1.2 电子显示技术^[1-2]

这里简要介绍几种主流的电子显示技术，即阴极射线管（CRT）显示技术、液晶（LCD）显示技术、发光二极管（LED）显示技术、有机发光二极管（OLED）显示技术、等离子体（PDP）显示技术和激光投影（LDT）显示技术。

1.2.1 发展历史

CRT是德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日-1918年4月20日）发明的。

布劳恩先后在马尔堡大学（1876年）、斯特拉斯堡大学（1880年）和卡尔斯鲁厄大学（1883年）任物理学副教授和教授，1887年又应蒂宾根大学的邀请负责建立物理学研究所，1895年他回到斯特拉斯堡大学任物理研究所主任和教授，主要进行电学研究。布劳恩制造了第一个阴极射线管示波器。现在CRT被广泛应用在电视机和计算机的显示器上，在德语国家，CRT仍被称为“布劳恩管”。CRT在100多年的发展历史中，前50年只是作为示波器使用，之后的50年与黑白电视机、彩色电视机迅速普及的历史合拍，最近的20多年则与计算机发展的历史重叠。CRT是当代信息化、多媒体时代的先锋。

进入20世纪90年代，为了减小球屏四角的失真和反光，诞生了新一代“平面直角”显像管。此后，日本索尼公司开发了柱面显像管，采用条栅荫罩技术，即特丽珑技术；三菱公司随即开发出钻石珑，使屏幕在垂直方向完全笔直。20世纪末，LG公司推出的“未来窗”显示器，屏幕在水平和垂直方向都是笔直的，纯平CRT出现了。2008年后，“方管”“数字芯”“真彩基因”等新技术不断提升了CRT的显示质量。三星公司研发的“纤丽管”为CRT行业注入了新的活力。液晶显示技术的出现，在平板显示方面，成为CRT的有力挑战者。

液晶起源于1888年，是奥地利植物学家莱尼兹发现的一种特殊的混合物质，此物质在常态下处于固态和液态之间。不仅如此，它还兼具固态物质和液态物质的双重特性，因此称之为Liquid Crystal（液态晶体）。液晶的组成物质是一种有机化合物，是以碳为中心所构成的化合物。1963年，美国RCA公司的威廉发现液晶受到电场的影响会产生偏转的现象，同时发现光线射入液晶会产生折射现象。1968年，也就是威廉发现光会因液晶产生折射后的第5年，RCA的Heil振荡器开发部门发表了全球首台利用液晶特性来显示画面的屏幕。在莱尼兹发现液晶物质整整80年后，“液晶”和“显示器”两个名词终于结合起来，从而开创了一个新的行业——“液晶显示器（LCD）”。到1973年，英国大学教授葛雷先生发现了可以利用联苯来制作液晶显示器，使液晶显示器的产品正式量产出货，此产品为日本SHARP（夏普）公司的EL-8025电子计算机提供屏幕。从此以后，液晶的应用领域不断丰富。

20世纪80年代，STN-LCD（超扭曲向列）液晶显示器出现。同时，TFT-LCD（薄膜晶体管）液晶显示器技术取得突破。20世纪90年代初，日本实现了STN-LCD和TFT-LCD生产技术，LCD工业开始起飞。其中，日本SHARP公司居功至伟，被称为“液晶之父”。2000年后，液晶显示技术逐渐成熟，对CRT形成竞争。但一直到2005年，LCD才开始慢慢取代CRT成为显示的主流产品。

与此同时，基于半导体技术的发光二极管显示也在迅速发展之中。

发光二极管（LED）是美国工程师尼克·何伦亚克发明的。他在1962年发明了第一种可见光LED，从而掀起了人类自爱迪生发明电灯泡以来照明史的第二次革命。因此他被称为“LED之父”。LED真正的起飞得益于20世纪90年代日本日亚（Nichia Chemical Industries Ltd）的中村修二（Shuji Nakamura），他在氮化镓（GaN）研究方面取得重大突破，获得了蓝光LED，进而开启了LED应用的时代。2014年度诺贝尔物理学奖授予日本名古屋大学的赤崎勇、天野浩以及美国加州大学圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他们在蓝色发光二极管方面的贡献。LED显示屏是20世纪80年代后期迅速发展起来的新型信息显示技术，在大屏幕显示等方面异军突起，2008年北京奥运会开幕式的梦幻表演即得益于五颜六色的LED。

最早的OLED技术研发开始于20世纪50年代的法国南茜大学，法国化学家安德烈·贝纳诺斯被誉为“OLED之父”。最早的实用性OLED于1987被柯达公司的邓青云和史蒂夫·范·斯莱克两人发现。

在实用性有机发光二极管的技术研究中，一名研究员是邓青云博士，他出生于中国香港，于英属哥伦比亚大学得到化学理学士学位，1975年在康奈尔大学获得物理化学博士学位；另一名研究员则是来自罗彻斯特理工学院的美国人史蒂夫·范·斯莱克。邓青云自1975年加入柯达公司Rochester实验室从事有机发光二极管的研究工作。1979年的一天晚上，他在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室，回到实验室后，他发现在黑暗中的一块做实验用的有机蓄电池在闪闪发光，从而开始了对有机发光二极管的研究。1987年，邓青云和同事史蒂夫·范·斯莱克成功地使用类似半导体PN结的双层有机结构第一次做出了低电压、高效率的光发射器，为柯达公司生产有机发光二极管显示器奠定了基础。OLED英文名为Organic Light-Emitting Diode，中文名有机发光二极管便是邓青云命名的。OLED最大的优势是无须背光源，可以自发光，因此可做得很薄，具有可视角度更大、色彩更丰富、节能显著、可柔性弯曲等特点。在2013年的柏林国际电子消费品展览会（IFA）上，曲面OLED电视机出现并引起注意。

此外，等离子显示和激光投影显示也深受关注。

等离子体起源于1675年Jean Picard发现的气体放电现象。19世纪30年代，英国的M.法拉第以及其后的J.J.汤姆逊、J.S.E.汤森德等人相继研究气体放电现象，这实际上是等离子体实验研究的起步时期。1879年，英国的W.克鲁克斯采用“物质第四态”这个名词来描述气体放电管中的电离气体。1927年，Bell System公司制成了第一块气体放电演示板，成为等离子体显示的雏形。1964年，美国伊利诺伊大学两位教授DonaldL.Bitzer及H.GeneSlottow制成交流型PDP，成为等离子体显示屏发明者。20世纪70年代初，美国实现了10英寸（分辨率为512×512）单色AC-PDP量产。1993年，日本富士通公司首次进行21英寸（分辨率为640×480）彩色AC-PDP的批量生产。1994年，日本三菱公司开始20英寸（分辨率为852×480）彩色AC-PDP的量产，使真正的16: 9宽屏幕壁挂电视机进入实用化。

显示器一般由两块玻璃基板、导电电极、介质层等构成，玻璃基板内充以氖、氩等混合气体。当电极两端电压高于着火电压时，气体被电离并发光，低于熄灭电压时熄灭。等离子体显示具有亮度大、对比度高、寿命长、视角大、功耗低等优点，可用于计算机终端显示以及各种图形、符号、数字的显示，还可用于壁挂式彩色电视机和大屏幕显示等。

激光显示的发展从20世纪60年代激光器出现开始就进入了概念阶段，由于受激光器发展水平的限制，激光显示进展缓慢。早期曾以氦-氖激光器输出的632.8nm或氪离子激光器输出的647.1nm为红光光源，以氩离子激光器输出的514.5nm和488nm为绿光、蓝光光源作为三基色开展相关的显示技术的研究。气体激光器由于体积庞大，电光转换效率低，使得早期以气体激光器作为三基色光源的激光显示系统研究仅停留在实验室工作模式，无法接近实用化；到了90年代，全固态激光器发展推动激光显示技术进入研发阶段；而在2010年以前，随着专业级的高端显示产品的研究进一步推动了激光显示进入产业示范阶段，开始孕育成熟的技术产业链。2005年，在日本爱知世博会上，索尼公司研制成功6m²的投影显示系统，并在拼接技术基础上集成出一套500m²的激光影院。2006年2月，三菱电气公司将美国Novalux公司研制的大功率红绿蓝三基色激光器应用于数字光学引擎（DLP）背投电视机，宣布研制成功激光背投电视机，能够表现大色域颜色，支持大色域标准，色域覆盖率为135%NTSC，对比度为4000: 1，其图像质量可超过电影画质。2007年，在美国拉斯维加斯国际电子消费品展览会上，日本索尼公司和美国Novalux公司各自推出了基于投影式激光显示技术的多台激光显示试验样机，其中包括55英寸激光背投电视机和小型、袖珍式前投影机以及激光数码影院等。

我国激光显示技术在国家高技术研究发展计划、中国科学院知识创新工程的持续支持下取得了重大成果。中国工程院院士许祖彦研究员于2002年在国内率先实现红绿蓝三基色激光瓦级输出，并合成白光用于激光显示首次实验；2005年11月，长春新产业光电在上海国际工业博览会上展出了独立研发的84英寸激光显示器。2006年，中国科学院光电研究院开展激光显示工程机的研制，成功迈出工程化的一步，同年专注于激光显示产业化的北京中视中科公司成立，实现“技术、产业、经济”相结合。

以下介绍各种电子显示技术的基本原理。

1.2.2 阴极射线管显示技术^[3]

阴极射线管（Cathode Ray Tube, CRT）曾长期统治显示技术领域，直至新的显示技术蓬勃发展的今天，依然占据重要的地位。

CRT显示器是一种使用阴极射线管的显示器，分为黑白CRT显示器和彩色CRT显示器两大类。它们的核心部件是CRT显像管，其主要由5部分组成，即电子枪、偏转线圈、荫罩、荧光粉层和玻璃壳。电子枪是显像管的关键部件。

CRT显像管使用电子枪发射高速电子，经过垂直和水平的偏转线圈调节高速电子的偏转方向，高速电子轰击屏幕上的磷光物质而发光。通过电压调节电子枪发射电子束的功率，可以在屏幕上形成明暗不同的光点，从而形成各种图案和文字。

图1.5为黑白CRT显示器工作原理图。黑白CRT只有单一的电子枪，仅能产生黑、白两种颜色。它的主要用途是作为黑白电视机和工业控制及科学研究中的监视器。黑白CRT由圆锥形玻壳、显示荧光屏、电子枪系统和磁轭器件4部分组成。

图1.5中，灯丝、阴极、控制极构成发射系统；聚焦极、加速极构成聚焦系统。工作时，电子枪中阴极被灯丝加热至2000K时，阴极大量发射电子。电子束首先由加在控制极的视频电信号调制，然后经加速和聚焦后，高速轰击荧光屏上的荧光粉层，荧光粉层发出可见光。电子束的电流是受显示信号控制的，信号电压越高，电子枪发射的电子束流越大，荧光粉层发光亮度越高。通过偏转线圈控制电子束，在荧光屏上扫描，从而将图像或文字完整地显示在荧光屏上。

彩色CRT比黑白CRT复杂。彩色CRT荧光屏上涂满了按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光粉点或荧光粉条，称为荧光粉单元，相邻的红、绿、蓝荧光粉单元为一组，称为像素。每个像素中都拥有红、绿、蓝（R、G、B）三基色。

彩色CRT电子枪发射的电子束不是一束，而是三束，分别受显卡R、G、B三个基色视频信号电压的控制，去轰击各自的荧光粉单元。受到高速电子束的激发，这些荧光粉单元分别发出强弱不同的红、绿、蓝三种光（见图1.6）。根据空间混色法（将三个基色光同时照射同一表面相邻很近的三个点上进行混色的方法）产生丰富的色彩。这种方法利用人们眼睛在超过一定距离后分辨力不高的特性，产生与直接混色法相同的效果。用这种方法可以产生不同色彩的像素，大量的不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面，而不断变换的画面就成为可动的图像。

通常实现扫描的方式很多，如直线扫描、圆形扫描、螺旋扫描等。其中，直线扫描又可分为逐行扫描和隔行扫描两种。逐行扫描是电子束在屏幕上一行接一行从左到右的扫描方式，是比较先进的一种方式（见图1.7）。而隔行扫描中，一张图像的扫描不是在一个场周期中完成的，而是由两个场周期完成的。无论逐行扫描还是隔行扫描，为了完成对整个屏幕的扫描，扫描线并不是完全水平的，而是稍微倾斜的。为此电子束既要做水平方向的运动，又要做垂直方向的运动。前者形成一行的扫描，称为行扫描；后者形成一幅画面的扫描，称为场扫描。

然而在扫描的过程中，要保证三个电子束准确击中每一个像素，就要借助荫罩（Shadowmask）。它的位置大概在荧光屏后面（从荧光屏正面看）约10mm处，厚度约为0.15mm的薄金属障板，它上面有很多小孔或细槽，它们和同一组的荧光粉单元即像素相对应。三个电子束经过小孔或细槽后只能击中同一像素中的对应荧光粉单元，因此能够保证彩色的纯正和正确的会聚。

偏转线圈（Deflection Coil）可以协助完成非常高速的扫描动作，它可以使显像管内的电子束以一定的顺序，周期性地轰击每个像素，使每个像素都发光，而且只要这个周期足够短，也就是说对某个像素而言电子束的轰击频率足够高，就会呈现一幅完整的图像。

至于画面的连续感，则是由场扫描的速度来决定的，场扫描越快，单位时间形成的单一图像越多，画面就越流畅。而每秒可以进行多少次场扫描是衡量画面质量的标准之一，通常用帧频或场频（单位为Hz）表示，帧频越大，图像越有连续感。24Hz场频可实现图像活动内容的连续感觉，48Hz场频可达到图像显示没有闪烁的感觉。

1.2.3 液晶显示技术^[4-6]

液晶是在一定温度范围内，外观呈现出既有液体的流动性，又有光学双折射的晶体。在电场、磁场、温度、应力等外部条件的影响下，其分子容易发生再排列，使液晶的各种光学性质随之发生变化。正是利用液晶的这一物理性质，即液晶的“电-光效应”，实现光被电信号调制，从而制成液晶显示器件。在电场作用下，液晶分子会做规则旋转排列，产生透光度的差别，如此在电源开关下产生明暗的区别。依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。

液晶在通电时导通，排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。液晶面板包含了两片相当精致的玻璃基板，简称基板，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会一排排站立或扭转呈不规则状，因而使光束顺利通过或阻隔光束。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。

单色液晶显示器的原理如图1.8所示^[6]。

从液晶显示器（LCD）的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面台式机，采用的LCD都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块基板构成，厚度规格有0.7mm、0.63mm、0.5mm等（也可以通过物理或者化学减薄的方式做到更薄），其间由包含有液晶（LC）材料的3～5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以需要给显示屏配置额外的光源。在液晶显示屏背面有一块导光板（或称匀光板）和反光膜。导光板的主要作用是将线光源或者点光源转化为垂直于显示平面的面光源。背光源发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。把液晶灌入两个列有细槽的基板之间，这两个基板上的槽互相垂直（相交成90°）。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90°扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90°。当液晶上加一个电压时，液晶分子便会转动，改变光透过率，从而实现多灰阶显示。

LCD依赖偏振片和光线本身，自然光线是随机散射的，通过偏振片后与偏振轴平行的光线能够通过。LCD有两个相互垂直的偏振片，所以在正常情况下会阻断所有光线，显示看起来呈暗状态。但由于偏振片之间具有扭曲液晶，光线通过第一个偏振片后，会被液晶扭转90°，可以从第二个偏振片通过，而呈亮状态。若在液晶两端电极加电压，则液晶分子重新排列，使光线不再扭转，所以不能通过第二个偏振片，此时呈暗态。由此，通过加电压或不加电压，可以控制光线通或断，因而显示亮或暗。加不同大小电压，控制液晶分子排列角度渐变，可以实现光线通过的强度调节，呈现灰阶显示。

在基板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压从而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射后，经过第二层在屏幕上显示出来。

彩色LCD显示器的工作原理如图1.9所示。

对于彩色显示器而言，还要具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成的，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。同样，根据空间混色法产生丰富的色彩。大量的不同色彩的像素可以组成一张漂亮的画面，而不断变换的画面就成为可动的图像。

实现LCD扫描显示依赖TFT驱动^[7]。所谓TFT是指液晶面板基板上的晶体管阵列，让LCD每个像素都设有一个自身的半导体开关。每个像素都可以通过点脉冲控制两片基板之间的液晶，即通过有源开关来实现对各个像素“点对点”的独立精确控制。因此，像素的每一个节点都是相对独立的，并且可以进行连续控制，如图1.10所示。

TFT阵列一般与透明像素电极、存储电容、栅线、信号线等共同沉积在显示屏的后基板（距离显示屏较远的基板）上。这样一种晶体管阵列的配制，有助于提高液晶显示屏的响应速度，而且还可以控制显示灰度，从而保证LCD的影像色彩更为逼真、画面品质更为赏心悦目。

LCD驱动控制原理如图1.11所示。

由图可知，处理器从存储器中调集需要显示的内容，包含显示信息、显示地址和显示时间，将显示信号与显示地址分别发送给字符发生器与显示地址控制。显示地址控制实施驱动，分别进行X和Y扫描，即实现了信息的动态显示。

CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精确聚集，否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在40～60Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。

几乎所有应用于笔记本电脑或台式电脑的LCD都使用薄膜晶体管（TFT）激活液晶层中的单元格。LCD TFT技术能够显示更加清晰的图像。

1.2.4 发光二极管显示技术^[4]

发光二极管（Light Emitting Diode, LED）发明于1962年，是一种特殊的半导体二极管。LED加上正向电压后，从P区注入N区的空穴和由N区注入P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。早期的LED亮度较低，大多作为指示灯来使用，近年出现了大功率、高亮度的LED，在显示和照明领域得到越来越多的应用。LED显示屏和LED结构示意图如图1.12所示。

LED是由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）、氮（N）、铟（In）的化合物制成的二极管，由于电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而LED具有发光特性。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，铟镓氮二极管发蓝光。

把红色和绿色的LED晶片或灯管放在一起作为一个像素制作的显示屏称为双基色屏，把红、绿、蓝三种LED晶片或灯管放在一起作为一个像素的显示屏叫三基色屏或全彩屏。如果只有一种颜色，就叫作单色屏或单基色屏。

无论用LED制作单色、双色或三色屏，欲显示图像，构成像素的每个LED的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。灰度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。一般256级灰度的图像，颜色过渡已十分柔和，而16级灰度的彩色图像，颜色过渡界线十分明显。所以，彩色LED屏当前都要求做成256级灰度以上。

图1.13中，如同CRT和LCD一样，由三基色LED制作成全彩色LED显示屏，通过亮灭彩色LED更换屏幕显示内容（如文字、动画、图片、视频等），通过模块化结构进行组件显示控制。LED显示屏主要由显示模块、控制系统及电源系统等组成。显示模块是LED灯点阵构成的发光屏幕；控制系统用于调控区域内的亮灭情况，实现对屏幕显示内容的转换；电源系统用于对输入电压、电流进行转化使其满足显示屏幕的需要。显示的内容可来源于视频信号，如摄像机、投影机、DVD机等。这些信号通过视频卡读入控制计算机，而音频信号可通过音频处理发送给音箱播放。视频信号通过视频处理器转换成行、列扫描驱动信号形成动态显示。信号源也可以来源于扫描仪或图片等，经过编辑计算机形成类似视频信号，发送给控制计算机驱动显示。

LED显示屏集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体，具有色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作稳定可靠等优点，广泛应用于商业传媒、文化演出市场、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的需要。

LED显示屏可实现对多种信息呈现模式的不同形式间的转化，并在室内、室外均可使用，有其他显示屏不可比拟的优势，凭借亮度高、功耗小、电压需求低、设备小巧便捷、使用年限长、耐冲击稳定、抗外界干扰强的特点，广泛应用于各个领域。

1.2.5 有机发光二极管显示技术

有机发光二极管（OLED）显示屏是指利用有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的原理制成的显示屏，其本质是电致发光。所谓电致发光，是在半导体、荧光粉为主体的材料上加电而发光的现象。有机发光二极管是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件，通过正、负载流子注入有机半导体薄膜后复合产生光。ITO（氧化铟锡）透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，激子经过辐射弛豫而发出可见光。

辐射光可从ITO一侧观察到，金属电极膜同时也起了反射层的作用。根据这种发光原理而制成的显示器被称为有机发光二极管显示器，也叫OLED显示器。

在阴极金属与阳极ITO之间，目前广为应用的OLED结构一般分为5层，从靠近ITO侧依序为空穴注入层、空穴传输层、发光层、电子传输层、电子注入层，如图1.14所示。

电子传输层为N型有机材料，其特性为具有较高电子迁移率。当电子由电子传输层至空穴传输层界面时，由于电子传输层的最低未占轨道较空穴传输层的最低未占轨道高出很多，因此电子不易跨越这一能障进入空穴传输层，遂被阻挡于该界面。此时空穴由空穴传输层传至界面附近与电子再结合而产生激子（Exciton），而激子会以放光的形式释放能量。

当两电极间有电流时，有机发光材料会根据配方的不同发出红、绿、蓝三色光，其亮度取决于驱动电流。根据三色光的亮度不同可组合得到各种色彩。

简单结构的OLED可用两层发光层、传输层实现。N型有机材料的电子传输层也同时被当作发光层，其发光波长由最高已占轨道及最低未占轨道能量差决定。然而，好的电子传输层（电子迁移率高的材料）并不一定为发光效率高的材料，因此目前一般的做法，是将高荧光度的有机色料，掺杂（Doped）于电子传输层中靠近空穴传输层的部分（又称为发光层），其体积比为1%～3%。掺杂技术是增强原材料的荧光量子吸收率的关键技术，一般所选择的材料为荧光量子吸收率高的染料。

阴极的金属材料，传统上使用低功函数的金属材料（或合金），如镁合金，以利电子由阴极注入电子传输层。此外，一种普遍的做法是导入一层电子注入层，这是一层极薄的低功函数金属卤化物或氧化物，如LiF或Li₂O，能大幅降低阴极与电子传输层的能障，降低驱动电压。

由于空穴传输层材料的最高已占轨道值与ITO仍有差距，此外ITO阳极在长时间工作后，有可能释放出氧气，并破坏有机层产生暗点，故在ITO及空穴传输层之间插入空穴注入层，其最高已占轨道值恰介于ITO及空穴传输层之间，有利于空穴注入OLED，且其薄膜的特性可阻隔ITO中的氧气进入OLED，以延长寿命。

实现显示需要驱动，如图1.15所示，驱动控制由CPU或MCU控制中心协调指挥。控制中心调取存储器（ROM或RAM）需要显示的信息和方式，分解成行、列控制信号和驱动信号，分别通过行、列控制电路和驱动电路进行选址、选色、灰度的扫描发光，从而实现动态显示。

进一步来看，OLED有两种驱动方式，即有源驱动和无源驱动。

有源驱动OLED（AMOLED）方式下，每个发光单元都有一个对应的有开关功能的多晶硅薄膜晶体管，各单元的驱动电路和显示阵列都集成在基板上。OLED驱动电路如图1.16所示。每一个发光单元布置了2个晶体管及1个电容（2T1C），这是AMOLED最基本的像素驱动电路方式。考虑到亮度均匀性等性能补偿，也可以设计更多的晶体管和电容。有源驱动的每个像素配备具有开关功能的薄膜晶体管，而且每个像素配备一个电荷存储电容，外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一块基板上。有源矩阵的驱动电路隐藏于显示屏内，易于实现集成和小型化。另外，由于解决了外围驱动电路与显示屏的连接问题，因此在一定程度上提高了成品率和可靠性。有源驱动突出的特点是恒流驱动，而且每一个发光像素对应其矩阵寻址用薄膜晶体管，驱动发光包含薄膜晶体管、电荷存储电容等。

有源驱动属于静态驱动方式，各驱动单元自带电荷存储电容，不受扫描电极数的限制，可以对各发光单元进行独立灰度调节，易于实现高亮度、高分辨率和高彩色还原。OLED显示器件具有二极管特性，因此原则上为单向直流驱动。但是，由于有机发光薄膜的厚度在纳米量级，发光面积尺寸一般大于100μm，器件具有很明显的电容特性，因此为了提高显示器件的刷新频率，对不发光的像素对应的电容进行快速放电。目前，很多驱动电路采用正向恒流反向恒压的驱动模式。

无源驱动OLED（PMOLED）由阴极和阳极基板构成，阳极和阴极的交叉部分可以发光。驱动用IC电路实现。IC电路与电极由芯片带载封装（TCP）或直接芯片绑贴（COG）等连接方式进行外装。显示基板上的显示区域仅仅是发光像素（电极，各功能层），所有的驱动和控制功能由置于基板外或者基板上非显示区域的IC完成。PMOLED面板驱动示意图如图1.17。无源驱动分为静态驱动电路和动态驱动电路。

PMOLED各发光单元的相同电极（如阴极）是连在一起引出的，各单元的另一电极（如阳极）是分立引出的；分立电极上施加的电压决定对应像素是否发光。在一幅图像的显示周期中，像素发光与否的状态是不变的。若要一个像素发光，只要让恒流源的电压与阴极的电压差大于像素发光的电压值；若要一个像素不发光，就将它的阳极加一个负压，就可将它反向截止，这称为静态驱动。静态驱动电路一般用于段式显示屏的驱动上。但是在图像变化频繁时可能出现交叉效应，为了避免这一现象，可采用交流驱动的形式，也称为动态驱动。

动态驱动显示屏上像素的两个电极做成了矩阵型结构，即横向一组显示单元的同一性质的电极是公用的，纵向一组显示单元的同一性质的另一电极是公用的。如果像素分为N行和M列，就有N个行电极和M个列电极，分别把它们称为行电极和列电极。为了点亮整屏单元，将采取逐行点亮或者逐列点亮、点亮整屏像素时间小于人眼视觉暂留极限20ms。该方法对应的驱动方式称为动态驱动法。在实际电路驱动的过程中，逐行点亮或者逐列点亮发光单元，通常采用逐行扫描的方式，行扫描，列电极为数据电极。实现方式是，循环地给每行电极施加脉冲，同时所有列电极给出该行像素的驱动电流脉冲，从而实现一行所有发光单元的显示。该行不在同一行或同一列的像素就加上反向电压使其不显示，以避免“交叉效应”。这种扫描是逐行进行的，扫描所有行所需时间称为帧周期。

在一帧中，每一行的选择时间是均等的。假设一帧的扫描行数为N，扫描一帧的时间为1，那么扫描一行的时间为扫描一帧时间的1/N，该值被称为占空比系数。在同等电流下，扫描行数增多将使占空比下降，从而引起有机发光单元的电流注入一帧的时间缩短，影响显示质量。因此随着显示像素的增多，为了保证显示质量，就需要适度地提高驱动电流或采用双屏电极结构以提高占空比。

除由于电极的公用形成交叉效应外，OLED显示屏中像素发光的机理是正、负电荷载流子复合形成发光，只要组成它们结构的任何一种功能薄膜是直接连接在一起的，那么两个发光像素之间就可能有相互串扰的现象，即一个像素发光，另一个像素也可能发出微弱的光。这种现象主要是因为有机功能薄膜厚度均匀性差、薄膜的横向绝缘性差造成的。从驱动的角度，为了减缓这种不利的串扰，采取反向截止法是一种行之有效的方法。

1.2.6 等离子体显示技术

等离子体（PDP）被认为是一种新的物质形态，即是继物质固态、液态、气态后发现的第四态。对于气态物质，温度升至几千度时，由于物质热运动加剧，相互间的碰撞使气体分子电离，即原子的外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去外层电子的原子变成离子；当离子的比例超过一定程度时，电离气体凸现电磁性质；当电离度达到一定程度时，出现放电现象，此时气体表现出导电性。气体电离后，整体仍表现出电中性，这是因为电离气体中正、负电荷的数量是相等的，这些电离产生的正、负电荷统称等离子体，如图1.18所示。

等离子体显示器的工作原理与一般日光灯原理相似，由大量的等离子管作为发光体（像素）组成显示屏。每个发光管有两个玻璃电极，内部充满氦、氖等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有三基色荧光粉。当两个电极间加上高电压时，引发惰性气体放电，产生等离子体。等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同分量的由三基色混合的可见光。每个等离子体发光管就是等离子体显示器的像素，我们看到的画面就是由这些等离子体发光管形成的“光点”汇集而成的。

图1.19为交流型等离子体显示器结构示意图。两块基板上各敷有多条平行细电极、介质层，以及抗离子溅射且次级电子发射系数高的保护层。两基板空间相距约150μm，封接后充入氖、氩或氖、氙混合气体。两块基板上的电极互相正交，形成类似棋盘的“矩阵”，每一对正交电极的交点都是可控制亮、熄的像素，适当排列发光像素就能在X、Y平面上显示各种文字以至图像信息。工作时，全部X、Y电极间加维持电压，其幅值不足以引燃但可维持着火。要点燃某单元时，就在其X、Y电极间电压上叠加一个书写脉冲（大于着火电压值），使这个单元着火。放电产生的电子、正离子积累到电极的介质保护层面上，所形成的壁电压与电极外加电压反向，于是这一单元净电压下降，最后使放电不能维持，光输出遂呈现脉冲形状。当电极电压倒向时，与壁电压同向叠加，不必再加书写脉冲就可再次放电，如此反复。如加擦除脉冲使单元弱放电而消去壁电压，这一单元就熄火。这种仅加单次书写、擦除脉冲就可发光、熄灭而后自行维持的特性，称为记忆或存储性能。它是这种器件的重要优点。

图1.20是等离子体显示电路框图。等离子体显示器主要由接口电路、存储控制电路、驱动电路、DC/DC转换电路和显示屏等组成。

接口电路将各种信号源，如VGA信号、NTSC信号、PAL信号或者计算机、显卡视频信号转换成数字信号，同时为后级提供行、场同步等控制信号。DC/DC转换电路进行直流/直流变换，提供PDP电路中的各种直流电压。存储控制电路作为接口电路与驱动电路的衔接，将从接口电路接收到的数据整理成符合PDP显示要求的数据流传送给数据电极，并产生控制三电极放电的控制信号，这是整个电路的控制中心。驱动电路接收来自存储控制电路的信号，为PDP显示屏提供所需的高电压驱动信号，完成寻址与维持放电，使屏能够正常发光而显示图像。

等离子体显示板的优点是亮度高、对比度高、寿命长、视角大、功耗低，交流型有存储性能，可随机书写和擦除；直流型有较好的彩色和灰度性能。采用自扫描可显著简化驱动电路。等离子体显示板主要用于计算机终端显示和各种数字、字符、汉字、图形显示，也可用于壁挂彩色电视机与大屏幕显示。

由于PDP各个发光单元的结构完全相同，因此不会出现显像管常见的图像畸变。PDP屏幕的亮度十分均匀，且不会受磁场的影响，具有更好的环境适应能力。另外，PDP屏幕不存在聚焦的问题，不会产生显像管的色彩漂移现象，表面平直使大屏幕边角处的失真和色纯度变化得到彻底改善。PDP显示有亮度高、色彩还原性好、灰度丰富、对迅速变化的画面响应速度快等优点，可以在明亮的环境下欣赏大画面电视节目。另外，PDP显示屏的视角高达160°，观赏角度远大于液晶显示器。不过，PDP最吸引人的地方还是它的轻薄外形。和普通的CRT显示器相比，在相同的屏幕尺寸下，PDP的厚度仅为CRT显示器的1/6，重量为其1/10，因此非常节省空间，可安装在任何需要的地方，甚至可以将它挂在墙上。

1.2.7 激光投影显示技术

激光投影显示技术也称激光投影技术或者激光显示技术，是以红、绿、蓝（RGB）三基色激光为光源的显示技术。它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，可以最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。从色度学角度来看，激光显示的色域覆盖率可以达到人眼所能识别色彩空间的90%以上，是传统显示色域覆盖率的两倍以上，彻底突破以往显示技术色域空间的不足，实现人类有史以来最完美色彩还原，使人们通过显示终端看到最真实、最绚丽的世界。

图1.21是激光显示色域与CRT电视色域的比较。

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，主要特点有：①激光光谱为线谱，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；②激光可供选择的谱线很丰富，可构成大色度三角形，显示丰富的色彩；③激光方向性好，易实现高分辨率的显示；④激光强度高，可实现高亮度、大屏幕显示。

激光投影使用具有较高功率（瓦级）的红、绿、蓝（三基色）单色激光器为光源，混合成全彩色，利用多种方法实现行和场的扫描，当扫描速度高于所成像的临界闪烁频率时，就可以满足人眼“视觉残留”的要求，人眼就可清晰观察。临界闪烁频率应不低于50Hz。人眼所能看到的色域中，液晶只能再现27%，等离子为32%，而激光的理论值超过90%。

激光投影显示工作原理如图1.22所示。激光投影显示由四部分组成，即激光光源、激光调整、扫描和控制。

激光光源是基础。最早激光投影显示技术是采用气体激光器作为光源的，如He-Ne、氩离子、氪气和铜蒸气激光器等，分别辐射红、蓝、绿色激光，实现全彩色激光投影。气体激光器电光效率很低，工作可靠性相对较差。

使用激光二极管泵浦的全固态激光器和倍频技术也可获得红、绿、蓝光辐射，连续输出功率可达数瓦、数十瓦，甚至数百瓦。这些全固态激光器具有很高的电光效率和稳定性，结构紧凑，数瓦的功率就可用于激光投影。

激光调整主要进行光束调整，包括扩束、匀场和消相干。由于激光是点光源，扩束形成圆斑；匀场的目的是使光斑发光强度均匀；消相干是防止发生干涉，出现条纹现象。

扫描器件是激光投影实现画面展示的执行元件。扫描器件常用的有多面体转镜扫描和振镜扫描。

多面体转镜扫描：多面体基体使用轻金属材料制造，以减小转动惯量，再将平面反射镜固定在多面体上，调整各反射镜在y轴方向的角度使各行扫描以等距离分开，即可实现场扫描。多面体转镜扫描具有较大的局限性，面数越少、扫描行数越少，分辨率越低；面数越多，调整越困难。

振镜扫描：使用高性能检流计驱动平面反射镜高速偏转并精确定位，由于偏转频率极高，已与振动频率相同，故称振镜。使用两个振镜就可以实现二维扫描。

控制部分用于产生行、场扫描电信号，驱动扫描部分有序扫描，形成连续画面。

同传统的显示光源相比，激光具有很好的单色性、方向性，使用激光三基色作为显示光源所表示的颜色，包含了人眼所能分辨颜色的90%。其色度三角形的面积是传统显示的近三倍。用激光显示色彩丰富、饱和度高、对比度强，与各种视频信号都有良好的匹配性。