现代显示技术

现代显示技术一、引言1.1显示技术的主要特点和内容1.2显示技术的分类1.3显示器件的主要参量1.4显示技术的应用和发展二、视觉特征和电视显示的基本原理2.1视见函数2.2人眼的黑白与彩色分辨能力2.3视觉的时间特征2.4视觉的适应范围2.5光度学的几个主要物理量2.6彩色光的三色原理2.7颜色的基本特性及颜色的混合1.1显示技术的主要特点和内容日本一位学者说过，电子显示器件正扮演了桥梁的角色（bridgingrole）或者说人机界面（man-machineinterface）角色，其发展趋势在信息社会中越来越重要。什么是电子显示技术？电子显示技术是用电子学的手段将各种信号以文字、符号、图形、图像的形式付诸于人的视角的技术。众所周知，材料、能源和信息是现实的物质生产力的三大基本要素。随着科学研究的深入，信息的处理量越来越大。各种信息的获取、存储、传递、处理、输出就变得越来越频繁和重要。信息包括各种电信号和非电信号，各种物理量和非物理量。信息显示基本过程可用下面框图表示：图1.1信息显示过程由图可见，信息源是各种电子装置，包括计算机、传感器、电视摄像机、信号储存磁盘、雷达天线、通信卫星等等。这些装置产生的电信号、经放大送入显示器，在显示器上以文字、数字、图像形式显示出来。电子显示技术有如下几个特点：（1）电子显示技术传输与处理信息具有准确、实时、直观、处理信息量大的特点。有关研究表明，人们经各种感觉器官从外界获得的信息中，视觉占60％，听觉占20％，触觉占15％，味觉占3％，嗅觉占2％。近2/3是通过眼睛获得的，所以图像显示已成为信息显示中最重要的方式。（2）电子显示技术有很强的综合性与应用性。它包括的每种显示方法都涉及许多学科的知识，如光学、电子学、材料科学、集成电路、真空技术、气体放电、固体物理、半导体技术、计算机技术等等。毫无疑问，已经取得的成就和新的发展，都必然与这些学科的进步联系在一起。电视机技术和计算机技术就是两个最好的例子。（3）应用范围广。电子显示技术已广泛应用于军事、工业、交通、通信、教育、航空航天、卫星遥感、娱乐、医疗等领域。（4）电子显示技术发展快。从1897年德国发明第一只布劳固管（阴极射线管）开始，到现在已有百年历史，这期间，电子显示期间出现了上千个品种，而且从原理上完全不同于CRT（CathodeRayTube）的新型显示器件也相继出现，许多新型器件都已实用化。电子显示技术有以下几方面内容：（1）电子显示技术主要作用是将电信号或者原本是图像的光信号转换成电信号，经处理传输后再度变成光信号并作用于人眼的视觉系统。因此，显示技术除了要了解显示电子学的有关问题外，还必须考虑人眼的视觉空间特性和时间特性，以及光度学的基本概念。（2）深入了解各种显示器件的工作原理结构，也是现代显示技术的主要内容。各种不同显示器件应用了不同的电子物理规律，了解这些原理和方法，对加深理解各基础学科的知识，开阔思路，深入理解显示系统与应用电路无疑大有好处。（3）本讲座简单介绍显示系统的基本要求和显示器件的主要参量。各种电子装置信号处理与传送显示器（4）了解各种平板显示，特别是非真空型平板显示，如LCD、PDP、ELD、LED等，它们的工作原理、驱动方式、存在问题，发展趋势都是显示技术的重要内容。1.2电子显示技术的分类电子显示器件可分为主动发光型（自发光型）和非主动发光型两大类：前者是利用信息来调制各像素的发光亮度和颜色，进行直接显示。后者本身不发光，而是利用信息调制光源使其达到显示的目的。显示器件分类有各种方式。按显示屏面积的大小，可分为中、小型（0.2m2左右）、大型（大于1m2）和超大型（大于4m2）显示器；按颜色可分为黑白、单色、多色和彩色显示器；按显示内容、形状可分为数码、字符、轨迹、图标和图像显示器；按显示器材可分为固体（晶体和非晶体）、液体、气体、等离子体和液晶体显示器。最常见的是按显示原理分类，即主动发光显示和非主动发光显示。主动发光显示器主要有：CRT（阴极射线管显示）；PDP（等离子体显示）；ELD（电致发光显示）；LED（发光二极管显示）；VFD（真空荧光显示）；FED（场致发射显示）；OLED（有机发光二极管显示）。非主动发光显示器主要有：LCD（液晶显示）；ECD（电化学显示）；EPID（电泳成像显示），其中，ECD、EPID和ELD这几种显示器应用面不大，市场小。1.3显示器件的主要参量（1）亮度：单位面积的发光强度叫亮度。亮度用L表示，单位是坎德拉每平方米（cd/m2）,有时也称尼特（nt）。对画面亮度的要求与环境光强度有关。如，在电影院中，电影30～45m2就可以，在室内看电视，要求显示器画面的亮度应大于70cd/m2；在室外观看，则要求画面应达到300cd/m2。所以对高质量显示器，亮度的要求应为300cd/m2。（2）对比度和灰度画面上最大亮度和最小亮度之比称为对比度，用C表示。LLCminmax（1－1）一个质量好的显示器的对比度至少要大于30，这是在有环境光的情况下的数据。有时报道的某种显示器件的对比度达到数百或更高，这是在没有环境光测的数据，即在暗室中的测试数据，在实际应用中均有环境光，这时的对比度为LLminmax外外＋LLC（1－2）L外是指在环境光照到显示屏上产生的亮度，有了亮的亮度和高的对比度不一定能显示出好的图像，因为一般图像是有层次的，要显示一个人的脸，要求层次较多，即要求有较多灰度级。灰度：所谓灰度，是指图像的黑白亮度层次，或者说，从亮到暗之间的亮度层次称为灰度。设人眼能分辨的亮度层次为n。logC3.2δn（1－3）δ是人眼对亮度差的分辨率，一般取δ＝0.02~0.05，若δ＝0.05，C＝50时，由（1－3）试，可算出n＝78若C＝100时，n＝92。可见，人眼对所能分辨的亮度层次与图像对比度的对数成正比，并受到图像对比度的限制，对于一般的图片，图像的最大对比度大约为100；在电视技术中，用10个灰度级表示，测试时，常用10级灰度测试图，每级灰度之间的亮度变化为2倍。通常电视接收机所重现的，一般为7～8级灰度。灰度越多，图像层次越分明，图像越柔和。人眼可分辨的最大亮度层次为100级，电视中一个灰度级间的亮度层次为6.9级。在电子显示技术中，把数字、英文字母、汉字及特殊符号为字码，把机械零件等线条图称为图形。显示字码、图形、表格、曲线时，对灰度没有要求，只要对比度高即可，显示图像时，则除了要求有足够高的对比度外，还要求有丰富的灰度级。（3）分辨力所谓分辨力是指能够分辨出电视图像最小细节的能力，人的眼睛观察图像清晰度的标志，通常用屏面上能够分辨出的明暗交替线条总数来表示。对于用矩阵显示的平板显示器常用电极线数目表示其分辨力。普通电视图像扫描行电极数600；高清晰电视图像扫描行电极数大于1000，高清晰图像三个最重要指标：高分辨力，高亮度，高对比度。（4）响应时间，余辉时间所谓响应时间是指从施加电压到出现图像显示的时间，它又称上升时间。从切断电源到图像显示消失的时间称为下降时间，又称为余辉时间。显示图像显示时，需要小于1/30秒的响应时间，一般主动发光型显示器件响应时间都小于0.1毫秒；非主动发光型显示器件，如LCD，其响应时间为10～500毫秒。在显示快速运动的电视图像时，由于响应时间太长，会出现拖尾或余像，使运动图像模糊。所以LCD用于图像变化缓慢的计算机显示时，相应时间不成问题，而作为电视接收机时，相应时间就太长了。（5）显示色发光型显示器件发光的颜色和非发光型显示器件透射或反射光的颜色称为显示色。显示色分为黑白、单色、多色和全色四大类。CRT电视机能显示全彩色电视图像，所以平板显示器件要在这个领域与CRT竞争就必须实现全彩色显示。大部分发光型平板显示器件实现红光或绿光显示比较容易，但是实现彩色显示中，必不可少的蓝光显示时，遇到较大困难。高效的蓝光LED近几年研究成功，才使彩色LED大显示屏获得了迅速发展。高效率蓝光EL（electroluminescence）迟迟未开发出来，严重影响了它的推广应用。对于非发光型LCD显示器件，则可在黑白显示屏上附加滤色膜后实现彩色显示。可见，任一平板显示器件，若不能解决彩色显示技术，就不能有大的发展前途。（6）发光效率发光效率是发光型显示器件所发出的光通量与器件所消耗的功率之比。单位：流明每瓦，用lm/w表示。VFD（vacuumfluorescentdisplay）发光效率最高，约为10lm/w。LED（lightemittingdiode）是一种电－光转换器件。它随着材料不同而不同，一般发光效率1～4lm/w；ZnTe0.1S0.9发绿光，发光效率达到17lm/w；OLED（organiclightemittingdiode），发光效率可达15lm/w，PDP（plasmadisplaypanel）的发光效率1lm/w；其它主动发光型显示器件发光效率只有10-1lm/w量级。显然，提高发光效率，既可相应地降低消耗功率，还可缓解整机的散热问题。上述的数据，对于整机设计提供重要的参考依据，因为必须考虑功耗。就是说，发光功率决定了显示器件工作时的功率消耗，反射式LCD其功耗在μw/cm2量级。因此，能迅速占领中、小屏市场。对于大面值显示，其供电功率也是一个重要指标。如42寸AC－PDP的整机消耗功率450w，这是用户不希望的。（7）工作电压与电流消耗驱动显示器件所加的电压为工作电压（V），流过的电流称为消耗电流（A）。若工作电压用V表示，消耗电流用I表示，则I×V＝显示器件的消耗功率。外加电压有的用交流，有的用直流，LCD必须用交流，OLED、LED等则用直流供电。由于驱动电路集成化，所以显示器件的工作电压V希望与IC的工作电压相适应。这样才能大大降低驱动电路的成本。如LCD驱动电压只有几伏，这样就可以与TTL（晶体管－晶体管逻辑）电路相配合，所以LCD驱动电路成本较低。一般驱动电压上限≤45伏，就容易采用IC驱动。LCD，LED，OLED和VFD显示器件工作电压比较低，其值在0.5～40V。PDP驱动电压为200伏左右，需开发高压MOS晶体管IC，这就增大了PDP的驱动电路成本。目前PDP驱动电路成本占整机成本2/3。若驱动＞200V，则这类高压的IC就难实现，价格也就更难接受。（8）存储功能外加电压除去之后，仍然能保持显示状态的功能叫存储功能。存储功能在多路驱动和矩阵选址时发挥很大作用。ELD（electroluminescentdisplay电致发光显示），AC－PDP和某些特殊材料的LCD均具有存储功能。（9）寿命显示器件的寿命一般在3万小时以上最好。LED、VFD的寿命一般都能达到要求，PDP的寿命最近也解决，OLED正在解决中，ELD目前接近解决。LCD的寿命决定其使用材料的化学稳定性，耐湿性，耐光性。一般说，寿命已解决。显示器件其他参量还有体积、重量、显示面积、观察视角及性价比，还有扁平度等。所谓扁平度是指显示屏的对角线尺寸与整机厚度之比。平板显示器扁平度大于4，CRT扁平度小于1.1.1.4电子显示技术的应用与发展前景目前显示技术正谋求几方面发展（1）高分辨率，大显示容量HDTV（highdefinitiontelevision）要求每帧图像分辨率在1000行以上，像素组在200万以上。显像管对角线最大已达45寸，分辨率每帧1100行以上。（2）平面化目前40寸（1013mm）的CRT重达85kg，全长790mm。而42×42寸的PDP仅重几公斤，厚度数十毫米。（3）大型化目前室内直视式显示器最大不超过50寸；若要在军事指挥及会议方面应用就要借助投影电视。（4）研究新一代显示器件值得一提的是CRT是否已经过时？能否完全被FPD（flatpaneldisplay）替代。有关调查表明，从显示器件综合指数（亮度、对比度、分辨力等），得分最高的还是CRT；其次是AC－PDP；第三是AMLCD。当然得分少于CRT主要原因在于成本（2/3驱动电路）和功耗。若AC－PDP这两项性能大幅度改善，总分就上去了。因此，