采用MIM结构的5.7英寸的显示屏Sony展示19英寸Spindt结构的FED显示器发展其它形式的显示器技术3D显示柔性显示电子纸显示微显示器，图示为OLED微显示器二、电视基础知识家庭电视广播发展历史l 20世纪30年代诞生l 发展历史 1936年英国贝尔德电视公司黑白电视广播 1954年美国NTSC制彩色电视广播、哥伦比亚 1967年前PAL制彩色电视广播德国（1960年提出PAL制彩色电视） 1967年法国和前SECAM制彩色电视广播（1956年提出SECAM制彩色电视） 2

12、0世纪90年代中期发达数字电视广播陆电视广播发展历史l 1958年首次黑白电视广播l 1973年彩色电视试播，采用PAL制电视l 2010年全部实现数字和传送数字化（实施计划方案）l 2015年停播模拟电视电视分类l 按颜色分：黑白电视，彩色电视l 按图像分：标准清晰度电视（SDTV），高清晰度电视（HDTV）l 按信号形式分：模拟电视，数字电视l 按用途分：广播电视（BTV），应用电视（ATV）1、图像重现依赖的基本理论理论依据I：人眼的生理特性l 人眼视网膜的感觉细胞（锥体细胞和杆体细胞）决定人眼的色光感受（过程：色光刺激和色光感受）l 人眼对不同色光感受性用光谱效率函数表征 光谱光效函数

13、指的是在获得同等亮度情况下，不同波长光所需要能量的倒数，即V（l）1/ E ll 人眼色光感受特点： 光感惰性 空间分辨局限性不同波长的光，光效率不同理论依据II：色度学l 色度学是测量与标定颜色的学科，用来两种光谱功率发布不同的光在一定观察条件下，在颜色上是否能够匹配l 内容：颜色的基本特性和混合， 色觉理论，人眼对颜色的分辨能力和彩色视野，计色系统（色度图、色度坐标等）彩色图像重现：人眼的色度感知混色理论l 人眼根据红、绿、蓝三基色在视网膜上光刺激的混合比例来确定颜色感的理论称为混色理论l 混色方法：加法混色，减法混色举例1显示器彩色实现方法：加法混色l 加法混色：利用人眼对不同光谱 的光

14、线具有相同颜色感觉的特性， 即同色异谱l 三基色：红、绿、蓝l 混色公式：红色绿色 黄色红色紫色绿色青色红色绿色白色l 实现方法：同时加色法，继时加色法，空间加色法相加混色彩色三角形 举例2显示图像信号传递：人眼对颜色的分辨能力和彩色视野对色调的分辨 在等能量的各种颜色光中，人眼感受黄绿色 最亮，其次是蓝、紫，最暗是红色 人眼大约可以分辨128种不同的色调对饱和度的辨别不同颜色饱和度分辨率不同，例如红色为25级，黄色为4级 将人眼对色调、亮度和饱和度辨别等级进行组合，可以分辨100万种颜色彩色视野 人眼的垂直视野为135º140º，水平视野为180º在同一亮度条件

15、下，白色视野最大，依次按黄蓝红绿减小lll 举例2大面积图像着色理论l 人眼对黑白图像的分辨率高于对彩色图像的分辨率l 假设人眼对黑白颜色组合细节分辨率定义为100%，则对其它颜色的分辨率列表如下l 亮度信号采用宽带信号（0-6MHz）处理，色度信号采用窄带处理（0-1.5MHz）处理，当两种信号重合时，人们仍然可以看到一幅图像清晰、彩色鲜艳的彩色图像，这就是大面积图像着色理论细节色别黑白黑绿黑红黑蓝绿红红蓝绿蓝分辨力100%94%90%26%40%23%19%2、电视传像原理电视系统组成l 电视传送的信息 图像通常分为静止图像和动态图像电视传送主要是动态图像信息（活动景象）l 电视系统构成

16、由摄像、传输、显像三部分构成 功能包括信息形式变换、处理（信号选择与编码、各种参量确定、失真校正）、传输、重现等电视的摄像和显像原理图（a）摄像管，（b）显示器图像的表示方法（I）l 景物表达 景物的彩色用亮度（B）、色调（l）和饱和度（SC）三个基本参量来描述 景物的形状可用空间坐标x、y、z表示 活动景物的彩色和外形是时间t的函数l 一幅自然景象表达B = fB ( x, y, z, t )l= fl ( x, y, z, t )SC = f Sc ( x, y, z, t )图像的表示方法（II）l 平面图像表达l 传送简单图像：黑白平面图像 B = fB ( x, y, t )l 技术

17、上，即使传送简单图像，也有很大B = fB ( x, y, t )l = fl ( x, y, t )SC = f Sc ( x, y, t )图像的表示方法（III）l 实际实现上，可以根据人眼视觉特性，采用“空间”和“时间分割传送方法”，使重现景象与原景象有等效的视觉效果图像信息组成与转换一幅图像被分解为小单元（称为像素），它具有光特性（亮度和色度）和几何位臵特性，代表图像信 息单元普通分辨的一幅图像被分解像素数为3050万个， 高分辨的一幅图像被分解像素数为100万个以上采用扫描方式将像素通过光电转换变为图像电信号（举例：摄像机镜头将图像聚焦到光敏层的摄像管， 在光敏层形成与发光景物对应

18、的相关电荷，利用电 子束从左到右、从上到下有序地将电荷图像转换为电流）lll 图像传送举例 图像的顺序传送（I）端采用扫描方式将被传送图像上个各像素的l亮度和色度按一定顺序、通过光电转换逐一转变为相应的电信号，并依次通过一个通道传送l 接收端按相同顺序，将各像素的电信号在显示器上相应位臵上转变为不同亮度、色度的光点图像的顺序传送（II）顺序传送制电视制示意图图像传送举例电视扫描（I）l 图像转换或从左到右，或从上到下按顺序进行的过程，称为扫描l 沿着左右方向移动的扫描称为水平扫描（又称为行扫描），沿着上下方向移动的扫描称为垂直扫描电视扫描（II）l 电视图像的扫描方式：逐行扫描和隔行扫描 逐行

19、扫描：一幅图像扫描一遍，按顺序扫描；个人计算机显示终端采用逐行扫描 隔行扫描：一幅图像扫描两遍，分别按奇数行和偶数行进行扫描；扫描一遍称为一场，两场合为 一帧；帧扫描频率为25帧/s（PAL制）或30帧/s（NTSC制）；常见的电视广播和影像设备（例如普通广播电视机、机、大部分摄像机、DVD、LD）采用隔行扫描电视扫描（III） 举例说明 光栅：移动轨迹的集合体CRT逐行扫描：以匀速依次一行紧接一行扫过屏幕电视扫描（IV）奇数场扫描起点偶数场扫描起点CRT隔行扫描： 将一幅图像分 成两场，第一 场扫描奇数行， 第二场扫描偶 数行举例说明电视扫描（V）行扫描锯齿波电流场扫描锯齿波电流显示扫描实现

20、：偏转线圈+锯齿波电流产生正交磁场举例说明电视扫描（VI）525/60、625/50扫描标准主要参数对比传统的广播电视扫描标准：两种规格525/60标准、625/50 标准；基于20世纪30年代末技术水平在评估性能/价格比情况下确定的，场频选择基于减少电源对显示器扫描失真干扰来考虑（例如交流声、杂散磁场）l；参数525/60标准625/50标准每帧行数525625每场行数（隔行扫描）262.5312.5、 每秒帧数29.9725每秒场数Hz59.94（2fH/525）50（ 2fH/625)行扫描频率Hz15734.2515625行扫描时间ms63.55664行消隐时间ms10.7±

21、0.112±0.3每帧有效行数485575垂直分辨率LPH485´0.7339575´0.74024:3分辨率的水平像素339 ´（4/3）452402 ´（4/3）536数字电视和平板显示技术的电视扫描格式l 1995年美国制定数字电视标准时，计算机公司反对继续采用隔行扫描；目前两种格式共存，以标注“i”表示采用隔行扫描，以标注“p”表示采用逐行扫描，例如： 480i 、 480p、720i、720p、1080il 平板显示器件采用逐行扫描l 目前的广播电视系统仍然采用隔行扫描方式，因此实际的电视显示需要将隔行扫描信号转换为逐行扫描信号隔行扫

22、描信号转换为逐行扫描信号实现原理：将奇数场信号转换为偶数场信号存入一帧信号后在逐行读出器，l两种实现方法： 重复方式：在一场时间内按存入次序逐次逐行读出图像信号；取出的信号帧频大小为对应的场频大小l 利用插值算法生成逐行扫描图像信号：首先奇数场和偶数场信号，取本场中垂直相邻的像素A、B和在前一场与该像素在时间上相邻的像素C，从3个像素的亮度值中找中间值，作为新的行信号目前平板显示器都需要配臵隔行扫描-逐行扫描转换器l显示扫描的发展l 信号提取：现代CCD摄像机和摄像机采用整幅图像提取信号，不是采用从上至下的扫描方式l 显示：TFT-LCD、DLP显示屏大多数采用整幅显示图像方法，但是逐点脉冲发

23、光的显示器（例 如FED、无源OLED、无源LCD），仍然采用扫描显示方式图像分辨率概念（I）l 分辨率表示相邻像素无法被识别的临界点，其定义为：沿垂直轴和水平轴每距离的单元数，例如每毫米行数；或者，完整显示的单元数，例如每图像高度的行数（LPH）l 图像分辨率分为垂直分辨率和水平分辨率，目前使用的电视系统能够实现相同的垂直分辨率和水平分辨率，因此分辨率另一习惯性的表达方式是“方形像素”图像分辨率概念（II）垂直分辨率：定义了系统水平行的能力，它表示为黑l白行交替的数量，取决于每幅图像的扫描划分行数，是摄像管或CRT扫描点的大小、形状的作用结果，它与系统带宽无关；当扫描行位于图像细节中心时，垂

24、直分辨率等于每帧的有效扫描行数水平分辨率：定义了系统水平像素的能力，取决于摄l像管或CRT扫描点的大小、信号传输系统频率响应特性的作用结果现行的广播电视系统，图像的水平分辨率与垂直分辨率比l率按4:3和16:9规格；例如，4/3系统、525/60扫描标准中，图像的水平像素为4/3´Nv= 4/3´ 339=452电视的同步（I）l 指的是波形相似端和接收端扫描同频、同相和l 收、发不同步，图像不能正确显示例一：收发扫描相位不同步造成图像电视的同步（II）l 为了实现收发端间的同步扫描，端设臵同步信号发生器，产生行场同步脉冲信息我国的电视标准： 行同步脉冲频率为15.625

25、kHz，周期为64mm 场同步脉冲频率为50 Hz，周期为20 ms同步与扫描的时间关系模拟电视系统：全电视信号（I）由图像电信号叠加于扫描的同步信息和回扫操作信息等信l号，构成全电视信号（又称为复合息和同步信息）信号，包括信信息：信号传递的内容包括消隐电平、黑色基准电平、l平均亮度电平、图像细节、颜色值（色度信息），信号是单极性，以一电平（例如0V）表示黑色、另一电平（例如0.7V）表示白色，黑电平与白电平之间的电平表示灰度同步信息：水平扫描同步信息、垂直扫描同步信息、色度器同步信息，其作用是用于触发接受器中的扫描或解l码信号产生电路；同步脉冲是单极，参考电平为黑电平，并处于不显示的电平态模

26、拟电视系统：全电视信号（II）l 单色复合信号电平标准l 典型的传输通道中单色复合视频信号波形隔行扫描模式参数525/60标准625/50标准白电平714.3mV700mV准电平53.3mV0 mV消隐电平0 mV0 mV同步电平-285.7mV-300mV电视图像信号特点l 按时间顺序变换的电信号l 单直脉冲性（存在直流分量，对应背景亮度）l 周期性（受行频或场频调制的周期性信号）l 图像信号最高频率为5.5 MHz电视信号传输（I）黑白电视系统信号与接收显示示意框图lGamma校真正 接收端V驱动TH驱动H同步偏转线圈同步发生器V同步 端H同步V同步同步分离器H扫描发生器V扫描发生器放 大

27、器CR摄像机同步加法器电视信号传输l 电视制式制定的电视信号标准及处理 中国的黑白电视体制：扫描行数625，行频15.625kHz； 帧频25Hz;采用2:1隔行扫描；全电视信号带宽为6MHz;图像信号采用调幅方式处理，音频信号采用调频方式处理； 各相邻波段相差8MHz 彩色电视制式：亮度信号与黑白信号兼容；流行的有三种制式：PAL制，NTSC制；SECAM制l 彩色电视信号传输将三基色电信号变为一个亮度信号和两个色度信号亮度信号占6 MHz带宽，色度信号占1.3 MHz带宽色度信号的处理由所采用的制式决定NTSC制式l 称为正交平衡调幅制（抑制载波的调幅，两个色差信号的载波相位相差90度AM

28、波和平衡调幅波实现正交平衡调幅调制的框图色度信号形成过程彩色电视制式的缺陷l 图像清晰度低，细节分辨力差l 画面存在各种串扰（亮亮、）l 存在并行、行蠕动、行闪烁等现象l 存在微分相位和微分增益失真，色彩欠柔和l 模拟制式不利于信息传输、和交流l 显示面积不够大，缺少临场感和逼真感原因：采用复合信号传输；采用窄带传送色差信号；采用隔行扫描；选用的行、场频率低晰度电视（HDTV）分辨率在1000行以上，流行的HTDV标准有1250行、1050行和1125行屏幕宽高比为16:9允许观众在三倍图像高度的距离上图像显示面积不小于0.8 m2HTDV实施历史lllll1984年，以模拟电路技术为基础，1