第四講光存儲(chǔ)與光顯示

第四講光存儲(chǔ)與光顯示一、光存儲(chǔ)概述光盤存儲(chǔ)全息存儲(chǔ)二、光顯示概述典型圖像顯示器本章內(nèi)容一、光存儲(chǔ)（1）什么是信息的光存儲(chǔ)？利用光子與物質(zhì)的作用，將各種信息如圖像、語言、文字以及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄下來，需要時(shí)再將其讀出。繪畫和文字是人類文明中最生動(dòng)的光存儲(chǔ)方式。照相和電影是光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)的重大成就。1、概述（2）光存儲(chǔ)原理及分類（1）原理：只要材料的某種性質(zhì)對光敏感，在被信息調(diào)制過的光束照射下，能產(chǎn)生理化性質(zhì)的改變，并且這種改變能在隨后的讀出過程中使讀出光的性質(zhì)發(fā)生變化，都可以作為光學(xué)存儲(chǔ)的介質(zhì)。（2）分類按介質(zhì)的厚度：面存儲(chǔ)、體存儲(chǔ)；按數(shù)據(jù)存取：逐位存儲(chǔ)、頁面并行式存儲(chǔ)；按鑒別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：位置選擇存儲(chǔ)、頻率選擇存儲(chǔ)等。（3）光存儲(chǔ)的特點(diǎn)（1）存儲(chǔ)密度高信息的存儲(chǔ)密度表征單位面積或單位體積可存儲(chǔ)的二進(jìn)制位數(shù)（bit/cm2，bit/cm3），用以表示各種存儲(chǔ)方法的性能指標(biāo)。電子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度約104－106bit/cm2

，即使是超大規(guī)模集成電子存儲(chǔ)器也不會(huì)超過106bit/cm2

。光學(xué)存儲(chǔ)器的理論極限值：面存儲(chǔ)密度為1/λ2；體存儲(chǔ)密度為1/λ3。

按λ=500nm計(jì)算，存儲(chǔ)密度為1Tbit/cm3。（2）并行程度高光子之間不會(huì)相互作用，因而光計(jì)算的并行處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電子計(jì)算。提供并行輸入輸出和數(shù)據(jù)傳輸。（3）抗電磁干擾

光子不荷電，抗電磁干擾。（4）存儲(chǔ)壽命長磁存儲(chǔ)2—3年；光存儲(chǔ)10年以上。（5）非接觸式讀／寫信息（6）信息價(jià)格位低價(jià)格可比磁記錄低幾十倍。（3）光存儲(chǔ)的特點(diǎn)2、光盤存儲(chǔ)自60年代末美國ECD及IBM公司共同研制出第一片光盤以來，光盤存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展之迅速出人意料。

激光唱片(CompactDisk，CD)

激光視盤(LaserVideo—Disk，LVD)：LD，VCD，DVD……。

計(jì)算機(jī)外存設(shè)備：光盤（1）光盤存儲(chǔ)的原理激光經(jīng)聚焦后可在記錄介質(zhì)中形成極微小的光照微區(qū)(直徑為光波長的線度，即1μm以下)，使光照部分發(fā)生物理和化學(xué)變化，從而使光照微區(qū)的某種光學(xué)性質(zhì)(反射率、折射率、偏振特性等)與周圍介質(zhì)有較大反襯度，可以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。

激光器光調(diào)制器采樣編碼原始信息光盤記錄介質(zhì)語音、樂曲、圖像、文字、數(shù)據(jù)將原始信息轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，再變換成二進(jìn)制編碼使光源的強(qiáng)度按照編碼信號(hào)變化每一個(gè)采樣編碼稱為一個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)內(nèi)除了包含有對應(yīng)采樣點(diǎn)的信息，如聲音的強(qiáng)弱、圖像或文字對應(yīng)像素的灰度之外，還包含有諸如糾錯(cuò)等為提高解碼準(zhǔn)確度和系統(tǒng)抗干擾能力等內(nèi)容的編碼。聚焦燒坑由激光寫入信息的光盤稱為母盤，母盤再經(jīng)過特殊處理成壓模，再用壓制工藝大量復(fù)制出最終的CD、VCD和DVD產(chǎn)品。光學(xué)透鏡會(huì)聚的光斑直徑可小至波長量級（300－800nm），光盤上圓環(huán)形信道的間隔也是波長量級，記錄軌道的密度可高達(dá)1000道／mm以上，所以單面光盤的存儲(chǔ)密度比例于1/λ2

,存儲(chǔ)容量則約等于光盤的有效面積乘以1/λ2。（2）光盤讀出的原理光盤的播放（讀出）過程實(shí)際上是寫入的反過程。激光光盤光探測器電子放大器解碼處理器原始信息光盤在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下以均勻速度轉(zhuǎn)動(dòng)，聚焦的激光束跟蹤光盤上的信道讀出被存儲(chǔ)的信息。存儲(chǔ)于光盤表面的燒坑造成光盤表面反光特性規(guī)律的變化，因而使投射的激光強(qiáng)度受到調(diào)制，于是光盤表面反射的激光便攜帶了存儲(chǔ)于光盤的信息。（3）光盤與磁盤比較存儲(chǔ)密度：磁盤的道距(約10μm)，光盤的道距(約lμm)據(jù)DataStoragel998年2月報(bào)道。IBM已有突破磁盤存儲(chǔ)密度10Gbit/in2大關(guān)的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī).數(shù)據(jù)傳輸速率：光盤的性能不及磁盤。（4）光盤的分類按其功能劃分主要有四種：(1)只讀存儲(chǔ)光盤(CD-ROM)(2)一次寫入光盤(WORM；或稱DRAW)①燒蝕型②起泡型③熔絨型④合金型⑤相變型(3)可擦重寫光盤(EDAW)：先擦后寫(4)直接重寫光盤：寫同時(shí)擦除原信息3、全息存儲(chǔ)技術(shù)全息存儲(chǔ)技術(shù)屬體存儲(chǔ)，采用并行寫入和讀出方式，因而具有極高的寫入與讀出速度，其極限值主要限于寫入和讀出光子器件（空間光調(diào)制器和面陣列CCD光探測器）的性能。目前采用快速并行探測器陣列的全息存儲(chǔ)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到1Gb/s。二、光顯示技術(shù)1、概述光顯示器是光子信息系統(tǒng)的重要組成部分。電視廣播接收機(jī)中由電視屏幕將電視圖像顯示給觀眾。將視頻電子圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為可視圖像的顯像管及其用于圖像生成的附加電磁控制部分的組合稱為圖像顯示器。顯示器是圖像（包括文字、圖形和數(shù)據(jù)）信息系統(tǒng)的終端，是專門為人的視覺設(shè)置的，所以它應(yīng)該滿足人眼視覺的需求，讓人感覺到再生圖像的逼真性。（1）光電顯示技術(shù)的分類按面積：小型，中型(約0.2m2左右)、大型(1m2以上)和超大型顯示(如4m2以上)按結(jié)構(gòu)形狀：頸瓶狀顯示器、平板顯示器。按顏色：黑白、單色、彩色顯示。按顯示內(nèi)容、形式：數(shù)碼、字符、軌跡、圖表、圖形、圖像顯示。按所用顯示材料：固體(晶體和非晶體)、液體、氣體、等離子體、液晶體顯示等。按顯示發(fā)光類別：自發(fā)光型、被動(dòng)受光型顯示等。按成像空間坐標(biāo)：二維平面顯示、三維立體顯示。按顯示原理：電子束顯示(CRT)、真空熒光顯示(VFD)、發(fā)光二極管顯示(LED)、電致發(fā)光顯示(ELD)、等離子體顯示(PDP)、液晶顯示(LCD)、激光顯示(LD)和電致變色顯示(ECD)，等等。

（1）光電顯示技術(shù)的分類陰極射線管(CRT)平板顯示(FlatPanelDisplay，F(xiàn)PD)顯示技術(shù)液晶顯示(LCD)等離子體顯示(PDP)電致發(fā)光顯示(ELD)發(fā)光二極管顯示(LED)（2）顯示器件主要性能指標(biāo)亮度:

指垂直于光束傳播方向上的單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度。單位為cd/m2。一般顯示器應(yīng)有70cd/m2的亮度，具有這種亮度圖在普通室內(nèi)照度下清晰可見。在室外觀看要求亮度更高，可達(dá)300cd/m2以上。對比度和灰度對比度：指畫面上最大亮度和最小亮度之比。一般顯示器應(yīng)有30:1的對比度?；叶龋褐府嬅嫔狭炼鹊牡燃壊顒e。例如，一幅電視畫面圖像應(yīng)有八級左右的灰度。眼睛可分辨的最大灰度級大致為100級。分辨力：

人眼觀察圖像清晰程度的標(biāo)志。用光柵高度(幀高)范圍內(nèi)能分辨的等寬度黑白條紋(對比度為100％)數(shù)目或電視掃描行數(shù)來表示。如果在垂直方向能分辨250對黑白條紋，就稱垂直分辨力為500行(線)。有時(shí)也用光點(diǎn)直徑來表示。用光柵高度除以掃描線數(shù)，即可算出一條亮線的寬度，此寬度即為熒光屏上光點(diǎn)直徑的大小。在顯示器件中，光點(diǎn)直徑大約幾微米到幾千微米。一般對角線為23–53cm的電視顯像管其光點(diǎn)直徑約0.2–0.5mm。發(fā)光顏色

發(fā)光顏色(或顯示顏色)的衡量方法，可用發(fā)射光譜或顯示光譜的峰值及帶寬，或用色度坐標(biāo)表示。顯示器件的顏色顯示能力，包括顏色的種類、層次和范圍，是彩色顯示器件的一個(gè)重要指標(biāo)。余輝時(shí)間:

指熒光粉的發(fā)光，在電子轟擊停止后起，到亮度減小到電子轟擊時(shí)穩(wěn)定亮度的l/10(或1/100)所經(jīng)歷的時(shí)間，余輝時(shí)間主要決定于熒光粉，一般陰極射線熒光粉的余輝時(shí)問從幾百納秒到幾十秒。2、典型的圖像顯示器（1）陰極射線顯象管（CRT）（2）液晶顯示器（LCD）（3）等離子顯示器（PDP）（4）半導(dǎo)體發(fā)光二極管顯示器（5）激光束掃描大屏幕顯示（6）電致發(fā)光顯示器（1）陰極射線顯像管（CRT）

CathodeRayTubeCRT是技術(shù)最完善、應(yīng)用最廣泛的電子圖像顯示器CRT主要由電子槍、偏振控制系統(tǒng)和熒光屏三部分組成。產(chǎn)生的熒光是白光，則稱為黑白顯象管；若是彩色的，則稱為彩色顯象管。熒光屏是一塊涂有發(fā)光物質(zhì)的透明玻璃，高速電子束撞擊熒光物質(zhì)產(chǎn)生可見光點(diǎn)，由光點(diǎn)（像素）組成圖像或圖形。彩色顯象管的電子槍要發(fā)射三束電子束并由三路對應(yīng)紅、綠、藍(lán)三個(gè)可見光波段的視頻信號(hào)分別控制其強(qiáng)度，經(jīng)過聚焦后分別打在熒光屏的同一空間點(diǎn)（一個(gè)像素）處相鄰的紅、綠、藍(lán)熒光粉上構(gòu)成彩色畫面。CRT顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)：●壽命長（2萬小時(shí)）●亮度、對比度大，無視角問題●清晰度高，可達(dá)到SDTV及HDTV要求●對高速運(yùn)動(dòng)圖像重顯效果好●技術(shù)成熟，綜合性價(jià)比最好數(shù)字電視（DigitalTV）包括數(shù)字HDTV、數(shù)字SDTV和數(shù)字LDTV三種。三者區(qū)別主要在于圖像質(zhì)量和信道傳輸所占帶寬的不同。從視覺效果來看，數(shù)字HDTV（1000線以上）為高清晰度電視（HighDefinitionTelevision）的簡稱，圖象質(zhì)量可達(dá)到或接近35mm寬銀幕電影的水平；SDTV（500-600線）即標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視，主要是對應(yīng)現(xiàn)有電視的分辨率量級，其圖象質(zhì)量為演播室水平；LDTV（200-300線）即普通清晰度電視，主要是對應(yīng)現(xiàn)有VCD的分辨率量級。數(shù)字電視（DigitalTV）CRT顯示器的主要缺點(diǎn)：●體積大，重量重，實(shí)現(xiàn)34英寸以上顯示有困難●光柵失真大，受地磁影響，全屏亮度不均勻●屏幕邊沿和屏幕中心清晰度不同●存在輻射，功耗較大CRT背投影顯示背投電視CRT背投影顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)：●易于實(shí)現(xiàn)大屏幕、SDTV顯示●亮度、對比度較高●技術(shù)成熟，目前在屏幕尺寸相同情況下性價(jià)比最高●惰性小，對高速圖像重顯效果好CRT背投影顯示器的主要缺點(diǎn)：●光柵失真大，調(diào)整復(fù)雜，受地磁場影響●可視角小，屏中和屏邊清晰度不同●屏幕越大，亮度越低●投影管壽命短（1200－2000小時(shí)），需定期更換（2）液晶顯示器（LCD）

Liquid

Crystal

Display液晶顯示器屬投影式平板顯示器，液晶相當(dāng)于一個(gè)二維陣列可變透過率濾光器，稱其為光閥。液晶光閥可由外加視頻信號(hào)控制其像素陣列上相應(yīng)像素的透光特性而構(gòu)成圖像。液晶（Liquid

Crystal）

液晶是物質(zhì)的一種狀態(tài)，介于固態(tài)和液態(tài)之間，具有液體的流動(dòng)性，同時(shí)又具有固體物質(zhì)中分子有序排列的晶體特性，所以稱為液晶。液晶分子的結(jié)構(gòu)有明顯的方向性，因而其光學(xué)和電學(xué)特性也具有強(qiáng)烈的各向異性。若對液晶施加電場，就會(huì)引起其分子排列放心和位置的變化，從而導(dǎo)致其光學(xué)性質(zhì)的變化，此稱為液晶的電光效應(yīng)。液晶顯示的原理液晶盒：外加電場的變化導(dǎo)致液晶分子取向變化，而使入射液晶內(nèi)的光波偏振態(tài)變化檢偏器：將偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)化為出射光強(qiáng)的變化起偏器：保證入射光為線偏光TN（TwistedNematic）顯示模式扭曲90度的顯示模式TN-LCD：手表、儀表、計(jì)算器STN顯示模式通過對TN液晶的改善獲得的STN液晶材料，具有陡峻的透過率—電壓特性，和大的彈性系數(shù)比K33/K11。STN-LCD：BP、移動(dòng)電話、PDA、筆記本電腦TFT（ThinFilmTransistor）顯示模式液晶與薄膜晶體管TFT組成的有源矩陣方式已成為液晶顯示的主流。兩夾層間填充液晶分子的設(shè)計(jì)。只不過是把一邊夾層的電極改為了FET晶體管，而另一邊邊夾層的電極改為了共通電極。但不同的是，由于FET晶體管具有電容效應(yīng)，能夠保持電位狀態(tài)，先前透光的液晶分子會(huì)一直保持這種狀態(tài)，直到FET電極下一次再加電改變其排列方式為止。相對而言，TN就沒有這個(gè)特性，液晶分子一旦沒有被施壓，立刻就返回原始狀態(tài)，這是TFT液晶和TN液晶顯示原理的最大不同。TFT型液晶顯示器(TFT-LCD)高電阻率對紫外光的高穩(wěn)定性（無分解）TFT液晶材料TFT-LCD：電視、監(jiān)視器、投影器LCD電視LCD顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)：●壽命長（理論可到5萬小時(shí)）●光柵不受磁場影響，●清晰度高，屏幕邊緣和中心清晰度相同●防爆、防輻射、安全性好●體積小、重量輕LCD顯示器的主要缺點(diǎn)：●惰性大，快速圖像顯示有拖尾●存在視角問題●大屏幕高清晰度顯示成品率低，成本高（3）等離子顯示器（PDP）

Plasma

Display

Panel等離子顯示器屬自發(fā)光平板顯示器。這種顯示器利用氣體放電中的直接發(fā)光或由其發(fā)出的紫外光二次激發(fā)熒光粉涂層，發(fā)出彩色熒光，實(shí)現(xiàn)黑白和彩色顯示。稱其為等離子，是因?yàn)楣ぷ鳉怏w在放電激勵(lì)下處于等離子狀態(tài)。處在高度電離狀態(tài)的氣體，由于強(qiáng)大的庫侖吸引力，其中正離子和負(fù)離子形成的空間電荷密度大體相等，使整個(gè)氣體呈電中性。1929年朗繆爾（I.Langmuir）將其命名為plasma,中文譯作等離子體。等離子體是除固、液、氣之外的又一種物質(zhì)狀態(tài)。等離子體（plasma）PDP顯示器的主要優(yōu)點(diǎn)：●沒有聚焦、會(huì)聚問題，圖形失真小，全屏一致性好，適用于42“到61”的大屏幕顯示●亮度（大于500cd/m2）、對比度（400：1）、可視角（大于160°）優(yōu)于LCD及CRT背投影●屬于自發(fā)光器件，惰性小，顯示高速圖像無拖尾現(xiàn)象，彩色還原接近于CRTPDP顯示器的主要缺點(diǎn)：●功耗大，42寸功耗在250W以上●實(shí)現(xiàn)200萬象素HDTV有困難●長期顯示固定圖像會(huì)造成屏幕灼傷●顯示垂直高速運(yùn)動(dòng)圖像有偽輪廓效應(yīng)PDP電視六、幾種電視比較

CRTLCDPDPCRT背投影壽命2萬小時(shí)5萬小時(shí)短于5萬小1200小時(shí)更換投影燈泡亮度最高較高高劣于LCD視角問題/拖尾問題無/無明顯/明顯無/垂直輪廓有/無清晰度高（HDTV）最高（HDTV）高（HDTV）較高(SDTV)屏中與屏邊均勻性問題有無無明顯光柵失真及受地磁干擾問題有無無有