1、发 光 与 显 示 技 术,汪 汉 斌湖北大学物电学院,参考教材,平板显示技术 应根裕 胡文波等编 人民邮电出版社 2002年第一版发光与显示技术 杨志平 李志强 著 河北大学出版社 2007年第一版电子显示 田民波 编著 清华大学出版社 2001年第一版 中国光学光电子行业论坛 http:/ 平板显示技术简介及其特点,1、20世纪，阴极射线管（Cathode Ray Tube ，CRT） 2、21世纪，平板显示器（Flat Panel Display，FPD）的时代到来 3、平板显示器按显示原理分类： 液晶平面显示 （Liquid Crystal Display, LCD） 等离子体显示板
2、（Plasma Display Panel，PDP）显示 电致发光显示 （Electro-Luminescence Display, ELD） 发光二极管 （Light Emitting Diode，LED）显示 有机发光二极管 （Organic Light Emitting Diode，OLED）显示 真空荧光管显示 （Vacuum Fluorescence Display，VFD） 场发射显示 （Field Emission Display，FED）,1、电子显示器按发光类型分类：主动发光型：利用信息来调制各象素的发光亮度和颜色进 行直接显示。（除LCD外的各种显示方式）非主动发光型： 本
3、身并不发光，利用信息调制外光源而使 其达到显示目的。（LCD）,除上述显示外，还有电致变色显示（ECD)、旋转球显示(TBD)、电化学显示等显示方式，但这些显示器件应用面不大，市场很小,亮度L：与环境光强度有关，高质量显示器亮度要求为300cd/m2。 对比度：画面上最大亮度与最小亮度之比（Lmax/Lmin） 灰度：可认为是亮度，简单的说就是色彩的深浅程度 分辨力：能够分辨出电视图象最小细节的能力。 响应时间：从施加电压到出现图象显示的时间。 余辉时间：从切断电源到图象显示消失的时间。 显示色：一般分为黑白、单色、多色、全色。 发光效率：器件所发出的光通量与器件所消耗的功率之比。 工作电压：
4、驱动电路集成化要求工作电压一般不超过45V。 存储功能：外加电压除去之后，仍然能保持显示状态的功能。 寿命,二、显示器件的主要参量,三、平板显示技术的发展前景 1、FPD 的特点阴极射线管CRT的优点：价格低、性价比高、调整分辨力容易、形状大小变化大、寻址容易、可视性好、发光效率好、色彩丰富、寿命特性好、响应速度高、彩色和灰度能力好、大规模生产基础、大量的销售者。阴极射线管CRT的缺点：大尺寸带来的大体积和大重量、屏面内有光散射、图象有闪烁和抖动、最大尺寸有限制、无数字寻址、图象有畸变、应用电压很高、在荫罩彩管内分辨力受限制、X射线辐射。,（1）LCD：占平板显示器市场分额的八成以上。有源矩阵
5、LCD（Active Matrix LCD，AMLCD） 优点：高性能、全彩色、高分辨力、响应快和薄，生产规模、工业基础及投资、产品附加值等方面领先。无源矩阵LCD（Passive Matrix LCD， PMLCD） 优点：价格便宜、性能不错、适合低功率、多色、性能要求不高的领域。,三 平板显示器件的现状及其发展方向,优点：均匀性好，全彩色，有记忆功能，无闪烁，长寿命（大于5万小时），坚固性好，有尖锐的阈值、结构简单和大屏幕。,缺点：投资大，成本高，采用高压驱动器（约200V），电子线路复杂以及发光效率不够高。,（2）等离子体显示器ACPDP,“PDP与LCD优劣之争的话题已经毫无意义。从产
6、业规模、市场趋势的角度而言，两者之间的对立已经发展到战后阶段。”,三洋电机展出的是解像度1,280720分辨率的15寸有机EL显示器。,（3）电致发光板（ElectroLuminescent ）,目前应用的主要是交流薄膜电致发光板，具有成本低，高可靠、信息容量高，长寿命等特点。但在发光效率、色彩、尺寸等方面面还存在缺陷。,可穿戴的显示器EL显示屏,EL显示器的主要问题是缺少全彩色的能力，难以大规模生产大尺寸显示器，这极大地限制了它在更广阔的市场中获得应用。,三星产真空荧光管显示器,VFD是一种特殊变体的三级真空管。电子从负极（灯丝）发射出来通过栅网加速，撞击正极表面附着的磷光体，从而发光。VF
7、D所特有的优点： 自动发光装置 高清晰度和高亮度使其具有更佳显示效果 低压操作，低电耗 可靠且使用寿命长 从红色到蓝色多种色彩， 使用滤色器可获得更多色彩 宽视角 反应速度快 小尺寸显示器、汽车仪表,(4) 真空荧光管显示 (VFD),(5) 有机发光二极管显示(OLED)特点：低电压、低功耗、自发光、高 亮度、高对比度、薄、轻、单片结构，重量只有LCD的一半，彩色、发光效率高、响应快速、宽视角等。应用领域：手机、MP3、计算机显示器、电视机等方面。,柯达的OLED显示屏,OLED发光材料通电后抗氧化能力极差，需要真空玻璃密封，因此需要LTPS TFT基板目前大尺寸OLED面板的良品率仍然没有
8、明显提高，从而也大幅提高了OLED产品线的成本，同时也使得产量无法快速提高。,瓶颈：,显示屏的研制使得三星成为世界第一的OLED屏幕电视机生产商。世界最大的40英寸OLED屏幕电视！,温度，在低温下照常使用发光，自主发光带来更高亮度 视角，无可视角度问题 响应，是LCD的1000倍 缺憾，“短命”的OLED,OLED同LCD的比较优势,Oled显示器的市场份额正在逐渐增长，预期2015年能达到78亿美元。但对于大型面板而言，还是存有市场的竞争，特别是液晶面板性能的迅速提高。OLED显示器的未来还充满重重考验。,03年3月北京维信诺公司和清华大学成功开发出4.82英寸OLED显示屏，首次填补了国
9、内超过2英寸OLED显示屏的空白.,OLED前景：自2003年开始正式有厂家把OLED技术应用在数码相机、手机等数字产品的显示屏幕上，说明OLED在移动产品上正在赶超LCD的产品。从OLED的低能耗、高亮度，反应时间短以及没有视角限制等优异特性来看，OLED毋庸置疑将是下一代的平板显示设备的新星，为我们的显示新视野展开崭新的一页。,透明、可弯曲和超薄。,双叶电子工业日前成功开发出了8英寸彩色FED面板，FED面板还处于研究开发阶段,兼有CRT与LCD的优点，曾被认为是CRT最好的继承者，但由于结构复杂、寿命、支撑（像素真空封装技术）等问题，使FED的研制工作受到影响。,（6）场发射显示器（FE
10、D）,（7）发光二极管显示（LED）,在低容量、低密度显示中有广泛的应用，随着高亮度与蓝光的研究开发成功，显示屏在高亮度和超大屏显示上具有了明显优势。,1 阴极射线管显示,阴极射线管（Cathode Ray Tube, 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像管，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
11、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、分辩率不断增大。近年来，高分辨率彩电已成为发展方向。,CRT包括五大部件：（1）电子枪 发射电子并将它们会聚成细束（2）偏转系统 使电子束在荧光屏上扫描（3）荧光屏 根据电子束能量强弱而发出不同亮度的光（4）萌罩 装于玻璃壳和电子枪之间，其分色作用（5）玻璃外壳 内部形成真空，吸收多余X射线,荧光屏/粉,CRT及其主要组件示意图,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。 基本工作原理：电子枪发射出
12、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。,1.1、黑白CRT,一、电子枪,电子枪的内部结构示意图,1.1、黑白CRT,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。,1.1、黑白CRT,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），栅极（控制极），第一阳极（加速极），第二阳极和第三阳极级成聚焦极，第四阳极与第二阳极内部相连组成高压
13、电极，并且与管锥体内侧所涂石墨导电层相连。,金属圆筒，中间开孔,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,栅极与阴极之间所加的电压控制电子飞出的多少,加速极呈圆盘状，中间也开有上孔，电压一般为300450V。聚焦极装在加速极后面，电压在0450V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800016000V的高压，使电子束以足够高的速度轰击荧光粉发光。,1.1、黑白CRT,二、玻璃外壳 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，其张开角代表最大电子束偏转角度。 同样尺寸的荧光屏，偏转角越大
14、，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5001000pf的高压电容器，兼作为高压整流滤波电容。,1.1、黑白CRT,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。屏幕对角线长度定为显像管的规格，用厘米（或英寸）表示。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。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
15、用的时间，余辉时间长于0.1秒的叫长余辉荧光粉，介于0.10.001秒的称为中余辉荧光粉，短于0.001秒的称为短余辉荧光粉。电视采用中余辉荧光粉，示波器等则采用长余辉荧光粉。,1.1、黑白CRT,荧光粉采用沉淀法涂覆在玻璃屏上。要求均匀牢固。在荧光粉层表面蒸镀一层0.10.5m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（A）与阳极高压的乘
16、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/W。,1.1、黑白CRT,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，这样每秒就要传送25625=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。,1.1、
17、黑白CRT,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。,实线为正程扫描虚线为逆程扫描,我国电视标准规定，行扫描的周期为64s，其中行扫描正程为52，行逆程为12s。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18.4ms，场扫描逆程时间1.6ms，要实现这
18、样的指标，电视图像信号的通频带要求达到11MHz以上,1.1. 黑白CRT,六、隔行扫描我国电视信号通频带规定，图像信号带宽为6MHz。为了达到即不占用很宽的频率带，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1，3，5，7573（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.
19、3所示。,1.1、黑白CRT,隔行扫描示意图,奇场光栅,偶场光栅,每帧光栅,行锯齿电流波形,场锯齿电流波形,相加混色,红、绿、蓝三个发光点，当它们互相靠的很近，近到人眼不能分辨时，这三个发光点便在人眼中产生混色效应。,彩色电视机的颜色采用的是空间加色法的原理,相减混色（黄、品红、青）,减法混色是利用透射及反射原理，对波长范围较广的某一光源所发出的复合光所进行的一种减波作用。颜料油漆等的混合配色是一种减色法。,（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，下面介绍其中的一种：CIE-RGB计色系统 在色度学中，国际照明委员会（CEI）于1931年规定
20、了三基色（RGB）计色系统。该系统采用的三基色是：,波长700nm、 光通量1lm 的红光为一个红基色单位，用R表示；波长546.1nm、光通量为4.5907lm的绿光为一个绿色单位，用G表示；波长435.8nm、光通量为0.0601lm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,即，当用1lm的红光做为基准时，要配出白光，需要4.507lm的绿光和0.0601lm的蓝光，白光的光通量为5.6508lm。,任一彩色光F总可以通过下列配色议程配出,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. 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
21、单位总量为1时所需的各基色量的数值.,1931CIE色度图系统,1.2、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）。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。,（1）荫罩式彩色显像管,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。 孔状荫罩和沟槽状荫罩 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，屏幕上为氧化锶和氧化钡，玻壳内含有氧化铅。,主流中低档荫罩式显示器,孔状荫罩优点：成本低缺点：透过率50%，亮度、对比度低，分辨率低,沟糟荫罩优点：分辨率高，透过率70%,荫栅式彩色显像管,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。电子透过率达到95%以上,三菱三枪三束与SONY单枪三束,
