光电显示技术

第七章光电显示技术§7.1阴极射线管§7.2液晶显示§7.3等离子体显示§7.4场致发光显示§7.5其他显示技术§7.6展望光电显示技术是多学科的交叉综合技术，主要有:1、阴极射线管（CathodeRayTube－CRT）。是传统的光电信息显示器件，它显示质量优良，制作和驱动比较简单，有很好的性能价格比，但同时它也有一些严重的缺点，如有电压高、软x－射线、体积大、笨重、可靠性不高等。2、液晶显示（LiquidCrystal－LC）。液晶是一种介于固体于液态之间的有机化合物，兼有液体的流动性与固体的光学性质，即现在的液晶显示器LCD。3、等离子体显示（PlasmaDisplayPanel－PDP）。等离子体显示是利用气体放电发光进行显示的平面显示板，可以看成是有大量小型日光灯排列构成的。等离子体显示技术成为近年来人们看好的未来大屏幕平板显示的主流。4、电致发光（ElectroLuminescnceDiode－ELD）等。或场致发光显示－FieldEmittingTube，FET，是另一种很有发展前途的平板显示器件，它是将电能直接转换成光能的一种物理现象。近年来，大规模集成电路的发展，要求电压低、体积小、信息密度高，CRT已经显得很不相称；另外大屏幕显示的发展要求来讲，100cm以上的屏幕要求CRT的质量要超过100kg，体积大，搬动困难，不能适应现代家庭对高清晰度电视（HDTV）和现代战争对大屏幕显示器的要求。但从目前技术水平来看，CRT每个像素的性能价格比要比其它显示器件高得多，每当CRT采用新技术，CRT就能提高它得附加价值，因此它不会在短期内消失。从未来发展方向看，LCD、ELD和PDP被认为代表着光电显示器件未来发展方向。§7.1阴极射线管7.1.1基本结构与工作原理图7－1所示是单色（黑白）CRT得结构，主要由4部分组成：圆锥玻壳；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；位于玻壳之外控制电子束偏转扫描得磁轭。在电子枪中，阴极被灯丝间接加热，当加热至2000K时，阴极便发射大量电子。电子束经加速、聚焦后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，电子束的电流也越高，荧光体发光亮度也越强。通过偏转磁轭控制电子束在荧光屏上扫描，就可以将一幅图像或文字完整地显示在荧光屏上。图7－1单色CRT7.1.2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，要求电子枪产生产生大的电子束电流，并且能够在屏幕上聚焦成细小的扫描点（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。图7－2是电子枪的结构示意图。如图所示，电子枪一般由5个或6个电极构成，为阴极、栅极（亦称调制极、控制极）、第一阳极（亦称加速极）、第二阳极、第四阳极（联在一起）和第三阳极。阴极的外形是一个圆筒，一般由镍金属制成，筒的顶端涂有氧化物材料，称为氧化物阴极。氧化物阴极比其它金属制成的阴极更容易发射电子。筒内装有加热灯丝，灯丝加电发热时，阴极被间接均匀加热，当加热至2000K时，阴极便大量发射电子。图7－2电子枪示意图栅极也是一个小圆筒形，套在阴极圆筒的外边，在对准阴极顶端的中心处，开有一个小圆孔，使电子流经此孔成束地飞行出去。电子飞出去的多少，由栅极所加电压的大小决定，从而控制光点亮暗。栅极在正常运用时，在它上面所加的电压比阴极低，对从阴极来的电子起排斥作用，因而只有部分电子能通过栅极到达屏幕，大部分电子被排斥阻挡，回到阴极附近，形成电子云。改变栅极负电压的大小，可以改变电子被排斥的程度，从而使电子束的电流大小改变。栅极的前面是加速极，其外形是圆盘状，中间也开有小孔。相对阴极的电压为300～500V。第二和第四阳极各为一节金属圆筒，也可以把它们看成两节圆筒组成的一个整体，两节电极相连，第四阳极通过金属弹片与锥体内壁的石墨导电层相接，所以实际上和荧光粉后面的铝背膜相连。上面统一加有8000～16000V的高压。第三阳极是个金属圆筒，装在第二和第四阳极之间，加有相对于阴极为0～450V的可调直流电压，改变这个电压可以改变电子束聚焦的质量，所以第三阳极也叫聚焦极。以上五个电极用玻璃绝缘柱支撑组装成一个坚实的整体，总称为电子枪，它发出很细的电子束向荧光屏轰击。荧光屏荧光屏是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的，常用沉积法涂敷荧光粉。对荧光粉的性能要求是：发光颜色满足标准白色，发光效率高，余辉时间合适以及寿命长等。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。输入到荧光屏的电功率就是电子束电流与屏幕电压的乘积，发光强度以cd（坎德拉）计。常用的荧光粉发光效率都大于5cd/W。荧光粉的余辉特性是指这样一种性质：电子束轰击荧光粉时，荧光粉的分子受激而发光，当电子束轰击停止后，荧光粉的光亮并非立即消失，而是按指数规律衰减，这种特性称为余辉特性。余辉时间定义为：从电子束停止轰击到发光亮度下降到初始值的1％所经历的时间。按余辉时间的长短，荧光粉可分为三类：短余辉荧光粉（余辉时间短于1ms）、中余辉荧光粉（余辉时间从1ms到100ms）、长余辉荧光粉（余辉时间从0.1s到几分钟）。电视屏幕的荧光粉属短余辉，余辉时间约为5～40ms。余辉时间长，平均亮度就大。如果已知荧光粉的发光时间特性L（t），那么在一帧时间T内平均亮度应为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。实验表明，在小电流密度的情况下，屏幕亮度与电流密度j成正比，而近似地与阳极电压UA的平方成正比。因此，屏幕屏幕亮度可表示为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。因为亮度与UA的平方成正比。这种现象从物理上可以这样来解释：增加电压UA，一方面增加电子的速度，使电子束轰击荧光物质的激励能量增加，另一方面，增加UA可以使荧光粉的发光效率增加，这是因为电子速度大时，荧光粉涂层内部深处的物质也被充分激发，所以亮度增加。01TLLtdtT2aLAjSUA为比例常数，S为余辉时间7.1.3CRT显示器的驱动与控制扫描方式文字及图像画面都是由一个个称为像素的点构成的，使这些点顺次显示的方法称为扫描。一般CRT的电子束扫描是由偏转磁轭进行磁偏转控制的。光栅扫描方式在垂直方向是从左上向右下的顺序扫描方式，由扫描产生的水平线称为扫描线，按该扫描线的条件决定显示器垂直方向的图像分辨率。如图7－3所示，光栅扫描方式中有顺序扫描（逐行扫描）方式和飞越扫描（隔行扫描）方式。在顺序扫描方式中，当场帧为50Hz，扫描行数为625行，图像宽高比为4：3时，则需要10.5MHz的信号带宽。这将使电视设备复杂化，信道的频带利用率下降。实际系统采用隔行扫描方式来降低图像信号的频带。图7－3CRT扫描方式隔行扫描是把一帧画面分成两场来扫描，第一场扫描奇数行1，3，5……；第二场扫描偶数行2，4，6……。两场扫描行组成的光栅相互交叉，构成一整帧画面。图7－4为相应于图7－3（b）的7行光栅的行扫描与场扫描波形。为明显起见，忽略扫描逆程。在第7行扫过一半时，奇数场扫描结束，偶数场扫描开始，故第7行的后一半挪到偶数场开始时扫描，这样它就是在光栅上端的中点开始的，结果使偶数行正好插在奇数行之间，两场组成了一整个光栅。要实现隔行扫描，就应保证偶数场的扫描行准确地插在奇数场的扫描行之间，否则就会出现并行现象，使图像质量下降。首先，由于每场只包括总行数一半，因此行扫描与场扫描频率之比应该是行数的一半；其次，为了使偶数场的扫描行正好插在奇数场的扫描行之间，行数必须为奇数。这时扫描完奇数场后才留下一个半行，待扫描电子束回到图像上端开始扫下一行时，才不是从左端开始，而是从中间开始，达到隔行扫描的目的。图7－47行光栅的行扫描与场扫描波形灰度黑白CRT只需对灰度进行控制。若是彩色CRT，还需对颜色进行控制。灰度和颜色都是通过电流量来控制的。电流控制方式中有栅极（G1）驱动方式和阴极驱动方式。在栅极（G1）驱动方式中，在电子枪的栅极/阴极(G1/K)间施加不同的电压，就可以得到相应的灰度，图7－5为4阶信号及灰度对应的情况。图7－5画面的灰度与信号振幅的关系3.CRT显示器驱控器的电路构成CRT显示器驱控器电路如图7－6所示，主要包括视频电路、偏转电路、高压电路、电源电路等基本电路，以及所选择的动态聚焦电路、水平偏转周波数切换电路等。图7－6CRT显示器驱控器的电路7.1.4彩色CRT彩色CRT是利用三基色图像叠加原理实现彩色图像的显示。荫罩式彩色显象管是目前占主导地位的彩色显象管，其结构如图7－7所示。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，同时电子枪中设有三个阴极，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Al膜金属覆层。在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。如图7－8所示图7－8荫罩与荧光面间的关系荫罩与荧光屏的距离可根据几何关系有下式确定：式中，d为荫罩与荧光屏的距离；λ为孔距放大率；L为从电子枪到荧光面的距离；Sg为电子枪的束间距；PM为电子束排列方向的荫罩孔距；Ps为电子束排列方向的荧光面上同一色荧光体的点间距。荫罩有圆孔形、长方孔形等形式。通常，三角形布置的电子枪采用圆孔形荫罩，直线性布置的电子枪可采用各种形式的荫罩。玻壳内除设有荫罩之外，还设有屏蔽地磁场用的内屏蔽罩，其作用是防止电子束受地磁场的干扰，使电子束不会射向其他颜色的荧光体。/(3)MgdLPS//()sMPPLLd１．三枪三束彩色显像管（美国无线电公司1950年研制成功）三枪三束彩色显像管的原理如图7－9所示，荧光屏内壁涂有发光颜色为红、绿、蓝的荧光粉点，每一组三个红、绿、蓝荧光粉点排列成品字形，组成一个彩色像素，通常再现一幅清晰的彩色图像需40～50万个像素，即需要120～150万个彩色荧光粉点，这些粉点的直径很小（几微米到几十微米），在红、绿、蓝三个电子枪的激发下，红、绿、蓝荧光色点产生对应颜色的光点，在适当的距离外，人眼分辨不出单色小点，而只是看到一个合成的彩色光点。红、绿、蓝三个电子枪在管颈内成品字形排列，相隔120。，每个电子枪与管颈中心轴线倾斜10～1.50，在距离荧光屏后约２mm处放置一块荫罩板，一般用0.12mm～0.16mm厚的低碳钢板制作，在钢板上有规律地徘列小孔，一个小孔与荧光屏上的一个像素对应，即小孔与荧光屏上的红、绿、蓝荧光粉点组一一对应，荫罩在彩色显像管中起选色的作用，。为了提高荧光屏的亮度和对比度，采取了黑底技术。荧光屏黑底结构如图7－10所示。在早期的荫罩管中，荧光粉点的直径大于射向该点的电子束直径，荧光粉点共约占屏面积的90％，未涂荧光粉的部分约占10％，所谓黑底技术，就是将荫罩板上的小孔加大使通过小孔后的电子束直径比荧光粉点大，这样就提高了输出亮度，屏面上除荧光粉点以外的部分涂上石墨，这样又提高了对比度，一般全黑底管荧光屏的50％为黑底，50％为荧光粉点。图7－9三枪三束彩色显像管原理示意图图7－10荧光屏黑底结构２．单枪三束彩色显像管（日本索尼公司1968年研制成功）单枪三束彩色显像管的基本原理与三枪三束管相似，但结构上有重大改进，如图7－11所示。单枪三束彩色显像管有三个阴极，但发射出的三束电子束共用同一个电子枪聚焦。三条电子束在同一个水平面内呈一字排列，因此在任何偏转状态下三条轨迹大致保持在同一水平线上，故只须进行水平方向的动会聚误差校正，静会聚的调整也较三枪三束管简单，大大简化了会聚的调节。用条状结构