液晶LCD顯示器的工作原理

液晶顯示器的基本工作原理

液晶顯示器(LCD)英文全稱為Liquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術(shù)來實(shí)現(xiàn)色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當(dāng)色彩不變時(shí)，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題。對(duì)于畫面穩(wěn)定、無閃爍感的液晶顯示器，刷新率不高但圖像也很穩(wěn)定。LCD顯示器還通過液晶控制透光度的技術(shù)原理讓底板整體發(fā)光，所以它做到了真正的完全平面。一些高檔的數(shù)字LCD顯示器采用了數(shù)字方式傳輸數(shù)據(jù)、顯示圖像，這樣就不會(huì)產(chǎn)生由于顯卡造成的色彩偏差或損失。完全沒有輻射的優(yōu)點(diǎn)，即使長時(shí)間觀看LCD顯示器屏幕也不會(huì)對(duì)眼睛造成很大傷害。體積小、能耗低也是CRT顯示器無法比擬的，一般一臺(tái)15寸LCD顯示器的耗電量也就相當(dāng)于17寸純平CRT顯示器的三分之一。

???? 目前相比CRT顯示器，LCD顯示器圖像質(zhì)量仍不夠完善。色彩表現(xiàn)和飽和度LCD顯示器都在不同程度上輸給了CRT顯示器，而且液晶顯示器的響應(yīng)時(shí)間也比CRT顯示器長，當(dāng)畫面靜止的時(shí)候還可以，一旦用于玩游戲、看影碟這些畫面更新速度塊而劇烈的顯示時(shí)，液晶顯示器的弱點(diǎn)就暴露出來了，畫面延遲會(huì)產(chǎn)生重影、脫尾等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響顯示質(zhì)量。

???? LCD顯示器的工作原理：從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚約1mm，其間由包含有液晶材料的5μm均勻間隔隔開。因?yàn)橐壕Р牧媳旧聿⒉话l(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。

???? 背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進(jìn)入包含成千上萬液晶液滴的液晶層。液晶層中的液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點(diǎn)上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個(gè)個(gè)小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。

???? 液晶顯示技術(shù)也存在弱點(diǎn)和技術(shù)瓶頸，與CRT顯示器相比亮度、畫面均勻度、可視角度和反應(yīng)時(shí)間上都存在明顯的差距。其中反應(yīng)時(shí)間和可視角度均取決于液晶面板的質(zhì)量，畫面均勻度和輔助光學(xué)模塊有很大關(guān)系。

???? 對(duì)于液晶顯示器來說，亮度往往和他的背板光源有關(guān)。背板光源越亮，整個(gè)液晶顯示器的亮度也會(huì)隨之提高。而在早期的液晶顯示器中，因?yàn)橹皇褂?個(gè)冷光源燈管，往往會(huì)造成亮度不均勻等現(xiàn)象，同時(shí)明亮度也不盡人意。一直到后來使用4個(gè)冷光源燈管產(chǎn)品的推出，才有很大的改善。

???? 信號(hào)反應(yīng)時(shí)間也就是液晶顯示器的液晶單元響應(yīng)延遲。實(shí)際上就是指的液晶單元從一種分子排列狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另外一種分子排列狀態(tài)所需要的時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間愈小愈好，它反應(yīng)了液晶顯示器各像素點(diǎn)對(duì)輸入信號(hào)反應(yīng)的速度，即屏幕由暗轉(zhuǎn)亮或由亮轉(zhuǎn)暗的速度。響應(yīng)時(shí)間越小則使用者在看運(yùn)動(dòng)畫面時(shí)不會(huì)出現(xiàn)尾影拖拽的感覺。有些廠商會(huì)通過將液晶體內(nèi)的導(dǎo)電離子濃度降低來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速響應(yīng)，但其色彩飽和度、亮度、對(duì)比度就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的降低，甚至產(chǎn)生偏色的現(xiàn)象。這樣信號(hào)反應(yīng)時(shí)間上去了，但卻犧牲了液晶顯示器的顯示效果。有些廠商采用的是在顯示電路中加入了一片IC圖像輸出控制芯片，專門對(duì)顯示信號(hào)進(jìn)行處理的方法來實(shí)現(xiàn)的。IC芯片可以根據(jù)VGA輸出顯卡信號(hào)頻率，調(diào)整信號(hào)響應(yīng)時(shí)間。由于沒有改變液晶體的物理性質(zhì)，因此對(duì)其亮度、對(duì)比度、 色彩飽和度都沒有影響，這種方法的制造成本也相對(duì)較高。

（一）液晶的物理特性

　　液晶的物理特性是：當(dāng)通電時(shí)導(dǎo)通，排列變的有秩序，使光線容易通過；不通電時(shí)排列混亂，阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術(shù)上簡(jiǎn)單地說，液晶面板包含了兩片相當(dāng)精致的無鈉玻璃素材，稱為Substrates，中間夾著一層液晶。當(dāng)光束通過這層液晶時(shí)，液晶本身會(huì)排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過。大多數(shù)液晶都屬于有機(jī)復(fù)合物，由長棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個(gè)經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子會(huì)順著槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。

　?。ǘ﹩紊壕э@示器的原理

　　LCD技術(shù)是把液晶灌入兩個(gè)列有細(xì)槽的平面之間。這兩個(gè)平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是說，若一個(gè)平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子?xùn)|西向排列，而位于兩個(gè)平面之間的分子被強(qiáng)迫進(jìn)入一種90度扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過液晶時(shí)也被扭轉(zhuǎn)90度。但當(dāng)液晶上加一個(gè)電壓時(shí)，分子便會(huì)重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)。

　　LCD是依賴極化濾光器(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機(jī)發(fā)散的。極化濾光器實(shí)際是一系列越來越細(xì)的平行線。這些線形成一張網(wǎng)，阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個(gè)垂直，所以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個(gè)濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉(zhuǎn)到與第二個(gè)極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。

　　LCD正是由這樣兩個(gè)相互垂直的極化濾光器構(gòu)成，所以在正常情況下應(yīng)該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個(gè)濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個(gè)濾光器后，會(huì)被液晶分子扭轉(zhuǎn)90度，最后從第二個(gè)濾光器中穿出。另一方面，若為液晶加一個(gè)電壓，分子又會(huì)重新排列并完

全平行，使光線不再扭轉(zhuǎn)，所以正好被第二個(gè)濾光器擋住。總之，加電將光線阻斷，不加電則使光線射出。

　　然而，可以改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時(shí)射出，而不加電時(shí)被阻斷。但由于計(jì)算機(jī)屏幕幾乎總是亮著的，所以只有"加電將光線阻斷"的方案才能達(dá)到最省電的目的。

　　從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚約1mm，其間由包含有液晶(LC)材料的5μm均勻間隔隔開。因?yàn)橐壕Р牧媳旧聿⒉话l(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進(jìn)入包含成千上萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點(diǎn)上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個(gè)個(gè)小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。

　　（三）彩色LCD顯示器的工作原理

　　對(duì)于筆記本電腦或者桌面型的LCD顯示器需要采用的更加復(fù)雜的彩色顯示器而言，還要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。通常，在彩色LCD面板中，每一個(gè)像素都是由三個(gè)液晶單元格構(gòu)成，其中每一個(gè)單元格前面都分別有紅色，綠色，或藍(lán)色的過濾器。這樣，通過不同單元格的光線就可以在屏幕上顯示出不同的顏色。

　　LCD克服了CRT體積龐大、耗電和閃爍的缺點(diǎn)，但也同時(shí)帶來了造價(jià)過高、視角不廣以及彩色顯示不理想等問題。CRT顯示可選擇一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以調(diào)整，但LCD屏只含有固定數(shù)量的液晶單元，只能在全屏幕使用一種分辨率顯示(每個(gè)單元就是一個(gè)像素)。

　　CRT通常有三個(gè)電子槍，射出的電子流必須精確聚集，否則就得不到清晰的圖像顯示。但LCD不存在聚焦問題，因?yàn)槊總€(gè)液晶單元都是單獨(dú)開關(guān)的。這正是同樣一幅圖在LCD屏幕上為什么如此清晰的原因。LCD也不必關(guān)心刷新頻率和閃爍，液晶單元要么開，要么關(guān)，所以在40～60Hz這樣的低刷新頻率下顯示的圖像不會(huì)比75Hz下顯示的圖像更閃爍。不過，LCD屏的液晶單元會(huì)很容易出現(xiàn)暇疵。對(duì)1024×768的屏幕來說，每個(gè)像素都由三個(gè)單元構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)紅、綠和藍(lán)色的顯示一所以總共約需240萬個(gè)單元(1024×768×3＝2359296)。很難保證所有這些單元都完好無損。最有可能的是，其中一部分己經(jīng)短路(出現(xiàn)"亮點(diǎn)")，或者斷路(出現(xiàn)"黑點(diǎn)")。所以說，并不是如此高昂的顯示產(chǎn)品并不會(huì)出現(xiàn)瑕疵。

　　LCD顯示屏包含了在CRT技術(shù)中未曾用到的一些東西。為屏幕提供光源的是盤繞在其背后的熒光管。有些時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)屏幕的某一部分出現(xiàn)異常亮的線條。也可能出現(xiàn)一些不雅的條紋，一幅特殊的淺色或深色圖像會(huì)對(duì)相鄰的顯示區(qū)域造成影響。此外，一些相當(dāng)精密的圖案(比如經(jīng)抖動(dòng)處理的圖像)可能在液晶顯示屏上出現(xiàn)難看的波紋或者干擾紋。

　　現(xiàn)在，幾乎所有的應(yīng)用于筆記本或桌面系統(tǒng)的LCD都使用薄膜晶體管（TFT）激活液晶層中的單元格。TFTLCD技術(shù)能夠顯示更加清晰，明亮的圖象。早期的LCD由于是非主動(dòng)發(fā)光器件，速度低，效率差，對(duì)比度小，雖然能夠顯示清晰的文字，但是在快速顯示圖象時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生陰影，影響視頻的顯示效果，因此，如今只被應(yīng)用于需要黑白顯示的掌上電腦，呼機(jī)或手機(jī)中。

　　隨著技術(shù)的日新月異，LCD技術(shù)也在不斷發(fā)展進(jìn)步。目前各大LCD顯示器生產(chǎn)商紛紛加大對(duì)LCD的研發(fā)費(fèi)用，力求突破LCD的技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步加快LCD顯示器的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程、降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)用戶可以接受的價(jià)格水平。

　?。ㄋ模?yīng)用與液晶顯示器的新技術(shù)

　?。?）采用TFT型Active素子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)

　　為了創(chuàng)造更優(yōu)質(zhì)畫面構(gòu)造，新技術(shù)采用了用獨(dú)有TFT型Active素子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。大家都知道，異常復(fù)雜的液晶顯示屏幕中最重要的組成部分除了液晶之外，就要算直接關(guān)系到液晶顯示亮度的背光屏以及負(fù)責(zé)產(chǎn)生顏色的色濾光鏡。在每一個(gè)液晶像素上加裝上了Active素子來進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，使得顯示屏幕與全統(tǒng)的CRT顯示屏相比有天壤之別，這種控制模式在顯示的精度上，會(huì)比以往的控制方式高得多，所以就在CRT顯示屏?xí)铣霈F(xiàn)圖像的品質(zhì)不良，色滲以及抖動(dòng)非常厲害的現(xiàn)象，但在加入了新技術(shù)的LCD顯示屏上觀看時(shí)其畫面品質(zhì)卻是相當(dāng)賞心悅目的。

　?。?）利用色濾光鏡制作工藝創(chuàng)造色彩斑瀾的畫面

　　在色濾光鏡本體還沒被制作成型以前，就先把構(gòu)成其主體的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。這種工藝要求有非常高的制造水準(zhǔn)。但與同其他普通的LCD顯示屏相比，用這種類型的制造出來的LCD，無論在解析度，色彩特性還是使用的壽命來說，都有著非常優(yōu)異的表現(xiàn)。從而使LCD能在高分辨率環(huán)境下創(chuàng)造色彩斑瀾的畫面。

　?。?）低反射液晶顯示技術(shù)

　　眾所周知，外界光線對(duì)液晶顯示屏幕具有非常大的干擾，一些LCD顯示屏，在外界光線比較強(qiáng)的時(shí)候，因?yàn)樗砻娴牟ＡО瀹a(chǎn)生反射，而干擾到它的正常顯示。因此在室外一些明亮的公共場(chǎng)所使用時(shí)其性能和可觀性會(huì)大大降低。目前很多LCD顯示器即使分辨率再高，其反射技術(shù)沒處理好，由此對(duì)實(shí)際工作中的應(yīng)用都是不實(shí)用的。單憑一些純粹的數(shù)據(jù)，其實(shí)是一種有偏差的去引導(dǎo)用戶的行為。而新款的LCD顯示器就采用的"低反射液晶顯示屏幕"技術(shù)就是在液晶顯示屏的最外層施以反射防止涂裝技術(shù)（ARcoat），有了這一層涂料，液晶顯示屏幕所發(fā)出的光澤感、液晶顯示屏幕本身的透光率、液晶顯示屏幕的分辨率、防止反射等這四個(gè)方面都但到了更好的改善。

　?。?）先進(jìn)的"連續(xù)料界結(jié)晶矽"液晶顯示方式

　　在一些LCD產(chǎn)品中，在觀看動(dòng)態(tài)影片的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)畫面的延遲現(xiàn)象，這是由于整個(gè)液晶顯示屏幕的像素反應(yīng)速度顯得不足所造成的。為了提高像素反應(yīng)速度，新技術(shù)的LCD采用目前最先進(jìn)的SiTFT液晶顯示方式，具有比舊式LCD屏快600倍的像素反應(yīng)速度，效果真是不可同日而語。先進(jìn)的"連續(xù)料界結(jié)晶矽"技術(shù)是利用特殊的制造方式，把原有的非結(jié)晶型透明矽電極，在以平常速率600倍的速度下進(jìn)行移動(dòng)，從而大大加快了液晶屏幕的像素反應(yīng)速度，減少畫面出現(xiàn)的延緩現(xiàn)象。