(13)--FPD_Chapter-1平板显示技术平板显示技术.pdf

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1、Flat Panel Displays平板显示技术平板显示技术信息显示器件概述信息显示器件概述信息显示器件概述信息显示器件概述目目录录一一、显示器件分类显示器件分类二二、显示技术发展历史年表显示技术发展历史年表三三、显示器件主要特性显示器件主要特性参量参量2018-9-62/57一、显示器件分类一、显示器件分类显示器结构显示器结构图图像像信信息息信信号号显显示示器器件件辅辅助助光光学学系系统统电源电源驱驱动动电电路路显示器件：电光效应器件显示器件：电光效应器件显示器：显示器件显示器：显示器件、驱动电路和电源的总称驱动电路和电源的总称。2018-9-63/57一、显示器件分类一、显示器件分类显显

2、示示器器驱驱动动方方式式射束驱动射束驱动电极驱动电极驱动光写入驱动光写入驱动激光束方式激光束方式电子束方式电子束方式静电方式静电方式时分方式时分方式光导光导电体转换电体转换方式方式笔段型笔段型笔段型笔段型矩阵型矩阵型无源矩阵型无源矩阵型有源矩阵型有源矩阵型按驱动方式分类按驱动方式分类2018-9-64/57一、显示器件分类一、显示器件分类扫描扫描显示面显示面射束射束射束源射束源显示光显示光2018-9-65/57一、显示器件分类一、显示器件分类电电极极段电极结构段电极结构无源矩阵型显示器基本结构无源矩阵型显示器基本结构显示材料层显示材料层基板基板Y Y电极电极X X电极电极有源矩阵型显示器基本

3、结构有源矩阵型显示器基本结构显示材料层显示材料层基板基板对置电极对置电极X X电极电极开关层开关层Y Y电极电极像素电极像素电极光写入驱动型显示器基本结构光写入驱动型显示器基本结构光光导导电电体体层层显显示示体体图像写入光图像写入光投影光投影光透光层透光层光阀光阀2018-9-66/57一、显示器件分类一、显示器件分类电电子子显显示示器器直观式直观式投影式投影式空间成空间成像式像式CRTCRT光阀光阀平板平板HMDHMD全息全息CRTCRT发光型发光型非发光型非发光型液晶液晶DMDDMD其他其他其他其他LCDLCDFCRTFCRTVFDVFDELDELDFEDFEDPDPPDPLED/OLED

4、LED/OLED其他其他按成像方式分类按成像方式分类2018-9-67/57一、显示器件分类一、显示器件分类电电子子显显示示器器主动式发光主动式发光被动式发光被动式发光阴极射线致发光阴极射线致发光场致发光场致发光光致发光光致发光载流子复合发光载流子复合发光LCDLCDDMDDMDCRT/FCRTCRT/FCRTVFD/FEDVFD/FEDELDELDPDPPDPLEDLEDOLEDOLEDPMLCDPMLCDAMLCDAMLCDLCOSLCOSTFTTFT-LCDLCD液晶光阀液晶光阀按发光机理分类按发光机理分类2018-9-68/57西安交通大一、显示器件分类一、显示器件分类Emissive

5、 DisplaysConvert electricity into lightCan be seen in the dark!De-couple the light source from the data switching system-using less powerBut cant be seen in the dark!No-Emissive Displays2018-9-69/57一、显示器件分类一、显示器件分类BacklightTransmissive displayReflective displayNon-emissive displays need an external

6、light source-Non-self-emissive2018-9-610/57信息显示器件概述信息显示器件概述目目录录一一、显示器件分类显示器件分类二二、显示技术发展历史年表显示技术发展历史年表三三、显示器件主要特性显示器件主要特性参量参量2018-9-611/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表History of display technology development 1960-1980:Scientific Foundations1980s:The Quest for High Information Content1990s:The Quest for C

7、olor2000s:The Quest for large size,high performance,low power and added functions Beyond 2010s:Ultra-low power,flexible&3D?2018-9-612/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表1960-1980 Scientific Foundations 1962 R.Williams discovers the phenomenon of“Williams Domains”in nematic liquid crystals.1968 G.Heilmeir and

8、 his group develop first liquid crystal displays based on dynamic scattering effectsLCDRCA Sarnoff Laboratories 1964 D.Bitzer,G.Slottow,&D.Wilson Patent 1968 Owens-Illinois develops open cellstructure 1971 12”diag.512 x 512 Graphic display productPlasma display panel(PDP)University of Illinois 1974

9、T.Inoguchi and his group report a stable and high brightness TFEL Display 1975 Sharp demonstrates a 320 x240 QVGA displayThin film Electroluminescence(TFEL)Sharp Laboratories2018-9-613/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表LCDs in 1960-1980RCA DSM LCD Clock(1968)1stDigital LCD Watch by Optel(1970)First LCD Calc

10、ulator Rockwell(1972)ILIXCO TN LCD watch(1971)Westinghouse Electric T.P.Brody1st CdSe TFT AMLCD,(6”6”,120 120)Key for achieving high quality LCDs!2018-9-614/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表PDP in 1960-1980PDPs had better performance than LCDs during this period!1stac Plasma Product Owens Illinois(1971)12”

11、diag.512 x 512 Graphic 44 PDP，Illinois University(1964)1968,1616，AC PDP，Illinois University“The Industrial Research 100 Award”2018-9-615/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表1980s:The Quest for High Information ContentThe personal computer is demanded to be portableLeading fierce competition between emissive a

12、nd non-emissive display technologies1974 P.Brody builds 1st AMLCD using CdSe TFTs.1979 P.Le Comber and W.Spear at the Univ.of Dundee demonstrated a-Si TFTsThin film EL DisplaysIBM 19-inch orange-on-black monochrome display(1983)1stcommercial hand held color LCD TV(2 inch)by Seiko Epson (1983)2018-9-

13、616/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表1990s:The Quest for ColorIn 1991 IBM and Toshiba formed a joint venture to manufacture color AMLCDs for portable computers.The IBM Thinkpad portable PC was introduced in 1992.1990 T.Shinoda of Fujitsu invented PDP with the three-electrode panel with RGB phosphors excite

14、d by Xenon gas discharge and ADS drive methodIBM Think Pad portable PC(1992)200K USD in 201321”(1992)and 42”PDP(1996)Sharp(1995)1995 and 1996:SharpSharp 40 inch 1280 768 TFT LCD(1996)Formed by two smaller display screens50”Pioneer with 1280768 in 199760”plasmaco with 1366 768 in 19992018-9-617/57二、显

15、示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表2000s:the quest for large size,high image qualitySamsung 40 inch TFT-LCD(2001)Samsung 54 inch TFT-LCD(2002)Sharp 65 inch1920 1080 LCD(2005)Samsung 82 inch 1920 1080 LCD(2005)Sharp 108 inch 1920 1080 LCD,2007 LG Philips 100-in 1920 1080(2006)LG 52 inch 1920 1080 LCD(2002)LG 55 in

16、ch 1920 1080 LCD(2003)Sharp 45 inch1920 1080 LCD(2004)2018-9-618/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表2000s:the quest for large size,high image quality华华星光电星光电 110英寸英寸 2012年年2018-9-619/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表2000s:the quest for low power consumptionhttp:/www.energystar.gov2018-9-620/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史

17、年表2000s:OLEDsBefore 2000:1987 C.Tang and S.Van Slyke of Kodak report the development of an efficient OLED device.1995 C.Hosokawa of Idemitsu Kosan develops an efficient blue emitter material.1999 S.Forrest and M.Thompson develop efficient red&green electro-phosphorescent materials.2003 Kodak and San

18、yo introduce first color AMOLED product2007 Sony introduces first color AMOLED TVSID 2008 CES OLED2003 Kodak2007 sony,commerial Samsung,2008,FHD,0.9mm 2018-9-621/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表2000s:Added functions in DisplaysEmbedded sensors in displaysSource:Toshiba2018-9-622/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表

19、Beyond 2010 （2014）FlexibleUltra-low power3DDisplay technology for TV applicationLarge sizeFull colorContrast ratioLow power3DFlexibleTechnical challenges?2018-9-623/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表Prototypes and Further DevelopmentCommercial Products or Available SoonLCD/Q-LCD OLED/R(F)-OLED QLED Micro-LE

20、D(Backlight)Exhibition in 2017 CESSamsung Q-LCD TV(98”)LGD WOLED TVLGD R-OLED(65”)BOE F-OLED(5.5”)Samsung QD Pixel(65”)Samsung QLED(18”)Samsung Micro-LEDSonyMicro-LED(220”)TCL QD on LED2018-9-624/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表Exhibitionin 2017 SID(R&D Technologies What Product?)BOE,AUO(QLED,F-OLED)65”OL

21、ED Wallpaper(LGD)9.1”Stretchable OLED(Samsung)Latest Rollable77”OLED(2017,6)(By Courtesy of LGD)2018-9-625/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表Wide color gamut(WCG):Slim(BT.709)Wide(ITU BT.2020)High resolution:HD Full HD(1080p)UHD(4K)8KHigh dynamic range(HDR):Color bit depth 8-bit 10-bit,12-bitSource:J.Hartlo

22、ve(Nanosys),SID 2016 Technology Trends in Future Displays2018-9-626/57二、显示技术发展历史年表二、显示技术发展历史年表2018-9-627/57信息显示器件概述信息显示器件概述目目录录一一、显示器件分类显示器件分类二二、显示技术发展历史年表显示技术发展历史年表三三、显示器件主要特性显示器件主要特性参量参量2018-9-628/57信息显示器件概述信息显示器件概述三三、显示器件主要特性、显示器件主要特性参量参量(1)(1)1.1.寻址方式寻址方式2.2.灰度实现灰度实现方式方式3.3.彩色实现方式彩色实现方式4.4.显示尺寸显

23、示尺寸5.5.分辨率分辨率/幅型比幅型比6.6.像素节距像素节距2018-9-629/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量（1）平板显示寻址方式无无源源矩矩阵阵有有源源矩矩阵阵2018-9-630/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量（2）灰度显示方式脉冲幅度调制脉冲幅度调制(PAM)(PAM)：Pulse Amplitude Pulse Amplitude ModulationModulation发光时间不变发光时间不变发光强度变化发光强度变化适合模拟驱动适合模拟驱动脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM)(PWM)：Pulse Width Pulse Width

24、ModulationModulation发光强度不变发光强度不变发光时间变化发光时间变化适合数字驱动适合数字驱动脉冲密度调制脉冲密度调制(PDM)(PDM)：Pulse Density Pulse Density ModulationModulation发光强度不变发光强度不变发光脉冲密度变化发光脉冲密度变化适合数字驱动适合数字驱动2018-9-631/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量（3）彩色显示方式空间混色空间混色时间混色时间混色2018-9-632/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量显示器可视面积的对角线显示器可视面积的对角线尺寸，单位为尺寸，单位为

25、英寸英寸或厘米，或厘米，1英寸英寸2.54厘米厘米CRT：TV-12，14，18，21，25，29，32，34VDT-14，15，17，21，25LCD：投影：投影：1.3，1.1，0.9，0.7笔记本：笔记本：8.4，10.4，12.1，13.3，14.1，15.1,17监视器：监视器：15.1，17.1，18.5,19,，27TV：22，26，32，37，40，42，45，46，47，52，54，55，57，65，70，82，100，108PDP：21，25，32，37，40，42，46，50，55，60，61，63，70，76，80，102，103，150LED：（4）显示屏尺寸2018

26、-9-633/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量 4:3 640 480，800 600，1024 768等等模拟模拟电视，视频显示终端电视，视频显示终端 5:4 1280 1024等等视频显示终端视频显示终端 16:9 852 480，1366 768（LCD/PDP标准），标准），1400 900，1680 x1050,1920 1080等等模拟模拟电视，数字电视电视，数字电视 16:10 1920 1200等等视频显示终端视频显示终端 其他：其他：1024x576,1600768.?不同不同幅型比幅型比/分辨率的原因？信号的分辨率？最佳显示模式？分辨率的原因？信号的分辨

27、率？最佳显示模式？（5）显示幅型比/分辨率Aspect Ratio2018-9-634/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量模拟电视分辨率模拟电视分辨率格式格式NTSC（525/60）PAL/SECAM（625/50）每场行数每场行数262.5312.5每帧行数每帧行数525625每帧有效行数（扣除场消隐）每帧有效行数（扣除场消隐）485575（6）分辨率（Analog TV）2018-9-635/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量数字电视分辨率数字电视分辨率制式制式分辨率分辨率扫描格式扫描格式ATSC（美国）（美国）640 480Interlaced（隔行）

28、（隔行）720 480Interlaced（隔行）（隔行）1280 720progressive（逐行）（逐行）1920 1080Interlaced（隔行）（隔行）progressive（逐行）（逐行）DVB（欧洲）（欧洲）720 576I/P不定，建议不定，建议I1440 1152I/P不定，建议不定，建议I1920 1152I/P不定，建议不定，建议I2048 1152I/P不定，建议不定，建议IISDB-T（日本）（日本）1440 1035Interlaced（隔行）（隔行）2018-9-636/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量视频显示终端分辨率视频显示终端分辨率格

29、式格式显示容量显示容量宽高比宽高比QVGA3202404:3VGA6404804:3WVGA85248016:9SVGA8006004:3XGA10247684:3WXGA136676816:9SXGA12809604:3SXGA128010245:4UXGA160012004:3QXGA204815364:3GXGA（QSXGA）256020485:42018-9-637/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量像素之间的距离像素之间的距离，单位为单位为mmmm（7）像素节距Pixel Pitch2018-9-638/57信息显示器件概述信息显示器件概述三三、显示器件主要特性、显

30、示器件主要特性参量参量(2)(2)1.1.灰度等级灰度等级2.2.亮度亮度3.3.对比度对比度4.4.视角视角5.5.功耗功耗6.6.发光效率发光效率7.7.色域与显色体积色域与显色体积2018-9-639/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量全彩色：全彩色：Full Color，8 8 8=24 bits显示的亮度层次显示的亮度层次按二进制编码划分：按二进制编码划分：4 bits：16（24）灰度级灰度级，16 16 16=4K 颜色颜色5 bits：32（25）灰度级灰度级，32 32 32=32K 颜色颜色6 bits：64（26）灰度级灰度级，64 64 64=256K

31、 颜色颜色7 bits：128（27）灰度级灰度级，128 128 128=2M 颜色颜色8 bits：256（28）灰度级灰度级，256 256 256=16M 颜色颜色（8）灰度等级Gray Scale2018-9-640/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量（9）亮度单位面积发光强度单位面积发光强度，单位为单位为 cd/m2投影显示常用光通量投影显示常用光通量，光源的辐射功率光源的辐射功率，单位为流明单位为流明（lm）几种显示器件的亮度几种显示器件的亮度CRT：500 cd/m2FED：150 600 cd/m2PDP：300 1500 cd/m2LCD：300 600

32、cd/m2ELD：20 100 cd/m2 OLED：300 cd/m2LCD投影：投影：100 300 cd/m2Brightness,Luminance2018-9-641/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量暗室对比度（固有对比度）：暗室对比度（固有对比度）：Ci=Bmax/Bmin明室对比度（考虑环境光照的影响）：明室对比度（考虑环境光照的影响）：C环境环境照度照度E（lm/m2），荧光粉扩散反射系数），荧光粉扩散反射系数Rd。CBBC1C1maxR EminR EiR EBCR EBiCR EBdddmini dmaxi dmaxERdEBminBmax（10）对比度

33、Contrast Ratio2018-9-642/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量滤光膜可提高明室对比度，但相应会降低亮度。滤光膜可提高明室对比度，但相应会降低亮度。滤光膜透射率为滤光膜透射率为T T（1 1）。）。ERdT2ETBminTERdTETBmaxB11CCBCBminBR T ECR T ECR TEimaxBiR T ER T Emaxmaxdi di dmindd2222CBBC1C1maxR EminR EiR EBCR EBiCR EBdddmini dmaxi dmax在强环境照度下（在强环境照度下（R Rd dE E/B Bmaxmax）maxdC

34、BR EmaxdCBR TE或者或者2018-9-643/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量TFT LCD：早期：早期：40度度，目前：目前：160度度投影：投影：120度度其他显示器件：其他显示器件：160度度（11）视角View Angle2018-9-644/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量 显示器件显示器件的功率消耗与亮度成正比的功率消耗与亮度成正比。功耗过大会引起发热和其他不利功耗过大会引起发热和其他不利影响影响。为了抑制功耗过大为了抑制功耗过大，需要对与影像信号平均电平需要对与影像信号平均电平（APL，一般一般取取40%）相应的峰值亮度进行控制

35、和设定相应的峰值亮度进行控制和设定。电视机电视机出厂时出厂时，标准的调整状态为最高亮度标准的调整状态为最高亮度（全白画面全白画面）120-150cd/m2，峰值亮度峰值亮度（1%面积面积）为为420-550 cd/m2，这是普通家庭平均需这是普通家庭平均需要的性能要的性能。（PDP常采用常采用4%面积面积，国标国标1%峰值峰值）（12）功耗Power Consumption2018-9-645/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量发光效率（发光效率（）：单位辐射功率所转换的光通量。）：单位辐射功率所转换的光通量。（lm/W）光通量（光通量（lm）显示给定图像所消耗功率（显示给定

36、图像所消耗功率（W）黑场所消耗功率（黑场所消耗功率（W）40W钨丝灯泡钨丝灯泡，光通量为光通量为468lm，发光效率为发光效率为11.7 lm/W40W荧光灯荧光灯，光通量为光通量为2100lm，发光效率为发光效率为52.5 lm/W几种显示器件的发光效率几种显示器件的发光效率CRT：3 lm/W，FED：2-15 lm/W，PDP：2.2 lm/W，LCD：4.5 lm/WELD：2 lm/W，OLED：5-10 lm/W，LCD正投影：正投影：10 lm/W，LCD背投影：背投影：6 lm/W（13）发光效率Luminance Efficacy2018-9-646/57三、显示器件主要特性

37、参量三、显示器件主要特性参量（14）色域与显色体积显显色体积是一个三维指标，用以表明一台显示器在其所有亮度水平上的色彩再现能力。与此同时，在确保内色体积是一个三维指标，用以表明一台显示器在其所有亮度水平上的色彩再现能力。与此同时，在确保内容显示符合制作者意图方面，显色体积也是一项重要的标准。但是，为什么说显色体积和其他的颜色标准不容显示符合制作者意图方面，显色体积也是一项重要的标准。但是，为什么说显色体积和其他的颜色标准不一样呢一样呢？三星QLED TV显色体积100%在SDR的世界中，用二维颜色空间来表示一台显示器的色域被证明是令人满意的，因为经过校准之后的显示器拥有相似的表现。峰值亮度为1

38、00尼特，颜色通常在同一亮度水平显示峰值亮度的75%，达到较好的饱和度。在HDR时代，情况就完全不同了。举例来说，峰值亮度通常比SDR时代高510倍，三星QLED TV更是能够达到1520倍。亮度水平的变化对于颜色的显示产生了巨大的影响。例如，如果画面超过显示器峰值亮度，其颜色就可能无法正确显示，有时甚至导致画面呈现出“淡化”的效果。即使即使是相同的内容，在亮度范围不同的显示器上所表现出来的颜色也不尽相同是相同的内容，在亮度范围不同的显示器上所表现出来的颜色也不尽相同2018-9-647/57三、显示器件主要特性参量三、显示器件主要特性参量与普通的二维CIE 1931色彩空间图表(左)不同，三维显色体积更好测量显示器的色彩显色体积的数值越高，显示器就越能够表现出生动、准确的色彩。HDR的定义包括了各种性能指标，例如更高的对比度、更宽广的峰值亮度水平以及在大范围亮度水平上呈现出宽广色域的能力等等，而显色体积将这些指标都整合了起来。2018-9-648/57信息显示器件概述信息显示器件概述本节课结束本节课结束下一节课内容：下一节课内容：光度学和色度学基础光度学和色度学基础2018-9-649/57