平板显示器技术.docx

1、平板显示器技术v 显示技术是多学科交叉综合技术，是信息时代重要的标志之一。v 1897年，德国的布朗发明了阴极射线管（CRT）（Cathode Ray Tube）的雏形。v CRT的缺点：从大屏幕显示方面来讲，100cm以上的CRT质量要超过100kg，体积大，搬动困难，不能适应现代家庭对高清晰度电视（HDTV）和现代战争对大屏幕显示器的要求。v 在这种情况下平板显示技术应运面生，而且获得了迅速发展。平板显示在国际上尚没有严格的定义，一般是指显示器的厚度小于显示屏幕对角线尺寸四分之一的显示技术。这种显示器厚度较薄，看上去就像一块平板，平板显示因此而得名。1-2 平板显示器的种类及其特性平板显示

2、器因其结构上，与传统的显示器有很大的不同，因而平板显示器的种类，也因基本原理、元件结构和去方式的变化，而有不同的分类，而且其物理特性也是各有不同的表示。v 平板显示器依其光源机制(应用层面)，可分为： 直视型(Direct View) 反射型(Reflective)v 直视型 发光型 非发光型v 反射型 液晶平板显示器1-2-1 平板显示器的种类区分v 发光型平板显示器 交流或直流电式的等离子体平板显示器 有机或无机电致发光平板显示器 发光二级管平板显示器 冷阴极电子发射型平板显示器v 非发光型平板显示器 二端子型的薄膜二级管元件 金属绝缘金属元件 三端子型的非晶硅的或高溫/低溫多晶硅的薄膜电

3、晶体元件v 反射式的液晶平板显示器v 早期所使用之LCD如笔记型电脑的TFT-LCD面板均为穿透式平板显示器，附有一个级为耗损电量的背光源模组，藉由电压控制液晶的排列，进而调节穿透光线的强度，当使用于户外明亮的环境时，背光源模组的光强度较周边环境的光线为弱時，就会造成影像画质的劣化。v 一般简单型反射式平板显示器，亦就是无所謂的背光源模组，藉由液晶分子调制反射光的强度，并用以显示所需的信息，因而既省电量，同時也非常适合于强光环境下使用。v 反射式彩色高解析度之薄膜液晶平板显示器因应而生。v 平板显示的种类较多，按显示媒质和工作原理分：有液晶显示（LCD）、等离子体显示（PDP）、电致发光显示（

4、ELD）等。从目前的技术发展水平看，CRT每个像素的性能价格比要比其他显示器件高得多，LCD主要在微型和中小屏幕占优势。v PDP由于制作工艺相对简单，易于制作大屏幕，是发展多媒体显示，壁挂式电视和HDTV最有竞争力的显示技术。v 随着RGB激光技术的迅速发展，激光电视技术已向我们靠近，它具有色域宽，色彩更逼真，且成像面积大的特点，是公众媒体及娱乐场所多媒体显示的又一发展方向。本章介绍几种主要的显示技术。 人眼的生理特性眼睛的內部结构眼球壁 (三层): 1.巩膜 Sclera 保持眼球的形狀 保护易受损的内层 让眼肌附在巩膜表面 2.脉络膜 Choroid含有很多血管和黑色素 血管为眼球提供营

5、养素和氧 , 将代谢废物移走 黑色素可吸收光线 , 减少眼球內的光反射3. 视网膜 Retina 含感光细胞 视杆 Rods 负责黑白视觉 (不能分別颜色) 视锥 Cones 分辨颜色黄点 Yellow spot 满布视锥细胞 沒有视杆细胞 能准确地分析影像的颜色和提供清晰的影像盲点 Blind spot 视神经由此离开眼球 沒有任何感光细胞 不能侦查任何影像角膜Cornea 巩膜伸延至眼球前端形成角膜 受结膜 conjunctiva 保护 容许光线通过 将光线折射到视网膜上瞳孔 Pupil 虹膜中央的小孔 , 容许光线通过进入眼球虹膜 Iris 脉络膜的前端形成虹膜 含有色素 控制瞳孔的大小

6、晶体 Lens 透明, 富弹性, 变凸的结构 可改变凸度 , 控制进入眼球的光线折射程度 将光线聚焦在视网膜上悬韧带 Suspensory ligaments 将晶体固定在眼球內睫狀体 Ciliary body 控制睫狀肌收缩或放松可使晶体的凸度增加或减少前室 Anterior chamber 充满水状液 折射光线到视网膜上 维持眼球的形狀 为结膜 , 角膜和晶体提供营养素后室 Posterior chamber 充满玻璃状液 折射光线到视网膜上 维持眼球的形状视神经 Optic nerve 将神经脉冲送到位于大脑皮层的视觉中心翻译 光学过程化学过程神经处理过程 客观景物（发光体或者散射体）发

7、出的光束，携带光能量进入左右眼睛并同时作用在视网膜上引起视感觉。光刺激在视网膜上经神经处理产生的神经冲动（电流脉冲）沿视神经纤维传到大脑皮层，产生视知觉。 锥体和杆体细胞锥体细胞：分布在视网膜中央，是明视觉器官，能分辨颜色，能辨别细节。杆体细胞：分布在较边缘部分，对弱光反应灵敏，不能感受颜色，不能辨别精细物像。我们俗语所说的“黑眼珠”和“白眼球”分别应当是眼球的哪部分结构？“黑眼珠”：虹膜；“白眼球”：巩膜 可觉察的最小亮度韦伯定律在均匀亮度背景下，（韦伯费赫涅尔系数）。其中，B 是背景亮度，是人眼差。 说明人眼的亮度感觉不仅与物体自身亮度有关，还与周围环境亮度有关。 一般地，背景越亮，越不易

8、分辨 暗适应和明适应 暗适应的两种基本过程 亮暗：慢（1030秒左右） 1、瞳孔大小变化 2、视网膜感光物质的变化：中央视觉变为边缘视觉 明适应的两种基本过程 暗亮：快（12秒左右） 1、瞳孔大小变化 2、杆体细胞作用转为锥体细胞作用光谱光效率函数眼睛的灵敏度与波长的依赖关系，称为光谱光视效率。所谓光谱光效率函数就是达到同样亮度时，不同波长所需能量的倒数，即V（）=1/E。人眼视觉特性 视敏度 的定义在相同亮度感觉的情况下，测出各种波长光的辐射功率 。辐射功率越大，说明人眼对该波长的光越不敏感，辐射功率越小，人眼对该波长的光越敏感。 习惯上定义辐射功率的倒数为光谱光视效率函数相对视敏度曲线（光

9、谱响应曲线）明亮环境下，对黄绿光视敏度的归一化曲线观察视敏度曲线可以发现：在等能量分布的光谱中，人眼感觉最暗的是红色，其次是蓝色和紫色，感觉最亮的是黄绿色（波长为555nm）。人眼亮度感觉特性 谱尔金效应 不同亮度下，人眼的视敏度曲线会发生变化。弱光条件下，视敏度曲线会向左移。源于视网膜内锥状细胞和柱状细胞的不同工作特点问：明视觉、暗视觉光谱光效率函数的含义是什么?人眼对不同色光感受性不一样，可用光谱光效率函数来表征，并用光谱光效率曲线来表示。所谓光谱光效率函数就是达到同样亮度时，不同波长所需能量的倒数。由于视网膜包含两种不向的感光细胞，在不同照明水平时，V( )函数会发生变化。当亮度大于3c

10、d/m2时，为明视觉，锥体细胞起主要作用，V( )的峰值产生在0.550.56 m部位；当亮度小于0.03cd/m2时，为暗视觉，杆体细胞起主要作用，V( )的峰值向短波方向移动，相当于0.500.51 m的蓝绿色部位。人眼分辨力： 对景物细节的分辨能力。 一般将被观察物体上刚能分辨的最近邻两黑点或两白点的视角的倒数称为人眼的分辨力。P15：分辨率1，0.03mm是分辨极限 分辨力 分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力。 对人眼进行分辨力测试的方法 如图1-4所示，在眼睛的正前方放一块白色的屏幕，屏幕上面有两个相距很近的小黑点，逐渐增加画面与眼睛之间的距离，当距离增加到一定长度时，人眼就

11、分辨不出有两个黑点存在，感觉只有一个黑点，这说明眼睛分辨景色细节的能力有一个极限值。 我们将这种分辨细节的能力称为人眼的分辨力或视觉锐度。 分辨力的定义是： 眼睛对被观察物上相邻两点之间能分辨的最小距离所对应的视角的倒数， 即 分辨力=1/视角第一章 彩色与视觉特性 人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离。对于正常视力的人，在中等亮度情况下观看静止图像时，为11.5。 分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度和对比度，当亮度很低时，视力很差，这是因为亮度低时锥状细胞不起作用。但是亮度过大时，视力不再增加，甚至由于眩目现象，视力反而有所降低。 此外，细节对比度愈小，也愈不易分辨，会造成分辨

12、力降低。在观看运动物体时，分辨力更低。 人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力要低，例如，黑白相间的等宽条子，相隔一定距离观看时，刚能分辨出黑白差别，如果用红绿相间的同等宽度条子替换它们， 此时人眼已分辨不出红绿之间的差别， 而是一片黄色。 实验还证明，人眼对不同彩色，分辨力也各不相同。如果眼睛对黑白细节的分辨力定义为100%，则实验测得人眼对各种颜色细节的相对分辨力用百分数表示如表1-1所示一般将人眼亮度感觉变化滞后于实际亮度变化，以及视觉暂留特性，总称为视觉惰性。 视觉惰性是人眼的重要特性之一，它描述了主观亮度与光作用时间的关系。图 1-5 人眼的视觉惰性 (a) 作用于人眼的光脉冲亮

13、度；(b) 主观亮度感觉如果光脉冲频率不高，会使人眼产生一明一暗的闪烁感觉，长期观看容易疲劳。与视觉惰性紧密联系的还有临界闪烁频率，它是指刚好不引起闪烁感觉的最低频率。 不引起闪烁感觉的最低重复频率， 称为临界闪烁频率。临界闪烁频率与很多因素有关， 其中最重要的是光脉冲亮度，随着光脉冲亮度的提高，临界闪烁频率也会提高。 临界闪烁频率还与亮度变化幅度有关 亮度变化幅度越大， 临界闪烁频率越高。人眼的临界闪烁频率约为46 Hz。对于重复频率在临界闪烁频率以上的光脉冲，人眼不再感觉到闪烁，这时主观感觉的亮度等于光脉冲亮度的平均值。 不同频率显示图像对人眼的造成的不同感觉。一般在电影播放中每秒放24幅

14、固定的画面，电视每秒传送2530幅图像，就可以使人眼感觉为连续活动的图像。 当人眼接受光刺激后，不但有延时效应，而且有暂留现象。在眼睛接受光脉冲刺激之后，大约要过百分之一秒，才达到响应的最大值。其残留时间大约为0.1秒。 闪烁消失时对应的频率称为临界闪烁频率。 临界频率的影响因素：（1）光信号强弱，n=alogL+b；（2）发光面积，n=clogA+d；（3）视网膜的部位；（4）光的颜色；（5）背景光。光度学与色度学物体的发光方式：热光：又叫热辐射，是指物质在高温下发出的光。冷光：某种能源在较低温度时所发出的光。发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。由于这种状态是不稳定

15、的，该电子通常以光的形式将能量释放出来，回到基态。白炽灯：当钨丝在真空或是惰性气体中加热至很高的温度，就会发出白光。生物发光：萤火虫化学发光：荧光粉阴极射线发光：荧光灯、 金卤灯场致发光：无极灯电致发光：LED电致发光原理：电场的作用激发电子由低能态跃迁到高能态，当这些电子从高能态回到低能态的时候，根据能量守恒原理，多余的能量将以光的形式释放出来。光的本质是什么？ 光是一种能量的形态，是一种电磁波。 在同一介质中，能量从能源出发沿直线向四面八方传播,这种能量传递的方式通常叫做辐射。 通常可以用波长来表达人眼所能感受到的可见光的辐射能量。光的特性光是一种电磁波！在真空的速度是每秒30万公里 波长

16、在380780nm范围内的电磁波能够使人眼产生颜色感觉，称为可见光。可见光在整个电磁波谱中只占极小的一段 。 可见光谱的波长由780nm向380nm变化时， 人眼产生的颜色感觉依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫7色。 一定波长的光谱呈现的颜色称为光谱色。太阳光包含全部可见光谱，给人以白色感觉。光谱完全不同的光，人眼有时会有相同的色感。 用波长540nm的绿光和700nm的红光按一定比例混合可以使人眼得到580nm黄光的色感。 这种由不同光谱混合出相同色光的现象叫同色异谱。 光色 波长（nm) 代表波长红（Red） 780630 700橙（Orange） 630600 620黄（Yellow）

17、600570 580绿（Green） 570500 550青（Cyan） 500470 500蓝（Blue） 470420 470 紫（Violet 420380 420 光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关，即 1240/Eg（mm） 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg。 Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会蓝移。反之， Eg越小，所发出的光子波长就越长，颜色就会红移。 若要产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应该在1.593.26 eV之间。 在此能量范围之内，带隙为直接带的-族或-族半导体材料只有GaN、 GaP等

18、少数材料，也可以利用-族或-族二元化合物组成新的三元或四元-族或-族固溶体，通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙类型。 物体的颜色 物体分为发光体和不发光体。发光体的颜色由它本身发出的光谱所确定，如白炽灯发黄和荧光灯发白，各自有其特定的光谱色。 不发光体的颜色与照射光的光谱和不发光体对照射光的反射、透射特性有关。红旗反射太阳光中的红色光、吸收其他颜色的光而呈红色； 绿叶反射绿色的光、 吸收其他颜色的光而呈绿色；白纸反射全部太阳光而呈白色； 黑板能吸收全部太阳光而呈黑色。绿叶拿到暗室的红光下观察成了黑色， 这是因为红光源中没有绿光成分， 树叶吸收了全部红光而呈黑色。 光的度量单位 1. 光通

19、量 光通量是按人眼的光感觉来度量的辐射功率， 用符号表示。 其单位名称为流明(lm)， 当555 nm的单色光辐射功率为1 W时， 产生的光通量为683 lm， 或称1光瓦。 在其他波长时， 由于相对视敏度V()下降， 相同辐射功率所产生的光通量随之下降。 40 W的钨丝灯泡输出的光通量为468 lm， 发光效率为11.7 lm/W； 40 W的日光灯可以输出2100 lm的光通量， 发光效率为52.5 lm/W； 电视演播室卤钨灯发光效率可达80100 lm/W 2. 光照度 光照度E，单位勒(克斯),符号为lx。 勒(克斯)等于1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的光照度。 为了对光照度

20、单位勒有个大概的印象。下列数据可供参考：室外晴天光照度约为10000勒，多云约为500勒，傍晚约为50勒，月光约为10-1勒，黄昏约为10-2勒，星光约为10-4勒。 发光强度：为了描述光源在某一指定方向上发出光通量能力的大小，定义在指定方向上的一个很小的立体角元内所包含的光通量值，除以这个立体角元，所得的商为光源在此方向上的发光强度。单位为坎德拉（cd）。 亮度：单位面积上的发光强度，单位为坎德拉/平方米（cd/m2）。 彩色三要素 描述一种色彩需要用亮度、色调和饱和度三个基本参量，这三个参量称为彩色三要素。 亮度反映光的明亮程度。彩色光辐射的功率越大，亮度越高，反之亮度越低。不发光物体的亮

21、度取决于它反射光功率的大小。若照射物体的光强度不变，物体的反射性能越好，物体越明亮，反之越暗。对于一定的物体，照射光越强， 物体越明亮，反之越暗色调反映彩色的类别，例如红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色。发光物体的色调由光的波长决定，不同波长的光呈现不同的色调，不发光物体的色调由照明光源和该物体的吸收、反射或透射特性共同决定。 色饱和度反映彩色光的深浅程度。 同一色调的彩色光， 会给人以深浅不同的感觉， 深红、 粉红是两种不同饱和度的红色， 深红色饱和度高， 粉红色饱和度低。饱和度与彩色光中的白光比例有关， 白光比例越大，饱和度越低。高饱和度的彩色光可加白光来冲淡成低饱和度的彩色光。 饱和

22、度最高称为纯色或饱和色。 谱色光就是纯色光，其饱和度为100%。饱和度低于100%的彩色称为非饱和色，日常生活中所见到的大多数彩色是非饱和色。 白光的饱和度为0。 色饱和度和色调合称为色度，它表示彩色的种类和彩色的深浅程度。 三基色原理根据人眼的视觉特性，在电视机中重现图像时并不要求完全重现原景物反射或透射光的光谱成分，而应获得与原景物相同的彩色感觉。 因此仿效人眼三种锥状细胞，可以任选三种基色，三种基色必须是相互独立的，任一种基色都不能由其他两种基色混合得到，将它们按不同比例进行组合，可得到自然界中绝大多数的彩色。具有这种特性的三个单色光叫基色光， 这三种颜色叫三基色。并总结出三基色原理：

23、自然界中绝大多数的彩色可以分解为三基色，三基色按一定比例混合，可得到自然界中绝大多数彩色。 混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定， 混合色的亮度等于三种基色亮度之和。 因为人眼的三种锥状细胞对红光、 绿光和蓝光最敏感， 所以在红色、绿色和蓝色光谱区中选择三个基色按适当比例混色可得到较多的彩色。在彩色电视中，选用了红、 绿、 蓝作为三基色，分别用R、 G、 B来表示。 国际照明委员会(CIE)选定了红基色的波长为700 nm， 绿基色的波长为546.1 nm， 蓝基色的波长为435.8 nm。三基色原理是彩色电视技术的基础， 摄像机把图像分解成三基色信号， 电视机又用三基色信号还原出原图像

24、的色彩。 三基色光相混合得到的彩色光的亮度等于三种基色亮度之和， 这种混合色称为相加混色。 将三束等强度的红、绿、蓝圆形单色光同时投射到白色屏幕上，会出现三基色的圆图，其混合规律如图1-6所示。颜色视觉 相加混色规律红色绿色蓝色白色 红色绿色黄色 红色蓝色品红（紫） 绿色蓝色青色 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700nm、光通量1lm的红光为一个红基色单位，用（R）表示；波长546.1

25、nm、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；调节三基色光的强度， 直至两块白板上彩色光引起的视觉效果完全相同。 记下三基色调节器上的光通量读数， 便可写出配色方程： FR(R)+G(G)+B(B) （1-3）式中，F为待配色的彩色光的彩色量，(R)、 (G)、 (B)为三基色单位量，其中1(R)=1lm， 1(G ) =4.5907lm ，1 (B)=0.0601 lm，R、G、B为三色分布系数。要配出彩色量F，必须将R单位的红基色、G单位的绿基色和B单位的蓝基色

26、加以混合。 R、G、B的比例关系确定了所配彩色光的色度(含色调和饱和度)，R、G、 B数值确定了所配彩色光的光通量（亮度）。R(R)、G(G)、B(B)分别代表彩色量F中所含三基色的光通量成分，又称为彩色分量。2. XYZ制色度图 配色实验的物理意义明确， 但进行定量计算却比较复杂， 实际使用很不方便， 为此进行了坐标变换： （X）=0.4185（R）-0.0912（G）+0.0009（B） （Y）=-0.1587（R）+0.2524（G）+0.0025（B） （Z）=-0.0828（R）+0.0157（G）+0.1786（B） (1-4) 但是(X)、(Y)、(Z)不代表实际彩色，故称其为计

27、算三基色 。 在XYZ计色制中， 任何一种彩色的配色方程式可表示为 F=X（X）+Y（Y）+Z（Z） （1-5） 式中， X、 Y、 Z为标准三色系数， (X)、 (Y)、 (Z)为标准三基色单位。 在XYZ计色制中标准三色系数均为正数， 系数Y的数值等于合成彩色光的全部亮度， 系数X、 Z不包含亮度, 合成彩色光色度仍由X、 Y、 Z的比值决定。 当X=Y=Z时， 配出等能白光E白。 该色度图具有如下特点:舌形曲线全部位于第一象限，所有的单色光都位于舌形曲线上，舌形曲线称为谱色轨迹。它们的饱和度均为100%，曲线旁注有单色光波长值。 舌形曲线上任一点与E白点的连线称为等色调线。不在同一等色调

28、线上的任意两点，表示了两种不同的颜色，由这两种颜色组成的全部混合色都处在这两点的连线上。 饱和度相同的彩色所对应的各点的连线称为等饱和度线，见图中所注。在谱色曲线内任取三点对应的彩色作基色(例如,图中R1、G1、B1)，则由此三基色混合而成的所有彩色都包含在以这三点为顶点的三角形内。阴极射线管显示v 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

29、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。v CRT（Cathode-Ray-Tube）显示器，即阴极射线管显示器，是最早使用的显示器，它技术成熟，价格便宜，寿命长，可靠性高。v 一、 黑白显像管 v 二、 彩色显像管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

30、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。黑白显像管由电子枪、偏转系统、荧光屏和锥体外壳组成。电子枪是显像管中极为重要的组成部分。它是电子束源，用来发射电子，并将其加速和聚焦成细束，同时外加电信号控制电子束的强度。偏转系统能依据输入的有电子束位置信息的信号使电子束在向荧光屏行进途中轨迹发生偏转，以控制电子束到达荧光屏上的位置。偏转系统可以用静电式偏转或磁偏转，电子枪与偏转系统合称显示器件的电子光学系统。v 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，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。v 荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层和和铝膜层构成。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。v 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。v 荧光粉的另一个重要参数是余辉时间，余辉时间定义