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. . . . .目录绪论1第一章 显示用液晶材料21.1液晶的基础知识21.2 液晶的物理属性31.2.1液晶相的物态41.2.2液晶的电光效应(Electro-optic effect)41.3论文的主要研究课题4第二章 液晶显示器的基础知识52.1液晶显示器技术的发展史52.2液晶显示器的分类62.2.1按物理结构分类62.2.2按接口分类82.3 TFT-LCD简介82.3.1 什么是TFT，是如何工作的？82.3.2 TFT-LCD结构图92.3.3 TFT-LCD的显示原理92.3.4 TFT-LCD的玻璃基板的制造过程122.3.5 生产玻璃基板主要有三种制程技术122.4 液晶显示器的主要技术指标13第三章 液晶显示器视角窄的原因分析163.1 液晶显示器的成像原理163.2 液晶显示器件的驱动173.2.1液晶显示器件驱动原理173.2.2液晶显示器的寻址方式173.3被动矩阵式LCD工作原理183.4主动矩阵式LCD工作原理193.5液晶显示器视角狭窄的根本原因193.5.1LCD视角问题的由来193.5.2定性分析液晶显示器的视角问题18第四章 液晶显示器宽视角技术244.1液晶显示器宽视角技术的产生244.2现有的液晶显示器的宽视角技术244.2.1 TN+Film（TN+视角扩大膜）244.2.2 IPS（In-Plane Switching or Super-TFT）模式广视角技术274.2.3 MVA（Multi-Domain Vertical Alignment）广视角技术294.2.4 CPA模式广视角技术324.2.5 PVA广视角技术334.2.6 FFS（边缘场切换）广视角技术334.2.7 OCB宽视角技术35第五章 一种全新的液晶显示器宽视角技术375.1 FFS技术375.2 第三代FFS技术375.2.1传统的IPS模式的LCD395.2.2共面转换扭曲向列模式（IT）395.2.3边缘场开关模式（FFS）395.2.4一种改进的FFS模式415.2.5双边边缘场开关模式（DSFFS）42参考文献44致谢46绪论液晶走遍千家万户，应用之广泛是人所共知的，它已经深入到人类生活的每一个角落，它正改变着人类生活。比如日常生活中的手表、时钟、计算器、仪器仪表、家电、医疗器械、车船仪表、声象设备文体用品电脑、通讯设备视频图像显示和大画面显示等等。古代显示技术：特点是简单、直观，最久远地古代发明是火和光。人们利用火和光来照明、煮食、取暖驱兽和传递信息等，烽火台和狼烟都是一种用火和光传递信息的方式。现代显示技术：特点是光与电的结合，是光与近代科学成就的结合。所追求的目标是清晰、准确、实时、直观、方便、节能、携带信息量大，色彩和立体化等。它是近代科学发展的产物，是现代科学技术的一个重要组成部分。现代技术的基本特点：将各种非电量的信息，如声、光、热、力、数、气氛等信息源通过一定的传感器、处理器进行感知和处理，传输给显示装置，再由显示装置进行处理、转换，最后经由显示器件转换为人类视觉可识别的信息。所以我们称这种现代显示技术为信息显示技术。在信息显示技术中，人们发现了信息数字化的重要作用和意义。数字化的信息更加准确，同一性，更易传输和识别。很多信息可以直接由数字表示，从而数字化信息显示又成为信息显示的又一个重要内容。又从数字化显示发展到字符显示，它把人类特有的语言文字用于显示，这种显示与数字显示合在一起用途更广用量更大。在这同时，人们还希望用图形和图像进行显示，且显示的内容为五彩缤纷，并且可以实时活动和具有三维立体效果。这些在二十世纪尾声时都已经陆续实现。LCD的计算机器，手机，便携式计算机，半导体发光数码管显示（LED）的汽车计价器，商场的大屏幕广告，证券所的股票交易显示牌，荧光显示器件（VFD）显示的电子秤，家电，VCD，最新上市的平板等离子（PDP）显示的大彩电，以及CRT显示的彩电。这林林总总的各类显示正为你做着各种各样的服务，相信在不久的将来显示技术的发展将会为人类做出更大的贡献。第一章 显示用液晶材料1.1液晶的基础知识1）液晶的由来19世纪末，1888年奥地利的植物学家莱尼茨尔FReinitzer在作加热胆甾醇苯甲酸酯试验时发现，当加热使温度升到一定程度后结晶的固体开始溶解，但溶化后不是透明的液体，而一种呈混浊态的粘稠液体。当进一步升温时才变成透明的液体，他在偏光显微镜下观察发现这种液体具有双折射性，而双折射是固态晶体所具有的特殊性质。于是人们总结出了在一定温度范围内具有晶体所具有的各向异性造成的双折射，也具有液体所特有的流动性的物质肯定与传统所知的固态晶体与液体不同。它应该是一种不同于固体（晶体），又不同于液体（各向同性可流动的液态）和气体的特殊物质态。当时的德国的物理学家德曼D Leimann将其称为液态晶体，英文又称为“Liquid Crystal”液晶，简称为LC，用它制成的液晶显示器件称为LCD【1】。2）液晶的组成LCD使用的液晶，一般是指混和液晶，由多种液晶单体及手性剂混和而成。3）液晶的形成条件分类热致液晶：采用降温的方法,既将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序化，从而获得液晶态。熔致液晶：有机分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液晶。4)液晶的特性液晶分子中有带极性基团的和不带极性基团的，带极性基团分子的液晶单体主要决定混和液晶的阀值电压参数，不带极性基团分子的液晶单体主要决定混和液晶的折射率和清亮点。液晶中带极性基团的单体与不带极性基团的单体在静置条件下会出现同性异构体层析现象。5) 液晶的分类近晶型图1.1：棒状分子相互平行地排列成层状结构，分子的长轴垂直与层面。在层内，分子的排列具有二维有序性，分子的质心位置排列则是无序的，分子只能在本层内活动。在层间具有一维平移序，层间可以相互滑移。近晶型液晶的黏度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不易制作显示器件。向列型图1.2：向列相液晶的排列方式分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行。表现出液体的特征，具有流动性。胆甾型图1.3：在胆甾相中，长型分子是扁平的，依靠端基的相互作用，依次平行排列成层状。它们的长轴在平面上，相邻两层间分子长轴的取向规则地扭转在一起，角度的变化呈螺旋型。图1.1近晶型液晶态图1.2向列型液晶态图1.3胆甾型液晶态6) 影响液晶性能的主要参数清亮点、折射率n、阀值电压、纯净度、粘滞常数K、介电常数、螺距。1.2 液晶的物理属性物质三态：固态、液态、气态温度的作用：温度是分子无规则运动的量度。水的相图：固态 液态 气态 0 100 冰在零度时开始变成水落石出,固态变成液态,固体向液体的相变随着构成固体的点阵结构的彻底破坏,在这个过程中物质的温度并不升高,外界提供的热能被吸收,用于提供瓦解晶体点阵结构所需的能量。1.2.1液晶相的物态液晶相：当温度升高时胆甾醇苯甲酸酯（固体） 白色混浊粘稠的流体(液晶相) 透明液体 145.5（熔点）187.5 （清亮点）图1.4 晶体-液晶相-液体的变化过程每一种液晶相都有一个融点和清亮点，融点与清亮点之间的温度范围称为相变温度范围，只是这两者之间的温度范围根据液晶相的种类不同而不同，液晶的存储温度实际上决定了液晶显示器件的工作温度范围。超过这一温度液晶显示器件就会损坏无法正常工作。晶体具有高度的对称性,液体没有对称性，而液晶的对称性是介于晶体与液体之间。液体具有各个方向的物理性质都相同即各向同性。塑性晶体的的分子的形状绝大部分是球形的和接近球形的，而液晶相的分子形状是使其具有一定的指向性而不容易自由转动的长棒状【2】。1.2.2液晶的电光效应(Electro-optic effect)液晶的电光效应：是指液晶在外电场下的分子的排列状态发生变化,从而引起液晶盒的光学性质也随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和电导各向异性，因此外加电场能使液晶分子排列发生变化、进行光调制同时由于双折射性，可以显示出旋光性、光干涉和光散射现象的特殊的光学性质。1.3论文的主要研究课题本文将从液晶的基本知识、液晶显示器的基本知识出发，揭示液晶显示器视角狭窄的原因，为了解决这一问题，在此进一步分析阐述目前市场上已有的宽视角技术，将现有的液晶显示器宽视角技术进行对比并研究出新一代宽视角研究技术。第二章 液晶显示器的基础知识2.1液晶显示器技术的发展史液晶显示器件是指利用液晶的各种电光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换成为可视信号就可以制成显示器。自1968年第一块液晶显示器诞生后，LCD的技术发展经历了5个阶段：第一阶段（19681972）：1968年美国RCA公司研制了动态散射形液晶显示器，1972年执制造出动态散射形液晶手表，LCD技术从此走向实用化阶段。第二阶段（1971-1984）:1971年瑞士发明人扭曲向列型（TN）液晶显示器，日本厂家使其产业化，由于TN-LCD制造成本低，成为20世纪七八十年代液晶产品的主流。第三阶段（1985-1990）：1985年后，由于超扭曲（STN）液晶显示器的发展及非晶体硅薄膜晶体管液晶显示技术的发明，使LCD技术发展进入了人大容量显示的阶段。第四阶段（1990-1995）在有源矩阵液晶显示器飞速发展的基础上，LCD技术开始进入高画质液晶显示阶段。第五阶段（1996年后）：LCD已在笔记本电脑中普及应用。从1998年开始，TFTLCD产品打入监视器市场，长期困扰液晶的三大难题视角、色饱和度和亮度问题已你基本解决。目前我国是TN-LCD生产大国，STN-LCD生产量不大，TFTLCD产品还是缺门，由于我们不掌握面积TFT矩阵制造工艺，使LCD产品停留在较低的水平上。2.2液晶显示器的分类2.2.1按物理结构分类LCD按照物理结构，可以分为双扫描无源阵列显示器(DSTN-LCD)和薄膜晶体管有源阵列显示器(TFT-LCD)，而快速DSTN（HPA），性能界于两者之间。表2.1 几种LCD显示器类型的技术参数比较类型反应时间（ms）对比度视角DSTN30025：120度HPA15035：125度TFT80100：145度DSTN（Dual Scan Tortuosity Nomograph）双扫描扭曲阵列它是通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示屏，来达到完成显示的目的。DSTN是由超扭曲向列型显示器（STN）发展而来的，由于DSTN采用双扫描技术，因而显示效果较STN有大幅度提高。笔记本电脑刚出现时主要是使用STN，其后是DSTN。STN和DSTN的反应时间都较慢，一般约为300ms左右。从液晶显示原理来看，STN的原理是用电场改变原为180度以上扭曲的液晶分子的排列从而改变旋光状态，外加电场通过逐行扫描的方式改变电场，在电场反复改变电压的过程中，每一点的恢复过程较慢，因而就会产生余辉现象。DSTN的工作特点是：扫描屏幕被分为上下两部分，CPU同时并行对这两部分进行刷新（双扫描），这样的刷新频率虽然要比单扫描（STN）重绘整个屏幕快一倍，它提高了占空率，改善了显示效果。由于DSTN分上下两屏同时扫描，上下两部分会出现刷新不同步，所以当元件的性能不佳时，一般在使用过程中，显示屏中央会出现一条模糊的水平亮线。另外，由于DSTN的显示屏上的像素信息是由屏幕左右两侧的晶体管控制一整行像素来显示，每个像素点不能自身发光，是无源像点，所以反应速度不快，屏幕刷新后会留下幻影，其对比度和亮度也低，图像要比CRT显示器暗得多。HPA一般称为高性能定址或快速DSTN是DSTN的改良型，能提供比DSTN更快的反应时间、更高的对比度和更大的视角，由于它具有与DSTN相近的成本，因此在低端笔记本电脑市场具有一定的优势。TFT（Thin Film Transistor）即薄膜场效应晶体管所谓薄膜晶体管，是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。TFT属于有源矩阵液晶显示器（AM-LCD）中的一种，TFT-LCD的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制是有源像素点。因此，不但反应时间可以极大地提高，起码可以到80ms左右，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了空前程度。因其具有比其他两种显示器更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，俗称“真彩”。DSTN-LCD)、TFT-LCD、HPA类型的对比与DSTN-LCD和HPA相比，TFT的主要特点是在每个像素配置一个半导体开关器件，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可通过点脉冲直接控制，因而每个节点相对独立，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，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。TFT-LCD是目前最好的LCD彩色显示设备之一，TFT-LCD具有屏幕反应速度快、对比度和亮度都较高、屏幕可视角度大、色彩丰富、分辨率高等等特点，克服了两者的原有的许多缺点，是目前桌面型 LCD显示器和笔记本电脑LCD显示屏的主流显示设备。在色彩显示性能方面与CRT显示器相当，凡CRT显示器所能显示的各种信息都能同样显示，其效果已经接近CRT显示器。在有源矩阵LCD中，除了TFT-LCD外，还有一种黑矩阵LCD，是当前的高品质显示技术产品。它的原理是将有源矩阵技术与特殊镀膜技术相结合，既可以充分利用LCD的有源显示特点，又可以利用特殊镀膜技术，在减少背景光泄漏、增加屏幕黑度、提高对比度的同时，可减小在日常明亮工作环境下的眩光现象。 2.2.2按接口分类模拟接口将模拟信号输入到TFT-LCD显示设备上来显示本身就是很可笑的一件事情。计算机中运行的都是数据，包括图象信息，它们在显示卡上转换成模拟信号，然后通过连接线传输到显示器，然后再在显示器上以数字信号的形式显示，数字信号接口才适合液晶显示器。数字接口关于液晶显示器的数字接口的标准有LVDS、TDMS、GVIF、P&D、DVI和DFP等许多。数字接口和模拟接口的比较模拟接口的TFT显示器还有一个最大的弱点就是在显示的时候出现像素闪烁的现象，这种现象出现的原因是时钟频率与输入的模拟信号不100%同步，造成少数像素点的闪烁，这在显示字符和线条的时候比较明显。而数字接口的TFT就不存在将时钟频率与模拟信号调谐的问题，这就意味着数字接口的TFT-LCD来说，要调整的只有亮度和对比度。优点：不存在模数转换，数模转换过程中的信号衰减不需要进行时钟频率，向量的调整价格便宜，减少了相应的电路和元件与目前计算机标准的VGA视频信号接口完全兼容不需要购买特殊的显卡缺点：至少三种接口标准(P&D、DFP和DVI)需要带有数字视频的显示卡来配合使用，为了避免像素闪烁的出现，必须作到时钟频率，向量与模拟信号的完全一致电缆中传输的信号易受干扰显示器内部要加入负责模数转换的电路无法升级到数字接口2.3 TFT-LCD简介2.3.1什么是TFT，是如何工作的？TFT ：Thin Film Transistor（薄膜电晶体）；LCD：Liquid Crystal Display（液晶显示器）。TFT-LCD发明於1960年，经过不断的改良在1991年时成功的商业化为笔记型电脑用面板，从此进入TFT-LCD的世代。TFT就是用来主动控制每一个像素光通过量的元件。由于这个原因，被称是“有源主动矩阵薄膜晶体管”。在TFT-LCD中，TFT的功能就是相当于一个开关管。常用的TFT是三端器件，一般在玻璃基板上制作半导体层，在其两端有与之相连接的源极和漏极。并通过栅极绝缘膜，与半导体相对置，设有栅极。利用施加于栅极的电压来控制源、漏电极间的电流。对于显示屏来说，每个像素从结构上可以简化看作为像素电极和共同电极之间夹一层液晶，更重要的是从电的角度可以把它看作电容。2.3.2 TFT-LCD结构图图2.1TFT-LCD 结构图TFT-LCD面板的基本结构如图2.1，为两片玻璃基板中间夹住一层液晶。前端LCD面板贴上彩色滤光片，后端TFT面板上制作薄膜电晶体(TFT)。当施电压于电晶体时，液晶转向，光线穿过液晶後在前端面板上产生一个画素。背光模组位于TFT-Array面板之后负责提供光源，彩色滤光片给予每一个画素特定的颜色，结合每一个不同颜色的画素所呈现出的就是面板前端的影像。2.3.3 TFT-LCD的显示原理让面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩，为了达成这个目的，多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。为了要让光通过每一个像素，面板必须被分割且制造成一个个的小门或开关来让光通过，这项技术的实现是相当复杂的。液晶显示器(LCD)也就是使用液晶元件来调变光的屏幕。液晶可以改变它的分子结构，因此可以让不同程度的光量通过它本身(也可完全阻断光线)。液晶显示器里含有两片偏极片、彩色滤光片阵列及取向膜，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。液晶层位于两片玻璃片之间，当施以一个电压给取向层，则产生一个电场，使取向层界面的液晶朝某一个方向排列。每一个像素都由红、绿、蓝三个子像素(Subpixel)所组成，就如同显像管一样【3】。TFT-LCD技术是微电子技术与液晶显示器技术巧妙结合的一种技术。人们利用在Si上进行微电子精细加工的技术，移植到在大面积玻璃上进行TFT阵列的加工，再将该阵列基板与另一片带彩色滤色膜的基板，利用与业已成熟的LCD技术，形成一个液晶盒相结合，再经过后工序如偏光片贴覆等过程，最后形成液晶显示器。2.3.4 TFT-LCD的玻璃基板的制造过程应用的玻璃基板，其主要厚度为0.7 mm及0.6mm，且即将迈入更薄（如0.4 mm）厚度之制程。基本上一片TFT- LCD面板需使用到二片玻璃基板，分别供作底层玻璃基板及彩色滤光片（COLOR FILTER）之底板使用。一般玻璃基板制造供货商对于液晶面板组装厂及其彩色滤光片加工制造厂之玻璃基板供应量之比例约为1:1.1至1:1.3左右。 LCD所用之玻璃基板概可分为碱玻璃及无碱玻璃两大类；碱玻璃包括钠玻璃及中性硅酸硼玻璃两种，多应用于TN及STN-LCD上，玻璃基板在TN/STN、TFT-LCD应用上，要求的特性有表面特性耐热性耐药品性及碱金属含量等。以下仅就影响TFT- LCD用玻璃基板之主要物理特性说明如下： 1 .张力点(Strain Point)：为玻璃密积化的一种指标，须耐光电产品液晶显示器生产制程之高温。2 .比重：对TFT-LCD而言，笔记型计算机为目前最大的市场，因此该玻璃基板之密度越小越好，以便于运送及携带。3 .热膨胀系数：该系数将决定玻璃材质因温度变化造成外观尺寸之膨胀或收缩之比例，其系数越低越好，以使大屏幕之热胀冷缩减至最低。2.3.5生产玻璃基板主要有三种制程技术浮式法(Float Technology) ：该法系将熔炉中熔融之玻璃膏输送至液态锡床，因黏度较低，可利用档板或拉杆来控制玻璃的厚度，随着流过锡床距离的增加，玻璃膏便渐渐的固化成平板玻璃，再利用导轮将固化后的玻璃平板引出，再经退火、切割等后段加工程序而成。流孔下引法(Slot Down Draw)：该法系以低黏度的均质玻璃膏导入铂合金所制成的流孔漏板(Slot Bushing)槽中，利用重力和下拉的力量及模具开孔的大小来控制玻璃之厚度，其中温度和流孔开孔大小共同决定玻璃产量，而流孔开孔大小和下引速度则共同决定玻璃厚度溢流熔融法(Overflow Fusion Technology)：该系法一长条型的熔融帮浦(Fusion Pump)，将熔融的玻璃膏输送到该熔融帮浦的中心，再利用溢流的方式，将两股向外溢流的玻璃膏于该帮浦的下方处再结合成超薄平板玻璃。2.4液晶显示器的主要技术指标 1）分辨率LCD是通过液晶象素实现显示的，但由于液晶象素的数目和位置都是固定不变的，所以液晶只有在标准分辨率下才能实现最佳显示效果，而在非标准的分辨率下则是由LCD内部的ic通过插值算法计算而得。2）LCD的点距 LCD显示器的像素间距(pixel pitch)的意义类似于CRT的点距(dot pitch)，不过前者对于产品性能的重要性却没有后者那么高。CRT的点距会因为遮罩或光栅的设计、视频卡的种类、垂直或水平扫描频率的不同而有所改变，LCD显示器的像素数量则是固定的。3）波纹 波纹(亦称作水波纹Moire)，也是和相位一样是看不出来的，水波纹会在画面上显示出像水波涟漪一般的呈相结果。4）响应时间 响应时间是指各像素点对输入讯号反应的速度，即像素由暗转亮或由亮转暗的速度，其单位是毫秒(ms)。5）可视角度 可视角度是指液晶显示器保持画面失真不超过一定范围时候的最大观看角度。6）LCD显示器的刷新率 由于设计上的不同，LCD显示器实际上并不会像CRT显示器因为刷新率的高低而产生闪烁的状况。7）亮度、对比度 亮度的标示就是背光光源所能产生的最大亮度，亮度是以每平方米烛光(cd/m2)为测量单位，目前提高亮度的方法有两种：一种是提高LCD面板的光通过率；另一种就是增加背景灯光的亮度，即增加灯管数量对比比率是屏幕上同一点最亮时（白色）与最暗时（黑色）的亮度的比值，高的对比度意味着相对较高的亮度和呈现颜色的艳丽程度。8）信号输入接口 LCD显示器一般都使用了两种信号输入方式：传统模拟VGA的15针状D型接口(15 pin D-sub)和DVI输入接口。9）LCD的坏点 所谓的坏点是指不管显示器所显示出来的图像为何，LCD上的某一点永远是显示同一种颜色(一般坏点以绿色及蓝色为多)。2.5 CRT显示器与普通的液晶显示屏比较将CRT显示器来与普通的液晶显示屏比较，会发现普通的液晶显示屏有两个较大的缺点： 1）当从某个角度观看普通的液晶显示屏时，将发现它的亮度急遽的损失（变暗）及变色。较旧型的液晶显示器通常只有90度的视角，也就是左/右两边各45度。2）影片及游戏中，快速的移动画面是常出现的，但这样的需求却是响应时间慢的液晶显示器所无法提供的。太慢的响应时间会导致画面失真及次序错乱。最明显的例子就是股票市场中的交易显示器及游戏中飞机飞过村庄的画面，会出现图象拖沓及重影的现象。液晶的优点是：1）高清晰、高亮度、影像逼真、画质细腻而富立体感是液晶电视带给观者的第一印象。2）轻薄、省电、无闪烁、无辐射亦是液晶电视傲视传统CRT彩电的突出卖点。3）同时，液晶电视的接口也极为丰富，可接驳电脑、DVD等音视频设备，现在一些厂家还将读取Flash卡的功能整合进了液晶电视，这也让液晶电视具备了更多的数码味道。此外液晶电视的放置位置也很随意，可以放到墙上，也可以安置在天花板上，人们躺卧在床上也可看到画面。第三章 液晶显示器视角窄的原因分析3.1 液晶显示器的成像原理图3.1.液晶显示器的显示结构如图3.1，在正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板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途径。而液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，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。当液晶层施加某一电压时，由于受到外界电压的影响，液晶会改变它的初始状态，不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态。因此经过液晶的光会被第二层偏光板吸收而整个结构呈现不透光的状态，结果在显示屏上出现黑色。当液晶层不施任何电压时，液晶是在它的初始状态，会把入射光的方向扭转90度，因此让背光源的入射光能够通过整个结构，结果在显示屏上出现白色【4】。为了达到在面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩，多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。液晶面板自身并不发光，液晶在通电后变得透明，再由内置在液晶面板后面的灯管透射后成像，这也就是所谓的“被动发光”。液晶显示器是利用液晶的光电效应，通过外部的电压控制和液晶分子的折射特性，以及对光线的旋转能力来获得明、暗效果，从而产生丰富多彩的颜色和图像，达到显像的目的。3.2液晶显示器件的驱动液晶的光学传输特性取决于分子排列状态，改变分子的排列状态就可以改变液晶层光学传输特性，这就是液晶电子学的应用基础，而液晶分子排列的改变可通过电、磁、热等外场的作用的实现。我们把这种通过外场作用来改变分子排列状态的过程称为液晶显示器的驱动。液晶显示器的驱动方式分类：1）电驱动方式：.静态驱动方式.动态（时间分割）驱动方式：a.直接矩阵驱动方式b.有源矩阵驱动方式2）光寻址驱动方式3）热寻址驱动方式3.2.1液晶显示器件驱动原理根据液晶显示器件的原理可知，它是靠外电场作用于初始排列的液晶分子上，依靠液晶分子的各向异性和偶极矩的特点，使液晶分子的初始排列发性改变，调制通过液晶器件的外界光，使液晶显示器件发生明与暗，遮与透和变色等效果，达到显示的目的。因此外加电压时，必须达到一定强度，即超过液晶显示器件的阈值和维持一定时间。液晶显示必须牢记下列三个特点：1）液晶显示器件在直流电压作用下会发生电解作用，故必须用交流驱动，并且限定交流成分中的直流分量不大于几十毫伏；2）由于液晶在电场作用下光学性能的改变是依靠液晶作为弹性连续体的弹性变形，响应时间长，所以交变驱动电压的作用效果不取决于其峰值，在频率小于1000Hz情况下，液晶透光率的改变只与外加电压的有效值有关；3）液晶单元是容性负载，液晶的电阻在大多数情况下可以忽略不计，是无极性的，即正压和负压的作用效果是一样的。3.2.2液晶显示器的寻址方式射束寻址方式就是借光束、激光束、电子束把图像写入液晶光阀的方式，用束径极小的射束记录图像，可获得很高的清晰度，并通过此调制来自强光源的阅读光可实现大画面、高亮度、高清晰度的投影显示。根据写入的射束类型，液晶光阀的写入方式可分为：1) 利用电导效应的光写入方式；2) 利用热效应的激光束热写入；3) 利用电荷积蓄效应的电子束写入方式。如图3.2液晶显示器寻址方式电路图3.3被动矩阵式LCD工作原理TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD之间的显示原理基本相同，不同之处是液晶分子的扭曲角度有些差别。下面以典型的TN-LCD为例，介绍其结构及工作原理【5】：在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中，通常是由两片大玻璃基板，内夹着彩色滤光片、配向膜等制成的夹板外面再包裹着两片偏光板，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色构成的滤片，有规律地制作在一块大玻璃基板上。每一个像素是由三种颜色的单元(或称为子像素)所组成。每个子像素的左上角(灰色矩形)为不透光的薄膜晶体管，彩色滤光片能产生RGB三原色。每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽，上下夹层中填充了多层液晶分子(液晶空间不到510-6m)。在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，但长轴取向都是平行于偏光板的。另一方面，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度。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。在接近上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列，而下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向排列。最后再封装成一个液晶盒，并与驱动IC、控制IC与印刷电路板相连接。3.4主动矩阵式LCD工作原理TFT-LCD液晶显示器的结构与TN-LCD液晶显示器基本相同，只不过将TN-LCD上夹层的电极改为FET晶体管，而下夹层改为共通电极。TFT-LCD液晶显示器的工作原理与TN-LCD却有许多不同之处。TFT-LCD液晶显示器的显像原理是采用“背透式”照射方式。当光源照射时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子来传导光线。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的排列状态同样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。但不同的是，由于FET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这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。3.5液晶显示器视角狭窄的根本原因 LCD器件也存在自身的缺陷，比如视角的各向异性和较小的视场范围。在倾斜方向观察时，对比度明显下降，有时候甚至会出现对比度反转和严重的彩色漂移等问题。但由于液晶显示器是一种被动发光的显示器件，其光源是显示器内部以面光源形式存在的背光模组，因此这种表面处理只对屏幕外的干扰光线有效，而不能有效抑制从液晶内部产生的杂乱光线对正常光线的干扰。这样当从某一个角度斜向观看液晶屏幕的时候，这些本来不应该被看到的杂乱光线因为液晶分子的折射和其他原因而进入眼睛，造成画面失真。那么，什么原因导致这些杂乱光线的产生？这得归咎于液晶分子的光学特性和排列方式。3.5.1 LCD视角问题的由来如图3.3，液晶分子的形状类似于一个被拉长了的橄榄球，所以又称棒状液晶或者线状液晶，它跟大多数晶体一样都具有双折射率的特性，就是说光线进入液晶分子内部以后会被分成两条折射线。我们把遵图3.3.液晶分子模拟图守Snell定律的光线叫寻常光线（o线），不遵守Snell定律的光线叫做非常光线（e线），在棒状液晶分子上的o线速度no要比e线的ne快，因为折射率跟光速成反比，所以长轴方向的折射率要大于短轴方向的折射率，即双折射率nneno0，光学上把它称为正型液晶【6】。LCD视角的变小，正是由这种光学的各向异性引起的。入射光线和液晶分子的指向矢夹角越小，双折射效应越小，反之越大。偏离显示板法线不同角度的入射光线，通过液晶板后将受到不同程度的双折射，也即得到了不同的位相延迟，使得对法线方向设计好的第一最小点条件得不到满足，从而导致最小透过率的增加和对比度的降低，光线偏离法线越多，这种情况就越严重，还可能出现暗态的透过率大于亮态，即对比对反转的情况，这就是LCD视角问题的由来。3.5.2定性分析液晶显示器的视角问题通过折射率椭球可以定性的分析LCD的视角问题：图3.4.常见向列相液晶的折射率椭球如图3.4向列相液晶的光轴方向就是分子方向，具有正双折射效应(neno)，理想状况下，沿着光轴方向传播的光线将不发生双折射，但是对于方向(2)和(3)的光线，该方向上折射率椭球的投影成为椭圆，也即此方向的光线将发生双折射，而且(3)椭球的长短轴之差比(2)大，表示(3)要发生更为严重的双折射现象。如图3.5，通过特殊的工艺把两块玻璃基板制成方向互相垂直的沟槽，灌入液晶后，液晶分子按照扭曲的方式排列，当扭曲螺距大于入射光波长时，入射光将被液晶分子扭转。图3.5.方向互相垂直的沟槽玻璃基板最常见的TN模式液晶显示器就是利用液晶分子的上述光学特性，通过调制光线来达到显示图像的目的的。图3.7.TN模式液晶显示器的视角依存性图3.6.偏振片偏振方向垂直的玻璃基板如图3.6，在平行于玻璃基板并按照扭曲向列排列的液晶分子两端加上偏振方向互相垂直的偏振片，在玻璃电极板未通电时，光线受到扭曲排列的液晶分子所扭转，顺利地通过两片偏振片。通电后，玻璃电极板之间的液晶分子的长轴将按照电场方向排列，即全部垂直于玻璃基板，这样光线将无法受到任何的扭转，偏振方向不会改变，所以不能通过第二块偏振片，也就无法到达用户的眼睛。通过控制玻璃电极板之间的电压来控制液晶分子长轴方向的改变幅度，从而调制光线通过的量，这样就可以显示不同灰阶的图像，配合彩色滤光片就可以还原彩色的画面了。TN模式液晶利用液晶分子的光学特性来显示图像，但这种特性也正是导致TN模式液晶显示器可视角度狭窄的根本原因【7】【8】。我们看到，在显示不同灰阶的时候，液晶分子的长轴跟玻璃基板的角度是不一样的，用户从不同角度观看屏幕时，有时看到的是液晶分子的长轴，有时则是短轴。由于液晶分子在光学上表现为各向异性，我们在不同角度所看到的亮度就会不一样，这就是TN模式液晶显示器的视角依存性。如图3.8不同角度时的灰阶画面另外，理论上在玻璃电极板通电时，光线透过垂直于基板的液晶分子后是无法穿透第二块偏振片的，但实际上此时若在某些特定角度范围内会看到液晶分子的长轴，即该角度上的透光率反而增加了，这样低灰阶的画面看上去可能比高灰阶的亮度还高，这就是TN模式液晶显示器所固有的灰阶逆转现象。如图3.8，在B处正视屏幕看到的是正常的中灰阶画面，而在A或者C处看到的却是高灰阶和低灰阶，这样所看到的画面其灰阶也随观看角度不同而渐变。如图3.9. TN模式视角特性图从视角特性图3.9，我们可以看出，TN模式液晶的视角特性很不均匀，其垂直方向视角远比水平视角要差，而且在屏幕下方较大的角度范围内都会看到灰阶逆转。要改善液晶显示器的视角依存性，必须采用相应的技术手段降低或者消除这些由于液晶分子固有的光学特性对显示效果的负面影响。一些简单的处理方法对改善视角也是颇有成效的。其中一例如图所示3.10，在背光模组之后采用一纵一横的两块棱镜玻璃板来聚光，把面光源转成线光源再聚成点光源直射入液晶盒，这种准直背光源对提高对比度和可视角度皆有帮助。图3.11.双畴模式的原理图如图3.10面光源转成线光源另外，针对TN模式液晶显示器对某一特定视角的依存性特性，采用多组长轴方向不同的液晶分子来合成一个像素，这样用不同朝向的液晶分子来补偿不同方向的视角，精确地设计好它们之间的排列，其合成的视角也可以达到比较理想的效果。这种方式叫做多畴TN模式，畴越多所能补偿的视角也越多，当然这样对工艺要求也更高。如图3.11，畴A和畴B的液晶分子取向正好相反，这样可以解决好水平或者垂直方向的视角问题。第四章 液晶显示器宽视角技术4.1液晶显示器宽视角技术的产生 LCD（液晶显示器）具有众多的优点，但是LCD有视角各向异性和视角范围较小的弱点，既在离开垂直于显示板法线方向观察时，对比度明显下降。对于灰度和彩色显示，视角大时还会发生灰度和彩色反转的现象。在LCD向大尺寸发展和同时供多人观看的情况下，这个弱点很突出，成为向CRT（阴极射线管）技术挑战的一大障碍。LCD视角问题是由液晶的工作原理本身决定的。液晶分子是棒状的，分子的不同排列方式存在着不同的的光学各向异性。 为了改善LCD的视角特性，解决的方法有以下4种【9】：（1）液晶盒外光学补偿法 a相差膜补偿法：这是一种在液晶面的观察面上加贴一片一定数值的相位差膜以改善视角特性的方法。这种方法工艺简单，成本较低，可扩大视角范围，但没有改变原有对比度曲线沿方位角分布的形状。b准直背光源加漫散射观察屏法，在LCD观察面上放置一块漫射屏。（2）低扭曲角（3）改变液晶分子排列方式（4）光学补偿弯曲排列模式4.2现有的液晶显示器的宽视角技术为了试图改善液晶显示器的视角特性，提出了数种广视角技术：IPS（IN-PLANE -SWITCHING、MVA（MULTI-DOMAIN VERTICAL ALIGNMENT）、TN+FILM。这些技术都能把液晶显示器的视角增加到160度，甚至更多，就如同CRT屏幕的视角特性一样。最大视角的定义是对比值至少能达到10:1的视角（通常有四个方向，上/下/左/右）。最重要的广视角技术包含TN+Film、IPS（也称为超级液晶显示器）及MVA。4.2.1 TN+Film（TN+视角扩大膜）TN+Film的显示器对准液晶于基版的垂直方向，与标准的TFT-LCD一样。有了在上层表面的一层膜就可以增加视角。从技术的观点来看，TN+Film是广视角技术中容易实现的方法。液晶显示器的制造商使用较成熟的标准TFT-Twisted Nematic（扭转向列式）液晶。一层特殊的薄膜（转向膜）加在面板的上表面就可以将水平视角从90度改善到140度。但是，低对比及响应速度慢这两大问题依旧无法改善。图4.1、TN+Film（TN+视角扩大膜）TNFilm（TN视角扩展膜）广视角技术仍然基于传统的TN模式液晶，只是在制造过程中增加一道贴膜工艺，可以沿用现有的生产线，对TN模式液晶Panel的生产工艺改变不大，因此不会导致良品率下降，成本得到有效控制。由于TN模式液晶显示器在加电后呈暗态，未加电时呈亮态，因此它属于NW（Normal White常亮）模式液晶【10】。当由于各种因素造成某些图元上的TFT（薄膜电晶体）损坏时，电压就无法加到该图元上，这样该图元上的液晶分子无法得到扭转的动力，在任何情况下光线都将穿透液晶盒两端的偏振片使该图元永远处于亮态，这就是我们常说的亮点。TNFilm模式的广视角技术没有对此进行任何改进，所以仍然存在亮点较多的问题。TNFilm广视角技术被广泛应用于主流液晶显示器图4.2.TNFilm液晶显示器应用TNFilm广视角技术的液晶显示器除了在视角上比普通TN液晶显示器有所进步之外，TN模式液晶的其他缺点如回应时间长、开口率低、最大色彩数少等等也毫无遗漏地继承了下来。虽然通过精密的扩展膜可以有效提高可视角度，但由于扩展膜毕竟是固定的，不能对任意灰阶任意角度进行补偿，所以总体来说TNFilm还是不够理想，TN模式的液晶显示器所固有的灰阶逆转现象依旧存在。虽然TNFilm广视角技术效果有限，但并不代表视角补偿膜就是一种落后技术，相反，视角补偿膜在各种模式的液晶显示器下均有关键性作用。事实上，不同模式的液晶显示器都会因为液晶分子的状态不同而衍生出不同的光学畸变，要实现完美的视角特性，光学补偿膜必不可少。为了达到更好的补偿效果，一种利用液晶聚合物（LCP）取向性来设计的光学补偿膜已经开始实用化。要实现良好的可视角度，跟合理的液晶模式设计和精密的视角补偿膜是分不开的。图4.3.补偿膜的补偿原理图TNFilm广视角技术是基于TN液晶显示器的改进技术，液晶分子的排列还是TN模式，运动状态仍然是在加电后由面板的平行方向向垂直方向扭转。它是采用双折射率n0的透明薄膜来补偿由于TN液晶盒（n0）造成的相位延迟以实现广视角的目的，所以这个Film又叫相差膜或者补偿膜（也有视角拓宽膜之称）。相差膜是将透明薄膜经过拉伸等处理后做成预定形变的构件。如图4.3，补偿膜并不只贴在液晶面板表面侧，而是液晶盒的两侧，当光线从下方穿过补偿薄膜后便有了负的相位延迟（因为补偿薄膜n0），进入液晶盒之后由于液晶分子的作用，在到液晶盒中间的时候，负相位延迟给正延迟抵消为0。当光线继续向上进行又因为受到上部分液晶分子的作用而在穿出液晶盒的时候有了正的相位延迟，当光线穿过上层补偿薄膜后，相位延迟刚好又被抵消为0。这样用精确的补偿薄膜配合TN模式液晶可以取得很好的改善视角效果。图4.4.IPS （In-Plane Switching or Super-TFT）结构图4.2.2 IPS（In-Plane Switching or Super-TFT）模式广视角技术当施加电压，液晶分子的对准方向平行于玻璃基版。IPS起初是由Hitachi所发展，但现在NEC及Nokia也采用这项技术。IPS与使用TN+Film（扭转向列液晶+视角扩大膜组合）技术不同的地方是液晶分子的对准方向平行于玻璃基版。使用IPS或Super-TFT技术可以使视角扩大到170度，就如同CRT监视器的视角一样好。但是这项技术也有缺点，因为液晶的对准方向，使得它的电极只能置于两片玻璃板中的其中一边，而不像TN模式一样。这些电极必须制作成像梳子装状的排列在下层的表面。但是这样做会导致对比降低，因此必须加强背光源的亮度。IPS模式的对比及响应时间与传统的TFT-TN 比较起来并无改善。IPS（In-Plane-Switching）模式的广视角技术也是在液晶分子长轴取向上做文章，不同的是应用IPS广视角技术的液晶显示让观察者任何时候都只能看到液晶分子的短轴，因此在各个角度上观看的画面都不会有太大差别，这样就比较完美地改善了液晶显示器的视角【11】。 第一代IPS技术针对TN模式的弊病提出了全新的液晶排列方式，实现较好的可视角度。第二代IPS技术（S-IPS即Super-IPS）采用人字形电极，引入双畴模式，改善IPS模式在某些特定角度的灰阶逆转现象。第三代IPS技术（AS-IPS即Advanced Super-IPS）减小液晶分子间距离，提高开口率，获得更高亮度。目前而言，IPS在各个方位都有着最好的可视角度，而不象其他模式那样只是在上下左右四个角度上视角特别突出。应用IPS技术的液晶显示器在左上和右下角45度会出现灰阶逆转现象，这可以通过光学补偿膜改善IPS广视角技术也属于NB常黑模式液晶。IPS一个最大特点就是它的电极都在同一面上，而不象其他液晶模式的电极是在上下两面。因为只有这样才能营造一个平面电场以驱使液晶分子横向运动。这种电极对显示效果有负面影响：当把电压加到电极上后，近电极的液晶分子会获得较大的动力，迅速扭转90度是没问题的。但是远离电极的上层液晶分子就无法获得一样的动力，运动较慢。只有增加驱动电压才可能让离电极较远的液晶分子也获得不小的动力。所以IPS的驱动电压会较高，一般需要15伏。由于电极在同一平面会使开口率降低，减少透光率，所以IPS应用在LCD TV上会需要更多的背光灯，细条型的正负电极间隔排列在基板上，有些类似早期的VA模式液晶。把电压加到电极上，原来平行于电极的液晶分子会旋转到与电极垂直的方向，但液晶分子长轴仍然平行于基板，控制该电压的大小就把液晶分子旋转到需要的角度，配合偏振片就可以调制极化光线的透过率，以显示不同的色阶。IPS的工作原理有些类似于TN模式液晶，不同的是IPS模式的液晶分子排列不是扭曲向列而且其长轴方向始