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液晶显示器

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Power Mac G4 Cube的液晶显示器

液晶显示器英语:liquid-crystal display缩写LCD)为平面薄型的显示设备,由一定数量的彩色或黑白画素组成,放置于源或者反面前方。液晶显示器功耗低,因此备受工程师青睐,适用于使用电池的电子设备。

构造[编辑]

液晶显示器构造图

液晶显示器的每个画素由以下几个部分构成:悬浮于两个透明电极(氧化铟锡)间的一列液晶分子层,两边外侧有两个偏振方向互相垂直的偏振过滤片。如果没有电极间的液晶,光通过其中一个偏振过滤片其偏振方向将和第二个偏振片完全垂直,因此被完全阻挡了。但是如果通过一个偏振过滤片的光线偏振方向被液晶旋转,那么它就可以通过另一个偏振过滤片。液晶对光线偏振方向的旋转可以通过静电场控制,从而实现对光的控制。

液晶分子极易受外加电场的影响而产生感应电荷。将少量的电荷加到每个画素或者子画素的透明电极产生静电场,则液晶的分子将被此静电场诱发感应电荷并产生静电扭力,而使液晶分子原本的旋转排列产生变化,因此也改变通过光线的旋转幅度。改变一定的角度,从而能够通过偏振过滤片。

在将电荷加到透明电极之前,液晶分子的排列被电极表面的排列决定,电极的化学物质表面可作为晶体的晶种。在最常见的TN液晶中,液晶上下两个电极垂直排列。液晶分子螺旋排列,通过一个偏振过滤片的光线在通过液晶片后偏振方向发生旋转,从而能够通过另一个偏振片。在此过程中一小部分光线被偏振片阻挡,从外面看上去是灰色。将电荷加到透明电极上后,液晶分子将几乎完全顺着电场方向平行排列,因此透过一个偏振过滤片的光线偏振方向没有旋转,因此光线被完全阻挡了。此时画素看上去是黑色。通过控制电压,可以控制液晶分子排列的扭曲程度,从而达到不同的灰度。

有些液晶显示器在交流电作用下变黑,交流电破坏了液晶的螺旋效应,而关闭电流后,液晶显示器会变亮或者透明,这类液晶显示器常见于笔记型电脑与平价液晶显示器上。另一类常应用于高画质液晶显示器或大型液晶电视上的液晶显示器则是在关闭电源时,液晶显示器为不透光的状态。

为了省电,液晶显示器采用复用的方法,在复用模式下,一端的电极分组连接在一起,每一组电极连接到一个电源,另一端的电极也分组连接,每一组连接到电源另一端,分组设计保证每个画素由一个独立的电源控制,电子设备或者驱动电子设备的软件通过控制电源的开/关序列,从而控制画素的显示。

检验液晶显示器的指标包括以下几个重要方面:显示大小、反应时间(同步速率)、阵列类型(主动和被动)、视角、所支持的颜色、亮度和对比度、分辨率和屏幕高宽比、以及输入接口(例如视觉接口视频显示阵列)。

简史[编辑]

1888年,奥地利化学家弗里德里希·莱尼泽发现了液晶及其特殊的物理特性。

第一台可操作的液晶显示器基于动态散射模式(Dynamic Scattering Mode,DSM),美国无线电公司乔治·海尔曼带领的小组开发这种液晶显示器。海尔曼创建奥普泰公司,这个公司开发出一系列基于这种技术的的液晶显示器。

1970年12月,液晶的旋转向列场效应瑞士被仙特和赫尔弗里希于霍夫曼-勒罗克中央实验室注册为专利。但于前一年的1969年,詹姆士·福格森美国俄亥俄州肯特州立大学便已发现了液晶的旋转向列场效应,于1971年2月在美国注册了相同的专利。1971年,ILIXCO生产第一台基于这种特性的液晶显示器,很快取代了性能较差的DSM型液晶显示器。在1985年之后,这一发现才产生了商业价值。1973年,日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数位显示。在2010年代,液晶显示器已经成为所有电脑的主要显示设备。

显示原理[编辑]

JR东日本山手线运行信息画面

在不加电压下,光线会沿著液晶分子的间隙前进而转折90度,所以光可通过。但加入电压后,光顺著液晶分子的间隙直线前进,因此光被滤光板所阻隔。

液晶是具有流动特性的物质,所以只需外加很微小的力量即可使液晶分子运动,以最常见普遍的向列型液晶为例,液晶分子可轻易的藉著电场作用使得液晶分子转向,由于液晶的光轴与其分子轴相当一致,故可借此产生光学效果,而当加于液晶的电场移除消失时,液晶将藉著其本身的弹性及黏性,液晶分子将十分迅速的回复原来未加电场前的状态。

透射和反射显示[编辑]

液晶显示器可透射显示,也可反射显示,决定于它的光源放哪里。

透射型液晶显示器由一个屏幕背后的光源照亮,而观看则在屏幕另一边(前面)。这种类型的LCD多用在需高亮度显示的应用中,例如电脑显示器PDA手机中。用于照亮液晶显示器的照明设备的功耗往往高于液晶显示器本身。

反射型液晶显示器,常见于电子钟表和计算器中,(有时候)由后面的散射的反射面将外部的光反射回来照亮屏幕。这种类型的液晶显示器具有较高的对比度,因为光线要经过液晶两次,所以被削减了两次。不使用照明设备明显降低了功耗,因此使用电池的设备电池使用更久。因为小型的反射型液晶显示器功耗非常低,以至于光电池就足以给它供电,因此常用于袖珍型计算器。

半穿透反射式液晶显示器既可以当作透射型使用,也可当作反射型使用。当外部光线很足的时候,该液晶显示器按照反射型工作,而当外部光线不足的时候,它又能当作透射型使用。

彩色显示[编辑]

彩色液晶显示器的一个亚像素结构
液晶显示器上的像素放大图

液晶显示器技术也是根据电压的大小来改变亮度,每个液晶显示器的子图元显示的颜色取决于色彩筛检程式。由于液晶本身没有颜色,所以用滤色片产生各种颜色,而不是子图元,子图元只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶,只有少数主动矩阵显示采用类比信号控制,大多数则采用数位信号控制技术。大部分数位控制的液晶显示器都采用了八位控制器,可以产生256级灰阶。每个子图元能够表现256级,那么你就能够得到2563种色彩,每个图元能够表现16,777,216种成色。因为人的眼睛对亮度的感觉并不是线性变化的,人眼对低亮度的变化更加敏感,所以这种24位的色度并不能完全达到理想要求,工程师们利用脉冲电压调节的方法以使色彩变化看起来更加统一。

彩色液晶显示器中,每个画素分成三个单元,或称子画素,附加的滤光片分别标记红色、绿色和蓝色。三个子画素可独立进行控制,对应的画素便产生了成千上万甚至上百万种颜色。老式的CRT采用同样的方法显示颜色。根据需要,颜色组件按照不同的画素几何原理进行排列。

主动阵列和被动阵列[编辑]

常见于电子及口袋型计算机的以少量片段构成之液晶显示器,其各片段均具有单一电极接点。一个外部专用电路提供电荷到每一个控制单元,这种显示结构在有较多显示单位(如液体显示屏)时会显得笨重。小型单色显示器,例如PDA上的或旧型笔记型电脑萤幕的被动阵列液晶显示器,即应用超扭转向列(STN)或双层超扭转向列(DSTN)技术(DSTN修正STN的色彩偏差问题)。

显示器上的每一行或列都有一个独立的电路,每一个像素的位置也要一个行和列同时指定,这类显示方式称为“被动阵列”,因为每一个像素也要在更新前记著各自的状态,此时每像素也是没有稳定的电荷供应。当像数增加时,相对的行和列数目也会增加,这种显示方式变得更难使用,以被动阵列所制造的液晶显示器特性为非常慢的反应时间及低对比度

现行高解析度彩色显示器,例如电脑萤幕或电视,皆为主动阵列。薄膜电晶体液晶显示器会被添加到偏光板与色彩滤镜上。每个画素都有自己的电晶体,允许操控单一画素。当一条列线路被开启时,所有行线路会连接到一整列(Row)的画素,而每条行线会有正确的电压驱动,这条列线路会关掉而另一列(Row)被开启。在一次完整的画面更新运作中,所有列线路会依照时间序列被开启。同等大小的主动阵列显示器比起被动阵列显示器会显得更亮更锐利,而且有短的反应时间。

品质控制[编辑]

有些液晶萤幕面板中含有缺陷的电晶体而造成永久性的亮点与暗点。跟IC不同的是液晶面板即使有坏点依旧可以正常显示,这也可以避免只因出现少数坏点而将比IC面积还要大很多的液晶面板丢弃形成浪费。面板制造商有不同的坏点判定标准。

因为尺寸较大,液晶显示器面板比IC电路板更容易有缺陷。譬如12吋的SVGA LCD有8个坏点,而六吋晶圆只有3个缺陷。但是,一片可分割为137颗IC的晶圆上出现3颗废品并不是很糟糕,而抛弃这块液晶面板的话就意味著0%的产出。由于制造商之间的激烈竞争,现时品质控制的标准已经提高。如果液晶萤幕拥有四个或以上的坏点是比较容易察觉到的,因此顾客可以要求更换新的一台。液晶萤幕的坏点位置同样是不可忽略的。生产商常会因毁损像素在萤幕中央区域而降低标准。有些生产商则提供零坏点保证。

耗电量[编辑]

主动矩阵式液晶显示器的电功率比CRT小。事实上,它已经成为可携式设备的标准显示器,从PDA到笔记型电脑均广泛运用。但是液晶显示器技术的效率还是太低:即使你将萤幕显示白色,从背景光源中发射的光也只有不到10%穿过萤幕发出,其他的都被吸收。所以目前新型的电浆显示器的耗电量已经比同面积的液晶显示器低。

PDA,如PalmCompaqiPAQ常使用反射显示器。这意味著环境光射进显示器中,穿过极化的液晶层,碰撞反射层,再反射出来显示成图像。据估计,在此过程中84%的光被吸收,所以只有六分之一的光起作用,虽然还有待改进,但已足以提供可视影像需要的对比度。单向反射和反射显示器使得不同光照条件下耗费最少能源使用液晶显示器成为可能。

零功率显示器[编辑]

扭转向列型(TN)液晶显示面板的结构
1.垂直方向的偏振片极化入射光;
2.玻璃基版上带有氧化铟锡(ITO)的透明电极。透明电极的形状,将决定开启液晶显示器电源后,光线不通过而显示暗色的位址。垂直的条纹被蚀刻在基版上,这样子液晶的排列方向,就会与偏振后的入射光同向;
3.扭转向列型(TN)液晶;
4.带有共同透明电极薄膜(ITO)的玻璃基版,水平的条纹被蚀刻在基版上,使液晶的排列方向成为水平;
5.水平偏向的偏振片,可以阻挡或使光线通过;
6.反射面将光线反射回观察者。

在2000年开发出零功率显示器,可以在待机时不需要使用电力,但是这个技术目前无法量产。法国的Nemoptic公司开发出另一个零功率薄型液晶显示技术,而该技术在2003年7月在台湾量产。此技术针对像是电子书可携式电脑这类的低耗能的行动装置。零功率液晶显示器也跟电子纸竞争。

TFT-LCD[编辑]

TFT-LCD即是Thin film transistor liquid crystal display的缩写(薄膜电晶体液晶显示器)。

相关项目[编辑]

外部链接[编辑]