1.1　主动发光显示原理

发光学是主动发光显示的基础。显示技术的三个主要光学指标（亮度、对比度和色度域）都取决于显示屏上单个发光像素的发光特征。在众多发光方式中，只有那些能够获得高亮度、高对比度、高色度域，以及能够在驱动调节下获得高灰阶数和高像素数的发光方式才具有用于显示的价值。

1.1.1　发光的基本原理

无机物质或有机物质发射亮光是自然物质的基本属性之一。不是所有能够发射可见光的现象都叫发光。发光是除热辐射和光反射或散射以外的光发射，包括可见光、红外辐射和紫外辐射。

1．光的基本特性

光具有波粒二相性。光波是某一特殊频段的电磁波，其中能够引起人眼视觉反应这部分的电磁波被称为可见光。可见光波长范围只占整个电磁波波谱的极小一部分。可见光谱因人而异，没有精确的范围。一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400～760nm，也有一些人能够感知到波长在380～780nm的电磁波。主动发光显示涉及的发光特指可见光。

波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同。770～622nm的光感觉为红色，622～597nm的光感觉为橙色，597～577nm的光感觉为黄色，577～492nm的光感觉为绿色，492～455nm的光感觉为蓝靛色，455～390nm的光感觉为紫色。单一波长和波谱宽度小于5nm的光称为单色光，含有两种或两种以上波长成分的光称为复合光。主动发光显示的彩色显示技术就是利用相邻三个主动发光像素发出的三种独立的单色光进行混色后形成各种颜色。

在研究光电效应及固体发光时，一般需要用光子的粒子性来分析，把光看成一种处于特定频段的光子流。光具有动态质量，根据爱因斯坦质能方程可计算出其质量。光是能量的一种传播方式，发出是因为光源中电子获得额外能量。如果能量不足以使其跃迁到更外层的轨道，电子就会进行加速运动，并以声子的形式释放能量。如果跃迁之后刚好填补了所在轨道的空位，从激发态到达稳定态，电子就停止跃迁。否则电子会再次跃迁回之前的轨道，并且以波的形式释放能量。人眼最敏感的绿光波长为555nm，它具有的能量是：

式中，h为普朗克常数（h=6.63×10−34J·s），为频率（s−1），c为光速（3×108m/s），为波长（m）。

不同颜色的光具有不同的光子能量，光子能量可以用电子伏特（eV）作为单位。1eV表示使一个电子具有1V势能所需要的能量。一个电子的电荷量是1.6×10−19C，因此一个电子伏特的能量为1.6×10−19J，波长555nm的绿色光子的能量是2.24eV。主动发光显示是在外加电压或电流驱动下，通过减少发光体在单位时间内处于激发态的发光中心数，以增加发光强度，实现所需的显示亮度。

2．发光机理

1652年，泽基发现发光颜色与激发光（入射光）的颜色无关，第一次清楚地把发光现象和散射现象区别开。1852年，G.G.斯托克斯指出了入射光和发射光在可折射性（颜色）上是不同的，并宣布了光致发光的发射光可折射性减小（波长更长）的著名定律（斯托克斯定律），即发光是一种波长更长的再发射。1867年，E.Becquere研究了单分子和双分子衰减，区分出两种类型的余辉。1886年，维尔纳叶指出CaS产生发光必须掺入杂质。1888年，魏德曼提出“发光”这一概念。1890年，勒纳第一次把掺入发光材料中的杂质称为激活剂。这时的发光研究，只注意到了发光同热辐射之间的区别。

20世纪二三十年代，德国的波尔与美国的赛兹提出了位型坐标模型，为固体发光的发展奠定了理论基础。1936年，瓦维诺夫引入了“发光期间”这一概念（余辉），并以此作为发光现象的另一个主要判据。至此发光才有了确切的定义，发光作为一门科学才真正确立起来。

自然界中引起视觉的光发射现象主要有三类：①像太阳、白炽灯、烧红的金属块一样通过物体的热而发出光，即热辐射；②从被光照射的物体上产生的光的反射或散射；③物体受到光的照射、外加电场或电子束轰击等的激发后，在电子回到其原始平衡状态（基态）的过程中，一部分多余的能量以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来。瓦维诺夫认为，发光是超出温度辐射的光中余辉明显长于光波周期的部分。所以，发光学中的发光定义就是：被激发了的复杂粒子或由这些粒子组成的物质的本征非平衡辐射。用“非平衡辐射”区别于属于平衡辐射的热辐射，用“本征”性区别于光的反射或散射。所以，第三类光发射现象才叫发光现象。发光的本质是电子的能级跃迁。从能量为E2的激发态跃迁到能量为E1的基态，辐射光子的能量为：

电子被激发后，从非平衡状态的激发态返回平衡状态的基态，是一个去激发过程，包含能量传递、无辐射跃迁和辐射跃迁三种途径。能量传递是激发能从一个发光中心传给另一个发光中心，即去激发后再一次被激发到激发态。无辐射跃迁是激发态电子将多余能量的一部分或全部交给晶格，变成晶格的热振动。辐射跃迁是处于激发态的电子把从激发中得到的多余的能量以光的形式放出。发光中心被激发后，如果不存在无辐射跃迁和能量传递，就只发生辐射跃迁。这时，单位时间内处于激发态的发光中心数减少得越多，表现出的发光强度就越大。辐射跃迁是光吸收的逆过程。如图1-1所示，两者都导致了分子轨道电子云（和）节面数的改变：吸收过程能量升高，节面数增加；辐射跃迁过程能量降低，节面数减少。吸收和辐射过程的电子自旋方向不发生改变，跃迁涉及的分子轨道对应性发生改变，分子轨道具有较大的空间重叠。吸收和辐射导致的分子偶极矩改变在大小变化上相反。在辐射跃迁过程中，高能分子轨道转换为低能分子轨道，分子中电子排布改变，从而改变分子偶极矩。偶极矩是与跃迁矩相关的物理量，跃迁矩增加，跃迁容易发生。吸收和辐射都遵从Frank-Condon原理。如图1-2所示，由于电子吸收跃迁速率极快（10−15s）时，核较重，核的相对位置可视为不变。两个能层间吸收跃迁的概率越大，相应的辐射跃迁概率也越大。所以，吸收光谱和发射光谱具有镜像关系。

3．发光的分类

按照发光的激发过程不同，发光分为物理发光和化学发光。物理发光包括阴极射线发光、光致发光、X射线致发光、场致发光、PN结发光、结晶发光、摩擦发光等。化学发光包括燃烧、核辐射致发光、化学反应、生物发光等。

按照发光方式不同，发光分为自发发光和受激发光。

按照发光弛豫时间不同分为荧光和磷光。当激发停止时，发光亮度衰减到初始亮度的10%时所经历的时间称为余辉。人眼能够感觉到余辉的长发光时间的为磷光，人眼感觉不到余辉的短发光期间的为荧光。

按照发光的物体状态不同，发光分为气体发光、液体发光和固体发光。

按照发光的物体形状不同，发光分为粉末发光、薄膜发光和体材料发光。

按照发光的构成不同，发光分为有机发光、无机发光、有机/无机复合发光。

1.1.2　发光与主动发光显示

显示是一组带有颜色和亮度信息的、可刺激人眼视觉系统的光线束集合体，这些光线束的集合体一般呈平面矩阵形式分布，用于显示图像、动画、文字等信息。显示的功能就是利用电信号在显示屏上产生或再现彩色影像。主动发光显示的显示效果与所用的发光材料和发光方式有关。

1．主动发光显示的特点

主动发光显示的每个像素都是一个独立的发光体，其材料组成、结构组成和驱动架构决定着主动发光显示的显示效果。评价显示效果的主要光学指标有亮度、对比度、色度域、视野角、响应速度等。评价显示性能的指标还有灰阶数、像素数等。

因为主动发光显示的发光体在不发光时，像素呈现纯粹的黑色状态。这种特点决定了主动发光显示具有非常高的对比度，而且提高最大显示亮度也能提高对比度。所以，主动发光显示的亮度与对比度提升方向相同。提高亮度的方法包括：提高电压驱动或电流驱动时的驱动功率，提高发光材料的发光效率。发光体的发光效率与所用的发光材料有关。

主动发光显示的色度域大小取决于红、绿、蓝三基色的色纯度。主动发光显示的每个像素都是一个发光体，可以直接发出能够刺激视觉的不同强度和颜色的光。用红、绿、蓝三种不同颜色的单色光按一定比例混合，可以得到自然界中绝大多数的颜色。具有这种特性的三个单色光叫三基色光。混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定。混合色的亮度是三基色亮度之和。红、绿、蓝三基色是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其他两种基色混合得到。红、绿、蓝三基色的色饱和度越高，半波宽越小，主动发光显示的色度域就越大，能够还原的颜色数就越多。红、绿、蓝三基色的色饱和度与所用的发光材料有关。

主动发光显示的发光体如果在不同方向的发光亮度都相等，则称该发光体为朗伯发光体（Lambertian）。主动发光显示一般都是由朗伯发光体构成的，具有较宽的视野角。发光时，由于电子吸收跃迁速率在10−15s量级，主动发光的发光过程极短，所以主动发光显示的图像响应速度很快。

主动发光显示的灰阶数、像素数等指标反映的是显示的精细化程度。主动发光显示的像素精细化程度主要取决于发光方式与发光材料决定的发光效率。

2．发光材料

主动发光显示技术与非主动发光显示技术最大的区别是，主动发光显示的颜色取决于发光体的材料。发光材料是指能够以某种方式吸收能量，并将其转化成光辐射（非平衡辐射）的物质材料。在实际应用中，将受外界激发而发光的固体称为发光材料。发光材料的形态包括粉末、单晶、薄膜和非晶体等，主要组分是稀土金属的化合物和半导体材料，与有色金属关系很密切。高纯稀土氧化物Y2O3、Eu2O3、Gd2O3、La2O3、Tb4O7等制成的各种荧光体，被广泛应用于真空阴极射线发光显示技术和光致发光显示技术。半导体发光材料ZnS、CdS、ZnSe和GaP、GaAs1−xPx、GaAlAs、GaN等主要用于电致发光显示技术。

无机荧光材料的代表为稀土离子发光及稀土荧光材料，其优点是吸收能力强、转换率高。稀土配合物中心离子的窄带发射有利于全色显示，且物理化学性质稳定。由于稀土离子具有丰富的能级和4f 电子跃迁特性，使稀土成为性能优越的发光材料。常见的无机荧光材料以碱土金属的硫化物（如ZnS、CaS）铝酸盐（如SrAl2O4、CaAl2O4、BaAl2O4）等作为发光基质，以稀土镧系元素铕（Eu）、钐（Sm）、铒（Er）、钕（Nd）等作为激活剂和助激活剂。

根据不同的分子结构，有机发光材料可分为：①有机小分子发光材料；②有机高分子发光材料；③有机配合物发光材料。这些发光材料无论在发光机理、物理化学性能上，还是在应用上都有各自的特点。有机小分子发光材料种类繁多，它们多带有共轭杂环及各种生色团，结构易于调整。通过引入烯键、苯环等不饱和基团及各种生色团来改变其共轭长度，可使化合物光电性质发生变化。有机小分子发光材料被广泛应用于有机电致发光器件。有机高分子光学材料通常分为三类：侧链型、全共轭主链型、部分共轭主链型。多数是主链共轭的聚合，易形成大的共轭面积，但其溶解性和熔融性都降低，加工起来比较困难。侧链聚合物发光材料是对主链共轭聚合物的有力补充。

此外，自发光体材料和磷光物体常用作光致发光材料。