液晶的光学性质

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1、液晶的光学性质液晶的光学性质LCD (Liquid Crystal Display)对于许多的用户而言可能是一个比较新鲜的名词，不 过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想象 在 1888 年，一位奥地利的植物学家 F. Renitzer便发现了液晶特殊的物理特性。在85年之后，这一发现才产生了商业价值，1973年日本的 夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示。现在，LCD是笔记本电脑和掌上电脑的主要显 示设备，在投影机中，它也扮演着非常重要的角色，而且它开始逐渐渗入到桌面显示器市场中。 液 晶得名于其物理特性：它的分子为晶体，不过以液态存在而非固态。大多数液晶都属于有机复合物。 这

2、些晶体分子的液体特性使得它具有两种非常有用的特点：如果你让电流通过液晶层，这些分子将会 以电流的流向为方向进行排列，如果没有电流，它们将会彼此平行排列。如果你提供了带有细小沟槽 的外层，将液晶倒入后，液晶分子会顺着槽排列，并且内层与外层以同样的方式进行排列。 液晶的 第三个特性是很神奇的：液晶层能够使光线发生扭转。液晶层表现的有些类似偏光器，这就意味着它 能够过滤掉除了那些从特殊方向射入的光线以外所有的光线。此外，如果液晶层发生了扭转，光线将 会随之扭转，以不同的方向从另外一个面中射出。 液晶的这些特点使得它可以被用来当作一种开关 即可以阻碍光线，也可以允许光线通过。液晶单元的底层是由细小的脊

3、构成的，这些脊的作用是让 分子呈平行排列。上表面也是如此，在这两侧之间的分子平行排列，不过当上下两个表面之间呈一定 的角度时，液晶为了随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲。结果便是这个扭曲了的螺旋 层使通过的光线也发生扭曲。 如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样 就会消除光线的扭转。如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭转的光线通过了，而没有发 生扭转的光线将被阻碍。因此可以通过电流的通断改变 LCD 中的液晶排列，使光线在加电时射出， 而不加电时被阻断。也有某些设计为了省电的需要，有电流时，光线不能通过，没有电流时，光线通 过。 显示技术由于不同的应用目

4、的而分为不同的类型。有的是为了静态显示，比如道路标志和显示 牌，它们的显示信息是不变的。平面显示技术则被用于传递发生变化的显示信息，所以显示信息量的 大小就决定了所采用的显示技术类型。对于便携计算器等设备而言，由于所传递的信息量相对较低， 被称为“低信息密度”显示技术；对于计算机显示器而言，由于传递的信息量大，则相应被称为“高信息 密度”显示技术。 被动矩阵液晶显示技术 高信息密度显示技术中首先实现商品化的是被动矩阵显示 技术。它得名于控制液晶单元的开和关的简单设计。 被动矩阵液晶显示的驱动方式是由垂直与水平 方向的电极所构成，单独的液晶单元夹在彼此垂直的电极中间。因此，任何一组电极的驱动就会

5、在特 定的单元中引起电流通过。 被动矩阵显示画面的原理就是输入的信号依次去驱动每一排的电极，于 是当某一排被选定的时候，列向上的电极将被触发打开位于排和列交叉上的那些像素。这种方法比较 简单，而且对液晶屏的成本增加也不多。不过它也有缺点，如果有太大的电流通过某个单元，附近的 单元都会受到影响，引起虚影。如果电流太小，单元的开和关就会变得迟缓，降低对比度和丢失移动 画面的细节。早期，被动矩阵板依赖于扭转向列的设计。上层和下层的偏光板的偏振光方向呈90 度， 因此中间的液晶以 90 度进行扭转。这样制造的液晶板对比度很低、响应时间也很慢。这种方式运用 在低信息量显示时很好，不过被证明不适合计算机显

6、示。超扭转向列(SuperTwisted Nematic)方 法是通过改变液晶材料的化学成分，使液晶分子发生不止一次的扭转，光线扭转达到 180 度到 270 度，这样便会极大地改善画面的显示质量。80年代初期STN技术一度非常流行，至今它还在便携设 备如PDA,蜂窝电话中使用。虽然STN技术提高了显示的对比度，不过它会引起光线的色彩偏差， 尤其是在屏幕偏离主轴的位置上。这就是为什么早期的笔记本电脑屏幕总是偏蓝和偏黄的原因。为了 解决这一问题，双层超扭曲向列型显示技术DSTN出现了，它具有两层扭转方向相对的LCD层，第 二层使得第一层遗留的色偏问题得以解决。当然它的制造工艺比前两种方式要复杂的

7、多。 后来人们 发现了比DSTN更简单易行的方法一在底层和顶层的外表面加上补偿膜，来改善STN技术中所产 生的特定波段光线的散射和反射现象，这就是补偿膜超扭转向列Film-compensated STN (FSTN)。FSTN 的显示效果和 DSTN 相当，但价格和工艺难度大大降低，所以现在大多数被动式 LCD 都采用 了 FSTN技术。为了进一步改善FSTN技术的LCD显示效果，人们又于90年代初期提出了双扫描 概念。所谓双扫描，就是将面板水平对等地分为两部分，顶端和底端相对应的部分同时扫描，这就大 大提高了扫描的频率。双扫描解决了小电流、长时间使用的情况下常常产生的虚影现象。和主动矩阵 显

8、示相比显著提高了对比度、画质和响应时间，所以现在还广为低价位的笔记本电脑所采用。 主动 矩阵(Active Matrix)LCD被动矩阵LCD的最大问题是难以快速地控制单独的液晶单元，并以足够 大的电流保证来获得好的对比度、足够的灰度级和较快的响应时间，从而影响了动态影像的显示效果。 主动矩阵LCD通过单独地控制每个单元，很好地解决了上面的问题。与被动矩阵LCD相似，主动 矩阵 LCD 的上下表层也纵横有序排列着用铟锡氧化物做成的透明电极。所不同的是在每个单元中都 加入了很小的晶体管，由晶体管来控制电流的开和断。晶体管电极是利用薄膜技术而做成的。晶体管 利用了薄膜来形成半导体。薄膜晶体管LCD

9、(TFTLCD)也因此得名。晶体管可以迅速地控制每 个单元，由于单元之间的电干扰很小，所以你可以使用大电流，而不会有虚影和拖尾现象。更大的电 流会提供更好的对比度、更锐利的和更明亮的图像。 标准主动矩阵显示技术的缺点 1.视角 在传统 的 CRT 显示器或电视机中，图像的显示是通过发光物体磷来实现的，光线从这一层向各个方向 发射，只是强弱稍有不同而已。因此，你可以从一个很大的可视角范围来观看屏幕，无论从哪个角度 去观察，显示的亮度、色彩都和正视效果相近。 LCD 和其它大多数显示技术，都需要强的背景光线 穿过液晶层或者其它显示层来形成图像，从而完成图像的传递过程。LCD的特性决定了它所需的背景

10、 光是定向的。举一个形象的例子来说，就好比你手中握有一把吸管，它们的一端对准光源。如果你通 过另一端直视吸管，你将会看到光源射出的光线。但是如果你稍微移开眼睛，从其他的方向去看的话， 你就无法观察到光线了。LCD技术正是如此。虽然液晶分子并不象吸管一样是中空的，但是它们的有 序排列阻止了光线向其它方向发射。 为了解决视角问题，制造商们也想出了许多方法。直接在显示 屏外面附加一层漫射膜是办法之一，漫射膜可以将特定传播方向的光线散射向各个方向，从而增大可 视角度。不过这种方法只能达到一定程度的改善。另一种做法是改变通过液晶的电流方向来增大可视 角度。电流不再是从顶端流向底端，而是从侧面方向流过。这

11、就使得液晶分子在水平方向上有序排列， 从而增大了传递光线的可视角度。这两种技术通常用在水平可视角度的改善上。 第三种解决方案比 较复杂，而且会使制造成本大大增加。主要方法是将每个液晶单元分割成大量微小的部分，事先将这 些微小子单元以不同的方向倾斜，这就使得传播光线在到达这些微小面板的时候向各个方向散射，从 而增大可视角度。昂贵的成本限制了它的广泛使用，仅在一些具有需要同时从远处和近处观察的桌面 显示器中应用了这种技术。 2.显示色彩 LCD 显示的一个重要的技术指标是显示色彩。 CRT 显示器 所能表现出的色彩几乎是无穷的，因为它是模拟设备。只需改变红绿蓝三种模拟信号的强度，你就可 以得到不同

12、的色彩。与CRT 一样,LCD技术也是根据电压的大小来改变亮度，但是只有主动矩阵LCD 可以单独控制每个像素，被动矩阵 LCD 每次都要驱动整行或整列像素，因此它的灰度级表现能力很 差。每个LCD的子像素显示的颜色取决于色彩过滤器。由于液晶本身没有颜色，所以用滤色片产生 各种颜色，而不是子像素，子像素只能通过控制光线的通过强度来调节灰度，只有少数主动矩阵显示 采用模拟信号控制，大多数则采用数字信号控制技术。大部分数字控制的LCD都采用了 8位控制器， 可以产生256级灰度。每个子像素能够表现256级，那么你就能够得到256x3种色彩，每个像素能 够表现 16,777,216 种颜色。因为人的眼

13、睛对亮度的感觉并不是线性变化的，人眼对低亮度的变化更 加敏感，所以这种 24 位的色度并不能完全达到理想要求。工程师们通过脉冲电压调节的方法以使色 彩变化看起来更加统一。 制造商还采用了两种技术来提高主动矩阵显示中每个液晶单元的灰度显示 数目。第一种是抖动方法。将四个毗连呈正方形的像素作为一个单元，如果其中一个的灰度太低，那 么相邻的像素就会提高自身的亮度，从而显示出一个比较适中的灰度，四个像素最后会显示出三个适 中的最终灰度作为显示结果。这种方法的最大缺点在于降低了显示的分辨率。 另一项技术是框架速 率控制（FRC）或者暂时的高频振动。这种方法在显示每屏图像时多次刷新像素。与高频振动中将灰

14、度的混合用空间来显示不同，这种方法通过时间控制。如果显示一幅画面需要的时间分为很多帧,像素 就可以在帧的切换当中造成一种灰度的过渡态，四帧就可以造成三个过渡态。这种设计的优点是可以 不降低图像的分辨率，被广泛应用于现代的主动矩阵显示屏中。3响应速度LCD单元在控制信号到 达与变化完成之间存在滞后现象，这使得LCD在显示快速移动图像时与CRT相比具有一种先天的缺 陷。CRT的电子枪发射电子束到被激发的荧光粉发光之间几乎是瞬间的。这种时间滞后被称为“响应 时间”，其单位通常是毫秒。被动矩阵显示屏响应时间很长，约有150 毫秒或更多，所以不适于显示 诸如电影的移动画面。 在主动矩阵显示屏中像素响应时

15、间随设计的不同而异，主要受到几个因素影 响，包括用来驱动单元的电压，单元的厚度和使用的液晶材料。标准的主动矩阵显示屏一般有40 毫 秒的响应时间，也就是说每秒能显示25 帧。平面内转换增加了可视角度，但显示会变慢，一般有70 毫秒反应时间。Multi-domain显示屏更快一些，有25毫秒反应时间。4耗电量 主动矩阵式LCD显 示屏与CRT相比较小，需要很少的电量。事实上，它已经变成了便携式设备的标准显示器，从PDA 到笔记本电脑均广泛运用。但不管怎样，LCD技术还是可悲的效率低下：即使你将屏幕显示白色，从 背景光源中发射的光也只有不到 10%穿过屏幕发出，其它的都被吸收。 笔记本电脑的低效迫

16、使其设 计者面临一些艰难的选择。如果你希望在户外这样强光环境下图像更明亮，你就需要一个更亮的背景 光源，这比暗一些的要求更多的电力。如果你使用的电池容量一定，更亮的背景光源就会在较短的时 间内耗尽电源。 设计者用更大的电池容量解决这个问题，但是对于目前的电池技术来说，就意味着 设备重量的增加，对消费者的吸引力就会下降。这三者之间的三角平衡推动着显示屏、电池及节能技 术的研究。总而言之，背景光源所耗能量是LCD显示屏总耗电量的最大部分。更大的屏幕、更高的 亮度和更高的分辨率都将使笔记本显示屏的耗电量大大增加。另一方面，技术进步通过降低系统电压 和提高孔径比使更多的光能通过液晶单元，降低系统的电源需求。结果是，笔记本显示屏的总耗电量 维持在2到5瓦之间。一根管子的背景光源大约需要1.2瓦，所以根据使用一只或两只管子一个屏幕 中共需要1.2或2.4瓦的能量。PDA，如Palm和Compaq iPAQ常使用反射显示屏。这意味着环境 光射进显示器中，穿过极化的液晶层，碰撞反射层，再反射出来显示成图像。据估计，在此过程中 84% 的光被吸收，所以只有六分之一的光起作用，虽然