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第七章 光电显示

第七章 光电显示. 7.1 光电显示技术基础 7.2 阴极射线显示 7.3 液晶显示 7.4 等离子体显示 7.5 场致发光显示. 7.1 光电显示技术基础. 7.1.1 显示技术与显示器件 1897 年德国的布劳恩（ Braun ）发明了阴极射线管（ CRT ）雏形 1968 年美国的 Heilmeier 发现液晶双折射的电光效应可以用于制作显示装置，即现在的液晶显示器（ LCD ） 20 世纪 90 年代，液晶显示器首先在笔记本电脑领域取得了绝对优势。. 显示器件与显示系统主要性能指标. 1 亮度

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第七章 光电显示

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  1. 第七章 光电显示 7.1光电显示技术基础 7.2阴极射线显示 7.3液晶显示 7.4等离子体显示 7.5场致发光显示

  2. 7.1光电显示技术基础 7.1.1显示技术与显示器件 • 1897年德国的布劳恩（Braun）发明了阴极射线管（CRT）雏形 • 1968年美国的Heilmeier发现液晶双折射的电光效应可以用于制作显示装置，即现在的液晶显示器（LCD） • 20世纪90年代，液晶显示器首先在笔记本电脑领域取得了绝对优势。

  3. 显示器件与显示系统主要性能指标 1 亮度 指垂直于传播方向单位面积上的发光强度，单位为cd/m2(坎德拉每平方米)。一般室内观看清晰可见亮度要在70 cd/m2以上，室外要在300cd/m2以上。人眼可见的亮度范围为0.03-50000cd/m2。

  4. 坎德拉和流明的定义 坎德拉－在空气中波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683 WSr-1时，则在该方向上的发光强度为1cd。 流明－波长为555nm的单色辐射体，其辐射功率为1瓦时，则该辐射体所发出的光通量为634流明。

  5. 2 对比度和灰度 • 对比度指画面上最大亮度与最小亮度之比。一般显示器对比度应达30:1。 • 灰度指图像画面上亮度的等级差别。灰度越多，图像层次越分明，图像越柔和。电视图像画面应有8级左右灰度，人眼可分辨的最大灰度级别为100级左右。

  6. 3 分辨力 • 分辨力是人眼观察图像清晰程度的标志。用光栅高度（帧高）范围内能分辨的等宽度黑白条纹（对比度100%）数目或电视扫描行数来表示（如：通常电视垂直分辨力为500线）；也可用光点直径来表示,约为几微米到几毫米，电脑显示器分辨力常为0.28mm，CCD则可小到数微米以下。

  7. 4 发光（显示）颜色 • 发光（显示）颜色可用发射光谱或显示光谱的峰值及带宽来衡量，或用色度坐标来表示。包括颜色的种类、层次与范围。 • 各种光电显示器性能比较见下表。

  8. 7.1.2发光、色彩与视觉——(1) 发光 1 定义 指固体受到某种形式的能量激励后所产生的光发射现象，也即以某种方式(紫外线、高能电子、X射线、//射线等高能辐射)来激发某些物质，使其部分能量以（非热激发形式）可见或近可见光谱形式重新发射出来的现象。 分类： • 根据发光体化学结构可将发光现象分为无机化合物、有机化合物、晶态磷光体发光； • 根据发光时间长短可分为长余辉(>0.1s)、中余辉(1ms-0.1s)、短余辉(<1ms)发光； • 根据发光机理不同可分为分立中心发光、复合发光 • 根据激励方式可分为光致发光、阴极射线发光、场致发光、化学发光。

  9. 根据激励方式分： 7.1.2发光、色彩与视觉——(1) 发光 (1) 光致发光：激励来自对光子（通常是紫外光）的吸收。荧光灯是这类发光的代表，灯内的水银蒸汽在外电场作用下放电而辐射出紫外光，紫外光激发管壁上的荧光粉而发光。 (2) 阴极射线发光：发光体在加速电子的轰击下激发发光。典型的器件有显像管(CRT)，其中的电子枪在加速场作用下产生高速电子束。

  10. (3) 场致发光：发光体在外电场或电流作用下激发发光。如交流粉末显示器、直流粉末显示器、发光二极管、等离子体显示器等。 (4) 化学发光：发光体在化学反应过程中由化学能激发的发光。如磷在氧化时所发的磷光。 ——荧光：发光时间≤10ns， ——磷光：发光时间>10ns

  11. 7.1.2发光、色彩与视觉——（2）颜色 颜色具有以下性质： (1) 连续性：指光波长连续变化时颜色连续变化的性质，表示为颜色c为波长的函数： (2) 可分性：指白光可分为其他颜色成分，如三棱镜将白光分为7彩颜色。 (3) 可合性：指多种颜色的光总可以按一定比例混合使得通过三棱镜合成为白光。

  12. (4) 三基色原理：指自然界中客观存在的任一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色的线性组合。 • 实用上常选择红(R)、绿(G)、蓝(B)作为三基色。将三基色按一定比例混合调配，就可模拟各种显示颜色 • 彩电中常采用相加混色法获得所需颜色；而彩印、胶片中常采用相减混色法，为了方便，相减混色法常取黄、品红和青为三基色，三者相加为黑色。

  13. (5) 亮度、色调和饱和度 • 亮度表示各种颜色的光对人眼所引起的视觉强度，它与光的辐射功率有关； • 色调（色品）表示颜色种类的区别，也就是不同波长辐射在色觉上的不同色调表现，自发光体的色调决定于它本身光辐射的光谱，非发光体的色调决定于照明光源的光谱组成和该物体的光谱反射或透射特性； • 饱和度（色纯度）表示颜色光的色纯粹性程度，与颜色光中白光含量有关，色越纯，白光含量越少。

  14. 7.1.2发光、色彩与视觉——(3) 视觉 人眼彩色视觉特性包括： (1)人眼有三种锥状色感细胞，分别对红、绿、蓝最敏感； (2)人眼具有空间混色特性，指同一时刻当空间三种不同颜色的点靠得足够近，使得人眼不能分辨出其各自颜色，而只能感觉到其混合色的特性 (3)人眼具有时间混色特性，指同一空间不同颜色的变换时间小于人眼的视觉惰性时，人眼不能分辨出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色； (4)人眼具有生理混色特性，指两只眼睛同时分别观看两种不同颜色的同一景象时，人眼不能分辨出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色

  15. 7.1.3色度坐标系与彩色重现 1 色度坐标系 • CIE-RGB计色系统 该系统规定：波长700nm、光通量为1lm的红光为一个红基色单位，用(R)表示；波长546.1nm、光通量4.5907lm的绿光为一个绿基色单位，用(G)表示；波长435.8nm、光通量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；

  16. 任一彩色光F总可以通过下列配色方程配出： 式中，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所含三基色单位的总量，r、g、b称为色度坐标或相对色系数，分别代表F所用三基色单位总量为１时所需的各基色量的数值，且

  17. 图7-1 CIE-RGB色度图

  18. 其可见光光谱轨迹为一舌形曲线，其中(R)的坐标为(1，0)，(G)的坐标为(0，1)，(B)的坐标为(0，0)，三角形RGB内各点所代表的彩色可以用规定的三基色相加配出，三角形的重心坐标为等能白光色坐标，而三角形之外的彩色不能直接相加配出，而需经过将一个或两个基色移到待配彩色一侧才能配出。该计色系统存在缺陷：A)光谱分布色系数和色坐标出现负值，不易理解且计算不便；B)光谱轨迹不全在坐标第一象限内，作图不便；C)色度图上没有直接表示出亮度，需要经过计算才能求出。

  19. (2) CIE-XYZ标准计色系统 任意彩色光F的配色方程为： 式中，(X)、(Y)、(Z)为三基色单位，X(X)、Y(Y)、Z(Z)称为F的三色分量，X、Y、Z称为三色系数，m’ 称为色模，x、y、z为色度坐标或相对色系数，

  20. 该计色系统中三基色单位(X)、(Y)、(Z)的选择保证了色度坐标系中三色系数均为正，并规定Y(Y)既含色度又包含亮度，而另两基色为纯色分量不含亮度，还保证了X=Y=Z时仍代表等能白光。 CIE-XYZ色度图

  21. x,y,z与r,g,b之间的转换公式： (X)、(Y)、(Z)在RGB色度图中的位置如图7-3所示：

  22. 图7-3 (X)、(Y)、(Z)在RGB色度图中的位置

  23. 图7-4 XYZ色域图

  24. 等色调波长线与等饱和度线

  25. 等色差域图

  26. (3) CIE-UCS均匀计色系统 CIE-XYZ色度图色度空间的不均匀性给颜色差别的衡量带来很多不便，为此提出均匀计色系统CIE-UCS，色度图如图7-6所示。这一计色系统规定： 并规定 坐标决定颜色亮度，白色点坐标为（0.201,0.307）。

  27. 2彩色重现 • 电视彩色图像的获得需经过景物彩色画面的分色、摄像器件的光电转换、电信号的处理和传输、显像器件的电光转换等主要过程。 • 彩色显像管利用红、绿、蓝三种荧光粉作为显像三基色，采用空间相加混色法实现彩色重现。 • 对图像的亮度、色调和饱和度三参量的电信号进行色度编码，通过矩阵电路使其成为发送端的编码矩阵。 • 在接收端，用矩阵电路实现解码，用取出的三基色图像信号控制彩色显像管的三个电子束，激发相应荧光粉发光，即可实现彩色重现。

  28. 7.2阴极射线显示 7.2.1发光机理 1 复合发光 晶态发光体：复合发光，特点：能量吸收在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上产生，即发光过程在整个晶体内完成。由于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂移或扩散，从而常常产生特征性光电导现象，因而这类发光一般又称光电导型发光。

  29. 晶态发光体的能带结构示意图

  30. 它由晶体基质所决定的价带和导带、制备发光体掺入的激活剂离子所产生的局部能级G(一般为基态能级)以及晶体结构缺陷或加入的协同激活剂而产生的局部能级T（一般为电子陷阱能级）等几部分组成。其发光的微观过程包括：它由晶体基质所决定的价带和导带、制备发光体掺入的激活剂离子所产生的局部能级G(一般为基态能级)以及晶体结构缺陷或加入的协同激活剂而产生的局部能级T（一般为电子陷阱能级）等几部分组成。其发光的微观过程包括： (1) 吸收激发能电离过程 晶体吸收外界激发能，引起基质价带电子和激活剂G能级上的电子（远少于基质电子）激发、电离而到达导带，从而在价带中引入空穴，导带中引入电子。

  31. (2) 电子和空穴的中介运动过程 电离产生的电子和空穴分别在导带和价带中扩散。空穴扩散到价带顶附近后被激活剂离子G能级俘获。电子扩散到导带底附近时，有的不经过亚稳态，直接落入激活剂离子G能级相应的激发态A（a过程）；有的被浅层亚稳态的陷阱能级T俘获，之后借助热运动回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（b过程）；有的被深层陷阱能级T俘获，之后在外界能量激发下回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（c过程）。

  32. (3) 电子空穴对复合发光过程 • 激活剂离子A能级上的电子与G能级上的空穴复合并向外辐射光子。上述a过程中的电子在导带中停留时间少于0.1ns即复合发光，因而称短时复合发光；而b、c过程的电子由于存在T能级 (即亚稳态)俘获过程，因而复合发光滞后于电子受激发跃迁，存在余辉时间，称为长时复合发光。 • 硫化物型发光体是这类发光体的典型代表。发光过程中，除了基质ZnS本身提供的导带(由Zn2+构成)和价带(由S2-构成)外，不仅需要激活剂(最有效的有Cu,Ag,Au)提供基态能级G，还需要协同激活剂(最有效的有Cl,Ar,I 等)提供陷阱能级T。

  33. 2 分立发光 分立发光机理的位形坐标模型

  34. 当一束高能（≥１keV）粒子打到某一固体上时，小部分(约10%)被反向散射，剩余部分穿透到固体中并在其中失去能量，使图中处于基态1上位置A处的电子吸收外界高能量子而跃迁到激发态2上位置 处。由于电子在 处不稳定，因而必然经由状态B’下降到激发态能量最低点 。当电子从激发态 跃迁到基态G点时，便发生发光现象。 • 其特点是，能量吸收和辐射均发生在晶体单分子中的激活剂附近，即发光中心上，因而称为短时非光电导型发光，俗称荧光。

  35. 斯托克斯位移 由于其发射光子的能量总小于吸收的能量 这种能量损失称为斯托克斯损失。当外部激发量子为光子时，这种损失就体现为发射光谱的峰值相对吸收光谱峰值向长波方向移动的现象，称斯托克斯位移。 在荧光灯中，通过由氩气和水银蒸气组成的混合气体放电，发出浅蓝色的光和具有大量能量的紫外线。如果在荧光灯的管壁上涂上适当的发光材料，就可发生斯托克斯位移，把紫外线变为可见光，从而大大增加荧光灯发光效率。

  36. 7.2.2阴极射线管(Cathode Ray Tube, CRT) 1 黑白显像管 (1)工作原理：电子枪发射出的电子束被加在电子枪栅极或阴极上的视频电信号所调制后，经过加速、聚焦、扫描、复合发光等一系列过程最终变为荧光屏上按空间分布的、亮度随电信号强弱而变化的相应光信号，从而得到与原被摄景物几何相似、明暗对应的适合人眼视觉特性要求的光学图像。

  37. (2)黑白显像管的基本结构 • 灯丝 2. 阴极 3. 控制极 4. 加速极 5. 聚焦极 • 6. 高压阳极 7.电子束 8.玻壳

  38. (3)电子枪 单电位电子枪(UPF，Uni-Potential Focus)结构 灯丝Hf 阴极K 控制极G1 加速极G2 第二阳极 (聚焦极)G3 和高压阳极G4

  39. 电子枪的作用 • 发射并加速电子 ，电子枪的电子发射系统主要由阴极、控制极、加速极组成，加速极电压一般在700伏左右。 • 用视频信号调制电子束流 ，目前显像管一般采用阴极调制的方式，也就是控制极接地，将视频信号加到阴极上，此时阴极电压越向负极变化，电子束流就越大，所以称负极性调制。这种调制方式对电子束的控制较强，调制灵敏度较高。 • 利用电子透镜会聚电子束，并在荧光面上将电子束聚焦成小点。高速电子束流经G2和G3构成的予聚焦透镜被压缩变细，再经G3、G4、G5构成的聚焦透镜进一步聚焦，在荧光粉面上产生足够小的光点。

  40. (4)偏转系统 • 偏转系统的作用 ： 为了显示一幅图像，必须让电子束在水平方向和垂直方向上同时偏转，使整个荧光屏上的任何一点都能发光而形成光栅 • 磁偏转系统 由两组套在管颈外面的互相垂直的偏转线圈组成，常为S/T型结构，即：垂直偏转线圈绕在磁环上为环形，水平偏转线圈为空心鞍型；水平线圈放在垂直线圈里面，且紧贴管颈。

  41. 偏转线圈的输入：一般情况下，在水平偏转线圈上输入行频为15625Hz的锯齿波电流，在垂直偏转线圈上输入场频为50Hz的锯齿波电流。偏转线圈的输入：一般情况下，在水平偏转线圈上输入行频为15625Hz的锯齿波电流，在垂直偏转线圈上输入场频为50Hz的锯齿波电流。 • 电子束着屏点偏移量：当电流通过线圈时，产生偏转磁场，使电子束偏转，如图7-11所示。垂直磁场入射的电子束在磁场内作圆周运动，离开磁场后沿圆周切线射向荧光屏面 。

  42. 图7-11 偏转线圈上的电流 偏移量

  43. PAL制式规定： 每帧625行，每秒25帧；隔行扫描，每帧两场，每秒50场。每行水平扫描正程为52s，逆程为12s，场正程时间18.4ms，逆程时间1.6ms，垂直方向显示575行。

  44. (5)荧光屏 • 对荧光屏要求： 发光亮度和发光效率足够高，发光光谱适合人眼观察，图像分辨力高、传递效果好，余辉时间适当，机械、化学、热稳定性好，寿命高。 • 荧光屏的组成： 由涂覆在玻壳内表面的荧光粉层和叠于荧光粉层上面的铝膜共同组成。黑白显像管一般用两种荧光粉（蓝与黄，比例55：45）混合制得 • 制作方法： 一般采用沉积法，把洗净烘干的玻屏放在涂胶机上，玻屏的倾角和转速都可由涂胶机控制。向玻屏中心注入加有醋酸钡等电解质的荧光粉和水玻璃悬浮液，开启涂胶机使其均匀涂布于玻璃基板上，经烘干后即形成牢固的荧光粉层

  45. 金属化荧光屏 ： 在荧光粉层表面蒸镀一层0.1~0.5m的铝膜，并使之与电子枪阳极相连. 可以提高图像显示性能。 • 金属化荧光屏优点： • 铝膜与电子枪的阳极相连，可防止介电性的荧光粉负电荷积累导致的荧光面电位下降(这会限制亮度提高)； • 铝膜可将荧光粉所发向管内的光线反射到观察者一侧，从而增高荧光屏亮度、改善对比度； • 铝层能有效阻挡管内负离子对荧光粉的轰击，防止荧光屏出现离子斑。

  46. 2彩色显像管 • 彩色显象管组成： 电子枪、偏转系统、三色组荧光屏、荫罩 • 荫罩 显像管选色机构，是彩管中特有的极为重要的组件 • 作用 当显像管工作时，荫罩限制电子束着屏方向和着屏束径，以保证电子束只能打中荧光屏面上规定的基色粉点(条)，即保证电子束正确选色。

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