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可穿戴光电显示科技

作者：杨柏儒

出版社：科学出版社出版时间：2022-10-01

开本： 16开 页数： 232

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可穿戴光电显示科技版权信息

ISBN：9787030734389
条形码：9787030734389 ; 978-7-03-073438-9
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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电子通信

可穿戴光电显示科技内容简介

本书内容包含可穿戴显示在光学、电学、结构力学等学科中的基本知识，并介绍了自发光、反射光、柔性方面的器件理论，进一步探讨了在“穿”和“戴”方面的工艺与系统级实现原理，并广泛整理了来自国际信息显示学会(SID)的近期新显示技术的研究进展和国际上知名度较高的公司对可穿戴显示的技术与应用布局。《可穿戴光电显示科技》对可穿戴显示领域中相关的知识体系、学术研究进展、行业发展情况进行了通盘的介绍。

可穿戴光电显示科技目录

目录
第1章绪论1
1.1可穿戴光电显示设备1
1.1.1可穿戴显示设备的定义1
1.1.2可穿戴显示在现实生活中的应用场景3
1.2可穿戴显示设备面临的机遇与挑战3
参考文献4
第2章显示科技的基本光学原理6
2.1光的度量7
2.1.1光度学8
2.1.2色度学12
2.1.3显示系统评价指标16
2.2光电图像19
2.2.1空间信号采样：像素19
2.2.2强度量化：灰阶24
2.2.3时间采样：帧25
2.3人眼视觉27
2.3.1人眼的构造27
2.3.2人眼的空间与时间特性28
2.3.3人眼3D视觉31
2.4光的传播36
2.4.1可穿戴显示中的几何光学37
2.4.2可穿戴显示中的物理光学39
参考文献46
第3章显示科技的基本电学原理51
3.1显示像素的寻址与驱动原理、被动式驱动与主动式驱动51
3.1.1无源驱动51
3.1.2有源驱动53
3.1.3窄边框技术60
3.2触控原理62
3.2.1电阻式触控传感62
3.2.2电容式触控传感62
3.2.3电磁式触控传感64
3.3可穿戴显示中电子电路研究方法64
3.3.1TCAD工具65
3.3.2EDA工具——华大九天65
参考文献65
第4章柔性光电显示的材料与力学原理67
4.1柔性显示67
4.2柔性器件的叠构力学68
4.2.1柔性器件力学基础68
4.2.2梁模型的弯曲过程分析70
4.2.3多层柔性结构的叠构分析73
4.2.4多中性层设计74
4.3柔性显示的实现76
4.3.1柔性透明导电薄膜76
4.3.2柔性发光层79
4.3.3柔性触控、封装与衬底79
4.3.4柔性TFT82
4.4可弯折/可折叠显示技术的发展现状与应用84
参考文献87
第5章显示科技的基本器件原理88
5.1自发光显示原理88
5.1.1光物理中的基态、单线态和三线态88
5.1.2激子89
5.1.3荧光、磷光与延迟荧光89
5.1.4有机发光二极管性能的重要参数90
5.1.5有机发光二极管的工作机理94
5.2有机发光二极管96
5.2.1OLED的发展历史及现状96
5.2.2OLED材料98
5.2.3OLED器件结构101
5.3量子点发光二极管103
5.4钙钛矿发光二极管105
5.5胶体量子阱发光二极管108
5.6Mini-LED和Micro-LED111
5.6.1发展历史及现状111
5.6.2Mini-LED112
5.6.3Micro-LED113
5.7液晶显示原理115
5.7.1LCD结构与原理115
5.7.2液晶配向方法116
5.7.3常见的液晶面板类型117
参考文献119
第6章低功耗显示技术的基本器件原理125
6.1反射式电子纸显示技术125
6.1.1反射式显示技术的优势125
6.1.2反射式显示技术的发展128
6.2反射式显示原理128
6.2.1反射式液晶显示129
6.2.2干涉调制显示129
6.2.3电润湿与电流体131
6.3电泳显示器件原理133
6.3.1电泳显示原理133
6.3.2电泳显示器件的制备工艺135
6.3.3彩色电泳显示器138
6.3.4快速响应电泳显示器141
6.4反射式显示在可穿戴设备中的应用与前景143
参考文献147
第7章可穿戴柔性显示器件基本原理150
7.1柔性衬底150
7.1.1柔性衬底的种类150
7.1.2聚酰亚胺151
7.2柔性可穿戴TFT154
7.2.1柔性TFT的特点154
7.2.2TFT剥离转移技术155
7.3柔性OLED157
7.3.1柔性OLED的发展与现状157
7.3.2柔性导电电极158
7.3.3柔性光耦合取出技术159
7.4硅基OLED159
7.4.1硅基有机发光二极管的特点159
7.4.2高性能硅基OLED的制备160
7.5柔性LCD161
7.6显示器件中的光调控技术164
7.6.1偏光片在显示器件中的作用164
7.6.2封装上彩色滤光技术165
7.7柔性封装166
7.7.1柔性封装特点166
7.7.2柔性封装发展现状167
7.8柔性盖窗169
参考文献170
第8章头戴显示与虚拟现实、增强现实176
8.1头戴显示器规格与微显示器176
8.1.1头戴显示器的重要规格177
8.1.2微显示器178
8.2近眼光学系统179
8.2.1虚拟现实、增强现实与混合现实179
8.2.2基本目镜系统与虚拟现实技术180
8.2.3光学透视结构与增强现实技术181
8.3多焦面头戴显示185
8.3.1基本原理185
8.3.2当前国内外进展186
8.4自适应变焦头戴显示188
8.4.1基本原理188
8.4.2当前国内外进展188
8.5光场显示190
8.5.1光场与光场显示原理190
8.5.2光场显示研究现状192
8.6全息显示193
8.6.1基本原理193
8.6.2当前国内外进展194
8.7视网膜投影头戴显示196
8.7.1基本原理196
8.7.2当前国内外进展197
参考文献198
第9章可穿戴光电显示的新材料与应用203
9.1可拉伸显示203
9.1.1可拉伸显示技术的发展现状和相关应用203
9.1.2可拉伸电极材料203
9.1.3可拉伸互联结构205
9.1.4可拉伸TFT与显示器件208
9.2印刷显示210
9.2.1印刷显示技术210
9.2.2印刷制造OLED210
9.2.3印刷制造TFT213
9.2.4印刷柔性显示214
9.3织物显示215
9.3.1织物显示概述215
9.3.2制备方法216
9.3.3织物有机发光二极管217
9.4展望220
参考文献221

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可穿戴光电显示科技节选

第1章绪论显示技术从阴极射线管发展到平板显示，进一步发展到高分辨率与柔性显示，如图1-1所示，设备越来越轻薄，性能要求越来越高，功能越来越多元，并且在元宇宙的应用环境中，未来的可穿戴显示将提供更无感的人机互动体验。其中，“可穿戴”可以是“穿”在身上的织物，也可以是“戴”在头上的显示设备。针对这些前沿的应用，就需要理解并整理当今的技术资料，作为后续发展的基石。因此，本书着重介绍与整理可穿戴显示的基本科技知识，来自国际信息显示学会(SID)的昀新显示技术研究进展，以及国际大厂对可穿戴显示的技术与应用布局三大方面。图1-1可穿戴光电显示技术发展里程碑[1-11] 本书的结构安排如下：第1章概述整个可穿戴显示在应用上的潜力与在技术上的进展；第2～4章开始介绍可穿戴显示技术在光学、电学、结构力学上的基本知识；第5～7章深入介绍可穿戴显示在自发光、反射光、柔性方面的器件知识；第8章着重介绍可“戴”(头戴型)显示的系统级实现原理；第9章着重介绍可“穿”(织物型)显示的器件与工艺原理。 1.1可穿戴光电显示设备 1.1.1可穿戴显示设备的定义在史蒂文斯皮尔伯格导演的科幻电影《头号玩家》中，主角穿戴着虚拟现实游戏套装穿梭在虚拟游戏和现实世界之中；在电影《钢铁侠》中，主角利用头盔上的共形(conformal)透明显示技术，可以同时处理现实世界与虚拟世界的信息流。这些电影激起了人类对可穿戴光电显示科技的好奇与应用上的畅想，因此很多人会问，在这个世界上真的存在这些“黑科技”吗？或者，这些“黑科技”离我们到底还有多远？为了回答这些问题，本章将从可穿戴光电显示科技的技术现状开始介绍，并概览本书相关光电知识体系，从材料、结构、器件、工艺、系统等更深的层次与更多元的视角来探讨这些“黑科技”从发展到落地还有多远。经过了半个多世纪一代代科学家的努力，可穿戴显示技术得到了长足而充分的发展，尤其是近些年来随着物联网、元宇宙等新兴技术的出现，可穿戴显示技术步入了一个新的快速发展期，可穿戴显示设备开始大量进入人们的视野之中。2015年，日本森口松下公司的 Hideki Ohmae等制作了一款柔性可拉伸的 LED驱动显示屏[12]；2017年，Meta的 Bhowmik提出第二代沉浸式光学透明的交互式 AR显示系统[13]；2017年，韩国三星公司报道了一款9.1英寸(1英寸=2.54厘米)的基于 LTPS技术的柔性可拉伸 AMOLED显示器[14]；2020年，韩国国立首尔大学的 Young Jin Song等用可互连的 OLED和导电纤维编制了一款 OLED织物显示器[15]；2021年，韩国高等科学技术学院的 Kyung Cheol Choi团队使用 OLED织物显示技术为新生儿光疗黄疸病[16] 图1-2展示了国际信息显示学会(SID)关于可穿戴光电显示技术昀新的研究进展。图1-2国际信息显示学会(SID)可穿戴光电显示技术昀新研究进展[17-21] 那么，到底可穿戴显示技术在未来生活中会扮演什么样的角色？通常“可穿戴”要求设备具有可弯曲(共形)、轻薄、耐用性强、便携性好、防水、防腐蚀、具有人体皮肤亲和性等特点，“显示”则要求显示画质好、分辨率高、功耗低、寿命长等。本书探讨的“可穿戴显示”则需要将上述两者融合，既具备穿戴属性，也能保证良好的显示效果。目前主流的可穿戴光电显示技术有柔性有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)显示、柔性织物显示、柔性反射式电子纸显示、可穿戴虚拟现实(virtual reality，VR)与增强现实(augmented reality，AR)显示等。可穿戴显示设备的外形可以随着使用需求而千变万化，应用领域非常广泛。此外，随着电子科学技术的不断进步与完善，可穿戴光电显示技术还可以与运算、传感、生物、通信技术结合，形成功能更为强大，体验更加舒适的终端设备，并在未来的元宇宙世界与应用场景中重新定义前所未见的应用领域。 1.1.2可穿戴显示在现实生活中的应用场景随着物联网浪潮与元宇宙趋势的发展，人类与周围事物乃至机器的沟通将更加流畅，未来的交互将不需要拿着笔记本电脑和手机，也不需要戴着厚重的头盔与面罩。不久的将来，随着显示技术与传感技术的迭代，人机交互的模式将产生颠覆式的改变。其中，可穿戴显示设备可佩戴在人类的面部与身体，机器人与运输器的体表等用来进行视频通话、地图定位、路线规划等，也可以是穿在身上具有显示功能的编织类衣物，戴在手上可以投影的戒指，贴在皮肤上可以监测心率、血压、血糖等身体健康状况的电子皮肤等。理论上它可以应用于人体的任何部位、任何与生活息息相关的物品上，取代手机、计算机等终端产品，让人们解放出双手去做其他事情。 1.2可穿戴显示设备面临的机遇与挑战 1.机遇柔性可穿戴显示将带来全新的人机交互方式，是一项需要多学科、多领域交叉综合的技术，其发展离不开互联网、传感、显示技术、生物医疗等领域的发展。21世纪是信息技术迅速变革的重大历史时期，可穿戴显示设备已广泛应用于交通、医疗、教育、通信等领域。据 IDTechEx Research预测，2025年，柔性可拉伸电子产品的行业利润将达到50亿美元，而可穿戴显示设备行业的利润也将随着这一趋势逐年攀升。虽然经过多年的发展，我国柔性显示与光电子产业的规模已在全球举足轻重，但全产业链发展极不均衡，关键材料对外依存度较高，面临被制约风险。对于国内的厂商而言，要想把握好行业机遇，打破国际垄断，需要重点关注以下几个方面：加强人才引进与培育，增强企业自主创新能力与技术积累，强化企业在全球相关行业的话语权与参与感；加强产业链在原材料、生产设备、制造工艺等方面的转型升级。推进如柔性 OLED显示、柔性织物显示等形成产业规模，并勇于探索未来显示技术的发展和需求，积极做好前瞻性的产业布局。对于广大的青年学者而言，则要打牢基础，勇于探索科技前沿，提升我国在可穿戴光电显示技术领域的影响力。 2.挑战可穿戴显示设备发展巨大的机遇背后，也有着诸多的挑战，主要有以下几点。 (1)技术落地场景与商业模式尚不成熟：虽然元宇宙话题的兴起，带来了众多的可能，但截至本书完稿，相关的商业模式与结算机制仍没有比较普及的运行模式。 (2)技术发展的瓶颈：从材料、器件、工艺、系统等角度来看，虽然在学术上已经有很多的相关文章发表，但量产技术与可靠性还有很大的瓶颈需要突破。 (3)用户的不适感：以目前的技术，不管贴肤式的器件，还是头戴式的系统，在用户的体验上以及异物感的消除上，还有十分大的改进空间。 (4)用户隐私面临泄露的问题：未来可穿戴设备可以持续地收集海量个体数据，如身份、位置和健康情况等个人信息。确保信息不外泄是重要的研究方向。 (5)与其他相关技术的兼容，如边缘计算、数字孪生、区块链、数字货币等。综上所述，可穿戴光电显示技术将带来人机交互模式巨大的变革，有机遇也有挑战。本书为读者在可穿戴显示领域中相关的知识体系、学术界研究进展、行业发展情况进行了通盘的介绍。参考文献 [1] HONG Y， LEE B， OH E， et al. Stretchable displays: from concept toward reality [J]. Information display，2017，33(4):6-38. [2] KIM S， SHIN J M， HONG J H， et al. Three dimensionally stretchable AMOLED display for freeform displays[J]. SID symposium digest of technical papers，2019，50(1):1194-1197. [3] KIRYUSCHEV I， KONSTEIN S. Tiled display on a textile base [J]. SID symposium digest of technical papers，2020，51(1):1833-1835. [4] LI W Y， CHIU P H， HUANG T H， et al. The first flexible liquid crystal display applied for wearable smart device [J]. SID symposium digest of technical papers，2015，46(1):98-101. [5] MA R， RAJAN K， SILVERNAIL J， et al. Wearable 4-inch QVGA full color video flexible AMOLEDs for rugged applications [J]. SID symposium digest of technical papers，2009，40(1):96-99. [6] SABO J， FEGERT T， CISOWSKI M S， et al. Evaluation of displays and hmis for internet of things (IoT)[J]. SID symposium digest of technical papers，2017，48(1):1174-1177. [7] STAFF E. Products on display at display week 2019[J]. Information display，2019，35(3):35-52. [8] STEUDEL S， VAN DER STEEN J L P， NAG M， et al. Power saving through state retention in IGZO-TFT AMOLED displays for wearable applications [J]. Journal of the society for information display，2017，25(4):222-228. [9] TAJIMA R， MIWA T， OGUNI T， et al. Genuinely wearable display with a flexible battery， a flexible display panel， and a flexible printed circuit [J]. SID symposium digest of technical papers，2014，45(1):367-370. [10] VERPLANCKE R， CAUWE M， VAN PUT S， et al. Stretchable passive matrix LED display with thin-film based interconnects [J]. SID symposium digest of technical papers，2016，47(1):664-667. [11] WANG J， JáKLI A， GUAN Y， et al. Developing liquid-crystal functionalized fabrics for wearable sensors [J]. Information display，2017，33(4):16-20. [12] OHMAE H， TOMITA Y， KASAHARA M， et al. Stretchable 45×80 RGB led disp

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