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显示技术的重要基础

2016-11-16


    现代信息交换技术的主要特征之一,是作为人-机界面的显示器的发明和使用。通过显示器,人们可以获得信息、交流信息,从而极大地拓展了自己对社会的参与范围,并且在更广阔的领域内享受生活。
    传统上,人们通过视觉获取图像信息,所依靠的是太阳提供的环境光。阳光使周围的物体显示出明暗和颜色,从而被人眼所感觉,获得的视觉信息通过大脑去处理和分析。随着电子信息技术和光信息技术的出现和发展,信息传输的距离已经远远超出人眼所及的范围。 也就是说,现代社会人类获取的大量信息必须经过人造光的复原,才能通过视觉去获取。
    在现代生活中,其实不仅仅是信息的获取需要研究人造光,在夜晚、隧道和地下室等没 有阳光照明的情况下也往往需要人造光实现照明。可以发电以后,人类最早使用白炽灯作 为人造的照明灯具。
    以白炽灯为代表的一类人造光源通过电流来加热灯丝,随着电流的加大,灯丝的温度升 髙。低温时灯丝的颜色仍是黑色的,但可感受到它辐射的热量;当温度升到500X:左右时, 它开始呈现出暗红色。随着温度的进一步升高,它的辐射逐渐增强,颜色逐渐变为橙红、白以至蓝白。这种产生光的现象称为热辐射。热辐射的共同特征是:随着温度的升高,辐射的 总功率增大,辐射的光谱分布向短波方向移动。实际上,任何温度的物体都有热辐射,只不过在较低温度下辐射不强,而且主要是人眼看不见的红外线。要靠辐射有效地产生可见光, 物体的温度应该足够的高。
我们白天见到的自然光则来自太阳,太阳好比一个燃烧的大火球,它通过热核反应产生 巨大的能量,使太阳表面的温度高达58001C,在这一温度附近,热辐射中的可见光部分较 强,它引起人眼的感觉是白光。对人造光的首要要求,是其辐射的光谱必须尽量接近太阳在地球表面所形成白昼光的光谱。要使炽热体的光谱和白昼光相近,就要把炽热体加热到太 阳表面的温度——5800X:,这时所有的固体都将液化或气化了。因此,炽热体的光谱最大值 一般在红、橙色波段,并且,它辐射的能量的90%落到了看不见的红外部分。
    以热辐射的形式获得可见光,所吸收的能量必须首先转换成物体的热能,物体达到一定 温度时,才能产生光的发射。很明显,这种产生光的过程,由于必不可少地伴随热过程,能量 的转换效率不可能太髙。同时,由于获得可见光需要几千度的高温,这类光源作为显示器显然不合适。
除上述的热辐射之外,还有另外一种光的发射。这种光的发射不需要提髙物体的温度, 俗称冷光。自然界存在这种发冷光的现象,如:萤火虫发出的光、海中一些动物如发光鱼等 发出的光以及常说的“鬼火(磷光)”等。
    冷光是物体在外界的某种激发下偏离热平衡态时由激发态到基态的跃迁所产生的辐射,它是一种非平衡辐射。发光、散射、契连科夫辐射都属于这类非平衡辐射。这类非平衡辐射中,对发光现象的研究构成了人造光源和显示技术发展的重要基础。
    由于光的辐射是物体中电子从高能态往低能态的跃迁产生的,物体要发光,首先就得使物体中的电子处于高能态。在热平衡时电子处于高能态的几率是由温度决定的,如果能使电子处在某些更高的能态,让电子在不同能态上的分布偏离与辐射体所对应的热平衡分布, 那么,从这些髙能态跃迁而来的光辐射就会比相应温度下同样波长的辐射(即热辐射)强很多。这种以某种方式把能量交给物体使电子提升到一定高能态的过程,称为激发过程。发光就是把所吸收的激发能转化为光辐射的过程。发光只在少数中心进行,不会影响物体的温度。显然,用这种方式可以更有效地把外界提供的能量转化成我们所需要的可见光,不像热辐射的情形,以升高温度来得到我们所要的光辐射的同时,物体必定发射出许多我们不需要的辐射。因此,发光有更高的能量转换效率。

    在发光过程中,发光物质从外界吸收能量,引起内部 合适的激发。经过调整,然后发出反映这个物质特征的 光来。这些物质的发光过程基本上都是相同的,但它们 吸收能量的来源可以迥然不同。通过分析发光所吸收能 量的来源,可以将发光分成如图0-1所示的类型。
    在各种形式的发光过程中,发光物质可以通过吸收 各种能量,如:物理能(电能、光能、髙速粒子动能、辐射 能、机械能等)、化学能、生物能,经过转换发出所需要的 光来。由于每种物质的发光反映其内在性质,一方面,可 以通过改变物质的成分和结构获得所需要的发光效应;
另一方面,通过探测所发出光的性质,可以反过来研究发光物质本身。因此,发光在许多方 面获得了广泛的应用,如:高效新型光源、各种主动型显示器件、荧光诊断等。
    由于信息显示器件是将人眼所看不到的信息转变为可见的光学信息,发光材料责无旁 贷地构成了信息显示的主要材料基础。
发光材料的种类很多。自然界中的很多物质都或多或少的可以发光。比较有效的发光 材料有无机化合物,也有有机化合物;有固体、液体,也有气体。但目前显示技术中所用的发 光材料主要是无机化合物,而且主要是固体材料,少数也用气体材料。在固体材料中,又主 要是用禁带宽度比较大的半导体。其中用得最多的发光材料是粉末状的微晶,其次是单晶 和薄膜。

 

 

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