光学与我们的生活
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36
Color Display 彩色显示器
37
彩色显示器工作原理
等离子体平板显示器PDP
液晶平板显示器LCD
阴极射线管显示CRT
38
基本概念1 三原色（RGB）
三种选定的颜色.各色相互独 立，其中任一种不能由另外两 种混合而得；当它们以不同比 例混合就可得到不同的颜色。
三原色的选择在原则上是任意 的，但验研究发现，人的眼睛 对红、绿、蓝三种颜色反应最 灵敏，而且它们的配色范围广 ，色可以随意配出自然界中的 大部分颜色，因此在大多数显 示器中选用红（R）、绿（G ）、蓝（B）作为三原色.
等离子体平板PDP显示器
液晶平板LCD显示器
12
Camera
Amplifier
13
Glasses
14
Microscope
Telescope
15
Space Telescope
哈勃太空望远镜
16
斯必泽空间望远镜（Spitzer Space Telescope，缩写为SST） 是美国宇航局2003年发射的一颗红外天文卫星，是大型轨道天 文台计划的最后一台空间望远镜
Wavelength (A)
34
Process of light
emD issionA
24000
3P
2
22000 3P & 1I
1
6
3P
20000
0
18000
1D 2
16000
Interactions among Ln3+ ions result in the energy transfer between the ions
17
天体物理紧密衔接
光
粒子物理
学
已
应
用
到
物
理
学
的
各
个
空
间
尺
度
18
About the Optics ----Optical Science
光学
Optics
Optics is a branch of physics. It involves the behavior and properties of
电子枪 主要构成：电子枪(Electron gun)、偏转线圈
(Deflection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光 粉层(phosphor)和玻璃外壳(荧光屏)。
42
CRT显示器工作原理
显像管内的电子枪所发射的电子束穿过阴极罩上的小孔， 聚焦在内层涂满了无数三原色（RGB，红绿蓝）荧光粉的玻 璃屏幕上，使荧光粉激发并发光，最终在荧光屏形成有电子 束位置所控制的显示画面。
28
Light spectrum
Spectrum of sunlight
Emissiom (a.u.)
100
80
60
40
20
0
540 560 580 600 620 640 660
Wavelength (nm)
29
The Origin of light 光的产生
量子理论 能级位置、跃迁几率
能级位置 谱线频率/荧光波长
7
The effects of a polarizing filter on the sky in a photograph. Left picture is taken without polarizer. For the right picture, filter was adjusted to eliminate certain polarizations of the scattered blue light from the sky.
响应时间反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应 的速度，此值愈小愈好。响应时间越小，播放动态影 像时才清晰无残影，不会产生影像拖尾的现象。
44
LCD显示器 工作原理
液晶，即液态晶体。是一种在常温条件下呈现出既有液体的 流动性，又有晶体的光学各向异性的有机化合物. 当通电时分 子排列有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止 光线通过。
21
Nature of Light
Light has both wave-like and particle-like properties. Explanation：quantum mechanics.
Particle-like property：the light is a collection of photons.
4780
4790
4800
4810
4820
4830
Wavelength (A)
Phonon assisted
Mechanism of the up-conversion from Pr3+:LaF3
energy transfer 35
Result of transition between energy levels
点距是指屏幕上两个相邻 荧光点的距离，点距越小， 显示器显示图形越清晰。 常见点距规格有0.31mm、 0.28mm、0.25mm等， 某些产品甚至达到 0.21mm。
分辨率指屏幕上象素的数 目。数目越大，分辨率也 就越高，显示器的性能越 好。
41
CRT显示器 (阴极射线显像管)
显象管
20
Models：
Geometric optics：light as a collection of rays that travel in straight lines and bend when they pass through or reflect from surfaces.
Physical optics：more comprehensive, it includes wave effects such as diffraction and interference that cannot be accounted for in geometric optics.
27
from left to right: Gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible spectrum, infrared, microwaves, radio waves.
Visible spectrum from violet (400nm) to red (700nm)
light, including its interactions with matter and the construction of instruments that use or detect it. It usually describes the behavior of visible, ultraviolet, and infrared light.
39
基本概念2 像素（pixel ）
象素是指组成图像的最小单位，也即发光“点”。 荧光屏上按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光 粉点或荧光粉条，称为荧光粉单元，相邻的红、绿、蓝荧光 粉单元各一个为一组，学名称之为像素（pixel ）。每个像 素中都拥有红、绿、蓝(R、G、B)三原色.
40
基本概念3 点距(Dot Pitch)、分辨率(Resolution)
LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间，利用LC在 电场作用下的光学旋转性质调节通过LCD平板的光强。即当 给液晶上加一个电压时，液晶分子便会转动，从而改变光透 过率,从而实现多灰阶显示。因此 LCD是依赖极化滤光器(片) 和光线本身。
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。
3P 2
3P & 1I
1
6
3P 0
18000 1D
2
16000
14000
12000
10000
1来自百度文库 4
8000
3F
4
3F
6000
3
3F
2
4000
3H 6
2000
3H 5
0
3H 4
Pr3+
Up-converted emission from Pr3+ doped LaF bulk crystal and nanocrystal 3
Up-converted emission from Pr3+ doped LaF bulk crystal and nanocrystal 3
when 1D (II) at 5916 A is excited, T=15 K. 2
15000
0.1% pr3+:LaF nanocrystal 3
10000
energy (cm-1)
Intensity (a.u.)
14000
12000
10000
1G 4
8000
3F
4
3F
6000
3
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2
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3H 6
2000
3H 5
0
3H 4
Pr3+
Pr3+
5000
20000 15000
0.5% pr3+:LaF bulk crystal 3
10000
5000
0
4770
when 1D (II) at 5916 A is excited, T=15 K. 2
15000
0.1% pr3+:LaF nanocrystal 3
10000
5000
20000 15000
0.5% pr3+:LaF bulk crystal 3
10000
5000
0 4770 4780 4790 4800 4810 4820 4830
现代光学前沿讲座 2013-07-28
光与我们的生活
郑海荣
陕西师范大学 物理学与信息技术学院
现代光学研究所
Outline
Light and Optics in our daily life 生活中的光与光学 About the Optics ----Optical Science 光学 Understanding the Light 对光的认识 The Origin of light 光的产生 Color Display 彩色显示器 Microscopic and imagine 显微镜与成像 Laser 激光 Nanomaterials 纳米材料
8
When oil or fuel is spilled, colorful patterns are formed by thin-film interference.
9
Creation and application of the Light
10
Indicator
11
阴极射线管显示CRT
Light and Optics in our daily life
生活中的光与光学
Sun light
4
Rainbow
5
Bio-fluorescence
同星珊瑚
海洋生物
6
A colorful sky is often due to scattering of light off particules and pollution
45
Liquid Crystal Pixel: ON
46
Liquid Crystal Pixel: OFF
Nuclear model of atom
本征函数 谱线强度/跃迁几率
31
能级结构 Energy levels
32
跃迁过程 Optical transition
33
Light Absorption and Emission
energy (cm-1)
Intensity (a.u.)
24000 22000 20000
Wave-like property: the light is an electromagnetic wave that has the characteristics of waves.
22
Understanding the Light
对光的认识
Light dispersion through a prism
24
Color vs. Frequency/wavelength
High frequency (blue) light is deflected the most, Low frequency (red) light is deflected the least.
25
26
Position of the visible light
43
液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）
原理：利用液晶的光学各项异性，在通电时导通，使 液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时， 排列则变得混乱，阻止光线通过。常用液晶为Nematic 类型。
特点：体积小、重量轻、省电、不产生高温, 低辐射、 画面柔和不伤眼等。
Color Display 彩色显示器
37
彩色显示器工作原理
等离子体平板显示器PDP
液晶平板显示器LCD
阴极射线管显示CRT
38
基本概念1 三原色（RGB）
三种选定的颜色.各色相互独 立，其中任一种不能由另外两 种混合而得；当它们以不同比 例混合就可得到不同的颜色。
三原色的选择在原则上是任意 的，但验研究发现，人的眼睛 对红、绿、蓝三种颜色反应最 灵敏，而且它们的配色范围广 ，色可以随意配出自然界中的 大部分颜色，因此在大多数显 示器中选用红（R）、绿（G ）、蓝（B）作为三原色.
等离子体平板PDP显示器
液晶平板LCD显示器
12
Camera
Amplifier
13
Glasses
14
Microscope
Telescope
15
Space Telescope
哈勃太空望远镜
16
斯必泽空间望远镜（Spitzer Space Telescope，缩写为SST） 是美国宇航局2003年发射的一颗红外天文卫星，是大型轨道天 文台计划的最后一台空间望远镜
Wavelength (A)
34
Process of light
emD issionA
24000
3P
2
22000 3P & 1I
1
6
3P
20000
0
18000
1D 2
16000
Interactions among Ln3+ ions result in the energy transfer between the ions
17
天体物理紧密衔接
光
粒子物理
学
已
应
用
到
物
理
学
的
各
个
空
间
尺
度
18
About the Optics ----Optical Science
光学
Optics
Optics is a branch of physics. It involves the behavior and properties of
电子枪 主要构成：电子枪(Electron gun)、偏转线圈
(Deflection coils)、荫罩(Shadow mask)、荧光 粉层(phosphor)和玻璃外壳(荧光屏)。
42
CRT显示器工作原理
显像管内的电子枪所发射的电子束穿过阴极罩上的小孔， 聚焦在内层涂满了无数三原色（RGB，红绿蓝）荧光粉的玻 璃屏幕上，使荧光粉激发并发光，最终在荧光屏形成有电子 束位置所控制的显示画面。
28
Light spectrum
Spectrum of sunlight
Emissiom (a.u.)
100
80
60
40
20
0
540 560 580 600 620 640 660
Wavelength (nm)
29
The Origin of light 光的产生
量子理论 能级位置、跃迁几率
能级位置 谱线频率/荧光波长
7
The effects of a polarizing filter on the sky in a photograph. Left picture is taken without polarizer. For the right picture, filter was adjusted to eliminate certain polarizations of the scattered blue light from the sky.
响应时间反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应 的速度，此值愈小愈好。响应时间越小，播放动态影 像时才清晰无残影，不会产生影像拖尾的现象。
44
LCD显示器 工作原理
液晶，即液态晶体。是一种在常温条件下呈现出既有液体的 流动性，又有晶体的光学各向异性的有机化合物. 当通电时分 子排列有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止 光线通过。
21
Nature of Light
Light has both wave-like and particle-like properties. Explanation：quantum mechanics.
Particle-like property：the light is a collection of photons.
4780
4790
4800
4810
4820
4830
Wavelength (A)
Phonon assisted
Mechanism of the up-conversion from Pr3+:LaF3
energy transfer 35
Result of transition between energy levels
点距是指屏幕上两个相邻 荧光点的距离，点距越小， 显示器显示图形越清晰。 常见点距规格有0.31mm、 0.28mm、0.25mm等， 某些产品甚至达到 0.21mm。
分辨率指屏幕上象素的数 目。数目越大，分辨率也 就越高，显示器的性能越 好。
41
CRT显示器 (阴极射线显像管)
显象管
20
Models：
Geometric optics：light as a collection of rays that travel in straight lines and bend when they pass through or reflect from surfaces.
Physical optics：more comprehensive, it includes wave effects such as diffraction and interference that cannot be accounted for in geometric optics.
27
from left to right: Gamma rays, X-rays, ultraviolet rays, visible spectrum, infrared, microwaves, radio waves.
Visible spectrum from violet (400nm) to red (700nm)
light, including its interactions with matter and the construction of instruments that use or detect it. It usually describes the behavior of visible, ultraviolet, and infrared light.
39
基本概念2 像素（pixel ）
象素是指组成图像的最小单位，也即发光“点”。 荧光屏上按一定方式紧密排列的红、绿、蓝三种颜色的荧光 粉点或荧光粉条，称为荧光粉单元，相邻的红、绿、蓝荧光 粉单元各一个为一组，学名称之为像素（pixel ）。每个像 素中都拥有红、绿、蓝(R、G、B)三原色.
40
基本概念3 点距(Dot Pitch)、分辨率(Resolution)
LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间，利用LC在 电场作用下的光学旋转性质调节通过LCD平板的光强。即当 给液晶上加一个电压时，液晶分子便会转动，从而改变光透 过率,从而实现多灰阶显示。因此 LCD是依赖极化滤光器(片) 和光线本身。
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。
3P 2
3P & 1I
1
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3P 0
18000 1D
2
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1来自百度文库 4
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3F
4
3F
6000
3
3F
2
4000
3H 6
2000
3H 5
0
3H 4
Pr3+
Up-converted emission from Pr3+ doped LaF bulk crystal and nanocrystal 3
Up-converted emission from Pr3+ doped LaF bulk crystal and nanocrystal 3
when 1D (II) at 5916 A is excited, T=15 K. 2
15000
0.1% pr3+:LaF nanocrystal 3
10000
energy (cm-1)
Intensity (a.u.)
14000
12000
10000
1G 4
8000
3F
4
3F
6000
3
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3H 6
2000
3H 5
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3H 4
Pr3+
Pr3+
5000
20000 15000
0.5% pr3+:LaF bulk crystal 3
10000
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when 1D (II) at 5916 A is excited, T=15 K. 2
15000
0.1% pr3+:LaF nanocrystal 3
10000
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0.5% pr3+:LaF bulk crystal 3
10000
5000
0 4770 4780 4790 4800 4810 4820 4830
现代光学前沿讲座 2013-07-28
光与我们的生活
郑海荣
陕西师范大学 物理学与信息技术学院
现代光学研究所
Outline
Light and Optics in our daily life 生活中的光与光学 About the Optics ----Optical Science 光学 Understanding the Light 对光的认识 The Origin of light 光的产生 Color Display 彩色显示器 Microscopic and imagine 显微镜与成像 Laser 激光 Nanomaterials 纳米材料
8
When oil or fuel is spilled, colorful patterns are formed by thin-film interference.
9
Creation and application of the Light
10
Indicator
11
阴极射线管显示CRT
Light and Optics in our daily life
生活中的光与光学
Sun light
4
Rainbow
5
Bio-fluorescence
同星珊瑚
海洋生物
6
A colorful sky is often due to scattering of light off particules and pollution
45
Liquid Crystal Pixel: ON
46
Liquid Crystal Pixel: OFF
Nuclear model of atom
本征函数 谱线强度/跃迁几率
31
能级结构 Energy levels
32
跃迁过程 Optical transition
33
Light Absorption and Emission
energy (cm-1)
Intensity (a.u.)
24000 22000 20000
Wave-like property: the light is an electromagnetic wave that has the characteristics of waves.
22
Understanding the Light
对光的认识
Light dispersion through a prism
24
Color vs. Frequency/wavelength
High frequency (blue) light is deflected the most, Low frequency (red) light is deflected the least.
25
26
Position of the visible light
43
液晶显示器LCD（Liquid Crystal Display）
原理：利用液晶的光学各项异性，在通电时导通，使 液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时， 排列则变得混乱，阻止光线通过。常用液晶为Nematic 类型。
特点：体积小、重量轻、省电、不产生高温, 低辐射、 画面柔和不伤眼等。