第四讲 光存储与光显示

CRT显示器的主要优点：
● 寿命长（2万小时）
● 亮度、对比度大，无视角问题
● 清晰度高，可达到SDTV及HDTV要求
● 对高速运动图像重显效果好
● 技术成熟，综合性价比最好
数字电视（Digital TV）
数字电视（Digital TV）包括数字HDTV、数字 SDTV和数字LDTV三种。三者区别主要在于图像 质量和信道传输所占带宽的不同。从视觉效果来 看，数字 HDTV（1000线以上）为高清晰度电视 （High Definition Television）的简称，图象质量 可达到或接近35mm宽银幕电影的水平；SDTV （500-600线）即标准清晰度电视，主要是对应现 有电视的分辨率量级，其图象质量为演播室水平； LDTV（200-300线）即普通清晰度电视，主要是 对应现有VCD的分辨率量级。
（3）光盘与磁盘比较


存储密度： 磁盘的道距(约10μm)， 光盘的道距(约 l μm) 据DataStorage l998年2月报道。IBM已 有突破磁盘存储密度10 Gbit / in2 大关的 实验室样机. 数据传输速率：光盘的性能不及磁盘。
（4 ）光盘的分类


按其功能划分主要有四种： (1)只读存储光盘 ( CD-ROM ) (2)一次写入光盘 ( WORM；或称DRAW ) ① 烧蚀型 ② 起泡型 ③ 熔绒型 ④ 合金型 ⑤ 相变型 (3)可擦重写光盘( EDAW )：先擦后写 (4)直接重写光盘：写同时擦除原信息
（2）光盘读出的原理
光盘的播放（读出）过程实际上是写入的反过程。
激光
光盘
光探测器 原始信息
电子放大器 解码处理器
光盘在电机的驱动下以均匀速度转动，聚焦的激光束 跟踪光盘上的信道读出被存储的信息。存储于光盘表面的 烧坑造成光盘表面反光特性规律的变化，因而使投射的激 光强度受到调制，于是光盘表面反射的激光便携带了存储 于光盘的信息。
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。
余辉时间: 指荧光粉的发光，在电子轰击停止后起，到 亮度减小到电子轰击时稳定亮度的l/10(或1/100) 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。
•高电阻率
TFT液晶材料
•
•对紫外光的高稳定性（无分解）
TFT-LCD：电视、监视器、投影器
CRT显示器的主要缺点：
● 体积大，重量重，实现34英寸以上显示有困难 ● 光栅失真大，受地磁影响，全屏亮度不均匀 ● 屏幕边沿和屏幕中心清晰度不同 ● 存在辐射，功耗较大
CRT背投影显示
背投电视
CRT背投影显示器的主要优点：
● 易于实现大屏幕、SDTV显示 ● 亮度、对比度较高 ● 技术成熟，目前在屏幕尺寸相同情况下性 价比最高 ● 惰性小，对高速图像重显效果好
第四讲
光存储与光显示
本 章 内 容
一、 光存储
概述 储 光盘存储 全息存
二、光显示
概述 典型图像显示器
一、光存储 1、概述

（1）什么是信息的光存储？
利用光子与物质的作用，将各种信息如图 像、语言、文字以及相关数据记录下来， 需要时再将其读出。

绘画和文字是人类文明中最生动的光存储 方式。照相和电影是光学存储技术的重大成 就。
•
STN-LCD：BP、移动电话、PDA、笔记本电脑
TFT（Thin Film Transistor）显示模式 液晶与薄膜晶体管TFT组成的有源矩阵方式已成 为液晶显示的主流。
TFT型液晶显示器(TFT-LCD)
两夹层间填充液晶分子的设计。只不过是把一边夹层 的电极改为了FET晶体管，而另一边边夹层的电极改为 了共通电极。但不同的是，由于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电极下一次再加电改变其排列方 式为止。 相对而言，TN就没有这个特性，液晶分子一 旦没有被施压，立刻就返回原始状态，这是TFT液晶和 TN液晶显示原理的最大不同。
使光源的强度按照编码信号变化
聚焦
烧坑
激光器
光调制器
采样编码 原始信息
语音、乐曲、 图像、文字、 数据
每一个采样编码称为一个字节，一个字节内除了包含有 对应采样点的信息，如声音的强弱、图像或文字对应像 素的灰度之外，还包含有诸如纠错等为提高解码准确度 和系统抗干扰能力等内容的编码。


光盘记录介质
将原始信息转换为 电子信号，再变换 成二进制编码
液晶（Liquid Crystal）
液晶是物质的一种状态，介于固态和液态之间，具有 液体的流动性，同时又具有固体物质中分子有序排列的 晶体特性，所以称为液晶。
液晶分子的结构有明显的方向性，因而其光学和电学 特性也具有强烈的各向异性。若对液晶施加电场，就会 引起其分子排列放心和位置的变化，从而导致其光学性 质的变化，此称为液晶的电光效应。

分辨力： 人眼观察图像清晰程度的标志。 用光栅高度(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 称垂直分辨力为 500 行(线)。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 – 53 cm 的电视显像管 其光点直径约 0.2 – 0.5 mm。
（3）光存储的特点
（1）存储密度高 信息的存储密度表征单位面积或单位体积 可存储的二进制位数（bit/cm2，bit/cm3），用 以表示各种存储方法的性能指标。
电子存储器的存储密度约104－106 bit/cm2 ，即使是 超大规模集成电子存储器也不会超过106 bit/cm2 。 光学存储器的理论极限值： 面存储密度为1/λ2 ；体存储密度为1/λ3 。
CRT主要由电子枪、偏振控制系统和荧光屏三部分组成。
荧光屏是一块涂有发 光物质的透明玻璃， 高速电子束撞击荧光 物质产生可见光点， 由光点（像素）组成 图像或图形。
产生的荧光是白光，则称为黑白显象管；若是彩色的，则 称为彩色显象管。 彩色显象管的电子枪要发射三束电子束并由三路对应红、 绿、蓝三个可见光波段的视频信号分别控制其强度，经过 聚焦后分别打在荧光屏的同一空间点（一个像素）处相邻 的红、绿、蓝荧光粉上构成彩色画面。


显 示 技 术
阴极射线管(CRT) 平板显示
液晶显示(LCD) 等离子体显示(PDP)
(Flat Panel Display，FPD) 电致发光显示(ELD)
发光二极管显示(LED
（2）显示器件主要性能指标
亮度: 指垂直于光束传播2的亮度，具有这种亮度图 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/m2以上。 对比度和灰度 对比度：指画面上最大亮度和最小亮度之比。一般 显示器应有 30:1 的对比度。 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。眼 睛可分辨的最大灰度级大致为100级。
（1）光电显示技术的分类

按显示发光类别：自发光型、被动受光型显示等。 按成像空间坐标：二维平面显示、三维立体显示。 按显示原理：电子束显示(CRT)、真空荧光显示
(VFD)、发光二极管显示(LED)、电致发光显示(ELD)、 等离子体显示(PDP)、液晶显示(LCD)、激光显示(LD)
和电致变色显示(ECD)，等等。
2、典型的图像显示器
（1） 阴极射线显象管 （CRT） （2） 液晶显示器（LCD） （3） 等离子显示器（PDP） （4） 半导体发光二极管显示器 （5） 激光束扫描大屏幕显示 （6） 电致发光显示器
（1）阴极射线显像管（CRT） Cathode Ray Tube
CRT是技术最完善、应用最广泛的电子图像显示器
光显示器是光子信息系统的重要组成部分。
显示给观众。将视频电子图像信号转换为可 视图像的显像管及其用于图像生成的附加电 磁控制部分的组合称为图像显示器。 显示器是图像（包括文字、图形和数据） 信息系统的终端，是专门为人的视觉设置的， 所以它应该满足人眼视觉的需求，让人感觉 到再生图像的逼真性。
（1）光电显示技术的分类
按λ=500 nm 计算，存储密度为 1 Tbit/cm3。
（3）光存储的特点
（2）并行程度高 光子之间不会相互作用，因而光计算的并 行处理能力远远高于电子计算。提供并行输入 输出和数据传输。 （3）抗电磁干扰 光子不荷电，抗电磁干扰。 （4）存储寿命长 磁存储 2—3年；光存储10年以上。 （5）非接触式读／写信息 （6）信息价格位低 价格可比磁记录低几十倍。
3、全息存储技术
全息存储技术属体存储，采用并行写入和读出方 式，因而具有极高的写入与读出速度，其极限值 主要限于写入和读出光子器件（空间光调制器和 面阵列CCD光探测器）的性能。目前采用快速并 行探测器阵列的全息存储系统，其数据传输速率 可达到1Gb/s。
二、光显示技术
1、概述
电视广播接收机中由电视屏幕将电视图像
2、 光盘存储
自60年代末美国ECD及IBM公司共同研制出 第一片光盘以来，光盘存储技术发展之迅速 出人意料。

激光唱片(CompactDisk，CD)
激光视盘(LaserVideo—Disk，LVD)：
LD，VCD，DVD……。

计算机外存设备：光盘
（1 ）光盘存储的原理
激光经聚焦后可在记录介质中形成极微 小 的 光 照 微 区 ( 直 径 为 光 波 长 的 线 度， 即 1μm 以下)，使光照部分发生物理和化学变 化，从而使光照微区的某种光学性质 ( 反射 率、折射率、偏振特性等 ) 与周围介质有较 大反衬度，可以实现信息的存储。
CRT背投影显示器的主要缺点：
● 光栅失真大，调整复杂，受地磁场影响
● 可视角小，屏中和屏边清晰度不同
● 屏幕越大，亮度越低
● 投影管寿命短（1200－2000小时），需
定期更换
（2）液晶显示器（LCD）
Liquid Crystal Display
液晶显示器属投影式平板显示器，液晶相当于一个二维 阵列可变透过率滤光器，称其为光阀。液晶光阀可由外 加视频信号控制其像素阵列上相应像素的透光特性而构 成图像。
液晶显示的原理
起偏器：保证入射光为线偏光 液晶盒：外加电场的变化导致液晶分子取向变 化，而使入射液晶内的光波偏振态变化 检偏器：将偏振态的变化转化为出射光强的变化
TN（Twisted Nematic）显示模式
扭曲90度的显示模式
•
TN-LCD：手表、仪表、计算器
STN显示模式
通过对TN液晶的改善获得的STN液晶材料，具 有陡峻的透过率 — 电压特性，和大的弹性系数 比 K33/K11。



按面积：小型，中型(约0.2 m2 左右)、大型 (1 m2 以上)和超大型显示(如4 m2 以上) 按结构形状：颈瓶状显示器、平板显示器。 按颜色：黑白、单色、彩色显示。 按显示内容、形式：数码、字符、轨迹、图 表、图形、图像显示。 按所用显示材料：固体 (晶体和非晶体 )、液 体、气体、等离子体、液晶体显示等。
由激光写入信息的光盘称为母盘，母盘再经过特 殊处理成压模，再用压制工艺大量复制出最终的 CD、VCD和DVD产品。
光学透镜会聚的光斑直径可小至波长量级（300 －800nm），光盘上圆环形信道的间隔也是波 长量级，记录轨道的密度可高达1000道／mm以 上，所以单面光盘的存储密度比例于1/λ2 ,存储 容量则约等于光盘的有效面积乘以1/λ2 。

（2）光存储原理及分类
（1）原理：只要材料的某种性质对光敏感，在 被信息调制过的光束照射下，能产生理化性质 的改变，并且这种改变能在随后的读出过程中 使读出光的性质发生变化，都可以作为光学存 储的介质。 （2）分类 按介质的厚度：面存储、体存储； 按数据存取：逐位存储、页面并行式存储； 按鉴别存储数据：位置选择存储、频率选择存 储等。