2.5.1 显示技术概述

1．显示技术发展历程

显示技术是根据人的心理和生理特点，利用各种显示设备和显示方法改变光的强弱、波长等，组成不同形式的视觉信息，直观、具体、生动地展现视频信息的技术。它代替印刷技术成为知识、信息传播的重要途径已有百余年历史。从1897年德国人K.F.布劳恩发明阴极射线管用于显示快速变化的电信号以来，显示器件的发展经历了阴极射线管到平板显示器件的历程。

根据显示机理不同，分主动发光型和非主动发光型两类：前者利用光信息发光，直接进行显示；后者本身不发光，通过反射、散射、干涉等现象，对其他光源发出的光进行控制，即通过光变换进行显示。通常，主动发光型显示又称能动型或发光型显示，非主动发光型显示为被动型或受光型显示。显示器的重要特质包括显示器重量与厚度；显示器电量使用；显示器使用寿命。

从早期的黑白到现在的色彩，显示器走过了漫长而艰辛的历程。随着技术的发展，其分类越来越细，如显像管显示器（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、发光二极管显示器（LED）、有机电致发光显示器（OLED）、场发射显示器（FED）、真空荧光显示器（VFD）、微机电系统显示器（DMD）、电子油墨显示器（E-ink）等。下面主要介绍目前使用广泛的CRT、LCD、PDP，并简介其他显示技术。

2．显示技术发展趋势

21世纪是信息时代，获取信息的渠道很多，通过显示器获取信息是最直观、最常用、最有效的方式。显示技术发展过程中，各种显示器件相互依存、相互补充、共同发展，更多的产品形式、更高的产品质量、更全的产品性能将是未来显示器发展的必然趋势。目前，显示技术的发展步伐越来越快，从CRT到LCD、PDP、OELD、FED、LED及FPD等，各种显示技术都在不断发展、不断完善。可以相信，将会出现更多、更完善的高技术成果把现代显示技术推向新高峰，为信息时代的发展注入生机与活力。

实时性信息交流使人类对显示器件的需求越来越大、要求越来越高，显示产业因此成为信息技术的重要支柱。显示器与半导体并称为信息产业两块基石，在推进信息化进程中起着极其重要的作用。近年来，伴随着信号处理技术和大规模集成电路技术的飞速发展，显示技术正发生一场革命，低功耗、小型化、数字化、便携式、多功能越来越受青睐。

在此背景下，平板显示（FPD）技术应运而生，且发展异常迅猛，FPD代替CRT已成必然。与CRT相比，FPD具有薄、轻、功耗小、辐射低、无闪烁等优点，LCD、PDP、OLED、FED、VFD、LED等都是平板显示技术的典型代表。目前，FPD在全球销售方面已超过CRT。

2.5.2 常用显示设备

1．CRT显示器

（1）CRT概述

阴极射线管显示器CRT是实现最早、应用最广泛的一种显示技术。19世纪末，科学家开始研究阴极射线（电子束）经由真空状态撞击到荧光介质表面产生的发光现象，诞生了早期的CRT。1897年，第一台黑白CRT诞生；1951年，第一台彩色CRT诞生。CRT发展历程如表2-9所示。

百余年来，以CRT为核心部件的显示终端应用十分广泛，在显示器件领域占统治地位。CRT价格低、亮度高、对比度高、色域广、分辨率高、响应速度快、视角宽、显示方式灵活、寿命长，且技术成熟、图像色彩丰富、还原性好、全彩色、高清晰度及丰富的几何失真调整能力，但体积大、质量大、功耗高、辐射强。

CRT发展趋势：大屏幕化，彩管屏幕尺寸达到40″以上；平面化，打破其他显示器件垄断平面显示的格局；薄型化，通过增大电子束扫描的偏转角，减小彩管的长度；轻量化，增加玻壳强度，减小玻壳质量；高分辨率，开发高分辨率电子枪，优化荫罩参数；高亮度，采用多束电子枪结构，改变荧光粉形状和配方；高对比度，开发新型滤光膜技术和着色荧光粉技术。

（2）CRT结构及原理

CRT结构及原理如图2-32所示。

① 电子枪工作原理：显像管内部的灯丝加热阴极发射出电子，在加速极电场的作用下，经强度控制、聚焦和加速后变成细小的电子流；在阳极高压作用下电子流获得巨大能量，穿越荫罩的小孔或栅栏，以极高速度轰击荧光屏的荧光粉层；R、G、B荧光点被按不同比例强度的电子流点亮，分别发出强弱不同的R、G、B三种光，混合产生不同色彩的像素，大量不同色彩的像素即可组成画面。显然，像素个数越多，图像越清晰、细腻，也就更逼真。

② 彩色显像管各像素点由R、G、B三种涂料组合而成，三束电子束分别激活这三种颜色的磷光涂料，以不同强度电子束调节三种颜色的明暗程度就可得到所需颜色，类似于绘画时的调色过程。如果电子束瞄准得不够精确，就可能打到邻近的磷光涂层，产生不正确的颜色或轻微的重像，因此需精确控制电子束。

③ 偏转线圈的作用是控制显像管内电子束以一定的顺序，周期性地高速扫描所有像素，使每个像素都发光。只要该周期足够短，也就是说对某个像素而言电子束的扫描频率足够高，就能看到一幅完整图像。显然，场扫描的速度决定了画面的连续感。场扫描越快，形成的单一图像越多，图像连续感越好。

④ 荫罩是厚度约0.15 mm的薄金属板，上面有很多小孔或细槽，它们和同一组的荧光粉单元（像素）相对应。3支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，保证了彩色的纯正和正确的会聚，显示清晰的图像。荫罩分荫罩式和荫栅式两种，如图2-33所示。两种技术各有优缺点，通常，荫罩式显像管的图像和文字较锐利，但亮度较低；荫栅式显像管较鲜艳，但屏幕1/3和2/3处有水平的阻尼线阴影。

（3）隔行扫描和逐行扫描

隔行扫描和逐行扫描是CRT显像管的扫描方式，通过这两种扫描方式，摄像机将景物图像分解成一维视频信号，CRT显示器将一维视频信号合成图像。

① 隔行扫描。指一幅图像分成两场扫描，奇数场扫描1、3、5等奇数行，偶数场扫描2、4、6等偶数行，两场合起来构成完整的图像（一帧）。人眼看到的变化频率为场频，人眼分辨的图像是一帧，帧行数为场行数的2倍。这样，既提高图像分辨率又降低了行扫描频率，是很有实用价值的扫描方式。两场光栅均匀交错叠加是对隔行扫描方式的基本要求，故隔行扫描应满足两个条件：下一帧图像的扫描起始点应与上一帧的起始点相同，确保各帧扫描光栅重叠；相邻两场光栅需均匀地镶嵌，确保获得最高清晰度。根据第一个条件，每帧扫描行数应为整数。在各场扫描电流都一样的情况下，要满足第二个条件，每帧均应为奇数，那么每场的扫描行数就要出现半行的情况。我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数625行，每场扫描行数312.5行。隔行扫描方式虽然视觉上是连续图像，但奇数场、偶数场的切换会造成屏幕闪烁和明显的行间隔线效果，导致图像质量差、清晰度低、存在图像闪烁。由于当时技术水平及传输频率资源的局限，为减少信号带宽不得不做出这样的取舍。

② 逐行扫描。电子束从左到右、从上到下进行扫描，扫完第一幅再扫第二幅，如此循环。当扫描速度足够快，换幅频率高于活动景物运动连续感所需的频率（约20 Hz），又高于临界闪烁频率（45.8 Hz），活动影像既有连续感又无闪烁感。由于上述扫描过程逐行进行，故称逐行扫描。它消除了行间隔线和行间闪烁等隔行扫描的缺陷，清晰度显著提高。帧频的提高减轻或消除了大面积图像闪烁，因此，逐行扫描显示器一问世便深受欢迎。由于逐行扫描的行频比隔行扫描提高了一倍，对整机稳定性、可靠性要求很高，价格也较高。

（4）CRT主要参数

CRT是外形与使用功能变化最小的电子设备。按显像管表面平坦度不同，分球面CRT、平面直角CRT、超平CRT、纯平CRT，目前多为纯平CRT，主要参数如下。

① 显像管尺寸。显像管大小指对角线的尺寸，单位为英寸（″），有14″、15″、17″、20″、21″、25″、29″、34″、37″等规格供用户选择。但用户最关心可视面积，即能看到的显像管实际大小。

② 分辨率。分辨率由每帧画面的像素确定。例如，800×600指画面由水平方向800个点和垂直方向600个点组成。显然，分辨率越高，图像越逼真、越精细，故显示器支持的分辨率越高越好。

③ 场频。每秒钟屏幕刷新的次数，以赫兹（Hz）表示，可以理解为每秒钟重画屏幕的次数。场频越高，感受到的图像闪烁情况越不明显，眼睛越不易疲劳。因此，场频越高越好。

④ 行频。指显像管的电子枪每秒在屏幕上从左到右扫描的次数。行频与分辨率有一定关系，行频越大意味着显示器分辨率越高，图像稳定性越好。

（5）关于CRT监视器

安全防范领域，监视器的使用极为广泛。监视器分黑白和彩色，有14″、17″、20″、25″、29″等规格，随着用户对监控画面要求的不断提高，大屏幕监视器已逐渐成为市场主流。纯平CRT监视器具有以下特点：画面清晰，对比度高；没有色阶限制，色彩浓度高；不设固定分辨率，不论分辨率大小，画面均十分清晰；屏幕亮度均匀，不存在明暗不均问题；屏幕刷新率高，目前，100 Hz/120 Hz已成为主流。

需特别指出的是，电视机显示器不能作为监视器使用，监视器功能比显示器简单但性能要求高。二者主要区别如下。

① 图像清晰度。电视机接收的射频信号所对应视频图像带宽约6 MHz，对显示器清晰度要求较低；监视器要求具有较高的图像清晰度，而清晰度主要由视频通道的幅频特性决定，故监视器应具备带宽补偿和提升电路，使通频带更宽，图像清晰度也更高。

② 色彩还原度。还原度由R、G、B三基色的色度信号和亮度信号的相位决定，由于监视器色彩还原度要求较高，故专业监视器的视频放大通道在亮度、色度处理和R、G、B处理上应具备精确的补偿电路及延迟电路，确保亮度/色度信号与R、G、B信号的相位同步。

③ 整机稳定度。监视器通常全天候使用，要求具有极高的可靠性、稳定性。比较而言，监视器的电流、功耗、温度、抗电干扰/电冲击的能力、裕度和平均无故障使用时间均远大于显示器，还须使用全屏蔽金属外壳确保电磁兼容和干扰性能；元器件选择方面，监视器使用的元器件耐压、电流、温度、湿度等特性都高于电视机；安装、调试尤其是元器件和整机老化的工艺要求上，监视器要求很高，电视机制造时整机老化约8 h，监视器整机需高温、高湿、密闭环境下老化24 h以上，以确保整机的稳定性。

2．LCD显示器

（1）LCD概述

液晶是一种在一定温度范围内呈现出不同于固态、液态的特殊物质态，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。它不但具有固态晶体光学特性，而且具有液态流动特性，是处于一个中间相的物质。1888年，奥地利植物学家F.Renitzer发现一种螺旋性甲苯酸盐的化合物具有两个不同温度的熔点，其状态介于液态与固态之间，在某温度范围内具有液体和结晶双方的性质，故命名为“液态结晶物质”。利用外加电场即可改变液晶分子取向，产生调制。这种由电场产生的光调制现象称为液晶的电/光效应，是液晶显示的基础，这种光学特性可通过表面处理、液晶材料选择、电压及其频率的选择获得。正由于晶体各向异性而具有电/光效应，尤其是扭曲向列效应和超扭曲效应，所以能制成不同类型显示器件。1968年，美国RCA公司的工程师发现液晶分子受电压影响会改变分子排列状态，并能让射入的光线产生偏转，基于这一原理发明了LCD。1973年，LCD开始应用于产品中，日本Sharp公司首次将其应用于电子计算器的数字显示。

LCD最大优势在于它是唯一可跨越所有尺寸的显示技术，奠定了其在第二代显示器中的地位，已广泛应用于数码相机、笔记本计算机、桌面显示器、电视、手机、工业仪表等，显示了良好的发展潜力。LCD有“第二半导体”的称谓，具有工作电压低、功耗小、质量轻、厚度薄、长寿命、无电磁辐射、抗干扰性好、有效显示面积大、适于大规模集成电路直接驱动等优良特色。不足之处是LCD属于非主动发光型即被动光源，显示视角小，对比度和亮度受环境的影响较大，响应速度较慢且工艺复杂，随着LCD应用领域的不断扩大、市场份额的迅速增加，LCD技术正在高速发展。

LCD发展方向：高分辨率，分辨率达3200×2400，超过高清晰度电视（HDTV）；高亮度，亮度300～400 cd/m ² ，特殊情况下可达1600 cd/m ² ；大视角，视角＞90°；快速响应，响应速度＜17 ms；低功耗，开发反射型LCD，减小功耗；薄型化，提高集成度，减小厚度；低成本，提高成品率，降低成本。

（2）LCD显像原理

LCD结构及工作原理如图2-34所示，基本结构为两片玻璃基板中间灌有液晶的薄型盒。该结构优点：开口率高，有利于作显示窗口；易实现各种尺寸；便于自动化生产，成本低；间隔很薄，仅几毫米。

显像原理：利用外加电场改变液晶分子取向，产生调制，这种由电场产生的光调制现象称为液晶的电/光效应，是液晶显示基础。两片玻璃基板上装有配向膜，液晶沿沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90°，故液晶分子成为扭转型。玻璃基板未加电场时，光线透过偏光板跟着液晶90°扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色；玻璃基板加电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色。LCD根据此电压有/无控制面板显示。

（3）LCD的分类

LCD依驱动方式不同，分静态驱动、被动矩阵驱动及主动矩阵驱动。其中，被动矩阵型分为扭转向列型（TN-LCD）、超扭转向列型（STN-LCD）及其他被动矩阵驱动LCD；主动矩阵型分为薄膜晶体管型（TFT-LCD）及二端子二极管型（MIM-LCD）两种。

TN-LCD、STN-LCD及TFT-LCD因利用液晶分子扭转原理的不同，视角、彩色、对比度及显示品质有一定差别，故应用范围各异。其中，TFT-LCD采用薄膜晶体管有源矩阵，每个像素设计一个场效应开关，能实现真彩色、高分辨率，且响应速度快、灰度高，成为LCD的主要发展方向，多用于笔记本电脑及影像处理产品；单纯矩阵驱动技术以TN-LCD及STN-LCD为主，多用于文档处理器及消费性产品。资金投入及技术需求方面，TFT-LCD较高，TN-LCD及STN-LCD较低。

（4）LCD的特点

① 精确还原图像。LCD采用直接数码寻址显示方式，能将显卡输出的视频信号经A/D转换后，根据信号电平中的“地址”信号，直接将视频信号一一对应在屏幕上显示；CRT依靠偏转线圈产生电磁场控制电子束周期性扫描来显示图像，难以在屏幕上精确定位，故CRT会出现几何失真、线性失真等。LCD不存在上述问题，能将画面完美呈现。

② 零辐射、低耗能、散热小。LCD通过扭转液晶像素中的液晶分子偏转角度显示图像，不存在CRT内部高压元器件，且电路简单，模块化及芯片的高集成化能将电路工作时产生的电磁辐射降到最低。这样的设计不但降低了功耗，发热量也很小。CRT由于散热问题，必须在屏蔽罩上钻孔，导致辐射的泄漏。

③ 画面稳定不闪烁。LCD通电后一直发光，背光灯工作在高频下，显示画面稳定而不闪烁，有利于长时间使用；CRT依靠电子束扫描荧光粉发光，导致亮度周期性闪烁，长时间使用会造成眼睛不适。

④ 纤薄轻巧。以15″显示器比较，CRT显示器深度约50 cm，LCD不到5 cm，成为最有可能打破CRT垄断地位的显示器件。

但LCD存在响应时间较慢，可视角度小，亮度和对比度低，维修困难等局限性。

3．PDP显示器

（1）PDP概述

PDP是利用内充的惰性气体离子化放电，产生出紫外线，激发荧光粉像素发光实现显示的技术。该技术于1964年由美国伊利诺伊大学的两位教授发明；20世纪70年代初，实现512×512线单色PDP的批量生产；80年代中期，美国Photonisc公司研制了2048×2048线单色PDP；90年代，PDP突破彩色化、亮度和寿命等关键技术，进入实用化阶段。PDP问世以来得到长足的发展，使用范围日趋广泛，引起了众多厂商的关注。

PDP按驱动方式的不同分交流型（AC）和直流型（DC）两种。其中，交流驱动式分存储效应型和刷新型，直流驱动式分刷新型和自扫描型。由于图像不会产生闪烁，具有由显示屏确定的存储特性及较高的亮度等原因，交流驱动式PDP处于主流地位。近年来，PDP在大屏幕显示领域有着良好的市场前景。

（2）PDP基本结构

PDP由前后两块玻璃基板组成。前基板作为PDP的阳极，制作汇流电极、透明电极、支撑电极等；后基板作为PDP的阴极，有与前基板电极互相垂直的电极、肋条，并涂有荧光粉。其中，肋条用于隔离后基板，以形成放电空间，并分隔像素单元，防止因像素间窜扰影响显示质量。在放电空间内有用做气体离子化放电的惰性气体（通常是氖气）。

需特别注意的是，PDP中的荧光粉应精确定位。因为理论上所有荧光粉都会因放电而受激发光，但放电过程中产生的电极溅射会引起荧光粉的恶化，进而影响PDP的寿命。为解决这个问题，传统方法是避免在PDP阴极着粉，以免产生的正离子撞击阴极引起强烈溅射。但日本Fujitsu公司以简单的结构解决了这个问题：阴极与前基板的支撑电极相一致，不在前基板涂荧光粉，将溅射减至最小；在全部后基板上涂粉，以提高光效。利用这种结构，生产出了大屏幕PDP。

（3）PDP显示原理

PDP属于自发光型显示器，由等离子显示屏、驱动电路、屏蔽玻璃、电源、接口电路和外壳等组成。作为利用气体放电激发荧光粉发光的显示装置，PDP工作机理类似普通日光灯，由相距100～200 μm的两块玻璃板组成，中间排列大量作为像素的等离子管。每个等离子管是玻璃衬板间隔成的小室，充有氖或氙气体。

等离子管电极间加上高压后，等离子管中气体会辉光放电产生紫外光（147 nm），激发显示屏上的R、G、B三基色磷光体荧光粉发出光，显示各种灰度和色彩。点亮某个等离子管时，开始需在相应行上加较高的电压，然后用低电压即可维持其亮度；关掉某个等离子管时，只要将相应的电压降低即可。等离子管开关周期15 ms，通过改变电压即可控制PDP显示。由于图像由独立的荧光粉像素发光综合而成，故显示的图像鲜艳、明亮、清晰。PDP工作原理如图2-35所示。

（4）PDP技术特点

PDP视角宽、寿命长、刷新速度快、光效及亮度高、易制作大屏幕、工作温度范围宽，因为这些优良特性而备受关注。其主要特点如下。

① 还原性好。PDP具有高亮度和高对比度，亮度达330～850 cd/m ² ，比普通显示器的250 cd/m ² 高很多；对比度达500∶1，完全能满足眼睛的需求。因此，PDP还原性非常好。

② 图像无扭曲。PDP的R、G、B发光栅格在平面中呈均匀分布，图像边缘处也没有扭曲现象。

③ 良好的防电磁干扰功能。由于显示时无须借助于电磁场，所以来自外界的电磁干扰对PDP图像没有影响，不像彩色CRT受电磁场影响会引起图像变形、变色等。

④ 超薄设计、超宽视角。PDP厚度远低于CRT，节省空间，显得整洁、美观且时尚。

⑤ 环保无辐射。PDP结构设计上采用了良好的电磁屏蔽措施，屏幕前置环境也能起到电磁屏蔽和防止红外辐射的作用，对眼睛几乎没有伤害，有良好的环保特性。

PDP局限性是功耗较大，像素间存在窜扰现象。尽管如此，在大屏幕显示领域中的应用潜力仍吸引许多公司投入大量精力研制、开发与生产，使得PDP的性能不断提高。

4．其他显示技术

除CRT、LCD、PDP显示技术，还有其他显示技术。

① LED显示技术。由发光二极管LED构成单色或多色显示，具有高亮度、高效率、长寿命等特点，适合用做室外的大屏幕显示屏，但不能用于监视器等中型显示器。参见本章阅读材料“发光二极管LED显示技术”。

② OLED显示技术。OLED是主动发光器件，有极好的光特性和低功耗特性，能在弯曲的衬底上以一卷接一卷的加工方式批量生产，成本低廉，使用方便灵活。该技术具有很宽的应用范围，从简单的单色大面积发光到全色视频图形显示器。参见本章阅读材料“有机电致发光OLED显示技术”。

③ FED显示技术。FED集CRT高显示质量和LCD低功耗优点于一身，是具有广阔发展潜力的自发光平板显示技术。它将真空微电子管应用于显示，电子束能量分布范围较传统热电子束窄，亮度较高。

④ VFD显示技术。VFD是将阴极、栅极和阳极封装在真空管壳内的一种三极电子管式真空显示器件，阴极发射的电子经栅极和阳极所加的正电压而加速，并激励涂覆于阳极上的荧光粉而发光，广泛用于音频、视频产品和家用电器。

⑤ DMD显示技术。DMD采用微机电系统技术制造，主要用于便携式商用投影机和家庭影院投影机。

⑥ E-ink显示技术。E-ink在双稳态材料上通过电场进行控制。它由大量微型密封的透明球体（直径约100 μm）构成，并包含黑色液体染色材料及数千个白色二氧化钛微粒。双稳态材料加上电场时，二氧化钛粒子根据电荷状态向某电极迁移进而控制该像素发光与否。 vfZ1S2yX3hqMX2kEh/lq8L8KrJzhz6Nr2b6tJXHSP+DtmIORXgiU68XnQOCqiYiF