液晶显示器原理

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1、 电 视 技 术第40讲 液晶显示原理主要内容1、TN型液晶彩电原理 2、TFT型液晶彩电原理 3、STN型液晶彩电原理 4、液晶显示器发光原理 5、液晶电视成像原理1电 视 技 术液晶显示器的种类 目前开发的液晶显示器有TNLCD(Twisted Nematic-LCD， 扭曲向列LCD)、STN-LCD(Super TN-LCD，超扭曲向列LCD)、 DSTNLCD(Double layer STN-LCD双层超扭曲向列LCD)和 TFT-LCD(Thin Film Transisto-LCD)薄膜晶体管LCD四种。各种类 型LCD的特点和用途如下： (1)TN-LCD由于无法显示细腻的字

2、符，目前基本上被淘汰， 只作为电子表和计算机显示。 (2)STN-LCD的液晶分子扭曲角度为180o270o，由于扭转角 度较大，字符显示细腻，同时也支持基本的彩色显示，多用于液 晶电视、摄像机的液晶显示器、掌上游戏机等。 (3)DSTN-lED由于支持的彩色数有限，多用于早期的笔记本 计算机。 (4)FFT-IED则采用与TN系列LCD截然不同的显示方式，性能 较好，被广泛用于笔记本计算机和台式显示器。 2电 视 技 术TN型液晶彩电的原理 TN型Twisted Nematic即扭曲向列型液晶彩电是在两片平行放置的 偏光板之间 充填了一定数量的具有电特性和光特性的液晶混合物。这两片偏 光板的

3、偏光方向是相互垂直的。液晶分子在偏光板之间排列成多 层，如图所示。 3电 视 技 术在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，它可以在任何方向平移，也可以 在其中一个方向旋转，但长轴取向始终是平行于偏光的。所以TN被称为向列 型液晶。在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90。其中， 邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向，与所邻接的偏光板的偏振光方向一致 。所以呈现这种扭曲排列，被称为扭曲向列型液晶彩电。液晶分子具有一定的电特性，分子在电场中通常会充电，之后极化，最终 得到一个对准电场方向的正、负两极。一旦通过电极给液晶分子加电，由于受 到外界电压的影响，液晶分子在两片玻璃之问的排列形式

4、得以改变。而液晶电 视夹层内贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟 槽排列相同。在正常情况下，光线从上向下照射时，只有一个角度的光线能够 穿透下来，通过上偏光板将光线导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转 排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透路径。这就是液晶的光 学和电光学的特性。由于在两片玻璃板之间可以划分出不同的区域，且每一个区域都用电场进 行控制，这些不同的区域叫子像素。不同彩色滤光片放不同彩色滤光片放在每 个子像素的后面，当光透过时，就可以显示出全色的图像来。 4电 视 技 术TFT型液晶彩电的原理 TFT型液晶彩电的原理与TN型彩电的原理大致相同，

5、也是由玻璃基板 、ITO膜、配向膜、偏光板等组成，采用两夹层间充填液晶分子设计的。液 晶分子在加电后排列状态的变化，及透光过程都与TN型液晶彩电一样，所 不同的主要有以下几点： (1)将TN上部夹层的电极改为了唧晶体管，而下部夹层改为了共通电极 . (2)哪型彩电的显示器采用背透式照射方式，即假想的光源路径，不是 像TN型液晶那样从上至下，而是从下至上，在光源设计上与日光灯的原理 相同，先向下照射再通过偏光板反射向上透出。由于聊晶体管具有电容效 应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持夹层内液晶分子 的排列状态，直到FET晶体管电极下次再加电才能改变液晶的排列位置。 (3)TFTLC

6、D属于有源矩阵控制，由于每个像素都可以通过点脉冲直 接控制，因而各个节点相对独立，并可连续控制，这样不仅提高了反应时 间，同时在灰度控制上可以做到非常精确。当开关打开时，LCD分子就排 列成允许背景光源透射出来的格局。投射出来的光线通过一个彩色的RGB 滤光器加以处理，就能在屏幕上显示出彩色来 5电 视 技 术STN型液晶彩电的原理 STN型是一种超扭转式向列场效应液晶显示器，其显示 原理与TN基本相同，所不同的主要有以下三点： (1)入射光旋转角度不同。TN的液晶分子是将入射光旋 转90。，而STN的液晶分子是将入射光旋转18002700 ，如图25所示。 (2)显示的色调不同。TN液晶显示

7、器本身只能显示黑白 两种色调，而STN液晶显示器显示的色调以淡绿和橘黄 为主，加上彩色滤光片后可显示出全色。 (3)屏幕大小的显示效果不同。TN液晶显示器屏幕越大 ，效果越差。而 STN液晶显示器由于在制作材料和制作 工艺上作了一些改进，其屏幕做大时，显示效果也较好 。 6电 视 技 术STN型液晶彩电的原理7电 视 技 术液晶显示器的发光原理 液晶显示器是在两片玻璃板之间制作了很多 空隙，分别在里面注入液晶分子，在玻璃板后方 设置了一组荧光灯管，如图2-6所示。荧光灯管 发出的光经由一组棱镜片与背光模块，将光源均 匀地传送到前方。 由于两个电极之间的电场的驱动，引起液晶 分子扭曲向列的电场效

8、应，以控制光源透射或遮 蔽，在电源开关之间产生明暗变化，而将接收到 的影像信号显示出来，并通过彩色滤光片，显示 出彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向膜，控 制液晶分子沿着偏光板做90。的扭转，当玻璃基 板没有加入电场时，光线透过偏光板，液晶面板 显示白色，如图27所示。当玻璃基板加入电场 时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子 空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线无 法透出，液晶面板显示黑色。 8电 视 技 术液晶显示器的发光原理9电 视 技 术液晶电视的成像原理 液晶电视的显示屏是在两片具有导电特性的玻璃板之间充 入一层液晶材料，即液晶分子，液晶分子具有加热时为液态， 冷却时就结晶为固

9、态的特性，当外界环境变化时，它的分子结 构也会发生变化，从而就能实现通过或阻挡光线的目的。 由于被充入的液晶物体内含有超过200万个红、绿、蓝三色 液晶光阀，当液晶光阀在低电驱动下激活后，位于液晶屏后的 背光灯发出的光束从液晶屏通过，产生1024 X 768点阵(点距为 o297mm)和分辨率极高的图像。同时，先进的电子控制技术使 液晶光阀产生1677万(256256256)种R、G、B颜色变化，还 原真实的亮度、色彩度，并再现纯 真的图像。 简单地说，液晶电视的成像原理就是在玻璃板内充有液晶 分子，屏内有许多交错成格状的微线路，以电极控制液晶分子 的走向，从而折射光线产生颜色和画面，相关结构

10、如图28所示 10电 视 技 术液晶电视的成像原理11电 视 技 术液晶显示器中的背光灯 因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边设 有作为光源的灯管，而在 液晶显示器的背面设有一块 背光板(或均匀光板)和反光膜，背光板是由荧光物质组 成的可以发射光线，其主要作用是提供均匀的背景光 源。背光板发出的光线 在穿过第一层偏振过滤层之后 进入包含成千上万的液晶颗粒的液晶层，射人液晶物 质中，液晶物质受电场的控制。 液晶显示屏光源的亮度及均匀度的好坏，对亮度和 画质有着直接的影响，生产厂家曾对光源作了比较大 的改进，早期生产的液晶显示屏中只有两个冷光源灯 管，而近期生产的液晶显示屏使用了四个冷光源灯

11、管 ，使亮度和画质有了更大的改善。 12电 视 技 术液晶显示器是怎样驱动的 在一个液晶显示器中，左右两个电极是排列在液晶同 一侧的，当没有施加电 场时，所有的分子都指向同 一方向。当在两个电极施加电场后，液晶分子的排列 就马上改变。这个施加电场的过程就是对液晶显示器 的驱动过程。 根据液晶显示器结构的不同，其驱动方式不一样， 可分为段电极驱动、无源矩阵电极驱动和有源矩阵电 极驱动。段电极驱动就是Y电极驱动，液晶显示面板 分为x、Y电极两组驱动线，其中x电极称为背电极， Y电极称为段电极。无源矩阵电极驱动可显示图像， 但多路驱动时有串扰，有源矩阵电极驱动(像素独立 寻址，多路驱动无串扰，阈值陡

12、，对彩显液晶显示器 的驱动，多采用有源矩阵电极驱动方式)。 13电 视 技 术TN型液晶显示器的内部结构 TN型即扭曲向列型液晶显示器是在一对平行放置的偏光板 间填充液晶，这一对偏光板的偏振方向相互垂直。液晶分子在 偏光板间分多层排列。通过取向膜使靠近偏光板的液晶分子平 行于偏光板偏振方向排列。取向膜是用绒布类材料高速磨擦得 到的，它的表面形成了很多槽，起到可以将液晶分子固定取向 的作用。 将液晶灌注在取向膜的表面，液晶长轴会自然地对准取各 膜上的槽沟，这就是液晶分子的第一层排列，在第一层上再排 列第二层、第三层逐步积累，形成一个立体的液晶层，如图2- 9所示为扭曲向列(1N)型液晶显示器偏光

13、示意图，在不同层间， 液晶分子的长轴在偏光板平行平面内连续扭转90。，(见图2 9a)与射出偏光板垂直的直线偏振光，当垂直射向无外加电场时 ，入射光将其偏振方向随液晶分子轴的扭曲而旋转射出。 若对液晶施加适当的电场，液晶分子的排列即改变，如图 中29b所示。液晶分子长轴将改变为与电场方向平行，此时液 晶分子不再使光偏振而旋转，而是将光遮断。 14电 视 技 术TN型液晶显示器的内部结构15电 视 技 术彩色液晶显示器的结构 彩色液晶显示器的基本结构与单色液晶显示器相同，它只 是多了一个红、绿、蓝三色滤光器。采用彩色滤光器方式LCD 的结构如图210所示。 彩色滤光器的透过率与背光灯的发光强度有

14、关，其透过率与 红、绿、蓝三基色荧光光谱如图211所示。 16电 视 技 术TFT-LCD驱动矩阵的结构 TFT(Thin Film Transistor薄膜场效应晶 体管)一LCD，是在两片玻璃板之间封封入液晶 ，在下玻璃板上配置有扫描线与寻址线，将其 组成一个矩阵，在其交点上再制作TFT有源器 件和像素电极，如图212所示。当行线 Xi(i=1，2，3，n)加上高压电平脉冲时， 连接在Xi上的TFI“全部被选通，图像信号经缓 冲器同步加到源极母线(Y1Ym)上，经TFT号 电荷加到液晶像素。Xi每帧被选通一次，Yl Y。每行都被选通。 17电 视 技 术TFT-LCD驱动矩阵的结构18电

15、视 技 术彩色TFT-LCI)有源矩阵显示器的结构 彩色TFF-LCD显示器是在单色TFT显示器的基础上 制作了上面与下面矩阵像素对应的R、G、B三种颜色的 彩色膜，最后将其两基板对齐、封盒、灌注、堵孔处 理，即制成了TFT器件，如图213所示。 TFT-LCD与TNLCD的结构大致相同，只是把 TN上部夹层的电极改为TFT(场效应晶体管)，而下层 改为共电极。 19电 视 技 术TFT-LCD显示器的驱动电路 TFT-LCD显示器是一种薄膜晶体管 显示器，属于有源矩阵液晶显示器的一 种。其驱动电路主要包括行扫描驱动器 、768位移位寄存器和768位缓冲驱动器 。 扫描驱动信号通过768位移位寄存器 产生与列信号同步的逐行扫描信号，经 缓冲器加到每行TFT的栅极，通过移位去 逐行打开TFT，实现行扫描驱动 20电 视 技 术液晶电视的电路结构和工作流程 如图2-14所示是典型的液晶电视整机原理框图。主要由模拟信 号处理模等10个部分构成。 RF电视信号、CVBS复合电视信号、s-Video信号、色差分量信 号等经模拟电视信号处理模块处理后，形成模拟Y、U、V(或R、G、 B)信号及行场同步信