液晶显示原理.ppt

液 晶 彩 电 原 理第一节 液晶显示屏结构液晶彩电是以液晶屏为显示器件的电视机， 大家从生活当中看到的各类液晶显示屏 有： • 电子手表显示屏计算器显示屏掌上游戏机显示屏 • 上的显示屏 • MP3的显示屏 • MP4的显示屏 • 笔记电脑上的显示器 • 台式电脑上的显示器 • 液晶电视的显示屏 • • 电脑、液晶电视上用的都是薄膜晶体管 液晶显示器 • 其英文名称：Thin-film transistor liquid crystal display • 简称：TFT LCD• TFT LCD从它的英文名称中我们 可以知道, 这一种显示器它的构成主要 有两个特征, 一个是薄膜晶体管, 另一 个就是液晶本身 • 我们先谈谈与液晶显示有关的偏 振光的概念。

一.自然光与偏振光• 电磁波是横波，由两个相互垂直的振 动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征 • 光也是一种电磁波，大量试验表明： 在光波中产生感光作用和生理作用的是电 场强度E，所以规定E为光矢量，我们把E 的振动称为光振动，光矢量E的方向就是 光振动的方向光是一种横波• 太阳、电灯等普通光源发出的光，包含着在 垂直于传播方向上沿一切方向振动的光，而且沿 着各个方向振动的光波的强度都相同，这种光叫 做自然光（如图）• ◆起偏器和检偏器 • • 把自然光转化为线偏振光的过程叫 做起偏，用于这种转化的光学器件称为 起偏器 • • 自然光通过偏振片P（叫做起偏器）之后，只 有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能 通过．也就是说，通过偏振片P的光波，在垂直于 传播方向的平面上，只沿着一个特定的方向振动 ．这种光叫做偏振光起偏器 检偏器• 图甲所示，让太阳光或灯光通过偏振片P，在 P的另一侧进行观察，可以看到偏振片是透明的 ．以光的传播方向为轴旋转偏振片P，透射光的 强度不变。

• • 偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q，观察 通过两块偏振片的透射光．当Q与P的透振方向平 行时，透射光的强度最大，但是，比通过一块偏 振片时要弱（图乙） • • 当Q与P的透振方向垂直时，透射光的强度最 弱，几乎为零（图丙）二、液晶屏的结构• 把两片偏光板迭在一起, 当旋转两片偏光板的 相对角度, 会发现随着相对角度的不同, 光线 的亮度会越来越暗；当两片偏光板的栅栏角 度互相垂直时, 光线就完全无法通过了(请见 图8) 1、偏光板(polarizer) • • 液晶显示器就是利用偏光板这个特性来完成 的 利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之 间, 充满液晶, 再利用电场控制液晶分子转动, 来改变光的行进方向, 如此一来, 不同的电场大 小, 就会形成不同灰阶亮度了(请见图9、10) • 图10中, 当上下两块玻璃之间没有施加电压 时, 液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定• • 对于TN型的液晶来说, 上下的配向膜的角度差恰 为90度(见图9)， 所以液晶分子的排列由上而下会自 动旋转90度。

• 当入射的光线经过上面的偏光板（起偏器）时, 会剩下单方向极化的光波，通过液晶分子时, 由于液 晶分子总共旋转了90度, 所以当光波到达下层偏光板 时, 光波的极化方向恰好转了90度下层的偏光板与 上层偏光板, 角度也是恰好差异90度 所以光线便 可以顺利的通过 • v当上下偏光片相互垂直时，若未施加电压，光线可通过 • 如果我们在上下两块玻璃之间施加电压 , 由于TN型液晶的介电系数异方性多为正型 (ε// >ε⊥ ），因此当液晶分子受电场 影响时, 其排列方向会倾向平行于电场方向 ； • 所以我们从图10中便可以看到, 液晶分 子的排列都变成站立着的，此时通过上层偏 光板的单方向的极化光波, 经过液晶分子时 便不会改变极化方向, 因此就无法通过下层 偏光板v当施加电压时，光线被完全阻挡2、Normally white及 normally black 结构 • 所谓的NW(Normally white),是指当我们对液晶面板不施 加电压时, 我们所看到的面板是亮的画面, 所以才叫做 normally white• 另外一种, 当对液晶面板不施加电压时, 面板无法透光, 看起 来是黑色的, 就称之为NB(Normally black)。

• 刚才的图9及图10都是属于NW的配置 • 从图11可以知道，TN型LCD上下玻璃的配向膜都是互相垂 直的，而NB与NW的差别就在于偏光板的相对位置不同而已 • 对NB来说, 其上下偏光板的极性是互相平行的，所以当NB 不施加电压时, 光线会因为液晶将之旋转90度的极性而无法透 光 • 为什么会有NW与NB这两种不同的偏光板配置 呢? • 主要是为了不同的应用环境 一般桌上型计 算机或是笔记型计算机，大多为NW的配置，那 是因为一般计算机软件的使用环境，你会发现整 个屏幕大多是亮点, 也就是说计算机软件多为白底 黑字的应用 既然亮着的点占大多数, 使用NW当 然比较方便，也因为NW的亮点不需要加电压, 平 均起来也会比较省电 • 反过来，NB的应用环境大多是属于显示屏为 黑底的应用了V＝3VV＝5V3、上下两层玻璃与配向膜 (alignment film) 上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的 下面的那层玻璃上有薄膜晶体管（ Thin film transistor, TFT)； 上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片 (Color filter)。

• • • 两片玻璃在接触液晶 的那一面, 有锯齿状的沟 槽 沟槽的主要目的是希 望长棒状的液晶分子, 会 沿着沟槽排列，这样液晶分 子的排列才会整齐如果是 光滑的平面, 液晶分子的 排列便会不整齐, 造成光 线的散射, 形成漏光的现 象• ◇当液晶被包含在两个槽状表面中间，且 槽的方向互相垂直，则液晶分子的排列为 ： • 上表面分子：沿着a方向 • 下表面分子：沿着b方向 • ◇介于上下表面中间的分子：产生旋转的 效应因此液晶分子在两槽状表面间产生 90度的旋转• 在实际的制造过程中，无法将玻璃作成有 如此的槽状的分布, 一般是在玻璃的表面 上涂布一层PI(polyimide), 然后再用布 去做磨擦，好让PI的表面分子依照固定而 均一的方向排列， 而这一层PI（聚酰亚 胺）就叫做配向膜， 它的功用就像图9中 玻璃的凹槽一样, 让液晶依照预定的顺序 排列 • TFT LCD的中文名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器• 液晶显示器需要电压控制来产生灰阶薄膜晶体管只是一 个开关，它主要是决定LCD source driver上来的电压是不是 要充到这个像素点来，以及这个点要充到多高的电压, 以控制 该点液晶转向，以便显示出怎样的灰阶。

• 从图14的切面结构图来看, 在两层玻璃间, 夹着液晶, 两层 玻璃间形成平行板电容器, 它的大小约为0.1pF，这个电容太 小，当通过TFT对这个电容充好电后，它并无法将电压保持住 ，以等待下一个画面的更新, (以一般60Hz的画面更新频率, 需要保持约16ms的时间)， 这样一来, 所显示的灰阶就会不正 确 • 因此一般在液晶板上会再加一个储存电容CS（ 大约为 0.5pF), 以便让充好的电压能保持到下一个画面的更新4、 TFT LCDv因TFT组件的动作类似一个开关(Switch)，液晶组件的作用 类似一个电容，藉Switch的ON/OFF对电容储存的电压值进行更 新/保持vSW ON时信号写入(加入、记录)在液晶电容上，在以外时间 SW OFF，可防止信号从液晶电容泄漏v在必要时可将保持电容与液晶电容并联，以改善其保持特性 TFT 阵列等效电路5、彩色滤光片 (color filter, CF) • 如果你拿着放大镜, 靠近液晶显示器的话， 你会发现如图15中所显示的样子 6 6、、TFT-LCDTFT-LCD的基本结构的基本结构液晶面板上的每个像素都被再次分成红、绿 、蓝三种颜色，我们把每个这样的单元称做液 晶像素的子像素。

• 红色、蓝色以及绿色是所谓的三原色， 利用这三 种颜色 便可以混合出各种不同的颜色， 很多平面显 示器就是利用这个原理来显示出色彩• 我们把RGB三种颜色, 分成独立的三个点, 各自 拥有不同的灰阶变化, 然后把邻近的三个RGB显示的点 , 当作一个显示的基本单位, 也就是像素，那这一个 像素就可以拥有不同的色彩变化了 • • 对于一个需要分辨率为1024*768的显示画面, 我们只 要让这个平面显示器的组成有1024*768个像素, 便可 以正确的显示这一个画面• • 在图15中,每一个RGB的点之间的黑色 部分, 就叫做Black matrix（黑色矩阵 ），它主要是用来遮住不打算透光的部分 （比如一些ITO的走线, 或是Cr/Al的走线 , 或者是TFT的部分 • 每一个RGB的亮点看起来, 并不是矩 形），在其左上角也有一块被 black matrix遮住的部分, 这就是TFT的 所在位置 • 图16是常见的彩色滤光片的排列方式. 条状排列最常使用于笔记本电脑，或是台式计算机 其原因是现在的软件，多半都是窗口化的， 我们所 看到的屏幕内容，就是一大堆大小不等的方框所组成的 ，条状排列,恰好可以使这些方框边缘, 看起来更直， 而 不会看起来有毛边或是锯齿状的感觉。

• AV产品上, 因为电视信号多半是人物, 其轮廓 大部分是不规则的曲线， 因此AV产品都是 使用马赛克排列，现在已改进到使用三角形 排列 • 除了上述的排列方式之外, 还有正方形 排列 它并不是以三个点来当作一个pixel, 而是以四个点来当作一个pixel7、背光板(back light, BL) • CRT是利用电子枪发射出高速的电子, 打击屏幕上的荧光粉, 以产生亮光, 来显示 出画面 • • 而液晶显示器本身, 靠控制光线通过的多少 来显示亮度, 本身并无发光的功能 因此,液晶 显示器就必须加上一个背光组件, 来提供一个亮 度高，亮度分布均匀的光源 背光模块种类背光模块种类组成背光板的主要零件灯管(冷阴极荧光灯管CCFL)---发光零件 反射板---使光线只往TFT LCD的方向前进 导光板--- 将光线分布到各处 prism sheet（棱镜片）---增加正面发光强度 扩散板---将光线均匀的分布到各个区域去, 缓解辉 斑，提供给TFT LCD一个明亮的光源 而TFT LCD则藉由电压控制液晶的转 动, 控制通过光线的亮度, 藉以形成不 同的灰阶。

8、框胶(Sealant)• 框胶的用途,就是要让液晶面板中的上 下两层玻璃, 能够紧密黏住, 并且提供面板 中的液晶分子与外界的阻隔所以框胶正 如其名,是围绕于面板四周, 将液晶分子框限 于面板之内9、衬垫（spacer ）。