光电子发光与显示技术

光电子发光与显示技术

20世纪和21世纪是信息的时代。1960-1990年信息的年均增长率

为20%,到2020年更将达到每两个半月翻一番的惊人速度。信息的获

得、处理、传输、显示构成了信息技术链的四个环节，它已深入到社会

的各个领域。研究表明，在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中，

视觉占60%,听觉占20%,触觉占15%，味觉占3%，嗅觉占2%0可

见，近2/3的信息是通过眼睛获得的。当然，也可以将信息以文字或语

音的形式表达出来，但其每分钟所能传送的信息量只能是几百个字节，

有时还不一定能表达得清楚，而用图像来传送信息就快得多，一幅电视

图像由几十万个像素组成，高清晰度的电视图像可达百万个像素，并且

一目了然，比任何口头叙述或文字描写都清楚。显示技术作为人机联系

和信息展示的窗口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航

天、卫星遥感和医疗等各个方面，显示产业已经成为电子信息工业的一

大支柱产业。在我国，显示技术及相关产业的产品占信息产业总产值的

45%左右。

从世界上第一只阴极射线管发展到今天成千上万种显示装置，已经历

了百余年的历史，显示技术已渗透到各个领域。纵观显示技术的发展历

程大致有三个阶段：

I机械电视发展阶段（1884年~1929年），它是以1884年，德国

工程师尼波可夫发明了圆盘式光电扫描仪为起点的，开始了大规模的机

械电视的研究，1929年，英国发明家贝尔德正式播送机械电视节目。

II.电子束显示器件和电子电视阶段（1930年~1960年），1897

年，德国学者布劳恩发明了阴极射线管，成为现代电子显示的起点。

1936年，英、美两国分别在伦敦、纽约开始正式播送电视节目，从此进

入了黑白电视的时代，30年代~50年代，黑白电视进入了全盛时期。

1950年，美国无线电公司（RCA）研制出第一只彩显管，标志着彩色电

视时代的开始，开创了彩色显示新纪元。与此同时，各种类型的电子束

显示器件也得到迅速发展，如雷达显示器，示波器等等。使电子显示形

成了一个巨大的产业，它的发展一直延续至今。

m.各类新型显示技术蓬勃发展时期（i960年以后）。六十年代初

期，由于半导体集成电路技术的迅猛发展，促进了电子设备的小型化、

低压化，单一的CRT显示已不能满足需求，引发了各类显示技术的蓬勃

发展，其标志有：①平板显示的大发展。各类显示原理完全不同于真空

显示器件的平板显示器件相继出现，如1966年发明了等离子体显示板，

1968年发明了液晶显示板，1969年发明了电致发光板，由于它们在体

积、重量、功耗方面有明显的优势，一经发明，就迅速发展为独立的学

科。②激光进入显示领域。自I960年激光器问世以后，在显示领域得到

很多应用，激光扫描也成为一种新的选址方法。③计算机显示日益普

及，图形显示其成为普及型产品。④新器件不断出现，并发展为产业，

如发光二极管（LED）的发展，迅速成为大屏幕显示的主要技术之一。另

外，其他新型器件如电致变色显示（ECD）、电泳显示（EPIF）等等也

相继发明。

回顾上述简单历程我们可以看到，显示技术的发展和社会进步密切相

关的。一种新原理的显示器件的发明往往标志其技术进入一个新阶段，

甚至会带来一场变革。另外，显示技术的前进是和其他相关学科如材

料、工艺技术等的发展密不可分的。我们看到，显示技术的发展前景是

非常广阔的。

电子显示器可分为主动发光型和非主动发光型两大类。前者是利用信

息来调制各种像素的发光亮度和颜色，进行直接显示；后者本身不发

光，而是利用信息调制外光源而使其达到显示的目的。显示器件的分类

有各种方式，例如：按显示屏幕面积的大小，可分为中、小型（约

0.2m2左右）、大型（大于lm2）和超大型（大于4m2）显示器；按颜

色可分为黑白、单色、多色和彩色显示器；按显示内容、形状可分为数

码、字符、轨迹、图表、图形和图像显示器；按所用显示材料可分为固

体（晶体和非晶体）、液体、气体、等离子和液晶显示器。但是最常见

的是按显示原理分类，其主要有：阴极射线管（CRT）显示，液晶显示

（LCD）、等离子体显示板（PDP）显示、电致发光显示（ELD）、发光

二极管（LED）显示、有机发光二极管（OLED）显示、真空荧光管

（VFD）显示、场发射显示（FED）。前7种皆为主动发光显示，只有

LCD是非主动发光显示。其他还有电致变色（ECD）显示、旋转球

（TBD）显示、电化学（ECD）显示等，但它们应用面不大，市场也小。

§1阴极射线管显示

阴极射线管（CathodeRayTube,CRT）的发展可追溯到1897年布

朗的示波管，1938年德国人W.Fleching提出彩色显像管专利，1950

年美国的RCA公司研制出三枪三束荫罩式彩色显你管，1953年实用

化。20世纪60年代，玻壳由圆形发展为角矩形管，尺寸由21英寸发展

到25英寸偏转角由70。增大到90°,荧光粉由发光效率较低的磷酸盐型

发展为硫化物蓝绿荧光粉和稀土类红色荧光粉。70年代后，彩色显示管

进行了一系列的改进，荧光屏由平面直角发展到超平，纯平，尺寸发展

到主流29英寸以上，偏转角由90。增大到110°,横纵比不断增大，采用

自会聚管以提高显示分辨率。近年来，高分辨率彩电已成为发展方向。

1.1.黑白CRT

黑白显像管是通过电光转换重现电视图像的一种窄束强流电子束管，

是单色CRT。主要用途是在电视机中显示图像。其基本工作原理是：电

子枪发射出电子束，电子枪受阴极或栅极所加的视频信号电压的调制，

电子束经过加束极的加速，聚焦极的聚焦，偏转磁场的偏转扫描到屏幕

前面的荧光涂层上，产生复合发光，最终形成满足人眼视觉特性要求的

光学图像。其结构如图1.1所示。

一、电子枪

图L1黑白显像管结构图

电子枪是显像管中极为重要的组成部分。电子束的发射、调制、加

速、聚集均由电子枪来完成。显示管用电子枪属于弱流电子枪，由圆筒

电极、圆片和圆帽电极排列装配而成。一般分为双电位电子枪(Bi­

potentialFocus,BPF)和单电位电子枪(Uni-PotentialFocus,

UPF)。UPF电子枪比BPF电子枪多一个高压阳极，聚焦能力大大提

高，在荧光屏上形成直径为0.2mm左右的光点。

47Sx13B

图1.2黑白显像管管脚和电子枪结构

常用的黑白显像管电子枪包括5个以上的电极，即阴极（发射极）

K,栅极（控制极）G,第一阳极（加速极）A1,第二阳极A2和第三阳

极A3级成聚焦极，第四阳极A4与A2内部相连组成高压电极并且与管

锥体内侧所涂石墨导电层相连至高压嘴处。它们的相互位置如图1.2所

阴极表面涂有氧化物材料，当阴极被阴极里面的灯丝加热到约800℃

时，电子获得逸出功，大量电子从阴极表面发出，并对准栅极的小圆孔

飞行出去。电子飞出的多少，由栅极与阴极之间所加的电压的大小决

定，从而可以调制光点的亮暗。正常工作时，栅极所加的电压比阴极

低，从而对来自阴极的电子有排斥作用，只有少量电子能通过栅极到达

屏幕。栅极电压负到电子束电流为零时的电压值称为截止电压，一般为-

20--90Vo栅极与阴极间的距离一般为1mm以下，栅极中心孔直径为

0.6~0.8mmo

加速极呈圆盘状，中间也开有上孔，电压一般为300~450Vo

聚焦极装在加速极后面，电压在0~450V之间可调，改变这个电

压，可以改变电子束聚焦的质量。

第四阳极与第二阳极施加8000-16000V的高压，使电子束以足够高

的速度轰击荧光粉发光。

二、坡璃外壳

玻璃外壳由管颈、锥体和面玻璃三部分组成。管颈内部安装电子枪。

玻璃锥体将面玻璃和管颈连接起来，其张开角中代表最大电子束偏转角

度。同样尺寸的荧光屏，偏转角5越大，管子长度就越短，可以减少电视

机的厚度，国产标准显像管主要有70。、90。、110。和114。等。玻璃锥

体内，外壁涂有石墨导电层。玻璃锥体壁上装有高压帽，与内导电层相

通，并与电子枪内的A2和A4阳极相连。高压由高压帽输入到A2和

A4,这样高压就不从管座引入，其优点是可以降低管座绝缘材料的耐高

压指标。玻壳外涂层石墨与电视机的地相连并与高压帽绝缘，内外石墨

层在璃壳壁形成500~1000pf的高压电容器，兼作为高压整流滤波电

容。

三、荧光屏

荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层和和铝膜层构成，也称作屏幕。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。为了减小环境光的影

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、耐压力、面张力和防爆等性能要求。

荧光粉层完成显像管内的光电转换功能，黑白显像管要求在电子轰击

下荧光粉发白光，一般采用颜色互补的两种荧光粉混合起来发白光。如

将发蓝光的ZnS[Ag]与发黄光的ZnS、CdS[Ag]以55:45的比例混合制

得P4荧光粉，或直接采用单一白色荧光粉。荧光粉的另一个重要参数是

余辉时间，余辉时间定义为亮度减少到1/10时所用的时间，余辉时间长

于0.1秒的叫长余辉荧光粉，介于0.1~0.001秒的称为中余辉荧光粉，

短于0.001秒的称为短余辉荧光粉。余辉太长运动画面会有拖影，余辉

太短平均亮度降低，电视采用中余辉荧光粉，示波器等则采用长余辉荧

光粉。

荧光粉采用沉淀法涂覆，把洗净烘干的玻璃屏放在涂覆机上，玻璃屏

的倾角和转速由涂覆机来控制。向玻璃屏中心滴入加有醋酸钢等电解质

的荧光粉和水玻璃悬浮液，开启涂覆机使其均匀涂覆于玻璃基板上，经

烘干后即形成牢固的荧光粉层。

在荧光粉层表面蒸镀一层0.1~0.5|jm的铝膜，并使其与电子枪的阳

极相连，可以提高图像显示性能。主要优点为：可以防止负电荷积累导

致的荧面电位下降，从而限制了亮度的提高；铝可将荧光粉发向管内的

光线反射到观察者一侧，提高亮度；阻档负离子对荧光层的轰击防止离

子斑。

荧光粉的发光效率以每瓦电功率所获得的发光强度计，输入的电功率

是电子束电流（阴极电流（pA）与阳极高压的乘积，发光强度为cd（坎

德拉）。一般的荧光粉发光效率都大于5cd/W,有的大于10cd/W,而

白炽灯的发光效率都不超过

2cd/W0

四、扫描方式

在显像管中电子束的扫描是通过磁偏转来实现的。在广播电视技术

中，将一幅画面称为一帧，并规定每秒传送25帧。每帧只要分解为几十

万个像素，这些像素又分割成625行，这样每系就要传送25x

625=15625行，要实现这样的速度，必须采用电子扫描来实现。

按电子束运动的规则可分为直线扫描、圆扫描、螺旋扫描等。在电视

系统中，为了充分利用矩形屏幕并使扫描设备简单可靠，采用了匀速单

向直线扫描方式，而单向直线扫描又分为逐行扫描和隔行扫描两种方

式。

五、逐行扫描

在电视系统中，摄像管与显像管电子枪外部都装有相互垂直的行、场

两对偏转线圈，线圈中分别流有行、场锯齿电流。电子束在通过两个偏

转磁场时，在荧光屏上做从上到下、从左到右的匀速往复直线扫描动

动。我们将一行紧跟一行的抚摸方式称为逐行扫描，在逐行扫描过程

中，其图像信号的时间顺序与空间顺序是一致的。

我国电视标准规定，行扫描的周期为64|js,其中行扫描正程为52,

行逆程为122。场扫描频率为50Hz,即可适应人眼的暂留效应,克服

闪烁感，又与电网频率相同，达到消除干扰的目的。场扫描周期为

20ms,场扫描正程时间218.4ms,场扫描逆程时间W1.6ms,要实现这

样的指标，电视图像信号的通频带要求达到UMHz以上。

六、隔行扫描

我国电视信号通频带规定，图像信号带宽为为了达到即不占

6MHz0

用很宽的频率带，又能够满足足够高的扫描频率，以克服以闪烁现像，

因此提出了2:1隔行扫描的工作方式。隔行扫描即是把一帧分为两场来

扫描，每秒扫描50场。规定奇数行1,3,5,7...573（显示行，其它为

场逆程非显示行）的场为奇数场，偶数行2,4,6,...574的场为偶数

场。若采用奇、偶两场均匀相互嵌套的话，即可以获得高的清晰度，又

能保证每帧扫描起点相同，两场的扫描锯齿电流规律相同，大大降低了

对扫描电路的要求。这就是奇数行2:1隔行扫描方式。其扫描过程如图

1.3所示。

图1.3隔行描示意图

（a）奇场光栅（b）偶场光栅（c）每帧光栅（d）行锯齿电流波形（e）

场锯齿电流波形

1.2.彩色CRT

一、彩色合成原理

(1)三基色的确定

三基色的本质是三基色具有独立性，三基色中任何一色都不能用其余

两种色彩合成。另外，三基色具有最大的混合色域，其它色彩可由三原

色按一定的比例混合出来，并且混合后得到的颜色数目最多。在白光的

色散试验中，我们可以观察到红、绿、蓝三色比较均匀地分布在整个可

见光谱上，而且占据较宽的区域。如果适当地转动三棱镜，使光谱宽变

窄，就会发现：其中色光所占据的区域有所改变。在变窄的光谱上，红

(R)、绿(G)、蓝(B)三色光的颜色最显著，其余色光颜色逐渐减

退，有的差不多已消失。得到的这三种色光的波长范围分别为：R

(600~700nm),G(500~570nm),B(400~470nm)。当用红

光、绿光、蓝光三色光进行混合时，可分别得到黄光、青光和品红光。

品红光是光谱上没有的，我们称之为谱外色。如果我们将此三色光等比

例混合，可得到白光；而将此三色光以不同比例混合，就可得到多种不

同色光。人眼的视网膜上有三种感色视锥细胞一感红细胞、感绿细胞、感

蓝细胞，这三种细胞分别对红光、绿光、蓝光敏感。当其中一种感色细

胞受到较强的刺激，就会引起该感色细胞的兴奋，则产生该色彩的感

觉。人眼的三种感色细胞，具有合色的能力。当一复色光刺激人眼时，

人眼感色细胞可将其分解为红、绿、蓝三种单色光，然后混合成一种颜

色。正是由于这种合色能力，我们才能识别除红、绿、蓝三色之外的更

大范围的颜色。

综上所述，复色光中存在三种最基本的色光，它们的颜色分别为红、

绿、蓝。这三种色光既是白光分解后得到的主要色光，又是混合色光的

主要成分，并且能与人眼视网膜细胞的光谱响应区间相匹配，符合人眼

的视觉生理效应。这三种色光以不同比例混合，几乎可以得到自然界中

的一切色光，混合色域最大；而且这三种色光具有独立性，其中一种基

色不能由另外的基色光混合而成，由此，我们称

红、绿、蓝为色光三基色。为了统一认识，1931

年国际照明委员会(CIE)规定了三原色的波长人

R=700.0nm,AG=546.1nm,AB=435.8nmo在色

度学中，为了便于定性分析，常将白光看成是由

图1.4相加混色法

红、绿、蓝三原色等量相加而合成的。

(2)相加混色原理

由两种或两种以上的色光相混合时，会同时或者在极短的时间内连续

刺激人的视觉器官，使人产生一种新的色彩感觉。我们称这种色光混合

为加色混合。这种由两种以上色光相混合，呈现另一种色光的方法，称

为色光加色法。国际照明委员会(CIE)进行颜色匹配试验表明：当红、

绿、蓝三基色的亮度比例为1.0000:4.5907:0.0601时，就能匹配出

中性色的等能白光，CIE将每一单基色的亮度值作为一个单位看待。其表

达式为(R)+(G)+(B)=(W)。红光和绿光等比例混合得到黄

光，即(R)+(G)=(Y);红光和蓝光等比例混合得到品红光，即

(R)+(B)=(M);绿光和蓝光等比例混合得到青光，即(B)+

(G)=(C)，如图1.4所示。如果不等比例

图1.5相减混色法原理图

混合，则会得到更加丰富的混合效果，如：黄

绿、蓝紫、青蓝等。

(3)减色混色法

被光源照明的物体表面，物体表面的反射光呈现各种不同的颜色。很

多物体的颜色是经过颜料的涂、染而具有的。从颜料混合实验中，人们

发现，能透过(或反射)光谱较宽波长范围的色料青、品红、黄三色，

能匹配出更多的色彩。在此实验基础上，人们进一步明确：由青、品

红、黄三种颜料以不同比例相混合，得到的色域最大，而这三种颜料本

身，却不能用其余两种原色料混合而成。因此，我们称青、品红、黄三

色为颜料的三基色。在颜料色彩学中，有时会将颜料三基色称为红、

黄、蓝，而这里的红系指品红(洋红)，而蓝是指青色(湖蓝)。如图

1.5所示。

(4)色度坐标系

为了使各种颜色可以通过人的视觉系统良好地重现，人们建立了许多

种色度坐标系，总的来说有以下几种：

1)CIE-RGB计色系统

在色度学中，国际照明委员会(CEI)于1931年规定了三基色

(RGB)计色系统。该系统采用的三基色是：波长700rlm、光通量11m

的红光为一个红基色单位，用(R)表示；波长546.1nm,光通量为

4.59071m的绿光为一个绿色单位，用(G)表示；波长435.8nm,光通

量为0.06011m的蓝光为一个蓝基色单位，用(B)表示；等量的RGB

能配出等能白光；

/白=1(R)+1(G)+1(5)(1.1)

①：①①：

AU:O=14.5907:0.0601(X1.2/)

①2=1.0000+4.5907+0.0601=5.65081m(1.3)

即，当用11m的红光做为基准时，要配出白光，需要4.5071m的绿光和

0.06011m的蓝光，白光的光通量为5.65081m。

任一彩色光F总可以通过下列配色议程配出

F=R(R)+G(G)+B(B)=加(R)+g(G)+b(B)](1.4)

其中，R(R)、G(G)B

(B)称为F的三色分量，

R、G、B称为三色系数，m

称为色模，代表F所含三基

色单位总量，r、g、b称为

色度坐标或相对色系数，分

别代表F所用三基色单位总图1.61931QE-RGB色度图

量为我时所需的各基色量的数值，且

r+§+b=\(15)

由「+"g=l我们知道：只要用三个色坐标中的二个就可以明确表示色

度，所以1931年，CIE采用r-g二维直角坐标系表示RGB色度图，如

图1.6所示。在r-g平面图上，可见光连成一个舌形曲线，称为光谱轨

迹。下端连接380nm和780nm两点为一直线，此为非光谱色光。在光

谱轨迹上，（R）的坐标是（1,0）,（G）的坐标是（0,1）,（B）

的坐标是（0,0）。以三基色单位（R）、（G）、（B）作为顶点可构

成一个彩色色三角形，在此三角形内r、g、b都是正值，这说明三角形

内各点所代表的彩色可以用规定的三基色相加配出。等能白光心（色温

5500K）的坐标〃=g="=l/3,即为色三角形的重心坐标。

2）色度的XYZ计色系统

由于1931CIE-RGB坐标系统中，出现了坐标负值，不易理解，因此

1931年CIE推荐了一个新的国际色度学系统，1931CIE-XYZ系统，又

称XYZ国际坐标制。在XYZ系统中，X、Y、Z不是真实的三基色，而是

假想红、绿、蓝三基色或数学计算三基色。在该系统中，X、Y、Z均为

正值，XYZ中只有Y（Y）基色分量一项有亮度，令1（Y）的光通量为

11m,而另外两个基色不含有亮度，但其色度仍有X、Y、Z的比值确

定，这样X=Y=Z时仍代表等能白光石白。XYZ系统是由RGB系统推导而

来的。由于（X）和（Z）的光通量应为零，（X）、（Z）的连线应为光

通量等于零的轨迹。在RGB图中，这条无亮度线公式就应为

r+4.5907g+0.060仍=0

由于

r+g+b=1

将与肖去后得

0.9399r+4.5907g+0.0601=0

由上式可在RGB色度图上

画出(X)(Z)直线，如

图L7所示。另外图中可图1.7XYZ在RGB图中的位置

见光变轨迹540nm到700nm一段几乎为一直线,可将延长线作为色三

角形的一条边(X)(Y)。取直线上两点坐标，由解析几何可求得(X)

(Y)直线方程为

r+0.99g-l=0

QE规定(Y)(Z)边是取波长为503rlm点上于光变轨迹的切线相平行

的邻近直线，其方程为

1.45r+0.55g+1=0

由上述三直线组成的(X)(Y)(Z)色三角形，其三个顶点的坐标

值是：

表1.1RGB在XYZ坐标系中的值

RGB

X1.2750-0.27780.0028

Y-1.73922.7672-0.0279

Z-0.74320.14091.6022

要XYZ系统中，任何一种颜色光F的配色方程为

F=x（x）+y（y）+（z）=〃?1x（x）+y（y）+（z）］（1.6）

xx

X=—=------------

m'X+Y+Z

ZZ

z=—=------------

m'X+Y+Z

x+y+z=1（1.8）

式中，（x）、（Y）、（Z）为三基色单位，X（X）、Y（Y）、Z（Z）

为F的三色分量，X、Y、Z为三

）＞'520

色数，m'为色模，x、y、z为4io

07\550

色度坐标或相对色系数。0.6,7

由X、Y、Z和R、G、B转

换关系，可求出两组色度空间坐

标的转换关系为0...V

【，，，一

0010.20,3040.50.607x

图1.81931CIE-XYZ标准色度图

0.49000u+0.31000g+0.2000M

A-0.66697r+1.13240g+1.20063/7

09

.5200.17697r+0.81240g+0.01063&

0抠.8-S--------e--------_---_---_---_--_---_---_---_---_---_--_----y-

0.66697r+1.13240g+1.2006幼

505\黄绿560O.OOOOOr+0.01000g+0.9900s

z=

0.66697r+1.13240g+1.2006%

由此，采用x-y二维直角坐标系表示

ZYZ色度图，如图1.8所示。图中假

°020.40608

X

图1.9XYZ色域图

想的计算三基色(x)(y)(z)均落在光谱轨迹之外。图中还标出了绝

对黑体辐射的弧形轨迹，或称普朗克轨迹，及CIE标准光源的色度坐标

A、B、C、D65、E白的位置。

(3)色度的其它表示方法:

色域图：根据不同坐标点

颜色的异同程度划分出若干

色域，形成色域图，更能直

观反映某彩色在色度图上的

大致位置，这种色域图比较

直观、方便，如图L9所

图1.10等色调波长线与等饱和度线图等色调波长线和等饱和度

线：如图1.10所示。

等色差域图：如图1.11所示，实

验发现，人眼可察觉差的区域为XYZ

图上的一些大小不等的椭圆。椭圆的

大小表示了人眼对不同颜色的分辨能

力的差异，其人眼对蓝色的差别辨别

能力较绿色大300-400倍。

图1.11等色差域图QE-UCS均匀计色系统：QE-

XYZ色度图色度空商的不均匀性给颜色差别的衡量带来很多不便，例如

工程应用中，色差-、州在不同色域对彩色重现的质量影响大不相同，

因此提出了CIE-UCS均匀计色系统，CIE1960-UCS色度图中规定

4x

u=--------

—2元+12y+3

v=----6-y---

—2元+12y+3

w=l-u-u

(1.9)

并规定°坐标决定颜色

的亮度，白色点c的坐

标u=0.201,

卜=0.307O

图1.12C正-UCS色度图

二、彩色CRT

彩色显像管采用红绿蓝（简称RGB）三基色相加混色原理实现彩色

图像的显示。彩色显像管应能产生三束电子流，它们可以是来自一个电

子枪（单枪三束），也可以来自三个电子枪（三枪三束）。三枪三束又

分为等边三角形排列和一字形排列两种，后来又出现荫罩型自会聚管。

彩色显像管的荧光屏上密集面规则地排列着RGB三种荧光粉圆点或条，

在相应的电子束轰击下，发出基色光。

确保受三个基色信号控制的三束电子束准确轰击相应的荧光粉，是彩

色显像管技术的关键。设计了不同的彩色显像管。

（1）荫罩式彩色显像管

荫罩式彩色显像管由电子枪、偏转系统、三色组荧光屏以及荫罩四部

分组成。荫罩是一块刻有成千上万个孔的薄钢板。荫罩孔的作用在于保

证三个电子共同穿过同一个荫罩孔，以激发荧光粉，使之发出红、绿、

蓝三色光。目前荫罩式纯平显像管所用的荫罩主要是孔状荫罩和沟槽状

荫罩。当显像管工作时，荫罩限制电子束的轰击方向和电子束直径，以

保证电子束只能打中对应荧光屏上正确的基色荧光粉。由于电子束在轰

击荫罩时会产生软X射线，因此玻壳配方中掺入重金属，屏幕上为氧化

锢和氧化钢，玻壳内含有氧化铅。

最早的荫罩式显像管是三枪三束式的，1973年自会聚式显像管研制

成功。到1994年前后，开始出现了商业化生产的"平面直角"荫罩式彩

色显像管，到1998年年底，纯平荫罩式彩色显像管开始上市。传统设计

的孔状荫罩成本低，但缺点是画面不够精细，屏幕上的颗粒感比较明

显，而且由于点状荫罩的固有缺点，造成电子透过率在50%左右，难以

进一步提高亮度和对比度。而沟槽状的荫罩，画面精细程度有所提高，

但还属于荫罩式。电子透过率在70%左右，亮度和对比度进一步增加。

但是，由于荫罩式显像管本身结构的限制，电子透过率已经难以进一步

提高，所以目前在主流纯平市场上的这种显像管一般只用于中低档显示

器中。

(a)孔状荫罩结构(b)沟槽装荫罩

图1.13荫罩结构

由于荫罩式显像管荫罩上的小孔使红、绿、蓝电子束打在荧光屏上的

点呈不重叠分布，因此有"点距”这个概念，点距越小意味着分辨率越

iW)o

(2)荫栅式彩色显像管

荫栅式显像管是将荧光粉安排成跨越整个显示器屏幕的竖条状，将荫

罩改为条状荫栅。这些条状荫栅由固定在一个拉力极大的铁框中的互相

平行的铁线阵列组成。这样的设计的好处是铁线是互相平行的，在垂直

方向上没有任何东西阻挡电子通过，增加了电子的透过率，使电子透过

率达到95%以上，远远超过了荫罩结构的显像管，亮度和色彩饱和度更

好，画面细腻动人，没有颗粒感，这也是采用TRINITRON(特丽珑)管

的显示器图像显示效果出色的重要原因。由于吸收电子少，长时间使用

荫栅也不会由于受电子束冲击产生热量引起膨胀或变形，避免了颜色突

变和色彩减低的情况。由于自身的技术特点，普通的FDTRINITRON就

可以达到0.24mm的精细栅距，而21寸产品更可以达到超精细的

0.22mm,画面的精细程度进一步提高。因此，目前在专业显示器中，绝

大多数都采用了荫栅式显像管。而技术比较成熟可靠的TRINITRON在

其中占大部分，据统计有70%以上的专业显示器采用了SONY公司的特

丽珑技术显像管。

阳极电AL

图1.14单枪三束荫罩管电子枪

荫栅式彩色显像管采用单枪三束结构，由于缩小了电子枪尺寸，使得

像素间距更小。由于电子枪结构简单，三个电子枪灯丝、阴极与控制极

水平放置、其作电极共用。这种结构的电子束会聚调整简单，亮度大提

高，显像管管颈尺寸也可以缩小，并减小了偏转功率，使显示器更小型

化。但单枪三束结构对相关控制电路的要求很高，如果厂家的技术水平

不高的话，很容易在聚焦以及几何失真方面产生缺陷，这也是大多数中

低档珑管纯平的通病。一般来讲，采用特丽珑显像管的显示器比较适合

注重图象及色彩方面的用户使用，比如图像处理、视频编辑等。

(3)自会聚彩色显像管

"

U

2口

口仑玳管-ft排列管

图1.15自会聚彩色显像管结构

自会聚彩色显像管是70年代末及80年代初的产品，结构如图1.15

所示。电子枪采用一字形直线排列，从而消除了垂直方向会聚误差的主

要因素。

静会聚是靠三对永磁环形磁铁来完成的，它们被安装在管颈靠近电子

枪的部位。一对为二磁极式，一对为四磁极式，一对为六磁极式。其中

四极和六极磁环完成静会聚，四极磁铁可使两个边上的电子束（红、

蓝）产生等量的反向偏移，六极磁铁可使两个边束产生等量的同方向偏

移。四极和六极磁铁在管颈中部合成磁场为零,因此对中束没有偏移作

用。调整方法为：当两个磁环同方向转动时，可改变磁场方向，即可改

变电子束偏移方向；当两个磁环相对转动时，可改变磁场的强弱，即可

以改变电子束偏移量的大小。

领6磁力线

四磁极式

蓟

'j/六猿极式

图1.16静会聚磁环示意图

BGRRGB收”

TO优YF

AISJ

（a）偏离中心时产生失会（b）屏幕失会时的情况

图1.17动态失会示意图

动会聚是校正根据偏转角越大，失会程度越大的情况，施加非均匀磁

场，即垂直偏转的桶形分布与水平偏转磁场的枕形分布来解决。

由于中束（绿枪）的水平和垂直扫描幅度较边束小，为使三束扫描光

栅重合,在电子枪顶部设置了附加磁极，如图1.17所示。它实际上是四

个磁环。遭到两条边束同心的磁环形成磁场分路，使两个边束的光栅尺

寸有所减小，故称磁分路器。装在中心束上、下的两个小小磁环是磁增

强器，使中心束光栅尺寸有所啬。因此它们的总效果是使RGB三个光栅

重合。

图1.18磁增强器与磁分路器的作用

§2半导体发光显示器件（LED）

由于少数载流子在电场作用下能量增

加，这些载流子在同质结或异质结区的注入

图2.1发光二极管LED

与复合而产生的发光叫做结型

电致发光（又称注入式电致发

光）。概据这种发光现象制成

的发光器件称为结型电致发光

显示器件。利用P-N结电致

发光原理制成的发光二极管是

图2.2P-N结注入电致发光原理

在60年代末得到迅速发展

的。LED是注入式电致发光显示器件的典型。第一个商用二极管产生于

1960年。LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写,它

的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，

然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震

性能好。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶

片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某

些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多

余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反

向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原

理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时

（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就

发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

2.1、P-N结发光原理

P型半导体和N型半导体接触时，在界面上形成P-N结。由于电子

和空穴的扩散作用，在P-N结接触面两侧形成空间电荷区，称为耗尽

层，形成了一个势垒阻碍电子和空空的扩散。所以N区的电子到P区必

须越过势垒。空穴从P区到N区也要越过势垒。

当在P-N结施加正向电压时，会使势垒高度降低，耗尽层减薄，能

量较大的电子和空穴分别注入到P区或N区，同P区的空穴和N区的电

子复合，同时以光的形式辐射出多余的能量。

辐射复合可以发生在导带与满带之间，也可以发生在杂质能级上。根

据材料能带结构的不同，又可将带间的复合分成直接带间跃迁和间接带

间跃迁两种。目前常见的直接带间跃迁材料是碑徐磷和碑像铝的三元化

合物半导体。间接跃迁过程较复杂：如果是单杂质材料，在常温下杂质

大部分被电离，若杂质能级靠近导带底，则导带电子被杂质能级俘获落

入价带与空穴复合；或杂质能级靠近价带顶，则价带空穴被杂质能级俘

获，并与导带电子复合后落回价带。若辐射复合发生在两个杂质能级

间，则导带电子和价带空穴分别被电离的相应杂质能级俘获并在低能态

杂质能级上复合发光，之后再落入价带。LED一般分为台面型与平面型

两种。

2.2、LED的伏安特性

LED的正向伏安特性

与普通二极管大致相同，

如图123所示。电压的

开启点以前无电流，电压

一旦超过开启点便显示出

导通特性，这时正向电流

I与电压U的关系为：

RA□□URALIwDwi匚c附:7[eU)"

z/=5嬴".1)

式中，m为复合因子，K为玻尔兹曼常数。

在宽禁带半导体中，当I<O.lmA时，通过结内深能级进行复合的空

间电流起主要作用，这时m=20电流增大后，扩散电流占优势时，

m=l0所以实际测得m值的大小可以标志LED发光特性好坏。

开启电压与材料有关，对于GaAs是1.0V;GaAsl-xPx.Gal-

xAlxAs大致是1.5V;发红光的GP是1.8V,发绿光的GaP是2.0Vo反

向击穿电压一般在-5V以上。

2.3、亮度与电流关系

在自发辐射情况下，若复合区载流子辐射寿命和注入载流子浓度无

关，则亮度L应与扩散电流Id成正比。假如辐射发光发生在P区，则

Lsld(2.2)

但由于存在非辐射复全以及隧道电流，亮度与电流的关系一般为

LocZ/(2.3)

在低电流密度下，m=1.3~1.5;在高电流密度下，扩散电流起支配作

用，和发绿光的亮度在高电流密

m«l0GaAsl-xPx.Gal-xAIxAGaP

度下仍近似地正比于电流密度而增加，不易饱和，适用于在脉冲下使

用。

2.4、LED的驱动,cc

RL

基本直流电路如图2.4所示。在工作过程T—

IF\Z、/

中电流不得超过规定的极限值，因此应在电路1［一

中加限流电阻RL,其阻值为：

RL=(UCC(2.4)图2.4LED基本直流电路

式中，UCC为电源电压，UF和IF分别为管子的正向电流或正向电压，

可在相关的产品参数表中蛰得。一般说来，GaAs的电流选用20mA,

GaP的电流选用10mA便可以获得足够的亮度。

2.5、LED光源的特点

电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同

而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场

所。

效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%

适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以

制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境

稳定性：10万小时，光衰为初始的50%

响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒

级

对环境污染：无有害金属汞

颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调

整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红

色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色

价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可

以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300~500只二

极管构成。

2.6、单色光LED的种类及其发展历史

最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60

年代初。当时所用的材料是GaAsP,发红光（人=650nm）,在驱动电流

为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明

/£LO

70年代中期，引入元素In和N,使LED产生绿光（A=555nm）,

黄光（人=590nm）和橙光（入=610nm）,光效也提高到1流明/瓦。

到了80年代初，出现了GaAIAs的LED光源，使得红色LED的光

效达到10流明质。

90年代初，发红光、黄光的GaAIInP和发绿、蓝光的GalnN两种

新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前

者做成的LED在红、橙区（A=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后

者制成的LED在绿色区域（Ap=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。

2.7、单色光LED应用

最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信

号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会

效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低

光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光

片后，光损失90%,只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，

Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电

14瓦，即可产生同样的光效。

汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽

车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾

随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。

另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。

360°LED环型显示器

360°环型显示器不同于

传统LED显示器，传统LED

图2.5360°LED环型显示屏

显示器使用阵列的红、绿、蓝三色LED组成模块组。分辨率受到LED阵

列密度的限制。将红、绿、蓝三色LED装在圆柱形旋转体上，以高速旋

转，利用人眼视觉暂留原理，以适当的时间与空间分割控制，将旋转中

的红、绿、蓝三色LED在同一点上点亮混色，而呈现出全彩影像，配置

了专用的驱动集成电路，使得每一个LED都可以得到数字式的灰阶控

制，

目前已经达到HDTV(1920x1080)或XGA(1600x1200)

/QXGA(2048x1592)的画质。最佳欣赏半径为1~30米，供数千人观

看。且使用的LED数量较传统的LED显示板还少。

结构及原理

传统的LED电子显示屏

幕是由大量发光管组成的一

个显示面，一般要由数万个

其甚至数十万个LED组成一

个显示面。对于发光亮度要

图2.6旋转屏原理示意图

求较低的情况下，可以采用

时间扫描方式来点亮发光管，如占空比可以为1/16,1/32或1/64不

等。但最终不可以省略LED的个数。如一个50x50像素的彩色显示面将

要有75万只LED构成。

为了减少LED个数的目的，采用了在圆筒上放置少量LED,在高速

旋转的情况下，在时间和空间上分隔的办法，交替点亮每只LED,在空

间上相同点混色，利用人眼视觉暂留效应，重现高质量彩色画面如图2.6

右图所示。

360。旋转屏是在旋转的圆筒上垂直均匀排列的红、绿、蓝三色LED

线列和在旋转圆筒底部放置的圆光栅组成的如图2.6左图所示。在圆筒旋

转时，每只点亮的LED均可在空间上划出一条圆周线，一列LED可以构

成一个显示光栅。以单色LED为例说明显示器分辨率的计算方法为：设

每列LED个数为K,列长度为L,若有n列LED,列区间扫描等份数为

m0若要形成正方形像素，必须设计L/K=2nr/nm,其中r为旋转面半

径。例如设计一个8列LED的旋转显示屏，列区间等分为64份，每列

有512个发光管，则可构成一个512x512=26万像素的画面，而所用的

发光管数量仅为512x8=4096个。

为了保证能使LED在旋转面上分成nxm等份，而且在适当时间和

空间上转换扫描内容，在旋转圆桶下面装置了一个nxm等分的光栅盘，

圆光栅不随圆桶旋转。用发射和接收光电管控测装置读取光栅盘扫过的

脉冲信号，由控制电路完成图像的起始位置和显示内容的切换。

2.8、白光LED的开发

对于一般照明，或显示器的背照光而言，人们更需要白色的光源。

1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钻铝石榴石

(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(A=465nm,谱宽

=30nm),高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出

黄色光发射，峰值550nmo蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以

混有的树脂薄层，约基片发出的蓝光部分被荧

YAG200-500nmoLED

光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。

现在，对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和

调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。

§3液晶显示器件（LCD）

液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家

F-Reinitzer在作加热胆笛醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高

到一定程度后，结晶的固体开始深解。但深化后不是透明的液体，而是

一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步

升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？他把这

种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射

性。于是德国物理学家D-Leimann将其命名为“液晶"，简称为

。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为液晶实际上是

"LC"LCD0

物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。液晶分为两大类：深致

液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者

则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。作为显示技术应用的液晶

都是热致液晶。

3.1、液晶基本知识

热致各向异性的液晶的特殊稳定温度范围应在室温以上，只有这类液

晶才能作为显示器件的材料。它即可以通过固相加热获得，也可以通过

液相冷却获得，其间涉及的相变有两种情况，一种称为互变相变，也叫

可逆相变

晶体液晶《匕各向同性液体

另一种称为单变相变，这种相变中液晶只有在液体冷却时才形成

晶体<---------------->各向同性液体

72

液晶<___

按热致液晶分子排列状态不同，可分为向列相液晶(Nematic)又称丝

状液晶，近晶相液晶(Smectic)又称层状液晶，以及胆笛相液晶

(Cholestevic),也称螺旋状液晶。它们的状态如图3.1所示。

近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层

内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层

与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液

晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、

磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。

■MSKif

航Mi麻瀛

(a)近晶相(b)向歹I」相

(C)胆笛相

图3.1液晶分子排列状态

向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状

态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像

液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它

的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、

应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。

胆笛型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型