DisplayForAll-2010b

什么是“显示技术”？
显示技术
( Display Technologies ) 何志群
（北京交通大学、理学院、光电子技术研究所）
? 显示器及分类 ? 显示基本物理原理
– 人眼的视觉响应 – 像素/分辨率 – 颜色的生成
我们周围的 显示技术实例
zhqhe@https://www.wendangku.net/doc/a918018982.html,
? 典型显示器工作原理
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户外显示 TV
显示产品
背投式电视
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计算机屏
显示产品
基本原理
人的视觉感官(色彩、分辨 率、反差、时间响应) 物理光学 辐照度学、光度学、色度学
材料
光吸收 光反射 光发射 电子材料
什么是显示技术?
? 显示 (Display)：
– 基本字义：陈列、展出 – 在电子学中，可理解为显示或信息显示
显示技术
? 定义:
– 显示技术：是一种将信息传递给读者的技术 – 电子显示技术：是把电信号变换成可见光信号 的技术
制作及操控
显示单元的电控实现 显示器的电驱动 显示标准及其度量
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? 显示技术 (Display Technology):
– 是把信息信号变换成可见的光信号，并被人感知的 技术 – 是传递视觉信息的一种技术 – 是传递视觉信息的硬件
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? 21世纪信息、电子技术快速发展，现 今的显示多电子显示技术为特征
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什么是显示技术?
人类的信息获取方式
? 人类信息的获取：
– > 60％ (最多) – < 40% 通过视觉实现 通过其他感官实现
显示技术
光信息
通过
什么是显示技术?
显示技术的特点、应用
? 显示技术处理信息的特点：
– 准确、实时、直观、处理的信息量大
? 视觉感官的感知可借助于显示技术 ? 显示技术实现信息显示的基本过程：
信息源 数据处理器 显示器
显示器
传递给 ? 显示技术的应用：
人类
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– 文化教育、体育、医学、生物、工业生产、 交通运输等 – 电视、计算机、仪器仪表、摄像机、雷达等
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显示技术
关注的焦点
? 信息接收者: 人类
显示技术原理-刨析
? 心理生理学原理：
– 人的感官：人眼的构造
彩色显示屏
? 信息接受条件： 满足人的视觉需求
– 人眼对尺度的感知/分辨 – 人眼对亮度的感知/分辨 – 人眼对颜色的感知/分辨
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像素(Pixel) & 分辨率(Resolution)
– 点间距:
? 相邻两点中心的间距 ? 如蓝色点到相邻红色、或者绿色点的间距
像素(Pixel) & 分辨率(Resolution)
? 分辨率术语:
– 1.像素及点间距（Pixel and dot pitch） – 2.像素密度 - Pixel per inch (ppi): 1 ppi = 1/(像素间距) – 3. 点密度 - Dot per inch (dpi): 1 dpi = 1/(点间距) – 4. 线密度 - Lines per inch (lpi):
视觉
– 像素间距:
? 相邻两像素中心的间距 ? 如相邻蓝色点的间距
? 光线进入人眼， ? 光线经过折射，由晶 状体将光线会聚到眼 底 ? 由视神经元的空间分 布决定了，视觉分辨 能力 ? 人眼的最小分辨角度 为 1 弧分
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显示技术
原理一:人眼的尺度感知原理
人眼分辨能力:
像素(Pixel) & 分辨率(Resolution)
通用分辨率分类 ? ? ? ? 低分辨 中分辨 高分辨 超高分辨 < 50 ppi 51-70 ppi 71-120 ppi >120 ppi
像素(Pixel) & 分辨率(Resolution)
? 标准显示器配置
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1981 1984 1987 1990 1990 CGA (color graphic adaptor) EGA (enhanced graphic adaptor) VGA (video graphic array) SVGA(super VGA) XGA (extended graphic array) WXGA (Wide XGA) SXGA (super XGA) SXGA+ (super XGA) UXGA (ultra XGA) QXGA (quarter XGA)
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1 弧分
在 25 cm 处相当: 0.075 mm
320 x 200 640 x 350 640 x 480 800 x 600 1024 x 768 1280 x 768 1280 x 1024 1400 x 1050 1600 x 1200 2048 x 1536
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视觉
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? 光线进入人眼， ? 光线经过折射，由晶 状体将光线会聚到眼 底 ? 眼底的视神经感知光 强、颜色 – 光度学、 色度学 ? 光与视神经的作用产 生信息、传至大脑 ? 由视神经元的空间分 布与大脑的信息处理 能力决定了，视觉能 力
人眼是一非线性探测器 仅对可见光具有响应
人眼对绿光响应更加敏感，在555nm 时达到峰值
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显示技术
原理二:人眼的非线性光强感知原理
? 人眼对光强的感知是非线性的 ? 人眼对光强的感知是波长的函数
日光 (Photopic) 和夜光 (Scotopic) 下 的视见函数 (luminosity function) K(λ):
反差 (Contrast)
反差:
C
=
Lmax ? Lmin ΔL = Lmax Lmax
? 局部较高亮度和较低亮度之差与局部较高 亮度之比
adopted in 1931 by CIE
? 取值范围:
0≤C≤1.
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对比度 (contrast ratio)
对比度：
反差(Contrast) & 对比度
日光 最敏感区间 (contrast ratio)
显示技术
原理三:人眼的光强分辨原理
? 人眼在不同光强条件下，对反差的敏感 度是有差异的 ? 日光 100 - 500 cd/m2 条件下
– 人眼的灵敏度最高，可感知 1%的反差
CR
=
Lmax Lmin
? 人眼对反差的分辨能力可达:
ΔL – = 0.01 = 1% L – 55% – ≤ 5%
at 100 - 500 cd/m2 at 10 - 4 cd/m2 at ≥ 10 cd/m2
夜光 敏感区间
? 较高亮度(Lmax)与较低亮度(Lmin)的比值
? 取值范围: 总是
≥1
? 夜光下
– 人眼的灵敏度低，只能感知55%以上的反差
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人眼的构造：红、绿、蓝色神经元
颜色 与 三基色原理
? 根据人眼的构造，提出三基色原理进行 颜色显示 ? 三基色 （The primary RGB）: R@700nm, G@546.1nm and B@435.8nm
相加基色
? 三种不同颜色发射光的叠加
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三基色的组合可以得到白光 即，R + G He B = 2010 Zhiqun + May WHITE
显示技术
原理四:人眼的三基色感知原理
? 人眼的红、绿、蓝三视神经元，决定了 人眼对颜色的感知
颜色及其度量：
? 带颜色的光造成对人眼的红、绿、蓝视神 经有着不同程度的刺激. ? 国际照度学委员会 (Commission Internationale de l’Eclairage, CIE) 标准化 了对色度的度量，并采用 “Colour matching functions, 颜色匹配函数” and “Chromaticity diagram，色度图”来描述
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颜色的 混合/叠加
S1
G
Additive colour mixing
视角
? 发光二极管 (LEDs)
? 双色叠加 ? 三色叠加
2θ1/2
S3
S2
(x=1/3, y=1/3)
? C
R
B
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显示器参数指标
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 像素（Pixel）& 分辨率（Resolution） 明度（Brightness）& 亮度（Luminance) 光谱学 (Radiometry) & 光度学 (Photometry) 反差（Contrast & contrast ratio） 视角（Angle of view） 颜色（Colour & CIE 1931 chromacity）& 三基色原理 灰度（Grey scale & Colour depth ） 驱动选址（Addressing） 域值（Threshold） 效率（Efficiency & efficacy）
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显示器的选择：
? ? ? ? ? ? 分辨率高、像素多 亮度高、可调 反差范围宽、可调 视角大 颜色纯正 效率高、能耗低
显示技术：实现显示要素
? 显示的实现
– 制作各种显示器
? 显示器的性能的衡量
– 如亮度、反差、速度、颜色等
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什么是显示技术?
什么是显示技术?
什么是显示技术?
显示技术的分类:
主动发光型 （发光型） 电子 显示 器件 非主动发光型 （受光型）
1. 按性质分类
显示技术的分类: 2. 按是否发光分类
? 发光型:
– 将电转化成光并产生图像.
– (examples: TV screen )
显示技术的分类: 3. 按静动态分类
? 静态 display:
– the devices have their image contents fixed at the time of their manufacture or installation.
– (examples: 1. advertisement, 2. information board, 3. print media & 4. fixed electronic signage)
阴极射线管 (CRT) 等离子体显示板 (PDP) 电致发光显示器 (EL) 场致发射阵列平板显示器 (FED) 真空荧光管显示器 (VFD) 光发射二极管显示器 (LED) 液晶显示器 (LCD) 电化学显示器 电泳成像显示器 (e-Ink) 悬浮颗粒显示器 旋转球显示器 数字微镜显示器
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? 非发光型:
– 调制现有光源并产生图像.
– (examples: Laptop computer monitor)
? 动态 display:
– The devices have image contents that can be varied over time after manuf. or installation
– (Examples: image displayed on an instrument, watch, calculator, mobile phone, TV, computer monitors)
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什么是显示技术?
什么是显示技术?
什么是显示技术?
显示技术的分类: 4. 按显示制式分类
? 段式显示 (Segment display)
– (examples: Calculator )
显示技术的分类: 5. 按色彩分类
图像-点阵显示:
? 单色 (Monochromatic) 显示:
two elements: “light on” and “light off”
显示技术的分类: 5. 按驱动方式分类
图像-点阵显示:
? 无源驱动: (Passive matrix addressing, PM)
– no electronics in the pixels
? 数字字符点阵 (Alpha
numeric display: dot matrix )
– (examples: instrument display)
? 彩色 (Colour) 显示:
3-primary colours: Red (R), Green (G), Blue(B)
? 有源驱动: (Active matrix addressing, AM)
– containing electronics in the pixels, e.g. TFT
? 图像-点阵: (Graphic display:
dot matrix)
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现今应用的主流显示技术
? ? ? ? ? 阴极射线管 (Cathode ray tube, CRT) 等离子体显示板 (Plasma display panel, PDP) 液晶显示器 (Liquid crystal display, LCD) 光发二极管显示器 (Light emitting diode, LED) 电致发光显示器 (Electroluminescent Display, ELD)
阴极射线管（Cathode Ray Tube, CRT)
? 1. 工作原理：
– 用适当的控制电路控制电子束，使其在屏上扫描, 激发荧光粉发光，以达到显示的目的
? 2. 特点: 亮度高 300－3000 cd/m2 良好的灰度等级 彩色丰富 寿命长 1－3万小时 体积大而笨重、功耗大
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CRT
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偏转电极 Deflection yoke 电子枪 Electron gun
电子束 Electron beam Funnel Face Plate
CRT - 构造及工作
? ? ? ? ? ? 真空管 真空管的一端为细长的柱状，内有三个电子枪 真空管的喇叭开口远端放置显示荧屏 当给电子枪以电压，电子枪产生电子束 在偏转电极的电磁场作用下，电子束产生偏转 最后，电子束射在布涂了荧光粉的荧光屏上并 发出可见光
CRT 的技术要点：
? ? ? ? ? ? 真空腔体 … 在颈部中的阴极和电子枪 … 电子被加速 … 电子被聚焦 … 电子束被偏转 … 荧光屏发光 …
荧光屏 Phosphor screen Shadow mask Base Neck 聚焦磁铁 Convergence magnet
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荫罩 (Shadow mask)
等离子体显示板（Plasma Display Panel, PDP)
? 工作原理：在两个平板电极之间充惰性气体（如Ne＋Ar），当在 电极之间加上一定的电压时，在电极之间产生辉光放电，以实现 显示。 特点：功耗较小（0.6-1 mw/段） 亮度高、视角大 体积小、厚度薄 （7－8 mm） 有存储功能 分类 ： AC－电极上覆盖有介质层 结构上 DC－电极暴露在气体中
海信42”
?
PDP
长虹42”
?
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等离子体显示板（Plasma Display Panel, PDP)
气体放电
电致发光（Electroluminescent Panel, ELP)
? 工作原理：将发光体加介质混合放于两平板电极之间，在电极上加 上电压，产生光辐射进行显示。 特点：工作电压低（几伏－200伏） 功耗小（10－200 mw/cm2) 亮度逐渐提高（105 cd/ m2) 寿命长 （几千－几万小时） 有记忆功能（TFEL)、彩色困难 分类 粉末型 AC PEL 薄膜型 DC PEL Principle of PDP light generation. A discharge is generated between the scan and sustain electrode. The UV-light of the discharge excites the phosphors, which emit visible light . 有机物型 OEL
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?
?
AC TFEL DC TFEL
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电致发光二极管（Light Emitting Diode，LED)
? 工作原理：在半导体PN结上加上正向偏压，利用少数载流子在复合区 产生光辐射来实现显示。 特点：电压低 （1、5v－2V） 功耗较小（1－10mw/段） 响应快（10ns) 寿命长 工作电流大 显示面积小
?
Structures of ELDs. Thick Film AC EL etc
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ifire 8.5” full color TFELD, shown at SID in San Jose in 2001
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户外显示
电致发光器件（ELD)
有机电致发光 (OEL or OLED)简介
划时代意义的进展：
? 1987年，美国柯达公司的C. W. Tang和Van Slyke等 人，以 Alq、TPD为发光传输层，ITO，MgAg 做电极 制作夹层式绿光、薄膜 OELD 器件。驱动电压 10V， 发光效率1.5 lm/w、高亮度1000 cd/m2， ? 1990年，英国剑桥大学，J.H.Buroughs等人，用聚对 苯撑乙烯 (PPV) 制成单层薄膜的 PELD 器件
有机电致发光器件（OEL or OLED)
有机、聚合物电致发光器件结构示意图
Mg:Ag Mg:Ag Mg:Ag EML ETL EML Mg:Ag EML HTL ETL EML HTL
ITO Glass
单层
双层
双层
三层
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有机电致发光器件（OEL or OLED)
有机、聚合物电致发光过程:
? 载流子的注入: 电子和空穴分别从阴极和阳极注入夹在 电极间的有机功能薄膜层; ? 载流子的迁移: 载流子分别从电子传输层和空穴传输层 向发光层迁移; ? 载流子复合: 空穴和电子在发光层中相遇、结合并产生 激发子 (Exciplex); ? 激发子迁移: 激发子将能量传递给发光分子,并激发电 子从基态跃迁到激发态; ? 电致发光: 激发态能量通过辐射失活, 产生光子,释放出 光能。
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有机/聚合物电致发光 (OLED/PLED)
? 主动发光型：不需要用背光源 或偏光片 ? 亮度高、对比度高、响应速度 快、视角宽 ? 厚度薄、可柔性 ? 聚合物电致发光器件可用廉价 的roll-to-roll加工方式制作 ? 功耗低
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40” OLED PROTOTYPE (SAMSUNG)
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液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD)
? 工作原理：在两平行平板电极之间充有液晶物质，利用液晶在电场或 磁场作用下，光学性能的改变来实现显示。 在显示过程中，液晶本身不产生光辐射，必须外加背景光源，称为被 动显示或非辐射发光 特点：工作电压低（1.5-3 V)、有存储功能 微功耗（1mw/cm2)、可实现彩色显示 响应慢、需外界光源、视角窄 视角宽、功耗小、显示面积小 工作温度范围低 （0－50℃）
LCD
Laptop computer
?
LCD
Calculator
?
Mobile Phone
Clock
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什么是液晶?
液晶 (Liquid Crystal) :
? 是介于固态和液态之间的，具有一定程度位置或 取向有序的一种物质状态 ? 液晶相也可以称为 “中间相” .
液晶的分类
向列相:
? 分子只有取向的有 序性，但全部位置 有序均已丧失 ? 向列相液晶广泛地 用在显示器中。
物理特性 Physical characteristics
介电各向异性 Δε ：
? 电场通过与具有一定介电性质的液晶分子相互作 用，使得分子发生取向 ? 介电常数 /dielectric permittivity, ε ? 相对介电常数/dielectric constant, ε/ε0
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LCD – 工作原理
扭曲式液晶显示器 (Twist Nematic, TN-LCD)
工作原理:
– 向列相液晶分子材料，并且介电各向异性具有 (Δε > 0)的取值 – 上下各放置两个偏振片，且轴向相互垂直 – 基片表面布涂有平行于基片的 (homogeneous) 分子取向诱导层，且上 下两基片取向诱导层轴向方向垂直 – 状态: 关 (off-state)
? 向列相材料的分子取向轴从一个表面均匀地扭转 90° 到另一个表面，入 射光可以被旋转 90°，光线可以通过
– 状态: 开启 (on-state)
? 施加一个大于阈值的电压，将导致分子呈垂直于表面的取向 (homeotropically)，入射光旋光性丧失，于是将被相互垂直放置的偏振 片阻挡，不能通过
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ON OFF
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扭曲式有源液晶显示器的基本构造. TFT 代表薄膜晶体管. 基本组成为: - 背光源 (not shown), - 取向诱导层, - LC-池, - 2 x 偏光膜 - 三基色彩色滤光片
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作业
? 1. 人眼对图像的角度分辨是什么？若显 示屏距观察者为10米，请估算人眼能够 分辨的像素的尺度是大约多少？ ? 2. 人眼对光的感知有什么特点？最灵敏 的感知波长是多少？ ? 3. 请根据色度图简述如何获得彩色显示。
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作业
? 4. 仔细观察彩色电视机或计算机荧屏，并说明 彩色显示原理 ? 5. 什么是液晶？TN 液晶显示器是如何工作的? ? 6.阴极射线管显示器、等离子显示器、液晶显 示器是主动发光型显示？还是非发光型显示？
作业
? 7. 哪一种显示器更适合用于户外大型显 示？ ? 8. 调查市场上出售的液晶显示器类型， 并收集其相关参数指标，如亮度、开关 时间、视角、驱动类型、功耗等参数。
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