LCD液晶显示器的基本结构和成像原理

1888年，奥地利植物学家莱昂尼兹（Leonizl）发现了液晶. 它是一种奇怪的有机化合物，具有两个熔点. 当将固体晶体加热到145℃时，其熔化成液体. 但是它是浑浊的，融化时所有纯净的物质都是透明的. 如果继续加热到175°C，它似乎会再次融化，成为澄清透明的液体. 后来，德国物理学家莱曼（Lehmann）用他的个人设计观察了这些脂质化合物，成为当时最新的带有加热装置的偏光显微镜. 他发现，虽然这种白色混浊的液体在外观上是液体，但它显示出各向异性晶体的双折射特性. 因此莱曼将其命名为“液晶”，这就是“液晶”名称的由来. Lenize和Lehman后来被称为LCD之父. 自从发现液晶以来，人们不知道它的用途. 直到1968年，人们才将其用作电子行业的材料.

自1968年第一台LCD显示器诞生以来，LCD的技术发展经历了五个阶段:

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第一阶段（1968-1972）

1968年，美国RCA公司开发了动态散射型液晶显示器，并在1972年生产了动态散射型液晶手表. LCD技术从此进入了实用阶段.

第二阶段（1971-1984）

1971年，瑞士向列型向列（TN）液晶显示器的发明者被日本制造商工业化. 由于TN-LCD的低制造成本，它成为1970年代和1980年代液晶产品的主流.

第三阶段（1985-1990年）

1985年以后，由于超扭曲（STN）液晶显示器的发展以及非晶硅薄膜晶体管液晶显示技术的发明，LCD技术进入了大容量显示阶段.

第四阶段（1990-1995）

基于有源矩阵液晶显示器的飞速发展，LCD技术已经开始进入高质量液晶显示器的阶段.

第五阶段（1996年之后）

LCD已广泛用于笔记本计算机中. 自1998年以来，TFT-LCD产品已进入显示器市场. 视角，色彩饱和度和亮度方面的问题已经基本解决了困扰液晶的三个主要问题.

液晶及其分类

将具有机械流动性且光学上具有结晶性的物质称为流动结晶液晶.

液晶分为两类: 溶致液晶和热致液晶. 用作显示技术的液晶都是热致液晶.

在温度T1以下，它变为固体（晶体）. T1被称为液晶的熔点. 当温度高于T 2时，其变为澄清透明的各向同性液态. T2被称为液晶的透明点. LCD的工作极限温度范围基本上由T1和T2决定.

近晶液晶分子是二维有序的. 分子排列成层. 层中分子的长轴相互平行，排列整齐. 重心在同一平面上. 方向可以垂直于平面或倾斜于平面布置. 层的厚度等于分子的长度，并且层之间的距离可以改变. 该分子只能在该层中前后滑动，而不能在上层和下层之间移动. 近晶型液晶的粘度和表面张力比较大，对外界电，磁和温度的变化不敏感.

p向列液晶分子仅具有一维顺序. 分子的长轴彼此平行，但它们不是分层排列的. 它们可以上下，左右，前后滑动，并且只能在分子长轴方向上保持平行或几乎平行. 分子之间的短程相互作用较弱，向列型液晶分子的排列和运动相对自由，并且它们对外部电，磁场，温度和应力更敏感. 它们是当前显示设备的主要材料.

胆甾型液晶是衍生自胆固醇的液晶. 分子排列成层，层中的分子彼此平行，分子的长轴平行于层的平面. 在不同层中的分子的分子长轴方向略有变化，彼此相邻. 两层分子的长轴彼此之间有微小的扭曲角（约15分钟）. 这些层被扭曲成螺旋状. 360º旋转的层之间的距离称为间距，该间距大致等于可见光的波长. 胆甾相实际上是向列相的变形状态，这是因为胆甾相层中的分子的长轴也取向为彼此平行. 只是优选的取向以固定的角度从一层旋转到另一层. 当堆叠在一起时，形成螺旋布置. 因此，将消旋向列型液晶加入胆甾相或以适当的比例混合左，右胆甾相可将胆甾相转变为向列相. 一定强度的电场和磁场也可以将胆甾型液晶转变为向列型液晶. 胆甾相容易受到外力的影响，并且对温度特别敏感. 温度会导致音高变化，并且其反射光的波长与音高有关. 因此，胆甾型液晶会随着热和冷而改变颜色.

LCD液晶显示器的基本结构和成像原理

1. 背光板: LCD的成像原理是通过阻挡液晶的光分量来控制亮度和暗度，因此必须有一个光源才能在屏幕上看到图像，因此背光板负责提供最基本的液晶显示屏. 光源.

2. 下偏光板: 来自背光板的光的方向性不一致并且会辐射. 如果这种光通过扭曲的液晶分子，我们仍然看不到屏幕上的正常图像，我们看到的可能是白色. 广阔的区域或色彩斑patches的色彩并不是我们想要看到的图像. 以下偏振器负责将光的方向标准化为相同方向，然后再将其发送到液晶层.

3. 薄膜基板: 液晶分子的扭曲角由TFT控制.

4. 液晶: 这层液晶分子在TFT的控制下扭曲，从而可以控制相同方向的光，从而改变了后像素单元的光亮度.

5. 彩色滤光片: 如果您幸运地记得1980年代，那么我相信您会记得，当时黑白电视屏幕前通常有一块彩色塑料板. 安装此塑料板后，黑白电视机似乎已变成彩色电视机. 我们可以看到，有时人的脸变粉红色，嘴唇变红，其他景色也带有颜色，尽管有时颜色并不逼真. 实际上，这块塑料是彩色滤光片.

液晶本身没有颜色，因此使用滤色器产生各种颜色. LCD屏幕中每个液晶子像素显示的颜色取决于滤色器，而不取决于子像素. 背光源发出白光，白光通过各种颜色的彩色滤光片后，我们可以看到在彩色滤光片的后面透射了与该彩色滤光片相对应的彩色光，因此在LCD显示器中，彩色滤光片是彩色的，对应于CRT显示器的荧光粉功能. 液晶子像素只能通过控制通过的光强度来调整灰度. 仅少数有源矩阵显示器使用模拟信号控制，而大多数使用数字信号控制技术. 大多数数字控制的LCD使用8位控制器（某些数字控制的10位控制器），可以产生256个灰度级. 每个子像素可以表示256个色阶，那么您可以得到256×3色，每个像素可以表示16,777,216色，这就是我们通常所说的16,777,216色. 由于人眼对亮度的感知不会线性变化，并且人眼对低亮度的变化更敏感，因此这种24位色度可以完全满足理想要求. 工程师使用脉冲电压调整来使颜色变化看起来更均匀.

6. 上偏振片: 穿过液晶层的扭曲后，光的原始方向不一致，因此，如果不重新调节散射光，屏幕仍将是白色. 被液晶扭曲的光不会被反射，因此在此必须对扩散的光进行正则化，并且使用与下偏振器的偏振方向正交的偏振器来重新偏转具有被液晶扭曲了. 穿过上偏振器的光的亮度不同，因此我们可以在屏幕上看到交替的明暗图像，因为偏转的光是已经穿过滤色镜的彩色光，因此我们可以看到图像需要在屏幕前.

没有上偏光片

上偏振片和不使用上偏振片的效果比较

添加偏光片的完整图片

LCD的彩色成像原理与CRT相同，并且各种颜色由红色，绿色和蓝色三种原色组成. 区别在于CRT通过用高速电子束撞击三基色荧光粉来生成彩色光，而LCD通过定期涂覆三基色滤镜来生成彩色. 通过控制滤色器的每个原色下的液晶分子，穿过液晶分子的光的亮度改变，从而具有不同亮度的原色可以模拟自然界中的各种颜色. 由于彩色滤光片位于上偏振片下方，因此需要在LCD屏幕上显示图像的视角，但是现在已经很好地解决了这个问题.

我们知道滤的原色排列是不同的. 根据滤原色的位置不同，必须相应改变相应液晶分子单元的控制顺序，否则显示的图像只能是模糊的屏幕.

上图中三个滤色器原色的条形布置是最简单的. 由于原色排列为垂直和水平线，因此控制相对简单. 然而，通过该排列顺序获得的图像不是完美的，看起来显示的线宽不均匀，并且图像的倾斜表面严重锯齿. 因此，已经开发了生片的马赛克布置. 这种布置可以更好地解决图像锯齿问题，但是这种布置顺序仍然不能解决细线显示的问题. 通过这种排列获得的图像线有时可能是正常的，但有时厚度会有所不同，因此产生了戴尔形的彩色滤光片排列. 这种布置可以解决锯齿和线宽均匀的问题. 但是，这种排列方式下液晶分子的控制是最复杂的.

液晶显示器的主要工作模式

液晶显示的基本原理派生出多种工作模式，主要有: TN模式，STN模式，FLC模式和液晶聚合物模式等. 目前，扭曲向列液晶（TN）约占逐步淘汰，超扭曲向列（STN）和有源矩阵（TFT）变得成熟和流行.

扭曲向列（TN）液晶显示器

扭曲向列（TN是Twisted Nematic的缩写），液晶是具有90º扭曲的向列液晶. 扭曲向列液晶显示器出现在1970年代. 除了液晶显示器所需的基本特性外，它们还具有高对比度，简单的制造技术和低成本的特性. 目前，这种液晶显示器主要用于计算器，时钟和仪器中. 目前，大多数国内LCD制造商都在生产此类产品.

扭曲向列（TN）液晶显示器是通过将扭曲向列（TN）液晶材料夹在两个ITO玻璃板之间而形成的. 液晶的厚度通常为5μm，并且其特定厚度与液晶材料的双折射一致. 相关地，利用液晶分子之间的相互作用力，在上下ITO玻璃基板上涂覆取向层. 取向层的表面，利用液晶分子与该表面平行摩擦取向方向，如图所示，倾斜角度为2-3°. 上下基板将取向方向摩擦到90º，从而使液晶分子扭曲到90º. 同时，将少量的手性剂材料混入液晶中以确定液晶分子的扭曲方向. 偏振器附接到上下玻璃基板的. 目前，它只能在电子表，计算器和简单的手持游戏机上使用.

薄膜晶体管（TFT）液晶显示器

薄膜晶体管（TFT）液晶显示器是通过将薄膜晶体管开关引入扭曲向列（TN）液晶显示器中而形成的有源矩阵显示器，从而克服了交叉干扰，信息少和写入速度快的问题. 无源矩阵显示器的缓慢等缺点大大提高了显示质量，使其适用于计算机高分辨率全彩显示器等领域. 当前使用的薄膜晶体管（TFT）基于非晶硅薄膜晶体管（α-SiTFTAM-LCD）的结构.

在下部玻璃基板上构建一个TFT阵列，每个像素的ITO电极连接到TFT漏电极，栅极连接到扫描总线，原始电源连接到信号总线. 当施加扫描信号电压时，原始源电极导通以将信号电压施加到存储电容器并对其充电，然后将存储电容器的信号电压施加到帧频内的液晶像素以使其在频闪状态. 再次寻址时，信号电压用于充电或放电. 这样，每个像素被薄膜晶体管开关元件隔离，这不仅防止了交叉干扰，而且确保了液晶的响应速度满足帧速率速度. 同时，通过存储的信息的大小获得灰度. 目前，灰度等级可以达到256. 获得1670万种颜色，可以获得几乎全彩色的显示. 自1990年代成立该行业以来，薄膜晶体管（TFT）液晶显示器的生产线已从第一代发展到第六代. 无需更换，基板玻璃的面积已大大增加，产量不断增加且成本不断降低. 例如，第七代TFT液晶显示器生产线的玻璃基板尺寸将达到1870 * 2200mm，并且当前的LCD TV屏幕可以制成94cm（37inch），最大尺寸为笔记本电脑的屏幕为38.1厘米（15英寸），显示器最大屏幕尺寸为63.5厘米（25英寸）. 薄膜晶体管（TFT）液晶显示器的另一发展趋势是更薄，更轻和更低的功耗. 基于新材料的发展，制造技术的创新，设备精度和自动化程度的提高以及软件技术的进步，薄膜晶体管（TFT）液晶显示产品的更换非常迅速.

LCD背光的结构和原理

背光的分类和灯的结构（灯）

＆lt; p＆gt;根据灯（管）的布置将背光源（以下称为B / L）分为直射型和侧
光型. 侧灯类型需要从灯的侧面向B / L的前面发光. 导光板的功能，但直接灯类型是从灯发出的光直接向B的前面发光. / L，因此不需要导光板.

TFT-LCD B / L光源中使用的管是阴极荧光灯（Cathode Fluorescent Lamp），它从外部被提供一定的电压，在阴极上发射电子，并扫描磷光体以产生可见光源. CFL的结构大致由玻璃板，电极，密封气体（Hg，Ar，Ne）和磷光体组成. CFL扫描由自密封的汞在玻璃管内壁上涂覆的磷光体上产生的紫外线，以产生可见光. 为了使少量汞易于启动，并防止阴极材料蒸发，将氩气密封在玻璃管中. 根据发射电子的机理，CFL的类型包括CCFL（冷阴极荧光灯）和HCFL（热阴极荧光灯）.

1. 灯: 从逆变器接收高压并产生可见光的光源. 主要使用CCFL（冷阴极荧光灯）和HCFL（热阴极荧光灯）

灯）.

2，灯壳: 从灯反射的光源，入射在导光板上. 用黄铜，铝和黄铜将银和其他材料附着起来以反射薄膜

3. 导光板（导光板）: 它主要由丙烯酸（PMMA）注塑成型或铸造而成. 它引导入射光源，并具有均匀分布光源的功能.

4. 反射镜: 主要在聚醚（PET）设备上，以减少入射在导光板上的光源的损耗，具有反射功能.

5. 柔光罩（Diffuser Sheet）: 主要由丙烯酸树脂在聚醚（PET）设备上制成球形，使来自导光板的光源均匀散射，同时起到集光的作用.

6. 底部棱镜: 它主要在聚醚（PET）设备上使用丙烯酸树脂来形成规则的棱镜形状并收集光. 亮度增加率为用户表面亮度的1.55倍.

7. 顶部棱镜: 具有与底部棱镜相同的功能，将亮度提高到底部棱镜表面的1.33倍.

棱镜相互交叉排列以收集X轴和Y轴方向的光源.

8，扩散器向上（保护膜）: 其结构与扩散器向下相同，主要目的是保护棱镜，也称为保护膜. 有必要使用透射型漫射器，这会在Top Prism的光收集器中造成一些光源损耗，但可用于减少Prism特性的缺陷.

LCD技术的前景

近年来，OLED，DMD，FED等非液晶平板显示器已逐渐成熟进入市场. 针对液晶显示器的某些缺点，例如亮度低和大屏幕显示困难，他们积极发起了液晶显示器的挑战. 最近，有人声称OLED将取代液晶显示器.

实际上，由于各种显示器的优缺点和特性不同，因此通常无法相互替换. 但是，使用自己的之一替换或影响另一种类型的显示设备是完全现实的. LCD必须面对这一挑战和竞争. 这种挑战和竞争不仅对液晶显示器产业构成威胁，而且是液晶显示器产业发展的动力.

未来，液晶显示器将努力在以下方面取得重大突破，以应对自身在应对其他类型显示设备挑战方面的不足:

1. 通过开发反射型显示器，改善背光，增加开口率和增加偏振片的透射率，可以提高显示器的亮度和对比度.

2. 改善材料，设备结构和技术，以提高液晶显示器的响应速度. 同时，将努力开发一些快速响应的新型液晶显示模式，使液晶显示器更好地满足视频显示的要求.

3. 狭窄的工作温度范围是由液晶材料决定的主要缺陷，因此只能从液晶材料中克服. 目前，已经开发出可以在零以上零下50度至90度下工作的液晶材料. 此将大大拓宽

4. 为了实现大屏幕显示，液晶显示器开辟了一种新的投影方式. 基于原始的透射型非晶硅TFT投影显示器，近年来，它已转变为多晶硅TFT投影显示器. 尽管多晶硅可以使开口率增加10％到15％以上，但显示亮度和清晰度得到了极大的改善，但并不理想. 为了与诸如PDP的大屏幕显示器竞争，近年来，液晶显示器开发了“硅上液晶” LCOS. 集成电路被用作基板，并且液晶被组装以形成反射型微液晶显示器. 通过外部光源的反射投影，可以实现50英寸到100英寸甚至更大的大屏幕显示.

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