顯示與成像技術(shù)-第一部顯示第一章-緒論

1、顯示與成像,,顯示與成像,成像---光電成像是一門研究光電成像的轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)、傳輸和貯存的學(xué)科---光電成像技術(shù)。成像系統(tǒng)是將客觀世界中的信息以各種方式轉(zhuǎn)換成圖像信息的科學(xué)系統(tǒng)。成像：提高了認(rèn)識(shí)世界探求自然真理的能力，豐富了人類的視覺世界，改變了人們的生活方式。,,顯示---從光源發(fā)出的光經(jīng)調(diào)制加載信號(hào)后通過(guò)傳輸媒質(zhì)到接收端，接收端再將所需信息解調(diào)并以圖像、圖形、數(shù)碼、字符等形式提供給人們以視覺上的感受。這一技術(shù)稱為顯示技術(shù)---光

2、電顯示技術(shù)。,李文峰 光電顯示技術(shù) 清華大學(xué)出版社，2010.,,使用教材,,1、余理富 信息顯示技術(shù). 電子工業(yè)出版社，2004 2、張興義. 電子顯示技術(shù).

3、 北京理工大學(xué)出版社，1995,主要參考書目,,,目 錄,,第1章 緒論 第2章 陰極射線管顯示技術(shù) 第3章 液晶顯示技術(shù) 第4章 發(fā)光二極管顯示技術(shù),第5章 等離子體 第6章 激光顯示技術(shù) 第7章 新型光電顯示技術(shù) 第8章 大屏幕顯示技術(shù),,,第1章 緒論,1.1 顯示技術(shù)概述 1.1.1 研究顯示技術(shù)的意義 1.1.2 顯示

4、技術(shù)的發(fā)展過(guò)程 1.1.3 顯示器件分類 1.2 顯示參量與人的因素 1.2.1 光的基本特性 1.2.2 人眼的視覺特性 1.2.3 色彩學(xué)基礎(chǔ) 1.2.4 顯示器件主要性能指標(biāo),,,第1章 緒 論,1.1 顯示技術(shù)概述,顯示技術(shù)：將電子設(shè)備輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換 成視覺可見的圖像、圖形、數(shù)碼及 字符等光信號(hào)的一門技術(shù)。

5、 光電顯示技術(shù)是多學(xué)科交叉技術(shù)， 包括光學(xué)、激光、電子學(xué)、材料、發(fā)光 、視覺、色彩等相關(guān)知識(shí)。,,,第1章 緒 論,1.1.1 研究顯示技術(shù)的意義,信息獲取是信息傳輸、處理、顯示和存儲(chǔ)的前提，是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的首要步驟。人類感知世界首先靠自己的感覺器官，眼睛具有對(duì)信息并行處理功能，它所獲得的信息占總獲得信息量的65%以上。,視覺信息特別是圖像，能達(dá)到“眼見為實(shí)”、“一目了然”的效果。圖像顯示成為信息顯示的最重要的方式

6、。,圖1-1 信息獲取示意圖,,,1.1.2 顯示技術(shù)的發(fā)展過(guò)程,（1）1897年，德國(guó)人布勞恩發(fā)明了第一只CRT，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)向光輸出的轉(zhuǎn)換，成為電子顯示技術(shù)的起點(diǎn)。 （2）1924年，美國(guó)無(wú)線電公司(RCA)俄裔科學(xué)家佐里金發(fā)明的光電攝像管和顯像管打開了電視系統(tǒng)由機(jī)械進(jìn)入電子時(shí)代的大門，出現(xiàn)了黑白電視。,第1章 緒 論,圖1- 2 CRT和黑白電視機(jī),,,（3）1928年，佐里金又取得了彩色電視系統(tǒng)的發(fā)明專利。

7、 （4）1950年，RCA公司研制了第一只彩色顯像管。,1.1.2 顯示技術(shù)的發(fā)展過(guò)程,第1章 緒 論,圖1- 3 彩色CRT和彩色電視機(jī),,,（5） 60-70年代至今發(fā)展起來(lái)的是平板顯示器LCD、LED、PDP、ELD等顯示器。,1.1.2 顯示技術(shù)的發(fā)展過(guò)程,使用LCD屏的電腦顯示器 使用PDP屏的彩色電視機(jī)如今平板顯示器所占市場(chǎng)份額已超過(guò)CRT。,第1章 緒 論,圖1- 4 新型彩色

8、平板顯示器,,,(1) 主動(dòng)發(fā)光型和被動(dòng)顯示型,1.1.3 顯示器件分類,第1章 緒 論,主動(dòng)發(fā)光型：利用信息調(diào)制各像素的發(fā)光亮度和 顏色進(jìn)行直接顯示。 例如： 陰極射線管 CRT、 等離子體顯示器PDP、 電致發(fā)光顯示ELD、 真空熒光管 VFD、 場(chǎng)致發(fā)光顯示器FED、 發(fā)光二極管 LED、 輝光放電管 GDD,非主動(dòng)發(fā)

9、光型：本身不發(fā)光，利用信息調(diào)制外光源 進(jìn)行顯示。 例如： 液晶顯示器 LCD、 電致變色顯示器 ECD、 電泳顯示器 EPD、 鐵電陶瓷顯示器 PLZT,,,,1.2 顯示參量與人的因素,第1章 緒 論,人能感覺到圖像的顏色和亮度是眼睛的生理結(jié)構(gòu)造成的。 在顯示技術(shù)中，顯示效果和人眼的特性有著很大的關(guān)系。,波長(zhǎng)不同的可見光光

10、波，給人的顏色感覺不同，亮度感覺也不同，人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的靈敏度是不同的。,,,第1章 緒 論（1）光的輻射波譜,1.2.1 光的基本特性,,,第1章 緒 論,1.2.1 光的基本特性,（2） 光的度量單位 (a)光通量：光源單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量 稱為光通量。單位為流（lm) ， 用符號(hào)Φ表示。（描述發(fā)

11、光能力）光通量與眼睛的分光敏感度有關(guān)。 當(dāng)λ＝555nm的單色光輻射功率為1W時(shí)，產(chǎn)生的光通量為683lm，或稱1光瓦。在其它波長(zhǎng)時(shí)，由于相對(duì)視敏度V(λ)下降相同輻射功率所產(chǎn)生的光通量隨之下降。,,,第1章 緒 論,1.2.1 光的基本特性,40W的鎢絲燈泡其輸出的光通量約為468lm，發(fā)光效率為11.7 lm／W； 40W的日光燈可以輸出2100lm的光通量，發(fā)光效率為52.5 lm／W； 電視

12、演播室鹵鎢燈其發(fā)光效率大約可達(dá)80 ～ 100 lm／W。,,,第1章 緒 論,1.2.1 光的基本特性,(b)發(fā)光強(qiáng)度： 光源在給定方向的單位立 體角輻射的光通量稱為光源 在該方向的發(fā)光強(qiáng)度。單位 為坎德拉（cd) ，用符號(hào)I表示。 I = d Φ /dω

13、 （1-1）,,,第1章 緒 論,1.2.1 光的基本特性,(c)光照度：?jiǎn)挝皇芄饷娣e上所接收的光通 量稱為光照度。單位勒克斯(lx), 用符號(hào)E表示。（描述受光面積的明亮程度） E = d Φ /ds （1-2） 表1-1典型環(huán)境下的光照度,,,,第

14、1章 緒 論,1.2.1 光的基本特性,(d)亮度：垂直于傳播方向單位面積上的發(fā) 光強(qiáng)度稱為亮度。單位尼特(cd/ ), 用L表示。（描述發(fā)光體表面的明亮程度） L = (d Φ /d ω)/ ds （1-3）

15、 圖1-2 視在面積,,,,,,,,,,,第1章 緒 論,1.2.1 光的基本特性,表1-2 一些實(shí)際光源的亮度 （尼特）,,,第1章 緒 論,1.2.2 人眼的視覺特性,（1）人眼的視覺生理基礎(chǔ) 人眼視網(wǎng)膜上有大量的光敏細(xì)胞，按形狀分為桿狀

16、細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。 桿狀細(xì)胞靈敏度很高，但卻對(duì)彩色不敏感，人的夜間視覺主要靠它起作用，因此，在暗處只能看到黑白形象而無(wú)法辨別顏色。 錐狀細(xì)胞既可辨別光的強(qiáng)弱，又可辨別顏色，白天視覺主要由它來(lái)完成。,圖1- 6 眼球的構(gòu)造,,,第1章 緒 論,1.2.2 人眼的視覺特性,（2）人眼的視覺靈敏度 錐狀細(xì)胞又可分成三類，分別稱為紅敏細(xì)胞、綠敏細(xì)胞、藍(lán)敏細(xì)胞它們各自的相對(duì)視敏函數(shù)

17、曲線分別為VR（λ）、VG（λ）VB（λ）如圖1-7所示，其峰值分別在580nm、540nm、440nm處，VB（λ）曲線幅度很低，已將其放大20倍。,,,第1章 緒 論,1.2.2 人眼的視覺特性,三條曲線的總和等于相對(duì)視敏函數(shù)曲線（λ），三條曲線是部分交叉重疊的，很多單色光同時(shí)處于兩條曲線之下。 例如：600nm的單色黃光就處在VR（λ）、VG（λ）曲線之下，所以600nm的單色黃光既激勵(lì)了紅敏細(xì)胞，

18、又激勵(lì)了綠敏細(xì)胞，引起混合的感覺。,,,第1章 緒 論,1.2.2 人眼的視覺特性,當(dāng)混合紅綠光同時(shí)作用于視網(wǎng)膜時(shí)，分別使紅敏細(xì)胞、綠敏細(xì)胞同時(shí)受激勵(lì)，只要混合光的比例適當(dāng)，所引起的彩色感覺，可以與單色黃光引起的彩色感覺完全相同。 不同波長(zhǎng)的光對(duì)三種細(xì)胞的刺激量是不同的，產(chǎn)生的彩色視覺各異，人眼因此能分辨出五光十色的顏色。,,,第1章 緒 論,1.2.2 人眼的視覺特性,（3）人眼的分辨力 分辨

19、力是指人眼在觀看景物時(shí)對(duì)細(xì)節(jié)的分辨能力。,,,第1章 緒 論,1.2.2 人眼的視覺特性,分辨力：眼睛對(duì)被觀察物上相鄰兩點(diǎn)之間能分辨的最小距離所對(duì)應(yīng)的視角θ的倒數(shù)，即 分辨力= 1/θ （1-4）用L表示眼睛與圖像之間的距離，d表示能分辨的兩點(diǎn)間最小距離，則有： θ=3438 （′） （1-5）,,,第1章 緒 論,1.2

20、.2 人眼的視覺特性,（4）人眼的視覺墮性 實(shí)驗(yàn)證明，人眼的主觀亮度感覺與客觀光的亮度不是同步的。 當(dāng)一定強(qiáng)度的光突然作用于視網(wǎng)膜時(shí)，不能在瞬間形成穩(wěn)定的主觀亮度感覺，而是按近似指數(shù)規(guī)律上升；當(dāng)亮度突然消失后，人眼的亮度感覺并不立即,,,第1章 緒 論,1.2.2 人眼的視覺特性,消失，也是按近似指數(shù)規(guī)律下降。人眼的亮度感覺總是滯后于實(shí)際亮度的，這一特性稱為視覺惰性或視覺暫留。,圖1-9人眼的視覺惰性,

21、,圖1-9(a)表示作用于人眼的光脈沖，圖1-9(b)表示該光脈沖造成的主觀亮度感覺，它滯后于實(shí)際的光脈沖。,,,第1章 緒 論,1.2.2 人眼的視覺特性,圖中，光脈沖消失后，亮度感覺還要一段時(shí)間才能消失。圖1-9(b)中t1～t2就是視覺暫留時(shí)間。 在中等亮度的光刺激下，視力正常的人視覺暫留時(shí)間約為0.1s。 人眼視覺暫覺留時(shí)間，在日間視覺時(shí)約為0.02秒，中介視覺時(shí)為0.1秒，夜間視覺時(shí)為0.2秒。,,,

22、第1章 緒 論,1.2.3 色彩學(xué)基礎(chǔ),（1）彩色三要素 描述一種色彩需要用亮度、色調(diào)和飽和度三個(gè)基本參量，這三個(gè)參量稱為彩色三要素。,,,第1章 緒 論,1.2.3 色彩學(xué)基礎(chǔ),亮度反映光的明亮程度 光譜一定的彩色光（發(fā)光物體），輻射功率越大，亮度越高，反之則亮度越低。 不發(fā)光物體的亮度取決于它反射光功率的大小。 照射光越強(qiáng)，物體越明亮，反之則越暗。 物體的反射性能越

23、好，物體越明亮，反之則越暗。,,,第1章 緒 論,1.2.3 色彩學(xué)基礎(chǔ),色調(diào)反映彩色的類別 例如紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等不同顏色。 發(fā)光物體的色調(diào)由光的波長(zhǎng)決定，不同波長(zhǎng)的光呈現(xiàn)不同的色調(diào)。 不發(fā)光物體的色調(diào)由照明光源和該物體的吸收、反射或透射特性共同決定。,,,第1章 緒 論,1.2.3 色彩學(xué)基礎(chǔ),色飽和度反映彩色光的深淺程度 同一色調(diào)的彩色光，會(huì)給人以深淺不同的感覺。

24、例如：深紅、粉紅是兩種不同飽和度的紅色，深紅色飽和度高，粉紅色飽和度低。飽和度與彩色光中的白光比例有關(guān)，白光比例越大，飽和度越低。,,,第1章 緒 論,1.2.3 色彩學(xué)基礎(chǔ),高飽和度的彩色光可加白光來(lái)沖淡成低飽和度彩色光。 飽和度最高稱為純色或飽和色。譜色光就是純色光，其飽和度為100%。 飽和度低于100%的彩色稱也稱為非飽和色，日常生活中所見到的大多數(shù)彩色是非飽和色。白光的飽和度為0。,,,第1章 緒 論

25、,1.2.3 色彩學(xué)基礎(chǔ),（2）三基色原理 a）自然界中絕大多數(shù)的彩色可以分解為三基色，三基色按一定比例混合，可以得到自然界中絕大多數(shù)的彩色； b）三種基色必須是相互獨(dú)立的； c）混合色的色調(diào)和飽和度由三基色的混合比例決定； d）混合色的亮度等于三種基色亮度之和。,,,第1章 緒 論,1.2.3 色彩學(xué)基礎(chǔ),三基色原理是彩色電視技術(shù)的基礎(chǔ)，攝像機(jī)把圖像分解成三基色信號(hào)，電視機(jī)又用三基色信號(hào)配

26、出原圖像的色彩，圖像信息的傳送變得容易實(shí)現(xiàn)。,,,第1章 緒 論,1.2.4 顯示器件主要性能指標(biāo),（1）像素 像素是組成圖像的最小單位，具有一定的 亮度和色彩屬性。 表1-3 顯示器制式與像素、寬高比,,,第1章 緒 論,1.2.4 顯示器件主要性能指標(biāo),（2）分辨率 分辨率是指屏幕上單位面積顯示像素的數(shù)量。（3）亮度

27、 顯示器件的亮度，是指從給定方向上觀察 的任意表面單位投射面積上的發(fā)光強(qiáng)度。單位 為cd/ ，不同的場(chǎng)合對(duì)亮度的要求不同。,,,第1章 緒 論,1.2.4 顯示器件主要性能指標(biāo),（4）對(duì)比度 指畫面上最大亮度與最小亮度的比。 好的圖像顯示應(yīng)達(dá)到30:1的對(duì)比度。對(duì)比度越高，還原的畫面層次感越好。（5）灰度 指圖像畫面上亮度的等級(jí)差別。 顯示器重現(xiàn)原圖像時(shí)灰度應(yīng)達(dá)

28、到8級(jí)左右；顯示灰度級(jí)數(shù)越多，圖像層次越分明；人眼在明亮的白天觀看圖片時(shí)可分辨的最大灰度級(jí)為100級(jí)。,圖1-10 八級(jí)灰度等級(jí)示意圖,,,第1章 緒 論,1.2.4 顯示器件主要性能指標(biāo),（6）分辨力 能夠分辨出圖像最小細(xì)節(jié)的能力，是人眼觀察圖像清晰程度的標(biāo)志，用能夠從屏幕上分辨出黑白交替直線條的總數(shù)來(lái)表示。,CRT顯示器用每幀畫面的掃描行數(shù)或掃描線數(shù)來(lái)表示， 如 525行，625行，1024行等。

29、 平板顯示則直接用電極線數(shù)來(lái)表示，例如1024×768，指 水平分辨力1024線，垂直分辨力768線，它所顯示的畫面是 由 1024×768個(gè)像素構(gòu)成。 高清電視(HDTV)掃描行數(shù)或電極線數(shù)要大于1000。 顯然，分辨力越高，則每幀畫面的像素就越多， 包含的細(xì)節(jié)越多，信息量就越大，圖像越清晰。,,,第1章 緒 論,1.2.4 顯示器件主要性能指標(biāo),,,（7）響應(yīng)時(shí)間,（a)黑

30、白響應(yīng)時(shí)間:是描述液晶顯示器各像素點(diǎn)對(duì)黑白信號(hào)反應(yīng)的速度。即像素由暗轉(zhuǎn)亮或由亮轉(zhuǎn)暗所需要的時(shí)間（其原理是在液晶分子內(nèi)施加電壓，使液晶分子扭轉(zhuǎn)與回復(fù)）。 響應(yīng)時(shí)間越短有利于畫面的快速切換，在顯示快速運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)像。 。 一般將黑白響應(yīng)時(shí)間分為兩個(gè)部分：上升時(shí)間（Rise time）和下降時(shí)間（Fall time），而表示時(shí)以兩者之和為準(zhǔn)。,,,第1章 緒 論,1.2.4 顯示器件主要性能指標(biāo),,全白全黑

31、畫面的切換所需的驅(qū)動(dòng)電壓是比較高的，所以切換速度比較快；而實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)都是灰階畫面的切換（其實(shí)質(zhì)是液晶不完全扭轉(zhuǎn)，不完全透光），所需的驅(qū)動(dòng)電壓比較低，故切換速度相對(duì)較慢。 （b）灰階響應(yīng)時(shí)間：是描述液晶顯示器各像素點(diǎn)對(duì)中等幅值輸入信號(hào)反應(yīng)的速度。即像素由灰轉(zhuǎn)灰所需要的時(shí)間。,,,第1章 緒 論,1.2.4 顯示器件主要性能指標(biāo),,響應(yīng)時(shí)間和余輝時(shí)間短，有利于畫面的快速切換，在顯示快速運(yùn)動(dòng)圖像時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)拖尾或余像。,針對(duì)熒