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显示技术
显示技术
[教学目的]
1、掌握阴极射线管、液晶显示的原理。
2、了解等离子体显示、电致发光显示的原理。
[教学重点与难点]
重点:
阴极射线管、液晶显示的原理。
难点:
液晶的电光特性和显示原理分析。
§1阴极射线管
一、黑白显像管
黑白显像管由电子枪、偏转系统、荧光屏和玻璃外壳组成。
1.电子枪
电子枪实现电子束的发射、控制和聚焦。
双电位电子枪、单电位电子枪
对电子枪的基本要求:
(1)束斑大小应符合扫描线宽的要求,屏幕尺寸越大,对光点尺寸的要求越宽;
(2)束流足够强。
为了屏幕有足够高的亮度,束流应在50—200μA,屏幕电压则为10—20KV,屏幕大的管子应取较大的束流与较高的电压;
(3)调制特性陡。
调制特性曲线表征荧光屏上束流随调制极电压UM的变化规律,调制特性曲线越陡,所需图像信号uM的幅值越小。
2.偏转系统
采用磁偏转系统。
在广播电视系统中都采用单向匀速直线扫描,并且规定电子束扫描从上到下,从左到右形成矩形光栅。
我国采用PAL电视制式,每帧625行,每秒25帧;隔行扫描,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,场逆程时间≤1.6ms,垂直方向实际显示575行。
行频为15625HZ,场频为50HZ。
为了缩短显像管管长,采用大偏转角。
所谓偏转角,是指在偏转磁场作用下,电子束在屏幕对角线处的张角θ。
3.荧光屏
荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层和铝层构成。
人眼的最大视角,水平方向约为17º,垂直方向约为13º,所以电视画面的宽度与高度之比为4:
3或5:
4,我国取4:
3,因此采用矩形玻璃基板作为屏面。
为了减小环境光的影响,提高图像对比度,屏玻璃采用具有中性吸光性能的烟灰玻璃,此外还要满足光洁度、均匀性、耐压力、耐张力和防爆性等方面的要求。
荧光粉层完成显像管内的光电转换功能,黑白显像管要求在电子轰击下荧光粉发白光,一般采用颜色互补的两种荧光粉混合起来发白光。
例如常用的P4荧光粉,是将发黄光的ZnS、CdS[Ag]与发蓝光的ZnS[Ag]按45:
55的比例混合起来,发出白光。
余辉时间——指荧光粉在电子轰击停止后,其亮度减小到电子轰击时稳定亮度的1/10所经历的时间。
长余辉发光——余辉时间长于0.1
中余辉发光——余辉时间介于0.1—0.001S
短余发光——余辉时间短于0.001S
电视用荧光粉要求具有中余辉发光。
二、彩色显像管
荫罩式彩色显像管——德国人弗莱西(Fleshsig)1938年提出
荫罩式彩色显像管有三大类:
三枪三束彩色显像管——美国无线电公司(RCA),1950年
单枪三束彩色显像管——日本索尼公司,1968年
自会聚彩色像管——美国无线电公司,1972年
1.三枪三束彩色显像管
荫罩在彩色显像管中起选色作用
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。
2.单枪三束彩色显像管
3.自会聚彩色像管
自会聚彩色显像管的结构特点
(1)精密直列式电子枪
(2)开槽荫罩和条状荧光屏
(3)精密环形偏转线圈
§2液晶显示
液晶显示器件(LCD)是利用液态晶体的光学各向异性特性,在电场作用下对外照光进行调制而实现显示的。
1968年出现了液晶显示装置。
液晶显示器主要有以下特点:
(1)液晶显示器件是厚度仅数毫米的薄形器件,非常适合于便携式电子装置的显示。
(2)工作电压低,仅数伏,用CMOS电路直接驱动,电子线路小型化。
(3)功耗低,显示板本身每平方厘米功耗仅数十微瓦,采用背光源也仅10mW/cm2左右,可用电池长时间供电。
(4)采用彩色滤色器,LCD易于实现彩色显示。
(5)现在的液晶显示器显示质量已经可以赶上,有些方面甚至超过CRT的显示质量。
液晶显示器也有一些缺点:
(1)高质量液晶显示器的成本较高,但是目前呈现明显的下降趋势。
(2)显示视角小,对比度受视角影响较大,现在已找到多种解决方法,视角接近CRT的水平,但仅限于档次较高的彩色LCD显示。
(3)液晶的响应受环境影响,低温时响应速度较慢。
一、液晶的基本知识
1.什么是液晶
1888年奥地利植物学家莱尼采尔(F.Reinitzer)
1889年德国物理学家菜曼(O.Lehmann)
在机械上具有液体的流动性,在光学上具有晶体性质的物质形态被命名为流动晶体——液晶(LiquidCrystal)
液晶分为两大类:
溶致液晶和热致液晶
作为显示技术应用的液晶都是热致液晶
低于温度T1,就变成固体(晶体),称T1为液晶的熔点,高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态,称T2为液晶的清亮点。
LCD能工作的极限温度范围基本上由T1和T2确定。
液晶分子的形状呈棒状,似“雪茄烟”,宽约十分之几纳米,长约数纳米,长度约为宽度的4—8倍。
2.热致液晶液晶的分类
近晶相(SmecticLiquidCrystals)液晶分子呈二维有序性,分子排列成层,层内分子长轴相互平行,排列整齐,重心位于同一平面内,其方向可以垂直层面,或与层面成倾斜排列,层的厚度等于分子的长度,各层之间的距离可以变动,分子只能在层内做前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。
近晶相液晶的粘度与表面张力都比较大,对外界电、磁、温度等的变化不敏感。
向列相(NematicLiquidCrystals)液晶分子只有一维有序,分子长轴互相平行,但不排列成层,它能上下、左右、前后滑动,只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行,分子间短程相互作用微弱,向列相液晶分子的排列和运动比较自由,对外界电、磁场、温度、应力都比较敏感,目前是显示器件的主要材料。
胆甾相(CholestericLiquidCrystals)液晶是由胆甾醇衍生出来的液晶,分子排列成层,层内分子相互平行,分子长轴平行于层平面,不同层的分子的分子长轴方向稍有变化,相邻两层分子,其长轴彼此有一轻微的扭角(约为15分),多层扭转成螺旋形,旋转360º的层间距离称螺距,螺距大致与可见光波长相当。
胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态,因为胆甾相层内的分子长轴也是彼此平行取向,仅仅是从这一层到另一层时均一择优取向旋转一个固定角度,层层叠起来,就形成螺旋排列的结构,所以在胆甾相中加消旋向列相液晶或将适当比例的左旋、右旋胆甾相混合,可将胆甾相转变为向列相。
一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。
胆甾相易受外力的影响,特别对温度敏感,温度能引起螺距改变,而它的反射光波长与螺距有关,因此,胆甾相液晶随冷热而改变颜色。
3.液晶的光电特性
利用传统的晶体光学理论可以描述光在液晶中的传播。
(1)电场中液晶分子的取向
液晶分子长轴排列平均取向的单位矢量n称为指向矢量,设
和
分别为当电场与指向矢平行和垂直时测得的液晶介电常数。
定义介电各向异性△ε:
△ε>0的液晶称为P型液晶
△ε<0的液晶称为N型液晶
在外电场作用下——P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向
N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向
目前的液晶显示器件主要使用P型液晶。
(2)线偏振光在向列液晶中的传播
折射率的各向异性△n为:
两光场位相差记为
:
合成光场矢端方程为:
当θ=0(或
时),Ey=0(或Ex=0),即偏振光的振动方向和状态没有改变,仍以线偏振光和原方向前进。
当θ=
时:
随着光线沿着z方向前进,偏振光相继成为椭圆、圆和线偏振光,同时改变了线偏振方向。
最后,这束光将以位相差
所决定的偏振状态,进入空气中。
(3)线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播
把液晶盒的两个内表面作沿面排列处理并使盒表面上的向列相液晶分子方向互相垂直,液晶分子在两片玻璃之间呈90º扭曲,即构成扭曲向列液晶,光波波长λ<
当线偏振光垂直入射时,若偏振方向与上表面分子取向相同,则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转,并以平行于出口处分子轴的偏振方向射出;若入射偏振光的偏振方向与上表面分子取向垂直,则以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出,当以其它方向的线偏振光入射时,则根据平行分量和垂直分量的位相差
的值,以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。
§3等离子体显示
等离子体显示板(PlasmaDisplayPanel,即PDP)
——利用气体放电产生发光现象的平板显示的统称
按PDP所施驱动电压的不同可分为:
交流等离子显示板(AC-PDP)——1966,美国
直流等离子体显示板(DC-PDP)——1968,荷兰
(自扫描等离子体显示板(SSPDP)属于DC-PDP——1970,美国)
AC-PDP因其光电和环境性能优异,是PDP技术的主流。
等离子体显示具有以下一些特点:
(1)等离子体显示为自发光型显示,有较好的发光效率与亮度。
(2)适于大屏幕、高分辨率显示。
(3)等离子体显示单元具有很强的非线性。
(4)存储特性。
(5)PDP结构上可以采用不透明但电阻低的金属电极。
(6)PDP有合适的阻抗特性。
(7)响应快。
PDP响应时间为数毫秒,使显示电视图像时更新像素信号不成问题。
(8)刚性结构,耐振动,机械强度高,寿命长。
一、气体放电基本知识
充氖气(Ne)或氖(Ne)+0.1%氩(Ar)混合气体
曲线AC段属于非自持放电,在非自持放电时,参加导电的电子主要是由外界催离作用(如宇宙射线、放射线、光、热作用)造成的,当电压增加,电流也随之增加并趋于饱和,C点之前称为暗放电区,放电气体不发光。
随着电压增加,到达C点后,放电变为自持放电,气体被击穿,电压迅速下降,变成稳定的自持放电(图中EF段),EF段被称为正常辉光放电区,放电在C点开始发光,不稳定的CD段是欠正常的辉光放电区,C点电压Vf,称为击穿电压或着火电压、起辉电压,EF段对应的电压VS称为放电维持电压。
阴极电流密度为常数是正常辉光放电的特点。
当放电电流更大时进入异常辉光放电FG段,这时放电单元阻抗变大。
当电流进一步增大,放电进入弧光放电后,在H点曲线变得平坦,压降小、电流大是弧光放电的特点。
显然,实际的显示器件必须应用在正常或异常辉光放电区,这个区域放电稳定、功耗小。
三个状态:
熄火态、过渡态和着火态。
氖气产生的可见光波长范围在400-700nm,其中峰值波长为582nm的光辐射占整个光强的35-40%,因此氖气发橙红色光。
二、单色等离子体显示
1.基本结构
2.工作原理
当放电单元的电极加上比着火电压Vf低的维持电压VS时,单元中气体不会着火,如在维持电压间隙加上幅度高于Vf的书写电压Vwr,单元将放电发光,放电形成的电子、离子在电场作用下分别向该瞬时加有正电压和负电压的电极移动,由于电极表面是介质,电子、离子不能直接进入电极而在介质表面累积起来,形成壁电荷,在外电路中,壁电荷形成与外加电压极性相反的壁电压,这时,放电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和。
它将小于维持电压,使放电空间电场减弱,致使放电单元在2—6
内逐渐停止放电,因介质电阻很高,壁电荷会不衰减地保持下来,当反向的下一个维持电压脉冲到来时,上一次放电形成的壁电压与此时的外加电压同极性,叠加电压峰值大于Vf,单元再次着火发光并在放电腔的两壁形成与前半周期极性相反的壁电荷,并再次使放电熄灭直到下一个相反极性的脉冲的到来……。
因此,单元一旦由书写脉冲电压引燃,只需要维持电压脉冲就可维持脉冲放电,这个特性称为AC-PDP单元的存储特性。
要使已放电的单元熄灭,只要在下一个维持电压脉冲到来前给单元加一窄幅(脉宽约1
)的放电脉冲,使单元产生一次微弱放电,将储留的壁电荷中和,又不形成新的反向壁电荷,单元将中止放电发光。
PDP单元虽是脉冲放电,但在一个周期内它发光两次,维持电压脉冲宽度通常5—10
,幅度90—100V,主要工作频率范围30—50kHz,因此光脉冲重复频率在数万次以上,人眼不会感到闪烁。
以上工作方式为AC-PDP的存储模式。
3.AC-PDP的驱动
三、彩色等离子体显示
PDP一般采用时间调制技术实现有灰度层次的图像显示。
“子场扫描法”
§4电致发光显示
电致发光(Electroluminescence,EL)是将电能直接转换成光能的一种物理现象。
电致发光按激发过程不同可分为两大类:
注入电致发光——在半导体PN结加正偏压时产生少数载流子
注入,与多数载流子复合发光
高场电致发光——将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜
夹持于透明电极板之间,外施电压,由电场
直接激励电子与空穴复合而发光,高场电致
发光又分交流和直流两种,如粉末型交流电
致发光与粉末型直流电致发光。
一、注入电致发光显示
发光二极管(LightEmittingDiode,简称LED)是注入电致发光显示器件的代表。
发光二极管是利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发光元件。
LED构造的核心是用磷化镓或砷化镓等半导体发光材料晶片做成的PN结,晶片的大小约0.3×0.3×0.2mm3,晶片外用透明度高和折射率高的材料(一般用环氧树脂)包封,树脂外观视应用要求做成各种形式。
也可以在LED的底座上安置两枚或两枚以上晶片,各晶片材料不同,发出不通的色光,当各晶片发不同强度的光时,它们将产生不同混色,使发光二极管显示不同色光。
二、高场电致发光显示
1.交流薄膜电致发光显示(ACTFEL)
2.交流粉末电致发光显示
交流粉末电致发光板的发光粉用铜、铝等激活的硫化锌(ZnS:
CU,AL或ZnS:
Pb,CU,AL)与树脂等透明有机介质混合后,涂布在两个电极中间,厚度为10-100
,电极之一为透明的,这就构成了电致发光板,大量的发光粉晶体悬浮在绝缘介质中,小晶粒线度为几微米到几十微米,由于发光层中介质是绝缘的,防止了发光材料与电极直接接触,当外加电压后,通过容性电流时,发现晶粒内呈线状发光,这与光致发光与阴极射线发光时荧光粉晶体发光不同,线状发光在多数情况下呈现尾对尾的慧星形。
线对的两头间的距离对多晶粉末为1-10
,对单晶可大于100
,甚至达到毫米量级,发光线直径<0.1
,亮度可高达3×105cd/m2,发光线对的两部分在交变电场作用下交替发光,而场强总是从其头部指向尾部,发光线长度随电场在线方向的分量增强而变长,但线对的头之间距离保持不变。
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