TFTLCD液晶显示器的工作原理.docx
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TFTLCD液晶显示器的工作原理
TFTLCD液晶显示器的工作原理
Operatingprinciple
三偏光板(polarizer)
我记得在高中时的物理课,当教到跟光有关的物理特性时,做了好多的物理实验,目的是为了要证明光也是一种波动。
而光波的行进方向,是与电场及磁场互相垂直的。
同时刻波本身的电场与磁场重量,彼此也是互相垂直的。
也确实是说行进方向与电场及磁场重量,彼此是两两互相平行的.(请见图7)而偏光板的作用就像是栅栏一样,会阻隔掉与栅栏垂直的重量,只准许与栅栏平行的重量通过。
因此假如我们拿起一片偏光板对着光源看,会感受像是戴了太阳眼镜一样,光线变得较暗。
然而假如把两片偏光板迭在一起,那就不一样了。
当您旋转两片的偏光板的相对角度,会发觉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)而液晶显示器确实是利用那个特性来完成的。
利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间,充满液晶,再利用电场操纵液晶转动,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)
四上下两层玻璃与配向膜(alignmentfilm)
这上下两层玻璃要紧是来夹住液晶用的。
在下面的那层玻璃长有薄膜晶体管(Thinfilmtransistor,TFT),而上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片(Colorfilter)。
假如您注意到的话(请见图3),这两片玻璃在接触液晶的那一面,并不是光滑的,而是有锯齿状的沟槽。
那个沟槽的要紧目的是期望长棒状的液晶分子,会沿着沟槽排列。
如此一来,液晶分子的排列才会整齐。
因为假如是光滑的平面,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。
事实上这只是理论的说明,告诉我们需要把玻璃与液晶的接触面,做好处理,以便让液晶的排列有一定的顺序。
但在实际的制造过程中,并无法将玻璃作成有如此的槽状的分布,一样会在玻璃的表面上涂布一层PI(polyimide),然后再用布去做磨擦(rubbing)的动作,好让PI的表面分子不再是杂散分布,会依照固定而均一的方向排列。
而这一层PI就叫做配向膜,它的功用就像图3中玻璃的凹槽一样,提供液晶分子呈平均排列的接口条件,让液晶依照预定的顺序排列。
五TN(TwistedNematic)LCD
从图10中我们能够明白,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。
关于TN型的液晶来说,上下的配向膜的角度差恰为90度.(请见图9)因此液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度,当入射的光线通过上面的偏光板时,会只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,因此当光波到达下层偏光板时,光波的极化方向恰好转了90度。
而下层的偏光板与上层偏光板,角度也是恰好差异90度.(请见图9)因此光线便能够顺利的通过,然而假如我们对上下两块玻璃之间施加电压时,由于TN型液晶多为介电系数异方性为正型的液晶(ε//>ε⊥,代表着平行方向的介电系数比垂直方向的介电系数大,因此当液晶分子受电场阻碍时,其排列方向会倾向平行于电场方向.),因此我们从图10中便能够看到,液晶分子的排列都变成站立着的。
现在通过上层偏光板的单方向的极化光波,通过液晶分子时便可不能改变极化方向,因此就无法通过下层偏光板。
Normallywhite及normallyblack
所谓的NW(Normallywhite),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透光的画面,也确实是亮的画面,因此才叫做normallywhite。
而反过来,当我们对液晶面板不施加电压时,假如面板无法透光,看起来是黑色的话,就称之为NB(Normallyblack)。
我们刚才所提到的图9及图10差不多上属于NW的配置,另外从图11我们能够明白,对TN型的LCD而言,位于上下玻璃的配向膜差不多上互相垂直的,而NB与NW的差别就只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。
因此当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。
为什幺会有NW与NB这两种不同的偏光板配置呢?
要紧是为了不同的应用环境。
一样应用于桌上型运算机或是笔记型运算机,大多为NW的配置。
那是因为,假如你注意到一样运算机软件的使用环境,你会发觉整个屏幕大多是亮点,也确实是说运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因此比较方便。
也因为NW的亮点不需要加电压,平均起来也会比较省电。
反过来说NB的应用环境就大多是属于显示屏为黑底的应用了。
六STN(SuperTwistedNematic)型LCD
STNLCD与TN型LCD在结构上是专门相似的,其要紧的差别在于TN型的LCD,其液晶分子的排列,由上到下旋转的角度总共为90度。
而STN型LCD的液晶分子排列,其旋转的角度会大于180度,一样为270度.(请见图12)正因为其旋转的角度不一样,其特性也就跟着不一样。
我们从图13中TN型与STN型LCD的电压对穿透率曲线能够明白,当电压比较低时,光线的穿透率专门高。
电压专门高时,光线的穿透率专门低。
因此它们是属于NormalWhite的偏光板配置。
而电压在中间位置的时候,TN型LCD的变化曲线比较平缓,而STN型LCD的变化曲线则较为陡峭。
因此在TN型的LCD中,当穿透率由90%变化到10%时,相对应的电压差就比STN型的LCD来的较大。
我们前面曾提到,在液晶显示器中,是利用电压来操纵灰阶的变化。
而在此TN与STN的不同特性,便造成TN型的LCD,先天上它的灰阶变化就比STN型的LCD来的多。
因此一样TN型的LCD多为6~8bits的变化,也确实是64~256个灰阶的变化。
而STN型的LCD最多为4bits的变化也就只有16阶的灰阶变化。
除此之外STN与TN型的LCD还有一个不一样的地点确实是反应时刻(responsetime)一样STN型的LCD其反应时刻多在100ms以上而TN型的LCD其反应时刻多为30~50ms当所显示的影像变动快速时对STN型的LCD而言就容易会有残影的现象发生。
七TFTLCD(Thinfilmtransistorliquidcrystaldisplay)
TFTLCD的中文翻译名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器,我们从一开始就提到液晶显示器需要电压操纵来产生灰阶。
而利用薄膜晶体管来产生电压,以操纵液晶转向的显示器,就叫做TFTLCD。
从图8的切面结构图来看,在上下两层玻璃间,夹着液晶,便会形成平行板电容器,我们称之为CLC(capacitorofliquidcrystal)。
它的大小约为0.1pF,然而实际应用上,那个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面资料的时候。
也确实是说当TFT对那个电容充好电时,它并无法将电压保持住,直到下一次TFT再对此点充电的时候.(以一样60Hz的画面更新频率,需要保持约16ms的时刻.)如此一来,电压有了变化,所显示的灰阶就会不正确。
因此一样在面板的设计上,会再加一个储存电容CS(storagecapacitor大约为0.5pF),以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候。
只是正确的来说,长在玻璃上的TFT本身,只是一个使用晶体管制作的开关。
它要紧的工作是决定LCDsourcedriver上的电压是不是要充到那个点来。
至于那个点要充到多高的电压,以便显示出如何样的灰阶。
差不多上由别处的LCDsourcedriver来决定的。
八彩色滤光片(colorfilter,CF)
假如你有机会,拿着放大镜,靠近液晶显示器的话。
你会发觉如图9中所显示的模样。
我们明白红色,蓝色以及绿色,是所谓的三原色。
也确实是说利用这三种颜色,便能够混合出各种不同的颜色。
专门多平面显示器确实是利用那个原理来显示杰出彩。
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,当作一个显示的差不多单位,也确实是pixel。
那这一个pixel,就能够拥有不同的色彩变化了。
然后关于一个需要辨论率为1024*768的显示画面,我们只要让那个平面显示器的组成有1024*768个pixel,便能够正确的显示这一个画面。
在图9中,每一个RGB的点之间的黑色部分,就叫做Blackmatrix。
我们回过头来看图8就能够发觉,blackmatrix要紧是用来遮住不打算透光的部分。
比如像是一些ITO的走线,或是Cr/Al的走线,或者是TFT的部分。
这也确实是为什幺我们在图9中,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blackmatrix遮住的部分,这一块黑色缺角的部份确实是TFT的所在位置。
图10是常见的彩色滤光片的排列方式。
条状排列(stripe)最常使用于OA的产品,也确实是我们常见的笔记型运算机,或是桌上型运算机等等。
为什幺这种应用要用条状排列的方式呢?
缘故是现在的软件,多半差不多上窗口化的接口。
也确实是说,我们所看到的屏幕内容,确实是一大堆大小不等的方框所组成的。
而条状排列,恰好能够使这些方框边缘,看起来更笔直,而可不能有一条直线,看起来会有毛边或是锯齿状的感受。
然而假如是应用在AV产品上,就不一样了。
因为电视信号多半是人物,人物的线条不是笔直的,其轮廓大部分是不规则的曲线。
因此一开始,使用于AV产品差不多上使用马赛克排列(mosaic,或是称为对角形排列)。
只是最近的AV产品,多已改进到使用三角形排列(triangle,或是称为delta排列)。
除了上述的排列方式之外,还有一种排列,叫做正方形排列。
它跟前面几个不一样的地点在于,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pixel。
而四个点组合起来刚好形成一个正方形。
九背光板(backlight,BL)
在一样的CRT屏幕,是利用高速的电子枪发射出电子,打击在银光幕上的荧光粉,藉以产生亮光,来显示出画面。
然而液晶显示器本身,仅能操纵光线通过的亮度,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板,来提供一个高亮度,而且亮度分布平均的光源。
我们在图14中能够看到,组成背光板的要紧零件有灯管(冷阴极管),反射板,导光板,prismsheet,扩散板等等。
灯管是要紧的发光零件,藉由导光板,将光线分布到各处。
而反射板则将光线限制住都只往TFTLCD的方向前进。
最后藉由prismsheet及扩散板的帮忙,将光线平均的分布到各个区域去,提供给TFTLCD一个明亮的光源。
而TFTLCD则藉由电压操纵液晶的转动,操纵通过光线的亮度,藉以形成不同的灰阶。
十框胶(Sealant)及spacer
在图14中另外还有框胶与spacer两种结构成分。
其中框胶的用途,确实是要让液晶面板中的上下两层玻璃,能够紧密粘住,同时提供面板中的液晶分子与外界的阻隔,因此框胶正如其名,是围绕于面板四周,将液晶分子框限于面板之内。
而spacer要紧是提供上下两层玻璃的支撑,它必须平均的分布在玻璃基板上,不然一但分布不均造成部分spacer集合在一起,反而会阻碍光线通过,也无法坚持上下两片玻璃的适当间隙(gap),会成电场分布不均的现象,进而阻碍液晶的灰阶表现.
十一开口率(Apertureratio)
液晶显示器中有一个专门重要的规格确实是亮度,而决定亮度最重要的因素确实是开口率。
开口率是什幺呢?
简单的来说确实是光线能透过的有效区域比例。
我们来看看图17,图17的左边是一个液晶显示器从正上方或是正下方看过去的结构图。
当光线经由背光板发射出来时,并不是所有的光线都能穿过面板,像是给LCDsource驱动芯片及gate驱动芯片用的信号走线,以及TFT本身,还有储存电压用的储存电容等等。
这些地点除了不完全透光外,也由于通过这些地点的光线并不受到电压的操纵,而无法显示正确的灰阶,因此都需利用blackmatrix加以遮挡,以免干扰到其它透光区域的正确亮度。
因此有效的透光区域,就只剩下如同图17右边所显示的区域而已。
这一块有效的透光区域,与全部面积的比例就称之为开口率。
当光线从背光板发射出来,会依序穿过偏光板,玻璃,液晶,彩色滤光片等等。
假设各个零件的穿透率如以下所示:
偏光板:
50%(因为其只准许单方向的极化光波通过)
玻璃:
95%(需要运算上下两片)
液晶:
95%
开口率:
50%(有效透光区域只有一半)
彩色滤光片:
27%(假设材质本身的穿透率为80%,但由于滤光片本身涂有色彩,只能容许该色彩的光波通过。
以RGB三原色来说,只能容许三种其中一种通过。
因此仅剩下三分之一的亮度。
因此总共只能通过80%*33%=27%.)
以上述的穿透率来运算,从背光板动身的光线只会剩下6%,实在是少的悲伤。
这也是为什幺在TFTLCD的设计中,要尽量提高开口率的缘故。
只要提高开口率,便能够增加亮度,而同时背光板的亮度也不用那幺高,能够节约耗电及花费。
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