光电显示原理及应用

光电显示包含阴极射线管（CRT）显示、各类平板显示、投影显示及目前正在兴起的各种可穿戴设备的光电显示。人们熟知的光电显示器有下列几种： CRT显示器、液晶显示器（LCD）、等离子体显示器（PDP）、发光二极管（LED）显示屏及近几年迅速崛起的有机发光二极管显示器（OLED）。
目前，在各类光电显示器中，LCD是压倒一切的，无处不在。全球现在的手机产量约为20亿部，这意味着有20亿张液晶屏（其中少部分是OLED）。手机屏的分辨力已达到视网膜级（能分辨0.5~1μm尺寸）。5G手机也即将问世，手机已成为人们离不开的工具。同时，电视机屏的尺寸越来越大，平均尺寸已从2012年的34in(英寸，1in=0.0254m)增加到2017年的55in，2019年已达到70in。4K分辨率的电视机已成为产品主流， 8K的产品也已经出现。人们越来越倾向于坐在家中观看具有震撼视觉的大尺寸画面，大尺寸LCD成为。
OLED是光电显示中的后起之秀。从理论上讲其显示性能优于LCD，是LCD的强有力的竞争对手。但LCD发展早了几十年，一直压制着OLED的推广。目前，OLED在对寿命要求不是特别高和对价格不那么敏感的智能手机上已获得大量应用。OLED要进入大尺寸的电视领域还需要解决成本、寿命等问题。
目前，光电显示领域的形势是： LCD在各种的屏尺寸（1~100in），各种应用领域仍占优势。OLED正以LCD替代者的身份迅速赶上，已大规模进入中小显示屏，在大尺寸电视领域也开始有一些销售量，并呈上升趋势； LED显示屏（特别是超大尺寸的）发展得越来越好，大型比赛、大型活动和大型展示都离不开LED显示屏，春节晚会上美轮美奂的舞台背景就是LED屏的功劳； CRT显示器已被彻底淘汰； PDP也已退出市场，但作为电视机在少部分家庭中还在使用。
第1章光电显示基础主要讲述显示光学的核心内容，即人眼如何识别、判别光电显示器上的图形和图像，是了解各类光电显示器件的显示性能的共同基础。
第2章阴极射线管（CRT）显示简要地介绍了CRT的结构和工作原理。CRT显示器曾经是光电显示界的王者，后来出现的光电显示器都是以显示性能赶上CRT显示器为目标，现行的电视标准也是根据CRT性能设立的。CRT显示器是了解其他光电显示器性能的参照物。
由于LCD的重要性，用第3~6章全面深入地介绍了其原理、技术与应用。
第9章OLED显示虽然很重要，但其驱动方式与LCD类似，所以在该章中只集中介绍OLED的物理特性和结构。对第10章LED显示和第12章投影显示给予了一定的篇幅，而对其他的光电显示（PDP、EL、FED）只作基础的讲述。由于触摸屏已成为许多光电显示器（特别是LCD和OLED）屏不可分割的一部分，在第13章单独介绍。
本书着重介绍各种光电显示器实现电光转换的物理原理和光电显示系统的驱动技术。关于驱动技术，本书不提供过于具体的软件程序，但也不是只停留在给一个驱动框图，略作解释，而是对驱动框图中的主要部件分别作一些深入的分析，使读者能清晰地了解光电显示器的主要性能是如何在电路上实现的（由于LCD的广泛性，这部分介绍主要以LCD为例）。我们是以电子系教师的视角编写本书的，所以在物理上有一定深度，还涉及不少电路原理的知识。光电显示技术涉及的知识面太广了，不妥之处难免，希望读者予以指正。
本书的第9章是根据清华大学电子系王健提供的资料缩编改写的，特此表示感谢。
编者2020年1月

本书对光电显示领域的主要显示器件的原理、结构、制造工艺以及驱动技术作了全面的介绍。鉴于液晶显示技术在光电显示领域中的*统治地位，本书用了约40％的篇幅深入论述了液晶显示器（LCD）的材料、工艺和驱动技术。全书共13章，第1章是光电显示的视觉基础，对所有光电显示器件都是适用的。第2章阴极射线管（CRT）显示是光电显示的先驱和参照物。第3~6章详细介绍了液晶材料的理化特性、无源矩阵LCD的工作原理和驱动技术、薄膜晶体管的物理过程以及有源矩阵LCD的工作原理和驱动技术。第7章简要介绍了等离子体显示。第8章简要介绍了场致发射显示。第9章有机电致发光显示（OLED）是光电显示领域中正在升起的新星，其工作原理的物理过程比较难懂，书中作了细致的讲解。第10章介绍了发光二极管（LED）显示。第11章简要介绍了电致发光（EL）显示。第12章介绍了大屏幕投影显示的原理与技术。第13章介绍的触摸屏已是光电显示器不可分割的一部分，所以书中对各种触摸屏的工作原理和工艺结构作了全面的介绍。
本书介绍了各种光电显示器的工作原理和驱动技术，对物理学和电子学的专业基础要求较高，所以比较适合用作高等院校有关专业的本科生和研究生的教材，也可作为从事光电显示领域科研工作人员的参考书。

本书对光电显示领域的主要显示器件的原理、结构、制造工艺以及驱动技术作了全面的介绍。鉴于液晶显示技术在光电显示领域中的*统治地位，本书用了约40％的篇幅深入论述了液晶显示器（LCD）的材料、工艺和驱动技术。全书共13章，第1章是光电显示的视觉基础，对所有光电显示器件都是适用的。第2章阴极射线管（CRT）显示是光电显示的先驱和参照物。第3~6章详细介绍了液晶材料的理化特性、无源矩阵LCD的工作原理和驱动技术、薄膜晶体管的物理过程以及有源矩阵LCD的工作原理和驱动技术。第7章简要介绍了等离子体显示。第8章简要介绍了场致发射显示。第9章有机电致发光显示（OLED）是光电显示领域中正在升起的新星，其工作原理的物理过程比较难懂，书中作了细致的讲解。第10章介绍了发光二极管（LED）显示。第11章简要介绍了电致发光（EL）显示。第12章介绍了大屏幕投影显示的原理与技术。第13章介绍的触摸屏已是光电显示器不可分割的一部分，所以书中对各种触摸屏的工作原理和工艺结构作了全面的介绍。
本书介绍了各种光电显示器的工作原理和驱动技术，对物理学和电子学的专业基础要求较高，所以比较适合用作高等院校有关专业的本科生和研究生的教材，也可作为从事光电显示领域科研工作人员的参考书。

应根裕：清华大学电子工程系教授，先后主讲“电子束管”“电子光学”“电子器件”“光电导物理及其应用”“摄像与显示器件原理”“信息显示技术”等课程。编写《电子器件》《光电导物理及其应用》《摄像与显示器件原理》和《信息显示与图像摄取原理》四本教材。主编《平板显示技术》和《平板显示应用技术》等科技图书。撰写了大型工具书《光学手册》中的第21分册《显示光学》。曾获得电子工业部优秀教材一等奖两项，申请专利一项。曾参加一项平板显示器件国际标准和两项平板显示器件国内标准的制定。先后发表论文60余篇，主持过各类科研项目22项。

第1章光电显示基础

1．1显示和光电显示器

1．2电视的传像原理

1．3表征图像质量的主要指标

1．4显示屏色调特性对图像质量的影响

1．5与显示器相关的视觉特性

1．5．1视觉生理

1．5．2与显示技术有关的视觉特性

1．6光度学与色度学简介

1．6．1光度学

1．6．2颜色的分类与颜色的三种属性

1．6．3色度学中的几个基本概念

1．6．4CIE表色体系

习题与思考

第2章阴极射线管显示

2．1CRT的基本原理

2．2彩色CRT

2．3CRT电视的传像原理

习题与思考

第3章液晶的性质

3．1液晶显示的特点

3．2液晶的分类

3．2．1液晶的形成原因

3．2．2液晶分子的形状和分子结构

3．2．3液晶的相

3．3液晶的物理特性

3．3．1液晶分子的序

3．3．2弹性系数

3．3．3黏度

3．3．4折射率

3．3．5介电常数

3．3．6离子输运

3．3．7光学性质和双折射

3．3．8阈值电压

3．3．9小结

3．4表面定向性能

3．4．1沿面排列

3．4．2垂直排列

3．4．3液晶盒定向的种类

习题与思考

第4章常用的无源液晶显示器

4．1扭曲向列型液晶显示器(TNLCD)

4．1．1结构和工作原理

4．1．2畴

4．1．3关(OFF)态的光学特性

4．1．4开(ON)态的光学特性

4．1．5TN液晶显示器的技术参数

4．2超扭曲向列型液晶显示器(STNLCD)

4．2．1工作原理

4．2．2光学特性

4．2．3STN系器件的优缺点

4．3无源液晶显示器的制造工艺

4．3．1TNLCD的制造工艺流程

4．3．2图形蚀刻

4．3．3定向排列

4．3．4空盒制作

4．3．5灌注液晶和封口

4．3．6LCD制造工艺过程示意

4．4无源液晶显示器的寻址技术

4．4．1七弧段显示和直接寻址

4．4．2无源矩阵LCD的寻址

4．4．3无源矩阵寻址的极限

4．4．4交叉效应

4．4．5显示灰度

4．5无源矩阵显示器的包装和装配技术

习题与思考

第5章薄膜晶体管物理、性能及其制造工艺

5．1薄膜晶体管的工作原理和结构

5．1．1半导体表面物理

5．1．2绝缘栅场效应晶体管

5．2氢化非晶态硅TFT的结构和工艺

5．2．1aSi:H材料

5．2．2aSi:H TFT的结构

5．3多晶硅TFT

5．3．1简介

5．3．2多晶硅的制备

5．3．3栅极介质

5．3．4多晶硅TFT的结构和制作过程

5．3．5多晶硅TFT的应用

5．4非晶态氧化物半导体TFT

5．4．1AOS的材料性质

5．4．2AOS TFT的结构与制造

5．4．3aIGZO TFT的性能

习题与思考

第6章有源矩阵液晶显示器

6.1简介

6．1．1AMLCD的面板结构

6．1．2一般考虑

6．1．3影响TFTLCD显示特性的因素

6．1．4减少交叉效应和极性反转技术

6．2AMLCD的驱动器

6．3液晶显示器性能的改进

6．3．1LCD的宽视角技术

6．3．2缩短响应时间

6．3．3抑制运动伪像

6．4液晶显示器使用的原材料与辅助材料

6．4．1基板玻璃

6．4．2透明导电玻璃

6．4．3偏振片

6．4．4彩色滤色膜

6．4．5背光模块

6．4．6辅助材料

习题与思考

第7章等离子体显示

7.1基本结构

7.2ACPDP的工作原理

7.3气体放电特性

7.4PDP的制造过程

7.5总装和老练工艺

7.6PDP显示屏灰度的实现

7.7PDP显示动态图像的伪轮廓现象

7.8PDP显示器的优缺点

习题与思考

第8章场致发射显示

8.1电子场致发射

8.1.1场致发射显示原理

8.1.2电子场致发射理论

8.2Spindt型场致发射体阵列

8.3Spindt型发射体的性能

8.4发射均匀性和稳定性问题

8.5在FEA中引入聚焦极

8.6FED面板的制造

8.7维持真空和封装问题

8.8纳米Spindt型FED

8.9新材料和新技术

8.10基于碳纳米管阴极的FED

8.11表面传导电子发射显示器

8.12结束语

习题与思考

第9章有机电致发光显示

9.1简介

9.2OLED器件结构

9.2.1单有机层结构

9.2.2双有机层结构

9.2.3pin结构

9.2.4顶发射和透明OLED

9.2.5全彩色OLED

9.3OLED的主要物理过程

9.3.1OLED的载流子注入

9.3.2OLED的载流子传输

9.3.3OLED的载流子复合发光

9.3.4光出射过程与提升出光效率的方法

9．4有源矩阵OLED显示中的像素电路

9．4．1V/I变换的像素电路

9．4．2具有补偿功能的像素电路

9.5全彩色OLED显示器件主要制作技术

9.5.1TFT背板工艺

9.5.2OLED发光单元

9.5.3封装和钝化

9.6OLED性能退化机制

9.7现有问题和未来展望

习题与思考

第10章发光二极管显示

10.1简介

10.2LED的原理和制造

10.2.1半导体的光学性质

10.2.2LED的pn结和基板结构

10.3LED的性能

10.3.1内量子效率

10.3.2光提取效率

10.3.3LED的参数

10.3.4下转换的白光LED

10.4LED显示屏

10.4.1LED显示屏的技术指标

10.4.2LED的驱动

10.4.3实现灰度和亮度的调整

10.4.4LED显示屏的基本构成

10.4.5LED全彩色显示屏的关键技术

习题与思考

第11章电致发光显示

11.1交流粉末电致发光

11.1.1背景

11.1.2AC粉末EL器件的结构和材料

11.1.3AC粉末EL器件的发光机理

11.2交流薄膜电致发光

11.2.1背景

11.2.2薄膜电致发光的工作原理

11.2.3厚膜电致发光显示器

11.3结论

习题与思考

第12章大屏幕投影显示

12.1大屏幕显示的特点和发展历史

12.1.1大屏幕显示的特点

12.1.2大屏幕投影显示的历史

12.2现代投影显示系统

12.2.1液晶投影显示

12.2.2DLP投影显示

12.2.3LCoS投影显示（反射型液晶投影仪）

12.2.4常见投影显示技术比较

12.3激光投影显示

12.3.1面阵空间光调制器的投影成像方式

12.3.2基于扫描的激光投影显示

12.3.3激光投影显示的优缺点 

习题与思考

第13章触摸屏

13.1触摸屏或触摸系统简介

13.2模拟和数字电阻式触摸屏

13.2.1四线电阻触摸屏

13.2.2八线电阻触摸屏

13.2.3五线电阻触摸屏

13.3电容式触摸屏

13.3.1表面电容式的触摸屏

13.3.2投射电容式的触摸屏

13.4光学触摸屏

13.4.1扫描红外触摸屏

13.4.2基于摄像机的光学触摸屏

13.5表面声波触摸屏

13.6在单元内

13.7手机触摸屏概况

习题与思考

缩略语

参考文献

本书对光电显示领域的主要显示器件的原理、结构、制造工艺以及驱动技术作了全面的介绍。鉴于液晶显示技术在光电显示领域中的*统治地位，本书用了约40％的篇幅深入论述了液晶显示器（LCD）的材料、工艺和驱动技术。全书共13章，第1章是光电显示的视觉基础，对所有光电显示器件都是适用的。第2章阴极射线管（CRT）显示是光电显示的先驱和参照物。第3~6章详细介绍了液晶材料的理化特性、无源矩阵LCD的工作原理和驱动技术、薄膜晶体管的物理过程以及有源矩阵LCD的工作原理和驱动技术。第7章简要介绍了等离子体显示。第8章简要介绍了场致发射显示。第9章有机电致发光显示（OLED）是光电显示领域中正在升起的新星，其工作原理的物理过程比较难懂，书中作了细致的讲解。第10章介绍了发光二极管（LED）显示。第11章简要介绍了电致发光（EL）显示。第12章介绍了大屏幕投影显示的原理与技术。第13章介绍的触摸屏已是光电显示器不可分割的一部分，所以书中对各种触摸屏的工作原理和工艺结构作了全面的介绍。
本书介绍了各种光电显示器的工作原理和驱动技术，对物理学和电子学的专业基础要求较高，所以比较适合用作高等院校有关专业的本科生和研究生的教材，也可作为从事光电显示领域科研工作人员的参考书。

应根裕：清华大学电子工程系教授，先后主讲“电子束管”“电子光学”“电子器件”“光电导物理及其应用”“摄像与显示器件原理”“信息显示技术”等课程。编写《电子器件》《光电导物理及其应用》《摄像与显示器件原理》和《信息显示与图像摄取原理》四本教材。主编《平板显示技术》和《平板显示应用技术》等科技图书。撰写了大型工具书《光学手册》中的第21分册《显示光学》。曾获得电子工业部优秀教材一等奖两项，申请专利一项。曾参加一项平板显示器件国际标准和两项平板显示器件国内标准的制定。先后发表论文60余篇，主持过各类科研项目22项。