众所周知，显示器是各种视频信息和计算机数据信息的终端显示器件，因而显示技术是信息技术领域的支柱之一，它的发展水平反映一个国家在世界信息技术领域的战略地位。在现代信息社会内，几乎所有人的工作和生活都离不开信息显示技术。信息显示器（如LCD、LED屏、投影仪等）是科学研究和工业应用的基本工具，而电视显示屏也是千家万户老百姓获取信息的主要来源。信息显示技术己形成数以千亿美元计的技术产业链，产生了巨大的经济效益。
随着科学技术的飞速发展，不断岀现各种各具特色的新型显示器件，其种类已呈多元化。所有显示器件都在发展中不断扬长避短，不断完善自己，优点和缺点也在不断转化。实际上，这种多元化显示方式的竞争，正好有利于显示技术的创新。
显示技术经历了由黑白显示到彩色显示，由普通彩显到高清晰度彩显的过程，目前平面显示技术已经取得了很大的成就。虽然，CRT显示技术长期以来一直占据着监视器（或显示器）市场的主流，但其体积大、面板厚、消耗功率大等，一直不为人们所接受。随着光电信息技术、材料科学及其相关技术的发展，就已出现LCD、PDP、LED、OLED、QLED等显示器。目前，LCD显示技术已基本取代了CRT显示技术。虽然，LCD显示技术具有工作电压低、功耗小，没有丝毫辐射、对人体健康无损害，完全平面、又薄又轻，显示字符锐利、画面稳定无闪烁、环保护眼，精确还原图像，无失真，屏幕边沿图像清晰度与屏幕中心相同，屏幕调节方便，寿命长，抗干扰能力强等优点，但它又有被动发光显示（靠背光源）、亮度和对比度低，可视角度小，响应速度慢，出现坏点无法维修等缺陷。因此，它也将被近期出现的OLED、QLED显示技术取代。
凡是搞光电信息技术的人都知道，人类可通过视觉获得周围世界80%的信息，而随着生活水平的提高和科技的发展进步，人类需要越来越多丰富的视觉信息。而显示技术，就是为了给人类提供不同形式的视觉信息而存在的。
我们生活在三维物理世界中，所有物体都具有三维（长、宽、高）物理尺寸，然而，迄今为止所有商业化信息显示器都只能显示二维图像和文字，人们无法从被显示的图像上获得物体的三维信息或感受到物体的物理深度。这种目前仍在使用的二维显示技术剥夺了物体的第三维特征，具有极大的局限性。有鉴于此，近年来提出并开展了一系列真三维高清晰度显示的关键技术和产业化方法的研究。这种真三维显示技术从根本上更新了二维信息显示的概念，对信息显示技术的发展具有颠覆性影响。这项技术使被显示物体的三维图像栩栩如生，向观看者提供
了完备的心理和生理的三维感知信息，为理解三维图像和其中物体之间的空间关系提供了独特的手段，因而具有极高的科学、社会和商业价值。
目前已商业化的显示技术，只能在平面显示器（XY）上实现对三维世界的表达，在真实感上，离用眼睛直接去观看客观事物仍有很大差异。诚然，平面显示在某种程度上给人三维的立体感觉，但只是在二维显示技术基础上基于心理的认知，从本质上讲，不能算是真正物理意义上的三维立体显示。现有的大部分立体显示技术，在显示的视角上大多达不到广角要求，因为它们脱胎于二维显示，始终没有摆脱传统的二维显示屏幕180。显示空间的限制。此外，还要借助立体视镜，或者要借助平面显示屏上的“视差”效果。
根据目前光电信息显示技术的发展情况及市场的需要，我们将光电信息显示技术分为平板显示技术、投影显示技术及三维立体显示技术三类予以介绍，最后介绍它们的发展趋势及其在安防中的应用。
平板显示技术有液晶（LCD）、等离子体（PDP）、发光二极管（LED）、有机发光二极管（OLED）、量子点发光二极管（QLED）显示技术，下面分别给予简单介绍。
一、液晶（LCD）显示技术
液晶（LiquidCrystal）是一种介于固态和液态之间的物质，是具有规则性分子排列的有机化合物。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：类似粘土状的Smectic液晶、类似细火柴棒的Nematic液晶、类似胆固醇状的Cholestic液晶。用于液晶显示器的是第二类的Nematic液晶，釆用此类液晶制造的液晶显示器被称为LCD（LiquidCrystalDisplay）。
1.LCD的基本结构及工作原理
LCD器件的结构如图9-1所示。由于液晶的四壁效应，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃电极上呈水平排列，但排列方向互为正交，而玻璃间的分子呈连续扭转过渡，这样的构造能使液晶对光产生旋光作用，使光的偏振方向旋转90°o
图 LCD的基本构造
图9-2所示为液晶显示器的工作过程。当外部光线通过上偏振片后形成偏振光，其偏振方向成垂直方向。这种偏振光通过液晶材料之后，被旋转90°，使偏振方向成水平方向，此方向与下偏振片的偏振方向正好一致，因此此光线能完全穿过下偏振片而到达反射板，经反射后能沿原路返回，从而呈现出透明状态。如果在液晶盒的上、下电极加上一定的电压，则电极部分的液晶分子转成垂直排列，从而失去旋光性。因此，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，这种偏振光到达下偏振片时，其偏振方向与下偏振片的偏振方向垂直，从而被下偏振片吸收，而无法到达反射板形成反射，所以呈现出黑色。由此，我们可根据需要将电极做成各种文字、数字或点阵，就可获得所需的各种显示。
图 液晶显示工作原理
LCD是基于液晶电光效应的显示器件，它包括段显示方式的字符段显示器件；矩阵显示方式的字符、图形、图像显示器件；矩阵显示方式的大屏幕液晶投影电视液晶屏等。液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性,在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，从而使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，而阻止光线通过。LCD就是利用此原理制成的。
2.液晶显示器的类型及比较
(1)液晶显示器的分类。
①按使用范围分为两种。
- 笔记本电脑液晶显示器。它是目前我国最为常见的液晶显示器产品，它与笔记本电脑的其他部分连为一体，以其轻便和小巧给使用者带来了方便。
- 桌面计算机液晶显示器。它是CRT传统显示器的替代产品。
②按物理结构分为四种。
- 扭曲向列型(TwistedNematic,TN)。
- 超扭曲向列型(SuperTN,STN)O
- 双层超扭曲向列型(DualScanTortuosityNomograph,DSTN)。
- 薄膜晶体管型(ThinFilmTransistor,TFT)。
前三种类型在名称上只有细微的差别，说明它们的显示原理具有许多共性，不同之处是液晶分子的扭曲角度各异。其中，DSTN可以算是这三种的“杰出”代表，由这种液晶体所构成的液晶显示器对比度和亮度仍比较差、可视角度较小、色彩也欠丰富，而它的结构简单、价格低廉，因此还占有着一定的市场。第四种TFT是现在最为常用的类型。
(2)几种液晶显示器的比较。TN、STN、TFT三种类型液晶显示器的比较，如表9-1所示。
表9-1TN、STN和TFT型液晶显示器比较表
TFT是指液晶显示器上的每一液晶像素点都由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。TFT液晶显示器具有屏幕反应速度快、对比度好、亮度高、可视角度大、色彩丰富等特点，比其他三种类型更具优势。同时还克服了DSTN液晶显示器固有的一些缺点，确实可以算是当前液晶显示器的主流设备，目前已广泛应用于监视器、笔记本电脑、可视门铃、汽车VCD、可视电话、数码相机、安全监控等产品中。
新型的TFT液晶显示器与TN型的结构基本上相同，同样釆用两夹层间填充液晶分子的设计，只不过把TN上部夹层的电极改为FET晶体管，而下层改为共同电极。但两者的工作原理还是有一定的差别。在光源设计上，TFT的显示采用“背透式”照射方式，即假想的光源路径不是像TN液晶那样从上至下，而是从下向上，即在液晶的背部设置类似日光灯的光管。光源照射时先通过下偏光板向上透岀，并借助液晶分子来传导光线，由于上下夹层的电极改成FET电极和共同电极，在FET电极导通时，液晶分子的表现如TN液晶的排列状态一样会发生改变，它也是通过遮光和透光来达到显示的目的。其不同的是，因FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电时才改变其排列方式。而TN就没有这个特性，液晶分子一旦没有施压，就立即返回原始状态。这就是TFT液晶和TN液晶显示的最大不同之处，也是TFT液晶的优越之处。
3.大尺寸TFT液晶显示屏
大尺寸TFTLCD显示屏的每一个像素都是由红、绿、蓝三个基本光点组成，这与CRT显示器荧光屏涂红、绿、蓝荧光粉的原理是一样的。每一个颜色光点由若干比特的数字信号控制，其比特数的多少与屏的分辨率有关。数字信号控制的是每色点的发光强度，红、绿、蓝就组成不同的色彩。对于一个800x600的屏就有480000个像素。一个800x600分辨率的液晶屏的结构，如图9-3所示。大尺寸液晶显示屏是由屏、矩阵电路和背光源组成，一般矩阵电路是围在屏的四周，但也有电路在屏的背后，这种屏就不适宜去掉背光源用于投影。屏的后面是散射膜，再后面是反射膜，在散射膜与反射膜之间的上部，是细长的冷阴极荧光管。反射膜的作用是增加光效率，散射膜的作用是使光能均匀透过，使正面观看时整个液晶屏亮度均匀。15英寸以上的屏用到2根、4根，甚至6根冷阴极荧光管（目前，新的液晶显示器的背光源已改为白光LED灯）。
如果将液晶屏用于投影，则要将背光源拆掉，并且屏的结构还要合适才行。一般地，日立公司的所有屏结构都适宜做投影，而东芝、夏普、三星、爱普生等公司的屏有的行，有的不行。
图9-3800x600液晶屏的结构
液晶屏的显示也同传统的CRT一样是一行一行和一场一场地扫描，但它是逐行扫描。液晶屏是靠有源矩阵电路来选通一个个像素，所以除了行同步信号和场同步信号外，还需要一个像素时钟，把每一个像素所需要的数字色彩信息施加上。
液晶屏控制驱动电路就是将模拟的图像信号数字化，选通屏上的对应像素，用数字信号控制像素的亮度和色彩，显示完整和连续的图像。一个液晶屏的像素数是由其物理结构决定的,是固定不变的，这也就决定了液晶屏的最大分辨率。如一个分辨率为800x600的屏，可以显示640x480的图像，但不能满屏显示，如果要显示1024x768的图像，则只能显示一部分，所以一个液晶屏的最大分辨率也是其最佳分辨率。控制电路的一个重要作用就是对输入的图像信号进行识别，如果不符合液晶屏最佳分辨率的，就要进行再加工，使图像能在最佳分辨率下完整显示。液晶屏控制驱动电路都有微处理器进行控制。图9-4所示为液晶屏控制驱动电路内部结构图。
图9-4 液晶屏控制驱动电路
液晶屏显示发光是靠屏后的一根或两根冷阴极荧光管作光源，通过散射膜使光均匀照射在屏的背后。冷阴极荧光管需要背光电源点亮，背光电源实际上就是一个小型逆变器，它产生荧光管所需要的1000V左右、30〜60kHz的高压脉冲。
三星公司推出了新的大型LCD显示屏两款：第一款显示器SyncMaster403TN是一款40英寸LCD监视器，其显示分辨率为1280x768,水平和垂直视角分别为170°,亮度500cd/m²,对比度600：1,具有以太网连接，安装了三星的MagicNet软件，该软件允许用户同时控制多台显示器，并由一台计算机向多部显示器提供信号：第二款显示器SyncMaster460P是三星面向商用推出的最大显示器，规格为46英寸，其分辨率1366x768,对比度800：1,亮度500cd/m², 响应时间8ms。这两款显示器提供多种接口，包括复合视频、S视频、HDTV组合视频，以及PC的RGB模拟和数字接口等。
此外，还可用LCD液晶拼接大屏幕墙，这种数字液晶拼接墙是由多个专业液晶屏作为显示单元，以矩阵排列(如2x2、3x3、4x4及更大的自由无限拼接)组成的一个大屏幕显示屏，每个子屏幕显示大图像的一部分，共同显示一个大的图像.也可分屏显示不同图像。
大屏幕显示墙由三大部分组成，即拼接显示墙、多屏拼接处理器和信号源，其中多屏拼接处理器是关键技术的核心，支持不同像素的图像在大屏显示墙上显示，以及在大屏显示墙上任意开窗口、窗口放大缩小、跨屏漫游显示。
液晶拼接显示屏，除了拼接数量任意选择外，屏幕组合方式亦有多种选择，可满足不同使用场所的需要。大屏幕拼接画面宏大、视觉冲击强烈，具有很好的展示、演示、广告、宣传的效果，并且安装简便、不受空间限制，广泛应用于视频监控、电信、公共事业、过程处理、交通控制、国防、舞台娱乐、电视演播厅、股票证券、大型会展、商场、银行、办公大厅、公司迎客屏、专卖店、调度指挥等。
4.液晶显示器的优缺点
(1)相对CRT显示器来说，液晶显示器具有以下的优点。
①工作电压低、功耗小。
②没有丝毫辐射、对人体健康无损害。、
③完全平面、又薄又轻，LCD同尺寸比纯平CRT可视面积大，能做壁挂，从而可适应更多的应用领域。
④显示字符锐利、画面稳定无闪烁、环保护眼，有利于长时间的使用电脑。
⑤精确还原图像，无失真，屏幕边沿图像清晰度与屏幕中心相同。
⑥屏幕调节方便，只需手动调节屏幕的亮度和对比度，就可使机器工作在最佳状态。
⑦LCD屏上光栅位置、倾斜度均不受地磁场影响，抗干扰能力比CRT强。
⑧寿命长，至少可达5万小时以上。
⑨可达到高清晰度电视200万像素的显示格式。
(2)LCD的缺点如下所述。
①需靠背光源发光、亮度和对比度低。
②可视角度小、最多达140°O
③对输入信号响应速度偏慢，一般在40ms左右。
④坏点无法维修。
随着科学技术的不断发展与提高，现在最新的TFT-LCD显示器，在克服这些缺点方面已有了相当的进步。当前，LCD已经成为平板显示领域的主导技术，其产品从直视的超小型头盔显示(HeadMount)到40英寸的高清晰度(HDTV)LCD显示。目前，LCD显示已基本取代
CRT而得到更广泛的应用。
由于液晶是一种自身不能发光的物质，需借助背光源才能工作，这一物理特性是无法改变的，因此液晶技术的进化自然需要从背光系统下手。液晶技术的背光系统主要经历了冷阴极荧光灯管(Cold Cathode Fluorescent Lamp,CCFL)和白色发光二极管(WhiteLightEmittingDiode,WLED)两个阶段，目前量子点发光二极管(QuantumDotsLightEmittingDiode,QD-LED或QLED)背光极有可能是继CCFL背光和WLED背光之后，液晶发展史上的最后一次革命。因此有人称，量子点QLED技术，将会把液晶技术进化至完美的终极形态。
二、等离子体（PDP）显示技术
等离子是电子、自由离子和中性粒子构成的混合体（宏观上说，它是中性的），由于它的正电荷和负电荷相等，因而称为等离子。等离子体状态是物质存在的基本形态之一，它是固态、液态和气态之外的另一种物质形态，通常称之为物质的第四态。
PDP是Plasma Display Panel的简写，也就是等离子体显示器，是继LCD后发展的等离子平面屏幕技术的新一代显示器，它是利用气体放电原理实现的一种发光型平板显示技术，故又称气体放电显示。PDP的出现，使得中大型尺寸（40〜70英寸）显示器的发展应用产生极大变化，以其超薄体积与质量远小于传统大尺寸CRT电视，在高解析度、不受磁场影响、视角广及主动发光等胜于TFT-LCD的特点，完全符合多媒体产品轻、薄、短、小的需求，被视为未来大尺寸电视的主流。
1.PDP的结构、原理与类型
（1）PDP的结构及显示原理。PDP主要由等离子显示屏体、屏蔽玻璃、电源、接口电路、信号存储控制驱动电路、XYZ三极低压驱动电路、外壳构成。信号存储控制是将接口送来的数字图像信号进行子场分离，实现灰度控制。
PDP釆用等离子管作为发光元件，显示屏中有大量等离子管，每一个等离子管对应一个像素。等离子管之间由100-200的玻璃基板相隔，四周经气密性封装，形成放电小室，其中充有Ne-Xe或He-Xe混合惰性气体作为工作媒质，在两块玻璃基板的内侧涂有金属氧化物导电薄膜作为激励电极，当在等离子管电极间加足够的电压后，混合惰性气体会产生等离子体放电（也称为雪崩/电浆效应）。随着放电的进行，电子被加速，加速的电子碰撞Xe原子，Xe被激发至更高能级，形成不稳定的激发态Xe,这种激发态最终跃迁至Xe的基态，产生波长为147run的真空紫外光。当使用涂有三原色（称为三基色）荧光粉的荧光屏时，紫外线激发荧光屏，荧光屏发出的光则呈红、绿、蓝三原色。当每一原色单元实现256级灰度后再进行混色,便实现了彩色图像的显示。
也就是说，PDP是一种利用气体放电激发荧光粉发光的显示装置，其发光过程由气体的电离放电和荧光粉发光两部分组成（类似于日光灯的发光原理），其原理如图9-5所示。
图9-5PDP的结构及原理示意图
显然，PDP和LCD的成像原理截然不同，液晶是通过一个大的背光灯照亮画面，而等离子则是每个像素都在发着光。实际上，等离子屏幕中的每个像素都是由3个玻璃气室组成的，在每个玻璃气室当中都含有惰性气体，通过大量的玻璃气室组组成了一个平板。一个像素的3个气室会分别涂有红色、绿色和蓝色荧光粉，然后通过电极导线在驱动电路的控制下对每个气室放电，在气室中的惰性气体中放电导致离子体发射出紫外线，紫外线再激发荧光粉发光，这就达到了等离子成像。等离子的亮度与导线放电频率有关，通过驱动电路的控制，放电频率越快，亮度就越大。由于是通过高温放电来达到成像，所以每个气室像素必须有一定间距，这也就是PDP的分辨率无法做得很高的原因。
(2)PDP的类型。PDP按其工作方式，可分为电极与气体直接接触的直流型PDP和电极上覆盖介质层的交流型PDP两大类。目前研究开发的彩色PDP的类型主要有三种：单基板式(又称为表面放电式)交流PDP、双基板式(又称为对向放电式)交流PDP和脉冲存储直流PDP等。
①DC-PDP。放电气体与电极直接接触，电极外部串联电阻做限流之用，其发光位于阴极表面，且是与电压波形一致的连续发光。PDP按直流驱动式可分为刷新型和自扫描型。
②AC-PDP。放电气体与电极由透明介质层相隔离，隔离层为串联电容做限流之用，放电因受该电容的隔直流通交流作用，需用交变脉冲电压驱动。因此，无固定的阴极和阳极之分,其发光位于两电极表面，且是交替呈脉冲式发光。PDP按交流驱动式可分为刷新型和存储效应型；AC-PDP又可分为表面放电式和对向放电式。目前的产品多以交流型为主，并可按照电极的安排区分为两种结构：二电极对向放电(ColumnDischarge)和三电极表面放电(Surface Discharge)。
③SM-PDP。这种类型是，以金属荫罩代替传统的绝缘介质障壁。它具有制作工艺简单,易于实现大批量生产的特点；并且，还具有放电电压低、亮度高、响应频率快的优点。
2.交流PDP显示板结构
由于表面放电式AC-PDP结构简单、易于制作、放电效率较高，是目前批量生产和研究开发的主流技术。
交流等离子体显示板结构按颜色显示方式可分为单色和彩色两种；单色PDP板利用Ne-Ar彭宁气体在电场作用下放电发橙红色可见光进行单色显示；彩色PDP板利用Ne-Xe等彭宁气体在电场作用下放电产生真空紫外光，来激发涂敷在放电单元内的三基色荧光粉获得红、绿、蓝三基色，三基色经时间调制和空间混色实现彩色显示。
单色和彩色PDP板基本结构是相同的，所不同的是单色显示由一个放电单元显示一个像素，而彩色显示由R、G、B三个单元显示一个像素。交流等离子体显示板按电极结构的不同可分为对向放电型和表面放电型两种。图9-6为表面放电型彩色交流等离子体显示板的基本结构示意图，其中9-6(a)为结构图，9-6(b)为放电单元发光示意图，其中下基板旋转了90°。
表面放电型结构有许多种，图9-6为最典型的。大多数制造公司釆用的三电极表面放电型AC-PDP结构，现在也有许多在该结构基础上改进的新型结构出现，如先锋公司的华夫饼式(waffle)结构。由图9-6(a)可看到，在三电极表面放电型AC-PDP结构中显示电极(X电极和Y电极)成对地平行制作在前基板上，电极由透明电极(ITO)和汇流电极组成。对于107cm(42英寸)PDP,显示电极宽度为200〜300師。由于透明电极电阻较大，电极长度可达1m,汇流电极的加入可减少相应的电阻，从而降低因透明电极电阻压降引起的驱动电压衰减，使相应电极所对应的各放电单元电压具有较好的一致性。在显示电极上覆盖透明介质层，该介质层把电极与放电等离子体隔开，起到保护电极的作用。一方面由于它可限制放电电流的无限增长,因此无须制作限电流电阻，使得结构较DC-PDP板简单；另一方面，放电时在该介质层表面有壁电荷积累，正是这些壁电荷使得AC-PDP板具有存储功能，并降低放电维持电压。介质层厚度通常在30μm左右，介电常数为10〜15之间。由于介质材料的抗离子轰击能力差，因此在其表面覆盖一层抗轰击、二次电子发射系数较高的MgO保护膜。MgO层厚度为0.5-1.0μm,这样可延长显示板寿命、增加工作电压的稳定性以及降低着火电压。在实际PDP板放电单元中，由于MgO的高二次电子发射系数，放电可在170V左右维持。寻址电极制作在后基板上，宽度在80μm左右。寻址电极和显示电极相互正交。在寻址电极上制作条状介质障壁，将相邻放电单元隔开，起到光隔离和电隔离的作用。介质障壁高度通常为100-150nm,障壁节距由屏的大小和显示分辨率决定。
图9-6表面放电型彩色交流等离子体显示板的基本结构
3.PDP显示器的优缺点
(1)PDP显示器的优点如下。
①PDP厚度小于12cm,可做壁挂薄型大面积显示。
②屏幕不存在聚焦，图像惰性小，响应速度快，更适合HDTV。
③可实现全色彩显示，图像清晰、色彩鲜艳明亮、色纯度极好。
④屏幕亮度非常均匀，无图像畸变，即使边缘也无扭曲失真。
⑤PDP是自发光，视角宽(达160°),具有存储功能，其显示亮度高、对比度高。
⑥无磁偏转，不受磁场影响，绿色环保无辐射，对人眼无伤害。
⑦结构整体性好，抗震与抗电磁干扰能力强，适合恶劣环境下工作。
⑧工作于全数字化模式，有双稳态特性，便于数字化信号处理。
⑨可实现2000线以上选址，有齐全的输入接口，可接收电脑、VCD、DVD、HDTV等各种信号源，因而应用较广。
(2)PDP显示器的缺点如下。
①功耗大，发热量大，需要散热。
②显示屏玻璃极薄，表面不能承受太大或太小的大气压力，更不能承受重压。
③只能大屏，不能小屏幕。
④内部气压为0.5个大气压，海拔2000m以上不能使用。
⑤制造成本偏高。
⑥寿命比LCD短。
由上看出，它还有比LCD差的，因而还不能取代LCD。但彩色PDP在大屏幕（对角线为1〜1.5m）显示方面具有明显的优势。目前，PDP的关键技术己基本突破，彩色PDP除用于普通彩电及计算机终端显示外，还推出用于军事指挥中心的显示军用地图、部队部署状况，以及敌我双方作战态势等的彩色显示屏，并且还研制生产了专门用于工业生产过程监控、航天发射状况监控和HDTV等的彩色PDP。彩色PDP的发展方向是实现全色、提高发光效率、提高使用寿命、扩展存储容量、降低功耗与成本，并实现大批量生产。
三、发光二极管（LED）显示技术
随着光电信息技术、微电子技术、自动化技术、计算机技术的迅速发展，半导体制作工艺日趋成熟，发光二极管LED作为显示器件的应用范围也日益扩大。
发光二极管点阵阵列显示技术（简称LED显示屏技术），由单色到现在的全彩色显示屏，已有了长足的发展，目前，更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化，仍然是其发展的主要方向PLED显示屏的关键控制技术随着新型超大规模集成电路（VLSI）的发展也有了新的提高，可编程电子逻辑设备（EPLD）,数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）等得到了应用。通过VLSI在产品性能提高的同时成本也在呈下降趋势，新一代LED控制专用集成电路也已开始得到推广和应用。经过多年发展，LED显示屏研制、生产技术已趋于成熟、稳定，新产品质量也有很大提高。
LED显示器应用非常广泛，在军事、车站、码头、宾馆、体育、新闻、金融、证券、广告及交通运输等许多行业都能见到各种类型的LED显示装置，它不仅有条屏、图文单色屏、双基色屏，还有全彩色点阵显示屏及LED数码显示屏；不仅能显示文字，还能显示图形、图像，并能产生各种动画效果。一般，单色、双色屏主要用来播放文字；全彩屏主要是播放动画与视频。显然，它是广告宣传、新闻传播的有力工具，其应用己越来越普遍。
1.LED显示屏的结构与原理
发光二极管显示屏是由LED点阵和LEDPC面板组成的，通过红色、绿色、蓝色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频的，其内容可以随时更换，各部分组件都是模块化的结构。
传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，单色、双色屏主要用来播放文字的，全彩屏主要是播放动画与视频的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。
LED显示屏由计算机（或带多媒体卡等）、釆集卡、主控箱、数据传输（发送卡、接收卡）、扫描板、显示屏单元组成，如图9-7所示。
LED显示屏的驱动电路及显示系统框图如图9-8所示，它是由计数器、译码器、图形译码器和显示屏等组成的。计数器是由多个双稳触发器构成的。译码器是由"与门"组成的，它可将二进制代码转换成十进制数，如果按编码将计数器的输出端同各“与门”输入端相连就可以产生代表十进制的电信号，电信号加到显示屏的各像素点上并显示出相应的图形，这是由图形译码驱动器完成的。图形译码器由一些LED组成，各“与门”输出的电信号通过LED连接列在各像素点上。由于LED是单向导电，因而可以保证各像素点不会互相串扰或短接。
图9-7LED显示屏系统结构 图9-8显示屏驱动及显示系统
LED点阵显示屏的主要原理是，将要显示的图文信息首先进行数字化处理，使图文信息转换成相应的数字化视频信号，经过数字通信系统将数字视频信号传输到LED显示屏显示缓存中，由显示单元控制电路读取相应的显示信息进行显示。由于LED显示屏在进行图文显示时，其显示方式丰富多变，因此其相应的视频控制模板也十分复杂，一般分为单色显示和彩色显示两大类。
由于LED点阵显示屏具有美观的画面、灵活的内容更换、较低的功耗、较长的寿命等优点，因而被广泛运用在商场、街道、广场、车站和机场等人群密集或流动量大的场合，可及时地传播信息和播放电视，尤其用来播放广告、产品介绍等。
2.LED显示屏的类型
（1）从显示方式来分，可分为静态和动态扫描显示两种。
①静态显示。LED的亮度高，软件编程也比较容易，但是静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为个像素屏，则需泌m套驱动电路，而它又占用比较多的I/O口资源，因而常用于显示位数不多的情况。
②动态扫描显示。动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是F路复用的话，则每P个像素需一套驱动电路，小也个像素仅需小初/P套驱动电路。对动态扫描显示而言，尸越大驱动电路就越少，成本也就越低，其引线也大大减少，这就更有利于高密度显示屏的制造。并且，它利用了人眼的视觉暂留效应（虽看上去在很短的时间周期内LED显示屏上的灯全部点亮，但实际上并没有全亮），占用资源少，其动态控制又节省了驱动芯片的成本，节省了电（亮度小功率就小了），因而在实际的LED大屏幕显示中釆用。但编程比较复杂，在同样规格同样灯管芯片的情况下，动态扫描的亮度不如静态的好。
（2）按颜色分为三种。
①全彩显示屏。即红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏，可以显示1600多万种色。
②单色（单基色）显示屏。即单一颜色（红色，绿色，黄色，白色，蓝色等）。
③双色（双基色）显示屏（红绿色、蓝绿色）红和绿双基色，256级灰度或者512级灰度，可以显示65536种颜色。
（3）按使用环境可分为三种。
①室内显示屏：发光点较小，一般⑦3mm〜⑦8mm,显示面积一般几至十几平方米。
②半户外显示屏：像素点大小之于室内和户外显示屏之间，常见于银行、商场或医院等门楣上。
③室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。
（4）按安装方式可分为立柱式LED显示屏（单立柱和双立柱）、壁挂式LED显示屏、吊装式显示屏、嵌入式显示屏等。
（5）按用途可分为信息发布屏、交通诱导屏、广告发布屏、车载屏、球场屏、舞台租赁屏和楼梯屏等。
3.LED大屏幕显示器真彩实现
LED显示屏的显示单元中，三基色LED管芯为核心器件，要想质量好，必须选用高质量的LED管芯，对此应严格挑选波长及发光强度一致性好的管子。
与彩色电视机一样，全彩LED显示屏是通过红、绿、蓝三种颜色的不同光强实现图像色彩的还原再现的。显然，红、绿、蓝三种颜色的纯正度，直接影响图像色彩再现的视觉效果。而白光的三色配比不是简单的三种颜色的叠加，一般要求：
- 在保证红、绿、蓝光频纯正的前提下，要求红、绿、蓝光强之比必须接近3：6：1。
- 因人们视觉对红色的敏感性，要求红色发光源在空间上必须要分散分布。
- 因人们视觉对红、绿、蓝三种颜色光强的不同的非线性曲线响应，要求不同光强的白光对红、绿、蓝要进行类似电视机里的丫校正。
- 由于人的视觉对色差的分辨能力有限，因此必须找出图像色彩再现真实性的客观指标。
因此，为了再现真实的图像色彩，在LED显示屏的配光上还应满足下面一些要求。
- 红、绿、蓝三色的波长应分别在660nm、525nm、470nm左右。
- 一般釆用4管单元配白光为佳，当然多管单元也可，但主要取决于光强。
- 选用256级为红、绿、蓝三色的灰度级。
- 采用针对LED像素管的非线性校正。
红、绿、蓝三色配光及非线性校正，可以用显示控制系统硬件实现，也可由播放系统软件实现。
国内外的LED显示屏朝着真彩（224种颜色）、高分辨率（＞4096像素点/m?）方向发展,现在7100像素点/m2分辨率的显示单元已经出现。目前，LED显示屏的显示单元正向着超亮度、高分辨率、高灰度级方向发展；其显示媒体向着多媒体（静止/动态图文、视频图像、音视频同步）方向发展；系统的运行、操作与维护向着集成化、网络化、智能化方向发展。
TI公司已推岀两款适用于大型彩色显示屏的16通道恒流下沉式LED驱动器TLC5940和TLC5923,其数据传输速率均为30MHz,提供了更高的系统可靠性及更佳的动态亮度控制，使大型运动场的记分板、广告显示及视频显示屏等设备具有更高的分辨率。
4.LED显示屏的优缺点
（1）LED显示屏的优点如下。
①寿命长，比LCD显示屏寿命长10倍以上。
②节能与绿色环保。
③光色纯正、柔和、无眩光，可显示图像和文字，显示性能优越。
④LED的功率很低，发热量小。
⑤应用范围广。
（2）LED显示屏的缺点如下。
①亮度太高，存在光污染。
②不适于近距离观看。
③LED显示墙的造价比较昂贵，在画面的精细度上相比投影机差一些。
由上看出，LED显示屏在节能环保和显示效能上都优于一些传统的显示设备，但是LED显示屏也有一些自身的缺点，如存在光污染、造价偏贵、不适于近距离观看等，所以用户选择LED显示屏要考虑最终的使用环境才能扬长避短，发挥LED显示屏的优势。
四、有机发光二极管（OLED）显示技术
大家知道，显示器不仅应用于计算机，而且广泛应用于手机、数码相机（DSC）、数字摄像机（DVC）、PDA、数字电视接收机及汽车卫星导航系统等领域。但是，目前还没有一种显示技术可以完全适用于所有的领域，因而使显示器生产商转向下一代显示产品的研制。其中，最为突出的就是有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode,OLED）显示器。
由于OLED具有视角宽、亮度高、响应速度快、温度特性好、可弯曲等优异性能，而代表着显示技术的发展方向，因而成为发光技术和平板显示技术研发的重中之重。OLED的最大突破在于材料的机械韧性和低温制程，它可在任何轻薄的基板，如塑胶基板上应用。长远而言,OLED可发展成为新式可弯曲的柔性的显示器，因而发展潜力雄厚。
OLED克服了第一代显示器CRT体积大、笨重、功耗大和不便于携带的缺点，也克服了LCD视角小、响应速度慢、在低温下不能使用，且自身不能发光的不足，并且OLED是放射性器件结构，可获得比传导性结构LCD更好的视觉效果，因而有着非常诱人的应用前景，已被公认是可以取代LCD的产品，因而使其成为显示器行业的后起之秀。
1.OLED的基本结构及其发光原理
OLED是一种利用有机半导体材料和发光材料，在电流驱动下发光的新型显示技术，即是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。一个最简单的OLED可以由阴极、发射层和阳极组成，称为单层夹心式有机薄膜电致发光（EL）器件。一般制作过程是在导电玻璃基质ITO±（阳极）旋涂、浸涂或真空蒸镀一层发光材料（发光层），然后再镀上阴极材料，连接直流电源即构成电致发光器件。OLED去除了LCD生产中复杂的电池及液晶显示模块工艺，同时也无须背光源及滤波器。显然，生产过程相对简单，因此OLED比LCD更具有成本优势。
为了提高有机发光器件的稳定性和效率，应使电子和空穴载流子的注入达到平衡，这就要求电极材料的功函数与发光材料的能级相匹配。在电极材料的选择上，阴极和阳极的要求是不一样的。阴极需釆用低功函数材料，以便电子可以在较低激发电压下注入到发光层内；而阳极则必须选择高功函数的材料。在上述单层器件的基础上，己开发出双层和三层结构的有机薄膜EL器件。这种双层和三层结构的有机薄膜电致发光器件结构如图9-9所示。
当电极上加有电压时，发光层就产生光辐射。和无机薄膜电致发光器件不同，有机材料的电致发光属于注入式的复合发光，其发光机理是由正极和负极产生的空穴和电子在发光材料中复合成激子，激了的能量转移到发光分子，使发光分子中的电子被激发到激发态，而激发态是
一个不稳定的状态，去激过程复合就产生可见光。为增强电子和空穴的注入和传输能力，通常又在ITO和发光层间增加一层有机空穴传输材料或在发光层与金属电极之间增加一层电子传输层，以提高发光效率，则是图10-18中的双层结构器件。如果既有空穴传输层，又有电子传输层，则是图9-9中的三层结构器件。
图9-9 有机薄膜电致发光器件结构
OLED发光过程的雅布隆斯基（Jablonski）能级图如图9-10所示。
其能量可以通过以下的几种方式释放。
（1）通过振动弛豫、热效应等耗散途径使体系能量衰减。
（2）通过非辐射的跃迁，耗散能量，如内部转换、系间交叉窜跃等形式，如S1→T1;
（3）通过辐射跃迁的荧光发光（Si→So,S2→S0）和磷光发光（T1一So）。
图 发光过程中的雅布隆斯基能级图
在能量释放时，这些不同形式的能量耗散过程是一个相互竞争的过程。由于在常温下，有机分子的磷光非常弱，所以只有其中空穴和电子复合成单重态激子的部分才能通过辐射跃迁发射荧光，从而成为有效的有机电致发光。其中本身能发生辐射跃迁发光的那部分只是所吸收的总体能量中很小的一部分，即总体吸收的能量中能够转化为电致发光部分的能量很少。在器件的制备过程中，材料的缺陷、电极的纯度及不同材料界面对发光强度和整体性能都有很大的影响。
有机小分子电致发光的原理是：从阴极注入电子，从阳极注入空穴，被注入的电子和空穴在有机层内传输。第一层的作用是传输空穴和阻挡电子，使得没有与空穴复合的电子不能进入正电极；第二层是电致发光层，被注入的电子和空穴在有机层内传输，并在发光层内复合，从而激发发光层分子产生单重态激子，单重态激子辐射跃迁而发光。
聚合物电致发光过程为：在电场的作用下，将空穴和电子分别注入共轴高分子的最高占有轨道（HOMO）和最低空轨道（LUMO）,于是就会产生正、负极子，极子在聚合物链段上转移，最后复合形成单重态激子，单重态激子辐射跃迁而发光。
实际上，电致发光机理属于注入式发光，在正向偏压的作用下，ITO电极向电荷传输层注入空穴，在电场的作用下向传输层界面移动，而由铝电极注入的电子也由电子传输层向界面移动，由于势垒的作用，电子不易进入电荷传输层，而在界面附近的发光层（Alq）一侧积累。由于激子产生的概率与电子和空穴浓度的乘积成正比，在空穴进入Alq层后与电子界面处结合而产生激子的概率很大，因而几乎所有的激子都是在界面处与Alq层一侧很狭窄的区域（约36nm）内产生。因而发光不仅仅是在Alq层，而且主要在电子/空穴传输层的界面。
2.OLED的分类
（1）按发光材料或分子结构分类。
①小分子OLED。在小分子OLED中，发光体是离散的分子。八羟基喳嚇铝（Alq3）是常用的发光材料，Alq3可发出波长范围450-700nm的宽带绿光辐射，峰值波长位于550nm。如果在Alq3中加入掺杂剂或用其他原子（如被）取代铝，就可得到不同颜色的光辐射。Kodak公司的C.W.Tang于1987年发表的划时代结果釆用的就是AIq3。现在Kodak公司拥有小分子OLED的基本专利。美国新泽西的UDC（Universal Display Corporation）公司，主要开发电致磷光OLED器件，其功率效率居世界领先水平（大于30ImAV）,
②聚合物OLED（高分子OLED,简称PLED）。这类有机发光材料是共轴聚合物，也称高分子型。与小分子不同，聚合物发光材料的成膜可用溶液方法进行处理。通常釆用的方法是旋涂法和喷黑打印方法，其中喷墨法是剑桥显示技术公司（CDT）和精工爱普生（SEIKO-EPSON）的专利技术。PLED是剑桥大学卡文迪许实验室Friend小组于1990年首次发布的，使用的发光材料是PPV。PPV本身是难溶性的，不易加工处理，但PPV的前驱物可溶于某些溶剂，如氯仿、甲醇等。目前广泛使用的材料除了PPV之外，主要还有MEH-PPV和聚勿类材料。剑桥显示技术公司（CDT）成立于1992年，该公司拥有PLED的基本专利。德国法兰克福的Cavion公司，则主要向PLED厂商提供聚合物发光材料。
③镧系有机金属OLED（稀土OLED）。镧系金属有机化合物是介于小分子和聚合物发光材料之间的，它属于稀土类发光材料。由这类材料构成的器件也称为稀土OLED,在稀土OLED中，发光分子由一个金属核心和外围的有机壳层组成。其发光机制与前两类OLED不同，加电之后，首先在外围有机壳层中形成激发态，然后将其能量传递给金属核心，金属核心去激时，辐射出颜色比较纯正的光。稀土OLED重要特点之一是，单重态和三重态都产生光辐射，其量子效率在理论上可达100%。因此，它的PL和EL效率都很高，EL功率效率的理论值为1201m/Wo由于是金属核心发光，与小分子和聚合物OLED相比，稀土OLED的光谱非常窄，半峰宽（FWHW）的典型值只有100nmo目前，英国的两家公司正在从事稀土OLED产品的开发工作：一家是成立于1997年的Opsys公司；另一家是成立于1999年的ELAM-T公司，主要开发镧系金属有机化合物材料，功率效率已经超过70lm/Wo
（2）按驱动方式分类。
①被动矩阵（PassiveMatrix）驱动（无源驱动）显示方式。简称PM-OLED,其实际结构如图9-11所示。其中，ITO玻璃（阳极）和金属电极（阴极）都是平行的电极条，二者相互正交，在交叉点处形成像素，也就是发光的部位LED。LED逐行点亮就形成一帧可视图像。由于每一行的显示时间都非常短，要达到正常的图像亮度，每一行的LED的亮度都要足够高。每个像素的亮度与施加电流的大小成正比。如一个100行的器件，每一行的亮度必须比平均亮度高100倍。这就需要很高的电流和电压，从而引起功耗增加，使显示效率急剧下降，这
就使得PM-OLED在大面积显示中的应用受到限制。模拟结果表明，当显示面积提高4倍时，功率要提高10倍。对于2英寸的小面积显示器件，PM-OLED的节能效果比同样尺寸的背光源LCD要明显得多；但10英寸的大面积PM-OLED和相同尺寸的LCD相比，节能效果就不复存在了。因此，这就限制了它在大面积显示中的应用。
PM-OLED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。PM-OLED用来显示文本和图标时效率最高，适于制作小屏幕（对角线2〜3英寸），如人们在移动电话、掌上型电脑及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釆用的LCD。
②主动矩阵（AcitiveMatrix）驱动（有源驱动）显示方式。简称AM-OLED,其实际结构如图9-12所示。它具有完整的阴极层、有机分子层和阳极层，但阳极层覆盖着一个薄膜晶体管（TFT）阵列，形成一个矩阵。利用类似于AM-LCD的制造技术，在玻璃衬底上制作CMOS多晶硅TFT,发光层制作在TFT之上。TFT阵列本身就是一个电路，能决定哪些像素发光，进而决定图像的构成。
驱动电路完成两个功能：一是提供受控电流以驱动OLED：二是在寻址期之后继续提供电流以保证各像素连续发光。和PM-OLED不同的是，AM-OLED的各个像素是同时发光的。这样就大大地降低了单个像素的发光亮度，电压也得到了相应的下降。这就意味着AM-OLED的功耗比PM-OLED要低得多，是大面积显示比较理想的选择。
一般，驱动OLED的薄膜晶体管有以下三种薄膜晶体管技术。
- 低温多晶硅薄膜晶体管（LTPSTFT）。
- 非晶硅薄膜晶体管（a-SiTFT）。
- 有机薄膜电晶体（OTFT）。
低温多晶硅薄膜晶体管相对于另两种晶体管技术，具有较高的载流子（电子或孔穴）迁移率（约100倍大）及较高的热稳定性，可提供足够高的电流供应给有机发光二极管。因此，低温多晶硅薄膜晶体管与有机发光二极管两种技术的结合，已成为未来必然的发展趋势。
AM-OLED的耗电量低于PM-OLED,这是因为TFT阵列所需电量要少于外部电路，因而AM-OLED适合大型显示屏。AM-OLED还具有更高的刷新率，适于显示视频。AM-OLED的最佳用途是电脑显示器、大屏幕电视及电子告示牌或看板。
有源矩阵的驱动电路藏于显示屏内，更易于实现集成度和小型化。由于解决了外围驱动电路与屏的连接问题，这在一定程度上提高了成品率和可靠性。现在，CDT、精工爱普生、三洋电机等公司展岀的17英寸OLED釆用的就是主动矩阵方式。可以预见，主动矩阵驱动技术将是今后OLED发展普遍采用的方式。
3.OLED的优缺点
(1)OLED的优点如下。
①OLED是自发光，因而视角宽(超过170°),亮度高。
②不存在聚焦，失真小，清晰度、色纯全屏一致。
③不受磁场影响，无闪烁，材料绿色环保。
④响应速度快，比LCD快1000倍，显示运动画面绝对不会出现拖影现象。
⑤工作电压低、功耗低，发光效率高。
⑥面板超薄(厚度小于2mm)、超轻，可做能弯曲的柔性显示器。
⑦生产成本低，其平均成本不到LCD的一半。
⑧高低温特性好，温度范围宽(-40°C〜+85'C),且还耐温差。零下40°C时仍能正常显示，而LCD则根本无法做到。
⑨OLED是全固态器件，抗震性能非常好，不怕摔，适于震动环境使用。
(2)OLED的缺点。OLED似乎是一项完美无缺的技术，适合各类的显示器，但它目前还存在一些需要解决的缺陷问题。
①寿命和稳定性问题。影响OLED寿命和稳定性的主要原因如下。
- 器件温度升高。因器件在工作过程中除发光外，还有一部分电能转化为热量，从而使分子振动加剧，器件发热温度升高，这将导致薄膜结晶、界面变化等。
- 氧化。器件包封不够严密(或在使用过程中泄露空气)，即使有微量空气渗入，在内部高电场作用下，氧分子将引起光氧化降解反应，破坏有机/高分子材料的共轴特性，使发光效率降低，导致器件退化。
- 水。在高电场下，微量的水分都可能会导致电化学等反应，使器件界面遭到破坏。水氧的存在还可能造成电极被腐蚀，导致电子注入效率下降，氧化产生的离子可能注入器件发光区，造成猝灭中心，进而影响器件的发光效率。
- 杂质。杂质可能成为载流子捕获和生热中心，引起内部电场的局部畸变，杂质产生的无辐射中心，是器件老化的重要原因，所以有机/高分子材料的提纯是一个很关键的问题。据报道，每400个苯基乙烯基单元中含一个臻基就会使器件的发光猝灭一半。
- EL器件的光辐射。因为发光层发出的光可能破坏材料分子的化学键。此外，有机薄膜的厚度、均匀性等都可能影响到器件的稳定性。
②色度问题。OLED的大部分发光材料色彩纯度不够，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩，尤其是红色的色度性能尤为不良。
③大尺寸问题。因为尺寸变大后会出现如驱动形式、扫描方式下材料的寿命、显示屏发光均一化等问题。目前大屏幕显示器成品率低，因而制造大屏幕显示器的成本偏高，还不能实现大尺寸屏幕的量产，因而目前只适用于小尺寸便携类的数码类产品。
我国台湾地区以铢徳公司为代表的一批企业已经走到世界OLED产业化的前列；清华大学和维信诺公司已联合建立了国内第一条OLED生产线等。相信不久，在解决好大尺寸OLED的长期可靠性和使用寿命等后，OLED必将成为显示器市场的主流。LCD花了15年时间才超过CRT成为电脑显示器的主流技术。专家们预言，OLED将花费更短的时间超越LCD。
五、量子点发光二极管（QLED）显示技术
由前一节可知，在视觉的明度和节能方面，很少有显示技术能与OLED（有机发光二极管技术）媲美。但目前OLED多被应用于手机类小型的显示设备上，OLED的生产技术正在克服前述问题，努力向制造如计算机显示器或者电视机等大型化的设备迈进。
量子点QLED显示技术主要包括量子点发光二极管显示技术（QLED）和量子点背光源技术（QD-BLU）。下面在介绍量子点QLED显示技术前，需要先了解量子点的概念。
1.量子点的基本概念
（1）量子点的含义。量子点（QuantumDot）这个听来有些科幻的名字是美国耶鲁大学物理学家马克•里德提出的，也往往被叫成纳米点或者零维材料。量子点是一类特殊的纳米材料，往往是由碑化镣、硒化镉等半导体材料为核，外面包裹着另一种半导体材料而形成的微小颗粒。每个量子点颗粒的尺寸只有几纳米到数十纳米，包含了几十到数百万个原子。因为其体积的微小，让内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子限域效应特别显著，也让它能发出特定颜色的荧光。在受到外界光源的照射后，量子点中的电子吸收了光子的能量，从稳定的低能级跃迁到不稳定的高能级，而在恢复稳定时，将会将能量以特定波长光子的方式放出。这种激发荧光的方式与其他半导体分子相似；而不同的是，量子点的荧光颜色，与其大小紧密相关,只需要调节量子点的大小，就可以得到不同颜色的纯色光。
量子点是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。量子点，电子运动在三维空间都受到了限制，因此有时被称为人造原子、超晶格、超原子或量子点原子，是20世纪90年代提出来的一个新概念。这种约束可以归结于静电势（由外部的电极、掺杂、应变、杂质产生），两种不同半导体材料的界面（如在自组量子点中），半导体的表面（如半导体纳米晶体），或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子、空穴或电子空穴对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。
量子点又可称为纳米晶，是一种由II-VI族或IILV族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1〜10nm,由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。基于量子效应，量子点在太阳能电池，发光器件，光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在21世纪有极大的应用潜力。
小的量子点，如胶状半导体纳米晶，可以小到只有2〜10nm,这相当于10到50个原子的直径的尺寸，在一个量子点体积中可以包含100〜100000个这样的原子，自组装量子点的典型尺寸在10〜50nm。通过光刻成型的门电极或者刻蚀半导体异质结中的二维电子气形成的量子点横向尺寸，可以超过100nm。将10nm尺寸的300万个量子点首尾相接排列起来，可以达到人类拇指的宽度。
量子点按其几何形状，可分为箱形量子点、球形量子点、四面体量子点、柱形量子点、立方量子点、盘形量子点和外场（电场和磁场）诱导量子点；按其电子与空穴的量子封闭作用，量子点可分为1型量子点和2型量子点：按其材料组成，量子点又可分为元素半导体量子点,化合物半导体量子点和异质结量子点。此外，原子及分子团簇、超微粒子和多空硅等也都属于量子点范畴。
（2）量子点的主要性质。
①量子点的发射光谱可以通过改变量子点的尺寸大小来控制。通过改变量子点的尺寸和它的化学组成可以使其发射光谱覆盖整个可见光区。以CdTe量子为例，当它的粒径从2.5nm生长到4.0nm时，它们的发射波长为510-660nm。
②量子点具有很好的光稳定性。量子点的荧光强度比最常用的有机荧光材料罗丹明6G高20倍，它的稳定性更是罗丹明6G的100倍以上。因此，量子点可以对标记的物体进行长时间的观察，这也为研究细胞中生物分子之间长期相互作用提供了有力的工具。
③量子点具有宽的激发谱和窄的发射谱。使用同一激发光源就可实现对不同粒径的量子点进行同步检测，因而可用于多色标记，极大地促进了荧光标记的应用。而传统的有机荧光染料的激发光波长范围较窄，不同荧光染料通常需要多种波长的激发光来激发，这给实际的研究工作带来了很多不便。此外，量子点具有窄而对称的荧光发射峰，且无拖尾，多色量子点同时使用时不容易出现光谱交叠。
④量子点具有较大的斯托克斯位移。量子点不同于有机染料的另一光学性质就是宽大的斯托克斯位移，这样可以避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。
⑤生物相容性好。量子点经过各种化学修饰之后，可以进行特异性连接，其细胞毒性低，对生物体危害小，可进行生物活体标记和检测。
⑥量子点的荧光寿命长。有机荧光染料的荧光寿命一般仅为几纳秒（这与很多生物样本的自发荧光衰减的时间相当）。而量子点的荧光寿命可持续20〜50ns,这使得当光激发后，大多数的自发荧光己经衰变，而量子点荧光仍然存在，此时即可得到无背景干扰的荧光信号。
总而言之，量子点具有激发光谱宽且连续分布，发射光谱窄且对称，颜色可调，光化学稳定性高，荧光寿命长等优越的荧光特性，是一种理想的荧光探针。
（3）量子点的物理效应。量子点独特的性质基于它自身的量子效应，当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应，从而派生出纳米体系具有常观体系和微观体系不同的低维物性，展现岀许多不同于宏观体材料的物理化学性质，在非线形光学、磁介质、催化、医药及功能材料等方面具有极为广阔的应用前景，同时将对生命科学和信息技术的持续发展，以及物质领域的基础研究发生深刻的影响。
①量子尺寸效应。通过控制量子点的形状、结构和尺寸，就可以方便地调节其能隙（即禁带）宽度、激子束缚能的大小，以及激子的能量蓝移等电子状态。随着量子点尺寸的逐渐减小，量子点的光吸收谱出现蓝移现象。尺寸越小，则谱蓝移现象也越显著，这就是所谓的量子尺寸效应。
②表面效应。它是指随着量子点的粒径减小，大部分原子位于量子点的表面，量子点的比表面积随粒径减小而增大•由于纳米颗粒大的比表面积，表面相原子数的增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬键增多，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。这种表面效应将引起纳米粒子大的表面能和高的活性。表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。表面缺陷导致陷阱电子或空穴，它们反过来会影响量子点的发光性质、引起非线性光学效应。金属体材料通过光反射而呈现出各种特征颜色，由于表面效应和尺寸效应使纳米金属颗粒对光反射系数显著下降，通常低于1%,因而纳米金属颗粒一般呈黑色，粒径越小，颜色越深，即纳米颗粒的光吸收能力越强，呈现出宽频带强吸收谱。
③介电限域效应。由于量子点与电子的DeBroglie波长、相干波长及激子Bohr半径可比拟，电子局限在纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程很短，电子的局域性和相干性增强，将引起量子限域效应。对于量子点，当粒径与Wannier激子Bohr半径相当或更小时，处于强限域区，易形成激子，产生激子吸收带。随着粒径的减小，激子带的吸收系数增加，出现激子强吸收。由于量子限域效应，激子的最低能量向高能方向移动即蓝移。最新的报道表面，日本NEC已成功地制备了量子点阵，在基底上沉积纳米岛状量子点阵列。当用激光照射量子点使之激励时，量子点发岀蓝光，表明量子点确实具有关闭电子的功能的量子限域效应。当量子点的粒径大于Waboer激子Bohr半径时，处于弱限域区，此时不能形成激子，其光谱是由带间跃迁的一系列线谱组成的。
④量子隧道效应。传统的功能材料和元件，其物理尺寸远大于电子自由程，所观测的是群电子输运行为，具有统计平均结果，所描述的性质主要是宏观物理量。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑量子隧道效应。lOOnm被认为微电子技术发展的极限，原因是电子在纳米尺度空间中将有明显的波动性，其量子效应将起主要功能。电子在纳米尺度空间中运动，物理线度与电子自由程相当，载流子的输运过程将有明显电子的波动性，出现量子隧道效应。电子的能级是分立的，利用电子的量子效应制造的量子器件，要实现量子效应，要求在几个pm到几十个pm的微小区域形成纳米导电域。电子被锁在纳米导电区域，电子在纳米空间中显现出的波动性产生了量子限域效应。纳米导电区域之间形成薄薄的量子垫垒，当电压很低时，电子被限制在纳米尺度范围运动，升高电压可以使电子越过纳米势垒形成费米电子海，使体系变为导电。电子从一个量子阱穿越量子垫垒进入另一个量子阱就出现了量子隧道效应，这种绝缘到导电的临界效应是纳米有序阵列体系的特点。
⑤库仑阻塞效应。当一个量子点与其所有相关电极的电容之和足够小的时候，只要有一个电子进入量子点，系统增加的静电能就会远大于电子热运动能力，这个静电能将阻止随后的第二个电子进入同一个量子点，这就是库仑阻塞效应。
2,量子点背光源技术（QD-BLU）
目前最成熟的QLED应用是用于改善液晶显示设备的显示效果，这种应用中釆用到的是三原色的光致发光QLED材料。量子点具有发光特性，量子点薄膜（QDEF）中的量子点在蓝色LED背光照射下生成红光和绿光，并同其余透过薄膜的蓝光一起混合得到白光，从而能提升整个背光系统的发光效果。
量子点QLED显示技术与众不同的特性，每当受到光或电的剌激，量子点便会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，量子点能够将LED光源发出的蓝光完全转化为白光（传统YAG荧光体只能吸收一部分），这意味着在同样的亮度下，量子点QLED所需的蓝光更少，在电光转化中需要的电力亦更少，从而有效降低背光系统的功耗总成。
如在iPhone6和TCL的QLED电视中,QLED起到的作用是改变液晶显示背光源的品质。目前，白光LED光源是超薄、节能液晶显示设备的主流光源。这种光源的LED灯主要由发蓝色光的LED芯片和对应的红色、绿色荧光粉构成。这种设计的问题在于，荧光粉的转化效率并不是特别高、色彩纯度也有限这两个缺点。前者导致液晶电视能耗水平一直高于OLED,后者导致液晶电视色彩表现比OLED差。
但是，在应用QLED技术后，液晶显示的背光系统可以是另一种状态：QLED技术的液晶背光源中，LED发光器件选择蓝色的（不是白色，也不是红绿蓝三种，之所以选择蓝色，是因为蓝色LED的效率最高、成本最低），蓝色的LED光通过导光板形成平行的面蓝色光源，然后照射到涂覆有QLED物质的另-个薄膜上，不同种类和数量的QLED量子点物质将蓝色LED的光，按比例转化成红绿蓝三原色，并合成液晶显示需要的高品质白色背光源。
液晶显示应用QLED技术之后，背光源的色彩转换效率大幅度提升，同时原色的纯度也大幅度提升。前者使得电视机和手机更为节能，后者则使得电视机和手机的色彩表现力显著提升。
当然，任何技术都不会是完美的。QLED技术目前用于改善液晶显示设备的显示效果，也会产生副作用：这些副作用主要是，QLED材料的热稳定性不好，这就要求采用该技术的液晶显示设备更注重散热；QLED材料在空气中的稳定性不好，这就需要注重釆用该技术后的显示设备相关组件的密封；同时，QLED的材料寿命低于传统的荧光粉很多（目前和OLED材料寿命相当或者略长）,QLED材料会成为釆用该技术的液晶显示设备的寿命瓶颈。尤其是在个别QLED材料寿命只有1万〜3万小时的背景下，对比传统LED光源10万小时的寿命，差异巨大。
用QLED加强LCD背光后液晶显示的结构如图9-13所示。
图9-13用QLED加强LCD背光后液晶显示的结构图
传统液晶显示技术的画面效果瓶颈主要由液晶反应速度、滤光膜效果和背光源系统提供的背光品质决定。而QLED可以显著改善背光源的品质。同时，在产品工艺上，QLED材料层可以和液晶背光源模组、背光模组中的导光板，甚至液晶和TFT工艺层混合，具有多种工艺和架构选择，可以让液晶显示厂商选择最为经济合理的技术方案。更为重要的是，这些技术路线中的任何一个，都不会较大地改变现有的产品生产工艺和流程体系。也就是说，引入QLED技术的液晶产品，制造成本的增长有限。同时，可以和液晶面板结合，也可以和背光源模组结合的特点，使得QLED可以在整机厂商或者面板厂商的产业链阶段同时渗透，釆用该技术制造显示设备整机企业，不需要100%依赖面板厂商。
目前，液晶显示行业已经把应用QLED作为改善液晶画质品质的关键突破点。但是，QLED创造的想象空间还远不止这些，QLED还可以抛弃液晶成为独立的显示技术门类，这就是下面论述的量子点发光二极管显示技术。
3.量子点发光二极管显示技术（QLED）
据报道，2005年，毕业于麻省理工大学的科尔•苏利文创建QDVision公司，随后QDVision联手韩国LGDisplay和比利时化学品公司Solvay,研究并制造了QLED有源矩阵显示屏。与目前的显示屏相比，QLED在大大提高了亮度和画面鲜艳度的同时，还减少了能耗。
该产品能够进行商业化生产并能同有机发光显示屏（OLED）相竞争。如制造OLED时，需要使用一个“阴罩”，当屏幕尺寸变大时，阴罩板容易发生热胀冷缩，会使得色彩等不够精确。而QLED的制造过程不需要使用阴罩，因此不会岀现精确度减少的问题。另外，量子点还可悬停在液体中，并使用多种技术让其沉积，包括将其喷墨打印在非常薄的、柔性或者透明的衬底上。
OLED还有一处不足，其纯色需用彩色过滤器才能产生，而QLED从一开始就能产生各种不同纯色，也在将电子转化为光子方面优于OLED,因此能效更高，制造成本更低。在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍，发光率将提升30%〜40%。
2012年，浙江大学高新材料化学中心有合成化学背景的彭笑刚课题组和具有制备溶液工艺光电器件经验的金一政等科学家紧密合作，在首先解决了量子点合成化学方面的问题后，通过在器件中插入一层超薄绝缘层，很好地解决了载流子平衡注入这一困扰QLED领域多年的难题，从而设计出一种新型的量子点发光二极管（QLED）。并且，其制备方法基于低成本、有潜力应用于大规模生产的溶液工艺，其综合性能则超越了已知的所有溶液工艺的红光器件，尤其是将使用亮度条件下的寿命推进到10万小时的实用水平。这种新型的QLED使用的发光材料是可溶的无机半导体纳米晶（即量子点），这种高效的无机发光中心同时可以兼容溶液工艺。金一政说：“釆用溶液工艺制备光电器件具有高速度、低成本的优势，其制备过程有可能如同印刷报纸一样简单高效，还有可能釆用轻薄、柔性的塑料基板。”
（1）量子点发光二极管的结构原理。和OLED类似，量子点屏的每种颜色的像素都和一个薄膜发光二极管对应，由二极管发光为量子点提供能量，激发量子点发出不同强度、不同颜色的光线，在人眼中组合成一幅图像。由于量子点发光波长范围极窄，颜色非常纯粹，所以量子点屏幕的画面比其他屏幕都要更清新明亮。
QLED是利用单反射镜结构的量子点结构制造的发光二极管，如图9-14所示。这个器件的有源层是由InAs量子点层组成的，InAs量子点层被离开器件表面的镀金反射镜的InGaAs层包覆。为了限制注入的载流子，利用一个单量子点层有源区，而InGaAs层生长在GaAs衬底和有源区之间。为了提高输出信号光功率，单量子点层位于离开表面反射镜发光X/2的位置。这样，由反射镜反射的光信号不断地与来自有源层下面的辐射发光作用，从而使衬底收集的光信号功率增大4倍。并且，人们已经成功地研制出工作波长为1310nm和1550nm时，输出光功率可以达到10mW的QLED。
图 量子点发光二极管的机构yu原理
目前，已经研制出了外量子效率大于20%的带有谐振腔的QLED。对于那些没有谐振腔的QLED,可以通过在发光二极管表面引入一个薄的有源层来提高外量子效率。这样的器件被称为表面织结薄膜发光二极管，在这种组织结构中，经过全内反射的光信号，再通过织构顶面散射，从而改变了光信号的传播角度，来自后反射镜反射的光信号可以耦合至发光二极管的输出。现在，已经研制出了没有谐振腔的QLED,其在IGb/s以上的传输速度的外量子效率可以达到29%。如果在光器件的顶部再配置光学透镜，可以使光器件的量子效率提高40%。
过去10多年来，研究人员一直在研究量子点显示器。过去是把量子点喷在基底材料表面作涂层，类似于喷墨打印。这种技术要把量子点溶解在有机溶剂中，会污染显示器，降低色彩亮度和能效。为克服这一缺点，研究人员找到一种压印的方法，用有图案的硅片造出一种“墨水印章”，然后用“印章”来选取大小合适的量子点，不需要溶剂，就可将它们压在薄膜基片上，平均每平方厘米约分布3万亿个量子点。用这种方法制成的显示器密度和量子一致性都更高，能产生更明亮的画面，能效也比以前更高。研究人员指出，新技术印制量子点显示器是在柔软薄膜上，在可卷曲便携式显示器、柔软发光设备、光电设备等领域该技术都会有广泛应用。
（2）量子点发光二极管（QLED）的优势。目前，业界如三星已在研发可弯曲的OLED屏幕，但QLED屏幕将比它更薄、更容易卷起。QLED的狭义定义为尺度小于10nm之零维半导体晶体，它的大小只有人类头发的1/100000o科学家研究出把这种晶体印刷到柔韧有弹性的的塑料上，可便于携带，甚至印刷到更大张的薄板上创造出巨型屏幕。由于QLED的体积非常小，因此制造商能自由决定放射波长，即人眼所见的光的颜色，可在生产过程中调整任何颜色，做出彩色屏幕。当前市面上多数电视是使用由LED作为背光源的LCD屏幕，厚度多为数毫米。应用QLED技术，则可达到史上最轻、最薄的境界，影像质量也较LCD和OLED屏幕来得好，并维持得更久。
相比于液晶显示设备（LCD）,OLED的优势非常明显，其更薄更轻，显示效果也更好，尤其是在能耗方面（能耗仅为LCD的10%〜20%）＜＞但因为OLED使用的是有机材料，显示设备的寿命比LCD要短很多，并且技术成本也很高，当屏幕尺寸变大时，阴罩板容易发生热胀冷缩，会使得色彩等不够精确。这限制了OLED在大尺寸屏幕上的应用。
量子点发光二极管（QLED）与OLED相比，具有更大的优越性，其优势如下。
- QLED屏比OLED屏更亮、寿命更长，不使用阴罩，可应用于大屏幕。
- QLED屏比OLED屏生产成本低，QLED屏釆用了稳定可靠的无机半导体材料，这降低了生产成本；在将电子转化为光子方面也优于OLED,能效更高，制造成本更低；QLED屏生产成本还不到OLED屏的一半，因而更适用于大规模市场推广。
- QLED屏比OLED屏能耗小，量子点能够将LED光源发出的蓝光完全转化为白光，而不是像OLED那样只能吸收一部分，这意味着在同样的灯泡亮度下，量子点LED灯所需的蓝光更少，在电光转化中需要的电力自然更少，因而更加节能。在同等画质下，QLED的节能性有望达到OLED屏的2倍。
- QLED屏比OLED屏电光转换效率或发光效率高，发光率将提升30%〜40%。并且，它不存在散热的问题，可用于大面积和家庭照明。同时OLED可以达到与无机半导体材料一样的稳定性、可靠性。
- QLED屏比OLED屏色纯度高，OLED的纯色需用彩色过滤器才能产生，而QLED从一开始就能产生各种不同纯色，其颜色纯度是现有产品的2倍，并且光线非常柔和，色彩更丰富。
- OLED在封装过程中要求条件很高，QLED则受条件限制较少。
不过，QLED的发展也面临着两个挑战，其一是寿命短，最好的QLED寿命仅为1万小时，这对大尺寸显示屏来说还不够；其二是需要确保色彩能始终如一地再现。目前，已经在这两方面取得了很大进步，QLED即将开始商业化生产。
（3）QLED电视与4K超高清液晶电视画质比较。下面我们再具体看一下量子点QLED显示技术所显示的画质情况。与其对比的是一台高端4K超高清液晶电视（基于WLED背光技术)对多个场景的对比效果。
QLED屏与4K超高清液晶电视屏对同一野外场景的显示比较，如图9-15所示。
图9-15QLED屏与4K超高清液晶电视屏对同一野外场景的显示比较
QLED屏与4K超高清液晶电视屏对同一人像的显示比较如图9-16所示。
图 QLED屏与4K超高清液晶电视屏对同一人像的显示比较
由图可见，尽管实拍对比图已经"缩小”两种显示技术的画质差异，但量子点QLED显示技术已经在各个方面无悬念压制传统4K超高清液晶电视,无论是画面的透亮程度、色彩纯度、暗部细节等，量子点QLED显示技术的确在画质表现上令人感到惊讶。事实证明，上述我们对量子点QLED显示技术的技术解析，并非言过其实。
虽然，QLED量子屏技术处于初期阶段，依旧有技术改善的空间，但该技术具有非常好的市场前景。目前，国内外已经取得很大的进展，QLED必将开始展现巨大的商业价值。
