薄薄的液晶显示器是如何显示各种图案?带你了解液晶显示原理

当今社会,每个人都离不开各种电子设备,特别是手机和电脑,设备中各种视频、图案和文字等都是通过电子屏幕显示出来,这些电子产品的显示器材都是液晶。液晶是什么物质?它是如何显示数字或图像呢?那么下面我们就来详细了解屏幕的内部结构,了解其中的原理。
 
薄薄的液晶显示器是如何显示各种图案?带你了解液晶显示原理
平板显示屏
 
想要知道屏幕的显示原理,我们还得从以下开始了解
 
一.什么是液晶
 
我们从自然界中常见的的物质三态——固态、液态、气态说起。在通常状况下,物质呈现三态的原因可以从微观结构去认识它,例如我们看到的固体如食盐晶体等,有一定的形状和体积。
 
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晶体原子结构
 
因它的分子在特定方向按固有规则排列紧密而整齐,平衡位置相对固定,只能在小范围内振动,且各向异性;液体如水,其分子间距离较大,平衡位置随时改变,活动范围较广,分子取向没有规则,宏观上表现为无一定形状,但有一定体积,具有流动性;而气体既无一定形状,也无一定体积,其分子可自由运动。
 
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流动的液体
 
物质世界中还存在着介于固态和液态之间的物质。它就是液晶。19世纪末奥地利植物学家赖尼策尔在研究一种叫做“胆甾醇苯甲酸酯”的有机物时,发现它被加热到145.5℃时,熔化成一种浑浊的液体,在178.5℃突然全部变成透明液体。当冷却时,呈现出蓝紫色,不久后即自行消失,再次呈现混浊状液体,继续冷却,再次出现蓝紫色,然后固化成白色的晶体。面对这样的现象赖尼策尔无法解释,于是他将样品及观察记录寄给德国物理学家勒曼。勒曼研究后认为这是流动的晶体,并给这种形态的物质取名为“液晶”。现在已发现几千种有机化合物具有液晶态,它是介于固态与液态之间的中间态。与液体分子模型相比较,液晶分子没有位置序,但有取向序即分子取向十分一致
 
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不同物质状态分子结构
 
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几种液晶分子结构
 
综合而言,所谓液晶,是指其形状像液体,而其微观结构和光学性质又完全类似于晶体的一类物质。那么它又是如何在显示器中发挥作用的呢?
 
我们先从简单应用的来了解
 
二.液晶的黑白态显示原理
 
人们已经发现液晶具有许多性质和效应,如电光效应、热光效应、光电效应、超声效应和理化效应等液晶显示主要利用液晶的电光效应所谓“电光效应”是指在电场的作用下,液晶光学性质的变化。下面介绍液晶如何在显示屏中发挥作用,首先,液晶必须装在由玻璃构成的液晶盒内
 
薄薄的液晶显示器是如何显示各种图案?带你了解液晶显示原理
液晶盒及内部晶体
 
上图是液晶盒的结构示意图。两块标准的平面平行度极好的平板玻璃,称为玻璃板。在上下玻璃板的外侧装有偏振膜,或称偏振片,偏振片的作用就是让与偏振片的方向平行的光波通过,只有光波振动方向与偏振片的缝一致的光才能通过,因此可以将具有光源中具有各个取向的光波过滤为单一取向的光波。由于上下两个偏振光片相互垂直,通过第一片偏振片的光波想要通过第二片偏振片光波需要旋转90º才行,于是就到了液晶发挥它的旋光作用,通过在液晶的上下两边加上不同的电场来改变内部液晶的行为。为了给液晶加电场,要在玻璃板的内表面装上二氧化锡透明电极,电极的形状可根据显示的需要设计成各种形状,为了使液晶分子能连续扭曲成90°,要对液晶盒内表面做沿面排列处理,这样一个液晶盒就完成了。最后在液晶盒内填入添加了旋光物质的液晶,四周再用胶框粘接,液晶盒就成为液晶显示器了。由于内部的液晶分子具有旋光性,可将通过偏振光的光波方向旋转90º,再通过下部的偏振片,于是我们便看见了光亮的背景。当我们在液晶两边外加电场,在电场的作用下,液晶消除了原来的扭曲状态,液晶分子有序排成一个平面,与上下电极面相互垂直。入射偏振光的振动方向在穿过液晶时保持原来的状态不变,即入射光的振动方向与下偏振片的偏振化方向垂直,入射光将被吸收,因而没有光被反射回来,也就看不到反射板,于是电极部位呈暗态,与不加电场的情景正好相反。
 
在黑白液晶的实际使用中,常用的是七段数字显示方式,如图所示。
 
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七段数字显示器
 
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变化的数字显示
 
数字的笔画由相互分离的七段透明电极组成,并使每个电极与译码电路连接,这样译码电路的状态就可以通过七段显示器用阿拉伯透明电极引线数字显示出来这种显示都有一段相对稳定的时间,故称静态显示。
 
显示的方式有正显示与负显示。当电极间加上一定电压后,有电压的那几段就会变为暗态,从而显示出一组白底黑字的数字,这种显示叫正显示,通常用的液晶电子手表,袖珍计算器均为正显示型数字显示器。如果使两偏振片的偏振化方向平行,则不加电压时,入射光被吸收,我们得到的是黑色背景。在需要显示数字的电极上加上电压,则偏振光能够通过液晶,并被反射回来,于是我们可以看到白色的数字呈现在黑背景上,形成黑底白字的负显示型数字显示器。同样,根据实际需要,精巧地制作各种各样的电极,还可实现对文字,符号以及图像的液晶显示。
 
三.液晶的动态黑白动态显示原理
 
动态显示常采用点阵式矩阵显示方式。将电极做成平行状,并使上玻璃片的电极和下玻璃片的电极成立体正交结构。这样相互交叉的部分就是点阵式像元,如图中用小方块表示。当x方向的电极和y方向的电极条数都为n时,用2n个电极就可以构成n²个像元。当像元的面积越小,单位面积内数量越多,显示的图像就越细腻。
 
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液晶像元
 
当x方向的电极从上到下按时间顺序逐行扫描,y方向的电极按显示信号加上选与非选的信号,那么所有选通点都呈亮态,其余呈暗态。由于x方向电极的扫描速度很快,所以选通点将不断变化,由于时间间隔很小,利用视觉暂留,可以使观察者看到一幅完整的画面。逐行扫描的过程与阴极射线显像管的行扫描过程十分类似,当x方向的电极由上而下逐行扫描次,完成一帧这样不断地扫描,同时给列电极加上选或非选的信号就实现了所有像元的显示功能。如果在行电极完成的n帧扫描期间,列电极不断地重复每帧期间的选择信号波形,就可以在显示屏上获得一幅静态的画面。如果列电极的选择信号波形一帧与一帧不同,这样就形成了动态的画面。下图便是通过电极的快速扫描显示的出绚丽的黑白动画
 
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动态黑白显示照片
 
以上便是黑白液晶显示器的显示原理,利用液晶旋光性来控制光线是否通过来改变明暗从而形成图案。
 
四.彩色液晶屏的显示原理
 
彩色液晶显示与黑白显示的原理类似,但是结构稍有变化,控制电路增多,拥有更多的像素点,每个像素点都由一个晶体管独立控制。彩色显示器所用光源一般置于屏幕内部,光源从内到外穿过液晶形成光亮的图案。
 
下面我们就来简单讲解TFT—LCD液晶屏的结构及显示原理。
 
TFT—LCD液晶屏的结构
 
TFT—LCD液晶屏在结构上由里到外主要由背光源、偏光片、透明电极(控制电路)、液晶、彩色滤光片、偏光片所构成。
 
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LCD显示器结构
 
液晶的光学效果
 
液晶包含在两个槽状表面中间,且槽的方向互相垂直,如下图所示,上下表面偏振片偏振方向相互垂直,液晶分子的排列为:上表面为纵向,下表面为横向,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90º的旋转。
 
薄薄的液晶显示器是如何显示各种图案?带你了解液晶显示原理
当线性偏振光射入上层槽状表面时,此光线随着液晶分子的旋转也产生旋转;当线性偏振光射出下层槽状表面时,此光线已经产生了90º的旋转。当在上下表面之间加电压时,液晶分子会顺着电场方向排列,形成直立排列的现象。此时入射光线不受液晶分子影响,直线无法射出下表面。不同电压值,决定液晶偏转的角度。
 
那么屏幕一般是内部LED作为光源,发射出白色的光线,那么我们知道白光是由多种不同频率光波组合而成光波。那么我们可以通过滤光膜得到我们想要的颜色。虽然每一种颜色的可见光的波长有一定的范围,但我们在处理颜色时并不需要将每一种波长的颜色都单独表示。因为自然界中所有的颜色都可以用红、绿、蓝(RGB)这三种颜色波长的不同强度组合而得,这就是人们常说的三基色原理。因此,这三种光常被人们称为三基色或三原色。通过滤光膜过滤出这三种颜色,再通过驱动电压的改变调整液晶翻转的角度,进而改变通过RGB子象素的光量,由加法混色的原理得到丰富的色彩表现。
 
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RGB三基色
 
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驱动电压改变晶体的旋转角度从而改变光通过率
 
彩色滤光膜
 
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彩色滤光膜结构
 
彩色滤光膜的各像素对应液晶屏的各像素,每像素包含红、绿、蓝三个子像素,光线透过彩色滤光膜形成红、绿、蓝三基色分量,如图上所示。
 
TFT—LCD电路控制原理
 
TFT—LCD电路的主要作用是控制液晶两表面的电压值,以控制液晶的偏转角度,改变液晶分子对线性偏振光的扭转角度,并通过前面偏光片的取向作用,最终实现控制通过光线的强弱。薄膜场效应晶体管(thin film transistor,TFT)对应控制的每一个子像素,薄膜晶体管TFT是开关器件,它的导通与截止状态接近理想开关。以分辨率为1024×768像素的显示屏为例,每个像素由R、G、B三基色的子像素,即合计有1024×768×3 TFT晶体管。如下图所示
 
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1024×768分辨率像素点
 
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一个子像素控制电路
 
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晶体管控制构架
 
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控制面板
 
门极线有768,源极线有1024×3。控制电路采用分时驱动的方式,按顺序分别置门极线高电平,从而控制打开该行 TFT晶体管,此时源极线上的电压即加到该行液晶各子像素上,从而控制该行液晶的偏转角度和最终实现光线的透射率的控制。
 
TFT—LCD显示原理
 
以1024×768像素的液晶屏为例,液晶板后面的背光源投射出纯白光源,光源经过第一个a方向的偏光片,过滤成a方向的偏极光,通过透明电极(TFT控制电路),经过液晶,这时液晶分子偏转角度和透射率受 TFT控制电路控制,通过液晶后,经过彩色滤光片,形成 1024×768×3束偏转方向受控的RGB基色光线,再通过第二个b方向的偏光片,把偏转方向受控的各束RGB基色光线过滤成强弱受控的RGB基色光线,投射出屏幕。通过改变驱动液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩,并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合。
 
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上下偏振片偏振光方向相互垂直
 
五.彩色液晶屏显示特点
 
可视角度
 
LCD 有视角各向异性和视角范围比较小的弱点,宽视角技术一直是液晶技术的重要研究课题。这是因为当背光源之入射光通过偏光片!液晶及所谓的取向膜后,输出光便具备了特定的方向特性,也就是说,大多数从屏幕射出的光具备了垂直方向。即如果偏离显示屏法线方向观察,对比度明显下降,观看一个全白的画面,我们可能会看到黑色或是色彩失真。
 
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不同角度下存在色差
 
响应时间
 
响应速度慢是液晶的一大弊病。液晶的响应时间表示液晶显示器各像素点,对于信号输入后的反应速度,就是每点由暗转亮或由亮转暗所需的时间,响应时间当然是越小越好。这样用户在观看运动的画面时就不会出现类似尾影拖拽的感觉。液晶显示器的这项指标直接影响到对动态画面的还原,跟其它显示方式相比,液晶显示器由于过长的响应时间,导致其在还原动态画面时有比较明显的拖尾现象,画面不够生动。
 
这是由于液晶显示屏是利用液晶分子扭转控制光的通断,而液晶分子的扭转需要一个过程,所以LCD显示器的响应时间明显比其它显示方式长。特别在介于全黑、全白间的较小幅度灰阶变化,需施加较小电压来进行准确而精细的角度控制,因此液晶分子扭转速度反而要慢一些。
 
因此屏幕刷新率还受液晶材料的限制,现在很多手机厂商就推出了很多高频率刷新手机屏,显示动画更加细腻流畅,相信未来的显示技术会更加多样化,给我们带来更佳的体验感。
 
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世界之大,只有你想不到,没有做不到。

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