趙燕慧

安慶師范大學(xué)物電學(xué)院

發(fā)光二極管（LED）的顯示技術(shù)

趙燕慧

安慶師范大學(xué)物電學(xué)院

發(fā)光二極管（LED）的顯示技術(shù)是一門將電子設(shè)備輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成總體的光信號(hào)，從而可以讓人們直觀地通過(guò)各種形式觀察目標(biāo)的一門高級(jí)技術(shù)。本文詳細(xì)闡述了發(fā)光二極管通過(guò)自發(fā)輻射產(chǎn)生非相干光、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)顯示的機(jī)理，顯現(xiàn)了信息化交流并不局限在人與人之間，也能在人與機(jī)器之間。隨著光電技術(shù)的快速發(fā)展，LED顯示技術(shù)將在各個(gè)行業(yè)獲得更廣泛的運(yùn)用。

LED顯示技術(shù)；發(fā)光二極管發(fā)光及顯示機(jī)理；LED顯示技術(shù)發(fā)展前景

1　引言

光電顯示技術(shù)是一門光電信息轉(zhuǎn)化技術(shù)。其目的在于讓人們通過(guò)視覺(jué)感知電子設(shè)備傳輸光信號(hào)的信息轉(zhuǎn)化。有數(shù)據(jù)顯示，感受器當(dāng)中視覺(jué)感受器所占比例最大，可以達(dá)到總體的五分之三，聽(tīng)覺(jué)感受器只有視覺(jué)感受器的三分之一，觸覺(jué)感受器為其四分之一，味覺(jué)感受器和嗅覺(jué)感受器只占很小的比例［1］。由此可以看出圖像顯示在信息顯示中的重要作用，人們通過(guò)顯示器件與機(jī)器之間進(jìn)行信息交流，在順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流的同時(shí)也在不斷更新電子顯示器件。本文將主要通過(guò)發(fā)光二極管（LED的顯示機(jī)理展開(kāi)詳細(xì)闡述。

2　LED的發(fā)光機(jī)理

2.1LED發(fā)光的物理基礎(chǔ)

LED作為一種固態(tài)半導(dǎo)體器件可以直接實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的信息轉(zhuǎn)換功能。LED的一個(gè)主要部分--半導(dǎo)體晶片分為兩極，正極和負(fù)極，負(fù)極端和一個(gè)支架相互連接，正極端與電源相連接，然后用環(huán)氧樹(shù)脂將整個(gè)晶片進(jìn)行封裝。半導(dǎo)體晶片由P型和N型組成，P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴，N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是自由電子，當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體連接在一起時(shí)，在它們之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)晶片中有電流通過(guò)時(shí)，晶片就會(huì)受到電流的影響，此時(shí)N區(qū)的電子就會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散，并與P區(qū)里的多數(shù)載流子空穴作用在一起，接著就會(huì)產(chǎn)生能量［1］。下圖1清晰地反映出LED的發(fā)光原理。

圖1　LED發(fā)光原理圖

波長(zhǎng)決定了晶片的發(fā)光顏色，其中P-N結(jié)的材料決定了光的波長(zhǎng)，常見(jiàn)的可見(jiàn)光一般可以根據(jù)波長(zhǎng)的不同進(jìn)行分類。在最早研制出來(lái)的普通的LED中所占比重最大的是紅色、橙色、綠色、黃色發(fā)光二極管，在使用亮度方面它們處于低級(jí)或者中級(jí)，在最新幾年中，LED在開(kāi)發(fā)和使用方面得到了不斷的發(fā)展更新，在性能選擇方面，藍(lán)光發(fā)光二極管和一些亮度處于高級(jí)和超高級(jí)的LED備受青睞。

2.2結(jié)構(gòu)及發(fā)光機(jī)理

圖2　發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)

發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它可以分為面發(fā)光型和邊發(fā)光型兩種。

電子與空穴發(fā)生作用時(shí)會(huì)放出能量從而使LED發(fā)光。發(fā)光二極管產(chǎn)生的是自發(fā)輻射光，能量會(huì)以光子的形式釋放出去，它的頻率、相位和偏振等狀態(tài)都是不一樣的，是非相干光。其中自發(fā)輻射是指處于能級(jí)較高的電子自動(dòng)地遷移到較低的能級(jí)［2］，這一過(guò)程可以用下圖3形象地展示出來(lái)。

圖3　自發(fā)輻射

2.3發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)電路是LED產(chǎn)品的重要組成部分。其中有三種不同的驅(qū)動(dòng)方式：直流驅(qū)動(dòng)主要采用阻、容降壓，然后加上一個(gè)穩(wěn)壓二極管，向LED供電，它是三種方式中最為簡(jiǎn)單的；在電流值相同的情況下，驅(qū)動(dòng)電路偏向于正向電流；脈沖驅(qū)動(dòng)法是利用人的眼睛能夠暫時(shí)保留圖像信息這一特點(diǎn)，采用反復(fù)通電和斷電的方式使LED器件點(diǎn)燃。

3　基于LED的顯示技術(shù)

3.1顯示機(jī)理

LED顯示屏是通過(guò)多個(gè)LED器件按照一定的排列順序相互組合而成的，它可以通過(guò)一些方式進(jìn)行控制，從而將一些文字、圖像、數(shù)據(jù)、發(fā)展趨勢(shì)等信息顯示出來(lái)，此外，它還可以顯示電視和一些錄像信息。一般通用的LED顯示系統(tǒng)組成部分如下圖4所示。

圖4　LED顯示系統(tǒng)組成

信號(hào)控制單元可以由單片機(jī)系統(tǒng)、獨(dú)立的微機(jī)系統(tǒng)、傳呼接收與控制系統(tǒng)等組成。它可以產(chǎn)生某些特定的數(shù)字信號(hào)，然后控制整個(gè)顯示系統(tǒng)，使每個(gè)不同的器件各司其職又相互協(xié)作，進(jìn)而完成顯示工作。譯碼器是掃描控制單元的主要組成部分，它能夠讓LED陣列不停地反復(fù)進(jìn)行選擇。驅(qū)動(dòng)單元一般可以分為三極管陣列，它可以給LED提供所需要的大電流。等到數(shù)據(jù)顯示完成后，信號(hào)控制單元首先將第一行數(shù)據(jù)傳到掃描控制單元的移位寄存器并封存，然后第一行的LED陣列就被掃描電路選通了，一段時(shí)間過(guò)后，就可以用同樣的方法將接下來(lái)的行顯示出來(lái)，一直持續(xù)到最后一幀的顯示工作的完成［3］。

3.2顯示器件掃描驅(qū)動(dòng)電路

LED顯示器件掃描驅(qū)動(dòng)電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏所要顯示的信息內(nèi)容的接收、信息轉(zhuǎn)變及相應(yīng)的加工功能。通常顯示屏的控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)成分包括輸入輸出、信號(hào)控制、信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理部分等，下面簡(jiǎn)要介紹幾種具體涉及的技術(shù)。

3.2.1串行傳輸與并行傳輸

串行和并行是LED顯示屏上數(shù)據(jù)的兩種不同的傳輸方式，相對(duì)而言串行控制技術(shù)運(yùn)用的比較多。在串行控制方式下，存在于顯示屏每一個(gè)內(nèi)部單元會(huì)通過(guò)不同的驅(qū)動(dòng)電路或者相互有連接的單元之間在一個(gè)信號(hào)指示下只傳輸一位數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，一種顏色也各有一位傳輸數(shù)據(jù)。

3.2.2動(dòng)態(tài)掃描與靜態(tài)鎖存

信息的刷新原理分為靜態(tài)掃描和動(dòng)態(tài)鎖存，二者各有其優(yōu)勢(shì)。為了充分利用其優(yōu)勢(shì)將動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)顯示，可以用一行驅(qū)動(dòng)寄存器來(lái)容納很多發(fā)光二極管；另一方面，靜態(tài)鎖存這一技術(shù)被應(yīng)用于室外的顯示屏，與室內(nèi)顯示屏不同的是，采取的方法是每一個(gè)驅(qū)動(dòng)寄存器里面都有一個(gè)發(fā)光二極管。

3.2.3自動(dòng)檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)

LED顯示屏的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，室外顯示屏在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)受到許多因素的直接影響，比如電力大小，環(huán)境溫度變化、光照強(qiáng)度等。為此，需要考慮安裝自動(dòng)檢測(cè)裝置，對(duì)上述影響因素一一進(jìn)行檢測(cè)，或者轉(zhuǎn)換一下工作方式，采用遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)的方式，在顯示屏圖像位置、圖像色彩等方面進(jìn)行調(diào)節(jié)。控制模式有單片機(jī)控制、微機(jī)控制、主從控制、紅外遙控、通信傳輸和網(wǎng)絡(luò)控制、GPRS/GSM無(wú)線控制等。

4　前景展望

針對(duì)信息顯示需求的不斷提高，本文根據(jù)光信號(hào)與電信號(hào)能夠相互轉(zhuǎn)換的原理，詳細(xì)闡述了發(fā)光二極管的顯示機(jī)理，綜述了基于LED的顯示技術(shù)，分析了LED顯示技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，并呈現(xiàn)了這些技術(shù)所取得的階段性成果。通過(guò)這些闡述和分析，不難發(fā)現(xiàn)，LED顯示技術(shù)正由不夠成熟向模塊化方向發(fā)展，但就目前而言，LED顯示技術(shù)由于光損耗的問(wèn)題使得顯示屏的光通量在一定程度上不足，發(fā)光效率不夠高，由于外界因素的影響在使用壽命方面也會(huì)受到影響。基于上述所呈現(xiàn)的階段性成果，可以推斷，專業(yè)化、信息化、多樣化將是未來(lái)LED顯示技術(shù)的必由之路。由此，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，LED顯示技術(shù)將會(huì)更加完善，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏訌V泛。

［1］《光電顯示技術(shù)》清華大學(xué)出版社

［2］《光纖通信系統(tǒng)第3版》機(jī)械工業(yè)出版社

［3］張華.LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究.四川大學(xué)研究生學(xué)位論文，2004