深度解析显示技术的发展史及其发展特点

    电子显示器件可分为主动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，而是利用信息调制外光源而使其达到显示目的。显示器件的分类有各种方式，屏幕大小、显示内容形状……；按显示材料可分固体（晶体和非晶体）、液体、气体、等离子体和液晶体显示器。但是最常见的是按显示原理分类，其主要有：阴极射线管（CRT）、显示液晶显示（LCD）、等离子体显示板（PDP）显示、电致光显示（ELD）发光二极管（LED）显示、有机发光二极管（OLED）显示、真空荧光管（VFD）显示，场发射显示（FED）。前七种都为主动发光显示，只有LCD为非主动发光显示，其他还有但市场很小。

　　在20世纪，图像显示器件中，阴极射线管（CRT）占了绝对统治地位，如电视机显示器等绝大多数都采用CRT。与此同时平板显示器也在迅速的发展，其中液晶显示器以其大幅度改善的质量、持续下降的价格、低辐射量等优势在中小屏幕显示中代替CRT。而另一种适合大屏幕的显示器件――等离子显示器（PDP），也逐渐发展并且商品化。

一、显示器件的主要参量发展前景

    由于显示器件可用来重现图像图形、显示信号波形和参数，因此对显示器来说最重要的是显示彩色图像的质量。目前CRT显示器件以其高的性能价格比和高性能的图像质量仍占据着大部分的显示市场，而LCD显示器以其不断下降的价格和不断提高的图像质量已作为平板显示器件的代表填补了CRT显示器件推出的市场，并且还在扩充者市场。CRT、LCD都已大规模生产，基本上已达到物美价廉，因此其他显示器件只能在CRT、LCD显示器件所不能适应的领域发展。以下是对显示器件主要参数进行说明：

    1 亮度

    亮度（L）的单位是坎德拉每平方米（cd/m2）。对画面的亮度要求与环境的光亮度有关，例如，在电影院中，电影亮度有30-45cd/m2就可以了；在室内看电视，要求显示器画面亮度应大于70cd/m2；在室外看则要求画面亮度应达到300cd/m2；所以对高质量的显示器亮度的要求应为300cd/m2左右。

    2 对比度和灰度

    对比度（C）是指画面上的最大亮度Lmax和最小亮度Lmin之比，即C=Lmax/Lmin(无环境光的前提下)。在实用中都是有环境光线的，所以显示器件必须有足够的亮度才能实现实用状态下的对比度：C’=Lmax+L外/Lmin+L内

    灰度是指图像黑白亮度的层次。一般人眼可分辨的最大亮度层次为100级。显示字码、图形、表格曲线对灰度没有要求，只要对比度高级可。但显示图像不但要求有足够的对比度，还要要求有丰富的灰度级。

    3 分辨力（清晰度）

    分辨力是指分辨电视图像的最小细节的能力，是人眼观察图像清晰程度的标志。分为水平和垂直两种，在电视显示中垂直即电视帧的扫描线数，受电视广播制式的限制，PAL制625扫描线，NTSC制525扫描线，高清晰数字制式，如1080I/60HZ信号的扫描线为1080线。虽电视机的品牌不同，但此参数都必须是一样的，后来不同厂家进行100HZ和逐行扫描处理，只是减少了图像的大面积闪烁和行间闪烁。

    水平分辨力是电视信号的水平取样点决定，电视图像信号经不同的传输途径和不同的电视接收机，所收看到的图像水平清晰度会有所不同。

    只有兼备高分辨力、高亮度和高对比度的图像才可能是高清晰度的图像，所以上述三个条件是获得高质量图像显示所必不可少的。

    4 响应时间和余晖时间

    响应时间是指从施加电压到出现图像的显示时间，有称上升时间。余晖时间是指从切断电源到图像显示消失的时间，有称下降时间。

    电视图像显示时需要小于1/30s的响应时间，一般主动发光型显示期间的响应时间都可小于0.1ms,而非主动发光型LCD的响应时间为10-500ms,在显示快速运动的电视图像时，会出现脱尾或余像，使运动图像模糊。因此，LCD显示变化缓慢的计算机图像不成问题，但显示电视机图像响应时间就太长了。

    5 寿命

    目前寿命问题是大多数用户关心的问题。作为实用化的显示器件，其寿命都应在3万小时以上。现在CRT显像管、PDP的寿命问题都已解决，LCD的寿命决定其使用材料的化学稳定性、耐湿性和耐光性，一般讲来的寿命也已解决。CRT投影管因其所受温度很高，目前寿命较低，不到1万小时（这里的寿命是指行业中亮度低于正常亮度一半时的时间）。

    6 显示器的其他参数还有显示色、发光率、工作电压和功耗、存储功能、体积、显示面积、视角以及性能价格比等。

    7 显示技术发展的前景

    一种理想的显示技术应该是高亮度、高对比度、高分辨力，并有大显示容量、能全彩色显示、低电压驱动、低功耗显示器件本身与驱动电路连为一体，可靠性高、长寿命以及薄而轻的。

二、液晶显示器的原理简要

    2-1 液晶显示（LiquidCrystatDisplay,LCD）特点

    优点：

    1、低电压、微功耗

    极低的工作电压，只要2-3V，工作电流只有几个微安，即功耗只有10-6—10-5W/cm2，这是其他任何显示器件所做不到的。

    2、平板式结构

    液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄形盒。

    A开口率高最有利于用作显示窗口

    B显示面积做大做小都较容易

    C便于自动化大量生产生产成本低

    D器件很薄只有几毫米后

    3、被动显示型

    液晶本身不发光，靠调制外界光达到显示目的，即依靠对外界光的不同反射和透射形成不同对比度来达到显示目的。液晶在黑暗中无法显示，但在自然界中人类所获得的视觉信息中，90LL%以上是靠外部物体的反射光，而不是靠物体本身发光，所以被动显示更适合人眼的视觉，不容易引起眼部疲劳。

    4、显示信息量大

    液晶显示器中，各像素之间不用采取隔离措施，所以在同样显示面积中能容纳更多的像素，利于制成高清晰度电视显示器。

    5、易于彩色化

    一般液晶无色，采用滤色膜很容易实现彩色。液晶所能重现的彩色可予CRT显示器相媲美。

    6、寿命长

    只要液晶的配套件不损坏，液晶本身由于工作电压低、电流小，所以几乎不会劣化，寿命很长。

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　　7、无辐射、无污染

    CRT显示器中有X射线辐射，PDP显示器有高频电磁辐射，而液晶显示中不会出现这些问题。

    缺点：

    1、显示视角小

    由于大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的各向异性，对不同的入射光，反射率不一样，所以视角较小，只有30—40度。随着视角的变大，对比度迅速变坏。

    2、响应速度慢

    液晶显示大多是依靠在外加电场作用下，液晶分子的排列发生变化，所以响应速度受材料的粘滞度影响很大。响应速度一般为100-200ms，温度越低响应速度越慢，动态图像质量差。

    3、怕高温

    高温会破坏液晶的定向层，造成不可修复的损坏。局部高温会形成残像。

    4、由于是非主动发光暗时看不清。

    2-2 什么是液晶

    物质的第四态――液晶

    我们都知道物质有三态：固体、液体和气体。通常固体加热至溶点就变成透明的液体。然而，有些有机材料不是直接从固体转变为液体，而是经过中间状态，然后才转变为液体。这种中间状态外观是流动性的混浊液体，同时又有光学各向异性晶体所特有的双折射特性。

    处于中间状态物质，一方面具有象液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有象晶体一样的各向异性，象这样的有序流体就是液晶。

    2-3 液晶显示器件的基本结构

    不同类型的液晶显示器件的部分部件可能会不同，如有的不要偏振片。但是两块导电玻璃夹持一个液晶层，封接成一个扁平盒的基本结构相同。如需要偏振片，则将偏振片贴在导电玻璃的外表面。

    2-4 以TN型液晶讲解显示的三种方式

    TN—LCD（扭曲向列液晶显示器件）

    在两块导电玻璃基片之间充入后约10um的具有正介电各向异性的向列液晶（Np液晶），液晶分子沿面排列，但分子长轴在上下基片之间连续扭曲90度，形成扭曲(TN)排列的液晶盒。

    1、反射式

    反射式可以利用外光节省功率TN型（扭曲向列型）液晶器件一般工作在反射式，入射光先穿过液晶盒，然后被反射器所反射。反射器由一个漫反射器和一个镜面组成，它们粘附在底玻璃外表面上。当两个偏振片正交，器件工作于正性显示时，不加电时光通过上偏振片，变成线偏振光，经过液晶层时，偏振方向转过90度，刚好可通过下偏振片到达反射器，反射回来的光偏振性没有改变，又再一次穿过液晶盒和上偏振片到达人眼。当加上足够高的电压后，液晶分子将与电场平行，光的偏振面不再发生旋转，所以光不能穿过液晶盒到达反射面。反射式即使在阳光直射下也不会被冲刷。然而，当在暗处或背景亮度不够高处观察液晶器件，需要加别的人工光源。为此常在漫反射板的边缘处装一个灯泡。

    2、透射式

    TN型液晶也可工作于透射式，液晶盒上方的偏振片为线性起偏器。下方的偏振片为线性检偏器。它们的偏光轴互相平行，并都与顶部基片表面处的液晶分子取向一致。当为加外电场时（驰豫态）入射光到达液晶盒底部时，光的偏振面将与检偏器的偏光轴垂直，光线被检偏器挡住了，从背面看过去液晶盒不透明，加外电场后，入射光经过液晶盒时不发生旋转，能从检偏器穿过，液晶盒仿佛是透明的。所以透射式液晶是将光源放在显示器之后，显示器调制入射光。

    3、投影式

    另近年发展很迅速的LCOS(LConSilicon)更是投影式的典型。在LCOS中有源矩阵直接制作在单晶硅片上，尺寸可以做得很小，并可以充分利用发展已很成熟的硅集成工艺。将在背投影电视中讲解。

    以上只对液晶显示器的简单工作原理进行了讲解。

三、PDP(等离子体显示器)显示原理简要

    等离子体显示板（PlasmaDisplayPanel,PDP）具有易于实现大屏幕、厚度薄、重量轻、图像质量高和工作在全数字化模式等优点。特别是20世纪90年代以来，等离子显示技术在实现全彩色显示、提高亮度和发光效率、改善动态图像显示质量、降低功耗和延长寿命方面取得了重大突破，使PDP成为大屏幕壁挂电视、HDTV和多媒体显示器的首选器件。

    3-1 PDP的定义分类与特点

    PDP是指所有利用气体放电而发光的平板显示器件的总称。它属于冷阴极放电管，其利用加在阴极和阳极间一定的电压，使气体产生辉光放电。彩色PDP是通过气体放电发射的真空紫外线（VUV）,照射红、绿、蓝三基色荧光粉，使荧光粉发光来实现彩色显示。其放电气体一般选择含氙的稀有混合气体，如氖氙混合气（Ne-Xe）

    PDP按工作方式的不同主要可分为电极与气体直接接触的直流型（DC-PDP）和电极用覆盖介质层与气体相隔离的交流型（AC-PDP）。

    PDP的特点：

    1、易于实现薄型大屏幕

    厚度一般小于12cm，重量只有几十斤，分别约为CRT的1/10和1/6，PDP的显示面积可以做得很大，不存在原理上的限制，而目前主要受限于制作设备和工艺技术。目前，PDP屏的尺寸主要集中在对角线37—80英寸的范围。

    2、具有高速响应特性

    PDP显示器以气体放电为基本物理过程，其“开”“关”速度极高，在微秒量级。因而扫描线数和像素数几乎不受限制，特别适合大屏幕高分辨率显示。

    3、可实现全色彩显示

    利用稀有混合气体放电产生的紫外线激励红、绿、蓝三基色荧光粉发光，并采用时间调制（脉冲调制）灰度技术，可以达到256级灰度和1677万种颜色，能获得与CRT同样宽的色域，具有良好的色彩还原性。

    4、视角宽可达160度

    5、伏安特性非线性强，具有很陡的阀值特性。

    PDP工作时，非寻址单元几乎不发光，因而对比度可以达到很高。

    6、具有存储功能

    AC-PDP屏本身具有存储特性，工作在存储方式，从而使扫描线数达到1000线以上时，也不会使显示屏亮度明显下降，容易实现大屏幕和高亮度。

    7、无图像畸变，不受磁场干扰

    8、应用环境范围宽

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　　结构整体性好，抗震能力强。可在很宽的温度和湿度范围内及在有电磁干扰、冲击等恶劣环境条件下工作。

    9、工作于全数字化模式

    10、具有长寿命

    单色PDP的寿命可达10万小时，彩色PDP也可达3—4万小时。

    11、因PDP内部气压为0.5个大气压，所以海拔2000m以上不能使用。

    3-2 PDP原理

    什么是等离子？

    像素驱动指令

    显像原理

    面板结构

    PDP的缺点

四、彩色CRT电视机显示原理

    4-1 彩色显像管的发展及分类

    彩色显像管按色彩重现控制方式分类，主要有荫罩式、聚焦栅式、束指引式和穿透式四大类，在四十多年的发展过程中占主导地位的，是荫罩式三枪三束、单枪三束和自会聚彩色显像管。

    1、三枪三束彩色显像管

    三枪三束管中每一个电子枪相对于黑白显像管中的电子枪，都有自己的发射系统、预聚焦系统与主透镜系统。三枪三束管正常工作的一个重要条件是，三电子束沿荫罩面扫描时必须始终能会聚在荫罩面的同一点上，这样才能使三束共同穿过同一荫罩孔并分别打在一个粉点组的三基色荧光粉点上。但是实际实现上很难达到满意的效果，且制造成本高。

    2、单枪三束管

    只有索尼公司用，它的出现是彩色显像管向自动校正动态会聚误差迈进了一大步。单枪三束管有三个阴极，但发射的三束电子用同一电子枪聚焦。三条电子束在同一平面内呈一字排列，因此在任何偏转状态下三条轨迹大致都保持在同一水平线上，故只需进行水平方向的动态会聚误差校正。静会聚靠垂直安置的会聚板来实现。总之，单枪三束管大大简化了会聚的调节。为了提高束通过率，采用垂直条状栅网荫罩，使透过率提高到约为30%。

    单枪三束管图像亮度高，偏转功率低，结构简单，成本低。其缺点：条型栅刚性差，易颤动、影响图像清晰度、柱形屏面耐压差、动会聚仍不理想。

    3、自会聚彩色显像管

    自会聚显像管可以完全取消动态会聚电路，只靠偏转磁场本身的特殊分布就可以实现会聚，因而调节非常简单。同时取消了动会聚线路，节省了约100多个动会聚元件，使整机成本大幅度降低。自会聚显像管在当前占绝对优势。

    4-2 CRT的组成及各部分的作用

    CRT显像管是一种真空电子管，利用电子束轰击荧光屏来工作。所以CRT必然包含三大部件：发射电子并将它们会聚成细束的电子枪、使电子束在荧光屏上扫描的偏转系统、根据电子束能量强弱而发出不同亮度光的荧光屏。

    4-3 精密一字形自会彩色聚显像管

    自会聚管的主要部件是：精密一字形一体化电子枪、条槽形荫罩垂直粉条荧光屏、精密静态环行偏转线圈。

　　1、精密一字形排列电子枪

    自会聚电子枪既不像三枪三束管那样按品字形排列，又不像单枪三束管那样只有一只电子枪，而是采取精密一字形一体化电子枪。“一字形”是指三只电子枪在同一水平面内准确无误地排成一条线，“一体化”是指三个电子枪之间的相对位置通过一组单片三孔的调制极精确的定位形成一个整体（电子枪中的R、G、B三个阴极是相互独立的）。而控制极（栅极）、加速极、聚焦极、高压阳极是共用的。理论上，该电子枪之间的距离精度，只取决于制作电极的模具的精度，与组装工艺无关。

    电子枪中各极的作用

    阴极：用来发射电子。在阴极的圆筒内装有灯丝，用来加热阴极，阴极受热后便能发射电子。

    控制极：又称栅极。它与阴极之间的电位差大小，将决定电子束的强弱。

    加速极：加有500V左右的正电压，将阴极上的电子拉出来，并使电子加速射向荧光屏。调节此电压的大小，将影响显像管的亮度。

    聚焦极：上面加有5KV左右的正电压，调节此电压的大小，可使聚焦良好。聚焦不良图像模糊。

    高压阳极：上面加有25KV左右高压。此高压同时加到内导电层，形成一个均匀等电位空间，使阴极发射的电子高速轰击荧光屏上的荧光粉。

    除上述电极外，电子枪的顶部还装有四个磁环，其中两个磁环位于两个边束的阳极孔上并与阳极孔同心，起磁分路作用，使两个边束形成的光栅尺寸减小，称为磁分路器；另外两个磁环位于中心束的上下方，起增强磁场的作用，使中心束光栅尺寸增大，称为磁增强器。四个磁环总的作用是使R、G、B三基色的光栅重合。它们是会聚装置的组成部分。

    2、开槽式荫罩板和条状荧光粉

    自会聚管在荧光屏上涂着垂直交替的红、绿、蓝三基色荧光粉条，每R、G、B三个荧光粉条为一组，作为一个像素。在没有荧光粉的空隙处涂有石墨，可吸收杂散光，提高图像对比度。

    在荧光屏1cm处，装有一块荫罩板（也叫选色板）由薄钢板制成。在其上面开有约40万个排列有序的条状小孔（荫罩孔），每一个小孔对应荧光屏上一组荧光粉条，它们的作用是使R、G、B电子束只能轰击与自己对应的荧光粉条。

    3、动会聚校正型偏转线圈

    自会聚显像管在管径上装有调整色纯和静会聚的磁性组件和特制的高精密度偏转线圈。这种偏转线圈能产生三条电子束动会聚所需的会聚磁场，在内部磁极的配合下，使三条电子束在整个屏幕上自动会聚。

    色纯磁环：两磁极磁环，其形状和原理类似于黑白显像管上的光栅中心位置调节片。

    红蓝会聚磁环：四磁极磁环调整其夹角可使红蓝竖线重合，同步旋转是红蓝横线重合。

    紫（红蓝）和绿会聚磁环；六磁极磁环，调整其夹角可使紫和绿竖线重合，同步旋转是紫和绿横线重合。