第五章光电子显示技术

1光电子技术基础授课班级:1106211、1106221、1106231、1106131授课教师:左青卉2主要内容第五章：光电子显示技术光电子显示技术概论1阴极射线显示2半导体发光显示器件33主要内容第五章：光电子显示技术等离子显示器件5电致发光及场致发光器件6激光显示技术7液晶显示器件44主要知识要点显示技术与显示器件的发展显示器件与显示系统的主要性能指标光电子显示技术概论5显示技术与显示器件的发展1897年德国的布劳恩（Braun）发明了阴极射线管（CRT）雏形；1968年美国的Heilmeier发现液晶双折射的电光效应可以用于制作显示装置，即现在的液晶显示器（LCD）；20世纪90年代，液晶显示器首先在笔记本电脑领域取得了绝对优势。光电子显示技术概论6显示器件与显示系统主要性能指标亮度指垂直于传播方向单位面积上的发光强度，单位为cd/m2；对比度指画面上最大亮度与最小亮度之比，一般显示器对比度应30:1；灰度指图像画面上亮度的等级差别。灰度越多，图像层次越分明，图像越柔和；发光（显示）颜色可用发射光谱或显示光谱的峰值及带宽来衡量；发光、色彩与视觉色度坐标系与彩色重现光电子显示技术概论7发光、色彩与视觉-发光发光定义指固体受到某种形式的能量激励后所产生的光发射现象，即以某种方式(紫外线、高能电子、X射线、//射线等高能辐射)来激发某些物质，使其部分能量以（非热激发形式）可见或近可见光谱形式重新发射出来的现象。分类发光体化学结构：无机化合物、有机化合物、晶态磷光体发光；发光时间长短：长余辉(0.1s)、中余辉(1ms-0.1s)、短余辉(1ms)发光；发光机理：分立中心发光和复合发光激励方式：光致发光、阴极射线发光、场致发光、化学发光。光电子显示技术概论8发光、色彩与视觉-发光光致发光激励来自对光子（通常是紫外光）的吸收。如荧光灯发光是灯内水银蒸汽在外电场作用下放电而辐射出紫外光，紫外光激发管壁上的荧光粉而发光；阴极射线发光发光体在加速电子的轰击下激发发光。如显像管(CRT)中的电子枪在加速场作用下产生高速电子束；场致发光发光体在外电场或电流作用下激发发光。如发光二极管和等离子体显示器；化学发光发光体在化学反应过程中由化学能激发的发光。光电子显示技术概论9发光、色彩与视觉-颜色连续性指光波长连续变化时颜色连续变化的性质，表示为颜色c为波长的函数，即：；可分性指白光可分为其他颜色成分，如三棱镜将白光分为7彩颜色；可合性指多种颜色的光可以按一定比例混合使得通过三棱镜合成为白光，即：；fc光电子显示技术概论knkkcac110发光、色彩与视觉-颜色三基色原理指自然界中客观存在的任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；实用上常选择红(R)、绿(G)、蓝(B)作为三基色。将三基色按一定比例混合调配，就可模拟各种显示颜色；彩电中常采用相加混色法获得所需颜色；而彩印、胶片中常采用相减混色法，为了方便，相减混色法常取黄、品红和青为三基色，三者相加为黑色。光电子显示技术概论11发光、色彩与视觉-颜色亮度、色调和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（色品）表示颜色种类的区别，也就是不同波长辐射在色觉上的不同色调表现，自发光体的色调决定于它本身光辐射的光谱，非发光体的色调决定于照明光源的光谱组成和该物体的光谱反射或透射特性；饱和度（色纯度）表示颜色光的色纯粹性程度，与颜色光中白光含量有关，色越纯，白光含量越少光电子显示技术概论12发光、色彩与视觉-视觉人眼有三种锥状色感细胞，分别对红、绿、蓝最敏感人眼具有空间混色特性，指同一时刻当空间三种不同颜色的点靠得足够近，使得人眼不能分辨出其各自颜色，而只能感觉到其混合色的特性；人眼具有时间混色特性，指同一空间不同颜色的变换时间小于人眼的视觉惰性时，人眼不能分辨出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色；人眼具有生理混色特性，指两只眼睛同时分别观看两种不同颜色的同一景象时，人眼不能分辨出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色；光电子显示技术概论13色坐标与彩色重现CIE-RGB计色系统该系统规定：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4.5907lm的绿光为一个绿基色单位，用(G)表示；波长435.8nm、光通量0.0601lm的蓝光为一个蓝基色单位，用(B)表示；等量的RGB能配出等能白光；任一彩色光F总可以通过下列配色方程配出：式中，R(R)、G(G)、B(B)称为F的三色分量，R、G、B称为三色系数，m称为色模，代表F所含三基色单位的总量，r、g、b称为色度坐标或相对色系数，分别代表F所用三基色单位总量为１时所需的各基色量的数值，且r+g+b=1)()()()()()(BbGgRrmBBGGRRF光电子显示技术概论14光电子显示技术概论光谱轨迹为一舌形曲线，其中(R)的坐标为(1，0)，(G)的坐标为(0，1)，(B)的坐标为(0，0)，三角形RGB内各点所代表的彩色可以用规定的三基色相加配出，三角形的重心坐标为等能白光色坐标，而三角形之外的彩色不能直接相加配出，而需经过将一个或两个基色移到待配彩色一侧才能配出。CIE-RGB色度图该计色系统存在缺陷：A)光谱分布色系数和色坐标出现负值，不易理解且计算不便；B)光谱轨迹不全在坐标第一象限内，作图不便；C)色度图上没有直接表示出亮度，需要经过计算才能求出。15色坐标与彩色重现CIE-XYZ计色系统任一彩色光F配色方程为：式中，(X)、(Y)、(Z)为三基色单位，X(X)、Y(Y)、Z(Z)称为F的三色分量，X、Y、Z称为三色系数，m′称为色模，x、y、z为色度坐标或相对色系数，且x+y+z=1光电子显示技术概论)()()()()()(ZzYyXxmZZYYXXF16光电子显示技术概论CIE-XYZ色度图该计色系统中三基色单位(X)、(Y)、(Z)的选择保证了色度坐标系中三色系数均为正，并规定Y(Y)既含色度又包含亮度，而另两基色为纯色分量不含亮度，还保证了X=Y=Z时仍代表等能白光。17色坐标与彩色重现x,y,z与r,g,b之间的转换公式：bgrbgry20063.113240.166697.001063.081240.017697.0光电子显示技术概论bgrbgrx20063.113240.166697.020000.031000.049000.0bgrbgz20063.113240.166697.099000.001000.018(X)、(Y)、(Z)在RGB色度图中的位置如图所示：光电子显示技术概论(X)、(Y)、(Z)在RGB色度图中的位置19彩色重现电视彩色图像的获得需经过景物彩色画面的分色、摄像器件的光电转换、电信号的处理和传输、显像器件的电光转换等主要过程；彩色显像管利用红、绿、蓝三种荧光粉作为显像三基色，采用空间相加混色法实现彩色重现；对图像的亮度、色调和饱和度三参量的电信号进行色度编码，通过矩阵电路使其成为发送端的编码矩阵；在接收端，用矩阵电路实现解码，用取出的三基色图像信号控制彩色显像管的三个电子束，激发相应荧光粉发光，即可实现彩色重现。光电子显示技术概论返回20阴极射线显示阴极射线显示的发光机理和发光过程黑白显像管彩色显像管阴极射线显示21发光机理晶态磷光体发光复合发光特点能量吸收在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上产生，即发光过程在整个晶体内完成。由于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂移或扩散，从而常常产生特征性光电导现象，因而这类发光一般又称光电导型发光阴极射线显示22阴极射线显示发光过程阴极射线显示晶态发光体的能带结构示意图23阴极射线显示发光过程阴极射线显示它由晶体基质所决定的价带和导带、制备发光体掺入的激活剂离子所产生的局部能级G(一般为基态能级)以及晶体结构缺陷或加入的协同激活剂而产生的局部能级T（一般为电子陷阱能级）等几部分组成。其发光的微观过程包括：(1)吸收激发能电离过程晶体吸收外界激发能，引起基质价带电子和激活剂G能级上的电子（远少于基质电子）激发、电离而到达导带，从而在价带中引入空穴，导带中引入电子。24阴极射线显示发光过程阴极射线显示(2)电子和空穴的中介运动过程电离产生的电子和空穴分别在导带和价带中扩散。空穴扩散到价带顶附近后被激活剂离子G能级俘获。电子扩散到导带底附近时，有的不经过亚稳态，直接落入激活剂离子G能级相应的激发态A（a过程）；有的被浅层亚稳态的陷阱能级T俘获，之后借助热运动回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（b过程）；有的被深层陷阱能级T俘获，之后在外界能量激发下回到导带，继而失去部分能量落入激发态A（c过程）。25阴极射线显示发光过程阴极射线显示(2)电子空穴对复合发光过程过程激活剂离子A能级上的电子与G能级上的空穴复合并向外辐射光子。上述a过程中的电子在导带中停留时间少于0.1ns即复合发光，因而称短时复合发光；而b、c过程的电子由于存在T能级(即亚稳态)俘获过程，因而复合发光滞后于电子受激发跃迁，存在余辉时间，称为长时复合发光。硫化物型发光体是这类发光体的典型代表。发光过程中，除了基质ZnS本身提供的导带(由Zn2+构成)和价带(由S2-构成)外，不仅需要激活剂(最有效的有Cu,Ag,Au)提供基态能级G，还需要协同激活剂(最有效的有Cl,Ar,I等)提供陷阱能级T。26黑白显像管阴极射线显示工作原理电子枪发射出的电子束被加在电子枪栅极或阴极上的视频电信号所调制后，经过加速、聚焦、扫描、复合发光等一系列过程最终变为荧光屏上按空间分布的、亮度随电信号强弱而变化的相应光信号，从而得到与原被摄景物几何相似、明暗对应的适合人眼视觉特性要求的光学图像。27黑白显像管阴极射线显示基本结构1.灯丝2.阴极3.控制极4.加速极5.聚焦极6.高压阳极7.电子束8.玻壳28黑白显像管阴极射线显示电子枪单电位电子枪结构：灯丝Hf、阴极K、控制极G1、加速极G2、第二阳极、(聚焦极)G3和高压阳极G4；29电子枪作用阴极射线显示发射并加速电子，电子枪的电子发射系统主要由阴极、控制极、加速极组成，加速极电压一般在700伏左右。用视频信号调制电子束流，目前显像管一般采用阴极调制的方式，也就是控制极接地，将视频信号加到阴极上，此时阴极电压越向负极变化，电子束流就越大，所以称负极性调制。这种调制方式对电子束的控制较强，调制灵敏度较高。利用电子透镜会聚电子束，并在荧光面上将电子束聚焦成小点。高速电子束流经G2和G3构成的予聚焦透镜被压缩变细，再经G3、G4、G5构成的聚焦透镜进一步聚焦，在荧光粉面上产生足够小的光点。30荧光屏的要求阴极射线显示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；荧光屏的组成：由涂覆在玻壳内表面的荧光粉层和叠于荧光粉层上面的铝膜共同组成。黑白显像管一般用两种荧光粉（蓝与黄比例55：45）混合制得；制作方法：一般采用沉积法，把洗净烘干的玻屏放在涂胶机上，玻屏的倾角和转速都可由涂胶机控制。向玻屏中心注入加有醋酸钡等电解质的荧光粉和水玻璃悬浮液，开启涂胶机使其均匀涂布于玻璃基板上，经烘干后即形成牢固的荧光粉层31彩色显像管阴极射线显示基本结构电子枪、偏转系统、三色组荧光屏、荫罩分类（荫罩管组合方式不同）品字型三枪三束荫罩式彩管（简称荫罩管）单枪三束栅网荫罩彩管（简称单枪三束管）自会聚式彩管（简称自会聚管）32偏转系统阴极射线显示作用为了显示一幅图像，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；磁偏转系统由两组套在管颈外面的互相垂直的偏转线圈组成，常为S/T型结构，即：垂直偏转线圈绕在磁环上为环形，水平偏转线圈为空心鞍型；水平线圈放在垂直线圈里面，且紧贴管颈。33荫罩阴极