LCD的分類和顯示原理1

/LCD的分類和顯示原理常見的液晶顯示器按物理結(jié)構(gòu)分為四種：（1）扭曲向列型（TN－TwistedNematic）；（2）超扭曲向列型（STN－SuperTN）；（3）雙層超扭曲向列型（DSTN－DualScanTortuosityNomograph）；（4）薄膜晶體管型（TFT－ThinFilmTransistor）。其中TN－LCD、STN－LCD和DSYN－LCD的基本顯示原理都相同，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為180度甚至270度。而TFT－LCD則采用與TN系列LCD截然不同的顯示方式。其具體工作原理見下：1、TN型采用的是液晶顯示器中最基本的顯示技術(shù)，而之后其它種類的液晶顯示器也是以TN型為基礎(chǔ)來進(jìn)行改良。而且，它的運作原理也較其它技術(shù)來的簡單。請讀者參照下方的圖片。圖中所表示的是TN型液晶顯示器的簡易構(gòu)造圖，包括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細(xì)紋溝槽的配向膜，液晶材料以與導(dǎo)電的玻璃基板。在不加電場的情況下，入射光經(jīng)過偏光板后通過液晶層，偏光被分子扭轉(zhuǎn)排列的液晶層旋轉(zhuǎn)90度。在離開液晶層時，其偏光方向恰與另一偏光板的方向一致，所以光線能順利通過，使整個電極面呈光亮。當(dāng)加入電場的情況時，每個液晶分子的光軸轉(zhuǎn)向與電場方向一致。液晶層也因此失去了旋光的能力，結(jié)果來自入射偏光片的偏光，其方向與另一偏光片的偏光方向成垂直的關(guān)系，并無法通過，這樣電極面就呈現(xiàn)黑暗的狀態(tài)。TN型的顯像原理是將液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光板的透明導(dǎo)電玻璃間，液晶分子會依附向膜的細(xì)溝槽方向，按序旋轉(zhuǎn)排列。如果電場未形成，光線就會順利的從偏光板射入，液晶分子將其行進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)，然后從另一邊射出。如果在兩片導(dǎo)電玻璃通電之后，玻璃間就會造成電場，進(jìn)而影響其間液晶分子的排列，使分子棒進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，光線便無法穿透，進(jìn)而遮住光源。這樣得到光暗對比的現(xiàn)象，就叫做扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)，簡稱TNFE（twistednematicfieldeffect）。電子領(lǐng)域中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)原理制成的。2、STN型的顯示原理與TN相類似。不同的是，TN扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。必須在這里指出的是，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形（或稱黑白），并沒有辦法做到色彩的變化。而STN液晶顯示器由于液晶材料的關(guān)系，以與光線的干涉現(xiàn)象，因此顯示的色調(diào)都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統(tǒng)單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片（colorfilter），并將單色顯示矩陣之任一像素（pixel）分成三個子像素（sub-pixel），分別通過彩色濾光片顯示紅、黃、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，也可以顯示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶顯示器顯示屏幕做的越大，其屏幕對比度就會顯得較差，不過藉由STN的改良技術(shù)，亦可以在一定程度上彌補對比度不足的情況。3、DSTN是通過雙掃描方式來掃描扭曲向列型液晶顯示屏，從而達(dá)到完成顯示目的。DSTN是由超扭曲向列型顯示器（STN）發(fā)展而來的。由于DSTN采用雙掃描技術(shù)，因此顯示效果相對STN來說，有大幅度提高。筆記本電腦剛出現(xiàn)時主要是使用STN，其后是DSTN。STN和DSTN的反應(yīng)時間都較慢，一般約為300ms左右。從液晶顯示原理來看，STN的原理是通過電場改變原為180度以上扭曲的液晶分子的排列，達(dá)到改變旋光狀態(tài)的目的。外加電場則通過逐行掃描的方式改變電場，因此在電場反復(fù)改變電壓的過程中，每一點的恢復(fù)過程都較慢，這樣就會產(chǎn)生余輝現(xiàn)象。用戶能感覺到拖尾（余輝）現(xiàn)象，也就是一般俗稱的“偽彩”。由于DSTN顯示屏上每個像素點的亮度和對比度都不能獨立控制，造成其顯示效果欠佳。由這種液晶體所構(gòu)成的液晶顯示器對比度和亮度都比較差、屏幕觀察范圍也較小、色彩不夠豐富，特別是反應(yīng)速度慢，不適于高速全動圖像、視頻播放等應(yīng)用。一般只用于文字、表格和靜態(tài)圖像處理，但是它結(jié)構(gòu)簡單并且價格相對低廉，耗能也比TFT-LCD少，而視角小也可以通過防止窺視屏幕內(nèi)容達(dá)到保密作用，結(jié)構(gòu)簡單也減小整機體積和重量。因此，在少數(shù)筆記本電腦中仍采用它作為顯示設(shè)備。目前，DSTN液晶顯示屏仍然占有一定的市場份額。DSTN-LCD也不是真正的彩色顯示器，它只能顯示一定的顏色深度。與CRT的顏色顯示特性相距較遠(yuǎn)，因而又稱為“偽彩顯”。DSTN的工作特點是這樣的：掃描屏幕被分為上下兩部分，CPU同時并行對這兩部分進(jìn)行刷新（雙掃描），這樣的刷新頻率雖然要比單掃描（STN）重繪整個屏幕快一倍，提高了占空率，改善了顯示效果。而且當(dāng)DSTN分上下兩屏同時掃描時，上下兩部分就會出現(xiàn)刷新不同步的問題。所以當(dāng)內(nèi)部電子元件的性能不佳時，顯示屏中央可能會出現(xiàn)一條模糊的水平亮線。不過，現(xiàn)在采用DSTN-LCD的電腦因CPU和RAM速率高且性能穩(wěn)定，這種不同步現(xiàn)象已經(jīng)很少碰見到了。另外，由于DSTN顯示屏上的像素信息是由屏幕左右兩側(cè)的一整行晶體管控制下的像素來顯示，而且每個像素點不能自身發(fā)光，是無源像點。所以反應(yīng)速度不快，屏幕刷新后更可能留下幻影，其對比度和亮度也比較低，看到的圖像要比CRT顯示器里的暗得多。而HPA則被稱為高性能定址或快速DSTN。它是DSTN的改良型，能提供比DSTN更快的反應(yīng)時間、更高的對比度和更大的視角。再加上它具有與DSTN相近的成本，因此在低端筆記本電腦市場具有一定的優(yōu)勢。液晶屏幕的驅(qū)動方式單純矩陣驅(qū)動方式是由垂直與水平方向的電極所構(gòu)成。選擇要驅(qū)動的部份，是由水平方向的電壓來控制。而垂直方向的電極則負(fù)責(zé)驅(qū)動液晶分子。TN與STN型液晶顯示器所使用的是單純驅(qū)動電極方式，都是采用X、Y軸的交叉方式來驅(qū)動，如下圖所示。因此如果顯示部份越做越大的話，那么中心部份的電極反應(yīng)時間可能就會比較長。而為了讓屏幕顯示一致，整體顯示速度就會變慢。講的簡單一點，就好象是當(dāng)CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快時，使用者就會感到屏幕閃爍、跳動；或著是當(dāng)需要快速顯示3D動畫時，顯示器的顯示速度卻無法跟上，顯示出來的要果可能就會有延遲的現(xiàn)象。所以，早期的液晶顯示器在尺寸上有一定的限制，而且并不適合用來看電影、玩3D游戲。主動式矩陣的驅(qū)動方式是讓每個畫素都對應(yīng)一個組電極，它的構(gòu)造有點像DRAM的回路方式，電壓通過掃描（或稱作一定時間充電）方式，來表示每個畫素的狀態(tài)。為了改善此前出現(xiàn)的問題，后來液晶顯示技術(shù)大多采用主動式矩陣（active-matrixaddressing）的方式來驅(qū)動。這也是目前達(dá)到高資料密度液晶顯示效果的理想裝置，而且分辨率極高。方法是利用薄膜技術(shù)所做成的硅晶體管電極，通過掃描法來選擇任意一個顯示點（pixel）的開與關(guān)。這其實就是利用容易控制薄膜式晶體管的非線性功能，來取代不易控制的液晶非線性功能。在TFT型液晶顯器導(dǎo)電玻璃上細(xì)小的網(wǎng)狀線路中，，電極是由薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開關(guān)，在每個線路相交的地方都有著相應(yīng)的控制匣。雖然驅(qū)動訊號快速地在各顯示點掃瞄而過，但只有電極上晶體管矩陣中被選擇的顯示點，才能得到足以驅(qū)動液晶分子的電壓。這樣就使得液晶分子軸轉(zhuǎn)向，并形成「亮」的對比，而不被選擇的顯示點自然就是「暗」的對比。這也避免了顯示功能對液晶電場效應(yīng)能力的依靠。4、TFT型液晶顯示器的運作原理TFT型的液晶顯示器較為復(fù)雜，主要是由：螢光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等構(gòu)成。首先，液晶顯示器必須先利用背光源，也就是螢光燈管投射出光源，這些光源會先經(jīng)過一個偏光板然后再經(jīng)過液晶。這時液晶分子的排列方式就會改變穿透液晶的光線角度，然后這些光線還必須經(jīng)過前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強度與色彩，這樣就能在液晶面板上變化出有不同色調(diào)的顏色組合了。TFT-LCD的每個像素點都是由集成在自身上的TFT來控制的，它們是有源像素點。因此，不但反應(yīng)時間可以極大地加快，起碼可以到80ms左右；對比度和亮度也大大提高了；同時分辨率也得到了空前的提升。因為它具有更高的對比度和更豐富的色彩，熒屏更新頻率也更快，所以我們稱之為“真彩”。目前市面上的LCD液晶顯示器主要有兩類：DSTN（dual-scantwistednematic，雙掃描交錯液晶顯示）和TFT（thinfilmtransistor，薄膜晶體管顯示），也就是被動矩陣（無源矩陣）和主動矩陣（有源矩陣）兩種。與DSTN相比，TFT的主要特點是在每個像素配置一個半導(dǎo)體開關(guān)器件，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。由于每個像素都可通過點脈沖直接控制，使得每個節(jié)點相對獨立，并可以連續(xù)控制。這樣不僅提高了反應(yīng)時間，同時在灰度控制上也可以做到非常精確，這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。TFT-LCD是目前最好的LCD彩色顯示設(shè)備之一，TFT-LCD具有屏幕反應(yīng)速度快、對比度和亮度都較高、屏幕可視角度大、色彩豐富、分辨率高等等特點，克服了兩者的原有的許多缺點，是目前桌面型LCD顯示器和筆記本電腦LCD顯示屏的主流顯示設(shè)備。在色彩