CN1337663A - 超薄纯平黑白、真彩全固化电子显示屏及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能方便制成各种规格和分辨率的可被广泛用于航空、航天、航海、军事、科研及一般民用等各领域的超薄纯平黑白、真彩全固化电子显示屏及其系列电子产品。该电子显示屏能制成小至1/3英寸以下大至上百平米的各种规格,最小厚度可小于3mm。电子显示屏及以电子显示屏为显像器件的电子电视、电脑电子显示器、电子投影机等电子产品,均具有体轻薄、耗电省、不产生射线、使用安全、耐冲击等优良性能。

Description

超薄纯平黑白、真彩全固化电子显示屏及其应用

本发明公开了一种性能优越，用途极为广泛的超薄纯平黑白、真彩电子显示屏及一系列以此种电子显示屏为显示核心部件的电子产品。该电子显示屏是以发高亮度纯红、纯蓝、纯绿或纯白色的微型发光二极管为基本显像单元，经特殊工艺高密度地集成制作在一块基板上的电子显像平板，它可以根据实际的需要，采用不同的半导体工艺而制作成小至1/3英寸以下大至数十乃至上百平方米的电子真彩(或黑白)全固化显示屏，并可根据实际需要制作出普通分辨率、高分辨和超高分辨率等各种档次的显示屏。该电子显示屏可以用于任何需要作文字、图像显示的场合，可广泛取代现有的显像管、液晶屏、等离子屏、LED点阵显示屏等所有显示器件。用该电子显示屏为显像器件的电子电视、电脑电子显示器、大屏幕电子电视墙等电子产品，具有体积小、厚度薄、重量轻、耗电省、抗振耐冲击、有用成像面积大、画面平整、亮度大、对比度高、画质好、不失真、工作时不产生射线、不怕磁、耐候性强、无高压、绝对安全、启运迅速等众多优良特性。

现有的显像方式主要有显像管、等离子体、液晶、LED点阵等，这些显示方式或多或少都存在一些难以克服的毛病或缺陷：显像管是目前用得最多的一种显示器件，但显像管笨重、体积大、耗电量大、怕磁、工作时产生X射线、寿命短、不绝对安全等诸多弊病难以克服，而且很难制成超大屏幕；等离子体显像方式又存在耗电量大、发热量大、造价昂贵等弊病；液晶显示器虽然耗电省、体积小、重量轻，但其耐候性差，反应速度慢、价格贵、制作成大屏幕技术难度大，工作时需要光照或要在特制背光的照射下才能正常使用；普通LED点阵显示屏又有线路复杂、造价高、存在偏色(偏黄或偏红)等问题，限制了它的使用范围。用以上几种显示器件制作的电子产品，也因显示器件的诸多缺陷而显示出诸多弊病。

本发明的任务是提供一种能克服以上现有显示方式诸多弊端的、性能优良的真彩、黑白全固化电子显示屏和以此种电子显示屏为核心的改进了的具有众多优良性能的系列电子产品。

本发明的任务是以如下方式完成的：电子显示屏是由若干排成行和列的微型发红、绿、蓝三基色光的发光半导体(二极管)组成，每个发光二极管均单独受行、帧电子扫描电路及其附属电路和视频信号的控制而发光或截止。显示屏工作时，行、帧电子扫描电路及其附属电路按时序依次在屏幕上从左到右、从上到下扫描，并保证每一瞬间只选通一个像素(由发红、绿、蓝光的三个像元组成)，在扫描中，如有视频信号注入，则被选通的像元将依次按视频信号的强弱点亮发光并混合成像素所需要的颜色；如无视频信号注入被选通的像元，则将显示黑色。屏幕上成千上万个像素在行、帧扫描电路和视频信号的控制下按要求点亮显示出混合颜色或截止，在视觉暂停效应的作用下，便会形成人们所需要的彩色图像，从而完成电信号与图像信号的转换任务。如以微型白色发光半导体代替红、绿、蓝三基色发光半导体，则可以制成黑白电子显示屏。

以电子显示屏为显示器件，只需在现有电子电路上略为改进，便可制成性能优越的超薄电子电视、超大屏幕电子电视墙、电子投影机、电子取景器、电子挂图、微型电子监示器、电脑电子显示器、真彩超大屏幕电子广告牌等全固化电子产品。

下面，结合附图，对本发明作进一步详细描述。

图1是真彩电子显示屏的电原理模型图；

图2a、b是电子显示屏两种常见平面结构像素、像元的分布图；

图3a、b是图2b所示结构的纵、横向剖视图。其中，图a是纵向剖视图，图b是横向剖视图；

图4是电子电视的原理结构框图；

图5是电子投影机的结构剖视图；

参照图1，来至前端电路输出的帧扫描脉冲y.cp被送入脉冲分配电路(1)内部，使其输出端a、b、c从上到下依次单独变为高电平，在a、b、c的控制下，模拟开关(2)的三组三位开关也从上到下依次打开和关闭，使从色解码电路(4)中输出的R、G、B三基色信号按时序被分配到三基色像元R｀、G｀、B｀所在的行上，从而完成帧扫描脉和视频信号的注入任务。同理，在来至前端行扫描脉冲x.cp的驱动下，脉冲分配器(3)的a｀、b｀、c｀依次轮流变为高电平，并在各列所在三极管的倒相作用下，使各列依次变为低电平(低阻状态)。电路工作时，从色解码电路(4)输出的视频信号在帧扫描电路(1)的控制下，通过模拟开关(2)被按时序分配到a、b、c所在的其中一行，经过被选通行上的三基色发光二极管，最后被行扫描电路(3)选通的对应所在列的三极管接地构成回路。在这一过程中，被选通的二极管就发出所需要的色光。行、帧扫描均在各自的扫描脉冲驱动下工作，扫描速度取决于每秒输入的驱动脉冲个数，帧扫描电路保证行扫描电路每从左到右扫完一行就自动将扫描转换到下一行，每扫完一帧又从头扫起，从而实现整个电子屏幕的精确同步扫描。电子显示屏在工作时，每一瞬间只有同一个像素内的红、绿、蓝三个像元有同时选通发光的可能，被选通的像元是否发光，还要取决于三基色视频信号有无输出。也就是说在上述电路中，只有当像元所在行为高电平、所在列为低电平(低阻)状态且有视频信号注入时，该像元才能被点亮并发出与视频信号强度相一致的色光。若干像素中的像元在极短的时间内被依次选通发光，在视觉暂停效应的作用下，便会在屏幕上形成人们所需要的图像。

下面，结合实例，进一步阐述电子显示屏的工作原理。现假设图1中有b行b｀列的B像元需点亮发光。则在帧扫描驱动脉冲的作用下，a行导通恢复关断状态后b行导通，视频信号R、G、B被对应分配到b行R｀、G｀、B｀的所有像元上。同理，行扫描脉冲也驱动行扫描电路从左至右依次快速扫描，当扫至b｀列时，b｀列在三极管的倒相作用下变成低阻状态，恰巧此时b行的B像元所在行为高电平，于是，视频信号B便从(4)经(2)流经b行的B像元经b｀列的三极管构成回路，b行b｀列的B像元被点亮发光。其它行或列所在的像元因无发光条件，二极管均处于截止状态。同理，若c行c｀列所在像素为白光，则当行、帧扫至c行c｀列时，(4)便同时使R、G、B输出高电平，红、绿、蓝发光二极管同时发光，经混合即为像素所需要的白色。其它像素的显色原理以此相同，不再多叙。

以上介绍的仅为电子显示屏的工作原理。实际应用中的电子显示屏是以若干行和若干列的像素组成的(如625行1250列。建议行、列数最好是25的整倍数，这样可以大大简化电路)，且像素间距应在0.33mm以下为宜，大了图像会有粗燥感(远视大屏幕除外)，对于电子显示屏可能出现的偏色问题、非线性失真问题(主要由发光二极管的非线性引起)，可以通过合理设置色解码电路(4)或(4)以前的电路加以补偿、纠正和克服。

参照图2，电子显示屏上的每个像素都是由能发纯红光的半导体R(1)、能发纯绿光的半导体G(2)和能发纯蓝光的半导体B(3)三个像元组合而成，R、G、B在实际应用中可以有多种平面或立体的组合方式，图2a、b所列是二种典型的平面组合方式。为简化生产过程，这里推荐b种组合方式，这是因为此种像元组合方式每个像元都呈条状，三个像元构成一个正方形或长方形的像素，能充分利用显示屏的平面空间，并且制造相对容易些。制造此种电子显示屏时，只要使R、G、B三个发光半导体的长度和宽度略大于行、帧驱动电极，就可有效地避免行、帧驱动电极短路的问题，成品率高。图2中，(4)是行扫描驱动电极(公共地)，(5)是帧扫描及R、G、B视频信号注入电极。

参照图3，图3a、b是图2b所示电子显示屏的纵、横向剖面图。其中，图3a是纵向剖面图，b是横向剖面图。下面结合图3将电子显示屏的结构和制造工艺过程简要介绍如下：平面结构的电子显示屏是由基础层(5)、列(或行)电极层(4)、三基色发光二极管层(3)、行(或列)电极层(2)、防护层(1)等五层构成的。第五层是整个电子显示屏的基础，它是一层高强度、耐高温、高韧性的绝缘材料(5)。生产时，先在(5)上用真空蒸镀等技术制作若干列(或行，下同)电极(4)，接着再在列电极上制作(生长或安装)若干条状R、G、B发光半导体(3)，使每个发光半导体(3)的长度略大于列电极(4)的宽度，每个发光半导体(3)掩盖列电极(4)，使发光半导体(3)与列电极(4)可靠连通，并牢固粘附于基板(5)上。然后再用真空蒸镀、电子溅射等技术沿半导体排列的横向方向在每个发光半导体上制作一层透明电极作为帧驱动电极(2)，经查合格后，最后再在其上涂覆一层透明性好、耐温、耐候、绝缘且有一定韧性、折射系数均一的具有一定厚度的保护层(1)。保护层(1)和基础层(5)可以采用普通阴极射线显像管采用的黑底技术，以提高整个显示屏的对比度。如有必要，还可以在屏幕两边各加一层强度高、透明性好的保护层，以进一步提高其性能。在屏幕制造过程中，应在显示屏的四周或左方和下方留出驱动电极，以便和外电路连接。如有条件，可以将帧、行驱动电路及基附属电路一起集成在显示屏内。这样，外部就只需留出帧、行驱动脉冲输入，R、G、B输入和+、-电源线等7条引线即可正常使用电子显示屏了，从而使外部电路大大简化，若将视频处理及解码电路也集成在显示屏内，则只需从外部输入全电视信号和正负电源就能正常使用。若采用物理性能优良的材料作基板及防护层，电子屏幕还具有一定的防摔性能，且能在一定条件下弯曲成各种形状而不损坏，此性能是以往任何显示器件所不具备的。在未全部损坏驱动电路及发光像元的情况下，残缺屏幕仍能显示残缺图像，这也是电子显示屏所特有的优良性能。

运用现代半导体制造技术，能轻松地制造出大至上百平方米小至1/3英寸以下的各种分辨率的真彩、黑白超薄全固化电子显示屏。

由于电子显示屏具有体积小、厚度薄、重量轻、耗电省、有效显示面积大、抗冲击和良好的显示特性，所以，它能被广泛用于航空、航天、军事以及普通民用等各种需要显示器的场合，并能广泛代替以往任何显示方式。电子显示屏的体轻、耗电省、耐冲击、厚度薄、部份损坏仍能显示等特有性能，尤其适合运用于军事、航空、航天、航海等特殊场合。

图4是以电子显示屏为显示器件的超薄壁挂式大屏幕纯平电子电视结构原理框图。

参照图4，天线(或RF插口)接收到的电视射频信号经(1)放大处理后，在微电脑(4)的控制下，由电路(2)选出所需信号并分解输出R、G、B三基色视频信号，行、帧同步信号和音频信号，帧同步信号用于控制受控帧间歇振荡器(5)，(5)输出的25Hz帧扫描信号经脉冲整形电路(6)整形成标准方波后，经倍频电路(7)按显示屏倍率要求倍频后，输入电子显示屏(11)(虚框所圈)内，用于驱动帧扫描电路和作开启R、G、B三基色视频信号模拟门注入视频信号的驱动信号。同理，行同步信号经(2)输出后，控制行振荡器(8)的振荡并使其同步，(9)将此信号整形，(10)将整形信号按要求倍率倍频后，输入电子显示屏(11)内驱动行扫描电路。由(2)分离出来的R、G、B三基色视频信号也输入电子显示屏(11)内部，并在行、帧扫描电路及其附属电路的共同作用下完成图像的显示任务。电子显示屏的具体工作原理前已述及，此处不再重复叙述。音频信号由(2)输出后，经音频放大器(13)放大后，由扬声器(14)放出图像伴音。(12)是电源，由它向整机提供工作能源。(3)是遥控接收及指令输入端，由(3)和(4)控制整机的工作状态。

电子电视的信号接收及处理过程及原理，与传统电视相同，此不多叙。下面，详细说明一下行、帧扫描脉冲的形成过程，脉冲倍频倍率及其计算公式。

参照图1，设实用中的显示屏的像素数目为625行×1250列(实用中，一定要使行、帧分辨率均为25的整倍数，这样既可简化电路又能提高性能)。参照图(4)，从(2)输出的帧同步信号用以控制自激多谐振荡器(5)的振荡频率并使其与帧信号严格同步，自激多谐振荡器的作用是在当(2)无同步信号输出(即无电视信号)时能按一定频率自由振荡，以推动下面的电路工作，不至于造成无信号时“死机”。其标准振荡频率为25Hz，并要求至少有±30％以上的自由度，以便在接收非标准电视信号时保持与其同步。从(5)输出的同步振荡信号经整形电路(6)整形成25Hz的标准方波供倍频器(7)使用。在真空管显像电路中，每一个帧扫描信号将使电子枪在屏幕上从上到下扫描一次，每秒扫描25次，但在电子显示屏中，每一个脉中仅能使其向前推进一行，帧扫描脉冲严重不够。因此，必须增加其脉冲个数。为了保持严格的同步，最好的办法就是将脉冲信号按要求倍频。前已设图1中的电子显示屏有625行，则每扫描一帧就需要625个脉冲，每秒扫描25帧，帧扫描脉冲的频率就是625×25＝15625Hz。倍频电路(7)的倍率就应为625×25/25＝625倍。由此，可以得到以下计算公式：

帧扫描频率＝屏幕扫描行数×每秒扫描的帧数

帧倍频电路倍率＝屏幕扫描行数×每秒帧同步信号个数/每秒帧扫描次数。

行扫描除其扫描速度不同外，其电路结构和原理均略同帧扫描电路，此处不多叙。如图(1)所示显示屏，如其行分辨率为1250，则：

行扫描频率＝1250×625×25＝19531250Hz

行倍频电路倍率＝1250×(625×25/15625)＝1250倍

其计算公式为：

行扫描频率＝屏幕扫描列数×扫描行数×每秒扫描的帧数

行倍频电路倍率＝屏幕扫描列数×(每屏扫描行数×每秒扫描帧数/每秒行同步脉冲个数)

由以上计算可知，对于标准电视信号在标准扫速下，其行、帧扫描脉冲所需的倍率，分别与其横向与纵向的分辨率大小相等。但需要特别注意的是，电子显示屏对行、帧驱动脉冲的精度要求相当高，当描频率低于标准要求时，就会造成屏幕右边或下边不满屏；当扫描频率高于标准要求时，就会出现图像“大于”屏幕跑出屏外甚至叠加至屏幕左边或上边的现象，行、帧脉冲不同步时，还有可能造成图像失步或紊乱现象。

将图4所示的电子电视电路作局部的适当改进，即可制成数码电子电视、数字电子电视、电脑电子显示器、电子全固化超薄真彩广告牌、电子电视墙、电子彩监、电子挂图、电子取景器、手机电子显示屏、便携电脑电子显示屏等。因其基本工作原理与电子电视大体相同，此处不多叙。其余所有需要作文字、图像显示的场合均可使用电子显示屏。

图5是一种以现代微电子技术制作面成的超高亮度真彩电子显示屏为核心元件制成的电子投影机的实物剖面示意图，该种电子投影机的特征是：体积小巧、重量轻、耗电省、发热量小、结构简单、可靠性高、投影画面质量高、价格便宜、适用范围广。

参照图5，电子投影机整机由机壳(11)、电源(6)、及其连接线(10)、电子电路(4)(其结构及原理同电子电视电路)、超高亮度微型电子显示屏(1)及其散热器(2)、电子致冷器(3)、电控可变焦投影镜头组件(12)、冷却风扇(5)、控制电路(7)、控制按钮(9)及射频、视频、音频等输入、输出接口(8)等组成。其中，(1)是采用现代微电子技术制造的将帧、行扫描电路、视频处理电路集成在一块基片上的超高亮度真彩微型电子显示屏，是电子投影机的核心部件，它的性能好坏将直接关系到投影画面质量的高低。因微型电子显示屏功耗大、发热量大，为了保证其正常工作，必须采取措施给其散热。本发明为了提高其散热的可靠性，采用了先进的半导体致冷技术和传统机械风扇散热相结合的办法。机械风扇还起到给机内其它发热元件散热的作用，从而保证机内元件始终在安全温度内工作，提高了整机的可靠性。因其投影工作原理雷同其它类型投影机，此不多叙。

电子投影机因采用了本身能发超高亮度三基色光的微型电子显示屏作为投影的核心部件，只需要简单镜头组件即可投影，从而省去了液晶投影机内大功率的投影灯和复杂的光路系统，也省去了CRT投影机中复杂的电磁聚焦、电磁扫描、液体冷却系统等。从而使体积、重量、耗电量、造价等均大大小于现在所有的投影机，其结构也比以往任何一款投影机简单。相反，其投影质量却又是最好的。因此，电子投影机是一种性能、价格比十分优良具有广泛发展前途的大众化投影设备。

由以上介绍可知，本发明公开的电子显示屏除了在微功耗方面不及液晶显示屏外，其它各方面的性能均优于目前其它各种显示技术，可广泛用于一切需要作显示的地方，尤其是其具有本身能发光、耐冲击、体薄、重量轻、耗电省等优良特性是用于军事、航空、航天、航海等领域理想的显示设备。电子显示屏的出现，必将引发一场显示技术的革命。本发明公开的以电子显示屏为显示器件的电子电视、电子投影机等电子产品，也将以其优异性能成为21世纪的主流产品。若将本发明与现代电子技术结合，则可生产出全固化电子电视等产品，并使用干电池直接放彩电变成可能。

Claims (14)

1、一种电子显示屏，其特征是显示屏由若干排成行和列的发光半导体像素或其它电致发光材料像素组成，每个像素均是由能发红、绿、蓝三基色光的三个或单由能发白色光的半导体像元或电致发光材料像元组成，像素内的像元采取平面或立体方式分布。

2、按权利要求1规定的电子显示屏，其特征是可以根据需要将行、帧电子扫描、驱动脉冲形成及视频处理等电路一起集成制作在显示屏上，形成一个有独立显示功能的全固化电子器件。

3、按权利要求1和2规定的电子显示屏，其特征是可以根据实际需要做成各种形状、大小、厚簿、长宽比和各种分辨率及亮度，并可以采用屏幕黑底技术，以提高显示屏画面质量。

4、按权利要求1至3规定的电子显示屏，其特征是屏幕纯平全固化且具一定的耐冲击能力，在不完全损坏的条件下，残缺的显示屏仍能显示残缺的图像。

5、按权利要求1至4规定的电子显示屏，其特征是体积小、厚度簿、重量轻、耗电省、抗振耐冲击、有用成像面积大、画面绝对平整、亮度高、对比度高、无几何失真、不怕磁、无高压、工作时不产生射线、绝对安全、启动迅速、耐候性强，寿命长、适用范围宽。

6、按权利要求1至5规定的显示屏，其特征是屏幕本身能发光且有彩色和各种单色的显示屏，并能按要求造出能弯曲的软性显示屏。

7、按权利要求1至6规定的电子显示屏，其特征是可以采用平面或立体晶体管制造工艺，集成电路制造工艺，CMOS制造工艺，半导体生长、安装、粘贴等现代半导体生产工艺批量制造。

8、一种按权利要求1至7规定的电子显示屏，其特征是屏幕的前后两面均有一层透明性好的高强度保护层，其后面的保护层也可根据实际需要而采用有一定厚度和强度的金属板制作而成，以提高其强度和散热能力。

9、一种电子电视、电脑电子显示器、电子广告牌、电子电视墙、电子挂图、电子投影机及一系列其它电子产品，其特征是用权利要求1至8规定的电子显示屏作为文字、图像显示器件。

10、一系列按权利要求9规定的电子设备，其特征是可将整机电路或部份电路集成在几块集成电路上，实现整机的全固化或部份固化。

11、按权利要求9至11规定的电子设备，其特征是厚度簿、重量轻、耗电省、整机无高压、工作不产生射线、启动迅速、使用安全、寿命长。

12、一种电子显示设备，其特征是显示屏由一块或若干块按权利要求1至8规定的电子显示屏组成。

13、一种电子投影机，其特征是其投影核心部件是采用权利要求1至8规定的一种微型高分辨率超高亮度的电子显示屏。

14、一种显示器件，其特征是其显示驱动脉冲是分别由行、帧扫描脉冲经整形倍频而来。

Images