《显示技术》课件第6章.ppt

1、第6章其他显示技术6.1激光显示技术激光显示技术6.2电致发光显示技术电致发光显示技术6.3场致发射显示技术场致发射显示技术 6.4大屏幕显示技术大屏幕显示技术6.5立体显示技术立体显示技术习题习题6.1 激光显示技术激光显示技术6.1.1 激光的特性及发展激光的特性及发展激光显示技术以红、绿、蓝(RGB)三基色激光为光源，充分利用激光波长可选择性和高光谱亮度的特点，使显示图像具有更大的色域表现空间，提供更具震撼的表现力。激光显示色域覆盖率可达90%，是NTSC标准的2倍以上，色彩饱和度达到传统显示的100倍以上，具有较完美的色彩还原度。现有CRT显示器的色彩重现能力很低，显色范围仅能覆盖人眼

2、所能观察到的色彩空间的33%，而其他67%的色彩空间是现有的显示技术都无法重现的。与传统显示技术相比，激光显示的色彩带宽最宽，颜色更加丰富、艳丽，图像保真度更高。激光技术的显示屏大可以到“大屏幕”、“超大屏幕”，小可以到“个性化头盔”，甚至可以在非平面表面产生色彩艳丽的图像。根据色度学原理，在XY色坐标系统中，颜色信息全部包含在由光谱色坐标连接的马蹄形区域内，在光谱轨迹外的颜色，在物理上是不能实现的。位于光谱轨迹上的单色光其饱和度越高，距离光谱轨迹越远，则其饱和度越低。选取任意三点对应的颜色作为基色，则由此三基色所能合成的所有颜色都包含在以这三点为顶点的三角形内。三角形的面积越大，表示可以显示

3、的颜色越多，显示颜色饱和度越高，色彩表现力越强。激光的光谱是线谱，本身显示的颜色为光谱色。如图6-1所示，用红、绿、蓝激光器作为光源所构成的色域空间更大，大约是传统CRT电视色域空间的2.3倍。与传统显示方式相比，激光显示可以获得更高的饱和度、更丰富的颜色和更逼真的视频效果。图6-1 激光显示（LDT）色域与传统CRT色域比较激光具有单色性好、方向性好和亮度高等优点，非常适用于显示。其主要特点有：第一，激光发射光谱为线谱，色彩分辨率高，色饱和度高，能够显示非常鲜艳而且清晰的颜色；第二，激光可供选择的谱线（波长）很丰富，可构成大色域色度三角形，能够用来显示最丰富的色彩；第三，激光方向性好，易实现

4、高分辨显示；第四，激光强度高，可实现高亮度、大屏幕显示。激光显示技术的发展可分为四个阶段：概念阶段、研发阶段、产业化前期阶段和规模产业化阶段。激光显示概念在20世纪60年代出现，世界各国的科学家都尝试将激光技术运用于显示光源的研究。20世纪90年代，随着全固态激光器关键材料的研制成功，大大推动了激光显示技术研究，2003年激光显示技术研究获得历史性突破，通过RGB三基色可见光激光器成功混合成白光，并推出一系列工程样机。2005年至今，是激光显示产业化前期阶段，此时，我国与世界知名企业相继推出了激光投影、激光电视等原理样机，激光显示产业已经进入了产业化前期，在此阶段各国都在加紧建设完整的技术产业

5、链、加速产业示范与专利及技术标准的制定。在激光全色显示技术领域，我国拥有完整自主知识产权链，具备在该领域实现产业化重大突破的良好基础。6.1.2 激光显示原理激光显示原理（1）激光阴极射线管（Laser Cathode Ray Tube，LCRT）的基本原理是用半导体激光器代替阴极射线显像管的荧光屏来实现显示的一种新型显示器件，其结构如图6-2所示。图6-2 激光阴极射线管LCRT的结构图LCRT的工作原理除了用半导体激光器代替荧光面板外，激光CRT实质上就是一个标准的投影用阴极射线管。半导体材料的两面与镜面相邻接从而形成一个激光器的谐振腔，并与一片衬底相结合从而形成一块激光面板。用电子束扫描

6、激光面板时，在电子束轰击到的地方就产生出激光。这种激发的物理机制和荧光CRT相似，只是产生的是激光而不是荧光。单片半导体是由宽谱带间隙的-族单晶化合物（如ZnS、ZnSe、CdS、CdSSe、ZnO等）构成的。通过选择合适的材料，完全可以获得可见光谱上的任何一个波长。为了减少损耗，激光腔只有几个微米厚。激光面板预计能承受长时间的高能电子束轰击，达到10 000至20 000小时的寿命。LCRT的分辨率能够做得很高，在CRT电流为2 mA时，电子束直径为25 m，其激光束直径略小于电子束斑直径为20 m，目前激光面板的光栅尺寸为40 mm30 mm，它可以给出20001500个像素。目前正在向真

7、正的影院放映质量的方向努力。LCRT同时也是一种理想的影院放映光源，它不会产生损害胶片的红外和紫外强光，预期可以延长胶片的放映寿命。（2）激光光阀显示。该技术的基本原理是激光束仅用来改变某些材料（如液晶等）的光学参数（折射率或透过率），而再用另外的光源把这种因光学参数变化而构成的像投射到屏幕上，从而实现图像显示。图6-3所示为激光光阀显示，优点是清晰度极高，它是利用激光束对液晶进行热写入寻址的。图6-3 激光光阀显示激光束写入原理为：把介电各向异性为正的近晶相液晶夹于两片带有透明电极的玻璃基板之间（其中一片玻璃基板内涂有激光吸收层），构成液晶光阀。把聚焦约为10 m的YAG激光束照射到液晶光阀

8、上，被吸收膜吸收后变成热能并传给液晶。于是照射部分的液晶随温度上升，从近晶相，经由向列相变成各向同性液体。当激光束移向他处，液晶温度急剧下降，出现由各向同性液体向列液晶近晶相的转变的相变过程。由于速冷作用，一方面相变过程中形成一种具有光散射的焦锥结构，这种结构一直保持到图像擦除；另一方面没有照射部分的液晶仍为垂直于表面取向的透明结构。这样通过对激光束进行调制和扫描，便可在整个画面上形成光散射结构和透明结构的稳定共存。擦除过程是用电擦除法，即在液晶层上施加高于条件阈值（约70 kV/cm）的高电场E，使之反加到初始的透明结构，这种擦除方式速度极快，已被广泛使用。（3）直观式（点扫描）电视激光显示

9、，它是将经过信号调制了的RGB三色激光束直接通过机械扫描方法偏转扫描到显示屏上。直观扫描式激光扫描系统如图6-4所示。该系统主要由RGB激光光源、扫描装置、光强调制、扫描同步控制和屏幕等部分组成。图6-4 直观扫描式激光扫描系统示意图光学引擎则主要由红绿蓝三色光阀、合束X棱镜、投影镜头和驱动光阀组成，光阀驱动使光阀上分别生成红、绿、蓝三色对应的小画面，然后分别引入三色激光照明投影到屏幕上，即产生全色显示图像。充当光阀及驱动源的可以是各种微型显示系统，如LCD、LCoS、DMD、GLV等，其工作原理如图6-4所示：红、绿、蓝三色激光分别经过扩束、匀场、消相干后入射到相对应的光阀上，光阀上加有图像

10、调制信号，经调制后的三色激光由X棱镜合色后入射到投影透镜，最后经投影透镜投射到屏幕，得到激光显示图像。直观扫描激光电视利用了激光器的色纯度高、色域比一般彩色电视大的特点。显示的图像色彩更加鲜艳、逼真。直观扫描方式与光学系统成像不同，无聚焦范围限制，可以在任何反光物体上显示，所以，可以在建筑物上、水幕上（水幕电视）、烟雾上（空中显示）等显示特殊效果。激光显示，是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的新一代技术，被称为“人类视觉史上的革命”。在应用层面，激光显示技术将成为未来高端显示的主流，应用于公共信息大屏幕、激光电视、数码影院、手机投影显示、便携式投影显示、大屏幕指挥及个性化头盔显示系统等领域，

11、可在超大屏幕上展现更逼真、更绚丽的动态图像，产生不一样的效果。未来显示器可能被激光技术取代，普通电影放映机的色域空间仅能够覆盖人眼所能识别色彩空间的33%，而激光电影放映机能达70%，甚至90%。激光投影的发光效率很高，传统投影灯泡多为卤素灯泡，只有2%3%的能量转换为光能，其他的都转变成热量。因此，激光投影的耗电量较小，也不会产生高热。它的室温寿命一般可达10万小时，经高温老化实验推算出的室温寿命可达百万小时，是一种长奉命、高可靠性的产品。6.2 电致发光显示技术电致发光显示技术6.2.1 ELD的分类及其特征的分类及其特征无机电致发光材料一般为半导体材料，有机电致发光材料依据有机发光材料的

12、分子量的不同又可以分为小分子和高分子两大类。小分子材料以有机染料或颜料为发光材料，高分子材料以共轭或者非共轭高分子（聚合物）为发光材料。电致发光器件从结构上又可分为薄膜型和分散型两种，如图6-5所示。图6-5 ELD的分类薄膜型的发光层由致密的荧光体薄膜构成，而分散型的发光层以粉末荧光体的形式构成。从驱动方式上，又有交流驱动型EL和直流驱动型EL。由此，无机和有机电致发光均可组合出四种EL显示器件。相对于无机EL，已经到达实用化的有薄膜型交流EL和分散型交流EL，其荧光母体都是以硫化锌为主体的无机材料。薄膜型交流EL具有高辉度、高可靠性等特点，主要用于发橙黄色光的平板显示器。分散型交流EL价格

13、较低，容易实现多彩色显示，常用作平面光源，例如液晶显示器的背光源。对于有机EL来说主要是薄膜型交流驱动电致发光元件，其他类型还没有达到实用化。6.2.2 ELD的基本结构的基本结构1.分散型交流电致发光结构分散型交流EL元件的基本结构如图6-6所示，从下往上看，该结构采用玻璃或柔性塑料板作基板，透明电极（ITO）采用有机粘结剂制成，荧光体粉末的母体材料是ZnS，其中添加了作为发光中心的活化剂和Cu、Cl、I及Mn原子等。图6-6 分散型交流EL元件基本结构图2.分散型直流电致发光结构 分散型直流EL元件的基本结构如图6-7所示。在玻璃基板上形成透明电极，将ZnS、Cu、Mn荧光体粉末与少量粘结

14、剂的混合物均匀涂布于上，形成厚度为3050 m的较细的荧光体粉末层。将ZnS荧光体浸在Cu2SO4溶液中进行热处理，使其表面产生具有导电性的CuxS层，这种工艺叫做包铜处理。图6-7 分散型直流EL元件的基本结构3.薄膜型交流电致发光 薄膜型交流EL元件是将发光层薄膜夹于两层绝缘膜之间组成三明治结构形式，其基本结构如图6-8所示。在玻璃基板上依次沉积透明电极、第一绝缘层、发光层、第二绝缘层、背面电极（Al）等。发光层约为0.51 m，绝缘层厚0.30.5 m，全膜厚只有2 m左右。在EL元件电极间施加200 V左右的电压，即可使EL发光。图6-8 薄膜型交流EL元件基本结构图从发光机制来说，可

15、用ZnS Mn系荧光体的碰撞激发来解释。即当施加的电压大于阈值电压Uth时，由于隧道效应，从绝缘层与发光层间的界面能级飞出的电子被106V/cm的强电场加速，使其热电子化，并碰撞激发Mn等发光中心。被激发的内壳层电子从激发能级向原始能级返回时，产生EL发光。激发发光中心的热电子，在发光层与绝缘层的界面上停止移动，即产生极化作用。两层绝缘膜结构的ZnS Mn在制成之后开始工作的一段时间内，辉度-电压特性会发生变化，然后渐渐达到稳定状态。这是制作时导入的各种变形、不稳定因素及电荷分布不均匀性等逐渐趋于稳定的过程，该过程就是老化，并非元件性能的劣化。老化充分的元件，其性能极为稳定，工作20 000小

16、时以上，辉度不会明显降低。4.薄膜型直流电致发光这种电致发光元件结构简单，在薄膜发光层的两侧直接形成电极即可。但由于没有绝缘膜保护，很难维持稳定的强电场，故至今仍未能达到实用化。5.有机薄膜电致发光 上述EL元件的发光层都是由无机材料做成的，另外还有一种以有机薄膜为发光层及空穴输送层的注入型薄膜EL元件，在有的文献中称为OLED。有机EL的起源可追溯到1963年，Pope等人以蒽单晶外加直流电压而使之发光，但当时驱动电压高（100 V），且发光亮度和效率都比较低，并没有引起太多的重视。有机薄膜型电致发光之所以成为国际上的研究重点，是因为OLED能提供真正像纸一样薄的显示器，它又薄（总厚度不到1 m）又轻，具有低功耗（驱动电压510 V）、广视角、响应速度快（亚微秒级）、工作温度范围宽、成本低、易实现全彩色大面积显示等一系列优点。目前，在用于大信息量的彩色显示时，有机EL与无机EL各有优缺点，表6-1是两者的比较。有机EL的发光层由铝喹啉络合物（Alq3）形成，空穴输送层由二胺系化合物真空蒸镀形成，将二者夹在ITO电极与MgAg电极之间就构成了OEL元件，如图6-9所示。这种元件的发光色