1、顯示科學與器件技術鄧少芝教授，陳煥君副教授2015年3-7月內容l 第一章顯示基礎知識顯示技術及發展概述電視基礎知識（彩色電視原理、數字電視原理）電視圖像的攝取與重現顯示器性能參數前言二十世紀后十五年是信息l 信息產業（管理機構，行業）“十二五”（2010-2015）重點l 電子信息產業的組織方向 電子信息制造業（主要是平板顯示器件制造） 集成電路產業 數字電視與數字家庭產業 太陽能光伏產業 電子基礎材料和關鍵元器件 電子設備儀器信息傳遞l 信息輸出是一個重要的信息功能，顯示技術是實現信息輸出的重要模式信息顯示終端接口與處理信息高速公路人類獲取信息的方式l 視覺l 聽覺l 觸覺l 味覺l 嗅覺

2、視覺獲取的信息占全部信息量的70%以上顯示技術的地位顯示無處不在“顯示器”是人機交互和信息展示的窗口l 顯示器是顯示技術的關鍵組成，在、工業、軍事、交通、教育、航空航天、遙感等有廣泛應用發展顯示技術的重要性l 世界范圍 新型顯示技術的研究一直是發達關的制高點全球平板顯示器產值超過了1000億l 中國和新興工業國科技攻 顯示技術及其相關產業的占信息產業總產值的45% 電視機和顯示器的生產是我國電子制造業近三十多年來的支柱之一，對經濟有著舉足輕重的影響 中國的彩電產量占世界產量的50以上，是中國電視機生產的重要基地陸顯示產業狀況顯示產業集聚發展，形成四個重點區域北京/河北江蘇/上海/ 陜西/廣州/

3、9顯示產業從業多學科的專業特征：物理、材料、化學、光學工程電子科學與技術、管理科學材料、器件、制造工藝、設備、表征技術電子器件、電路技術顯示技術是一個多學科交叉的產物一、顯示技術及發展概述信息顯示技術特征：顯示器平板化l 20世紀陰極射線管（CRT）占圖像顯示器件的絕對地位l 21世紀是平板顯示器的呈現“百花齊放，百家，器件技術路線”狀態不同發展階段的顯示器傳統顯示器：陰極射線管常用的平板顯示器：液晶平板顯示器新型平板顯示器：OLED、FED、微顯示、三維顯示、電子紙顯示、柔性顯示等顯示器實現圖像顯示原理顯示信息信號調制到達人眼的光亮度、顏色和空間位臵顯示器件：主動發光型和非主動發光型l 主動

4、發光型：器件本身發光；利用顯示信息信號來調制各發光體（稱為像素）的發光亮度和顏色，并直接顯示l 非主動發光型：器件本身不發光；利用顯示信息信號調制外光源使其達到顯示目的顯示器分類顯示器（CRT） 原理l 電子以高能量轟擊熒光粉發光以掃描方式有序轟擊熒光屏上的熒光粉l顯示器（CRT）發展的實用化過程布勞恩管的發明（德國）世界最早的電視廣播開始（德國） 中國黑白電視廣播開始彩色電視廣播開始中國彩色電視廣播開始1897年1935年1958年1960年1973年1991年1996年1997年1999年lllllllll晰度電視機的商品化（）Sorry公司推出第一臺純平面屏幕CRT彩色電視機薄平板型CR

5、T公開，其厚度只有1cm（荷蘭）中國樂華推出國內第一臺純平面屏幕CRT彩色電視機2002年2007年各種全平面平面電視機在中國普及ll14th International Display Workshops 最后一次設立CRT的專題舉例CRT平板化和微型化液晶顯示器（LCD）原理l 原理液晶材料在光場/熱場/電場作用下表現出的物理和光學各向異性性質l 實現液晶對投射光源起調制作用，即液晶光閾l 色彩實現采用濾色膜提取光源的紅綠藍三基色以空間混色方式獲得彩色重現電場作用下的液晶運動液晶顯示器（LCD）發展的實用化過程1888年1972年1980年1984年1984年1993年1997年1998年

6、1999年2000年2002年液晶的發現（奧地利）液晶手表、液晶計算器的實用化（美國）a-Si TFT驅動LCD試制（英） 液晶黑白電視機的實用化（日）液晶彩色電視機的實用化（日）lllllTFTLCD生產線開始建立大l47英寸TFT-LCD電視機韓國建設第3代彩色TFTLCD生產線l建設第3代彩色TFTLCD生產線中國l中國引進第一條TFTLCD生產線（吉林省電子韓國三星將61cm UXGA TFTLCD HDTV投入市場公司）llTFTLCD HDTV到來l等離子體顯示器（PDP）顯示原理氣體放電等離子體紫外線熒光粉可見光原理：利用氣體放電產生紫外線，紫外線激發光致熒 光粉，熒光粉發射可見

7、光等離子體顯示器（PDP）發展的實用化過程1954年1968年1978年1987年1992年1996年1997年1999年2004年2005年2006年2008年DC驅動PDP的（美國）l用DC驅動的PDP顯示電視圖像（荷蘭）16英寸DC驅動彩色PDP電視機的試制（ 美國Photonics公司開發出59英寸 AC PDP 富士通21英寸全彩色AC驅動PDP的商品化富士通42英寸全彩色AC驅動PDP的商品化先鋒公司開發出50英寸 PDPl）llll150英寸PDP電視機lPlasmaco公司展出60英寸 HDTV（1366x768 線）彩色PDPLG開發出76英寸、三星開發出80英寸FHDTV

8、彩色PDP；LG、三星開發出102英寸FHDTV 彩色PDP 松下開發出103英寸FHDTV 彩色PDP松下開發出150英寸FHDTV 彩色PDPlllll有機發光顯示器（OLED）顯示原理l 原理利用正負載流子注入有機半導體薄膜后載流子復合產生發光l 彩色實現直接方式：材料的電致發光光譜決定間接方式：轉換法/彩色濾色膜OLED發光原理示意圖有機發光顯示器（OLED）發展的過程1963年1987年Pope發現蒽單晶外加直流電壓發光現象ll美國Kodak公司的C.W.Tang成功超薄層結構小OLED器件，了OLED研究熱潮1990年1997年2000年2001年2月2001年10月2005年20

9、06年大學的FrendOLED柔軟顯示屏英國成功共軛高ll先峰公司開發成功OLED車載顯示器并實現了Motorola把OLED顯示屏應用于lllllSorry推出13英寸小全彩色OLED顯示器樣機Samsung在SID展示了15英寸小全彩色OLED顯示器樣機Samsung展示了40英寸a-Si OLED顯示器（1280 x 800）DuPont 公司展示出7-14英寸P-OLED顯示屏（采用ink-jet技術）市場出現LG 55英寸柔性WRGB模式的OLED電視（厚度4.4mm）2014年l場發射平板顯示器（FED）原理l 發光原理：利用場致電子發射的物理現象來獲得電子；電子在高電壓作用下以高

10、能量轟擊熒光粉發光極陣列替代電子槍ll 矩陣尋址替代掃描場發射顯示器件（FED）發展過程l 1968年l 1986年l 1996年l 1997年l 1999年微尖針場發射陣列（英國）（鉬微尖針，Spindt結構）微尖針場發射顯示器（法國）（單色32×32像素FED器件 )表面傳導場發射顯示器件（MIM 場發射顯示器件（碳納米管場發射顯示器件（發射場發射顯示器件（）等），表面彈道電子）l 2000年l 2004 年印刷型場發射顯示器件（英國、韓國、中國等）伊勢電子（ISE）公司公布40英寸彩色CNT-FED韓國Samsung公司的30英寸CNT-FED的開發已接近完成雙葉電子展示其已經

11、開始市場化的5款FED顯示器佳能東芝的36英寸表面傳導型FED等等l 2005年l 2007年英國PFE公司展示出采用MIM結構的5.7英寸的顯示屏Sony展示19英寸Spindt結構的FED顯示器發展其它形式的顯示器技術3D顯示柔性顯示電子紙顯示微顯示器，圖示為OLED微顯示器二、電視基礎知識家庭電視廣播發展歷史l 20世紀30年代誕生l 發展歷史 1936年英國貝爾德電視公司黑白電視廣播 1954年美國NTSC制彩色電視廣播、哥倫比亞 1967年前PAL制彩色電視廣播德國（1960年提出PAL制彩色電視） 1967年法國和前SECAM制彩色電視廣播（1956年提出SECAM制彩色電視） 2

12、0世紀90年代中期發達數字電視廣播陸電視廣播發展歷史l 1958年首次黑白電視廣播l 1973年彩色電視試播，采用PAL制電視l 2010年全部實現數字和傳送數字化（實施計劃方案）l 2015年停播模擬電視電視分類l 按顏色分：黑白電視，彩色電視l 按圖像分：標準清晰度電視（SDTV），高清晰度電視（HDTV）l 按信號形式分：模擬電視，數字電視l 按用途分：廣播電視（BTV），應用電視（ATV）1、圖像重現依賴的基本理論理論依據I：人眼的生理特性l 人眼視網膜的感覺細胞（錐體細胞和桿體細胞）決定人眼的色光感受（過程：色光刺激和色光感受）l 人眼對不同色光感受性用光譜效率函數表征 光譜光效函數

13、指的是在獲得同等亮度情況下，不同波長光所需要能量的倒數，即V（l）1/ E ll 人眼色光感受特點： 光感惰性 空間分辨局限性不同波長的光，光效率不同理論依據II：色度學l 色度學是測量與標定顏色的學科，用來兩種光譜功率發布不同的光在一定觀察條件下，在顏色上是否能夠匹配l 內容：顏色的基本特性和混合， 色覺理論，人眼對顏色的分辨能力和彩色視野，計色系統（色度圖、色度坐標等）彩色圖像重現：人眼的色度感知混色理論l 人眼根據紅、綠、藍三基色在視網膜上光刺激的混合比例來確定顏色感的理論稱為混色理論l 混色方法：加法混色，減法混色舉例1顯示器彩色實現方法：加法混色l 加法混色：利用人眼對不同光譜 的光

14、線具有相同顏色感覺的特性， 即同色異譜l 三基色：紅、綠、藍l 混色公式：紅色綠色 黃色紅色紫色綠色青色紅色綠色白色l 實現方法：同時加色法，繼時加色法，空間加色法相加混色彩色三角形 舉例2顯示圖像信號傳遞：人眼對顏色的分辨能力和彩色視野對色調的分辨 在等能量的各種顏色光中，人眼感受黃綠色 最亮，其次是藍、紫，最暗是紅色 人眼大約可以分辨128種不同的色調對飽和度的辨別不同顏色飽和度分辨率不同，例如紅色為25級，黃色為4級 將人眼對色調、亮度和飽和度辨別等級進行組合，可以分辨100萬種顏色彩色視野 人眼的垂直視野為135º140º，水平視野為180º在同一亮度條件

15、下，白色視野最大，依次按黃藍紅綠減小lll 舉例2大面積圖像著色理論l 人眼對黑白圖像的分辨率高于對彩色圖像的分辨率l 假設人眼對黑白顏色組合細節分辨率定義為100%，則對其它顏色的分辨率列表如下l 亮度信號采用寬帶信號（0-6MHz）處理，色度信號采用窄帶處理（0-1.5MHz）處理，當兩種信號重合時，人們仍然可以看到一幅圖像清晰、彩色鮮艷的彩色圖像，這就是大面積圖像著色理論細節色別黑白黑綠黑紅黑藍綠紅紅藍綠藍分辨力100%94%90%26%40%23%19%2、電視傳像原理電視系統組成l 電視傳送的信息 圖像通常分為靜止圖像和動態圖像電視傳送主要是動態圖像信息（活動景象）l 電視系統構成

16、由攝像、傳輸、顯像三部分構成 功能包括信息形式變換、處理（信號選擇與編碼、各種參量確定、失真校正）、傳輸、重現等電視的攝像和顯像原理圖（a）攝像管，（b）顯示器圖像的表示方法（I）l 景物表達 景物的彩色用亮度（B）、色調（l）和飽和度（SC）三個基本參量來描述 景物的形狀可用空間坐標x、y、z表示 活動景物的彩色和外形是時間t的函數l 一幅自然景象表達B = fB ( x, y, z, t )l= fl ( x, y, z, t )SC = f Sc ( x, y, z, t )圖像的表示方法（II）l 平面圖像表達l 傳送簡單圖像：黑白平面圖像 B = fB ( x, y, t )l 技術

17、上，即使傳送簡單圖像，也有很大B = fB ( x, y, t )l = fl ( x, y, t )SC = f Sc ( x, y, t )圖像的表示方法（III）l 實際實現上，可以根據人眼視覺特性，采用“空間”和“時間分割傳送方法”，使重現景象與原景象有等效的視覺效果圖像信息組成與轉換一幅圖像被分解為小單元（稱為像素），它具有光特性（亮度和色度）和幾何位臵特性，代表圖像信 息單元普通分辨的一幅圖像被分解像素數為3050萬個， 高分辨的一幅圖像被分解像素數為100萬個以上采用掃描方式將像素通過光電轉換變為圖像電信號（舉例：攝像機鏡頭將圖像聚焦到光敏層的攝像管， 在光敏層形成與發光景物對應

18、的相關電荷，利用電 子束從左到右、從上到下有序地將電荷圖像轉換為電流）lll 圖像傳送舉例 圖像的順序傳送（I）端采用掃描方式將被傳送圖像上個各像素的l亮度和色度按一定順序、通過光電轉換逐一轉變為相應的電信號，并依次通過一個通道傳送l 接收端按相同順序，將各像素的電信號在顯示器上相應位臵上轉變為不同亮度、色度的光點圖像的順序傳送（II）順序傳送制電視制示意圖圖像傳送舉例電視掃描（I）l 圖像轉換或從左到右，或從上到下按順序進行的過程，稱為掃描l 沿著左右方向移動的掃描稱為水平掃描（又稱為行掃描），沿著上下方向移動的掃描稱為垂直掃描電視掃描（II）l 電視圖像的掃描方式：逐行掃描和隔行掃描 逐行

19、掃描：一幅圖像掃描一遍，按順序掃描；個人計算機顯示終端采用逐行掃描 隔行掃描：一幅圖像掃描兩遍，分別按奇數行和偶數行進行掃描；掃描一遍稱為一場，兩場合為 一幀；幀掃描頻率為25幀/s（PAL制）或30幀/s（NTSC制）；常見的電視廣播和影像設備（例如普通廣播電視機、機、大部分攝像機、DVD、LD）采用隔行掃描電視掃描（III） 舉例說明 光柵：移動軌跡的集合體CRT逐行掃描：以勻速依次一行緊接一行掃過屏幕電視掃描（IV）奇數場掃描起點偶數場掃描起點CRT隔行掃描： 將一幅圖像分 成兩場，第一 場掃描奇數行， 第二場掃描偶 數行舉例說明電視掃描（V）行掃描鋸齒波電流場掃描鋸齒波電流顯示掃描實現

20、：偏轉線圈+鋸齒波電流產生正交磁場舉例說明電視掃描（VI）525/60、625/50掃描標準主要參數對比傳統的廣播電視掃描標準：兩種規格525/60標準、625/50 標準；基于20世紀30年代末技術水平在評估性能/價格比情況下確定的，場頻選擇基于減少電源對顯示器掃描失真干擾來考慮（例如交流聲、雜散磁場）l；參數525/60標準625/50標準每幀行數525625每場行數（隔行掃描）262.5312.5、 每秒幀數29.9725每秒場數Hz59.94（2fH/525）50（ 2fH/625)行掃描頻率Hz15734.2515625行掃描時間ms63.55664行消隱時間ms10.7±

21、0.112±0.3每幀有效行數485575垂直分辨率LPH485´0.7339575´0.74024:3分辨率的水平像素339 ´（4/3）452402 ´（4/3）536數字電視和平板顯示技術的電視掃描格式l 1995年美國制定數字電視標準時，計算機公司反對繼續采用隔行掃描；目前兩種格式共存，以標注“i”表示采用隔行掃描，以標注“p”表示采用逐行掃描，例如： 480i 、 480p、720i、720p、1080il 平板顯示器件采用逐行掃描l 目前的廣播電視系統仍然采用隔行掃描方式，因此實際的電視顯示需要將隔行掃描信號轉換為逐行掃描信號隔行掃

22、描信號轉換為逐行掃描信號實現原理：將奇數場信號轉換為偶數場信號存入一幀信號后在逐行讀出器，l兩種實現方法： 重復方式：在一場時間內按存入次序逐次逐行讀出圖像信號；取出的信號幀頻大小為對應的場頻大小l 利用插值算法生成逐行掃描圖像信號：首先奇數場和偶數場信號，取本場中垂直相鄰的像素A、B和在前一場與該像素在時間上相鄰的像素C，從3個像素的亮度值中找中間值，作為新的行信號目前平板顯示器都需要配臵隔行掃描-逐行掃描轉換器l顯示掃描的發展l 信號提取：現代CCD攝像機和攝像機采用整幅圖像提取信號，不是采用從上至下的掃描方式l 顯示：TFT-LCD、DLP顯示屏大多數采用整幅顯示圖像方法，但是逐點脈沖發

23、光的顯示器（例 如FED、無源OLED、無源LCD），仍然采用掃描顯示方式圖像分辨率概念（I）l 分辨率表示相鄰像素無法被識別的臨界點，其定義為：沿垂直軸和水平軸每距離的單元數，例如每毫米行數；或者，完整顯示的單元數，例如每圖像高度的行數（LPH）l 圖像分辨率分為垂直分辨率和水平分辨率，目前使用的電視系統能夠實現相同的垂直分辨率和水平分辨率，因此分辨率另一習慣性的表達方式是“方形像素”圖像分辨率概念（II）垂直分辨率：定義了系統水平行的能力，它表示為黑l白行交替的數量，取決于每幅圖像的掃描劃分行數，是攝像管或CRT掃描點的大小、形狀的作用結果，它與系統帶寬無關；當掃描行位于圖像細節中心時，垂

24、直分辨率等于每幀的有效掃描行數水平分辨率：定義了系統水平像素的能力，取決于攝l像管或CRT掃描點的大小、信號傳輸系統頻率響應特性的作用結果現行的廣播電視系統，圖像的水平分辨率與垂直分辨率比l率按4:3和16:9規格；例如，4/3系統、525/60掃描標準中，圖像的水平像素為4/3´Nv= 4/3´ 339=452電視的同步（I）l 指的是波形相似端和接收端掃描同頻、同相和l 收、發不同步，圖像不能正確顯示例一：收發掃描相位不同步造成圖像電視的同步（II）l 為了實現收發端間的同步掃描，端設臵同步信號發生器，產生行場同步脈沖信息我國的電視標準： 行同步脈沖頻率為15.625

25、kHz，周期為64mm 場同步脈沖頻率為50 Hz，周期為20 ms同步與掃描的時間關系模擬電視系統：全電視信號（I）由圖像電信號疊加于掃描的同步信息和回掃操作信息等信l號，構成全電視信號（又稱為復合息和同步信息）信號，包括信信息：信號傳遞的內容包括消隱電平、黑色基準電平、l平均亮度電平、圖像細節、顏色值（色度信息），信號是單極性，以一電平（例如0V）表示黑色、另一電平（例如0.7V）表示白色，黑電平與白電平之間的電平表示灰度同步信息：水平掃描同步信息、垂直掃描同步信息、色度器同步信息，其作用是用于觸發接受器中的掃描或解l碼信號產生電路；同步脈沖是單極，參考電平為黑電平，并處于不顯示的電平態模

26、擬電視系統：全電視信號（II）l 單色復合信號電平標準l 典型的傳輸通道中單色復合視頻信號波形隔行掃描模式參數525/60標準625/50標準白電平714.3mV700mV準電平53.3mV0 mV消隱電平0 mV0 mV同步電平-285.7mV-300mV電視圖像信號特點l 按時間順序變換的電信號l 單直脈沖性（存在直流分量，對應背景亮度）l 周期性（受行頻或場頻調制的周期性信號）l 圖像信號最高頻率為5.5 MHz電視信號傳輸（I）黑白電視系統信號與接收顯示示意框圖lGamma校真正 接收端V驅動TH驅動H同步偏轉線圈同步發生器V同步 端H同步V同步同步分離器H掃描發生器V掃描發生器放 大

27、器CR攝像機同步加法器電視信號傳輸l 電視制式制定的電視信號標準及處理 中國的黑白電視體制：掃描行數625，行頻15.625kHz； 幀頻25Hz;采用2:1隔行掃描；全電視信號帶寬為6MHz;圖像信號采用調幅方式處理，音頻信號采用調頻方式處理； 各相鄰波段相差8MHz 彩色電視制式：亮度信號與黑白信號兼容；流行的有三種制式：PAL制，NTSC制；SECAM制l 彩色電視信號傳輸將三基色電信號變為一個亮度信號和兩個色度信號亮度信號占6 MHz帶寬，色度信號占1.3 MHz帶寬色度信號的處理由所采用的制式決定NTSC制式l 稱為正交平衡調幅制（抑制載波的調幅，兩個色差信號的載波相位相差90度AM

28、波和平衡調幅波實現正交平衡調幅調制的框圖色度信號形成過程彩色電視制式的缺陷l 圖像清晰度低，細節分辨力差l 畫面存在各種串擾（亮亮、）l 存在并行、行蠕動、行閃爍等現象l 存在微分相位和微分增益失真，色彩欠柔和l 模擬制式不利于信息傳輸、和交流l 顯示面積不夠大，缺少臨場感和逼真感原因：采用復合信號傳輸；采用窄帶傳送色差信號；采用隔行掃描；選用的行、場頻率低晰度電視（HDTV）分辨率在1000行以上，流行的HTDV標準有1250行、1050行和1125行屏幕寬高比為16:9允許觀眾在三倍圖像高度的距離上圖像顯示面積不小于0.8 m2HTDV實施歷史lllll1984年，以模擬電路技術為基礎，1