液晶显示原理

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液晶显示原理

摘要：目前世面上有众多种液晶显示块，本文就相应的液晶显示原理作一些介绍。

关键词：TN   STN    DSTN    TFT

常见的液晶显示器按物理结构分为四种：
（1）扭曲向列型（TN－Twisted Nematic）；
（2）超扭曲向列型（STN－Super TN）；
（3）双层超扭曲向列型（DSTN－Dual Scan Tortuosity Nomograph）；
（4）薄膜晶体管型（TFT－Thin Film Transistor）。
　　其中TN－LCD、STN－LCD和DSYN－LCD的基本显示原理都相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已。STN－LCD的液晶分子扭曲角度为180度甚至270度。而TFT－LCD则采用与TN系列LCD截然不同的显示方式。 其具体工作原理见下：
　１、扭曲向列型（TN－Twisted Nematic）显示原理；
　 TN型采用的是液晶显示器中最基本的显示技术，而之后其它种类的液晶显示器也是以TN型为基础来进行改良。而且，它的运作原理也较其它技术来的简单。请读者参照下方的图片。图中所表示的是TN型液晶显示器的简易构造图，包括了垂直方向与水平方向的偏光板，具有细纹沟槽的配向膜，液晶材料以及导电的玻璃基板。
　　----在不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度。在离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，所以光线能顺利通过，使整个电极面呈光亮。
　　----当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致。液晶层也因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，这样电极面就呈现黑暗的状态。
　　TN型的显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板的透明导电玻璃间，液晶分子会依附向膜的细沟槽方向，按序旋转排列。如果电场未形成，光线就会顺利的从偏光板射入，液晶分子将其行进方向旋转，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，玻璃间就会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样得到光暗对比的现象，就叫做扭转式向列场效应，简称TNFE（twisted nematic field effect）。电子领域中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理制成的。
２、超扭曲向列型（STN－Super TN）显示原理
STN型的显示原理与TN相类似。不同的是，TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。
　　必须在这里指出的是，单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形（或称黑白），并没有办法做到色彩的变化。而STN液晶显示器由于液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片（color filter），并将单色显示矩阵之任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixel），分别通过彩色滤光片显示红、黄、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶显示器显示屏幕做的越大，其屏幕对比度就会显得较差，不过藉由STN的改良技术，亦可以在一定程度上弥补对比度不足的情况。
３、双层超扭曲向列型（DSTN－Dual Scan Tortuosity Nomograph）显示原理
　　DSTN是通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示屏，从而达到完成显示目的。DSTN是由超扭曲向列型显示器（STN）发展而来的。由于DSTN采用双扫描技术，因此显示效果相对STN来说，有大幅度提高。笔记本电脑刚出现时主要是使用STN，其后是DSTN。STN和DSTN的反应时间都较慢，一般约为300ms左右。从液晶显示原理来看，STN的原理是通过电场改变原为180度以上扭曲的液晶分子的排列，达到改变旋光状态的目的。外加电场则通过逐行扫描的方式改变电场，因此在电场反复改变电压的过程中，每一点的恢复过程都较慢，这样就会产生余辉现象。用户能感觉到拖尾（余辉）现象，也就是一般俗称的“伪彩”。由于DSTN显示屏上每个像素点的亮度和对比度都不能独立控制，造成其显示效果欠佳。由这种液晶体所构成的液晶显示器对比度和亮度都比较差、屏幕观察范围也较小、色彩不够丰富，特别是反应速度慢，不适于高速全动图像、视频播放等应用。一般只用于文字、表格和静态图像处理，但是它结构简单并且价格相对低廉，耗能也比TFT-LCD少，而视角小也可以通过防止窥视屏幕内容达到保密作用，结构简单也减小整机体积和重量。。
　　由于DSTN显示屏上的像素信息是由屏幕左右两侧的一整行晶体管控制下的像素来显示，而且每个像素点不能自身发光，是无源像点。所以反应速度不快，屏幕刷新后更可能留下幻影，其对比度和亮度也比较低，看到的图像要比CRT显示器里的暗得多。
　　而HPA则被称为高性能定址或快速DSTN 。它是DSTN的改良型，能提供比DSTN更快的反应时间、更高的对比度和更大的视角。再加上它具有与DSTN相近的成本。
４、薄膜晶体管型（TFT－Thin Film Transistor）显示原理
TFT型的液晶显示器较为复杂，主要是由：萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等构成。首先，液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶。这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶的光线角度，然后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，这样就能在液晶面板上变化出有不同色调的颜色组合了。
　　TFT-LCD的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制的，它们是有源像素点。因此，不但反应时间可以极大地加快，起码可以到80ms左右；对比度和亮度也大大提高了；同时分辨率也得到了空前的提升。因为它具有更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，所以我们称之为“真彩”。
　　与DSTN相比，TFT的主要特点是在每个像素配置一个半导体开关器件，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可通过点脉冲直接控制，使得每个节点相对独立，并可以连续控制。这样不仅提高了反应时间，同时在灰度控制上也可以做到非常精确，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。TFT-LCD是目前最好的LCD彩色显示设备之一，TFT-LCD具有屏幕反应速度快、对比度和亮度都较高、屏幕可视角度大、色彩丰富、分辨率高等等特点，克服了两者的原有的许多缺点，在有源矩阵LCD中，除了TFT-LCD外，还有一种黑矩阵LCD。它是当前的高品质显示技术产品。它的原理是将有源矩阵技术与特殊镀膜技术相结合，既可以充分利用LCD的有源显示特点，又可以利用特殊镀膜技术，在减少背景光泄漏、增加屏幕黑度、提高对比度的作用，并可以同时减小在日常明亮工作环境下的眩光现象。

LCD部分专业术语解释
LCD     Liquid Crystal Display    液晶显示   
LCM     Liquid Crystal Module     液晶模块   
TN      Twisted Nematic           扭曲向列。液晶分子的扭曲取向偏转90°   
STN     Super Twisted Nematic     超级扭曲向列。约180~270°扭曲向列   
FSTN    Formulated Super Twisted Nematic    格式化超级扭曲向列。一层光程补偿片加于STN，用于单色显示   
TFT    Thin Film Transistor       薄膜晶体管   
Backlight                         背光源  
Inverter                          逆变器   
OSD     On Screen Display         在屏上显示   
DVI     Digital Visual Interface （VGA）数字接口   
TMDS    Transition Minimized Differential Signaling      
LVDS    Low Voltage Differential Signaling    低压差分信号   
IC     Integrate Circuit          集成电路   
TCP    Tape Carrier Package       柔性线路板   
COB    Chip On Board   通过邦定将IC裸片固定于印刷线路板上   
COF    Chip On FPC  将IC固定于柔性线路板 上   
COG    Chip On Glass  将芯片固定于玻璃上  
Duty     —     占空比，高出点亮的阀值电压的部分在一个周期中所占的比率   
LED     Light Emitting Diode  发光二极管   
EL     Electro Luminescence  电致发光。EL层由高分子量薄片构成  
CCFL(CCFT)    Cold Cathode Fluorescent Light/Tube    冷阴极荧光灯   
PDP  Plasma Display Panel    等离子显示屏   
CRT    Cathode Radial Tube    阴极射线管
VGA    Video Graphic Array    视频图形阵列
PCB    Printed Circuit Board    印刷电路板  
Composite video   —  复合视频  
S-video   —  S端子，与复合视频信号比，将对比和颜色分离传输
NTSC    National Television Systems Committee  NTSC制式,全国电视系统委员会制式  
PAL     Phase Alternating Line  PAL制式(逐行倒相制式)   
SECAM    SEquential Couleur Avec Memoire  SECAM制式(顺序与存储彩色电视系统)   
VOD     Video On Demand 视频点播
DPI    Dot Per Inch    点每英寸

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mkevin

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haibing1270

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