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    液晶顯示屏顯示彩色原理是什么?

    發布日期:2020-08-19 16:00:31

    液晶顯示屏顯示彩色原理是什么?


     

            我們通常戴的電子手表,顯示界面就是一小塊液晶顯示屏,液晶顯示屏功耗低使用方便,使得液晶顯示屏被廣泛使用,特別是電池供電的電子設備,下面和大家談談,液晶顯示屏的工作場景和工作原理以及驅動方法。液晶是一種幾乎透明的物質,光線穿透液晶的路徑由構成它的分子排列決定,這是固體的一種特征。給液晶充電會改變它的分子排列,繼而造成光線的扭曲或折擋。
     
    學校舉行運動會使用的秒表,顯示界面就是液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯著特點就是省電,電池供電的設備顯示屏的優選。液晶顯示屏也有很多種類,TN就是扭曲項列型,也是基本型的,價格低廉,IPS廣視角屏,屬于少高檔的,價格相對貴。常見的電路是使用驅動IC ,比如1621來驅動液晶,因為液晶和LED屏驅動方法不同,不能夠簡單的給其管腳電壓就可以點亮,需要使用正負交替的波形來驅動。為了節省驅動成本,簡單的液晶屏,也就是只有幾個點或者十幾個點的屏,也通常采用直接用單片機IO口模擬波形驅動的方法,成本低廉,性能也比較穩定。

    1. 液晶顯示器(LCD) 目前科技信息產品都朝著輕、薄、短、小的目標發展,在計算機周邊中擁有悠久歷史的顯示器產品當然也不例外。在便于攜帶與搬運為前題之下,傳統的顯示方式如CRT映像管顯示器及LED顯示板等等,皆受制于體積過大或耗電量甚巨等因素,無法達成使用者的實際需求。而液晶顯示技術的發展正好切合目前信息產品的潮流,無論是直角顯示、低耗電量、體積小、還是零輻射等優點,都能讓使用者享受最佳的視覺環境。
     
    2. 液晶的誕生 要追溯液晶顯示器的來源,必須先從「液晶」的誕生開始講起。在公元1888年,一位奧地利的植物學家,菲德烈.萊尼澤(Friedrich Reinitzer)發現了一種特殊的物質。他從植物中提煉出一種稱為螺旋性甲苯酸鹽的化合物,在為這種化合物做加熱實驗時,意外的發現此種化合物具有兩個不同溫度的熔點。而它的狀態介于我們一般所熟知的液態與固態物質之間,有點類似肥皂水的膠狀溶液,但它在某一溫度范圍內卻具有液體和結晶雙方性質的物質,也由于其獨特的狀態,后來便把它命名為「Liquid Crystal」,就是液態結晶物質的意思。不過,雖然液晶早在1888年就被發現,但是真正實用在生活周遭的用品時,卻是在80年后的事情了。 公元1968年,在美國RCA公司(收音機與電視的發明公司)的沙諾夫研發中心,工程師們發現液晶分子會受到電壓的影響,改變其分子的排列狀態,并且可以讓射入的光線產生偏轉的現象。利用此一原理,RCA公司發明了世界第一臺使用液晶顯示的屏幕。爾后,液晶顯示技術被廣泛的用在一般的電子產品中,舉凡計算器、電子表、手機屏幕、醫院所使用的儀器(因為有輻射計量的考慮)或是數字相機上面的屏幕等等。 令人玩味的是,液晶的發現比真空管或是陰極射線管還早,但世人了解此一現象的并不多,直到1962年才有第一本,由RCA研究小組的化學家喬.卡司特雷諾(Joe Castellano)先生所出版的書籍來描述。而與映像管相同的,這兩項技術雖然都是由美國的RCA公司所發明的,卻分別被日本的新力(Sony)與夏普(Sharp)兩家公司發揚光大。
     
    3. 什么是液晶 液晶顯示器是以液晶材料為基本組件,由于液晶是介于固態和液態之間,不但具有固態晶體光學特性,又具有液態流動特性,所以已經可以說是一個中間相。而要了解液晶的所產生的光電效應,我們必須來解釋液晶的物理特性,包括它的黏性(visco-sity)與彈性(elasticity)和其極化性(polarizalility)。液晶的黏性和彈性從流體力學的觀點來看,可說是一個具有排列性質的液體,依照作用力量不同的方向,應該有不同的效果。就好像是將一把短木棍扔進流動的河水中,短木棍隨著河水流著,起初顯得凌亂,過了一會兒,所有短木棍的長軸都自然的變成與河水流動的方向一致,這表示著次黏性最低的流動方式,也是流動自由能最低的一個物理模型。 此外,液晶除了有黏性的反應外,還具有彈性的反應,它們都是對于外加的力量,呈現了方向性的效果。也因此光線射入液晶物質中,必然會按照液晶分子的排列方式行進,產生了自然的偏轉現像。至于液晶分子中的電子結構,都具備著很強的電子共軛運動能力,所以當液晶分子受到外加電場的作用,便很容易的被極化產生感應偶極性(induced dipolar),這也是液晶分子之間互相作用力量的來源。而一般電子產品中所用的液晶顯示器,就是是利用液晶的光電效應,藉由外部的電壓控制,再透過液晶分子的折射特性,以及對光線的旋轉能力來獲得亮暗情況(或著稱為可視光學的對比),進而達到顯像的目的。
     
    4. 液晶顯示器的種類 液晶顯示器,英文通稱為LCD(Liquid Crystal Display),是屬于平面顯示器的一種,依驅動方式來分類可分為靜態驅動(Static)、單純矩陣驅動(Simple Matrix)以及主動矩陣驅動(Active Matrix)三種。其中,被動矩陣型又可分為扭轉式向列型(Twisted Nematic;TN)、超扭轉式向列型(Super Twisted Nematic;STN)及其它被動矩陣驅動液晶顯示器;而主動矩陣型大致可區分為薄膜式晶體管型(Thin Film Transistor;TFT)及二端子二極管型(Metal/Insulator/Metal;MIM)二種方式。(詳細的分類請參考附圖)TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉原理之不同,在視角、彩色、對比及動畫顯示品質上有高低程次之差別,使其在產品的應用范圍分類亦有明顯區隔。以目前液晶顯示技術所應用的范圍以及層次而言,主動式矩陣驅動技術是以薄膜式晶體管型(TFT)為主流,多應用于筆記型計算機及動畫、影像處理產品。而單純矩陣驅動技術目前則以扭轉向列(TN)、以及超扭轉向列(STN)為主,目前的應用多以文書處理器以及消費性產品為主。在這之中,TFT液晶顯示器所需的資金投入以及技術需求較高,而TN及STN所需的技術及資金需求則相對較低。
     
    5. 液晶顯示器的運作原理 如以上所提,目前液晶顯示技術大多以TN、STN、TFT三種技術為主軸,因此我們就這從這三種技術來探討它們的運作原理。 TN型的液晶顯示技術可說是液晶顯示器中最基本的,而之后其它種類的液晶顯示器也可說是以TN型為原點來加以改良。同樣的,它的運作原理也較其它技術來的簡單,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造圖,包括了垂直方向與水平方向的偏光板,具有細紋溝槽的配向膜,液晶材料以及導電的玻璃基板。 其顯像原理是將液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導電玻璃間,液晶分子會依配向膜的細溝槽方向依序旋轉排列,如果電場未形成,光線會順利的從偏光板射入,依液晶分子旋轉其行進方向,然后從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之后,兩片玻璃間會造成電場,進而影響其間液晶分子的排列,使其分子棒進行扭轉,光線便無法穿透,進而遮住光源。這樣所得到光暗對比的現象,叫做扭轉式向列場效應,簡稱TNFE(twisted nematic field effect)。在電子產品中所用的液晶顯示器,幾乎都是用扭轉式向列場效應原理所制成。STN型的顯示原理也似類似,如下圖,不同的是TN扭轉式向列場效應的液晶分子是將入射光旋轉90度,而STN超扭轉式向列場效應是將入射光旋轉180~270度。 要在這邊說明的是,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液晶顯示器牽涉液晶材料的關系,以及光線的干涉現象,因此顯示的色調都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片(color filter),并將單色顯示矩陣之任一像素(pixel)分成三個子像素(sub-pixel),分別透過彩色濾光片顯示紅、綠、藍三原色,再經由三原色比例之調和,也可以顯示出全彩模式的色彩。另外,TN型的液晶顯示器如果顯示屏幕做的越大,其屏幕對比度就會顯得較差,不過藉由STN的改良技術,則可以彌補對比度不足的情況。
     
    6. 液晶屏幕的驅動方式 在TN與STN型的液晶顯示器中,所使用單純驅動電極的方式,都是采用X、Y軸的交叉方式來驅動,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時間可能就會比較久。而為了讓屏幕顯示一致,整體速度上就會變慢。講的簡單一點,就好像是CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快,那是使用者就會感到屏幕閃爍、跳動;或著是當需要快速3D動畫顯示時,但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,而且并不適合拿來看電影、或是玩3D游戲。 為了改善此一情形,后來液晶顯示技術采用了主動式矩陣(active-matrix addressing)的方式來驅動,這是目前達到高數據密度液晶顯示效果的理想裝置,且分辨率極高。方法是利用薄膜技術所做成的硅晶體管電極,利用掃描法來選擇任意一個顯示點(pixel)的開與關。這其實是利用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。 如上圖,在TFT型液晶顯器中,導電玻璃上畫上網狀的細小線路,電極則由是薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開關,在每個線路相交的地方則有著一弄控制匣,雖然驅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得到足以驅動液晶分子的電壓,使液晶分子軸轉向而成「亮」的對比,不被選擇的顯示點自然就是「暗」的對比,也因此避免了顯示功能對液晶電場效應能力的依靠。
     
    7. TFT型液晶顯示器的運作原理 TFT型的液晶顯示器較為復雜,主要的構成包括了,熒光管、導光板、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。首先液晶顯示器必須先利用背光源,也就是熒光燈管投射出光源,這些光源會先經過一個偏光板然后再經過液晶,這時液晶分子的排列方式進而改變穿透液晶的光線角度。然后這些光線接下來還必須經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的光線強度與色彩,并進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。

     

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