现代显示技术.docx

1、现代显示技术现代显示技术1、1 显示技术的主要特点与内容 日本一位学者说过,电子显示器件正扮演了桥梁的角色(bridging role)或者说人机界面(man-machine interface)角色,其发展趋势在信息社会中越来越重要。 什么就是电子显示技术？ 电子显示技术就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、能源与信息就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与重要。信息包括各种电信号与非电信号,各种物理量与非物理量。信息显示基本过程可用下面框

2、图表示:图1、1信息显示过程 由图可见,信息源就是各种电子装置,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就是通过眼睛获得的,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、

3、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,已经取得的成就与新的发展,都必然与这些学科的进步联系在一起。电视机技术与计算机技术就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(Cathode Ray Tube)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

4、显示技术主要作用就是将电信号或者原本就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与时间特性,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,也就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,了解这些原理与方法,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与显示器件的主要参量。(4)了解各种平板显示,特别就是非真空型平板显示,如LCD、PDP、ELD、LED等,它们的工作原理、

5、驱动方式、存在问题,发展趋势都就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)与非主动发光型两大类:前者就是利用信息来调制各像素的发光亮度与颜色,进行直接显示。后者本身不发光,而就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1 m2)与超大型(大于4 m2)显示器;按颜色可分为黑白、单色、多色与彩色显示器;按显示内容、形状可分为数码、字符、轨迹、图标与图像显示器;按显示器材可分为固体(晶体与非晶体)、液体、气体、等离子体与液晶体显示器。最常见的就是按显示原理分类,即主动

6、发光显示与非主动发光显示。 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与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,单位就是坎德拉每平方米(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3045 m2就可

7、以,在室内瞧电视,要求显示器画面的亮度应大于70cd/ m2;在室外观瞧,则要求画面应达到300 cd/m2。所以对高质量显示器,亮度的要求应为300cd/ m2。 (2)对比度与灰度画面上最大亮度与最小亮度之比称为对比度,用C表示。 (11)一个质量好的显示器的对比度至少要大于30,这就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,这就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 (12)L外就是指在环境光照到显示屏上产生的亮度,有了亮的亮度与高的对比度不一定能显示出好的图像,因为一般图像就是有层次的,要显示一个人的脸,要求

8、层次较多,即要求有较多灰度级。 灰度:所谓灰度,就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。 (13)就是人眼对亮度差的分辨率,一般取 0、020、05,若0、05,C50时,由(13)试,可算出n78 若C100时,n92。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倍。通常电视接收机所重现的,一般为78级灰度。灰度越多,图像层次越分明,图像越柔与。人眼可分辨的最大亮度层次

9、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)分辨力所谓分辨力就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

10、,余辉时间所谓响应时间就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10500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与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、多色与全色四大类。CRT电

11、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,但就是实现彩色显示中,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(electro luminescence)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)发光效率发光效率就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

12、,用lm/w表示。VFD(vacuum fluorescent display)发光效率最高,约为10lm/w。LED(light emitting diode)就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14lm/w;ZnTe0、1S0、9发绿光,发光效率达到17lm/w;OLED(organic light emitting diode),发光效率可达15lm/w,PDP(plasma display panel)的发光效率1 lm/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

13、机设计提供重要的参考依据,因为必须考虑功耗。就就是说,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w/cm2量级。因此,能迅速占领中、小屏市场。对于大面值显示,其供电功率也就是一个重要指标。如42寸ACPDP的整机消耗功率450w,这就是用户不希望的。(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IV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

14、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与VFD显示器件工作电压比较低,其值在0、540V。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与矩阵选址时发挥很大作用。ELD(electro luminescent display

15、电致发光显示),ACPDP与某些特殊材料的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。显示器件其她参量还有体积、重量、显示面积、观察视角及性价比,还有扁平度等。所谓扁平度就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(high definition tel

16、evision)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4242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 值得一提的就是CRT就是否已经过时？能否完全被FPD(flat panel display)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),得分最高的还就是CRT;其次就是ACPDP;第三就是AMLCD。当

17、然得分少于CRT主要原因在于成本(2/3驱动电路)与功耗。若ACPDP这两项性能大幅度改善,总分就上去了。因此,CRT与FPD将会有一个相当长的共存期,但估计不会消亡。 CRT优点:价格低,25寸,即64cm对角线的CRT其制造成本25美元;调整分辨力容易(从VGA到HDTV容易),VGA(video graphics array视频图像阵列级分辨力,640480像素);形状与大小变化很大(从1、3114cm);寻址简单,只用7根导线;可视性好(高亮度、高对比度、非常好的发光效率10lm/w);非常丰富的彩色(全色);非常好的寿命特性(10万小时);响应速度快;有大规模生产基础(2、6亿只/年

18、) 缺点:体积大,太重,屏面内有散射光,图像有闪烁与抖动,最大直观尺寸限制在114cm(45寸),无数字寻址,图像有畸变,应用电压很高(2万伏左右)。 在新器件的研制方面,OELD(organics electro luminescent display 有机电致发光显示器)就是一种应用前景瞧好的显示器件。因为OELD主动发光,发光效率高(1、5lm/w),彩色丰富,工作电压低,特别就是可采用与集成电路相匹配的直流低电压驱动,就是极具发展前途的显示技术。二、视觉特征与图像显示的基本原理 众所周知,各种显示器件显示的信息都就是供人的眼睛观瞧,人眼的生理特征对制订显示范围有很大的影响,特别就是在制

19、订电视体制时与人眼的特征更就是密切想关。 图像、波形、字符的显示就是靠光波通过视角而视感知的。光就是一种电磁辐射,波谱范围很广,有紫外、红外、可见光等。其中能引起人眼视觉的就是可见光。一般认为可见光波长范围在380780nm之间。可见光随波长不同而呈现不同的颜色,两种以上的光产生混色,叫复色光,自然界中一般均为复色光。 可见光辐射刺激人眼引起明暗与颜色的感觉,除了取决于人眼产生的物理刺激外,还取决于人眼的视觉特性。而视觉特性就是影响频带等指标的重要因素,因此在研究系统之前,有必要了解人眼的视觉特性。2、1视见函数 人眼的形状接近球形,就是一个直径约为24mm的球状体,又称眼球。 照相机与人眼有

20、相识的构造。外界的图像透过角膜、水晶体与玻璃体成像于视网膜上。它就是一层紧贴眼睛内面厚度在0、10、5mm(一般0、3mm)的神经组织。包含上亿个神经细胞,井然有序的排成三层,第一层就是感光细胞,能接收通过水晶体成像的光,并把它转换成电信号,这种电信号被第二层神经细胞接收、分析与处理后,再经过第三层神经细胞传向大脑。 这三层细胞之间,通过一种称之为“实触”的微小结构进行联系,组成一个信息处理与传递的极复杂的神经细胞网络,最终把信息传到大脑,正就是神经细胞自身产生的电信号,帮组了研究者了解视网膜如此众多的细胞的活动规律。 视网膜上的感光细胞,按其形状可分为两大类:视杆细胞(杆状细胞)与视锥细胞(

21、锥状细胞),两者统称为视细胞。视网膜上包含7500万到1亿5千万个杆状细胞与600万到700万个锥状细胞。在人眼的视网膜上,在正对这瞳孔的中央,有一个直径为2mm的黄色区域称为“黄斑”部分,此部分在视网膜中心处。它决定眼睛的最大分辨能力,因此,用“黄斑”中心观察景物能得到最好的分辨率。 杆状细胞比锥状细胞灵敏度高,但不具备波长辨别能力(不能辨别色彩),低暗度下,主要用来辨别明暗,因此,人在暗处只能辨别色彩,这就是在暗处瞧物体呈灰色的原因,锥状细胞在光亮时工作,既可分辨光的颜色,又可分辨明暗。 在视神经进入眼球的一小范围,此处既没有杆体细胞也没有锥体细胞,即视网膜上这一点处没有光感觉,叫盲点。

22、仅在夜间活动的动物(鼠、猫头鹰等),视网膜仅有杆状细胞。仅在白天活动的动物(鸡、鸽)只有视锥细胞,人类与昼夜都活动的动物(鱼),这两种细胞都有。 杆状细胞大约比锥状细胞灵敏度高100倍,人在暗处工作,可响应小到100个光量子。人眼的光觉阈为110-6cd/m2,感受光的范围,最大最小之比达1010以上。 人眼的视觉特性与大脑视觉区域的生理功能决定了客观光波刺激人眼而引起的主观效果,不同波长的光引起人眼的感受程度就是不同的,功率相同但波长不同的单色光,人眼感受的明亮程度不同,眼睛的灵敏度与波长的这种依赖关系,称为视见函数V()或称为光谱光视效率。视见函数(光谱光视效率函数)也可以这样描述:达到同

23、样亮度时,不同波长所需要的能量的倒数,即V()1/E,式中V()视见函数,E为单色光能量。由于视网膜包含两种不同的感光细胞,在不同照明水平时,V()会发生变化,光亮度大于3cd/m2时,为明视角,此时锥体细胞起作用。当光亮度小于0、03 cd/m2时,称为暗视角,此时杆体细胞起作用。当光亮度在0、033 cd/m2时,锥体细胞与杆体细胞在起作用,称为中间视觉。图2、1的两条曲线分别表示了在光亮条件下人眼日间视觉与微光条件下夜间视觉的时间函数,日间视觉的峰值波峰在555nm处,夜间视觉曲线向短波方向移动,峰值在507nm,曲线中,取最高灵敏度为1。2、2人眼的黑白与彩色分辨能力 人眼分辨景物细节

24、的能力有一极限值,如与人眼相隔一定距离L的两个黑点距离为d,当d小到一定程度,人眼就分辨不出两个点的存在而感到就是一个模糊的黑点,这时被观察的两个黑点与眼睛的张角(见图2、2)称为人眼的分辨力,如以分为单位,图示关系 (2、1) (2、2)1/被定义为视觉锐度,又称为视力。 视网膜上杆状或锥状细胞的分布密度,决定了人眼的分辨力,而由于视细胞的分布密度不一,因此人眼的分辨力与物体在视网膜上成像的位置有关;人眼分辨力与照明强度也密切相关,当照明太暗时,只有杆状细胞起作用,分辨力大为降低且不能分辨出颜色而照明太强,分辨力不会增加甚至由于炫目想象而降低,分辨力还与景物的背景亮度与被观察物体的运动速度有

25、关。实验证明,正常视力的人在中等照度与中等对比度情况下观察静止景象时,分辨力约在11、5左右。 由于视细胞的差别,人眼对彩色细节的分辨能力远比亮度细节分辨力低。如将图2、2中人眼刚能分辨的黑白条纹换成不同彩色相间条纹,就不再能分辨出条纹来,人眼对不同色调细节的分辨力也不相同,如以眼睛对黑白细节的分辨力为100,实验测得人眼对各种彩色分辨力列表于表2、1中。 表2、1 人眼对黑白与彩色细节的相对分辨力细节色别黑白黑绿黑红黑蓝绿红红蓝绿蓝分辨力100949026402319 鉴于人眼的分辨力能力,因此没有必要要求显示器的分辨力过高,那样会给器件与电路设计带来困难,而由于人眼彩色分辨细节能力低于黑白

26、细节分辨能力,因此,彩色电视系统传送图像时,细节部分可以仅传送黑白图像而不传送彩色信息,即利用大面积着色原理来有效地节省传输频带。2、3视觉时间特性 当光作用于人眼时,眼睛的主观亮度感觉不会立即产生实际的亮度感觉,而就是略有滞后,而当光的作用消失的瞬间,主观亮度感觉并不马上消失,也有一个滞后,并呈指数规律衰减,眼睛的这种重要特性称为视觉惰性。图2、3中,一个光脉冲所产生的亮度感觉如图(b),可见,眼睛的感觉亮度就是逐渐建立与消失的,它滞后于实际光刺激,后者也称之为视觉暂留时间。 视觉惰性表面,持续一定时间的低亮度与历时较短时间的高亮度会产生同样的亮度感觉,而极短时间的光脉冲造成的感觉不如亮度相

27、同的恒定光那么亮。 眼睛的视觉惰性早就被人们巧妙运用在电影与电视中来显示活动图像。电影与电视就是在一定时间间隔的瞬间拍摄下一幅固定图像,活动的人与物在相邻两幅图像中相对位置略有变化,在重现图像时,以一定的速度将这些画面显示出来,由于人眼的视觉惰性,使得这些在时间上空间上都连续的图像,给人以真实、活动、连续的感觉。 通常,中度亮度的景物,视觉暂留时间为0、050、2s。如果周期性光脉冲重复频率较低,眼睛就会有一亮一暗的感觉,即光的闪烁,重复频率足够高时,闪烁消失,瞧到的时一个恒定的光点。恰好感觉不到闪烁的频率称为临界闪烁频率,临界闪烁频率fc与光脉冲亮度La,它们的关系就是 (2、3)式中a、b

28、都就是常数,在明视觉情况下,a12、5,b37 视觉暂留时间决定了要产生景物移动连续感觉所要求的画面移动速度的范围。电影技术中,普遍采用每秒向银幕投影24幅画面的标准,同时在每幅画投影时间内用机械装置将投影光遮挡一次,得到每秒48次的重复频率,避免了闪烁。 电子显示技术采用的临界闪烁频率为50Hz,电视技术即采用50Hz的场频来显示无闪动的图像。临界闪烁频率又就是CRT显示大量数据时高速书写的限制,这就是可采用存储显示,使用直视式存储管或等离子体显示板以及在显示驱动电路中采用存储元件的方法使信息一旦写入,如不擦除就一直保存;因此,画面无需刷新也可显示无闪烁的图像。 与视觉惰性有关的另一现象就是

29、眼睛的时间适应性。眼睛对亮暗与彩色的感觉都有时间上的适应问题,对这种现象的一种解释就是,在视网膜与人的大脑间存在着所谓生物放大器,照度高时,放大器增益低,照度低时,放大器增益高,增益变化范围可达106,生物放大器完成增益调节需要一定的时间,这即就是眼睛的适应性。2、4视觉适应范围 人眼对亮度有很宽的感觉范围,从百分之几cd/m2到几百万cd/m2的光都能引起亮度感觉,人眼对光的主观感觉增量与客观亮度就是成对数关系的。眼睛这种随外界光的强弱而自动调节的能力称为眼睛的适应性。适应性又分为暗适应明适应。众所周知,人眼从光亮中进入暗室时,在最初的瞬间什么都瞧不见,逐渐适应黑暗后,才区分出周围物体的轮廓

30、,这就就是暗适应。 暗适应包括两种基本过程:瞳孔大小变化与视网膜感光化学物质的变化。在从亮到黑暗的过程中,瞳孔直径可由2mm到8mm,使进入眼球的光线增加1020倍。人从光亮环境进入暗环境,瞳孔扩大到最大值的2/3时,只需10秒,而完全扩大时,则需要5分钟,可见,这种适应的范围就是很有限的。所以瞳孔的变化不就是暗适应的主要机制。 人们从黑暗处走到强光下,开始觉得眩目,睁不开眼睛,大约需经1min后才能瞧清周围的景物。眼睛这种由暗到亮的适应过程叫明适应。人眼的视角范围最强与最弱之比可达1010,适应性也表明了眼睛自动调节感光灵敏度的自我保护作用。2、5光度学的几个主要物理量1、光通量 光源在单位

31、时间内辐射出的能量叫辐射通量,或称辐射功率。辐射能量的单位就是焦耳,辐射通量的单位就是瓦。 光源的辐射通量对人眼引起的视觉强度称为光通量,单位为流明(lm),光通量的大小反应一个光源所发出的光辐射能量所引起的人眼光亮感觉的能力。人们通常用每瓦流明数来表达一个光源或一个显示器的光功率,如白炽灯光功率30lm/w,日光灯光功率100 lm/w。一般彩色显象管荧光粉白场光功率40 lm/w,等离子体放电板光功率1 lm/w。2、发光强度 光度学中采用发光强度(光强)的单位作为基本单位。光源在某方向的发光强度I(,)就是指光源在该方向单位立体角内发出的光通量 (2、4)d为光源在该方向的光通量,球面坐标中,立体角dsindd,光源发出的总光通量为 (2、5)如光源向各方向均匀发光,I(,)就是一个常数I,上式即为 (2、6) 发光强度的单位就是烛光,1967年第13届国际计量大会规定:在101325Pa气压下,全辐射体加热到铂的溶解温度(2045K)时,在它表面1/60cm2的法线方向的发光强度,即为一烛光或坎德拉。1979年,第16届国际计量大会对光强单位坎德拉作了新的定义:在给定方向发射5401012Hz的单色光的辐射源,在此方向辐射强度为1/683瓦/球面度时的发光强度即为1坎德拉。也就就是说,光强1坎德拉的点光源,在单位立体角内发射的光通就就是1流明。 3、亮度 光