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视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展

2017-09-27 [责任编辑:wenwei]
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【导读】相信绝大多数家庭从拥有第一台电视机开始,到现在已经更换了好几代了。从12寸黑白显像管电视机,到现在的彩色大屏幕高清液晶,显示技术或者说是显示屏,作为电子产品的重要交互手端,一直随着电子产品的进步而飞速发展。
 
尤其是近年来,随着通信技术的迅速发展以及人们对显示设备的色彩追求和显示实用性的追求,迫使着显示设备向多功能和数字化方向发展。具体来说,现代显示器件正向高密度、高分辨率、节能化、高亮度、彩色化、大屏幕的方向发展。
 
从最传统的CRT显示器、LCD显示器到现在的3d显示器、最新的头戴式显示器,再到全息投影显示技术等,无不体现着人类的智慧与想象力,无不体现着“没有做不到,只有想不到”。
 
CRT阴极射线

显像管技术
 
1897,诺贝尔奖获得者、著名物理学家和发明家卡尔·布劳恩创造了第一个CRT阴极射线管。其工作原理是:电子枪发射高速电子,经过垂直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度,最后高速电子击打屏幕上的磷光物质使其发光。但是,在CRT发明之初,就是一个用来研究电子特性的设备,和显示技术没有半毛钱关系。
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
1925年,约翰·洛吉·贝尔德在伦敦的一次实验中使用CRT器材“扫描”出木偶的图象成为一个转折点,其被称为电视诞生的标志,而同一时间斯福罗金也创造了自己的电视系统,但是这两个人实现图像传输的模式有些不同,但都是由CRT设备实现的。其中对未来影响最大的就是斯福罗金的“电视”系统了,这种全电子模式也是未来电视发展的一个起点。
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
随后的几年,电视设备开始进入大发展阶段,并且电视也开始逐渐普及。此后,业界开始大力研制彩色显像管。1954年,第一台民用支持NTSC标准的彩色电视机RCA CT-100诞生,这也是彩色电视机普及的开端。随后全世界各国都在开发和生产电视,电视产业成为一个新兴的产业蓬勃兴旺的发展着。
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
球面显像管
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
现在我们已经很难看到最早的采用绿显、单显显像管的显示器。当时这些显示器都是阴极射线管(CRT)显示器,采用的是孔状荫罩,其显像管断面基本上都是球面的,因此被称做球面显像管,这种显示器的屏幕在水平和垂直方向上都是弯曲的,这种弯曲的屏幕造成了图像失真及反光现象,也使实际的显示面积较小。
 
平面直角显像管
 
随着电子整体水平的进步,人们对显示器的要求也越来越高。到了1994年,为了减小球屏四角的失真和反光,新一代的“平面直角”显像管诞生了。当然,它并不是真正意义上的平面,只是其球面曲率半径大于2000毫米,四角为直角。
 
它使反光和四角失真程度都减轻不少,再加上屏幕涂层技术的应用,使画面质量有了很大的提高。因此,各个显示器厂商都迅速推出了使用“平面直角”显像管的显示器,并逐渐取代了采用球面显像管的显示器。
 
在此之后,日本索尼公司开发出了柱面显像管,采用了条栅荫罩技术,即特丽珑(Trinitron)技术的出现,三菱公司也紧随其后,开发出钻石珑(Diamondtron)技术,这使得屏幕在垂直方向实现完全的笔直,只在水平方向仍略有弧度,另外加上栅状荫罩的设计,使显示质量大幅度上升。
 
从1998底开始,一种崭新的完全平面显示器出现了,它使CRT显示器达到了一个新的高度。这种显示器的屏幕在水平和垂直方向上都是笔直的,图像的失真和屏幕的反光都被降低到最小的限度。例如LG公司推出的采用Flatron显像管的“未来窗”显示器,它的荫罩是点栅状的,使显示效果更出众。
 
CRT显示器历经发展,显示质量越来越好,但显像管要求电子枪发出的电子束从一侧偏向另一侧的角度不能大于90度,这使得显示器的厚度要与屏幕的对角线一样长,对于具有更大可视面积的显示器来说,就意味着更厚的机身和更大的体积。
 
彩色显像管电视机占据主流市场长达50年之久。直到2005年其主流地位才开始受到来自液晶、等离子等新型显示技术的挑战。
 
LCD液晶显示技术
 
早在19世纪末,奥地利植物学家就发现了液晶,即液态的晶体,也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。在电场的作用下,液晶分子的排列会产生变化,从而影响到它的光学性质,这种现象叫做电光效应。利用液晶的电光效应,英国科学家在上世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。
 
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LCD到目前为止是应用最为广泛的一种显示技术,与传统的CRT相比,LCD不但体积小,厚度薄,重量轻、耗能少(1到10 微瓦/平方厘米)、工作电压低且无辐射,无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。由于优点众多,LCD从1998年开始进入应用领域。
 
单色LCD液晶显示器的原理
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。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度扭转的状态。
 
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度。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。
 
彩色LCD液晶显示器的工作原理
 
对于更加复杂的彩色显示器而言,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,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。
 
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根据液晶分子的排布方式,常见的液晶显示器分为:窄视角的TN-LCD,STN-LCD,DSTN-LCD和宽视角的IPS,VA,FFS等。
 
其中TN-LCD,STN-LCD和DSTN-LCD三种显示原理相同,只是液晶分子的扭曲角度不同而已。
 
TN: 扭曲向列型液晶分子扭曲角度为90度。
 
STN:超扭曲向列型其S即为Super之意,也就是液晶分子的扭转角度加大,呈180度或270度,如此而达到更优越的显示效果(因对比度加大)。
 
DSTN:双层超扭曲向列型。其D为双层之意,因此又比STN更优异些。由于DSTN的显示面板结构已较TN与STN复杂,显示画质较之更为细腻。
 
宽视角模式多用于液晶电视。以IPS为例,它也被俗称为 “Super TFT”。从技术角度看,传统LCD显示器的液晶分子一般都在垂直-平行状态间切换,而IPS 技术与上述技术最大的差异就在于,不管在何种状态下液晶分子始终都与屏幕平行,只是在加电/常规状态下分子的旋转方向有所不同。
 
从液晶面板的驱动方式来分,目前最常见的是TFT型驱动。它通过有源开关的方式来实现对各个像素的独立精确控制,因此相比之前的无源驱动可以实现更精细的显示效果。
 
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TFT-LCD的构成主要由萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等构成。首先,液晶显示器必须先利用背光源投射出光源,这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶。
 
这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶中传播的光线的偏振角度,然后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变加在液晶上的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩,这样就能在液晶面板上变化出有不同色调的颜色组合了。
 
早期的LCD由于是非主动发光器件,速度低,效率差,对比度小,虽然能够显示清晰的文字,但是在快速显示图像时往往会产生阴影,影响视频的显示效果,因此,如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑,呼机或手机中。
 
现在,几乎所有的应用于笔记本或桌面系统的LCD都使用薄膜晶体管(TFT)激活液晶层中的单元格。TFT LCD技术能够显示更加清晰,明亮的图像。
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
随着技术的日新月异,LCD技术也在不断发展进步。目前各大LCD显示器生产商纷纷加大对LCD的研发费用,力求突破LCD的技术瓶颈,进一步加快LCD显示器的产业化进程、降低生产成本,实现用户可以接受的价格水平。
 
PDP等离子显示技术
 
等离子显示器又称为电浆显示屏,是一种平面显示屏幕,光线由两块玻璃之间的离子,射向磷质而发出。与液晶显示器不同,放出的气体并无水银成分,而是使用惰性气体氖及氙混合而成,这种气体是无害气体。
 
等离子显示屏甚为光亮,可显示更多种颜色,也可制造出较大面积的显示屏,最大对角可达381厘米。等离子显示屏的对比度亦高,可制造出全黑效果,对观看电影尤其适合。显示屏厚度只有6厘米,连同其他电路板,厚度亦只有10厘米。
 
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等离子显示器色在彩还原度、可视视角、无拖尾等各项画质指标均优于液晶,这么好的产品,但是为什么市面上的等离子电视怎么会越来越少了呢?
 
PDP技术有以下几个缺点:
 
1、生产精度高,成本高。
 
2、无法做小尺寸,一般都是40英寸已上的大电视机。
 
3、有“烧屏现象”。
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
其实PDP综合来看效果要优于LCD。曾经以40英寸为分界线,“大屏看等离子、小屏看液晶”的差异化定位一度使两者分野,但大尺寸的液晶电视量产后,等离子的优势荡然无存。
 
好的技术与好的市场不是等号关系,液晶能一统江湖关键还在于生产成本适应了大众需求。更重要的是,获得了主导市场的众多彩电企业的认可。所有的技术都在不停地寻找突破口,而等离子只是停留在了原地,然后被淹没,如昙花一现。
 
LED有机发光

二极管显示技术
 
在CRT时代,英国无线电研究员Henry Joseph Round率先发现电场发光,奠定了之后LED技术发展的基础。随后的1961年,德州仪器为红外线LED(首个发光二极管)申请了专利。然而,该产品是人眼不可见的。1962年,Nick Holonyack发明了首个人眼可见的LED灯,并被称为“LED之父”。
 
1987,伊士曼·柯达公司发明了OLED有机发光二极管技术,为柔软显示设备的出现铺垫了道路。因其具备面板结构简单、厚度薄、对比度高、响应速度快、温度适应范围广等液晶电视不可比拟的优势,被业内称为未来最具竞争力的显示器,被公认为新一代的显示技术。
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
OLED是一种由有机分子薄片组成的固态设备,施加电压之后就能发光。OLED能让电子设备产生更明亮、更清晰的图像,其耗电量小于传统的发光二极管(LED),也小于当今人们使用的液晶显示器(LCD)。
 
OLED是一种固态半导体设备,其厚度为100-500纳米,比头发丝还要细200倍。OLED由两层或三层有机材料构成;依照最新的OLED设计,第三层可协助电子从阴极转移到发射层。
 
OLED的结构
 
OLED由以下各部分组成:
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
基层--基层用来支撑整个OLED。
 
阳极--阳极在电流流过设备时消除电子。
 
有机层--有机层由有机物分子或有机聚合物构成。
 
导电层--该层由有机塑料分子构成,这些分子传输由阳极而来的“空穴”.可采用聚苯胺作为OLED的导电聚合物。
 
发射层--该层由有机塑料分子(不同于导电层)构成,这些分子传输从阴极而来的电子;发光过程在这一层进行。可采用聚芴作为发射层聚合物。
 
阴极--当设备内有电流流通时,阴极会将电子注入电路。
 
相对于传统显示器及照明领域的设备,OLED具有以下优点。
 
1、超薄。厚度可以小于1毫米,仅为LCD屏幕的1/3,并且重量也更轻;
 
2、抗震耐用。固态机构,没有液体物质,因此抗震性能更好,不怕摔;
 
3、可视角度大。几乎没有可视角度的问题,很大的视角下观看,画面仍然不失真;
 
4、成本低。制造工艺简单,成本更低;
 
5、响应速度快。响应时间为μs量级,显示运动画面绝对不会有拖影的现
 
6、工作温度范围宽。可工作于-40~75℃;
 
7、可弯曲。能够在不同材质的基板上制造,可以做成能弯曲的柔软显示器。
 
OLED的分类
 
OLED 以驱动方式可分为无源驱动PMOLED)与有源驱动(AMOLED)两种,OLED的驱动方式是属于电流驱动。
 
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PMOLED具有阴极带、有机层以及阳极带。阳极带与阴极带相互垂直。阴极与阳极的交叉点形成像素,也就是发光的部位。外部电路向选取的阴极带与阳极带施加电流,从而决定哪些像素发光,哪些不发光。此外,每个像素的亮度与施加电流的大小成正比。
 
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PMOLED易于制造,但其耗电量大于其他类型的OLED,这主要是因为它需要外部电路的缘故。PMOLED用来显示文本和图标时效率最高,适于制作小屏幕,例如人们在移动电话、掌上型电脑以及MP3播放器上经常能见到的那种。即便存在一个外部电路,被动矩阵OLED的耗电量还是要小于这些设备当前采用的LCD。
 
而AMOLED在技术上的优势几乎是传统LCD难以企及的。
 
1、对比传统LCD,AMOLED屏幕非常薄,并且可以在屏幕中集成触摸层,做超薄机更有优势。
 
2、高分辨率AMOLED采用pentile排列,不像传统LCD那样一个像素点等于红绿蓝三个亚像素的合集,而是一个像素=1绿0.5(蓝 红) ,大幅强调绿色,使画面看起来更鲜艳。
 
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3、AMOLED自发光,单个像素在显示黑色时下不工作,显示深色时低功耗。所以AMOLED在深色下省电,并且具有传统LCD几百倍的对比度,还不会漏光。
 
4、AMOLED具有一定的柔韧性,比起玻璃基板的LCD屏幕不宜损坏。
 
5、AMOLED和SUPER AMOLED的色域都非常广。
 
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OLED显示技术具体LCD及LED无可比拟的优势,但是依然存在相当多的问题。由于平面电视已进入成熟期,价格竞争激烈,不管是消费者或电视品牌业者,对于产品价格都非常敏感,然而OLED有机材料寿命不长,加上制程复杂,导致生产成本相当高,良率也不容易提升。短期内,业界人士认为OLED面板仍会先以小尺寸的行动装置市场为主力,导入电视、照明等应用,还需要时间发酵。
 
QLED量子点显示技术
 
量子是现代物理的重要概念。最早是M·普朗克在1900年提出的。量子点是极小的半导体晶体,大小约为3到12纳米,仅由少数原子构成,所以其活动局限于有限范围之内,而丧失原有的半导体特性。
 
也正因为其只能活动于狭小的空间,因此影响其能量状态就容易促使其发光(目前一般通过电子或光子激发量子点,产生带色彩的光子),科学家实验的结果是,可依据其内部结构与大小的不同,发出不同颜色的光,量子点尺寸越大越偏向光谱中的紫色域、越小则越偏向红色,如果计算足够精确,就可如图所指示发出鲜艳的红绿蓝光,正好用作显示器的RGB原色光源。
 
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量子点技术如何应用于液晶面板
 
量子点材料需要在短波长光线下才能激发发光,目前的做法是将量子点材料涂布在有机薄膜上,形成量子点光学薄膜应用在背光模组中,再搭配液晶面板使用。与传统背光不同的是,白光LED需更换为蓝光LED,从成本上来看,蓝光LED不要封装荧光粉,所以其价格会更低。
 
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由于传统白光LED采用的是蓝光LED外加黄色荧光粉的方式,所以其光谱分布上,蓝光部分相对比较纯正,而绿光和红光部分没有明显的峰值,导致在搭配彩膜时,液晶模组的红色和绿色的饱和度不高。而使用量子点背光红绿蓝三色光峰值明显,经过彩膜后颜色的饱和度也较高。使用量子点技术的液晶显示器在颜色表现上不输于OLED显示器。
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
综上所述,QLED的结构与OLED技术非常相似,主要区别在于QLED的发光中心由量子点物质构成。量子点技术显然具有不错的应用前景,且很有可能因此取代一直难产的OLED显示技术。
 
视觉的进化:浅析显示技术的种类和发展
 
目前QLED的量子点显示技术还存在如下问题:
 
QLED的量子点因其容易受热量和水分影响的缺点,无法实现与自发光OLED相同的蒸镀方式,只能研发喷墨印刷制程。目前,QLED技术还处于刚刚起步阶段,存在可靠性/效率低、蓝色元件寿命不稳定、溶液制程研发困难等制约因素,因此业内认为现阶段离商用化还有一段较长的时间。
 
未来显示技术发展趋势

OLET有机发光晶体显示技术
 
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OLET由三层材料组成,底层是传导电力的物质,中间一层在电力通过时会发光,最上面一层则是控制光通过的量,整组材料一共厚仅62nm。目前技术上还有一些电压上的问题要克服,但OLET可以比OLED还要有效率2到100倍,未来将可以用在任何显示屏幕上,甚至可以用在芯片上代替铜线传递讯号。
 
IMOD干涉仪调节器显示技术
 
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IMOD属于反射式显示技术,是一种新的显示技术,即便是在阳光照射下,它也能使手机的显示器清晰锐丽。它展现色彩的过程与蝴蝶翅膀的闪闪发光原理相同。基于imod技术的显示设备不需要背光源。这种显示技术相对于其他显示技术拥有显著的低功耗性能,可大幅延长设备的电池寿命。
 
LPD激光荧光体显示技术
 
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LPD是Prysm独有的显示技术及大尺寸显示平台。它是所有Prysm显示解决方案的核心且代表下一代大尺寸数字显示。LPD由以下主要组件组成:激光引擎、激光处理器及荧光面板。LPD使用获得专利的激光引擎和磷光荧光体面板,利用低功率固态激光创造令人叹为观止的等身尺寸图像。
 
从根本上不同于基于LED和液晶技术的显示方案,LPD解决方案——包含LPD技术和其它组件的封装配置——提供鲜艳的等身大小图像品质、无与伦比的视角及行业最小的环境影响。与其它数字技术相比,LPD技术具有最低运营成本并提供最先进的功能性、优越性和使用可能性。
 
 
 
 
 
 
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