第八章常用显示器件及其应用扩展 8.1 绪论 8.2 阴极射线管(CRT)显示技术 8.3 液晶显示器件 8.1 绪论 8.2 阴极射线管(CRT)显示技术 8.3 液晶显示器件 8.4 发光二极管(LED)显示技术 8.5 等离子显示器件 8.6 激光显示技术

8.1 光电显示技术概述 8.1.1 显示技术研究的意义 8.1.2 光电显示器件分类 8.2 显示参量与人的因素 8.2.1 光的基本特性 8.2.2 人眼视觉特性 8.2.3 色彩学基础 8.2.4 显示器件主要性能指标

8.1光电显示技术概述 8.1.1.显示技术研究的意义 1.显示技术研究的意义 光电子（Optical Electronic）技术是由光学、激光、电子学和信息技术互相渗透、交叉而形成的一门高新技术学科，具有广泛应用背景。光电子技术以物理学为基础，涉及激光技术、光波导技术、光检测技术、光计算和信息处理技术、光存储技术、光电显示技术、激光加工与激光生物技术、光生伏特技术、光电照明技术，已逐渐形成了光电子材料与元件产业、光信息产业、现代光学产业、光通信产业、激光器与激光应用产业等五大类光电子信息产业，开创出了“光电子时代”！

光电子技术也是当今世界上竞争最为激烈的高技术领域之一，许多科学家认为：光电子技术、纳米技术及生物工程技术构成当今三大高新技术，是21世纪的代表产业。 显示（display），就是指对信息的表示，即information display。在信息工程学领域中，把显示技术限定在基于光电子手段产生的视觉效果上，即根据视觉可识别的亮度、颜色，将信息内容以光电信号的形式传达给眼睛产生视觉效果。 光电显示技术是将电子设备输出的电信号转换成视觉可见的图像、图形、数码以及字符等光信号的一门技术。它作为光电子技术的重要组成部分，近年来发展迅速，应用广泛。

2.显示技术的发展历史 自1897年德国人布劳恩（Braun）发明阴极射线管(CRT:Cathode Ray Tube)以来，随着电视广播媒体和计算机等媒体的出现和发展，显示器件产业取得了极大的进步。 全世界第一只球形彩色布劳恩管（CRT）于1950年问世。当时因为它的体积大、重量沉，而且还拖了一个“尾巴”，就有人认为不超过10年，它就会被某些平板显示器所替代。殊不知，体积和重量不是它的缺点，而是存在的问题，如CRT电视机只能做到40英寸1)以下。但人们关心的屏幕上显示图像的质量，如亮度、对比度、分辨率、视野角、刷新频率和响应时间等综合性的视觉性能。 迄今为止，任何平板显示器件的工作性能都不如CRT。而且，由于它的工作原理很巧妙，本身及相应配合线路也简单，成本低，所以在显示器件中，CRT的性能价格比是最高的。2001年，市场规模达到了2.74亿只、250亿美元。

然而，到了1983年，日本的科技人员对传统反射型的液晶显示器（LCD：Liquid Crystal Display）作了一些改进，除偏光片外，又在其背面加上了背景光源，在前面加上了微型彩色滤光片，改变为透射型彩色LCD。从此开创了平板显示的新纪元。接着，日本政府又组织企业和高等院校的研究所，共同攻关，先后投资达200亿美元，在此基础上研制出薄模晶体管液晶显示器（TFT-LCD）。如今TFT-LCD已逐步替代了计算机显示器的彩色显示器（CDT:Color Display Tube），并向大屏幕发展，进入TV领域，2005年已形成一个240亿美元的庞大显示器件产业。也就是说，CRT构筑了大众媒体时代的现代工业社会，LCD则构筑了个人媒体为主导的现代信息社会。 另一方面，显示技术已不再局限于以前的CRT和LCD，等离子体显示器（PDP:Plasma Display Panel）和有机电致发光效应（EL:Electro Luminescence）等多种新型的显示技术和显示方式已在多媒体市场上闪亮登场。PDP不仅用于40英寸以上的彩色显示器，用于高清晰度电视（HDTV）的PDP已进入家庭用显示器领域，并成为一个新兴显示器件产业。

最近几年还出现了有机发光二极管平板显示器（OLED:Organic Light Emitting Diode）及场致发射显示器（FED:Field Emission Display）。OLED甚至可以折叠，被誉为“梦幻显示器”，可用于可视移动多媒体。 在大屏幕显示方面，除了当前教学和商业用投影器的主流产品透射式TFT-LCD投影仪外，近期开发的直观式HDTV大屏幕显示系统把HDTV、PAL和NTSC制式普通电视以及计算机的VGA、SVGA、XGA等全在一个大屏幕上显示，被称为“多媒体大屏幕显示墙”（Multimedia Display Wall)，还有蓝光LED（Light Emitting Diode）和高亮度、超高亮度LED组成的三基色全彩色LED大显示屏由于使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在大屏幕显示领域得到了广泛的应用。

另一方面，显示技术已不再局限于以前的CRT和LCD，等离子体显示器（PDP:Plasma Display Panel）和有机电致发光效应（EL:Electro Luminescence）等多种新型的显示技术和显示方式已在多媒体市场上闪亮登场。PDP不仅用于40英寸以上的彩色显示器，用于高清晰度电视（HDTV）的PDP已进入家庭用显示器领域，并成为一个新兴显示器件产业。 最近几年还出现了有机发光二极管平板显示器（OLED:Organic Light Emitting Diode）及场致发射显示器（FED:Field Emission Display）。OLED甚至可以折叠，被誉为“梦幻显示器”，可用于可视移动多媒体。

在大屏幕显示方面，除了当前教学和商业用投影器的主流产品透射式TFT-LCD投影仪外，近期开发的直观式HDTV大屏幕显示系统把HDTV、PAL和NTSC制式普通电视以及计算机的VGA、SVGA、XGA等全在一个大屏幕上显示，被称为“多媒体大屏幕显示墙”（Multimedia Display Wall)，还有蓝光LED（Light Emitting Diode）和高亮度、超高亮度LED组成的三基色全彩色LED大显示屏由于使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在大屏幕显示领域得到了广泛的应用。 如今的显示器件世界，无论是市场还是技术都处于急剧变化的时期，可谓是百花齐放、争奇斗艳。各种显示器的应用范围不断扩大，争夺未来潜在的大市场。2002年全世界显示器件销售额为500亿美元，估计到2025年将达到5000亿美元。显示器行业群雄争霸，前景难料。

显示器件 发展趋势 阴极射线管 提高分辨率，小型化，平板化 电致变色显示器 改进可靠性 真空荧光显示器 多色，矩阵显示的实际使用 液晶显示器 彩色，小电视的实际使用 交流等离子体显示器 驱动的简化 发光二极管 高亮度，蓝LED的实际使用 直流等离子体显示器 提高电视显示效率 电致发光显示器 矩阵显示商品化 电泳显示器

8.1.2 光电显示器件分类 如果根据收视信息的状态分类，可分成： 1. 直观型（Direct View Type） 8.1.2 光电显示器件分类 原则上把显示设备上出现的视觉信息直接观看的方式称为直观型 如果根据收视信息的状态分类，可分成： 1. 直观型（Direct View Type） 2. 投影型（Projection Type） 3. 空间成像型（Space Imaging Type） 把由显示设备或者光控装置所产生的比较小的光信息经过一定的光学系统放大投射到大屏幕后收看的方式称为投影型。 指采用某种光学手段（如激光）在空间形成可供观看图像的方式，从原理上说，图像大小与显示器无关,可以很大。空间成像显示因为图像具有纵深而大大提高了真实感和现场感。

人类视觉所感受的外部信息中，90%以上是由外部物体对光的反射，而不是来自物体发光。所以，被动显示更适合人的视觉习惯，不会引起疲劳。当然，被动显示在黑暗的环境下是无法显示的，这时我们必须为器件配上外光源。比如LED、各种光阀管（light valve）投影仪等。 从显示原理的本质来看，光电显示技术利用了发光和电光效应两种物理现象。所谓电光效应是指加上电压后物质的光学性质（如折射率、反射率、透射率等）发生改变的现象。因此，根据像素本身发光与否，又可将显示器件分为以下两大类： 1. 主动发光（emissive）型 2. 被动显示(passive)型 在外加电信号作用下，主动发光型器件本身产生光辐射刺激人眼而实现显示。比如CRT、PDP、ELD、激光显示器(LPD:Laser Projection Display)等。 在外加电信号作用下，被动显示型器件单纯依靠对光的不同反射呈现的对比度达到显示目的。

按显示屏幕大小分类有：超大屏幕（＞4m2）、大屏幕（1~4m2）、中屏幕（0.2~1m2）和小屏幕（＜0.2m2）。 按色调显示功能分类有：黑白二值色调显示、多值色调显示（三级以上灰度）和全色调显示。 按色彩显示功能分类有：单色（monochrome）黑白或红黑显示、多色（multi color）显示（三种以上）和全色显示。 按显示内容、形式分类有：数码、字符、轨迹、图表、图形和图像显示。 按成像空间坐标分类有：二维平面显示和三维立体显示。

按所用显示材料分类有：固体(晶体和非晶体)、液体、气体、等离子体、液晶体显示等。 按显示原理分类有：阴极射线管(CRT)、真空荧光管(VFD)、辉光放电管（GDD）、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、发光二极管(LED)、场致发射显示器(FED)、电致发光显示器(ELD)、电致变色显示器（ECD）、激光显示器(LPD)、电泳显示器(EPD)、铁电陶瓷显示器(PLZT)等等。

图8.1 光电显示器件的种类

8.2显示参量与人的因素 8.2.1 光的基本特性 光是一种波长很短的电磁波，可见光是光刺激人眼的感觉，波长范围为380~780nm），频率为7.5×108~4.0×108MHz，波谱很窄；而电磁波的波谱范围很广，包括甚低频（VLF）超长波、低频（LF）长波、中频（MF）中波、高频（HF）短波、甚高频（VHF）超短波、特高频（UHF）分米微波、超高频（SHF）厘米微波、极高频（EHF）毫米微波、红外线、光波、紫外线、X射线、γ射线等 。

图8.2 电磁波的波谱

对光量的测量称为测光（Photometry）。 介绍几个主要的测光量的定义及其基本单位： 光通量(Luminous flux) 光源单位时间内发出的光量称为光通量，符号为Φ，单位为流明（lm）。 发光强度（Luminous intensity） 光源在给定方向的单位立体角（ω）辐射的光通量称为发光强度，符号为Ｉ，单位为坎德拉（cd）。发光强度Ｉ可由下式表示：

第1章 绪论 光照度 单位受光面积上（S）所接收的光通量称为光照度，符号为E，单位为勒克斯（lx）。光照度E可由下式表示： 亮度 垂直于传播方向单位面积（ ）上的发光强度称为亮度，符号为L，单位为cd/m2。亮度L可由下式表示：

1.人眼的视觉生理基础 ： 外界信息以光波形式射入眼帘，通过眼睛的光学系统在视网膜上成像。视网膜内的视觉细胞把光信息变换为电信号，传递给视神经。由左右眼引出的视神经在视交叉处把左右眼分别获得的右视觉信号和左视觉信号进行整理，然后传向外侧膝状体。外界右半部分的视觉信息传入左侧的外侧膝状体，而左半部分的视觉信息传入右侧的外侧膝状体。两个外侧膝状体经视放射线神经连接于左右后头部的大脑视觉区域。 8.2.2 人眼视觉特性 图8.3 信息从人眼到大脑的路径

角膜的作用类似照相机的第一组镜片，承担着为了能在视网膜上成像所必需的光线折射作用。 人的眼睛很像一部精巧的照相机，图1.4是眼球的截面图。该图是把右眼沿垂直方向剖切后，从前部所见的构造。眼球为直径约24mm的球状体，光线通过瞳孔射入眼球内，再经晶状体在位于眼球后部内侧的视网膜上成像。 角膜的作用类似照相机的第一组镜片，承担着为了能在视网膜上成像所必需的光线折射作用。 虹膜紧贴在晶状体上，虹膜中心有一个小孔称为瞳孔。瞳孔的直径可以从2mm调节到8mm左右（16倍）。改变瞳孔的大小，就可以调节进入眼睛的光通量，类似于照相机光圈的作用。 图1.4眼球的构造

晶状体起着照相机透镜的作用，四周的睫状肌收缩、松缓可以调节其凸度，亦即调节了焦距，以便使不同距离的景物成像在视网膜上；晶状体同时吸收一部分紫外线，对眼睛起到保护作用。晶状体的弹力会随着年龄增加而减小，到60岁左右，会失去调节能力而变得扁平。 视网膜广泛分布于眼球的后部，其作用很像照相机中的感光胶片。视网膜主要由许多感光细胞组成，感光细胞把光变换为电信号，它又分为两大类：一类叫杆状（rod）细胞，另一类叫锥状（cone）细胞。

锥状细胞大部分集中分布在视网膜上正对者瞳孔的中央部分直径约为2mm的区域，因呈黄色，称为黄斑区。在黄斑区中央有一个下陷的区域，称为中央凹（fovea）。在中央凹内锥状细胞密度最大，视觉的精细程度主要由这一部分所决定。在黄斑区中心部分，每个锥状细胞连接着一个视神经末梢。根据对光谱敏感度的不同，锥状细胞又可分为三类，即红视锥状细胞（吸收峰值为700nm）、绿视锥状细胞（吸收峰值为540nm）和蓝视锥状细胞（吸收峰值为450nm）。 在远离黄斑区的视网膜上分布的视觉细胞大部分是杆状细胞，而且视神经末梢分布较稀，每个锥状细胞和几个杆状细胞合接在一条视神经上。所有视神经都通过视网膜后面的一个空穴，称为乳头（nipple）的通到大脑去。在乳头处没有感光细胞，不能感受光线，故又称为盲点。

2. 人眼视觉特性 光射入眼睛会引起视觉反应，单一波长成分的光称为单色光，人眼感觉到的单色光按波长由长到短的顺序为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，参考图1.2。包含两种或两种以上波长成分的光称为复合光。太阳光就是一种复合光，且波长范围宽、能量几乎均匀分布，给人以白光的综合感觉。 （1）光谱光效率。人眼对不同波长光的敏感程度。相同主观亮度感觉情况下，λ=555nm的黄绿光，所需光的辐射功率最小。

（2）视觉二重功能。人的视觉具有明视觉功能和暗视觉功能。锥状细胞的感光灵敏度比较低，大约在104个光子数量级，只有在明亮条件下才起作用。锥状细胞密集地分布在视网膜中央凹区域，且每个锥状细胞连接一根视神经，因此它能够分辨颜色和物体细节，是一种明视觉器官。杆状细胞的感光灵敏度比较高，大约在102个光子数量级，是一种暗视觉器官。

（3）暗适应。从明亮处向昏暗处移动时，视觉系统灵敏度会逐渐变化，大约40min左右达到最大灵敏度。 当我们从明亮的地方进入黑暗环境，或突然关掉电灯，要经过一段时间才能看清物体，这就是暗适应现象。

（4）明适应。从黑暗环境到明亮环境变化的逐渐习惯过程，称为明适应。与暗适应比较，其时间要快得多，大约仅需1min左右即可完成。 （5）视觉惰性。在外界光作用下，感光细胞内视敏感物质经过暴光染色过程是需要时间的，响应时间大约为40ms；另一方面，当外界光消失后，亮度感觉还会残留一段时间，大约为100ms。

（6）闪烁（flicker）。 以周期性光脉冲形式反复刺激眼睛，频率低时，可以出现闪烁现象；随着频率逐渐提高就观察不到闪烁了，视觉变得稳定而均匀。将此闪烁感刚刚消失时的频率称为临界闪烁频率（CFF:Critical Fusion Frequency）。此时视野内的明亮度等于亮度的时间平均值。

（7）视角。 眼睛的视野是比较大的，由视线方向的中心与鼻侧的夹角约为65°，与耳侧的夹角约为100~104°，向上方约为65°，向下方为75°。

8.2.3. 色彩学基础 彩色是物体反射光作用于人眼的视觉效果。自然界中的景物，在太阳光照射下，由于反射了可见光中的不同成分而吸收其余部分，从而引起人眼的不同彩色感觉。 1.三基色原理 自然界中任意一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色的线性组合。国际照明委员会（CIE）的色彩学CIE-RGB计色系统规定：波长700nm，光通量为1lm的红光为一个红基色单位，用（R）表示；波长546.1nm，光通量为4.95lm的绿光为一个绿基色单位，用（G）表示；波长435.8nm，光通量为0.060lm的蓝光为一个蓝基色单位，用（B）表示。

将三基色按一定比例相加混合，就可以模拟出各种颜色，如： 红色+绿色=黄色 绿色+蓝色=青色 红色+蓝色=紫色 红色+绿色+蓝色=白色 等量的RGB能配出等能的白光。这样三基色按不同比例就能合成出如图1.5所示的以三基色为顶点的三角形所包围的各种颜色。

图8.5三基色原理示意图

2. 色彩再现 显示器中的色彩再现，不是把实际的色彩完全忠实地再现，只要再现出的色彩令收看者满意就可以了。图1.6所示为一个彩色显像管（CPT）荧光粉点的布局图，红（R）、绿（G）、蓝（B）三色荧光粉点各自在相应的红、绿、蓝电子束的轰击下发光从而产生颜色。 三个荧光粉点虽然在荧光屏上占有不同的空间位置，但它们产生的不同颜色的光却落在同一个视觉细胞上，产生出三色相加的视觉效果。可见，彩色再现是对人眼视觉特性的巧妙利用，荧光屏上所显示的颜色实际上是在观察者自己的视觉上混合产生的。色彩再现的过程如图1.7所示。

图1.6 彩色显像管荧光粉点布局图 图1.7 色彩再现过程示意图

3.颜色的特征参数： 颜色包括三个特征参数：亮度、色度、饱和度。 亮度表示各种颜色的光对人眼所引起的视觉强度，它与光的辐射功率有关。 色调表示颜色彼此区分特性，不同波长的光辐射在物体上表现出不同色调特性。 饱和度表示颜色光所呈现的颜色深浅程度（或纯度）。饱和度越高，则颜色越深，如深红、深绿等。饱和度越低，则颜色越浅，如浅红、浅绿等。 色调与饱和度又合称为色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。

8.2.4 .显示器件主要性能指标 1.像素（pixel）： 像素指构成图像的最小面积单位，具有一定的亮度和色彩属性。在显示器中，像素点的大小可依据该系统的观看条件（如观看距离、照明环境等）下，肉眼所能分辨的最小尺寸而确定。实际系统的具体例子，如表1-3所列。

表8-3 显示器制式与像素数、宽高比 器件 显示器制式 有效像素数 宽高比 宽 高 总像素数 比3） 彩色显像管 PAL 720 576 403200 1.31 4︰3 NTSC 490 352800 1.15 HDTV 1920 1080 2073600 6.75 16︰9 彩色显示器 VGA 640 480 307200 1.00 SVGA 800 600 480000 1.56 XGA 1024 768 786432 2.56 SXGA 1280 1310720 4.27 5︰4 UXGA 1600 1200 1920000 6.25 QXGA 2048 1536 3145728 10.2 2560 5242880 17.1

2.亮度： 显示器件的亮度指从给定方向上观察的任意表面的单位投射面积上的发光强度。亮度值用cd/m2表示。一般显示器应有70cd/m2的亮度，具有这种亮度图像在普通室内照度下清晰可见。在室外观看要求亮度更高，可达300cd/m2以上。人眼可感觉的亮度范围为0.03~50000cd/m2。 3.亮度均匀性： 亮度均匀性反应的是显示器件在不同显示区域所产生的亮度的均匀性。通常也用它的反面概念——不均匀性来描述，或者用规定取样点的亮度相对于平均亮度的百分比来描述。

4.对比度和灰度 对比度指画面上最大亮度和最小亮度之比。该指标与环境光线有很大关系，另外测试信号一般采用棋盘格信号，并将亮度控制器调整到正常位置，对比度调整到最大位置，此时对比度为白色亮度和黑色亮度的比值。一般显示器应有30︰1对比度。

在暗室中，白色画面(最亮时)下的亮度除以黑色画面(最暗时)下的亮度。 对比度是最白与最黑亮度单位的相除值。因此白色越亮、黑色越暗，对比度就越高。对比度严格来讲我们指的对比度是屏幕上同一点最亮时（白色）与最暗时（黑色）的亮度的比值 例如一个屏幕在全白屏状态时候亮度为500cd/m2，全黑屏状态亮度为0.5cd/m2，这样屏幕的对比度就是1000:1。

对比度对视觉效果的影响 　　对比度对视觉效果的影响非常关键，一般来说对比度越大，图像越清晰醒目，色彩也越鲜明艳丽；而对比度小，则会让整个画面都灰蒙蒙的。高对比度对于图像的清晰度、细节表现、灰度层次表现都有很大帮助。在一些黑白反差较大的文本显示、CAD显示和黑白照片显示等方面，高对比度产品在黑白反差、清晰度、完整性等方面都具有优势。相对而言，在色彩层次方面，高对比度对图像的影响并不明显。对比度对于动态视频显示效果影响要更大一些，由于动态图像中明暗转换比较快，对比度越高，人的眼睛越容易分辨出这样的转换过程。

两种提高对比度的方法： 　　1.提高白色画面的亮度。 　　2.让黑色更黑，降低最低亮度，这个也许有些不好理解，首先，需要知道控制液晶显示器光线的明暗变化，是不可能通过发光灯管开、关来实现的，而液晶又是不能做到100%不漏光的，所以即使调整至纯黑画面，液晶显示器还是会有一些亮度的。这是个分母、分子的问题，分子小了对比度自然就高了。 提高亮度增加对比度的方法相对简单，不过受到灯管寿命、液晶漏光等问题，亮度不能无限量提高。第二种方法是很多高端液晶厂家的发展方向，这也是为什么亮度不高的液晶能够达到高对比度的原因。在购买液晶显示器时，应该注意挑选显示器画面有没有因高亮而色彩失真，因为那样的高对比度是没有参考价值的。更重要的是，虚高的亮度并不会带来更好的显示效果，它只会使浅色图像变成茫茫一片，而对暗部表现却毫无帮助。

5.灰度 灰度使用黑色调表示物体。灰度的通常表示方法是百分比，每个灰度对象都具有从 0%（白色）到灰度条100%（黑色）的亮度值。 注意这个百分比是以纯黑为基准的百分比。百分比越高颜色越偏黑，百分比越低颜色越偏白。 指画面上亮度的等级差别。例如，一幅电视画面图像应有八级左右的灰度。人眼可分辨的最大灰度级大致为100级。 所谓灰度色，就是指纯白、纯黑以及两者中的一系列从黑到白的过渡色。

一般，像素值量化后用一个字节（8b）来表示。如把有黑-灰-白连续变化的灰度值量化为256个灰度级，灰度值的范围为0~255，表示亮度从深到浅，对应图像中的颜色为从黑到白。黑白照片包含了黑白之间的所有的灰度色调，每个像素值都是介于黑色和白色之间的256种灰度中的一种。

6.分辨率（resolution） 分辨率指单位面积显示像素的数量。 分辨率（resolution，港台称之为解析度）就是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素的多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多，所以分辨率是个非常重要的性能指标之一。 以分辨率为1024×768的屏幕来说，即每一条水平线上包含有1024个像素点，共有768条线，即扫描列数为1024列，行数为768行。分辨率不仅与显示尺寸有关，还受显像管点距、视频带宽等因素的影响。其中，它和刷新频率的关系比较密切，严格地说，只有当刷新频率为“无闪烁刷新频率”，显示器能达到的最高分辨率数，即为这个显示器的最高分辨率。分辨率的种类有很多，

分辨率是度量位图图像内数据量多少的一个参数。通常表示成每英寸像素（Pixel per inch, ppi）和每英寸点（Dot per inch, dpi）。包含的数据越多，图形文件的长度就越大，也能表现更丰富的细节。但更大的文件需要耗用更多的计算机资源，更多的内存，更大的硬盘空间等。 “分辨率”被表示成每一个方向上的像素数量，比如640X480等。某些情况下也可以同时表示成“每英寸像素”（ppi）以及图形的长度和宽度。比如72ppi，和8X6英寸。

分辨率和图像的像素有直接关系。我们来算一算，一张分辨率为640 x 480的图片，那它的分辨率就达到了307200像素，也就是我们常说的30万像素，而一张分辨率为1600 x 1200的图片，它的像素就是200万。

7.清晰度（definition） 清晰度指影像上各细部影纹及其边界的清晰程度。清晰度，一般是从录像机角度出发，通过看重放图像的清晰程度来比较图像质量，所以常用清晰度一词。 而摄像机一般使用分解力一词来衡量它“分解被摄景物细节”的能力。单位是“电视行(TVLine)”也称线 清晰度是指人眼能察觉到的图像细节清晰的程度，用光高度(帧高)范围内能分辨的等宽度黑白条纹(对比度为100％)数目或电视扫描行数来表示。如果在垂直方向能分辨250对黑白条纹，就称垂直清晰度为500行(线)。

意思是从水平方向上看，相当于将每行扫描线竖立起来，然后乘上4/3(宽高比)，构成水平方向的总线，称水平分解力。它会随CCD象素数的多少、和视频带宽而变化，象素愈多、带宽愈宽，分解力就愈高。PAL制电视机625行是标称垂直分解力，除去逆程的50行外，实际的有效垂直分解力为575线。

观看图像的最佳距离应当是画面高度的4倍至5倍，这时的总视角约为15度，在这种情况下，可以保证人眼不转动就能看到完整的画面。 为了将研究的对象从两个点扩大到一个面，所以将视敏角从人眼到两个点之间的夹角，引伸到从观察点（人眼）到一定距离的一条相邻黑、线条”之间的夹角。如果观察的是在垂直方向上排列的一系列连续水平黑白线条，则能表现出图像的垂直清晰度；如果观察的是在水平方向排列的一系列连续垂直黑白线条，则能表现出图像的水平清晰度。 垂直清晰度 　　上面已经提到过，根据视敏角原理，人眼能辨别在垂直方向上排列的相邻黑白水平线条的细致程度叫垂直清晰度， 观看图像的最佳距离应当是画面高度的4倍至5倍，这时的总视角约为15度，在这种情况下，可以保证人眼不转动就能看到完整的画面。

水平清晰度 垂直清晰度线数乘以屏幕幅型比4/3，立即可以算出图像的水平清晰度线数N为 　　N=4/3 M =4/3×458 =610（线） 　　这就是说，在5倍画面高度距离观看4：3画面的图像时，人眼的水平分辨力约为610线，这时图像所具有的水平清晰度正是610线。

整幅图像最后只相当于原来75%的清晰度，孔阑效应的综合情况也是如此。 要还原出100%的清晰度时应当具有的扫描线的行数m： 所谓孔阑效应，是指当扫描电子束光点尺寸小到与实物细节或图像细节光点尺寸相同和相近时，会造成对应尺寸的图像细节模糊的现象，也就是图像清晰度受电子束孔径（直径）大小限制的现象。 整幅图像最后只相当于原来75%的清晰度，孔阑效应的综合情况也是如此。 要还原出100%的清晰度时应当具有的扫描线的行数m： 　　m=458÷0.75=611（行） 垂直扫描线n的数量： 　　n=611×4/3=815（行） 要达到普通人在正常收视条件下获得458线的垂直清晰度和610线的水平清晰度图像，原则上需要611行水平扫描线和815行垂直扫描线。 PAL制电视最后安排的视频带宽为6MHz，这种带宽连720×625都不能完全满足，实际使用时，只好将PAL制电视的图像格式在720×625的基础上又有所压缩，压缩的是水平像素点，保留了625行水平扫描线。因此，PAL制电视的分辨率经过由815×611到720×625的降低，再经过为满足6MHz视频带宽的压缩， 最后将PAL制的扫描格式确定为： 　　水平像素×垂直方向的水平扫描线=720×625

8.分辨力 是人眼观察图像清晰程度的标志，与清晰度定义近似，分辨力可以用图像小投影点的数量表示，如SVGA彩色显示器的分辨力是800×600，就代表画面是由800×600个点所构成，组成方式为每条线上有800个投影点，共有600条线。 分辨力有时也用光点直径来表示。用光栅高度除以扫描线数，即可算出一条亮线的宽度，此宽度即为荧光屏上光点直径的大小。在显示器件中，光点直径大约几微米到几千微米。一般对角线为23~53cm的电视显像管其光点直径约为0.2~0.5mm。

9.发光颜色 发光颜色(或显示颜色)的衡量方法，可用发射光谱或显示光谱的峰值及带宽，或用色度坐标表示。显示器件的颜色显示能力，包括颜色的种类、层次和范围，是彩色显示器件的一个重要指标。真（全）色彩的色彩数目为16777216色，即红、绿、蓝各256级灰度， 256×256×256=16777216≈16M。 10.余辉时间 余辉时间指荧光粉的发光，从电子轰击停止后起，到亮度减小到电子轰击时稳定亮度的l/10所经历的时间，余辉时间主要决定于荧光粉，一般阴极射线荧光粉的余辉时问从几百纳秒到几十秒。

11.解析度DPI（Dot Per Inch） 解析度指图片1英寸长度上小投影点的数量，分为水平解析度和垂直解析度。解析度越高显示出来的影像也就越清晰。 12.收看距离 收看距离可以用绝对值表示，也可以用与画面高度H的比值来表示（即相对收看距离）。 13.周围光线环境 周围光线环境主要指观看者所在的水平照度以及照明装置。

14.图像的数据率 数据率指在一定时间内、一定速度下，显示系统能将多少单元的信息转换成图形或文字并显示出来。如果已知一个字符或像素是以n比特）（bit）计算机符号表示，数据率可以换算成比特/秒（bps）。图像的信息量是惊人的，比如：一张A4文件的数据量大约是2KB），一张A4黑白照片的数据量大约是40KB，一张A4彩色照片的数据量大约是5MB，一分钟家用录像系统（VHS:Video Home System）质量的全活动图像的数据量约为10MB，一分钟广播级全动态影像（FMV:Full-motion Video）的数据量就约为40MB。

15.其它 其它指标如辐射，CRT明显大于其他显示器件，其它显示器件之间差别不大。在显示相应时间方面，LCD类的显示器件劣于其他器件。在显示屏的缺陷点方面，CRT一般不会出现这样的问题，而其它显示器件虽然在出厂时该指标控制的较严，但用户在使用过程中有时会出现缺陷点。在可靠性方面（MTBF值），基本上都可以达到15000h，需要注意的是投影设备里往往使用了灯泡作为光源，灯泡的寿命有限，只能作为消耗品，也就是说在使用过程中需要定期更换这些部件。

8.2 阴极射线管(CRT)显示技术 习题二 1.1 黑白CRT显示器的基本结构与工作原理 1.2 彩色CRT显示器的基本结构与工作原理

CRT显示器即为一种使用阴极射线管(Cathode Ray Tube)的显示器，主要分为黑白CRT显示器和彩色CRT显示器两大类。它的核心部件是CRT显像管（即阴极射线管），其主要由五部分组成：电子枪(Electron Gun)、偏转线圈(Defiection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳，其中电子枪是显像管的核心。 CRT显示器的工作原理和我们家中电视机的显像管基本一样，我们可以把它看作是一个图像更加精细的电视机。经典的CRT显像管使用电子枪发射高速电子，经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高速电子轰击屏幕上的磷光物质使其发光。通过电压调节电子枪发射电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点，形成各种图案和文字。

1 黑白CRT显示器的基本结构与工作原理 黑白CRT即单色(Monochrome Monitor)CRT，只有单一的电子枪，仅能产生黑白两种颜色。它的主要用途是在电视机中显示图像，以及在工业控制设备中用作监视器。黑白CRT主要由圆锥形玻壳、玻壳正面用于显示的荧光屏、封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统和位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭器件四部分组成。

图2.1 单色CRT的结构示意图

结构中灯丝、阴极（K）、第一控制栅极（G1或称调制器）、加速极（G2或称屏蔽极）构成发射系统；第二阳极G3、聚焦极G4、高压阳极G5构成聚焦系统。

工作时，电子枪中阴极（K）被2000K灯丝加热，阴极（K）大量发射电子。电子束在第一控制栅极的视频电信号所调制，经加速和聚焦后，高速轰击荧光屏上的荧光体，荧光体发出可见光。电子束的电流是受显示信号控制的，信号电压高，电子枪发射的电子束流也越大，荧光体发光亮度也越高。最后通过偏转磁轭控制电子束，在荧光屏上从上到下，从左到右依次扫描，从而将原被摄图像或文字完整地显示在荧光屏上。

1.2 彩色CRT显示器的基本结构与工作原理 彩色CRT利用三基色图像叠加原理实现彩色图像的显示。荫罩式彩色CRT是目前占主导地位的彩色显像管，这种管子的原始设想是德国人弗莱西（Fleshsig）在1938年提出的。荫罩式彩色CRT的基本结构如图2.2所示。

光 电 显 示 技 术 图2.2 彩色CRT的结构示意图

三菱三枪三束与SONY单枪三束

彩色CRT是通过红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色组合产生彩色视觉效果。荧光屏上的每一个像素由产生红(R)、绿(G)、蓝(B)的三种荧光体组成，同时电子枪中设有3个阴极，分别发射电子束，轰击对应的荧光体。为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体，在荧光面内侧设有选色电极——荫罩。 在荫罩型彩色CRT中，玻壳荧光屏的内面形成点状红、绿、蓝三色荧光体，荧光面与单色CRT相同，在其内侧均有膜金属覆层。在离荧光面一定距离处设置荫罩。荫罩焊接在支持框架上，并通过显示屏侧壁内面设置的紧固钉将荫罩固定在显示屏内侧。

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%

图2.3 彩色CRT工作原理

荫罩与荧光屏的距离可根据几何关系由下式确定： (2-1) (2-2) 式中： 为荫罩与荧光屏的距离； 为孔距放大率； 为从电子枪到荧光面的距离； 为电子枪的束间距； 为电子束排列方向的荫罩孔距； 为电子束排列方向的荧光屏上同一色荧光体的点间距。

整体工作过程：由灯丝、阴极、控制栅组成电子枪，通电后灯丝发热，阴极被激发，发射出电子流，电子流受到带有高电压的内部金属层的加速，经过透镜聚焦形成极细的电子束，在阳极高压作用下，获得巨大的能量，以极高的速度去轰击荧光粉层。这些电子束轰击的目标就是荧光屏上的三原色。 电子枪发射的电子束不是一束，而是三束，电子束在偏转磁轭产生的磁场作用下，可以控制其射向荧光屏的指定位置，去轰击各自的荧光粉单元。一般荫罩式CRT的内部有一层类似筛子的网罩，电子束通过网眼打在呈三角形排列的荧光点上，以防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体。

受到高速电子束的激发，这些荧光粉单元分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光。根据空间混色法(将三个基色光同时照射同一表面相邻很近的三个点上进行混色的方法)产生丰富的色彩，这种方法利用人们眼睛在超过一定距离后分辨力不高的特性，产生与直接混色法相同的效果。 用这种方法可以产生不同色彩的像素，而大量的不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面，而不断变换的画面就成为可动的图像。

第2章 阴极射线管(CRT)显示技术 2.1.3 CRT显示器的主要单元 1. 电子枪 电子枪用来产生电子束，以轰击荧光屏上的荧光粉发光。在CRT中，为了在屏幕上得到亮而清晰的图像，要求电子枪产生大的电子束电流，并且能够在屏幕上聚成细小的扫描点（约0.2mm）。此外，由于电子束电流受电信号的调制，因而电子枪应有良好的调制特性。在调制信号控制过程中，扫描点不应有明显的散焦现象。 电子枪是由灯丝（用H、HT或F表示）、阴极（用K表示，彩色显像管有三个阴极，分别用RK、GK、BK表示）、栅极（用G1表示）、加速极（用G2表示）、高压阳极（用G或V表示）组成。

图2.4 电子枪结构示意图

电子枪中各部分的作用： (1) 灯丝——通电后将电能转变成热能并对阴极加热，使阴极表面产生600-800度的高温，创造一个使阴极发射电子的外部条件。 (2) 阴极——呈圆筒状，装在圆筒内部，顶端涂有钡锶钙的氧化物，灯丝通电时，阴极受热后发射大量电子。 (3) 栅极——栅极套在阴极外面，是一个金属圆筒，顶端开有小孔，让电子束通过。改变与阴极的相对电位可以控制电子束的强弱。

(4) 加速极——它也是顶部开有小孔的金属筒，其位置紧靠栅极。通常在加速极上加有几百伏的正电压，它能控制阴极发射的电子束到达荧光屏的速度。 (5) 聚集极——彩色显像管聚集极通常加5~8KV电位。聚集极、加速极及高压极一起构成一个电子透镜，使电子束会聚成一束轰击荧光屏荧光粉层。 (6) 高压阳极——建立一个强电场，使电子束以极快的速度轰击荧光屏上的荧光粉。高压阳极通常为22~34KV。

2. 荧光屏 荧光屏，是由涂覆在玻璃壳内的荧光粉和叠于荧光粉层上面的铝膜共同组成的。工作的时候荧光屏后面的电子枪发射电子束打在荧光粉上，于是一部分荧光粉亮起来，显示出字符或者图像。 荧光屏是实现CRT显像管电光转换的关键部位之一，要求发光亮度和发光效率足够高，发光光谱适合人眼观察，图像分辨力高、传递效果好，余辉时间适当，机械、化学、热稳定性好，寿命高。

CRT的发光性能首先取决于所用的荧光粉材料，因为主要由荧光粉层完成显像管内的光电转换功能。 荧光粉的发光效率是指每瓦电功率能获得多大的发光强度。余辉时间是荧光粉的重要特性参数。 当电子束轰击荧光粉时，荧光粉的分子受激而发光，而当电子束的轰击停止后，荧光粉的发光并非立即消失，而是按指数规律衰减，这种特性称为荧光粉的余辉特性。余辉时间是指荧光粉在电子束轰击停止后，其亮度减小到电子轰击时稳定亮度的1/10所经历的时间。

一般把余辉分成三类：余辉时间长于0. 1s的称为长余辉发光；余辉时间介于0. 1s至0. 001s的称为中余辉发光；余辉时间短于0 一般把余辉分成三类：余辉时间长于0.1s的称为长余辉发光；余辉时间介于0.1s至0.001s的称为中余辉发光；余辉时间短于0.001s的称为短余辉发光。余辉太长，则同一像素第一帧余辉未尽而第二帧扫描又到了，前一帧的余辉会重叠在后一帧图像上，整个图像便会模糊。若余辉时间太短，屏幕的平均亮度将会减低。 屏幕的亮度取决于荧光粉的发光效率、余辉时间及电子束轰击的功率。荧光粉的发光效率高时屏幕较亮，余辉时间长平均亮度也较大。

如果已知荧光粉的发光时间特性 ，那么在一帧时间T内平均亮度应为： (2-3) 屏幕亮度除了与余辉时间有关外，还取决于电子束的电流密度和屏幕电压的高低。因此屏幕亮度可表示为 (2-4) 从上式可以看出，欲增大亮度可以加大电流密度和电压。两者中以提高电压更为有效。

在CRT显像管的 圆锥体上：内壁和外壁都涂有导电的石墨层，内壁与第二阳极高压相连，外壁石墨层通过金属弹簧片与电路中的“地”相连。 内外石墨层之间.形成一个电容。可吸收屏幕反射的二次电子和对第二阳极起高压滤波作用。此外石墨层还可以遮挡来自显像管后部的杂散光线，扩大显像管的偏转角，使圆锥部分缩小，这样显像管的厚度就会变薄。石墨层涂在整个锥体上，能起到屏蔽作用，还有防静电的效果。

3. 偏转系统 如果不加偏转电压，经过加速、聚焦的具有很高动能的电子束轰击荧光面时，仅能在荧光屏中心位置产生亮度很高的光点，难以成像；为了显示一幅图像，必须让电子束在水平方向和垂直方向上同时偏转，使整个荧光屏上的任何一点都能发光而形成光栅，这就是偏转系统的作用。由于磁偏转像差小，在高阳极电压下适用于大角度偏转，所以显像管通常采用磁偏转。 偏转线圈是CRT显像管的重要部件。分为行偏转线圈和场偏转线圈即水平偏转线圈和垂直偏转线圈。行偏转线圈通有由行扫描电路提供的锯齿波电流，产生在垂直方向上线性变化的磁场，使电子束作水平方向扫描。场偏转线圈通有由场扫描电路提供的锯齿波电流，产生一个水平方向线性变化的磁场，使电子束作垂直方向扫描。在行扫描和场扫描共同作用下，有规律的从上到下从左到右控制电子束的运动，屏幕上呈现一幅矩形的光栅。

我国采用的PAL制式规定，每帧625行，每秒25帧。隔行扫描，每帧两场，每秒50场；每行水平扫描正程为52μs，逆程为12μs，场正程时间≥18.4ms，逆程时间≤1.6ms，垂直方向显示575行。

4. 荫罩 荫罩、玻壳和电子枪是组成彩色显像管的三大主要部件，在彩色显象管内，荫罩装于玻壳和电子枪之间，起分色作用。 5. 玻璃管壳 玻璃管壳通常由屏幕玻璃、锥体、管颈三部分组成。用普通玻璃做CRT的外围器件，是因为透明性高，能耐受高空并能吸收从内部发生的X射线。

习题二 1. 简述CRT显示的特点。 2. 说明阴极射线管构成和驱动控制电路。 3. 说明黑白CRT显示系统工作原理。 2. 说明阴极射线管构成和驱动控制电路。 3. 说明黑白CRT显示系统工作原理。 4. 说明彩色CRT显示系统工作原理。

8.3 液晶显示技术 1液晶概述 2 液晶显示器件 习题三 3.1.1液晶的晶相 3.1.2液晶的物理性质 3.1.3液晶的电气光学效应 8.3 液晶显示技术 1液晶概述 3.1.1液晶的晶相 3.1.2液晶的物理性质 3.1.3液晶的电气光学效应 2 液晶显示器件 3.2.1 液晶显示器件的构造 3.2.2 液晶显示器件的显像原理 3.2.3 液晶显示器件的分类 习题三

液晶显示器件（Liquid Crystal Display，LCD）的主要构成材料为液晶。液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，同时又具有光学双折射性的晶体。液晶物质在熔融温度首先变为不透明的浑浊液体，此后通过进一步的升温继续转变为透明液体。因此液晶包括两种含义： 其一: 是指处于固体相和液体相中间状态的液晶相 其二：是指具有上述液晶相的物质。

液晶 液晶是相态的一种，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。人们熟悉的物质状态（又称相）为气、液、固，较为生疏的是电浆和液晶。液晶相要具有特殊形状分子组合始会产生，它们可以流动，又拥有结晶的光学性质。

液晶的定义，现在已放宽而囊括了在某一温度范围可以是现液晶相，在较低温度为正常结晶物质。 而液晶的组成物质是一种有机化合物，也就是以碳为中心所构成的化合物。 同时具有两种物质的液晶，是以分子间力量组合的，它们的特殊光学性质，又对电磁场敏感，极有实用价值。

优点 　　液晶显示材料具有明显的优点：驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，便于携带等。由于这些优点。用液晶材料制成的计算机终端和电视可以大幅度减小体积等。液晶显示技术对显示显像产品结构产生了深刻影响，促进了微电子技术和光电信息技术的发展。

液晶的分子排列结构并不像晶体结构那样坚固，因 此在磁场、温度、应力等外部刺激下，其分子容易发生再排列，液晶的各种光学性质会发生变化。 图3.1 液晶与其固态、液态分子排列对比

液晶所具有的这种柔软的分子排列正是其用于显示器件、光电器件、传感器件的基础。在用于液晶显示的情下，液晶这种特定的初始分子排列，在电压及热的作用下发生有别于其它分子排列的变化。伴随这种排列的变化，液晶的双折射性、旋光性、二色性、光散射性、旋光分散等各种光学性质的变化可转变为视觉变化，实现图像和数字的显示。 液晶显示是利用液晶的光变化进行显示，属于非主动发光型显示。

1. 液晶的分类 液晶是白色浑浊的黏性液体，其分子形状为棒状（如图所示）。从成分和出现液晶相的物理条件进行归纳分类，液晶可以分为溶致液晶和热致液晶两大类。

（1）溶致液晶：有些材料在溶剂中，处于一定的浓度区间时便会产生液晶，这类液晶称之为溶致液晶。 （2）热致液晶：把某些有机物加热熔解，由于加热破坏了结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。 热致型液晶又根据液晶晶相可分为3大类：向列型、近晶型和胆甾型。

常见液晶的晶相有向列相（nematic）、胆甾相（cholesteric）和近晶相（smectic）等。 2. 液晶的晶相 常见液晶的晶相有向列相（nematic）、胆甾相（cholesteric）和近晶相（smectic）等。 图3.3 3种常见液晶相

（1）向列相 向列相亦称丝状相。它由长、径比很大的棒状分子组成。分子大致平行排列，质心位置杂乱无序，具有类似于普通液体的流动性。 特点： 向列液晶由于其液晶分子重心杂乱无序，并可在三维范围内移动，表现出液体的特征——可流动性。 所有分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有单轴晶体的光学特性（折射系数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同），一般是单轴正性。 而在电学上又具有明显的介电各向异性， 由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动且分子的排列和运动比较自由，致使向列相液晶具有的黏度小、富于流动性、对外界作用相当敏感等特点。

（2）胆甾相 胆甾相亦称螺旋相。它可看作是由向列相平面重叠而成的，一个平面内的分子互相平行，逐次平面的分子方向成螺旋式（螺距约3000 Å），与可见光波长同数量级。 特点： 光学上一般是单轴负性。 向列相液晶与胆甾相液晶可以互相转换，在向列相液晶中加入旋光材料，会形成胆甾相，在胆甾相液晶中加入消旋光向列相材料，能将胆甾相转变成向列相。 胆甾相液晶在显示技术中很有用，扭曲向列（twisted nematic，TN）、超扭曲向列（Super Twisted Nematic，STN）、相变（phase change，PC）显示都是在向列相液晶中加入不同比例的胆甾相液晶而获得的 。

A相的分子与层面垂直，层内分子质心无序，像二维流体。层厚约等于或略小于分子长度。含氰基（C≡N）化合物的A相可能出现双分子层结构，为1 A相的分子与层面垂直，层内分子质心无序，像二维流体。层厚约等于或略小于分子长度。含氰基（C≡N）化合物的A相可能出现双分子层结构，为1.2～2μm。 （3）近晶相：近晶相亦称层状相或脂状相。它的分子分层排列，层内分子互相平行，其方向可以是垂直于层面，或与层面倾斜，层内分子质心可以无序、能自由平移、似液体；或有序呈二维点阵。分子层与层之间的相关程度在不同的相中有强有弱。手征性分子化合物则可以以扭曲的螺旋片层状出现，非扭曲型近晶相依其发现先后，以A、B、C等命名 ，如图3.4所示。近晶相因为它的高度有序性，经常出现在较低温的范例内。近晶液晶黏度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不宜作显示器件。 C相与A相在结构上唯一不同之处是分子与层面倾斜，倾角各层相同并互相平行，因此C相在光学上是双轴的。C相由手性分子组成，与A相类似，不同的是分子在层面上的投影像胆甾相那样呈螺旋状变化，光学上是单轴正性。对称性允许C相出现与分子垂直而与层面平行的自发极化矢量，这就是铁电性液晶（1975年R.B.迈耶等首次合成） B相，片层内的分子质心排列成面心六角形，分子垂直于层面，片层之间的关联随材料不同各有强弱，B相在光学上是单轴正性 图3.4 近晶相示意图

第3章 液晶显示技术 长形分子除上述3大类结构外，还有光学上各向异性的D相，由若干分子为一组的单元所构成的体心立方结构。1977年，印度S.Chandrasekhar等合成了盘形分子液晶。这些分子均具有一个扁平的圆形或椭圆形刚性中心部分，周围有长而柔软的脂肪族链。盘形分子液晶具有向列相、胆甾相和柱状相3类结构。盘形分子的向列相和胆甾相与上述长形分子相似，只需把长形分子的长棒轴用盘形分子的法向轴代替即可。柱状相是盘形分子所特有的结构，盘形分子在柱状相中堆积成柱，在同一柱中分子间隔可以是规则有序的，当然，柱状相也可以是不规则无序的，不同柱内的分子质心位置无相关性。各分子柱可以排列成六角形或长方形，如图3.5所示。 图3.5 柱状相液晶

长形和盘形分子构成的液晶的各向异性与分子本身的不对称形状有关。这些液晶的基本性质，绝大部分可以通过无体积的一维或二维分子模型来描述。 相变序列改变温度时，长形分子各液晶相之间的转变序列可以有两种（冷却时由右至左）： 1）X-H（H´）-G-F（F´）-I-B-C（C´）-A-N（N´-B´-B´）-I。 2）X-E-B-A-N-I。 H（H´）等表示H或H´，X和I分别代表晶体和各向同性液体。当然，特殊的液晶化合物并不一定具有上述所有的相。上面的序列只是表明这些相如有出现则以这种顺序。如表3.1所示的长形分子的液晶相结构及相变序列。

表3.1 长形分子的液晶相结构及其相变序列

第3章 液晶显示技术 3.1.2 液晶的物理性质 液晶受扰动时，分子取向有恢复平行排列的能力，称为曲率弹性，弹性常数一般很小。向列相和胆甾相的分子取向改变有3种形式：展曲、扭曲、弯曲。近晶相发生形变时，层厚保持不变，只有展曲和层面位移引起的混合弹性。 液晶既是抗磁体，又是介电材料，介电各向异性依材料而定，并与频率有关。液晶分子受外电场或磁场影响容易改变取向。 譬如，把胆甾相放在与螺距相垂直的外磁场中，磁场达到数千高斯即可使螺距成为无穷大，胆甾相变为向列相。液晶发生展曲或弯曲时，会产生极化甚至产生空间电荷，这是由于形变使分子的电偶极矩不再相互抵消，这种现象称为挠曲电效应。 液晶是非线性光学材料，具有双折射性质。

3 液晶的电气光学效应 液晶的特性与结构介于固态晶体与各向同性液体之间，是有序性的流体。从宏观物理性质看，它既具有液体的流动性、黏滞性，又具有晶体的各向异性，能像晶体一样发生双折射、布拉格反射、衍射及旋光效应，也能在外场作用（如电、磁场作用）下产生热光、电光或磁光效应。液晶分子在某种排列状态下，通过施加电场，将向着其它排列状态变化，液晶的光学性质也随之变化。这种通过电学方法，产生光变化的现象称为液晶的电气光学效应，简称电光效应（Electro-Optic Effect）。

液晶的电光效应主要包括以下几种: 1）液晶的双折射现象：液晶会像晶体那样，因折射率的各向异性而发生双折射现象，从而呈现出许多有用的光学性质：能使入射光的前进方向偏于分子长轴方向；能够改变入射光的偏振状态或方向；能使入射偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射。这些光学性质，都是液晶能作为显示材料应用的重要原因 .

双折射: 光束入射到各向异性的晶体，分解为两束光而沿不同方向折射的现象。它们为振动方向互相垂直的线偏振光。 在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动，这种光称为平面偏振光引，由于光矢量端点的轨迹为一直线，又叫做线偏振光。 旋光现象 　　当线偏振光通过某些物质时，其振动面将以光的传播方向为轴发生旋转，这称为旋光现象。

2）电控双折射效应：对液晶施加电场，使液晶的排列方向发生变化，因为排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折射现象。这一效应说明，液晶的光轴可以由外电场改变，光轴的倾斜随电场的变化而变化，因而两双折射光束间的相位差也随之变化，当入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。因此液晶具有比晶体灵活多变的电旋光性质。

3）动态散射：当在液晶两极加电压驱动时，由于电光效应，液晶将产生不稳定性，透明的液晶会出现一排排均匀的黑条纹，这些平行条纹彼此间隔数10 µm，可以用作光栅。进一步提高电压，液晶不稳定性加强，出现湍流，从而产生强烈的光散射，透明的液晶变得混浊不透明。断电后液晶又恢复了透明状态，这就是液晶的动态散射（dynamic scattering）。液晶材料的动态散射是制造显示器件的重要依据。

4）旋光效应：在液晶盒中充入向列型液晶，把两玻璃片绕着与它们互相垂直的轴相扭转90°，向列型液晶的内部就发生了扭曲，这样就形成了一个具有扭曲排列的向列型液晶的液晶盒。在这样的液晶盒前、后放置起偏振片和检偏器，并使其偏振化方向平行，在不施加电场时，让一束白光射入，液晶盒会使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转90°。 电控双折射、旋光效应都可以应用于彩色显示的实现。

5）宾主效应：将二向色性染料掺入液晶中，并均匀混合起来，处在液晶分子中的染料分子将顺着液晶指向矢量方向排列。在电压为零时，染料分子与液晶分子都平行于基片排列，对可见光有一个吸收峰，当电压达到某一值时，吸收峰值大为降低，使透射光的光谱发生变化。可见，加外电场就能改变液晶盒的颜色，从而实现彩色显示。由于染料少，且以液晶方向为准，所以染料为“宾”，液晶则为“主”，因此得名“宾主（guest-host，G-H）”效应。 二色向性是指物质对光的吸收系数依赖于光的偏振状态.

2 液晶显示器件 2.1 液晶显示器件的构造 图3.6 典型LCD结构截面 2 液晶显示器件 2.1 液晶显示器件的构造 将设有透明电极的两块玻璃基板用环氧类黏合剂以4～6 µm间隙进行封合，并把液晶封入其中而成，与液晶相接的玻璃基板表面有使液晶分子取向的膜。如果是彩色显示，在一侧的玻璃基板内面与像素相对应，设有由三基色形成的微彩色滤光片。 图3.6 典型LCD结构截面

LCD是非发光型的。其特点是视感舒适，而且是很紧凑的平板型。 LCD的驱动由于模式的不同而多少有点区别，但都有以下特点： （1）是具有电学双向性的高电阻、电容性器件，其驱动电压是交流的。 （2）在没有频率相依性的区域，对于施加电压的有效值响应（铁电液晶除外）。 （3）是低电压、低功耗工作型，CMOS驱动也是可以的。 （4）器件特性以及液晶物理性质常数的温度系数比较大，响应速度在低温下较慢。

1. 液晶的基本显示原理 液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。

（1）单色液晶显示器的原理 LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直（相交成90°）。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90°扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90°。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。 图3.7 光线穿透示意图

LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90°，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住，如图3.8所示。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。 图3.8 光线阻断示意图

LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由5μm的液晶材料均匀隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜。背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

（2）彩色LCD显示器工作原理 在彩色LCD面板中，每一个像素都是由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。

LCD与CRT的优缺点比较: LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但同时也带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示。 LCD显示屏包含了在CRT技术中未曾用到的一些东西。为屏幕提供光源的是盘绕在其背后的荧光管。有时，会发现屏幕的某一部分出现异常亮的线条，也可能出现一些不雅的条纹，一幅特殊的浅色或深色图像会对相邻的显示区域造成影响。此外，一些相当精密的图案（比如经抖动处理的图像）可能在液晶显示屏上出现难看的波纹或者干扰纹。

现在，几乎所有的应用于笔记本或桌面系统的LCD都使用薄膜晶体管（TFT）激活液晶层中的单元格，TFT-LCD技术能够显示更加清晰、明亮的图像。早期的LCD由于是非主动发光器件，速度低、效率差、对比度小，虽然能够显示清晰的文字，但是在快速显示图像时往往会产生阴影，影响视频的显示效果。因此，如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑、呼机或手机中。

（3）液晶显示器件的显示方式 LCD的显示方式可分为两种： LCD面板本身为显示面的直观式； 将LCD面板的图像放大投影到投影屏，以供观看的投影式 1）直观式显示方式：这是直接观看显示面的方式。直观式中有透射型、反射型、透射反射兼用型。

所以透射式液晶是将光源放在显示器之后，显示器调制入射光

2）投影式显示方式：投影式是将LCD上写入的光学图像放大，投影到投影屏上的方式，也称为液晶光阀（LV）。图像的放大率和亮度可以通过加大投影用光源的光强来提高。

LCOS（Liquid Crystal on Silicon），即硅基液晶，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。 这种矩阵采用CMOS技术在硅芯片上加工制作而成。像素的尺寸大小从7微米到20微米，对于百万像素的分辨率，这个装置通常小于1英寸。 有效矩阵的电路在每个像素的电极和公共透明电极间提供电压，这两个电极之间被一薄层液晶分开。像素的电极也是一个反射镜。通过透明电极的入射光被液晶调制光电响应电压将被应用于每个像素电极。反射的像被光学方法同入射光分开从而被投影物镜放大成像到大屏幕上。 采用LCOS技术的投影机其光线不是穿过LCD面板，而是采用反射方式来形成图像，光利用效率可达40%。与其他投影技术相比，LCOS技术最大的优点是分辨率高，采用该技术的投影机产品在亮度和价格方面也将有一定优势。

a．光写入方式：基本的工作部分截面如图3.9所示，形成液晶和光导电体双层结构，电压通过透明电极均匀施加。光照部分因光导电层的电阻下降而将电压施加到液晶层，产生电光效应。 在实用的布局中做到，将高分辨率的小型CRT图像用透镜在光导电层成像，利用电子束轰击荧光面所产生的光点在光导电层做出潜像，对液晶施加的电压进行空间调制，在液晶层形成图像。对该液晶层照射投影用的强光，将图像放大投影到投影屏上。可以放大投影到200～450英寸的投影屏上，一般是高光束的，而且光功率很大。 图3.9 光写入方式液晶光阀的结构

b．热（激光）写入方式: 这种方式的显示工作是由相变而来的，所利用的就是光学变化。这种方式的例子有向列、胆甾混合液晶和层列液晶。若将这些液晶加热到相变温度以上，然后急剧冷却，那么该部分由透明组织变成排列紊乱的不透明组织。因此，利用红外激光束的偏转，在LCD面板上进行扫描，就可在LCD上写入高分辨率的图像。写入的图像可用照射光源和光学系统进行放大投影，这种方式一般都有存储功能。 在层列液晶中有两种常温下的层列相用于显示，即透明以及各向同性相紊乱排列的不透明组织。写入所用的是数毫瓦到500 mW的半导体激光器，擦除是通过对液晶层施加高电场（数十千伏/厘米）或在向列相温度以上的冷却中施加低电场而进行。

c．电写入（矩阵驱动）方式：电写入方式中有简单矩阵型和有源矩阵型。 前者有STN模式、胆甾类液晶的相变模式等被开发。 实际应用的是后者，其中有非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT ）驱动LCD、多晶硅薄膜晶体管（P-Si TFT）驱动LCD、单晶硅MOS晶体管（LCOS）驱动LCD。液晶主要采用TN模式，也有试用高分子分散型液晶的实例。在有源矩阵型中最常用的是下述的TFT-LCD型投影液晶面板。

d．TFT-LCD型：在直观式LCD中实现大型化很困难。实现40英寸以上的大型画面最适当的方式是在投影屏上投影的显示方式。娱乐方面的电视显示、办公自动化（OA）或会议室、会场的计算机图像显示都使用显示性能优异的TFT-LCD有源矩阵型。TFT-LCD的尺寸为0.8～5英寸（画面对角线长），其尺寸取决于光学系统、分辨率、热设计、成本。投影显示装置与金属卤化物灯等的光源亮度也有关，但投影屏尺寸已达200英寸左右（对角线长度），重要的是显示的高亮度和低功耗。

利用TFT-LCD的彩色投影显示有以下几种方式：一是使用一个彩色LCD的单板式；二是将一个黑白型LCD和三原色双色镜组合起来的单板式；三是将3个黑白型LCD和双色滤光片或棱镜式三基色分离光学系统组合起来的三板式（参见图3.10）等。 为了在某视角范围内提高显示图像的亮度，一般对投影屏进行精加工，以获得2～3倍的增益。视角虽变窄，但亮度得到了提高，并从结构上加以改进，以防止外光反射与对比度的下降。 投影方式中有从屏前面投影的前面投影方式和从屏后面投影的背面投影方式。背面投影方式在屏前的侧表面上做了减轻外光反射的处理，因此即使在比较亮的场所使用也对对比度影响不大，这是其优点。 图3.10 TFT-LCD投影装置的结构

根据液晶驱动方式分类，可将目前LCD产品分为扭曲向列（TN）型、超扭曲向列（STN）型及薄膜晶体管（TFT）型3大类 。 以应用产品数量来看，近10亿台LCD应用产品中，TN型产品占7成左右，STN型占2.5成，TFT型仅占0.5成；若以产值来看，因TFT产品价格高，产值占LCD七成左右。 2.3液晶显示器的分类 根据液晶驱动方式分类，可将目前LCD产品分为扭曲向列（TN）型、超扭曲向列（STN）型及薄膜晶体管（TFT）型3大类 。 1）扭曲向列型（ TN型） 扭曲向列（TN）型液晶显示器的基本构造为上下两片导电玻璃基板，其间注入向列型的液晶，上下基板外侧各加上一片偏光板，另外在导电膜上涂布一层、摩擦后具有极细沟纹的配向膜。由于液晶分子拥有液体的流动特性，很容易顺着沟纹方向排列，当液晶填入上下基板沟纹方向，以90°垂直配置的内部，接近基板沟纹的束缚力较大，液晶分子会沿着上下基板沟纹方向排列，中间部分的液晶分子束缚力较小，会形成扭转排列，因为使用的液晶是向列型的液晶，且液晶分子扭转90°，故称为TN型。

若不施加电压，则进入液晶组件的光会随着液晶分子扭转方向前进，因上下两片偏光板和配向膜同向，故光可通过形成亮的状态；相反地，若施加电压时，液晶分子朝施加电场方式排列，垂直于配向膜配列，则光无法通过第二片偏光板，形成暗的状态，以此种亮暗交替的方式可作为显示用途。

2） 超扭曲向列型（STN型） TN型液晶显示器在早期电子表上使用较多，但其最大缺点为光应答速度较慢，容易形成残影，因此后期发展出超扭曲向列（STN）型液晶显示器。 STN显示组件，其基本工作原理和TN型大致相同，不同的是液晶分子的配向处理和扭曲角度。STN显示组件必须预做配向处理，使液晶分子与基板表面的初期倾斜角增加，此外，STN显示组件所使用的液晶中加入微量胆石醇液晶使向列型液晶可以旋转角度为80°～270°，为TN的2～3倍，故称为STN型，TN与STN的比较见表3.2及图3.11。

表3.2 TN与STN型组件的比较 区分 项目 TN STN 扭曲角 90° 180°～270° 倾斜角 1°～2° 4°～7° 厚 度 厚 度 5～10 μm 3～8 μm 间隙误差 ±0.5 μm ±0.1 μm 图3.11 STN与TN 型液晶分子的扭曲状态

3） 薄膜晶体管型 薄膜晶体管（TFT）型液晶显示器采用了两夹层间填充液晶分子的设计。只不过是把左边夹层的电极改为了场效应晶体管，而右边夹层的电极改为了共通电极。在光源设计上，TFT的显示采用“背透式”照射方式。光源照射时先通过右偏振片向左透出，借助液晶分子来传导光线。由于左右夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的表现如TN液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。相对而言，TN就没有这个特性，液晶分子一旦没有被施压，立刻就返回原始状态，这是TFT液晶和TN液晶显示原理的最大不同。

表3 3种主要类型LCD产品的比较 项目 TN STN TFT 驱动方式 单纯矩阵驱动的扭曲向列型 单纯矩阵驱动的超扭曲向列型 主动矩阵驱动 视角大小 （可观赏角度） 小 （视角+30°/观赏角度60°） 中等 （视角+40°） 大 （视角+70°） 画面对比 最小 （画面对比在20:1） 最大 （画面对比在150︰1） 反应速度 最慢 （无法显示动画） 中等（150 ms） 最快（40 ms） 显示品质 最差 （无法显示较多像素，分辨率较差） 最佳 颜色 单色或黑色 单色及彩色 彩色 价格 最便宜 最贵（约STN3倍） 适合产品 电子表、电子计算机、各种汽车、电器产品的数字显示器 移动电话、PDA、电子辞典、掌上型电脑、低档显示器 笔记本/掌上型电脑、PC显示器、背投电视、汽车导航系统

习题三 1. 简述液晶的种类与特点。用什么方法判断液晶的纯度？ 2. 液晶材料的物理性质与显示技术之间存在何种关系？ 3. 什么是液晶的热光效应？简述液晶热像显示原理。

8.4章 发光二极管(LED)显示技术 1 发光二极管基本知识 2 发光二极管显示器件 3 有机发光二极管（OLED）显示技术 习题四

1 发光二极管基本知识 1.1 半导体光源的物理基础 LED（Light Emitting Diode）发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，电子占主导地位。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

图4.1 半导体光源的物理基础 图4.2 半导体LED的构造图

晶片的发光颜色取决于波长，常见可见光的分类大致为：暗红色（700nm）、深红色（640-660nm）、桔红色（615-635nm）、琥珀色（600-610nm）、黄色（580---595nm）、黄绿色（565-575nm）、纯绿色（500-540nm）、蓝色（435-490nm）、紫色(380-430nm)。白光和粉红光是一种光的混合效果。最常见的是由蓝光+黄色荧光粉和蓝光+红色荧光粉混合而成。 晶片的作用：晶片是Lamp的主要组成物料，是发光的半导体材料。 晶片的组成：晶片是采用磷化镓（GaP）、镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）、氮化镓GaN）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。

品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为，式中向为p、n结区少子注入效率，为在势垒区少子与多子复合效率，为外部出光（光取出效率）效率。 由于LED材料折射率很高。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为 ，反射出的占32%，鉴于晶体本身对光有相当一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。

为了进一步提高外部出光效率可采取以下措施： ① 用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面； ② 把芯片晶体表面加工成半球形。

1.2 发光二极管的结构 发光二极管是指当在其整流方向施加电压（称为顺方向）时，有电流注入，电子与空穴符合，其一部分能量变换为光并发射的二极管。这种LED由半导体制成，属于固体元件，工作状态稳定、可靠性高，其连续通电时间（寿命）可达105h以上。 LED的发光来源于电子与空穴发生复合时放出的能量。作为LED用材料，一是要求电子与空穴的输运效率要高；二是要求电子与空穴复合时放出的能量应与所需要的发光波长相对应，一般多采用化合物半导体单晶材料。

1.3 发光二极管的驱动 驱动电路是LED(发光二极管)产品的重要组成部分，其技术成熟度正随着LED市场的扩张而逐步增强。无论在照明、背光源还是显示板领域，驱动电路技术架构的选择都应与具体的应用相匹配。 作为LCD（液晶显示器）的背光源，LED在便携产品中的地位不可动摇，即便是在大尺寸LCD的背光源当中，LED也开始挑战CCFL(冷阴极荧光灯)的主流地位；而在照明领域，LED作为半导体照明最关键的部件，更是因为它节能、环保、长寿命、免维护等优点而受到市场的追捧。

直流驱动是最简单的驱动方式。当前很多厂家生产的LED灯类产品都采用这种驱动方式，即采用阻、容降压，然后加上一个稳压二极管，向LED供电，如图4.3（a）所示。 由于LED器件的正向特性比较陡，以及器件的分散性，使得在电压和限流电阻相同的情况下，各器件的正向电流并不相同，从而引起发光强度的差异。以白光LED为例，白光LED需要大约3.6 V的供电电压才能实现合适的亮度控制。

大多数便携式电子产品都采用锂离子电池作电源，它们在充满电之后约为4. 2 V，安全放完电后约为2 大多数便携式电子产品都采用锂离子电池作电源，它们在充满电之后约为4.2 V，安全放完电后约为2.8 V，显然白光LED不能由电池直接驱动。如果能够对LED的正向电流直接进行恒流驱动的话，只要恒流值相同，各LED的发光强度就比较相近。考虑到晶体管的输出特性具有恒流的性质，所以可以用晶体管来驱动LED，如图4.3（b）所示。

此外，利用人眼的视觉暂留特性，采用反复通断电的方式使LED器件点燃的方法就是脉冲驱动法，如图4.3（c）所示。 脉宽调制 （Pulse-Width Modulation，PWM）技术是一种传统的调光方式，它利用简单的数字脉冲，反复开关LED驱动器，系统只需要提供宽窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节LED的亮度。该技术的优点在于：能够提供高质量的白光、应用简单、效率高。但有一个致命的缺点是容易产生电磁干扰，有时甚至会产生人耳能听见的噪声。

图4.3 LED的3种不同驱动方式

1.4 发光二极管的特点及应用 1. LED的主要特点： (1)LED为非相干光，光谱较宽，发散角大； (2) LED的发光颜色非常丰富； 红色： GaP:ZnO或GaAsP 材料 橙色、黄色 ： GaAsP 材料 蓝色： GaN 材料 通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。 (3) LED的辉度高，即使在日光下，也能视认； (4) LED的单元体积小； (5) 寿命长，基本上不需要维修。

LED的其他特点： 机械强度大，耐振动和耐冲击能力 ； 使用低压电源，供电电压在6-24V之间 ，特别适用于公共场所 ； 功耗低，易于实现低压驱动 ； 体积小，重量轻，适用性强 ； 寿命长达10万小时，响应时间为纳秒级 ； 无有害金属汞 ，对环境无污染 ； 改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光； LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由300~500只二极管构成。

2. LED的主要应用: LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，早期开发的为普通型LED，是中、低亮度的红、橙、黄、绿LED已获广泛使用。近期开发的为新型LED，是指蓝光LED和高亮度、超高亮度LED。它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成在面积显示屏幕，使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。

指示灯：LED正在成为指示灯的主要光源 数字显示用显示器：点矩阵型和字段型两种方式 平面显示器：可进行电视画面显示 光源：电视机、空调等的遥控器的光源干涉仪的光源 低速率、短距离光纤通信系统的光源。

LED显示屏是通过一定的控制方式，用于显示文字、文本、图像、图形和行情等各种信息以及电视、录像信号并由LED器件阵列组成的显示屏幕。 2 发光二极管显示器件 2.1 LED显示器件的显示原理 LED显示屏是通过一定的控制方式，用于显示文字、文本、图像、图形和行情等各种信息以及电视、录像信号并由LED器件阵列组成的显示屏幕。 LED显示屏按使用环境分为室内屏和室外屏，室内屏基本发光点按采用的LED单点直径有Ф3、Ф3.75、Ф5、Ф8和Ф10等几种规格，室外屏按采用的像素直径有Ф19、Ф22、Ф26等规格。

LED显示屏按显色分为单基色屏（含伪色彩屏，几在不通的区域安装不同颜色）屏；按灰度级又可分为16、32、64、128、256级灰度屏等。LED显示屏按显示性能分为文本屏、图文屏、计算机视频屏、电视视频LED显示屏和行情LED显示屏等，行情LED显示屏一般包括证券、利率、期货等用途的LED显示屏。

典型的LED显示系统一般由信号控制系统、扫描和驱动电路以及LED阵列组成,如图4 典型的LED显示系统一般由信号控制系统、扫描和驱动电路以及LED阵列组成,如图4.3所示 。信号控制系统可以是嵌入式LED 显示屏的单片机系统、独立的微机系统、传呼接收与控制系统等。其任务是生成或接收LED显示所需要的数字信号，并控制整个LED显示系统的各个不同部件按一定的分工和时序协调工作。 图4.3 LED显示系统原理图

行扫描电路主要由译码器组成，用于循环选通LED阵列行。列驱动电路多分为三级管阵列，给LED提供大电流。移位寄存器/锁存器由传入并出寄存器和锁存器（或带所存功能的移位寄存器）构成。待显示数据就绪后，控制系统首先将第一行数据打入移位寄存器并锁存，然后由行扫描电路选通LED阵列的第一行，持续一定时间后，在用同样方法显示后续行，直至完成一帧显示，如此循环往复。

根据人眼视觉暂留时间，屏幕刷新速率每秒25帧以上就没有闪烁感。当LED显示屏面积很大时以提高视觉效果，可以分区并行显示。在高速动态显示时，LED的发光亮度与扫描周期内的发光时间成正比，所以，通过调制LED的发光时间与扫描周期的比值（几占空比）可实现灰度显示，不同基色LED灰度组合后便调配出多种色彩。

8.4 发光二极管(LED)显示技术 4.1 有机发光二极管显示简介 4.1 有机发光二极管显示简介 有机发光二极管或有机发光显示器（Organic Light Emitting Diode，OLED）本质上属于电致发光（EL）显示器件。电致发光是在半导体、荧光粉为主体的材料上施加电而发光的一种现象。电致发光可分为本征型电致发光和电荷注入型电致发光两大类。本征型电致发光是把ZnS等类型的荧光粉混入纤维素之类的电介质中，直接或间接地夹在两电极之间，施加电压后使之发光；注入型电致发光的典型器件是发光二极管，在外加电场作用下使P-N结产生电荷注入而发光。

等离子体显示器件工作原理 习题五 8.5 等离子体显示技术 5.1 等离子体基本知识 5.2 等离子体显示器件的显示原理 8.5 等离子体显示技术 等离子体显示器件工作原理 5.1 等离子体基本知识 5.2 等离子体显示器件的显示原理 5.3 等离子体显示器件的特点 5.4等离子体显示器件的性能指标 习题五

5.1 等离子体基本知识 1. 等离子体概述 等离子体（plasma）是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气态外，物质存在的第四态。

等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99％。在自然界里，炽热的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体，如焊工们用高温等离子体焊接金属。

根据等离子体焰温度，可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体两类。 （1）高温等离子体：温度相当于108～109K完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。 （2）低温等离子体，包括热等离子体和冷等离子体。 1）热等离子体：稠密高压（1大气压以上），温度103～105 K，如电弧、高频和燃烧等离子体。 2）冷等离子体：电子温度高（103～104 K）、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体等。

根据等离子体中各种粒子的能量分布情况，又可将等离子体分为等温等离子体和非等温等离子体两类。 1）等温等离子体：所有的粒子都具有相同的温度，粒子依靠自己的热能作无规则的运动。 2）非等温等离子体：又称气体放电等离子体，所有粒子都不具有热运动平衡状态。在组成这种状态的等离子体中，带电粒子要从外电场获得能量，并产生一定数目的碰撞电离来补充放电空间中带电粒子的消失。

普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开尔文到1亿开尔文，所有气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等．这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。

等离子体和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场要影响其它带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等。等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第4态 。

等离子体主要具有以下特征： （1）气体高度电离。在极限情况下，所有中性粒子都被电离了。 （2）具有很大的带电粒子浓度，一般为 。由于带正电与带负电的 粒子浓度接近相等，因此等离子体具有良导体的特征。 （3）等离子体具有电振荡的特征。在带电粒子穿过等离子体时，能够产生等离子体激元，等离子体激元的能量是量子化的。 （4）等离子体具有加热气体的特征。在高气压收缩等离子体内，气体可被加热到数万度。 （5）在稳定情况下，气体放电等离子体中的电场相当弱，并且电子与气体原子进行着频繁的碰撞，因此气体在等离子体中的运动可看作是热运动。

表征等离子体的主要参量 （1）电子温度Te。在等离子体中，电子碰撞电离是主要的，然而电子碰撞是与电子能量有直接关系的，因此电子温度是等离子体的主要参量，是用来表征电子能量的。 （2）电离强度。表征等离子体中发生电离的程度。具体地说，就是一个电子在单位时间内所产生的电离次数。 （3）轴向电场强度EL。表征维持等离子体的存在所需要的能量。 （4）带电粒子浓度。即等离子体中带正电的和带负电的粒子浓度。 （5）杂乱电子流密度。表征在管壁限制的等离子体内，由于双极性扩散所造成的带电粒子消失的数量。

2. 等离子体显示技术 等离子体显示板（Plasma Display Panel，PDP）是一种新型显示器件，其主要特点是整体成扁平状，厚度可以在10 cm以内，轻而薄，重量只有普通显像管的1/2。由于它是自发光器件，亮度高、视角宽（达160°），可以制成纯平面显示器，无几何失真，不受电磁干扰，图像稳定，寿命长。PDP可以产生亮度均匀、生动逼真的图像。

PDP的主要优点可以概括为： 固有的存储性能，高亮度，高对比度，能随机书写与擦除，长寿命，大视角以及配计算机时优秀的相互作用能力。

3. PDP显示屏基本结构 PDP由前玻璃板、后玻璃板和铝基板组成。对于具有VGA显示水平的PDP，其前玻璃板上分别有480行扫描和维持透明电极，后玻璃板表面有2556（852×3）行数据电极，这些电极直接与数据驱动电路板相连。根据显示水平的不同，电极数会有变化。PDP显示屏的组成和结构特征如图5.1所示。

前玻璃板结构在前玻璃板上，成对地制作有扫描和维持透明电极，其上覆盖一层电介质，MgO保护层覆盖在电介质上。前、后玻璃板拼装，封口，并充入低压气体，在两玻璃板间放电。 光 电 显 示 技 术 第5章 等离子体显示技术 后层玻璃板结构在后层玻璃板上有寻址电极，其上覆盖一层电介质。红、绿、蓝彩色荧光粉分别排列在不同的寻址电极上，不同荧光粉之间用壁障相间。 图5.1 PDP显示屏基本结构

4. PDP应用领域 PDP主要应用于办公自动化设备领域，同时在个人计算机领域也有一席之地。 PDP已用于销售终端（POS）、银行出纳终端及室外显示屏。新研制成的大容量PDP已经在OA设备中大量采用，而且应用前景看好。 PDP工作在全数字化模式，易于制成大屏幕显示，是数字电视（Digital TV，DTV）、高清晰度电视（HDTV）、计算机工程工作站（Computer Engineering Work Station，CEWS）及多媒体终端（Multi media terminals，MMT）理想的显示器件。

近20年来，彩色PDP研究取得了较大的进展，众多技术难点从机理上已得到解决。如PDP驱动电压原来很高，驱动电路成本约占整机的75%，而采用寻址显示技术可降低驱动电路的成本。虽然与LCD显示屏相比，PDP的驱动电压仍较高，驱动电路价格贵一些，但显示屏自身制作较为容易。如存储型AC-PDP，除荧光粉涂覆需用光刻工艺外，像素的精细制作大多采用厚膜印刷技术，这与有源矩阵液晶显示屏（Active Matrix LCD，AM-LCD）每个像素制作一个薄膜晶体管（TFT）元件相比容易很多，故相对来说成品率较高、成本较低。

LCD显示屏自身的功耗显然比PDP低得多，但为了实现彩色显示的液晶显示器件，需采用荧光灯作背照光源，此时透过彩色滤光膜的光通量仅有百分之几，因此，两种平板显示器的总功耗相差无几。此外，PDP所用的RGB三基色荧光粉具有与彩色CRT三基色荧光粉同样良好的发光特性，这确保了彩色PDP具有颇佳的色纯，加上兼备良好的灰度显示能力，因此，彩色存储型PDP是最佳的实现直视型大屏幕壁挂式彩电的显示器件，同时它也是实现HDTV显示最有发展前途的平板显示器件。

由于集成电路技术的迅速发展，PDP显示器件已达到经久耐用及更高速的水平，并已研制出众多改进型应用产品。PDP的一个主要优点是易于增大屏幕尺寸。PDP不仅可挂于居室和酒吧的墙壁上，而且还有多种应用，如公共信息标牌、会议室演示系统、台式计算机监视器、证劵交易所金融行情显示终端、医疗诊断、直升机模拟显示及公共娱乐场所游戏机等。此种彩色PDP正从54 cm（21英寸）起步，迅速增大至面向彩电市场的102 cm （40英寸），然后再增大至152 cm（60英寸以上）。由此可见，彩色PDP最终将作为HDTV及多媒体显示而形成新兴的产业。

5.2 等离子体显示器件的显示原理 等离子体显示板是由几百万个像素单元构成的，每个像素单元中涂有荧光层并充有惰性气体。它主要利用电极加电压、惰性气体游离产生的紫外光激发荧光粉发光制成显示屏。PDP显示屏的每个发光单元工作原理类似于霓虹灯，在外加电压的作用下气体呈离子状态，并且放电，放电电子使荧光层发光，每个灯管加电后就可以发光，显示屏由两层玻璃叠合、密封而成。当上下玻璃板之间的电极施加一定电压，电极触电点火后，电极表面会产生放电现象，使显示单元内的气体游离产生紫外光（ultraviolet，UV），紫外光激发荧光粉产生可见光。一个像素包括红、绿、蓝3个发光单元，三基色原理组合形成256色光。

等离子体发光单元与荧光灯和显像管的比较如下： 荧光灯内充有微量的氩和水银蒸气，它在交流电场的作用下，发生水银放电发出紫外线，从而激发灯管上的荧光粉，使之发出白色的荧光。显像管是由电子枪发射电子射到屏幕荧光体而发光。等离子体发光单元内也涂有荧光粉，单元内的气体在电场的作用下被电离放电使荧光体发光。等离子体彩色显示单元是将一个像素单元分割为3个小的单元，并在单元内分别涂上红、绿、蓝3色荧光粉，每一组所发的光就是红、绿、蓝3色光合成的效果。

1. PDP像素放电、发光单元结构 PDP像素放电、发光单元结构如图5.2所示。电极加电压，正负极间激发放出电子，电子轰击惰性气体，发出真空紫外线；真空紫外线射在荧光粉上，使荧光粉发光，进而实现PDP发光。

光 电 显 示 技 术 图5.2 PDP像素放电、发光单元结构

2. PDP显示器件的显示原理 等离子体显示板的像素实际上类似于微小的氖灯管，它的基本结构是在两片玻璃之间设有一排一排的点阵式的驱动电极，其间充满惰性气体。像素单元位于水平和垂直电极的交叉点，要使像素单元发光，可在两个电极之间加上足以使气体电离的电压。颜色是单元内的磷化合物（荧光粉）发出的光产生的，通常等离子体发出的紫外光是不可见光，但涂在显示单元中的红、绿、蓝3种荧光粉受到紫外线轰击就会产生红、绿和蓝的颜色。改变三种颜色光的合成比例就可以得到任意的颜色，这样等离子体显示屏就可以显示彩色图像。

光 电 显 示 技 术 第5章 等离子体显示技术 图5.3 PDP发光形成图形过程示意图

等离子体显示单元的发光过程分为4个阶段。 （1）预备放电：给扫描/维持电极和维持电极之间加上电压，使单元内的气体开始电离形成放电的条件，如图5.3（a）所示。 （2）开始放电：接着给数据电极与扫描/维持电极之间加上电压，单元内的离子开始放电，如图5.3 （b）所示。 （3）放电发光与维持发光：去掉数据电极上的电压，给扫描/维持电极和维持电极之间加上交流电压，使单元内形成连续放电，从而可以维持发光，如图5.3 （c）所示。 （4）消去放电：去掉加到扫描/维持电极和维持电极之间的交流信号，在单元内变成弱的放电状态，等待下一个帧周期放电发光的激励信号，如图5.3 （d）所示。

等离子体显示单元的发光过程如图5.4所示 。 图5.4 等离子体显示单元的发光过程

5.3 等离子体显示器件的特点 高亮度和高对比度。亮度达到330～850 cd/m2；对比度达到3000︰1。 5.3 等离子体显示器件的特点 高亮度和高对比度。亮度达到330～850 cd/m2；对比度达到3000︰1。 纯平面图像无扭曲。PDP的RGB发光栅格在平面中呈均匀分布， 这样就使得PDP 的图像即使在边缘也没有扭曲现象出现。而在CRT彩电中，由于在边缘的扫描速度不均匀，很难控制到不失真的水平。 超薄设计、超宽视角。由于等离子体电视显示原理的关系，使其整机厚度大大低于传统的CRT彩电和投影类彩电。如PDP402等离子体电视的机身厚度仅为7.8 cm。等离子体PDP电视是自发光器件，其可视角已大于传统彩电CRT。

具有齐全的输入接口，可接驳市面上几乎所有的信号源。 与传统的CRT彩电相比，由于其显示原理不需要借助电磁场，所以来自外界的电磁干扰，如马达、扬声器，甚至地磁场等，对PDP等离子体的图像没有影响，不会像CRT彩色电视机受电磁场的影响会引起图像变形变色或图像的倾斜。

环保无辐射。PDP等离子体电视在结构设计上采用了良好的电磁屏蔽措施，其屏幕前置玻璃也能起到电磁屏蔽和防红外线辐射的作用，对眼睛几乎没有伤害，具有良好的环保特性。 散热性能好，低噪声。 采用电子寻址方式，图像失真小。PDP属固定分辨率显示器件，清晰度高、色纯一致，没有聚焦、会聚问题。 采用了帧驱动方式，消除了行间闪烁和图像大面积闪烁。 图像惰性小，重显高速运动物体不会产生拖尾等缺陷

PDP等离子体电视与直视型显像管彩电相比，具有以下技术优势： PDP等离子体电视的体积更小、重量更轻，而且无X射线辐射。由于PDP各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现显像管常见的图像几何变形。PDP屏幕亮度非常均匀——没有亮区和暗区，而传统显像管的屏幕中心总是比四周亮度要高一些。PDP不会受磁场的影响，具有更好的环境适应能力。PDP屏幕不存在聚焦的问题。因此，显像管某些区域因聚焦不良或年月已久开始散焦的问题得以解决，不会产生显像管的色彩漂移现象。表面平直使大屏幕边角处的失真和色纯度变化得到彻底改善。高亮度、大视角、全彩色和高对比度，使PDP图像更加清晰，色彩更加鲜艳，效果更加理想，令传统电视叹为观止。

PDP显示器件与LCD液晶显示器相比，具有以下技术优势： PDP显示亮度高，屏幕亮度高达150 lx，因此可以在明亮的环境之下欣赏大幅画面的视讯节目。色彩还原性好，灰度丰富，能提供格外亮丽、均匀平滑的画面。PDP视野开阔，PDP的视角高达160°，普通电视机的大于160°的地方观看画面已严重失真，而液晶显示器视角只有40°左右，更是无法与PDP的效果比拟。对迅速变化的画面响应速度快。此外，PDP平而薄的外形也使其优势更加明显。

等离子体显示器件的缺点是： （1）功耗大，不便于采用电池电源（与LCD相比）。 （2）与CRT相比，彩色发光效率低。 （3）驱动电压高（与LCD相比）。 虽然PDP尚存在一些不足，但随着今后研究工作的进一步开展，必将使PDP的技术性能不断改进。

颜色分辨率指每一个像素点可以有多少种颜色，这是由用来表示一个像素点的二进制位数决定的。 5.4 等离子体显示器件的性能指标 PDP显示器件的性能指标主要指它的空间分辨率、颜色分辨率和扫描频率。 空间分辨率用像素点的大小或水平方向像素点数与垂直方向像素点的乘积表示。前两代的点距大约为1.33 mm，42英寸分辨率一般在852×480。第三代的点距为0.89～0.99 mm，42英寸分辨率一般在1024×768，50英寸的产品大多为1366×768。 扫描频率必须达到一定的值时才不会出现闪烁现象。 颜色分辨率指每一个像素点可以有多少种颜色，这是由用来表示一个像素点的二进制位数决定的。

购买成熟PDP产品时应该注意以下性能指标： （1）分辨率：42英寸分辨率应达到1024×768，50英寸的产品应该更高。 （2）显示屏亮度不小于780 cd/cm2，灰度达到1024级。 （3）标称对比度应达到3000︰1（即标准测试的650︰1）。 （4）与个人计算机模式是否兼容（即是否能处理VGA/SVGA/XGA/SXGA等模式）。 （5）功耗：越低越好，目前一些产品耗电可低于300 W。 （6）寿命：产品的使用期至少在3万小时以上，最好能达到10万小时。

PDP显示器件使用时应注意以下事项： （1）由于等离子体显示是平面设计，而且显示屏上的玻璃极薄，所以，它的表面不能承受太大或太小的大气压力，更不能承受意外的重压。 （2）等离子体显示屏的每一颗像素都是独立地自行发光，相比于显像管电视机使用一支电子枪而言，耗电量自然大增，一般等离子体显示屏的耗电量都达到300 W，是家电中不折不扣的耗电大户，由于发热量大，所以很多PDP彩电的背板上装有多组风扇用于散热。 （3）正是大量的发光和发热元件向外产生辐射，目前仍不能有效地在机内较好地解决电视节目接收等高频信号处理问题，同时对输入的视频信号接线也是考验，差一点的色差线会产生花屏现象。

习题五 简述等离子体显示屏的基本基本结构。 简述等离子体显示单元的发光过程。 等离子体显示器件的特点及性能指标有哪些？ 等离子体显示器件的电路组成包括哪几部分？ 简述等离子体显示板的驱动方式。

(Laser projection display LPD) 8.6 激光显示技术 (Laser projection display LPD) 6.1 激光基本知识 6.1.1 激光技术简介 6.1.2 激光的特性 6.1.3 常用激光器 6.2 激光显示器件 6.2.1 激光显示原理 6.2.2 常用激光显示器件 6.2.3 激光显示技术展望 习题六

6.1 激光基本知识 6.1.1 激光技术简介 激光译自英语Laser。即为光的辐射放大。激光辐射具有一系列与普通光不同的特点，直观地观察，激光具有高定向性、高单色性或高相干性特点。用辐射光度学的术语描述，激光具有高亮度特点；用统计物理学的术语描述，激光则具有高光子简并度特点；从电磁波谱的角度来描述，激光是极强的紫外线、可见光或红外线相干辐射，且具有波长可调谐（连续变频）等特点。

1. 光波的调制 所谓光波调制，是指改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数使之携带信息的过程。光频载波调制和无线电载波调制在本质上是一样的，但在调制与解调方式上有所不同。 在光频区域多用于强度调制和解调，而在无线电频段则很少使用这种调制和解调方式。 在光频段还常使用偏振调制，并且很容易实现，而在无线电频段，这种调制几乎不可能实现。 因此，光频调制有其特殊性。它在光通信、光信息处理、光学测量以及光脉冲发生与控制等许多方面有越来越多的应用。

实现光调制的方法：按其调制机理的不同可划分为激励功率调制、吸收调制、声光调制和电光调制等，见表6.1。 表6.1 光调制分类 调制方式 调制方法 调制机理 内腔调制 电光调制 电光效应（普科尔、克尔效应） 外腔调制 声光调制 声光效应（拉曼、布拉格衍射效应 磁光调制 磁光效应（法拉第、电磁场移位效应） 其它调制 机械振子、运动（调制盘）等 直接调制 电源调制 用激励功率改变激光输出功率

2. 电光调制 电光调制的物理基础是电光效应。电光效应是指物质的折射率因外加电场而发生变化的一种效应，常用的电光效应有线性电光效应和二次电光效应两种。线性电光效应又称普克尔（Pockel）效应，它表现为折射率随外加电场呈线性变化；二次电光效应又称科尔（Kerr）效应，它表现为折射率随外加电场平方成比例变化。

3. 声光调制 超声波是一种弹性波，超声波在介质中传播时，将引起介质密度呈疏密交替地变化，其折射率也将发生相应的变化。这样对于入射光波来讲，存在超声波场的介质可以视作一个超声光栅，光栅常数等于声波波长。入射光将被光栅衍射，衍射光的强度、频率和方向都随超声场而变化，声光调制器就是利用衍射光的这些性质来实现光的调制和偏转的。

声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式。行波所形成的超声光栅在空间是移动的，介质折射率的增大和减小是交替变化的，并以声速向前推进。折射率的瞬时空间变化可以用式（6-1）表示，即 Δη(z,t)=Δηsin(ωst-ksz) （6-1） 式6-1 ωs中为声波的角频率； ks为声波的波数。 驻波形成的位相光栅是固定在空间的，可以认为是两个相向行波叠加的结果，介质折射率随时间变化的规律为 Δη(z,t)=2Δηsinωst·sinksz （6-2） 在一个声波周期内，介质出现两次疏密层结构。在波节处介质密度保持不变，在波腹处折射率每半个声波周期变化一次。作为超声光栅，它将以频率2f，即声波频率的2倍交替出现。

4. 调Q技术 5. 锁模技术 调Q技术的目的是获得窄的巨脉冲。 调Q技术所能获得的最窄脉宽约为10-9 s量级，而在非线性光学、受控核聚变、等离子体诊断、高精度测量等领域中，往往需要宽度更窄的脉冲（ 10-15 ～ 10-12 s）。锁模技术就是获得超短脉冲的一种技术。 6. 选模技术 激光器通常是多模振荡，包括多纵模和多横模。前者按频率区分模数，后者按空间区分模数。尽管谐振腔对纵模和横模都有限制作用，但是在有些场合，如要求提高相干长度时，仍然是不够的。这就需要进一步选模，即选择特定的模式允许振荡，按频率和空间区分的模数同时尽可能减小。极限情况下，则要求单波型，即单一频率、单一空间波型振荡。

7. 稳频技术 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化。 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率ν的比值Δν/ν很小。但由于各种不稳定因素的影响,实际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中,要求激光器所发出的激光有较高的频率稳定性. 频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后,由于内部和外界条件的变化,谐振频率仍然在整个线型宽度内移动的现象。

6.1.2 激光的特性 1. 高方向性（高定向性）和空间相干性 2. 单色性和时间相干性 3. 高亮度和光子简并度

6.1.3 常用激光器 激光按其产生的工作物质的不同可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器、液体激光器、化学激光器和自由电子激光器等。 1. 气体激光器 气体激光器又可分为原子、分子、离子气体激光器3大类。原子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体原子，其典型代表是氦氖激光器。分子气体激光器中，产生激光作用的是没有电离的气体分子，分子激光器的典型代表是CO2激光器、氦分子（N2）激光器和准分子激光器。离子激光器的典型代表是氩离子（Ar+）和氦镉（He-Cd）离子激光器。

气体激光器有以下特点： （1）发射的谱线分布在一个很宽的波长范围内，已经观测到的激光谱线不下万余条，波长几乎遍布了从紫外到远红外整个光谱区。 （2）气体工作物质均匀性较好，使得输出光束的质量较高。 （3）气体激光器很容易实现大功率连续输出，如CO2激光器目前可达万瓦级。 （4）气体激光器还具有转换效率高、工作物质丰富、结构简单和器件成本低等特点。由于气体原子（分子）的浓度低，一般不利于做成小尺寸大能量的脉冲激光器。 由于气体激光器具有以上优点，已经被广泛应用于准直、导向、计量、材料加工、全息照相以及医学、育种等领域。

2．固体激光器 固体激光器是将产生激光的粒子掺于固体基质中。工作物质的物理、化学性能主要取决于基质材料，而它的光谱特性则主要由发光粒子的能级结构决定，但发光粒子受基质材料的影响，其光谱特性将有所变化。固体工作物质中，发光粒子（激活离子）都是金属离子。

固体激光器的突出特点是：产生激光的粒子掺于固体物质中，浓度比气体大，因而可获得大的激光能量输出，单个脉冲输出能量可达上万焦耳，脉冲峰值功率可达1013～1014 W/cm2，因固体热效应严重，连续输出功率不如气体高。但是固体激光器具有能量大、峰值功率高、结构紧凑、牢固耐用等优点，已广泛应用于工业、国防、医疗、科研等方面。

3．半导体激光器 半导体激光器是以半导体为工作物质的激光器。常用的半导体激光器材料是CaAs（砷化镓）、CdS（硫化镉）、PbSnTe（碲锡铅）等。半导体激光器有超小型、高效率、结构简单、价格便宜等一系列特点。在光纤通信、激光唱片、光盘、数显等领域有广泛应用。

4．液体激光器 液体激光器可分为两类：有机化合物液体（染料）激光器（简称染料激光器）和无机化合物液体激光器（简称无机液体激光器）。虽然都是液体，但它们的受激发光机理和应用场合却有着很大的差别。染料激光器已获得了广泛的应用，已发现有实用价值的染料约有上百种，最常用的有若丹明6G、隐花青、豆花素等。

染料激光器的特点如下： （1）激光波长可调谐且调谐范围宽广，它的辐射波长已覆盖了从紫外321 nm至近红外1.3 µm谱线范围，一些染料激光波长连续可调范围达上百纳米。 （2）可产生极短的超短脉冲，脉冲宽度可压缩到3×10－15s 。 （3）可获得窄的谱线宽度，线宽可达6×10－5 nm，连续染料激光可达10－6 nm。

5．化学激光器 化学激光器是基于化学反应来建立粒子反转的，如氟化氢（HF）、氟化氘（DF）等化学激光器。化学激光器的主要优点是能把化学能直接转换成激光能，不需要外加电源或光源作为泵浦源，在缺乏电源的地方能发挥其特长。在某些化学反应中可获得很大的能量，因此可得到高功率的激光输出。这种激光器可以作为激光武器用于军事领域。 6．自由电子激光器 自由电子激光器不是利用原子或分子受激辐射，而是利用电子运动的动能转换为激光辐射的，因此它的辐射波长可以在很宽的范围内（从毫米波直到X光）连续调谐，而且转换效率可达50％。

图6.2表示出了各类激光器的波长覆盖范围 图6.2 激光波长覆盖范围

6.2 激光显示器件 图6.3 显示技术的4个发展时代 在北京第29届奥林匹克运动会开幕式中，有一段激光背景表演，以蓝色为主色调，并有红、黄色激光穿插其间，激光还在背景台上打出了游动的鲸鱼，缶声阵阵加上闪烁的激光，瞬间将鸟巢变为璀璨的银河……，激光显示技术向中国和世界呈现了一场美轮美奂的激光舞台艺术魅力。

激光具有单色性好、方向性好和亮度高等优点，用于显示具有以下优势。 （1）激光发射光谱为线谱，色彩分辨率高，色饱和度高，能够显示非常鲜艳而且清晰的颜色。 （2）激光方向性好，易实现高分辨显示。（3）激光强度高，可实现高亮度、大屏幕显示。 （4）激光可供选择的谱线（波长）很丰富，可构成大色域色度三角形，能够用来显示丰富的色彩。 可以说激光显示是当今保真度最高的显示技术，可显示色彩最丰富、最鲜艳、清晰度最高的视频图像。

现有显示器的色彩重现能力低，其显色范围仅能覆盖人眼所能观察到的色彩空间的33％，而其它67％的色彩空问是数字显示技术和现在已有的显示技术都无法重现的，如图6.4所示。 激光显示作为新一代显示技术，在继承了数字显示技术所有优点的基础上，以高饱和度的红、绿、蓝三基色激光作为显示光源，解决了显示技术领域长期难以解决的大色域色彩再现难题，其色域可覆盖接近90％人眼可识别色彩，从而最完美地再现自然色彩。 图6.4 显示技术可以显示的色彩空间

现 代 显 示 技 术 第6章 激光显示技术

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