第2章第3节液晶显示器

上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换1上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换2上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换3上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换4上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换5上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换6§2.3液晶显示器◆2.3.1液晶显示器原理◆2.3.2液晶显示器的构造◆2.3.3液晶显示器的驱动◆2.3.4液晶显示器的特点及应用一、液晶（Liquidcrystal)液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。通常物质在熔融温度从固体转为透明的液体，而液晶物质在熔融温度首先转为不透明的液体，进一步升温才转为透明的液体。“液晶”包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液晶相的物质。§2.3.1液晶显示器原理上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换9液晶（LiquidCrystal）：是一种介于固态和液态之间的具有规则性分子排列，及晶体的光学各向异性的有机化合物，液晶在受热到一定温度的时候会呈现透明状的液体状态，而冷却则会出现结晶颗粒的混浊固体状态，因为物理上具有液体与晶体的特性，故称之为“液晶”。液晶显示器LCD（LiquidCrystalDisplay）：是新型平板显示器件。§2.3.1液晶显示器原理上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换10(a)层列(smectic)液晶(b)向列(nematic)液晶(c)胆甾相(cholesteric)液晶三种液晶相的分子排列结构液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；粘连度高粘连度小液晶成螺旋上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换11·层列液晶中的棒状分子排列成层状结构，构成分子相互平行排列，与层面近似垂直。这种分子层的结合较弱，层与层之间易于相互滑动。其显示出二维液体的性质，粘连度高。向列液晶的棒状分子都以相同的方式平行排列，每个分子在长轴方向可以比较自由地移动。因此，富于流动性粘度较小。三种液晶相的分子排列结构液晶物质大多数为有机化合物。按分子排列状态；上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换12显示器中的液晶体并不发光，而是控制外部光的通过量。当外部光线通过液晶分子时，液晶分子的排列扭曲状态不同，使光线通过的多少就不同，实现了亮暗变化，可重现图像。液晶分子扭曲的大小由加在液晶分子两边的电压差的大小决定。因而可以实现电到光的转换。即用电压的高低控制光的通过量，从而把电信号转换成光像。§2.3.1液晶显示器原理上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换13上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换14液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。（一）液晶的物理特性上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换15LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。（如图1）（二）单色液晶显示器的原理上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换16上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换17上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换18LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。（如图2）（二）单色液晶显示器的原理上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换19上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换20然而，可以改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。但由于计算机屏幕几乎总是亮着的，所以只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。（二）单色液晶显示器的原理上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换21背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层。液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。（二）单色液晶显示器的原理上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换22(三)彩色LCD显示器的工作原理对于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器需要采用的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。LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但也同时带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示(每个单元就是一个像素)。上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换23(三)彩色LCD显示器的工作原理CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精确聚集，否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在40～60Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。不过，LCD屏的液晶单元会很容易出现暇疵。对1024×768的屏幕来说，每个像素都由三个单元构成，分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元(1024×768×3＝2359296)。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的是，其中一部分己经短路(出现“亮点”)，或者断路(出现“黑点”)。所以说，并不是如此高昂的显示产品并不会出现瑕疵。上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换24上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换25上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换26上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换27上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换28扭曲向列型液晶显示器”（TwistedNematicLiquidcrystaldisplay）,简称“TN型液晶显示器”。如图所示。向列型液晶夹在两片玻璃中间。这种玻璃的表面上先镀有一层透明而导电的薄膜以作电极之用。这种薄膜通常是一种铟和锡的氧化物简称ito。然后再在有ito的玻璃上镀表面配向剂，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面之方向排列。）中左边玻璃使液晶排成上下的方向，右边玻璃则使液晶排成垂直于图面之方向。此组件中之液晶的自然状态具有从左到右共的扭曲,这也是为什么被称为扭曲型液晶显示器的原因。利用电场可使液晶旋转的原理，在两电极上加上电压则会使得液晶偏振化方向转向与电场方向平行。因为液态晶的折射率随液晶的方向而改变，其结果是光经过TN型液晶盒以后其偏振性会发生变化。1.扭曲向列型液晶显示器上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换29我们可以选择适当的厚度使光的偏振化方向刚好改变。那么，我们就可利用两个平行偏振片使得光完全不能通过。若外加足够大的电压Ｖ使得液晶方向转成与电场方向平行，光的偏振性就不会改变。因此光可顺利通过第二个偏光器。于是，我们可利用电的开关达到控制光的明暗。这样会形成透光时为白、不透光时为黑，字符就可以显示在屏幕上了。上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换30上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换31上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换322.TFT型液晶显示器的原理采用两夹层间填充液晶分子的设计。只是把左边夹层的电极改为了FET晶体管，而右边夹层的电极改为了共通电极。在光源设计上，TFT的显示采用背透式照射方式，即假想的光源路径不是像TN液晶那样的从左至右，而是从右向左，这样的作法是在液晶的背部设置了类似日光灯的光管。光源照射时先通过右偏振片向左透出，借助液晶分子来传导光线。由于左右夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的表现如TN液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。相对而言，TN就没有这个特性，液晶分子一旦没有被施压，立刻就返回原始状态，这是TFT液晶和TN液晶显示原理的最大不同。上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换33（Polymerdispersedliquidcrystalliquidcrystaldisplay），简称“PDLC型液晶显示器”。这种显示器的液晶组件构造如图所示。高分子的单体(monomer)与液晶混合后夹在两片玻璃中间，做成一液晶盒。这种玻璃与上面所用的相同，是表面上先镀有一层透明而导电的薄膜作电极。但是不需要在玻璃上镀表面配向剂。此时将液晶盒放在紫外灯下照射使个单体连结成高分子聚合物。在高分子形成的同时，液晶与高分子分开而形成许多液晶小颗粒。这些小颗粒被高分子聚合物固定住。当光照射在此液晶盒上，因折射率不同，而在颗粒表面处产生折射及反射。经过多次反射与折射，就产生了散射。此液晶盒就像牛奶一样呈现出不透明的乳白色。3.高分子散布型液晶显示器上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换34上一张章首下一张结束节首目录第二章电光信息转换35足够大电压加在液晶盒两侧的玻璃上﹐液晶顺着电场方向排列，而使每颗液晶的排列均相同。对正面入射光而言，这些液晶有着相同的折射率n。如果我们可以选用的高分子材料的折射率与n相同，对光而言这些液晶颗粒与高分子材料是相同的；因而在液晶盒内部没有任何折射或反射的现象产