1绪论

1.1 光电显示技术概述

1.1.1 研究显示技术的意义

1.1.1.1 研究显示技术的意义

人类获取信息的方式：

电视和网络技术普及之前是:
视觉占60％，听觉占20％，触觉占15％，味觉占3％，嗅觉占2％。

电视和网络技术普及之后是:
视觉占83％，听觉占11％，触觉占3.5％，嗅觉占1.5％,味觉占1％。

显示（display）： 就是指对信息的表示（information display）。在信息工程学领域中，把显示技术限定在基于光电子手段产生的视觉效果上，即根据视觉可识别的亮度、颜色，将信息内容以光电信号的形式传达给眼睛产生视觉效果。

光电显示技术 是将电子设备输出的电信号转换成视觉可见的图像、图形、数码以及字符等光信号的一门技术。它作为光电子技术的重要组成部分，近年来发展迅速，应用广泛。

1.1.1.2 显示技术的发展历史

显示技术展望

显示器件	发展趋势
阴极射线管	提高分辨率，小型化，平板化
真空荧光显示器	多色，矩阵显示的实际使用
交流等离子体显示器	驱动的简化
直流等离子体显示器	提高电视显示效率
电泳显示器	改进可靠性
电致变色显示器	改进可靠性
液晶显示器	彩色，小电视的实际使用
发光二极管	高亮度，蓝LED的实际使用
电致发光显示器	矩阵显示商品化

1.1.2 光电显示器件分类

1.1.2.1 根据收视信息的状态分

1. 直观型（Direct View Type）：原则上把显示设备上出现的视觉信息直接观看的方式称为直观型。

1. 电子束型
2. 平板型
3. 数码显示器件

2. 投影型（Projection Type）：把由显示设备或者光控装置所产生的比较小的光信息经过一定的光学系统放大投射到大屏幕后收看的方式称为投影型。

1. 前投式
2. 背投式

3. 空间成像型（Space Imaging Type）：指采用某种光学手段（如激光）在空间形成可供观看图像的方式，从原理上说，图像大小与显示器无关,可以很大。空间成像显示因为图像具有纵深而大大提高了真实感和现场感。

1.1.2.2 根据像素本身发光与否，又可将显示器件分为以下两大类

1. 主动发光（emissive）型

在外加电信号作用下，主动发光型器件本身产生光辐射刺激人眼而实现显示。比如CRT、PDP、ELD、激光显示器(LPD: Laser Projection Display)等。

2. 被动显示(passive)型

在外加电信号作用下，被动显示型器件单纯依靠对光的不同反射呈现的对比度达到显示目的。

PS:人类视觉所感受的外部信息中，90%以上是由外部物体对光的反射，而不是来自物体发光。所以，被动显示更适合人的视觉习惯，不会引起疲劳。当然，被动显示在黑暗的环境下是无法显示的，这时我们必须为器件配上外光源。比如LED、各种光阀管（light valve）投影仪等。

1.1.2.3 其他分类方法

1. 按显示屏幕大小分类有：超大屏幕（$＞4m^2$）、大屏幕（$1\sim 4m^2$）、中屏幕（$0.2\sim 1m^2$）和小屏幕（$＜0.2m^2$）。

2. 按色调显示功能分类有：黑白二值色调显示、多值色调显示（三级以上灰度）和全色调显示。

3. 按色彩显示功能分类有：单色（monochrome）黑白或红黑显示、多色（multi color）显示（三种以上）和全色显示。

4. 按显示内容、形式分类有：数码、字符、轨迹、图表、图形和图像显示。
   按成像空间坐标分类有：二维平面显示和三维立体显示。

5. 按所用显示材料分类有：固体(晶体和非晶体)、液体、气体、等离子体、液晶体显示等。

6. 按显示原理分类有：阴极射线管(CRT)、真空荧光管(VFD)、辉光放电管（GDD）、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、发光二极管(LED)、场致发射显示器(FED)、电致发光显示器(ELD)、电致变色显示器（ECD）、激光显示器(LPD)、电泳显示器(EPD)、铁电陶瓷显示器(PLZT)等等。

1.2 显示参量与人的因素

1.2.1 光的基本特性

光是一种波长很短的电磁波。

可见光是光刺激人眼的感觉（波长范围为$380\sim 780mm$，频率范围为$7.5\times 10^8\sim 4.0\times 10^{8}MHz$）。

几个主要的测光量及其基本单位

（1）光通量(Luminous flux)

​ 光源单位时间内发出的光量称为光通量，符号为 $\Phi$，单位为流明（$lm$）。

（2）发光强度（Luminous intensity）

​ 光源在给定方向的单位立体角（$\omega$）辐射的光通量称为发光强度，符号为 $I$，单位为坎德拉（$cd$）。发光强度 $I$ 可由下式表示：
$$I=\frac{d\Phi }{d\omega }$$
（3）光照度

​ 单位受光面积上（ $S$ ）所接收的光通量称为光照度，符号为 $E$ ，单位为勒克斯（ $lx$ ）。光照度 $E$ 可由下式表示：
$$E=\frac{d\Phi }{dS}$$
（4）亮度

​ 垂直于传播方向单位面积（ $S\cdot cos\theta$ ）上的发光强度称为亮度，符号为$L$，单位为$cd/m^2$。亮度 $L$ 可由下式表示：
$$L=\frac{d\Phi }{dS\cdot cos\theta \cdot d\omega }$$

1.2.2 人眼视觉特性

1.2.2.1 人眼的视觉生理基础

视觉信息从人眼到大脑的传递路径

1. 外界信息以光波形式射入眼帘，通过眼睛的光学系统在视网膜上成像。
2. 视网膜内的视觉细胞把光信息变换为电信号，传递给视神经。
3. 由左右眼引出的视神经在视交叉处把左右眼分别获得的右视觉信号和左视觉信号进行整理，然后传向外侧膝状体。（外界右半部分的视觉信息传入左侧的外侧膝状体，而左半部分的视觉信息传入右侧的外侧膝状体。两个外侧膝状体经视放射线神经连接于左右后头部的大脑视觉区域。）

人眼的光学系统

人的眼睛很像一部精巧的照相机.

光线通过瞳孔射入眼球内，再经晶状体在位于眼球后部内侧的视网膜上成像。

眼球各部分的功能

角膜： 作用类似照相机的第一组镜片，承担着为了能在视网膜上成像所必需的光线折射作用。

虹膜： 虹膜紧贴在晶状体上，虹膜中心有一个小孔称为瞳孔。瞳孔的直径可以从2mm调节到8mm左右（16倍）。改变瞳孔的大小，就可以调节进入眼睛的光通量，类似于照相机光圈的作用。

晶状体： 晶状体起着照相机透镜的作用，四周的睫状肌收缩、松缓可以调节其凸度，亦即调节了焦距，以便使不同距离的景物成像在视网膜上；晶状体同时吸收一部分紫外线，对眼睛起到保护作用。晶状体的弹力会随着年龄增加而减小，到60岁左右，会失去调节能力而变得扁平。

视网膜： 视网膜广泛分布于眼球的后部，其作用很像照相机中的感光胶片。视网膜主要由许多感光细胞组成，感光细胞把光变换为电信号，它又分为两大类：一类叫杆状（rod）细胞，另一类叫锥状（cone）细胞。

• 锥状细胞： 锥状细胞大部分集中分布在视网膜上正对者瞳孔的中央部分直径约为2mm的区域，因呈黄色，称为黄斑区。在黄斑区中央有一个下陷的区域，称为中央凹（fovea）。在中央凹内锥状细胞密度最大，视觉的精细程度主要由这一部分所决定。在黄斑区中心部分，每个锥状细胞连接着一个视神经末梢。根据对光谱敏感度的不同，锥状细胞又可分为三类：
  • 红视锥状细胞（吸收峰值为700nm）
  • 绿视锥状细胞（吸收峰值为540nm）
  • 蓝视锥状细胞（吸收峰值为450nm）
• 杆状细胞： 在远离黄斑区的视网膜上分布的视觉细胞大部分是杆状细胞，而且视神经末梢分布较稀，每个锥状细胞和几个杆状细胞合接在一条视神经上。

乳头（nipple）：所有视神经都通过视网膜后面的一个空穴，称为乳头（nipple）的通到大脑去。在乳头处没有感光细胞，不能感受光线，故又称为盲点。

1.2.2.2 人眼的视觉特性

1. 光谱光效率： 人眼对不同波长光的敏感程度。相同主观亮度感觉情况下，$\lambda =555nm$的黄绿光，所需光的辐射功率最小。
2. 视觉二重功能： 人的视觉具有明视觉功能和暗视觉功能。

• 锥状细胞的感光灵敏度比较低，大约在$10^4$个光子数量级，只有在明亮条件下才起作用。锥状细胞密集地分布在视网膜中央凹区域，且每个锥状细胞连接一根视神经，因此它能够分辨颜色和物体细节，是一种明视觉器官。
• 杆状细胞的感光灵敏度比较高，大约在$10^2$个光子数量级，是一种暗视觉器官。

3. 暗适应： 从明亮处向昏暗处移动时，视觉系统灵敏度会逐渐变化，大约40min左右达到最大灵敏度。
4. 明适应： 从黑暗环境到明亮环境变化的逐渐习惯过程，称为明适应。与暗适应比较，其时间要快得多，大约仅需1min左右即可完成。
5. 视觉惰性： 在外界光作用下，感光细胞内视敏感物质经过暴光染色过程是需要时间的，响应时间大约为40ms；另一方面，当外界光消失后，亮度感觉还会残留一段时间，大约为100ms。
6. 闪烁（flicker）： 以周期性光脉冲形式反复刺激眼睛，频率低时，可以出现闪烁现象；随着频率逐渐提高就观察不到闪烁了，视觉变得稳定而均匀。将此闪烁感刚刚消失时的频率称为临界闪烁频率（CFF: Critical Fusion Frequency）。此时视野内的明亮度等于亮度的时间平均值。
7. 视角： 眼睛的视野是比较大的，由视线方向的中心与鼻侧的夹角约为65°，与耳侧的夹角约为100~104°，向上方约为65°，向下方为75°。

1.2.3 色彩学原理

​ 彩色是物体反射光作用于人眼的视觉效果。自然界中的景物，在太阳光照射下，由于反射了可见光中的不同成分而吸收其余部分，从而引起人眼的不同彩色感觉。

1.2.3.1 色彩学基础

自然界中任意一种颜色均可以表示为三个确定的相互独立的基色的线性组合。

国际照明委员会（CIE）的色彩学CIE-RGB计色系统规定：

• 波长700nm，光通量为1lm的红光为一个红基色单位，用（R）表示；
• 波长546.1nm，光通量为4.95lm的绿光为一个绿基色单位，用（G）表示；
• 波长435.8nm，光通量为0.060lm的蓝光为一个蓝基色单位，用（B）表示。

将三基色按一定比例相加混合，就可以模拟出各种颜色,等量的RGB能配出等能的白光。

1.2.3.2 色彩再现

显示器中的色彩再现，不是把实际的色彩完全忠实地再现，只要再现出的色彩令收看者满意就可以了。

所示为一个彩色显像管（CPT）荧光粉点的布局图，红（R）、绿（G）、蓝（B）三色荧光粉点各自在相应的红、绿、蓝电子束的轰击下发光从而产生颜色。

​ 三个荧光粉点虽然在荧光屏上占有不同的空间位置，但它们产生的不同颜色的光却落在同一个视觉细胞上，产生出三色相加的视觉效果。可见，彩色再现是对人眼视觉特性的巧妙利用，荧光屏上所显示的颜色实际上是在观察者自己的视觉上混合产生的。

1.2.3.3 颜色的特征参数

1. 亮度（明度）：

   表示各种颜色的光对人眼所引起的视觉强度，它与光的辐射功率有关。（书）

   是指刺激物的强度作用于眼睛所发生的效应，是人眼直接感受到的物体明亮程度。对于不发光的物体，它的大小是由物体反射系数决定的,反射系数越大，明度越大。（PPT）

2. 色调（色相）：

   表示颜色彼此区分特性，不同波长的光辐射在物体上表现出不同色调特性。（书）

   是指在物体反射的光线中以哪种波长占优势来决定的，不同波长产生不同颜色的感觉。色调是彩色最主要的特征，决定了颜色的本质。（PPT）

3. 饱和度：

   表示颜色光所呈现的颜色深浅程度（或纯度）。饱和度越高，则颜色越深，如深红、深绿等。饱和度越低，则颜色越浅，如浅红、浅绿等。
   色调与饱和度又合称为色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。（书）

   饱和度通常指色彩的纯度，以光谱色为标准，越接近光谱色的色彩其纯度就越高，人们常常把纯度低的色彩称作"浊色",而把高纯度的色彩称为"清色“。（PPT）

1.2.4 显示器件主要性能指标

1. 像素（pixel）： 像素指构成图像的最小面积单位，具有一定的亮度和色彩属性。在显示器中，像素点的大小可依据该系统的观看条件（如观看距离、照明环境等）下，肉眼所能分辨的最小尺寸而确定。

2. 亮度： 显示器件的亮度指从给定方向上观察的任意表面的单位投射面积上的发光强度。亮度值用$cd/m^2$表示。一般显示器应有$70cd/m^2$的亮度，具有这种亮度图像在普通室内照度下清晰可见。在室外观看要求亮度更高，可达$300cd/m^2$以上。人眼可感觉的亮度范围为$0.0350000cd/m^2$。

3. 亮度均匀性： 亮度均匀性反应的是显示器件在不同显示区域所产生的亮度的均匀性。通常也用它的反面概念——不均匀性来描述，或者用规定取样点的亮度相对于平均亮度的百分比来描述。

4. 对比度： 指画面上最大亮度和最小亮度之比。该指标与环境光线有很大关系，另外测试信号一般采用棋盘格信号，并将亮度控制器调整到正常位置，对比度调整到最大位置，此时对比度为白色亮度和黑色亮度的比值。一般显示器应有30︰1对比度。

5. 灰度： 指画面上亮度的等级差别。例如，一幅电视画面图像应有八级左右的灰度。人眼可分辨的最大灰度级大致为100级。

6. 分辨率（resolution）： 分辨率指单位面积显示像素的数量。

7. 清晰度（definition）： 清晰度是指人眼能察觉到的图像细节清晰的程度，用光高度(帧高)范围内能分辨的等宽度黑白条纹(对比度为100％)数目或电视扫描行数来表示。如果在垂直方向能分辨250对黑白条纹，就称垂直清晰度为500行(线)。

8. 分辨力（书上有PPT上无）

   是人眼观察图像清晰程度的标志，与清晰度定义近似，分辨力可以用图像小投影点的数量表示，如SVGA彩色显示器的分辨力是800×600，就代表画面是由800×600个点所构成，组成方式为每条线上有800个投影点，共有600条线。

   分辨力有时也用光点直径来表示。用光栅高度除以扫描线数，即可算出一条亮线的宽度，此宽度即为荧光屏上光点直径的大小。在显示器件中，光点直径大约几微米到几千微米。一般对角线为23~ 53cm的电视显像管其光点直径约为0.2~0.5mm

9. 发光颜色： 发光颜色(或显示颜色)的衡量方法，可用发射光谱或显示光谱的峰值及带宽，或用色度坐标表示。显示器件的颜色显示能力，包括颜色的种类、层次和范围，是彩色显示器件的一个重要指标。真（全）色彩的色彩数目为16777216色，即红、绿、蓝各256级灰度.

$$256\times 256\times 256=16777216\approx 16M。$$

8. 余辉时间： 余辉时间指荧光粉的发光，从电子轰击停止后起，到亮度减小到电子轰击时稳定亮度的l/10所经历的时间，余辉时间主要决定于荧光粉，一般阴极射线荧光粉的余辉时问从几百纳秒到几十秒。

9. 解析度DPI（Dot Per Inch）： 解析度(dot per inch,DPI)指图片1英寸长度上小投影点的数量，分为水平解析度和垂直解析度。解析度越高显示出来的影像也就越清晰。

10. 收看距离： 收看距离可以用绝对值表示，也可以用与画面高度H的比值来表示（即相对收看距离）。

11. 周围光线环境： 周围光线环境主要指观看者所在的水平照度以及照明装置。

12. 图像的数据率： 数据率指在一定时间内、一定速度下，显示系统能将**多少单元的信息转换成图形或文字并显示出来。**如果已知一个字符或像素是以n比特）（bit）计算机符号表示，数据率可以换算成比特/秒（bps）。图像的信息量是惊人的，比如：一张A4文件的数据量大约是2KB），一张A4黑白照片的数据量大约是40KB，一张A4彩色照片的数据量大约是5MB，一分钟家用录像系统（VHS: Video Home System）质量的全活动图像的数据量约为10MB，一分钟广播级全动态影像（FMV: Full-motion Video）的数据量就约为40MB。

13. 其他（书上有而PPT上无）

其它指标如辐射，CRT明显大于其他显示器件，其它显示器件之间差别不大。在显示相应时间方面，LCD类的显示器件劣于其他器件。在显示屏的缺陷点方面，CRT一般不会出现这样的问题，而其它显示器件虽然在出厂时该指标控制的较严，但用户在使用过程中有时会出现缺陷点。在可靠性方面（MTBF值），基本上都可以达到15000h，需要注意的是投影设备里往往使用了灯泡作为光源，灯泡的寿命有限，只能作为消耗品，也就是说在使用过程中需要定期更换这些部件。

1. 光电显示器件有哪些分类？（书上题目）

   根据收视信息的状态分

   1. 直观型（Direct View Type）：原则上把显示设备上出现的视觉信息直接观看的方式称为直观型。

   1. 电子束型
   2. 平板型
   3. 数码显示器件

   2. 投影型（Projection Type）：把由显示设备或者光控装置所产生的比较小的光信息经过一定的光学系统放大投射到大屏幕后收看的方式称为投影型。

   1. 前投式
   2. 背投式

   3. 空间成像型（Space Imaging Type）：指采用某种光学手段（如激光）在空间形成可供观看图像的方式，从原理上说，图像大小与显示器无关,可以很大。空间成像显示因为图像具有纵深而大大提高了真实感和现场感。

   根据像素本身发光与否，又可将显示器件分为以下两大类

   1. 主动发光（emissive）型

      在外加电信号作用下，主动发光型器件本身产生光辐射刺激人眼而实现显示。比如CRT、PDP、ELD、激光显示器(LPD: Laser Projection Display)等。

   2. 被动显示(passive)型

      在外加电信号作用下，被动显示型器件单纯依靠对光的不同反射呈现的对比度达到显示目的。

   其他分类方法

   1. 按显示屏幕大小分类有：超大屏幕（$＞4m^2$）、大屏幕（$1\sim 4m^2$）、中屏幕（$0.2\sim 1m^2$）和小屏幕（$＜0.2m^2$）。

   2. 按色调显示功能分类有：黑白二值色调显示、多值色调显示（三级以上灰度）和全色调显示。

   3. 按色彩显示功能分类有：单色（monochrome）黑白或红黑显示、多色（multi color）显示（三种以上）和全色显示。

   4. 按显示内容、形式分类有：数码、字符、轨迹、图表、图形和图像显示。
      按成像空间坐标分类有：二维平面显示和三维立体显示。

   5. 按所用显示材料分类有：固体(晶体和非晶体)、液体、气体、等离子体、液晶体显示等。

   6. 按显示原理分类有：阴极射线管(CRT)、真空荧光管(VFD)、辉光放电管（GDD）、液晶显示器(LCD)、等离子体显示器(PDP)、发光二极管(LED)、场致发射显示器(FED)、电致发光显示器(ELD)、电致变色显示器（ECD）、激光显示器(LPD)、电泳显示器(EPD)、铁电陶瓷显示器(PLZT)等等。

2. 测光量有哪些？单位分别是什么？（作业题）

   几个主要的测光量及其基本单位

   （1）光通量(Luminous flux)

   ​ 光源单位时间内发出的光量称为光通量，符号为 $\Phi$，单位为流明（$lm$）。

   （2）发光强度（Luminous intensity）

   ​ 光源在给定方向的单位立体角（$\omega$）辐射的光通量称为发光强度，符号为 $I$，单位为坎德拉（$cd$）。发光强度 $I$ 可由下式表示：
   $$I=\frac{d\Phi }{d\omega }$$
   （3）光照度

   ​ 单位受光面积上（ $S$ ）所接收的光通量称为光照度，符号为 $E$ ，单位为勒克斯（ $lx$ ）。光照度 $E$ 可由下式表示：
   $$E=\frac{d\Phi }{dS}$$
   （4）亮度

   ​ 垂直于传播方向单位面积（ $S\cdot cos\theta$ ）上的发光强度称为亮度，符号为$L$，单位为$cd/m^2$。亮度 $L$ 可由下式表示：
   $$L=\frac{d\Phi }{dS\cdot cos\theta \cdot d\omega }$$

3. 简述人眼的视觉生理基础。（作业题）

   1. 外界信息以光波形式射入眼帘，通过眼睛的光学系统在视网膜上成像。
   2. 视网膜内的视觉细胞把光信息变换为电信号，传递给视神经。
   3. 由左右眼引出的视神经在视交叉处把左右眼分别获得的右视觉信号和左视觉信号进行整理，然后传向外侧膝状体。（外界右半部分的视觉信息传入左侧的外侧膝状体，而左半部分的视觉信息传入右侧的外侧膝状体。两个外侧膝状体经视放射线神经连接于左右后头部的大脑视觉区域。）

4. 简述色彩再现原理。（作业题）

   显示器中的色彩再现，不是把实际的色彩完全忠实地再现，只要再现出的色彩令收看者满意就可以了。一个彩色显像管（CPT）荧光粉点，红（R）、绿（G）、蓝（B）三色荧光粉点各自在相应的红、绿、蓝电子束的轰击下发光从而产生颜色。三个荧光粉点虽然在荧光屏上占有不同的空间位置，但它们产生的不同颜色的光却落在同一个视觉细胞上，产生出三色相加的视觉效果。可见，彩色再现是对人眼视觉特性的巧妙利用，荧光屏上所显示的颜色实际上是在观察者自己的视觉上混合产生的。

5. 表征显示器件的主要性能指标有哪些？（书上题目）

   像素、亮度、亮度均匀性、对比度和灰度、分辨率、清晰度和分辨力、发光颜色、余辉时间、解析度、收看距离、周围光线环境、图像的数据率。

6. 计算：一个满帧图像，分辨力为VGA制式$640\times 480$像素，每像素量化量为8bit，刷新频率为$30Hz$,则一秒钟视频图像的资料长度为多少字节？假设拨号上网的速率为$33kbps$,这样的速度来传送一分钟的图像资料大约需要多少时间才能完成？假如图像压缩比为$50:1$,实时传输图像需要多大的传输速率。（书上题目）

​ (1)
$$B=\frac{640\times 480\times 8\times 30}{8}=8216000B$$
​ (2)
$$t=\frac{B\times 8}{33.6\times 10^3}=2194.29s$$
​ (3)
$$v=\frac{B\times 8}{50\times 1000}=1474.56kbps$$