光電顯示技術(shù)第1章 - 2015

光電顯示技術(shù)

北京時(shí)間2015年2月11日，數(shù)字微鏡裝置（DMD，或稱為DLP芯片）發(fā)明者LarryJ.Hornbeck博士榮獲美國(guó)電影藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院獎(jiǎng)（即奧斯卡獎(jiǎng)）。目前全球超過(guò)八成的影院都采用了DLP影院顯示技術(shù)，這意味著全球電影產(chǎn)業(yè)從35mm膠片電影到數(shù)字電影的轉(zhuǎn)型已基本完成。奧斯卡小金人的頒發(fā)是對(duì)LarryJ.Hornbeck博士所做貢獻(xiàn)的充分肯定。

2015年CES展會(huì)已經(jīng)在美國(guó)拉斯維加斯國(guó)際會(huì)展中心拉開(kāi)帷幕，在這場(chǎng)全球規(guī)模龐大的消費(fèi)電子展會(huì)上，OLED和QLED將會(huì)攜手成為下一代顯示技術(shù)的核心。（1）LG主推OLED+webOS2.0OLED電視能夠提供給用戶極致色彩，還原用戶所見(jiàn)的真實(shí)，OLED電視擁有自發(fā)光特性，能夠提供純粹的黑色背景顯示，因此在顯示方面有著極大的優(yōu)勢(shì)，圖像對(duì)比細(xì)節(jié)表現(xiàn)尤為明顯。三星攜手新系統(tǒng)新電視亮相

三星新款SUHD電視不僅采用業(yè)界領(lǐng)先的量子點(diǎn)、曲面技術(shù)，還擁有Tizen操作系統(tǒng)、SUHDre-mastering引擎、酷炫的藝術(shù)外觀以及豐富的內(nèi)容合作。海信發(fā)布百吋激光影院

海信公開(kāi)展示的一款VIDAAMax100激光影院，相對(duì)于傳統(tǒng)的電視，海信激光影院由于采用超短焦鏡頭，因此可以在13-16平米的客廳觀看，營(yíng)造出家庭影音室的效果。夏普超越自我發(fā)布beyond4K

一直以來(lái)，夏普電視都以高畫(huà)質(zhì)而著稱，本次CES2015展會(huì)中，夏普更是發(fā)布了多款新品4K電視，新品電視搭載了4K四色YGBW技術(shù)，讓顯示效果更為出色。這一系列的顯示技術(shù)為2015年的電視行業(yè)增加了更多的光彩，為整個(gè)行業(yè)帶來(lái)了全新的空氣，讓消費(fèi)者的選擇變得更加廣。智能穿戴無(wú)框手機(jī)柔性屏幕LGFlex2AvegantGlyph頭戴顯示器本課程的性質(zhì)

多數(shù)信息是通過(guò)顯示技術(shù)提供的，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息顯示的要求越來(lái)越高。

本課程將對(duì)光電顯示技術(shù)及其典型器件和系統(tǒng)進(jìn)行全面講述。課程考核

每次到課2分每次作業(yè)5分期末考試60分

缺課1?3或缺作業(yè)者沒(méi)有考試資格！第1章

緒論第2章

陰極射線管（CRT）顯示技術(shù)第3章

液晶顯示器件第4章

發(fā)光二極管（LED）顯示技術(shù)第5章

等離子顯示器件第6章

激光顯示技術(shù)第7章

新型光電顯示技術(shù)第8章

大屏幕顯示技術(shù)光電顯示技術(shù)1.1

光電顯示技術(shù)概述

1.1.1

顯示技術(shù)研究的意義

1.1.2

光電顯示器件分類1.2

顯示參量與人的因素

1.2.1

光的基本特性

1.2.2

人眼視覺(jué)特性

1.2.3

色彩學(xué)基礎(chǔ)

1.2.4

顯示器件主要性能指標(biāo)第1章

緒論1.1.1.顯示技術(shù)研究的意義

人體感覺(jué)器官獲取信息比例為視覺(jué)：60%；聽(tīng)覺(jué)：20%；觸覺(jué)：15%；味覺(jué)：3%；嗅覺(jué)：2%。

近2/3的信息是通過(guò)眼睛獲得的，這也促進(jìn)人們對(duì)顯示技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。

三種視覺(jué)信息源：1、現(xiàn)場(chǎng)（看奧運(yùn)、世博、旅游等）；2、紙質(zhì)媒介（書(shū)、報(bào)刊、雜志）；3、電子媒介——顯示屏（電腦、電視、手機(jī)）。

1.1光電顯示技術(shù)概述

顯示（display），就是指對(duì)信息的表示。

1、顯示技術(shù)研究的意義

光電顯示技術(shù)是將電子設(shè)備輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成視覺(jué)可見(jiàn)的圖像、圖形、數(shù)碼以及字符等光信號(hào)的一門技術(shù)。它作為光電子技術(shù)的重要組成部分，近年來(lái)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。光電子（optoelectronic）技術(shù)

21世紀(jì)三大高新技術(shù)領(lǐng)域：光電子技術(shù)、納米技術(shù)及生物工程技術(shù)。

光電子技術(shù)按光子的功用分兩個(gè)層次：①光子作為信息的載體，應(yīng)用于信息的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、顯示、處理及運(yùn)算，稱為信息光電子技術(shù)；②光子作為能量的載體，作為高能量和高功率的束流（主要是激光束），應(yīng)用于材料加工、醫(yī)學(xué)治療、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、核聚變等，稱為能量光電子技術(shù)。

以物理學(xué)為基礎(chǔ)，涉及激光、光波導(dǎo)、光檢測(cè)、光計(jì)算和信息處理、光存儲(chǔ)、光電顯示、激光加工與激光生物、光生伏特、光電照明等技術(shù)。1897年，CRT問(wèn)世1939年，紐約世博會(huì)上出現(xiàn)黑白電視機(jī)1968年，開(kāi)始研究液晶顯示器最近20年，眾多的平板顯示器（LCD、PDP及LED）不斷問(wèn)世，顯示器的市場(chǎng)不斷擴(kuò)大。2、顯示技術(shù)的發(fā)展歷史

1897年布勞恩（Braun，德）發(fā)明CRT（陰極射線管CathodeRayTube）以來(lái)，隨著電視媒體和計(jì)算機(jī)媒體的發(fā)展，顯示器件產(chǎn)業(yè)取得了極大的進(jìn)步。

2、顯示技術(shù)的發(fā)展歷史

第一只球形彩色CRT管1950年問(wèn)世。它體積大、重量沉，還拖了一個(gè)“尾巴”，只能做到40英寸以下，現(xiàn)在它正在被平板顯示器所替代。

但迄今為止，任何平板顯示器件的工作性能都不如CRT。且其工作原理很巧妙，本身及相應(yīng)配合線路也簡(jiǎn)單，成本低，所以在顯示器件中，CRT的性能價(jià)格比是最高的。黑白顯像管示意圖

平板顯示器主要包括LCD（LiquidCrystalDisplay）和PDP（PlasmaDisplayPanel）兩種。

1968年開(kāi)始研究液晶顯示，1983年日科技人員改進(jìn)反射型LCD，增加背光源和微型彩色濾光片，變成了透射型彩色LCD。TFT-LCD（薄模晶體管液晶顯示器），廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)顯示器和TV領(lǐng)域。

2、顯示技術(shù)的發(fā)展歷史

CRT構(gòu)筑了大眾媒體時(shí)代的現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)，LCD則構(gòu)筑了個(gè)人媒體為主導(dǎo)的現(xiàn)代信息社會(huì)。

等離子體顯示器PDP（PlasmaDisplayPanel）

1964年，美國(guó)Illinois大學(xué)的Bitzer和Slottow在電極表面制作介質(zhì)層，發(fā)明了利用氣體放電實(shí)現(xiàn)顯示的交流器件，并命名為等離子體顯示（PDP）。

2、顯示技術(shù)的發(fā)展歷史PDP是指所有利用氣體放電而發(fā)光的平板顯示器件的總稱。

PDP不僅用于40英寸以上的彩色顯示器，用于高清晰度電視（HDTV）的PDP已進(jìn)入家庭用顯示器領(lǐng)域，并成為一個(gè)新興顯示器件產(chǎn)業(yè)。2、顯示技術(shù)的發(fā)展歷史

發(fā)光二極管顯示器LED（LightEmittingDiode）

有機(jī)發(fā)光二極管顯示器OLED（OrganicLightEmittingDiode），可折疊，被譽(yù)為“夢(mèng)幻顯示器”，可用于可視移動(dòng)多媒體。無(wú)機(jī)電致發(fā)光效應(yīng)EL（ElectroLuminescence）

場(chǎng)致發(fā)射顯示器FED（FieldEmissionDisplay）電子紙（E-PAPER）2、顯示技術(shù)的發(fā)展歷史1.1.2光電顯示器件分類

根據(jù)收視信息的狀態(tài)分類：1.直觀型（DirectViewType)2.投影型（ProjectionType）3.空間成像型（SpaceImagingType）觀察者直接觀看顯示設(shè)備上出現(xiàn)的視覺(jué)信息的方式顯示設(shè)備或光控裝置產(chǎn)生的較小的光信息經(jīng)過(guò)一定的光學(xué)系統(tǒng)放大投射到大屏幕后收看的方式

采用某種光學(xué)手段在空間形成可供觀看圖像的方式圖像大小與顯示器大小無(wú)關(guān)；圖像具有真實(shí)感和現(xiàn)場(chǎng)感。

根據(jù)像素本身發(fā)光與否分類：1.主動(dòng)發(fā)光（emissive）型2.被動(dòng)顯示（passive）型在外加電信號(hào)作用下，主動(dòng)發(fā)光型器件本身產(chǎn)生光輻射刺激人眼而實(shí)現(xiàn)顯示。比如CRT、PDP、ELD、激光顯示器(LPD:LaserProjectionDisplay)等。

在外加電信號(hào)作用下，被動(dòng)顯示型器件單純依靠對(duì)光的不同反射呈現(xiàn)的對(duì)比度達(dá)到顯示目的。比如LCD。

人類所見(jiàn)90%以上是反射光，故被動(dòng)顯示更適合人的視覺(jué)習(xí)慣，不會(huì)引起疲勞。在黑暗環(huán)境下無(wú)法被動(dòng)顯示，必須為器件配上外光源。比如LED、各種光閥管（lightvalve）投影儀等。

按顯示屏幕大小分類：

超大屏幕（＞4m2）、大屏幕（1~4m2）、中屏幕（0.2~1m2）和小屏幕（＜0.2m2）。按色彩顯示功能分類：

單色（monochrome）黑白或紅黑顯示、多色（multicolor）顯示（三種以上）和全色顯示。

按顯示內(nèi)容、形式分類：

數(shù)碼、字符、軌跡、圖表、圖形和圖像顯示。

按成像空間坐標(biāo)分類：

二維平面顯示和三維立體顯示。

按所用顯示材料分類：

固體（晶體和非晶體）、液體、氣體、等離子體、液晶體顯示等。

按顯示原理分類：

陰極射線管（CRT）、真空熒光管（VFD）、輝光放電管（GDD）、液晶顯示器（LCD）、等離子體顯示器（PDP）、發(fā)光二極管（LED）、場(chǎng)致發(fā)射顯示器（FED）、電致發(fā)光顯示器（ELD）、激光顯示器（LPD）、電泳顯示器（EPD）等。1.2.1光的基本特性

光是一種波長(zhǎng)很短的電磁波，可見(jiàn)光是光刺激人眼的感覺(jué)，波長(zhǎng)范圍為380~780nm，波譜很窄。1.2顯示參量與人的因素幾個(gè)主要的測(cè)光量的定義及其基本單位：

光通量（Luminousflux）

光源單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量稱為光通量，符號(hào)為Φ，單位為流明（lm）。

發(fā)光強(qiáng)度（Luminousintensity）

光源在給定方向的單位立體角ω輻射的光通量稱為發(fā)光強(qiáng)度，符號(hào)為Ｉ，單位為坎德拉（cd）。發(fā)光強(qiáng)度Ｉ可由下式表示：dw

光照度

單位受光面積（S）上所接收的光通量稱為光照度，符號(hào)為E，單位為勒克斯（lx）。光照度E可由下式表示：

亮度

光源垂直于傳播方向單位面積（）上的發(fā)光強(qiáng)度稱為亮度，符號(hào)為L(zhǎng)，單位為cd/m2。亮度L可由下式表示：

ds1.2.2人眼的視覺(jué)特性

1、人眼的視覺(jué)生理基礎(chǔ)圖1.3信息從人眼到大腦的路徑

信息光眼睛成像（光信號(hào)）視網(wǎng)膜視覺(jué)細(xì)胞視神經(jīng)視交叉整理外側(cè)膝狀體視放射線神經(jīng)大腦視覺(jué)區(qū)域

人的眼睛很像一部精巧的照相機(jī)，眼球?yàn)橹睆郊s24mm的球狀體，光線通過(guò)瞳孔射入眼球內(nèi)，再經(jīng)晶狀體在位于眼球后部?jī)?nèi)側(cè)的視網(wǎng)膜上成像。虹膜緊貼在晶狀體上，虹膜中心有一個(gè)小孔稱為瞳孔，其直徑可從2mm調(diào)節(jié)到8mm（16倍）。改變瞳孔的大小，就可以調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光通量，類似于照相機(jī)光圈的作用。

角膜的作用類似照相機(jī)的第一組鏡片，對(duì)光線起折射作用，保證能在視網(wǎng)膜上成像。

視網(wǎng)膜廣泛分布于眼球的后部，其作用很像照相機(jī)中的感光膠片。視網(wǎng)膜由許多感光細(xì)胞組成，感光細(xì)胞把光變換為電信號(hào)，它包括桿狀（rod）細(xì)胞和錐狀（cone）細(xì)胞兩大類。

晶狀體起著照相機(jī)的透鏡作用，四周的睫狀肌收縮、松緩可以調(diào)節(jié)其凸度，亦即調(diào)節(jié)了焦距，以便使不同距離的景物成像在視網(wǎng)膜上；晶狀體同時(shí)吸收一部分紫外線，對(duì)眼睛起到保護(hù)作用。晶狀體的彈力會(huì)隨著年齡增加而減小，到60歲左右，會(huì)失去調(diào)節(jié)能力而變得扁平。

錐狀細(xì)胞集中分布在視網(wǎng)膜上正對(duì)瞳孔的中央部分直徑約為2mm的區(qū)域，因呈黃色，稱為黃斑區(qū)。在黃斑區(qū)的中央凹內(nèi)錐狀細(xì)胞密度最大，視覺(jué)的精細(xì)程度主要由這一部分所決定。在黃斑區(qū)中心部分，每個(gè)錐狀細(xì)胞連接著一個(gè)視神經(jīng)末梢。錐狀細(xì)胞又分為三類，即紅視錐狀細(xì)胞（700nm）、綠視錐狀細(xì)胞（540nm）和藍(lán)視錐狀細(xì)胞（450nm）。在遠(yuǎn)離黃斑區(qū)的視網(wǎng)膜上分布的視覺(jué)細(xì)胞大部分是桿狀細(xì)胞，而且視神經(jīng)末梢分布較稀，每個(gè)錐狀細(xì)胞和幾個(gè)桿狀細(xì)胞合接在一條視神經(jīng)上。所有視神經(jīng)都通過(guò)視網(wǎng)膜后面的一個(gè)空穴，稱為乳頭（nipple）的通到大腦去。在乳頭處沒(méi)有感光細(xì)胞，不能感受光線，故又稱為盲點(diǎn)。2、人眼視覺(jué)特性

光射入眼睛會(huì)引起視覺(jué)反應(yīng)，單一波長(zhǎng)成分的光稱為單色光，人眼感覺(jué)到的單色光按波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短的順序?yàn)椋杭t、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。包含兩種或兩種以上波長(zhǎng)成分的光稱為復(fù)合光。太陽(yáng)光就是一種復(fù)合光，且波長(zhǎng)范圍寬，給人以白光的綜合感覺(jué)。（1）光譜光效率:人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感程度。相同主觀亮度感覺(jué)情況下，λ=555nm的黃綠光，所需光的輻射功率最小。（2）視覺(jué)二重功能:人具有明視覺(jué)和暗視覺(jué)兩個(gè)功能。錐狀細(xì)胞的感光靈敏度低，約104個(gè)光子數(shù)量級(jí)，只在明亮條件下起作用，它既能分辨顏色又能分辨物體細(xì)節(jié)，是明視覺(jué)器官。桿狀細(xì)胞的感光靈敏度高，約在102個(gè)光子數(shù)量級(jí)，是暗視覺(jué)器官。（3）暗適應(yīng)(darkadaption):從亮處向暗處移動(dòng)時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)靈敏度會(huì)逐漸變化，約40min左右達(dá)到最大靈敏度。當(dāng)我們從明亮的地方進(jìn)入黑暗環(huán)境，或突然關(guān)掉電燈，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能看清物體，這就是暗適應(yīng)現(xiàn)象。隧道燈

(4)明適應(yīng)(lightadaption):從黑暗環(huán)境到明亮環(huán)境變化的逐漸習(xí)慣過(guò)程，稱為明適應(yīng)。與暗適應(yīng)比較，其時(shí)間要快得多，大約僅需1min左右即可完成。（5）視覺(jué)惰性(visualinertia):在外界光作用下，感光細(xì)胞內(nèi)視敏感物質(zhì)經(jīng)過(guò)暴光染色過(guò)程是需要時(shí)間的，響應(yīng)時(shí)間大約為40ms；另一方面，當(dāng)外界光消失后，亮度感覺(jué)還會(huì)殘留一段時(shí)間，大約為100ms。

(6)閃爍:頻率不高的周期性光脈沖刺激人眼，人眼會(huì)有一明一暗的閃爍感，人眼容易疲勞。頻率提高到一定值（閃爍臨界頻率）以上，因視覺(jué)殘留，閃爍感消除。（7）視角:觀看物體時(shí)，物體大小對(duì)眼睛形成的張角叫視角，其大小與物體的大小及其與眼睛的距離有關(guān)。眼睛的視野是比較大的，由視線方向的中心與鼻側(cè)的夾角約為650，向上方約為650，向下方為750。tanα/2=A/2Dα≈A/D（α較小時(shí)）1.2.3.色彩學(xué)基礎(chǔ)

彩色是物體反射光作用于人眼的視覺(jué)效果。物體在太陽(yáng)光照射下，反射了可見(jiàn)光中的不同成分而吸收其余部分，從而引起人眼的不同彩色感覺(jué)。1、三基色原理任一顏色均可由三個(gè)確定的相互獨(dú)立的基色線性組合而成。CIE-RGB計(jì)色系統(tǒng)規(guī)定：波長(zhǎng)700nm光通量為1lm的紅光為一個(gè)紅基色單位（R）；波長(zhǎng)546.1nm光通量為4.95lm的綠光為一個(gè)綠基色單位（G）；波長(zhǎng)435.8nm光通量為0.060lm的藍(lán)光為一個(gè)藍(lán)基色單位（B）。

將三基色按一定比例相加混合，就可以模擬出各種顏色。加法混色：不同波長(zhǎng)的光混合。紅色+綠色=黃色紅色+藍(lán)色=紫色藍(lán)色+綠色=青色紅色+綠色+藍(lán)色=白色相加混色的結(jié)果還可用彩色三角形表示。圖1.5三基色原理示意圖

減法混色減色法的三原色是黃、紫、青，它們是加色法三原色紅、綠、藍(lán)的補(bǔ)色。彩色電視機(jī)是應(yīng)用加色法，而繪畫(huà)、彩色印染是按減色法原理設(shè)計(jì)的。加法混色后顏色的明度是增加的，等于其投射光明度的總和，而在減色法中，混合后得到顏色的明度是減少的。白色？2、色彩再現(xiàn)三個(gè)熒光粉點(diǎn)雖然在熒光屏上占有不同的空間位置，但它們產(chǎn)生的不同顏色的光卻落在同一個(gè)視覺(jué)細(xì)胞上，產(chǎn)生出三色相加的視覺(jué)效果?？梢?jiàn)，彩色再現(xiàn)是對(duì)人眼視覺(jué)特性的巧妙利用，熒光屏上所顯示的顏色實(shí)際上是在觀察者自己的視覺(jué)上混合產(chǎn)生的。顯示器再現(xiàn)色彩，不是把實(shí)際的色彩完全忠實(shí)地再現(xiàn)，只要再現(xiàn)出的色彩令收看者滿意就行了。如圖1.6所示。圖1.6彩色顯像管熒光粉點(diǎn)布局圖3、顏色的特征參數(shù)

顏色的三個(gè)特征參數(shù)：亮度、色度、飽和度。

亮度：表示各種顏色的光對(duì)人眼所引起的視覺(jué)強(qiáng)度，它與光的輻射功率有關(guān)。

色調(diào)：表示顏色彼此區(qū)分特性（種類），不同波長(zhǎng)的光輻射在物體上表現(xiàn)出不同色調(diào)特性。

飽和度：表示色光所呈現(xiàn)的顏色深淺程度（或純度）。飽和度越高，則顏色越深，反之，則淺。

色調(diào)與飽和度又合稱為色度1.2.4.顯示器件主要性能指標(biāo)1、像素

像素（pixel）指構(gòu)成圖像的最小面積單位，具有一定的亮度和色彩屬性。在顯示器中，像素點(diǎn)的大小可依據(jù)該系統(tǒng)的觀看條件（如觀看距離、照明環(huán)境等）下，肉眼所能分辨的最小尺寸而確定。實(shí)際系統(tǒng)的具體例子，如表1-3所列。

可根據(jù)觀看條件下肉眼所能分辨的最小尺寸，來(lái)確定顯示器尺寸大小和像素?cái)?shù)。器件顯示器制式有效像素?cái)?shù)寬高比寬高總像素?cái)?shù)比值彩色顯像管PAL7205764032001.314︰3NTSC7204903528001.154︰3HDTV1920108020736006.7516︰9彩色顯示器VGA6404803072001.004︰3SVGA8006004800001.564︰3XGA10247687864322.564︰3SXGA1280102413107204.275︰4UXGA1600120019200006.254︰3QXGA20481536314572810.24︰3QXGA25602048524288017.15︰4表1-3顯示器制式與像素?cái)?shù)、寬高比XGA：全稱ExtendedGraphicsArray，這是一種目前筆記本普遍采用的一種LCD屏幕，市面上將近有80%的筆記本采用了這種產(chǎn)品。它支持最大1024×768分辨率，屏幕大小從10.4英寸、12.1英寸、13.3英寸到14.1英寸、15.1英寸都有。2、亮度

顯示器件的亮度指從給定方向上觀察的任意表面的單位投射面積上的發(fā)光強(qiáng)度。亮度值用cd/m2表示。一般顯示器應(yīng)有70cd/m2的亮度，具有這種亮度圖像在普通室內(nèi)照度下清晰可見(jiàn)。3、亮度均勻性

亮度均勻性反應(yīng)的是顯示器件在不同顯示區(qū)域所產(chǎn)生的亮度的均勻性。通常也用它的反面概念——不均勻性來(lái)描述，或者用規(guī)定取樣點(diǎn)的亮度相對(duì)于平均亮度的百分比來(lái)描述。4、對(duì)比度和灰度

對(duì)比度指畫(huà)面上最大亮度和最小亮度之比。它與環(huán)境光線有關(guān)，測(cè)試時(shí)采用棋盤格信號(hào)，并將亮度控制器調(diào)整到正常位置，對(duì)比度調(diào)整到最大位置，此時(shí)對(duì)比度為白色亮度和黑色亮度的比值。一般顯示器對(duì)比度應(yīng)達(dá)到30∶1。

灰度指畫(huà)面上亮度的等級(jí)差別。例如，一幅電視畫(huà)面圖像應(yīng)有八級(jí)左右的灰度。人眼可分辨的最大灰度級(jí)大致為100級(jí)。5、分辨率

分辨率指單位面積顯示像素的數(shù)量。Inplaneswitching,TFT-LCD移動(dòng)電話顯示器的每英寸像素?cái)?shù)達(dá)到或高