第 6 章显示技术

光源传输调制探测成像显示

第第 66 章显示技术章显示技术

目目录录

§1 阴极射线管显示

1.1、黑白CRT 1.2、彩色CRT §2 半导体发光显示器件（LED） 2.1、 P-N结发光原理

2.2、LED的伏安特性

2.3、亮度与电流关系

2.4、LED的驱动

2.5、LED光源的特点

2.6、单色光LED的种类及其发展历史 2.7、单色光LED应用

2.8、白光LED的开发

§3 液晶显示器件（LCD）

3.1、液晶基本知识

3.2、液晶的光电特性

3.3、动态散射（DS-LCD）型液晶显示器件 3.4、扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD） 3.5、超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD） 3.7、背照灯

§4 等离子显示器件（PDP） 4.1、气体放电的物理基础

4.2、等离子体显示板工作原理 4.3、PDP驱动方式

4.4、驱动方式和灰阶

§5 电致发光及场致发光器件（OLED） 5.1、高场交流电致发光显示

5.2、高场薄膜电致发光 (TFEL)

5.3、OLED

§6 激光显示技术

6.1、LCRT(Laser Cathode Ray Tube)

6.2、激光光阀显示

6.3、点扫描激光电视

绪论绪论

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。

1897 年，德国的布朗发明了阴极射线管（ CRT ）（ Cathode Ray Tube ）的雏形。百余年来， CRT 一直占据了光电显示的主导地位，如今其技术已极其成熟。阴极射线管做作为一种传统的信息显示器件，它显示质量优良，制作和驱动比较简单，有很好的性能价格比。随着 CRT 应用的延伸，人们已不满足于 CRT 现状，期望一种显示质量如同 CRT ，而又具有体积小，重量轻，工作电压低，功耗小的新产品。

绪论绪论

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。

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。

液晶 LCD平板显示器

等离子体 PDP平板显示器

绪论绪论

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（ 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，因此它不会在短期内消失。 LCD 主要在微型和中小屏幕占优势。

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。

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。

§1 §1 阴极射线管阴极射线管

§1 §1 阴极射线管阴极射线管

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你管， 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。

1.11.1 、黑白、黑白 CRTCRT

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。


一、电子枪


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。一般分为双电位电子枪（ Bi-potential Focus, BPF ）和单电位电子枪（ Uni-Potential Focus, UPF ）。 UPF 电子枪比 BPF 电子枪多一个高压阳极，聚焦能力大大提高，在荧光屏上形成直径为 0.2mm左右的光点。


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） K ，栅极（控制极） G ，第一阳极（加速极） A1 ，第二阳极 A2 和第三阳极A3级成聚焦极，第四阳极 A4 与 A2内部相连组成高压电极并且与管锥体内侧所涂石墨导电层相连至高压嘴处。它们的相互位置如图 1.2 所示。阴极表面涂有氧化物材料，当阴极被阴极里面的灯丝加热到约 800℃时，电子获得逸出功，大量电子从阴极表面发出，并对准栅极的小圆孔飞行出去。电子飞出的多少，由栅极与阴极之间所加的电压的大小决定，从而可以调制光点的亮暗。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，只有少量电子能通过栅极到达屏幕。栅极电压负到电子束电流为零时的电压值称为截止电压，一般为 -20~-90V 。栅极与阴极间的距离一般为 1mm 以下，栅极中心孔直径为 0.6~0.8mm 。加速极呈圆盘状，中间也开有上孔，电压一般为 300~450V 。聚焦极装在加速极后面，电压在 0~450V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 8000~16000V 的高压，使电子束以足够高的速度轰击荧光粉发光。


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 φ 代表最大电子束偏转角度。同样尺寸的荧光屏，偏转角 φ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。玻璃锥体内，外壁涂有石墨导电层。玻璃锥体壁上装有高压帽，与内导电层相通，并与电子枪内的 A2 和 A4阳极相连。高压由高压帽输入到 A2 和A4 ，这样高压就不从管座引入，其优点是可以降低管座绝缘材料的耐高压指标。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 500~1000pf 的高压电容器，兼作为高压整流滤波电容。


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，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。为了减小环境光的影响，提高图像对比度，荧光屏玻璃采用具有中性吸光性能的烟灰玻璃，此外还要满足光洁度、均匀性、耐压力、面张力和防爆等性能要求。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。如将发蓝光的 ZnS[Ag] 与发黄光的 ZnS 、 CdS[Ag] 以 55 ： 45 的比例混合制得 P4 荧光粉，或直接采用单一白色荧光粉。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时所用的时间，余辉时间长于 0.1秒的叫长余辉荧光粉，介于 0.1~0.001秒的称为中余辉荧光粉，短于 0.001秒的称为短余辉荧光粉。余辉太长运动画面会有拖影，余辉太短平均亮度降低，电视采用中余辉荧光粉，示波器等则采用长余辉荧光粉。


荧光粉采用沉淀法涂覆，把洗净烘干的玻璃屏放在涂覆机上，玻璃屏的倾角和转速由涂覆机来控制。向玻璃屏中心滴入加有醋酸钡等电解质的荧光粉和水玻璃悬浮液，开启涂覆机使其均匀涂覆于玻璃基板上，经烘干后即形成牢固的荧光粉层。在荧光粉层表面蒸镀一层 0.1~0.5μm 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（ μA ）与阳极高压的乘积，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 。


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，这样每系就要传送 25×625=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。


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。我国电视标准规定，行扫描的周期为 64μs，其中行扫描正程为 52，行逆程为 12μs。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，要实现这样的指标，电视图像信号的通频带要求达到 11MHz以上。

1.1. 1.1. 黑白黑白 CRTCRT

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 ， 7…573 （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 1.3 所示。


隔行扫描示意图

（ a ）奇场光栅（ b ）偶场光栅（ c ）每帧光栅（ d ）行锯齿电流波形（ e ）场锯齿电流波形

相加混色相加混色

相减混色相减混色

（ 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，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 546.1nm 、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， m称为色模，代表 F所含三基色单位总量， 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我时所需的各基色量的数值，

1931CIE色度图系统

2 ）色度的 XYZ计色系统由于 1931CIE-RGB坐标系统中，出现了坐标负值，不易理解，因此 1931 年 CIE推荐了一个新的国际色度学系统， 1931CIE-XYZ 系统，又称 XYZ 国际坐标制。在 XYZ 系统中， X 、 Y 、 Z 不是真实的三基色，而是假想红、绿、蓝三基色或数学计算三基色。在该系统中， X 、Y 、 Z 均为正值， XYZ 中只有 Y （ Y ）基色分量一项有亮度，令 1（ Y ）的光通量为 1lm ，而另外两个基色不含有亮度，但其色度仍有X 、 Y 、 Z 的比值确定，这样 X=Y=Z时仍代表等能白光。 XYZ 系统是由 RGB 系统推导而来的。由于（ X ）和（ Z ）的光通量应为零，（ X ）、（ Z ）的连线应为光通量等于零的轨迹。在 RGB 图中，这条无亮度线公式就应为

XYZ在 RGB系统中的位置

1.21.2 、彩色、彩色 CRT 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。

（（ 11 ）荫罩式彩色显像管）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

三菱三枪三束与三菱三枪三束与 SONYSONY 单枪三束单枪三束

第 6 章 显示技术

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