LCD原理大剖析17972上課講義

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LCD原理大剖析17972-LCD原理大剖析ZDNETChina03/01/2002LCD（LiquidCrystalDisplay）對于許多的用戶而言可能是一個比較新鮮的名詞，不過這種技術(shù)存在的歷史可能遠遠超過了我們的想象-在1888年，一位奧地利的植物學家F.Renitzer便發(fā)現(xiàn)了液晶特殊的物理特性。在85年之后，這一發(fā)現(xiàn)才產(chǎn)生了商業(yè)價值，1973年日本的夏普公司首次將它運用于制作電子計算器的數(shù)字顯示?，F(xiàn)在，LCD是筆記型計算機和掌上計算機的主要顯示設(shè)備，在投影機中，它也扮演著非常重要的角色，而且

2、它開始逐漸滲入到桌面顯示器市場中。HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-2,00.htm為什么叫液晶？液晶得名于其物理特性：它的分子晶體，不過以液態(tài)存在而非固態(tài)。大多數(shù)液晶都屬于有機復合物。HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-3,00.htm被動矩陣液晶顯示技術(shù)高信息密度顯示技術(shù)中首先商品化的是被動矩陣顯示技術(shù)。它得名于控制液晶單元的開和關(guān)的簡單設(shè)計。HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,2

3、0030530-4,00.htm主動矩陣LCD及其弱勢主動矩陣LCD的上下表層也縱橫有序排列著用銦錫氧化物做成的透明電極。所不同的是在每個單元中都加入了很小的晶體管，由晶體管來控制電流的開和關(guān)。HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-8,00.htm傳統(tǒng)工藝流程LCD的面板最早使用非常薄的玻璃制造。大約只有1.1-0.4毫米厚，由于玻璃生產(chǎn)中，設(shè)備不同會造成玻璃厚度不同。所以，顯示器只能在一套模具中制造。你不能不知道的LCDHYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,200

4、30530-3,00.htm被動矩陣液晶顯示技術(shù)HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-5,00.htm視角及反應(yīng)速度HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-7,00.htm耗電量HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-2,00.htm為什么叫液晶？HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-4,00.htm主動矩

5、陣LCD及其弱勢HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-6,00.htm顯示色彩HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-8,00.htm傳統(tǒng)工藝流程為什么叫液晶？ZDNETChina2002/01/03液晶得名于其物理特性：它的分子晶體，不過以液態(tài)存在而非固態(tài)。大多數(shù)液晶都屬于有機復合物。這些晶體分子的液體特性使得它具有兩種非常有用的特點：如果你讓電流通過液晶層，這些分子將會以電流的流向方向進行排列，如果沒有電流，它們將會彼此平行排列。如果你提供了帶有

6、細小溝槽的外層，將液晶倒入后，液晶分子會順著槽排列，并且內(nèi)層與外層以同樣的方式進行排列。液晶的第三個特性是很神奇的：液晶層能夠使光線發(fā)生扭轉(zhuǎn)。液晶層表現(xiàn)的有些類似偏光器，這就意味著它能夠過濾掉除了那些從特殊方向射入之外的所有光線。此外，如果液晶層發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，光線將會隨之扭轉(zhuǎn)，以不同的方向從另外一個面中射出。液晶的這些特點使得它可以被用來當作一種開關(guān)-即可以阻礙光線，也可以允許光線通過。液晶單元的底層是由細小的脊構(gòu)成的，這些脊的作用是讓分子呈平行排列。上表面也是如此，在這兩側(cè)之間的分子平行排列，不過當上下兩個表面之間呈一定的角度時，液晶成了隨著兩個不同方向的表面進行排列，就會發(fā)生扭曲。結(jié)果便是這

7、個扭曲了的螺旋層使通過的光線也發(fā)生扭曲。如果電流通過液晶，所有的分子將會按照電流的方向進行排列，這樣就會消除光線的扭轉(zhuǎn)。如果將一個偏振濾光器放置在液晶層的上表面，扭轉(zhuǎn)的光線通過了，而沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)的光線將被阻礙。因此可以通過電流的通斷改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。也有某些設(shè)計了省電的需要，有電流時，光線不能通過，沒有電流時，光線通過。液晶可以阻礙（左）也可以允許（右）光線通過顯示技術(shù)由于不同的應(yīng)用目的而分成不同的類型。有的是成了靜態(tài)顯示，比如道路標志和顯示牌，它們的顯示信息是不變的。平面顯示技術(shù)則被用于傳遞發(fā)生變化的顯示信息，所以顯示信息量的大小就決定了所采用的顯

8、示技術(shù)類型。對于便攜式的計算器等設(shè)備而言，由于所傳遞的信息量相對較低，被稱為低信息密度顯示技術(shù)；對于計算機顯示器而言，由于傳遞的信息量大，則相應(yīng)被稱為高信息密度顯示技術(shù)。被動矩陣液晶顯示技術(shù)ZDNETChina2002/01/03高信息密度顯示技術(shù)中首先商品化的是被動矩陣顯示技術(shù)。它得名于控制液晶單元的開和關(guān)的簡單設(shè)計。被動矩陣液晶顯示的驅(qū)動方式是由垂直與水平方向的電極所構(gòu)成，單獨的液晶單元夾在彼此垂直的電極中間。因此，任何一組電極的驅(qū)動就會在特定的單元中引起電流通過。被動矩陣顯示畫面的原理就是輸入的信號依次去驅(qū)動每一排的電極，于是當某一排被選定的時候，列向上的電極將被觸發(fā)打開位于排和列交叉上

9、的那些像素。這種方法比較簡單，而且對液晶屏幕的成本增加也不多。不過它也有缺點，如果有太大的電流通過某個單元，附近的單元都會受到影響，引起虛影。如果電流太小，單元的開和關(guān)就會變得遲緩，降低對比度和丟失移動畫面的細節(jié)。早期，被動矩陣板依賴于扭轉(zhuǎn)向列的設(shè)計。上層和下層的偏光板的偏振光方向呈90度，因此中間的液晶以90度進行扭轉(zhuǎn)。這樣制造的液晶板對比度很低、響應(yīng)時間也很慢。這種方式運用在低信息量顯示時很好，不過被證明不適合計算機顯示。超扭轉(zhuǎn)向列（SuperTwistedNematic）方法是通過改變液晶材料的化學成分，使液晶分子發(fā)生不止一次的扭轉(zhuǎn)，光線扭轉(zhuǎn)達到180度到270度，這樣便可大大地改善畫面

10、的顯示品質(zhì)。80年代初期STN技術(shù)一度非常流行，至今它還在可攜式設(shè)備如PDA，手機中使用。雖然STN技術(shù)提高了顯示的對比度，不過它會引起光線的色彩偏差，尤其是在屏幕偏離主軸的位置上。這就是為什么早期的筆記型計算機屏幕總是偏藍和偏黃的原因。了解決這一問題，雙層超扭曲向列型顯示技術(shù)DSTN出現(xiàn)了，它具有兩層扭轉(zhuǎn)方向相對的LCD層，第二層使得第一層遺留的色偏問題得以解決。當然它的制造工藝比前兩種方式要復雜的多。后來人們發(fā)現(xiàn)了比DSTN更簡單易行的方法-在底層和頂層的外表面加上補償膜，來改善STN技術(shù)中所產(chǎn)生的特定波段光線的散射和反射現(xiàn)象，這就是補償膜超扭轉(zhuǎn)向列Film-compensatedSTN（

11、FSTN）。FSTN的顯示效果和DSTN相當，但價格和工藝難度大大降低，所以現(xiàn)在大多數(shù)被動式LCD都采用了FSTN技術(shù)。FSTN技術(shù)的LCD顯示效果，人們又于90年代初期提出了雙掃描概念。所謂雙掃描，就是將面板水平對等地分為兩部分，頂端和底端相對應(yīng)的部分同時掃描，這就大大提高了掃描的頻率。雙掃描解決了小電流、長時間使用的情況下常常產(chǎn)生的鬼影現(xiàn)象。和主動矩陣顯示相比顯著提高了對比度、畫質(zhì)和響應(yīng)時間，所以現(xiàn)在還廣為低價位的筆記型計算機所采用。主動矩陣LCD及其弱勢ZDNETChina2002/01/03被動矩陣LCD的最大問題是難以快速地控制單獨的液晶單元，并以足夠大的電流保證來獲得好的對比度、足

12、夠的灰階級和較快的響應(yīng)時間，從而影響了動態(tài)影像的顯示效果。主動矩陣LCD通過單獨地控制每個單元，有效地解決了上面的問題。與被動矩陣LCD相似，主動矩陣（ActiveMatrix）LCD的上下表層也縱橫有序排列著用銦錫氧化物做成的透明電極。所不同的是在每個單元中都加入了很小的晶體管，由晶體管來控制電流的開和關(guān)。晶體管電極是利用薄膜技術(shù)而做成的。晶體管利用了薄膜來形成半導體。薄膜晶體管LCD（TFT-LCD）也因此得名晶體管可以迅速地控制每個單元，由于單元之間的電干擾很小，所以你可以使用大電流，而不會有鬼影和拖尾現(xiàn)象。更大的電流會提供更好的對比度、更銳利的和更明亮的圖像。HYPERLINK/har

13、dware/features/story/0,2000025781,20030530-5,00.htm視角及反應(yīng)速度視角范圍受限、反映速度慢使得LCD在顯示快速移動圖像時與CRT相比產(chǎn)生一種先天的缺陷。HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-6,00.htm顯示色彩LCD技術(shù)是根據(jù)電壓的大小來改變亮度，但是只有主動矩陣LCD可以單獨控制每個像素。HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-7,00.htm耗電量主動矩陣式LCD顯示器與CRT相比較小，需要很

14、少的電量。事實上，它已經(jīng)變成了便攜式設(shè)備的標準顯示器，從PDA到筆記型計算機均廣泛運用。【玩家入門】LCD原理大剖析視角及反應(yīng)速度ZDNETChina2002/01/03在傳統(tǒng)的CRT顯示器或電視機中，圖像的顯示是通過發(fā)光物體-磷來實現(xiàn)的，光線從這一層向各個方向發(fā)射，只是強弱稍有不同而已。因此，你可以從一個很大的可視角范圍來觀看屏幕，無論從哪個角度去觀察，顯示的亮度、色彩都和正視效果相近。HYPERLINK/hardware/features/story/0,2000025781,20030530-9,00.htm改變電流方向增加視角LCD和其它大多數(shù)顯示技術(shù)，都需要強的背景光線穿過液晶層或者

15、其它顯示層來形成圖像，從而完成圖像的傳遞過程。LCD的特性決定了它所需的背景光是定向的。舉一個形象的例子來說，就好比你手中握有一把吸管，它們的一端對準光源。如果你通過另一端直視吸管，你將會看到光源射出的光線。但是如果你稍微移開眼睛，從其它的方向去看的話，你就無法觀察到光線了。LCD技術(shù)正是如此。雖然液晶分子并不像吸管一樣是中空的，但是它們的有序排列阻止了光線向其它方向發(fā)射。為了解決視角問題，制造商們也想出了許多方法。直接在顯示器外面附加一層漫射膜是辦法之一，漫射膜可以將特定傳播方向的光線散射向各個方向，從而增大可視角度。不過這種方法只能達到一定程度的改善。另一種做法是改變通過液晶的電流方向來增

16、大可視角度。電流不再是從頂端流向底端，而是從側(cè)面方向流過。這就使得液晶分子在水平方向上有序排列，從而增大了傳遞光線的可視角度。這兩種技術(shù)通常用在水平可視角度的改善上。第三種解決方案比較復雜，而且會使制造成本大大增加。主要方法是將每個液晶單元分割成大量微小的部分，事先將這些微小子單元以不同的方向傾斜，這就使得傳播光線在到達這些微小面板的時候向各個方向散射，從而增大可視角度。昂貴的成本限制了它的廣泛使用，僅在一些具有需要同時從遠處和近處觀察的桌上型顯示器中才應(yīng)用這種技術(shù)。反應(yīng)速度LCD單元在控制信號到達與變化完成之間存在滯后現(xiàn)象，這使得LCD在顯示快速移動圖像時與CRT相比具有一種先天的缺陷。CR

17、T的電子槍發(fā)射電子束到被激發(fā)的螢光粉發(fā)光之間幾乎是瞬間的。這種時間滯后被稱反應(yīng)時間，其單位通常是毫秒。被動矩陣顯示器響應(yīng)時間很長，約有150毫秒或更多，所以不適于顯示諸如電影的移動畫面。在主動矩陣顯示器中像素響應(yīng)時間隨設(shè)計的不同而異，主要受到幾個因素影響，包括用來驅(qū)動單元的電壓，單元的厚度和使用的液晶材料。標準的主動矩陣顯示器一般有40毫秒的響應(yīng)時間，也就是說每秒能顯示25幀。平面內(nèi)轉(zhuǎn)換增加了可視角度，但顯示會變慢，一般有70毫秒反應(yīng)時間。顯示器更快一些，有25毫秒反應(yīng)時間。顯示色彩ZDNETChina2002/01/03LCD顯示的一個重要的技術(shù)指針是顯示色彩。CRT顯示器所能表現(xiàn)出的色彩幾

18、乎是無窮的，因為它是模擬設(shè)備。只需改變紅綠藍三種模擬信號的強度，你就可以得到不同的色彩。與CRT一樣，LCD技術(shù)也是根據(jù)電壓的大小來改變亮度，但是只有主動矩陣LCD可以單獨控制每個像素，被動矩陣LCD每次都要驅(qū)動整行或整列像素，因此它的灰階表現(xiàn)能力很差。每個LCD的子像素顯示的顏色取決于色彩過濾器。由于液晶本身沒有顏色，所以用濾色片產(chǎn)生各種顏色，而不是子像素，子像素只能通過控制光線的通過強度來調(diào)節(jié)灰階，只有少數(shù)主動矩陣顯示采用模擬信號控制，大多數(shù)則采用數(shù)字信號控制技術(shù)。大部分數(shù)字控制的LCD都采用了8位控制器，可以產(chǎn)生256級灰階。每個子像素能夠表現(xiàn)256級，那么你就能夠得到2563種色彩，每

19、個像素能夠表現(xiàn)16,777,216種成色。因為人的眼睛對亮度的感覺并不是線性變化的，人眼對低亮度的變化更加敏感，所以這種24位的色度并不1能完全達到理想要求。工程師們通過脈沖電壓調(diào)節(jié)的方法以使色彩變化看起來更加統(tǒng)一。制造商還采用了兩種技術(shù)來提高主動矩陣顯示中每個液晶單元的灰階顯示數(shù)目。第一種是抖動方法。將四個毗連呈正方形的像素作為一個單元，如果其中一個的灰階太低，那么相鄰的像素就會提高自身的亮度，從而顯示出一個比較適中的灰階，四個像素最后會顯示出三個適中的最終灰階作為顯示結(jié)果。這種方法的最大缺點在于降低了顯示的分辨率。另一項技術(shù)是框架速率控制（FRC）或者暫時的高頻振動。這種方法在顯示每屏圖像

20、時多次刷新像素。與高頻振動中將灰階的混合用空間來顯示不同，這種方法通過時間控制。如果顯示一幅畫面需要的時間分為很多幀，像素就可以在幀的切換當中造成一種灰階的過渡態(tài)，四幀就可以造成三個過渡態(tài)。這種設(shè)計的優(yōu)點是可以不降低圖像的分辨率，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代的主動矩陣顯示器中。耗電量ZDNETChina2002/01/03主動矩陣式LCD顯示器與CRT相比較小，需要很少的電量。事實上，它已經(jīng)變成了便攜式設(shè)備的標準顯示器，從PDA到筆記型計算機均廣泛運用。但不管怎樣，LCD技術(shù)還是可悲的效率低下：即使你將屏幕顯示白色，從背景光源中發(fā)射的光也只有不到10%穿過屏幕發(fā)出，其它的都被吸收。筆記型計算機的低效迫使其

21、設(shè)計者面臨一些艱難的選擇。如果你希望在戶外這樣強光環(huán)境下圖像更明亮，你就需要一個更亮的背景光源，這將需要更多的電力。如果你使用的電池容量一定，更亮的背景光源就會在較短的時間內(nèi)耗盡電源。設(shè)計者用更大的電池容量解決這個問題，但是對于目前的電池技術(shù)來說，就意味著設(shè)備重量的增加，對消費者的吸引力就會下降。這三者之間的三角平衡推動著顯示器、電池及節(jié)能技術(shù)的研究?？偠灾?，背景光源所耗能量是LCD顯示器總耗電量的最大部分。更大的屏幕、更高的亮度和更高的分辨率都將使筆記型計算機顯示器的耗電量大大增加。另一方面，技術(shù)進步通過降低系統(tǒng)電壓和提高孔徑比使更多的光能通過液晶單元，降低系統(tǒng)的電源需求。結(jié)果是，筆記型顯

22、示器的總耗電量維持在2到5瓦之間。一根管子的背景光源大約需要1.2瓦，所以根據(jù)使用一只或兩只管子一個屏幕中共需要1.2或2.4瓦的能量。PDA，如Palm和CompaqiPAQ常使用反射顯示器。這意味著環(huán)境光射進顯示器中，穿過極化的液晶層，碰撞反射層，再反射出來顯示成圖像。據(jù)估計，在此過程中84%的光被吸收，所以只有六分之一的光起作用，雖然還有待改進，但已足以提供可視影像需要的對比度。單向反射和反射顯示器使得不同光照條件下耗費最少能源使用LCD顯示器成為可能。LCD顯示器的關(guān)鍵因素之一是它的價格。如果比CRT更加便宜，它將會占據(jù)幾乎全部的顯示器市場。但不幸的是，對于桌上計算機經(jīng)常使用的15、1

23、7吋顯示器來說，相同顯示面積的LCD的造價幾乎是CRT的3到5倍。顯示面積越大，造價差距越大。為什么LCD造價如此之高？這取決于它們的制造方式。它的制造工藝異常復雜，維持高良率需要不斷努力。傳統(tǒng)工藝流程ZDNETChina2002/01/03LCD的面板最早使用非常薄的玻璃制造。大約只有1.1-0.4毫米厚，由于玻璃生產(chǎn)中，設(shè)備不同會造成玻璃厚度不同。所以，顯示器只能在一套模具中制造。玻璃底層鍍有一層非晶硅，從而在每個像素單元上可以制造半導體組件。經(jīng)過一系列的平板照相、蝕刻、覆膜和沉積步驟，在每個像素上都生成了開關(guān)晶體管、濾色器及其它部分。在所有的元器件上沉積有一個透明數(shù)組膜，在頂層上貼上另一個相似的透明的數(shù)組膜。這些膜運用光化學工