《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件第7章

7.1顯示器件的性能指標(biāo)7.2顯示器件的發(fā)光、顏色、視覺與彩色重現(xiàn)7.3陰極射線致發(fā)光顯示7.4液晶顯示7.5場致發(fā)光顯示7.6等離子體顯示第7章光電顯示技術(shù)

7.1顯示器件的性能指標(biāo)

7.1.1顯示技術(shù)的分類

顯示技術(shù)的分類方法多種多樣，按顏色可分為黑白、單色、彩色顯示；按顯示材料可分為固體、液體、氣體、等離子體和液晶顯示；按顯示發(fā)光類型有主動發(fā)光型顯示和非主動發(fā)光型顯示；按顯示內(nèi)容可分為數(shù)字、字符、圖形、圖像顯示；按顯示原理可分為電子束顯示(CRT)、發(fā)光二極管顯示(LED)、等離子體顯示(PDP)、液晶顯示(LCD)、電致發(fā)光顯示(ELD)、電致變色顯示(ECD)、真空熒光顯示(VFD)等。7.1.2顯示器件的主要性能指標(biāo)

1．亮度

亮度是指單位面積上的發(fā)光強度，即

式中，I為發(fā)光強度；A為發(fā)光面面積。

2．對比度和灰度

對比度(C)是指畫面上最大亮度(Lmax)與最小亮度(Lmin)之比，即

好的圖像顯示要求顯示器的對比度至少要大于30，這是在普通環(huán)境光下觀察的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在市場上大多產(chǎn)品的對比度值很高，它主要是指在沒有環(huán)境光即暗室中測試的數(shù)據(jù)。

3．分辨力

人眼的分辨力是指人眼對所觀察的實物細(xì)節(jié)或圖像細(xì)節(jié)的辨別能力，具體量化起來就是能分辨出平面上的兩個點的能力。人眼的分辨力是有限的，在一定距離、一定對比度和一定亮度的條件下，人眼只能區(qū)分出小到一定程度的點，如果點更小，就無法看清了。分辨力是指能夠分辨出圖像的最小細(xì)節(jié)的能力，是人眼觀察圖像清晰程度的標(biāo)志，通常用平面上能夠分辨出的明暗交替線條的總數(shù)來表示，而對于用矩陣顯示的平板顯示器常用電極數(shù)目表示其分辨力。

4．響應(yīng)時間、余輝時間

響應(yīng)時間是指從施加電壓到出現(xiàn)圖像顯示的時間，又稱為上升時間。從切斷電源到圖像顯示消失的時間稱為下降時間，又稱余輝時間。

5．顯示顏色

發(fā)光型顯示器件發(fā)光的顏色和非發(fā)光型顯示器件透射或反射光的顏色稱作顯示色，可用發(fā)射光譜或顯示光譜的峰值及帶寬，或色度坐標(biāo)表示。顯示色分為黑白、單色、多色和全色四大類。我們是在日光下長大的，在觀看電視圖像時，若不是彩色，則最好是黑白。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重要指標(biāo)。CRT電視機能顯示色彩十分逼真的全彩色電視圖像，而大部分發(fā)光型平板顯示器件實現(xiàn)紅光或綠光顯示比較容易。

6．發(fā)光效率

發(fā)光效率是指發(fā)光型器件所發(fā)出的光通量與器件所消耗的功率之比，單位為流明每瓦特(lm/W)。它決定了顯示器件工作時的功率消耗，提高發(fā)光效率既可相應(yīng)降低消耗功率，也可緩解顯示器件整機的散熱問題。

7．存儲功能

外加電壓除去之后，仍然能保持顯示狀態(tài)的功能稱為存儲功能。存儲功能可減少顯示器件的功耗，并能有效地簡化驅(qū)動電路，特別是在多路驅(qū)動和矩陣選址時，發(fā)揮作用巨大。

7.2顯示器件的發(fā)光、顏色、視覺與彩色重現(xiàn)

7.2.1顏色的基本特性及顏色混合

1.顏色的基本特性

顏色分兩大類：非彩色和彩色。非彩色是指黑色、白色和在這兩者之間深淺不同的灰色。它們可以排成一個系列，由白色漸漸到淺灰、中灰、深灰直到黑色，這稱為黑白系列或無色系，它可以用一條垂直線代表，一端是純白，另一端是純黑?；疑遣伙柡蜕?，黑白系列的非彩色的反射率代表物體的亮度，反射率越高時，接近白色；反射率越低時，接近黑色。

2.顏色的混合

1)加法混色

(1)同時加色法。對于光譜中的每一種色光，都可以找出另一種按一定比例與它混合得到一種白色的色光，這一對色光稱為補色。如紅色與青色、綠色與紫色、藍(lán)色與黃色都

是互補色。如果混合的色光不是補色，便產(chǎn)生介于它們兩者之間的中間色。光譜中的色光混合是一種加色法。這種加色法的結(jié)果可以用下列簡單的式子表示：

紅色+綠色=黃色

紅色+藍(lán)色=紫色

藍(lán)色+綠色=青色

紅色+藍(lán)色+綠色=白色

(2)繼時加色法。將兩種以上的顏色刺激以(40~50)Hz以上的交替頻率作用于視網(wǎng)膜，就形成混色刺激狀態(tài)?；焐Q為繼時混色，也稱為時間混色。在混色盤上以適當(dāng)比例涂上紅、綠、藍(lán)三基色，混色盤高速旋轉(zhuǎn)時，可以得到光譜上的各種顏色。

(3)空間加色法。紅、綠、藍(lán)三個發(fā)光點，當(dāng)它們互相靠得很近，近到人眼不能分辨時，這三個發(fā)光點便在人眼中產(chǎn)生混色效應(yīng)。彩色電視呈現(xiàn)的顏色就是空間加色法的實用

例子。當(dāng)我們用放大鏡去看彩色電視機的顯像管的屏面時，會發(fā)現(xiàn)它是由紅、綠、藍(lán)的微小熒光粉發(fā)光點組成的。微

小熒光粉受到電子束照射時便成為微發(fā)光體，其直徑小于0.5mm(粒子間距離與此值相近)。

2)減法混色

色光混合是一種加色法，但日常生活中顏料、油漆等按不同顏色比例混合得出的顏色與上述的用色光混合得到的顏色是不一樣的。顏料的顏色是顏料吸收了一定波長的光線以后所余下的光線的色調(diào)，例如，黃色顏料是從入射白光中吸收藍(lán)光而反射紅光和綠光的，所以用顏料、油漆等的混合配色是一種減色法。減色法的三原色是黃、品紅、青，它們是相加三原色紅、綠、藍(lán)的補色。彩色電視機主要是應(yīng)用加色混色法，而彩色影片的畫面是由黃、青、品紅三種影片顏料按減色法原理構(gòu)成的，減法混色的各種結(jié)果如圖7-1所示。圖7-1減法混色的各種結(jié)果7.2.2人眼的彩色視覺特性

1.人眼空間混色特性

在同一時刻，當(dāng)空間有三種不同顏色的點(如三基色點)，它們的位置靠得足夠近，以至于它們對人眼所張視角小于人眼的極限分辨角(人眼黑白視角分辨角約為1′，彩色視角分辨角約為4′)時，人眼就不能分辨出它們各自的顏色，而只能感覺它們的混合色。人眼的這種空間混色特性

就是同時制式彩色電視的基礎(chǔ)。

2.人眼時間混色特性

在同一空間，不同顏色(如三基色)的變換時間小于人眼的視覺惰性(人眼白天有效積分時間約為0.02s)時，人眼就不能分辨出它們各自的顏色，而只能感覺它們的混合色。人眼的這種時間混色特性就是順序制式彩色電視的基礎(chǔ)。

3.人眼生理混色特性

當(dāng)人的兩只眼晴同時分別觀看兩種不同顏色的同一景象時，同樣可以獲得混色效果，這就是人眼生理混色特性。7.2.3彩色重現(xiàn)原理

1.三基色原理

人眼不僅有明暗視覺，而且還有彩色視覺。國際標(biāo)準(zhǔn)眼能分辨出13000多種顏色，一般有經(jīng)驗的人的眼睛亦能分辨出120多種顏色。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們通過定性研究已經(jīng)了解了顏色的連續(xù)性、顏色的可分性、顏色的可合性等性質(zhì)。根據(jù)以上性質(zhì)，任一顏色都可以看做是由許多獨立色彩的線性組合。即

同時根據(jù)上述性質(zhì)，顏色符合亮度相加定律，即混合色的總亮度等于各組成顏色亮度的總和。

三基色原理是指選擇三種相互獨立的基色，按一定比例混合調(diào)配，模擬自然界中絕大多數(shù)常見的彩色的原理。實驗證明，自然界中客觀存在的任一顏色可表示為三個確定的相互獨立的顏色的線性組合。即

c=a10c10+a20c20+a30c30

2.彩色重現(xiàn)

在CIE-RGB計色系統(tǒng)中，國際照明委員會(CIE)于1931年規(guī)定波長為700nm的紅光(R)，波長為546.1nm的綠光(G)，波長為435.8nm的藍(lán)光(B)為三基色。同時規(guī)定在CIE-RGB系統(tǒng)用等量的(R)、(G)、(B)能配出等能白光，此等能白光是指在可見光譜范圍內(nèi)光譜射功率為恒定值的一種白光。實驗表明，為配出標(biāo)準(zhǔn)等能白光，三個基色光的光通量之比為即是說，當(dāng)用光通量為1lm的紅基色光為垂準(zhǔn)時，為配出等能白光需要4.5907lm綠基色光和0.0601lm的藍(lán)基色光。這時配出的1E等能白光的光通量為

1.0000+4.5907+0.0601=5.6508lm為了簡化計算，國際上統(tǒng)一規(guī)定：把波長為700nm、光通量為1lm的紅光作為一個紅基色單位，并用(R)表示；把波長為546.1nm、光通量為4.5907lm的綠光作為一個綠基色單位，并用(G)表示；把波長為435.8nm、光通量為0.0601lm的藍(lán)光作為藍(lán)基色單位，用(B)表示。用配色方程表示等能白光為

F白=l(R)+l(G)+l(B)

那么對于任一給定的彩色光F，其配色方程可寫成

F=R(R)+G(G)+B(B)式中，R(R)、G(G)、B(B)稱為彩色光F的三色分量，R、G、B稱為三色系數(shù)，或稱為三刺激值，它們的數(shù)值大小決定了所配彩色的光通量，用亮度方程表示為

ΦF=1.0000R+4.5907G+0.0601B(lm)

而R、G、B在它們?nèi)咧械谋壤P(guān)系決定了彩色光F的色度，于是令

m=R+G+B顯然

r+b+g=1。式中,m稱為色模，它代表某彩色光所含三基色單位的總量。r、g、b稱為色度坐標(biāo)或相對色系數(shù)。它們分別表示當(dāng)規(guī)定所用三基色單位總量為1時，為配出某給定色度的彩色光所需要的(R)、(G)、(B)的數(shù)值，則配色方程又可寫成

F=m［r(R)+g(G)+b(B)］

而光通量(或亮度)可寫成

Φ=m(1.0000r+4.5907g+0.0601b)(lm)很顯然，R+G+B的數(shù)值只表示混色后彩色量的亮度，它與顏色無關(guān)，式中,r、g、b才表示混色后彩色的色度，稱r、g、b為三基色的相對系數(shù)。同時由于r+g+b=1，所以只

要知道兩個色度坐標(biāo)就可以確定色度，這樣就可以用一個平面來表示彩色的色度。

7.3陰極射線致發(fā)光顯示

7.3.1陰極射線發(fā)光體的發(fā)光機理

陰極射線發(fā)光主要包括光致發(fā)光中的分立發(fā)光和陰極射線發(fā)光中的復(fù)合發(fā)光。

1.復(fù)合發(fā)光

典型的陰極射線顯示發(fā)光物質(zhì)為晶態(tài)發(fā)光體，這是一類含有雜質(zhì)和其他缺陷的離子型晶體。晶態(tài)發(fā)光體的發(fā)光機理為復(fù)合發(fā)光，其特點是：能量吸收在基質(zhì)中進行，而能量輻射則在激活劑上產(chǎn)生，即發(fā)光過程在整個晶體內(nèi)完成。由于全過程中晶體內(nèi)伴隨有電子和空穴的漂移或擴散，從而常常產(chǎn)生特征性光電導(dǎo)現(xiàn)象，因而這類發(fā)光一般又稱為光電導(dǎo)型發(fā)光。相對而言這類發(fā)光余輝較長，俗稱磷光。電視機或監(jiān)視器就是這類發(fā)光機理。復(fù)合發(fā)光可用能帶模型描述。晶態(tài)發(fā)光體的能帶結(jié)構(gòu)如圖7-2所示。圖7-2晶態(tài)發(fā)光體的能帶結(jié)構(gòu)

1)吸收激發(fā)能電離過程

晶體吸收外界激發(fā)能，引起基質(zhì)價帶電子和激活劑C能級上的電子(遠(yuǎn)少于基質(zhì)電子)激發(fā)、電離而到達(dá)導(dǎo)帶，從而在價帶中引入空穴，導(dǎo)帶中引入電子。

2)電子和空穴的中介運動過程

電離產(chǎn)生的電子和空穴分別在導(dǎo)帶和價帶中擴散。空穴擴散到價帶頂附近后被激活劑離子G能級俘獲。當(dāng)電子擴散到導(dǎo)帶底附近時，有的不經(jīng)過亞穩(wěn)態(tài)，直接落入激活劑離子C能級相應(yīng)的激發(fā)態(tài)A(a過程);有的被淺層亞穩(wěn)態(tài)的陷阱能級T俘獲，之后借助熱運動回到導(dǎo)帶，繼而失去部分能量落入激發(fā)態(tài)A(b過程)；有的被深層陷阱能級T俘獲，之后在外界能量激發(fā)下回到導(dǎo)帶，繼而失去部分能量落入激發(fā)態(tài)A

(c過程)。

3)電子空穴對復(fù)合發(fā)光過程

激活劑離子A能級上的電子與G能級上的空穴復(fù)合并向外輻射光子。上述a過程中的電子在導(dǎo)帶中停留時間少于

0.1ns即復(fù)合發(fā)光，因而稱為短時復(fù)合發(fā)光;而b、c過程的電子由于存在T能級(即亞穩(wěn)態(tài))俘獲過程，因而復(fù)合發(fā)光滯后于電子受激發(fā)躍遷，存在余輝時間，稱為長時復(fù)合發(fā)光。

2.分立發(fā)光

分立發(fā)光是另一類重要的發(fā)光機制，其特點是能量吸收和輻射均發(fā)生在晶體單分子中的激活劑附近，即發(fā)光中心上，因而稱為短時非光電導(dǎo)型發(fā)光，俗稱熒光。日光燈發(fā)光就屬于這類發(fā)光。

分立發(fā)光機理常用位形坐標(biāo)模型來解釋，如圖7-3所示。由于原子的勢能場對電子的作用與位置有關(guān)，因而晶格中處于振動狀態(tài)電子的能態(tài)隨原子位置變化而變化。位形坐標(biāo)就是用來描述激活劑原子空間位置變化時電子能態(tài)的變化情況的。圖7-3分立發(fā)光機理的位形坐標(biāo)模型7.3.2陰極射線管

CRT的工作原理是從陰極發(fā)射出來的熱電子在真空中被陽極高壓加速、聚焦，最后撞向涂有熒光粉的熒光屏，激發(fā)熒光粉發(fā)光，通過電子束的掃描實現(xiàn)二維圖像顯示，是一種能實現(xiàn)全彩色顯示的顯示器件。它總共包含三大部件：

(1)發(fā)射電子并將它們會聚成細(xì)束的電子槍。

(2)使電子束在熒光屏上掃描的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

(3)根據(jù)電子束能量強弱而發(fā)出不同亮度光的熒光屏。7.3.3黑白顯像管

黑白顯像管是通過電光轉(zhuǎn)換重現(xiàn)電視圖像的一種窄束強流電子束管，其基本工作原理是:電子槍發(fā)射出的電子束被加在電子槍柵極或陰極上的視頻電信號所調(diào)制后，經(jīng)過加速、聚焦、掃描、復(fù)合發(fā)光等一系列過程最終變?yōu)闊晒馄辽习纯臻g分布、亮度隨電信號強弱而變化的相應(yīng)光信號，從而得到與原被攝景物幾何相似、明暗對應(yīng)的適合人眼視覺特性要求的光學(xué)圖像。黑白顯像管的基本結(jié)構(gòu)包括電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、熒光屏和玻殼，如圖7-4所示。圖7-4黑白顯像管的基本結(jié)構(gòu)

1.電子槍

BPF電子槍結(jié)構(gòu)如圖7-5所示，包括燈絲Hf、陰極K、控制極G1、加速極G2、第二陽極(聚焦極)G3和高壓陽極G4。圖7-5

UPF電子槍結(jié)構(gòu)電子槍的第二個作用是用視頻信號調(diào)制電子束流。電子束流由陰極和控制極的電位控制。發(fā)射電子束流的強度Ie表示為

Ie=ke(ug－Ego)γ

2.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

一般情況下，在水平偏轉(zhuǎn)線圈上輸入行頻為15625Hz

(我國采用的PAL電視制式規(guī)定，每幀625行，隔行掃描，每幀兩場，每秒50場)的鋸齒波電流，在垂直偏轉(zhuǎn)線圈上輸入場頻為50Hz的鋸齒波電流。當(dāng)電流通過線圈時，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場，使電子束偏轉(zhuǎn)，如圖7-6所示。改變電流的大小和方向，磁場的強弱和方向也隨之改變，電子束于是隨之上下左右偏移。圖7-6偏轉(zhuǎn)線圈上的電流假設(shè)偏轉(zhuǎn)磁場只均勻存在于管軸方向上長度為L的區(qū)域，其外磁場為零。于是垂直磁場入射的電子束在磁場內(nèi)作圓周運動，離開磁場后沿圓周切線射向熒光屏面，電子束直線部分的反向延長線與z軸的交點C為電子束的偏轉(zhuǎn)中心，θ為電子束偏轉(zhuǎn)角，d為電子束著屏點偏移量，即

3.熒光屏

熒光屏是實現(xiàn)顯像管電光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件之一，要求發(fā)光亮度和發(fā)光效率足夠高，發(fā)光光譜適合人眼觀察，圖像分辨力高，傳遞效果好，余輝時間適當(dāng)，機械、化學(xué)、熱穩(wěn)定性好，壽命高。7.3.4彩色顯像管

1.三槍三束彩色顯像管

三槍三束彩色顯像管的原理圖如圖7-7所示，它的三

個電子槍呈品字形排列，三槍都向中心軸線傾斜1°~1.5°，以求得靜會聚。選色機構(gòu)為一個蔭罩，由厚度為(0.10~0.13)mm鋼板制成，上面刻蝕出40多萬個圓孔。它的作用是保證每個電子束在整個掃描過程中都能打到自己

的基色粉點上，以免產(chǎn)生彩色失真。這種有蔭罩板的色點管，也稱蔭罩管，如圖7-8所示。圖7-7三槍三束彩色顯像管的原理圖圖7-8蔭罩管

2.單槍三束彩色顯像管

單槍三束彩色顯像管是在三槍三束彩色顯像管的基礎(chǔ)上改進而來的。它是由日本索尼公司研制成功的，它的出現(xiàn)使彩色顯像管向自動校正動態(tài)會聚誤差邁進了一大步。

單槍三束管如圖7-9所示，它的熒光屏的粉層是由三種基色熒光粉按R、G、B、R、G、B的次序交替垂直排列

的細(xì)條組成的?？偣布s有1200~1500條之多，掃描一幅畫面要出現(xiàn)70~80萬個色點。對這樣小的點，人眼已分辨不出來了。而只能感覺到疊加的一幅彩色圖像了。圖7-9單槍三束管

3.自會聚彩色顯像管

1)采用了三槍三束精密直列式電子槍自會聚彩色顯像管的三個電子槍排列在一水平線上，彼此間距很小，因而會聚誤差亦很小。除陰極外，其他電極都采用整體式結(jié)構(gòu)。這樣可以保證各電極定位精度，減少裝架帶來的誤差。電子槍除三個獨立的陰極引線用于輸入三基色信號和進行白場平衡調(diào)節(jié)外，其他電極均采用公共引線，簡化了管型芯極結(jié)構(gòu)。

2)采用了間隙開槽式蔭罩板及條形熒光屏

蔭罩板上開有細(xì)長的間隙微型槽，這樣克服了柵網(wǎng)式蔭罩板怕振動的缺點，增強了機械強度、降低了垂直方向的聚焦精度要求、提高了圖像的穩(wěn)定性。熒光屏采用黑底技術(shù)，提高了圖像對比度。

3)采用了精密環(huán)形偏轉(zhuǎn)線圈

為了滿足動態(tài)會聚的要求，保證偏轉(zhuǎn)線圈具有確定的磁場分布，環(huán)形線圈的匝數(shù)分布恰巧給出三電子束動態(tài)會聚所需要的磁場分荷，從而不必進行動態(tài)會聚的調(diào)整。因此，稱這種線圈為會聚自校正型偏轉(zhuǎn)線圈。采用這種線圈的彩管稱為自會聚彩管。

4.束指引管

蔭罩式彩色顯像管已得到廣泛的應(yīng)用，但蔭罩的存在使電子束的利用率不高(38%)，還存在蔭罩與粉條之間對準(zhǔn)以及工作過程中要防止蔭罩熱漂移等一系列工藝問題，使生產(chǎn)過程變得很復(fù)雜。

束指引管的工作原理圖如圖7-10所示。圖7-10束指引管的工作原理圖

5.穿透式彩色顯像管

穿透式彩色顯像管是一種既不用選色蔭罩，也不采用具有幾何圖樣熒光屏的彩色顯像管。屏幕上發(fā)射光的光譜成分隨入射電子束的加速電壓而變化。即利用不同能量的電子束激發(fā)不同深度的熒光粉，由此發(fā)出不同顏色的光。

圖７-11(a)和圖7-11(b)是在一個平面玻璃屏上和一個芯粒子上形成的疊層熒光粉，分層熒光屏既可以用單電子束也可用三電子束激勵，前者在每一瞬時按一定順序產(chǎn)生不同顏色的光，后者是三電子束各用激勵三種熒光粉層所要求的速度同時轟擊熒光粉，產(chǎn)生圖像的紅、綠、藍(lán)三種顏色。圖7-11疊層熒光粉的形成

6.彩色顯像管的前景

在充分了解了CRT的工作原理后可知，它是利用一支電子槍發(fā)射的三束電子束通過蔭罩的選色機構(gòu)分別打到紅、綠、藍(lán)三基色的粉點或粉條而發(fā)光，其尋址是利用電子束在偏轉(zhuǎn)線圈中的交變磁場中的運動而掃描，亮度調(diào)制是依靠電子槍的第一柵極和陰極間的信號變化來實現(xiàn)。

7.4液晶顯示

液晶顯示器件(LCD)是利用液態(tài)晶體的光學(xué)各向異性特性，在電場作用下對外照光進行調(diào)制而實現(xiàn)顯示的。自從1968年出現(xiàn)了液晶顯示裝置以來，液晶顯示技術(shù)得到了很大的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鐘表、計算器、儀器儀表、計算機、袖珍彩色電視機、投影電視機等家用、工業(yè)和軍用顯

示器領(lǐng)域。液晶顯示器主要有以下特點:

(1)液晶顯示器件是厚度僅數(shù)毫米的薄形器件，非常適合于便攜式電子裝置的顯示。

(2)工作電壓低，僅幾伏，用CMOS電路直接驅(qū)動，電子線路小型化。

(3)功耗低，顯示板本身每平方厘米功耗僅數(shù)十微瓦，采用背光源也僅10mW/cm2左右，可用電池長時間供電。

(4)采用彩色濾色器，LCD易于實現(xiàn)彩色顯示。

(5)現(xiàn)在的液晶顯示器顯示質(zhì)量已經(jīng)可以趕上甚至超過CRT的顯示質(zhì)量。液晶顯示器也有一些缺點，主要是：

(1)高質(zhì)量液晶顯示器的成本較高，但是目前呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

(2)顯示視角小，對比度受視角影響較大，現(xiàn)在已找到多種解決方法，視角接近CRT的水平，但僅限于檔次較高的彩色LCD顯示。

(3)液晶的響應(yīng)受環(huán)境影響，低溫時響應(yīng)速度較慢。7.4.1液晶的特點及分類

液晶是介于完全規(guī)則狀態(tài)(如固態(tài)晶體)與不規(guī)則狀態(tài)(如各向同性液體)之間的中間態(tài)物質(zhì)。目前已發(fā)現(xiàn)的液晶物質(zhì)近萬種，幾乎都是有機物。熱致液晶實際上是某些有機物在某一限定溫度范圍內(nèi)的狀態(tài)。在這一溫度范圍的低端，它呈晶狀固體;而在這一溫度范圍的高端，它為清澈的液體;只有在這一限定溫度范圍內(nèi)，它是淡黃色的混濁液體，并具有固體和流動液體的某些光學(xué)特性。它既可以通過固相加熱獲得，也可以通過液相冷卻獲得，其間涉及的相變有兩種情況，一種稱為互變相變，也稱為可逆相變，即另一種稱為單變相變，這種相變中液晶只有在液體冷卻時才形成，即近晶型液晶也稱層狀液晶，由棒狀或條狀分子排列成層，層內(nèi)分子長軸相互平行，其方向垂直于層西域與層面呈傾斜排列，如圖7-12(a)所示。

向列型液晶也稱絲狀液晶，由長徑比很大的棒狀分子組成，每一分子的位置雖無規(guī)則，但從整體來看，分子軸向著同一方向，如圖7-12(b)所示。圖7-12三種液晶分子的排列7.4.2常見的幾種液晶顯示器件

1.超扭曲向列液晶顯示器件(STN-LCD)

扭曲向列液晶顯示器件，其液晶分子的扭曲角為90°，它的電光特性曲線不夠陡峭，由于交叉效應(yīng)，在采用無源矩陣驅(qū)動時，限制了其多路驅(qū)動能力。理論分析和實驗表明，把液晶分子的扭曲角從90°增加到180°～270°時，可大大提高電光特性的陡度。圖7-13表示一組不同扭曲角下液晶盒中央平面上液晶分子的傾角和外加電壓的關(guān)系曲線。圖7-13液晶分子的傾角和外加電壓的關(guān)系曲線

STN-LCD的結(jié)構(gòu)和TN-LCD差別不大。STN-LCD利用了超扭曲和雙折射兩個效應(yīng)，是基于光學(xué)干涉的顯示器件。其工作原理如圖7-14所示，取扭曲角為180°，起偏器偏振方向與液晶盒表面分子長軸在其上的投影方向呈45°，檢偏器偏振方向與起偏器垂直。圖7-14

SIN-LCD的工作原理圖為了對STN-LCD的有色背景進行補償，實現(xiàn)黑白顯示，常采用兩種方法:雙盒補償法(DSTN)和補償膜法(FSTN)。雙盒補償法是在原有STN-LCD的基礎(chǔ)上加一個結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致但扭曲方向相反的液晶盒，這種方法補償效果好，但重量增加，成本較高。目前廣泛采用的是補償膜法，如圖7-15所示，用一層或二層特制的薄膜代替補償盒，這層膜可與偏振片貼在一起。實現(xiàn)黑白顯示后，再加上彩色濾色器，就可以實現(xiàn)彩色顯示。圖7-15補償膜法

2.有源矩陣液晶顯示器件(AM-LCD)

1)二端有源矩陣液晶顯示

二端有源矩陣液晶顯示的電極排列結(jié)構(gòu)如圖7-16所示。圖7-17為MIM矩陣等效電路，MIM與液晶單元呈串聯(lián)電路。二端有源器件是雙向性二極管，正、反方向都具有開關(guān)特性。圖7-16二端有源矩陣液晶顯示的電極排列結(jié)構(gòu)圖7-17

MIM矩陣等效電路

2)三端有源矩陣液晶顯示

三端有源矩陣液晶顯示的結(jié)構(gòu)和單元等效電路如圖7-18所示，每個像素上都串入一個薄膜晶體管(TFT)。圖7-18三端有源矩陣液晶顯示的結(jié)構(gòu)和單元等效電路

3.LCD的背光源

LCD可以在反射、透射或者透反射模式下工作，但為了實現(xiàn)高對比度的全色顯示，往往選擇在透射模式下工作，這就需要外照光源。這種光源一般置于液晶盒背后，稱為LCD的背光源。背光源的色溫、發(fā)光效率、驅(qū)動電路等對LCD的色彩、亮度和功耗有直接影響，它消耗的功率是整個LCD模塊的90%以上，因此對便攜機的背光源，薄形和低功耗是兩個首先要考慮的問題。目前采用的背光源主要有三種:熱陰極熒光燈(HCFL)、冷陰極熒光燈(CCFL)和電致發(fā)光板。背光源用熱陰極熒光燈與照明用熒光燈結(jié)構(gòu)上基本相同，其亮度高、光效大，

但功耗也較大，且需點燃電路。冷陰極熒光燈的結(jié)構(gòu)與熱陰極熒光燈相似，只是用空心的金屬筒陰極代替了燈絲，燈管可以做得很細(xì)，功耗較小且壽命很長，有較高的亮度和發(fā)光效率，是廣泛使用的背照光源。HCFL與CCFL都是管狀。其與液晶的組合方式可分為側(cè)照式和背照式，為了減小厚度，大多數(shù)廠家都采用如圖7-19所示的側(cè)光照明方式，厚約(2.5~5)mm的聚丙乙烯導(dǎo)光板將燈光導(dǎo)入液晶盒背面并經(jīng)鏡面反射投向它。圖7-19側(cè)光照明方式7.4.3液晶大屏幕顯示

1.液晶大屏幕顯示

通常液晶大屏幕顯示器采用壁掛式或屏風(fēng)式，它是由許多塊分立的小塊液晶顯示拼湊而成，每一塊的尺寸在(20~30)cm范圍，內(nèi)含像素有幾十萬個以上。為了獲得最佳的顯示性能，液晶像元驅(qū)動方法采用有源矩陣形式，每個陣元相當(dāng)一個光強調(diào)制器，根據(jù)信號的強弱決定通光的程度。一個典型的圖像顯示系統(tǒng)如圖7-20所示。圖7-20圖像顯示系統(tǒng)圖像顯示單元主要由顯示板及控制臺組成。圖7-20中的

光波導(dǎo)主要為解決接縫的影響而設(shè)置，基本工作原理是將來自液晶板像元的光通量傳到波導(dǎo)的輸出端，擴展了傳輸方向，使得在接縫處的光強與相鄰處液晶單元像素的光強相差不明顯，整體上看去沒有間隙，圖7-21所示的是液晶大屏幕顯示原理圖。圖7-21液晶大屏幕顯示原理圖

2.液晶投影大屏幕顯示

一種最簡便的液晶大屏幕顯示方法是采用向列型液晶矩陣寫入式投影大屏幕顯示器。它是將小屏幕矩陣寫入型顯示屏作為底片，放入投影機光路，即可進行投影放大。使用向列型液晶顯示器，在直視時，視角狹窄，影響觀看效果，但經(jīng)投影放大后，視角只是由大屏幕決定的，因而掩蓋了原來的不足，應(yīng)用效果大為提高，受到了廣泛的重視。一種全彩色液晶顯示視頻投影器如圖7-22所示。圖7-22全彩色液晶顯示視頻投影器

7.5場致發(fā)光顯示

按照場致發(fā)光激發(fā)過程的不同將其分為兩類：

(1)注入式電致發(fā)光。

(2)本征電致發(fā)光。7.5.1

LED與無機LED

LED是注入式電致發(fā)光的典型例子。

P型和N型半導(dǎo)體接觸時，在界面上形成P-N結(jié)。并由于擴散作用而在結(jié)兩側(cè)形成耗盡層。

LED一般有臺面型與平面型兩種結(jié)構(gòu)，如圖7-23所示。圖7-23臺面型與平面型LED的結(jié)構(gòu)7.5.2

OLED

有機發(fā)光顯示器件(OLED)是以有機薄膜作為發(fā)光體的自發(fā)光顯示器件，它的特點有：①發(fā)光效率高、亮度大；②有機發(fā)光材料眾多、價廉，且易大規(guī)模、大面積生產(chǎn)；③發(fā)光光譜覆蓋紅外到紫外，便于實現(xiàn)全彩色顯示；④材料的機械性能良好，易加工；⑤驅(qū)動電壓低，能與半導(dǎo)體集成電路的電壓相匹配，驅(qū)動電路易實現(xiàn)等優(yōu)點。

1.OLED器件的發(fā)光機制

OLED由夾在一個透明陽極和金屬陰極之間的有機層組成層狀結(jié)構(gòu)。用作有機發(fā)光器件的材料可分為有機小分子和聚合物兩類，當(dāng)器件工作在正偏置時，由于有機異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子和空穴發(fā)生注入與遷移現(xiàn)象，形成電子-空穴對，重新組合，通過透明的電極發(fā)光。

OLED有單異質(zhì)結(jié)構(gòu)(singleheterostructure)和雙異質(zhì)

結(jié)構(gòu)(doubleheterostructure)兩種不同的結(jié)構(gòu)，如圖7-24

所示。圖7-24單異質(zhì)結(jié)和雙異質(zhì)結(jié)OLED的結(jié)構(gòu)

OLED的發(fā)光機制簡單地說是由陰極注入的電子和陽極注入的空穴在發(fā)光層相互作用形成受激的激子。激子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，將其能量差以光子的形式釋放出來，光子的能量為

hν=E2－E1

2.OLED器件的分類

OLED顯示一般分為無源矩陣OLED和有源矩陣OLED。

無源矩陣OLED顯示器件結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，適于低信息量的顯示應(yīng)用，如字符、數(shù)字顯示器，其有機層夾在兩個互相垂直的電極層(陽極和陰極)之間，發(fā)光像素按矩陣排列，被掃描的像素在相應(yīng)行、列驅(qū)動電壓的驅(qū)動下，流過電流而發(fā)光。電極與發(fā)光層上、下分別有保護層與玻璃基板。7.5.3高場電致發(fā)光顯示

高場電致發(fā)光顯示一般分為交流粉末電致發(fā)光(ACEL)、直流粉末電致發(fā)光(DCEL)、交流薄膜電致發(fā)光(ACTFEL)和直流薄膜電致發(fā)光(DCTFEL)。

ACEL器件的結(jié)構(gòu)如圖7-25(a)所示，交流粉末電致發(fā)光是將熒光粉(通常為ZnS∶Cu)懸浮在介電系數(shù)很高、透明而絕緣的膠合有機介質(zhì)中，并將熒光粉夾持在兩電極(其中之一為透明電極，另一個是真空蒸鍍金屬電極)之間而構(gòu)成，實質(zhì)上是大量幾微米到幾十微米的微小發(fā)光粉晶體懸浮在絕緣介質(zhì)中的發(fā)光現(xiàn)象，又稱德斯垂效應(yīng)。圖7-25

ACEL和DCEL器件的結(jié)構(gòu)直流粉末電致發(fā)光現(xiàn)象由乍姆等人于1954年發(fā)現(xiàn)，1966年人們得到了高亮度ZnS∶Cu、Mn發(fā)光材料。DCEL器件的結(jié)構(gòu)基本與ACEL器件相似(如圖7-25(b)所示)，但其熒光粉的涂層是導(dǎo)電的CuxS，正常使用前必須在兩電極上施加短暫作用的高電壓脈沖，使Cu+從緊挨著陰極的熒光物表面上掉落，在形成一薄層高電阻的ZnS之后，較低的工作電壓主要降在ZnS上，使其發(fā)光。這種器件的轉(zhuǎn)換效率僅0.1%，但發(fā)光亮度高達(dá)300cd/m2，(U=100V)。自從1968年美國貝爾實驗室制作出薄膜電致發(fā)光(TFEL)器件之后，這方面的研究日益活躍。ACTFEL早期的名字叫“Lumocen”，意為“分子中心發(fā)光”，其發(fā)光材料為ZnS，發(fā)光中心是稀土鹵素化合物分子(TbF3)，其結(jié)構(gòu)如圖7-26(a)所示?，F(xiàn)在的ACTFEL器件一般采用雙絕緣層ZnS∶Mn薄膜結(jié)構(gòu)，如圖7-26(b)所示。圖7-26

ACTFEL器件的結(jié)構(gòu)7.5.4

LED應(yīng)用

1.單體LED做照明與指示燈

做局部照明與指示燈是LED的最早應(yīng)用。目前，在家用電器、音響裝置、汽車、飛機儀表板及許多其他儀器儀表上，發(fā)可見光的LED越來越多地被用于照明燈和指示燈。這種新型的燈因外形可做成各種要求的形狀，同時它們亮度高、光色鮮、高可靠、長壽命的特點都是白熾燈所不及的。

2.LED的字符與數(shù)字顯示

前面已經(jīng)講過，如在一塊基片上做多個LED或?qū)⒍鄠€LED芯片組裝成數(shù)字、字母、符號或簡單的圖形，或者排成單元矩陣，這種LED顯示板小則可以用于電子手表、儀器數(shù)字串顯示，大則用于交通指揮牌、廣告牌、機場車站內(nèi)信息牌顯示，采用不同顏色的LED組合還可進行多色或彩色顯示。

3.LED矩陣顯示板的字符與圖形顯示

將單色和彩色發(fā)光二極管排列成矩陣板可用于大型字符與圖形顯示。由于LED亮度十分高，因此很適合用于車站、機場、商店、體育館以及室外的告示牌和廣告牌，顯示板應(yīng)用單片機和微機為顯示的存儲與處理單元，可使顯示內(nèi)容更豐富。

7.6等離子體顯示

1.等離子體顯示的工作原理

等離子體顯示板(PlasmaDisplayPlate，PDP)是人們期望用以代替CRT顯示的新型顯示器件之一。

在PDP中，有數(shù)百萬個如上所述的微小熒光燈，稱為放電胞，其工作原理與結(jié)構(gòu)如圖7-27所示。圖7-27

PDP放電胞的工作原理與結(jié)構(gòu)

2.PDP的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動

圖