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1、显示技术概述半导体光电子学课程论文题 目： 显示技术概述专 业： 光电信息科学与工程指导老师： 周明斌二0一年六月显示技术概述 11.引言 12.显示技术发展历史概述 22.1CRT 阴极射线管 22.2LCD 液晶显示 32.3PDP 等离子显示 52.4FED 场发射显示 52.5LED 显示 62.6OLED 电致发光显示 72.7激光显示 82.8量子点技术显示 103.显示技术未来发展方向 113.14K超高清 113.2裸眼 3D 123.3虚拟现实（VR）和增强现实（AR） 133.4 全息投影技术 134.结束语 14参考文献 14显示技术概述摘要: 随着人们对显示器的色彩追求

2、和显示实用性的追求，近二十年前基于等离子 技术和液晶技术的平板显示器问世，显示器市场发生了翻天覆地的变化。本文主要 回顾显示技术发展历史（ CRT、LCD、PDP、FED、LED、OLED 、激光显示、量子 点显示），比较各自相关技术特点及优缺点，并指出未来可能的技术发展方向。 关键词： 显示技术、激光显示、量子点技术、 OLED。Abstract: With the pursuit of color pursuit and display of display, almost twenty years ago, based on plasma technology and LCD techn

3、ology flat panel display came out, the display market has undergone enormous changes. This paper reviews the development of display technology (CRT, LCD, History of PDP, FED, LED, OLED, laser display, quantum dot display), comparing their respective technical characteristics and advantages and disad

4、vantages, and points out the possible future direction of technology development.Key words: display technology, laser display, quantum dot technology, OLED.1.引言随着人们对显示器的色彩追求和显示实用性的追求，近二十年前基于等离子技 术和液晶技术的平板显示器问世，显示器市场发生了翻天覆地的变化。显示器件主 要包括阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD ）、等离子显示器（PDP）、有机发光 二极管（OLED ）、场致发射显示器（FED ）、

5、发光二极管（LED ）等。无论什么显示技 术，都有一个被认知的过程，只有获得认知才能进一步发展，也只有发展了才能进 一步得到认知，这是一个辨证的关系。2.显示技术发展历史概述2.1 CRT阴极射线管1897,诺贝尔奖获得者、著名物理学家和发明家 KarlFerdinand Braun （卡尔 布 劳恩）创造了第一个CRT （ Cathode Ray Tube阴极射线管）。其工作原理是：电 子枪发射高速电子，经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高 速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光，通过电压来调节电子束的功率，就会在屏 幕上形成明暗不同的光点形成各种图案和文字。但是，此时的CRT

6、大部分还是用来 验证粒子、电子等现象的设备，似乎同显示毫无关系。图2-1布劳恩设计的阴极射线管直到1925年，约翰洛吉贝尔德（John Logie Baird）在伦敦的一次实验中使用CRT器材 扫描”出木偶的图象成为一个转折点，其被称为电视诞生的标志，而同一 时间斯福罗金（Vladimir Zworykin）也创造了自己的电视系统，但是这两个人实现 图像传输的模式有些不同，但都是由CRT设备实现的。其中对未来影响最大的就是 斯福罗金的 电视”系统了，这种全电子模式也是未来电视发展的一个起点。随后的几年，电视设备开始进入大发展阶段，并且电视也开始逐渐普及，这其 中最有标志性意义的事件就是1936

7、年的柏林夏季奥运会，这是人类历史上第一次实 现电视转播，当时大约有16万柏林人通过电视直播观看比赛， 而非原来一样必须进入体育场才能观看比赛图2-2第一台彩色电视机 RCA CT-100此后，业界开始大力研制彩色显像管。1954年，第一台民用支持NTSC标准的彩色电视机RCA CT-100诞生，这也是彩色电视机普及的开端。随后全世界各国都 在开发和生产电视，电视产业成为一个新兴的产业蓬勃兴旺的发展着。2.2 LCD液晶显示液晶显示技术是目前应用最广泛的一种技术， 其技术的基础是液态晶体(LiquidCrystal)。液晶按形态分类有向列型、层列型和胆固醇型三中，其中向列型液晶的介电特性使得它成

8、为液晶显示技术的核心。以TN (Twisted Nematic)型液晶面板为例，其基本构造是在两个透明电极间 加入液晶分子，两侧电极的内端有以聚酰亚胺制成的配向膜，其作用是使两侧的液 晶分子顺着配向膜的凹槽方向排列，两侧的配向膜凹槽呈垂直排列，使得液晶层内 的液晶分子逐渐转向形成螺旋状排列；电极两侧外端则有透光轴夹角为 90两片线偏振片。当光从一端入射进液晶面板时，首先通过第一片偏振片起偏，然后在螺旋 状液晶分子的作用下逐渐改变偏振方向，最终旋转 90 于是可以从第二片偏振片射出。当在两电极间加上电压时，液晶分子会从平行于面板的水平螺旋排列转换为 垂直于面板排列，此时射入的线偏振光方向不发生改

9、变，从而无法从第二片偏振片 射出。通过这种方法可以控制单个像素单元的通光与否，从而实现点阵显示。1 微尖粮发射极图2-3液晶器件显示原理图根据液晶分子的排布方式可以将液晶面板分为 TN( Twisted Nematic)、VA(Vertical Alignment)、IPS( In-Plane Switching)三种，TN 液晶分子在垂直-平行 状态间切换，VA将之改良为垂直-双向倾斜的切换方式，IPS技术与上述技术最大 的差异就在于，不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行，只是在加电常规状 态下分子的旋转方向有所不同。液晶技术主要运用了液晶分子的偏振片性质，光经 过物质时，折射率与光偏振

10、方向有关。在大部分向列型液晶中，光偏振方向与分子长轴方向相同时折射率(n /)较大；光偏振方向与分子长轴方向垂直时折射率 (n丄) 较小，于是线偏振光偏振光经过垂直于其入射方向排列的液晶分子层后其偏振方向 会改变。2.3 PDP等离子显示等离子显示器采用等离子管作为发光元器件，大量的等离子管排列在一起构成 屏幕，每个等离子对应的每个小室内都充有氖氙气体。在等离子管电极间加上高压 后，封在两层玻璃之间的等离子管小室中的气体会产生紫外光激发平板显示屏上的 红、绿、蓝三原色荧光粉发出可见光。每个等离子管作为一个像素，由这些像素的 明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和彩色的图像，与显像管发光很相似。从

11、工 作原理上讲，等离子体技术同其它显示方式相比存在明显的差别，在结构和组成方 面领先一步，其工作原理类似普通日光灯和电视彩色图像。图2-4等离子体显示器件显示原理图2.4 FED场发射显示场发射显示器(Field Emission Display, FED )发光原理为：在发射与接收电极中间的真空带中导入高电压以产生电场，电子通过隧道效应穿过势垒发射到真空中 撞击接收电极下的萤光粉，而产生发光效应。其发光原理与 CRT类似，都是在真空中让电子撞击萤光粉发光，不同之处在 CRT由单一的电子枪发射电子束，透过偏向轨来控制电子束发射扫瞄的方向，而FED显示器拥有数十万个主动冷发射子， 因此在构造上

12、FED可以达到比CRT节省空间的效果。其次在于电压部分， CRT大约需要1530KV左右的工作电压，而 FED的阴极电压约小于1KV。图2-5典型场致发射显示结构原理图虽然FED被视为可取代 CRT的技术，不过在发展初期却无法与 CRT的成本相比，主要原因是场发射元件的问题。最早被提出的 Spin dt形式微尺寸阵列虽然是首度实现发射显示的技术，但它的阵列特性却限制显示的尺寸，主要原因是它 的结构是在每个阵列单元上包含一个圆孔，圆孔内含一个金属锥，在制作过程中微 影与蒸镀技术均会限制尺寸的大小。解决之道是采用取代 Spindt场发射元件的技术。1991年NEC发表一篇有关 碳纳米管的文章后，研

13、究人员发现以纳米结构合成的石墨，或是碳纳米管作为场发 射元件能够得到更好的场发射效率，因此碳纳米管合成技术成为 FED研发的新方向。2.5 LED显示在CRT时代，英国无线电研究员Henry Joseph Rounc率先发现电场发光，奠定 了之后LED技术发展的基础。随后的1961年，德州仪器的Robert Biard和Gary Pittman为红外线LED （首个发光二极管）申请了专利。然而，该产品是人眼不可 见的。1962年，Nick Holonyack发明了首个人眼可见的LED灯，并被称为“LED之 父”。LED与LCD相比，在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势， 可以制造

14、出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器。目前已经取代 LCD的位置，成为市场上的主流。2.6 OLED电致发光显示电致发光(Electro-luminescent, EL)是指电流通过物质时或物质处于强电场下 发光的现象，在消费品生产中有时被称为冷光。电致发光物料的例子包括掺杂了铜 和银的硫化锌和蓝色钻石。目前电致发光的研究方向主要为有机电致发光显示技术(Organic Electro-luminescent Display, OELD)。光线输出图2-6 OLED显示器结构图20世纪50年代人们就开始用有机材 料制作电致发光器件 的探索，A.Bernanose等人在蒽单晶片的两侧加上 400V

15、的直流电压观测到发光现象，单晶厚 10mm20mm，所以驱动电压较高。1963年M. Pope等人也获得了蒽单晶的电致 发光。70年代宾夕法尼亚大学的Heeger探索了合成金属。1987年Kodak公司的 邓青云首次研制出具有实用价值的低驱动电压(1000cd/m2) OLED器件。 1990年，Burroughes及其合作者研究成功第一个高分子 EL (PLED)，更为有机电致发光显示器件实用化进一步奠定了基础。1997年单色有机电致发光显示器件首 先在日本产品化，1999年日本先锋公司率先推出了为汽车音视通信设备而设计的多彩有机电致发光显示器面板，并开始产，同年9月，使用了先锋公司多色有机

16、电致 发光显示器件的摩托罗拉手机大批量上市。目前ELD显示设备的主要元件是有机发光二极管( Organic Light EmittingDiode, OLED)，因为其发光原理与发光二极管相似。图2-7曲面屏幕的诞生OLED是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。其典型结构是在 ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层，发光层上方有一层低功函数 的金属电极。当电极上加有电压时，发光层就产生光辐射。其发光机理是由正极和 负极产生的空穴和电子在发光材料中复合成激子， 激子的能量转移到发光分子，使发光分子中的电子被激发到激发态，其去激过程产生可见光。为增强电子和空穴的注 入和传输能力，

17、通常又在ITO和发光层间增加一层有机空穴传输材料或/和在发光 层与金属电极之间增加一层电子传输层，以提高发光效率。2.7激光显示激光显示技术是继黑白显示、标准彩色显示和数字显示后的下一代显示技术， 是显示技术的一场革命。激光显示以激光为光源，充分利用了激光波长可选择和高 光谱亮度的特点，因此显示图像具有更大的色域，其色域覆盖率可达荧光粉的 2倍以上，可达到人眼所能识别色彩空间的 90%以上，而且具有很高的色饱和度。激光电视利用半导体泵浦固态激光工作物质，产生红、绿、蓝 3种波长的连续激光作为彩色激光电视的光源，通过电视信号控制三基色激光扫描图像。图2-8中科院激光显示样机激光显示系统由激光器、

18、调制器、光偏转器和屏幕等组成。系统接收到视频信 号后，从信号中分离出红、绿、蓝三色图像信号和帧同步信号。经过处理，三色信 号控制三色半导体激光二极管行阵列， 使之发出相应强度的光，经合色器调制输出， 在帧同步信号的控制下，通过光偏转器，实现光束扫描，射到接收屏上，形成图像。 红、绿、蓝激光器是彩色显示的三原色光源，与荧光光源相比，光束质量和效率更 高，没有荧光光源产生的绿影和白炽光源产生的黄影，可实现三原色的平衡。激光 显示的产业链很广，包括半导体、人工晶体、光学冷加工、图像引擎、数字信号处 理、整机集成技术等方面。具体说来，化合物半导体及封装、激光泵浦源、人工晶 体、激光器等产业链构成了激光

19、产业，也就是激光显示的上游产业。应用于显示领 域的激光器和激光光源整合处理技术以及光学引擎技术、光机制造，为激光显示的 中游，是把激光产业与显示产业联合起来的关键环节。显示终端的制造企业，比如 投影机和电视等为下游产业。2.8量子点技术显示虽然以上显示技术拥有众多优点，但也并非完美无缺。一个非常关键的短板就 是其色域范围低，也就是所能呈现的色彩范围非常有限， 普通LCD显示屏的色域一 般只有72% NTSC水平。这在如今要求日益提升的科研和生活领域来说显然是不够 的。为了解决这一问题，量子点技术应运而生。量子点 (Qua ntum Dots)是一种人造的半导体纳米材料，每当受到光的刺激，量子点

20、便会发出非常纯净的有色光线，使 用量子点材料的背光源是目前色彩最纯净的背光源。量子点作为一种具有独特光特性的全新纳米材料，可精确高效地将高能量蓝光 转换为红色和绿色光，量子点可以在 LCD显示屏的LED背光上形成一层薄膜，用 蓝色LED照射就能发出全光谱的光，通过对背光进行精细调节，可以大幅提升色域 表现，让色彩更加鲜明。图2-9量子点电视量子点显示技术在色域覆盖率、色彩控制精确性、红绿蓝色彩纯净度等各个维 度已全面升级， 被视为全球显示技术的制高点， 也被视为影响全球的显示技术革命。 相比传统 LCD 显示器，量子点显示屏的色域可以达到 110%。除了更广的显示色域外，量子点显示屏的成本也相

21、对低廉，因为其本质上依然 属于 LCD 显示屏范畴。 显示屏生产厂商无需大规模改变生产原料和工艺， 只需在原 有的 LED 背光源上下功夫即可。量子点技术的优异特性使其很快便受到许多显示设备厂商的亲睐，包括三星、 夏普、索尼、 LG、TCL 、海信、华硕以及亚马逊等电视和智能设备厂商均推出了搭 载量子点技术的设备。调研机构 Displaybank 预估，量子点显示产品产值，可望从 2013年的千万美元成长至 2020年的 2 亿美元 ;量子点技术产品出货量， 有望从 2013 年的 50万台扩充至 2023年的 8700万台。虽然量子点显示技术的应用前景非常被看好，但是这项技术同样存在着一个很

22、 大的问题，那就是安全性。 今天的量子点通常由两种化合物制成： 硒化镉和磷化铟。 美国癌症学会和 3 家联邦政府机构的调查显示，磷化铟具有高致癌性，白鼠实验表 明它会引发 “相当高 ”的肺癌发病率。而镉作为一种高熔点无挥发的金属，常温下性 能稳定。3.显示技术未来发展方向每当我们谈到未来的显示技术时，总是有人认为这些技术都太过于炫目科幻， 很难实现，仅仅是存在电影里的场景。虽然这些未来的显示技术现在来看还有些遥 不可及，但事实上其中的很多技术已经开始了探索的脚步，虽然目前的进度还很缓 慢。下面就一些新技术做简单介绍。3.1 4K 超高清超高清技术，近年来一直是影视行业的关注热点，它通过提高图像

23、空间分辨率 来提升影视图像质量，包括 “4K分辨率（3840 ）2160像素）”和“8K分辨率（7680 M320 像素）”，是影视技术发展的重要趋势，我们经常提到的4K分辨率电视即为超高清电 视。简单点说， 4K 实际上就是影像的分辨率，比原来 2K 提高了四倍。然而我们所 说的4096X2160是单从分辨率指标的提高，还不足以能代表整个画面影像的高水准。 4K 影像的高质量是有几个重要的指标组成的， 分辨率是其中很重要的一个指标， 除 此之外，像色域空间，像宽容度、感光度等指标也代表着 4K 的综合表现力。可以 说它是一个画面从技术层面上真正高质量的提升。索尼作为视听行业的先驱，由其打造的

24、 4K产业链目前已经趋于完善，4K的普 及即将成为不争的事实。 同时， 4K 超高清分辨率的普及， 也极大地促使了电视行业 向着更大化的趋势发展。3.2 裸眼 3D但对于大部分普通用户来说，真正接触到 3D 显示技术还是得益于电影阿凡 达的上映。这部历时 14年，耗资 5亿美元打造的电影，用最新的 3D 技术为观众 打造了一个梦幻般的虚拟仙境。从这部电影开始，越来越多的普通人开始关注喜欢 3D 电影，开始关注 3D 技术。目前大部分 3D 放映技术主要包括主动立体和被动立体两种，不过这两种都需 要靠佩戴眼镜来达到 3D 效果，但是长时间佩戴眼镜会产生不舒服的感觉，所以裸 眼 3D 将会是未来最

25、佳观影体验的热点技术。裸眼3D可以专业地划分为光屏障式柱状透镜技术和指向光源， 裸眼3D优势很多，其中最大的优势就是不再受眼镜的束缚，只是当前技术尚有欠缺，其最大的缺 点就是使用者不能距离屏幕过远，甚至角度也有严格要求，否则 3D 效果就会大打 折扣。不过，通过多年的研究和努力，裸眼 3D 技术的弊端大部分被彻底解决了， 真正的普及化指日可待。3.3虚拟现实（VR）和增强现实（AR）伴随着 3D 技术的快速发展，虚拟现实 （VR， VirtualReality） 和增强现实（ AR ， AugmentedReality）也逐渐走进人们的生活。尤其在近两年的 CES大展上，我们看 到许多厂商都已

26、经推出了相应的设备。虚拟现实（VR，Virtual Reality）通过多种传感设备，用户可根据自身的感觉，使 用人的自然技能对虚拟世界中的物体进行考察和操作，参与其中的事件，同时提供 视、听、触等直观而又自然的实时感知，并使参与者 “沉浸”于模拟环境中。虽然，目前大部分虚拟现实设备是增加游戏的现实感而设计，但我们需要注意 是，它在电影业的影响力将远远大于游戏行业，而最终虚拟现实会颠覆整个影视行 业。增强现实（AR）是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术， 也被称之为混合现实。它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息 “无缝”集成的新技术，是把原本在现 实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息

27、 （视觉信息 ,声音,味道,触觉等）,通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类 感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。3.4 全息投影技术目前的全息技术，基本还是将建模的图像投射在透明的全息膜上形成最终效果。 其中可能会用分光镜、射灯、视频播放等设备。基于分光镜成像原理，通过对产品 实拍构建三维模型的特殊处理，然后将拍摄的的产品影像或产品三维模型影像叠加 进场景中，这就是我们看到的全息投影。全息投影技术虽然目前也不够成熟，但是未来可以在展示、引导、教学等诸多 领域发挥不可替代的作用，这种直观的展现虚拟影像的技术还是很受大家关注的。 相信随着投影技术， 全息膜材

28、的研发的进展， 全息画面可以真正的展示出新的魅力。4.结束语虽然未来的显示技术到底哪家更强还有待商榷， 但液晶技术被取代却是必然的。 毕竟液晶技术做不到的， 新技术可以。 而液晶技术能够做的， 新技术可以做得更好。 不仅如此，未来的显示技术将会朝着多元化的方向发展，无论是在显示设备还是应 用领域都会有不同的技术来支持，给人们带来更好的视觉感受。参考文献1刘永智，杨开愚液晶显示技术 MC.成都：电子科技大学出版， 2000.2液晶自然界中的奇妙物相 / (英)柯林斯( Collings,P.J. )著；丽真译 . 上海:上海科技 教育出版社 ,2002.3 日松本正一 ,田市良， 孙红军译 .液晶的最新技术物性 ?材料?应用 M. 北京： 化学工业出 版社.1991.4毛学军 .液晶显示技术 M. 北京 :电子工业出版社， 2008. 谢敏章液晶物理学M.北京：科学出版社，1988-56张进芳.大学物理学M 北京，邮电 大学出版社， 2002. 费民权浅论显示技术发展格局M.咸阳.彩虹集团电子股份有限公司技术中心， 2005.7应根裕，胡文波，邱勇，等平板显示技术M.北京：人民邮电出版社，2003.8肖运虹显示技术M.西安：西安电子科技大学出版社， 2012.