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LCD光电原理 2005 10 24 1 液态晶体之光学性质 2 液晶的光电特性 3 LCD的分类和显示原理 1 液态晶体之光学性质 光是一种电磁波 我们将其电场方向称为光的偏极方向 我们可用偏光器来选择某一特定方向之偏极光 已偏极化的光再经过一个偏光器时可全部通过或部分通过 视第二个偏光器的方向而定 我们以 图一 说明偏光器的功能 图一偏光器之功能 光经过物质时 折射率与光偏极化的方向有关 在大部分向列型液晶中 光偏极化方向与相同时折射率 n 较大 光偏极化方向与垂直时折射率 n 较小 一偏极光经过一液态晶体后其偏极方向有时会改变 到底会不会改变则视液态晶体之排列而定 见图二 所以我们改液态晶体之排列方式即可改变通过光之偏极性 若在液态晶体后面再加一个偏光器 则通会有不同 图二不同的液晶排列对光之偏极化有不同之影响 2 液晶的光电特性 由于液晶分子的结构为异方性 Anisotropic 所以所引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异 简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具有异方性 因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度 以便形成灰阶 来应用于显示器组件上 以下我们要讨论的 是液晶属于光学跟电学相关的特性 大约有以下几项 1 介电系数 dielectricpermittivity 我们可以将介电系数分开成两个方向的分量 分别是 与指向矢平行的分量 与 与指向矢垂直的分量 当 便称之为介电系数异方性为正型的液晶 可以用在平行配位 而 则称之为介电系数异方性为负型的液晶 只可用在垂直配位才能有所需要的光电效应 当有外加电场时 液晶分子会因介电系数异方性为正或是负值 来决定液晶分子的转向是平行或是垂直于电场 来决定光的穿透与否 现在TFTLCD上常用的TN型液晶大多是属于介电系数正型的液晶 当介电系数异方性 越大的时候 则液晶的临界电压 thresholdvoltage 就会越小 这样一来液晶便可以在较低的电压操作 2 折射系数 refractiveindex 由于液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成 因此跟分子长轴平行或垂直方向上的物理特性会有一些差异 所以液晶分子也被称做是异方性晶体 与介电系数一样 折射系数也依照跟指向矢垂直与平行的方向 分成两个方向的向量 分别为n 与n 此外对单光轴 uniaxial 的晶体来说 原本就有两个不同折射系数的定义 一个为no 它是指对于ordinaryray的折射系数 所以才简写成no 而ordinaryray是指其光波的电场分量是垂直于光轴的称之 另一个则是ne 它是指对于extraordinaryray的折射系数 而extraordinaryray是指其光波的电场分量是平行于光轴的 同时也定义了双折射率 birefrigence n ne no为上述的两个折射率的差值 依照上面所述 对层状液晶 线状液晶及胆固醇液晶而言 由于其液晶分子的长的像棒状 所以其指向矢的方向与分子长轴平行 再参照单光轴晶体的折射系数定义 它会有两个折射率 分别为垂直于液晶长轴方向n ne 及平行液晶长轴方向n no 两种 所以当光入射液晶时 便会受到两个折射率的影响 造成在垂直液晶长轴与平行液晶长轴方向上的光速会有所不同 若光的行进方向与分子长轴平行时的速度 小于垂直于分子长轴方向的速度时 这意味着平行分子长轴方向的折射率大于垂直方向的折射率 因为折射率与光速成反比 也就是ne no 0 所以双折射率 n 0 我们把它称做是光学正型的液晶 而层状液晶与线状液晶几乎都是属于光学正型的液晶 倘使光的行进方向平行于长轴时的速度较快的话 代表平行长轴方向的折射率小于垂直方向的折射率 所以双折射率 n 0 我们称它做是光学负型的液晶 而胆固醇液晶多为光学负型的液晶 3 其它特性 对于液晶的光电特性来说 除了上述的两个重要特性之外 还有许多不同的特性 比如说像弹性常数 elasticconstant 11 22 33 它包含了三个主要的常数 分别是 11指的是斜展 splay 的弹性常数 22指的是扭曲 twist 的弹性常数 33指的是弯曲 bend 的弹性常数 另外像黏性系数 viscositycoefficients 则会影响液晶分子的转动速度与反应时间 responsetime 其值越小越好 但是此特性受温度的影响最大 另外还有磁化率 magneticsusceptibility 也因为液晶的异方性关系 分成c 与c 而磁化率异方性则定义成 c c c 此外还有电导系数 conductivity 等等光电特性 液晶特性中最重要的就是液晶的介电系数与折射系数 介电系数是液晶受电场的影响决定液晶分子转向的特性 而折射系数则是光线穿透液晶时影响光线行进路线的重要参数 而液晶显示器就是利用液晶本身的这些特性 适当的利用电压 来控制液晶分子的转动 进而影响光线的行进方向 来形成不同的灰阶 作为显示影像的工具 3 LCD的分类和显示原理 常见的液晶显示器按物理结构分为四种 1 扭曲向列型 TN TwistedNematic 2 超扭曲向列型 STN SuperTN 3 双层超扭曲向列型 DSTN DualScanTortuosityNomograph 4 薄膜晶体管型 TFT ThinFilmTransistor 其中TN LCD STN LCD和DSYN LCD的基本显示原理都相同 只是液晶分子的扭曲角度不同而已 STN LCD的液晶分子扭曲角度为180度甚至270度 而TFT LCD则采用与TN系列LCD截然不同的显示方式 其具体工作原理见下 TN型采用的是液晶显示器中最基本的显示技术 而之后其它种类的液晶显示器也是以TN型为基础来进行改良 而且 它的运作原理也较其它技术来的简单 请读者参照下方的图片 图中所表示的是TN型液晶显示器的简易构造图 包括了垂直方向与水平方向的偏光板 具有细纹沟槽的配向膜 液晶材料以及导电的玻璃基板 在不加电场的情况下 入射光经过偏光板后通过液晶层 偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度 在离开液晶层时 其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致 所以光线能顺利通过 使整个电极面呈光亮 当加入电场的情况时 每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致 液晶层也因此失去了旋光的能力 结果来自入射偏光片的偏光 其方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系 并无法通过 这样电极面就呈现黑暗的状态 TN型的显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板的透明导电玻璃间 液晶分子会依附向膜的细沟槽方向 按序旋转排列 如果电场未形成 光线就会顺利的从偏光板射入 液晶分子将其行进方向旋转 然后从另一边射出 如果在两片导电玻璃通电之后 玻璃间就会造成电场 进而影响其间液晶分子的排列 使分子棒进行扭转 光线便无法穿透 进而遮住光源 这样得到光暗对比的现象 就叫做扭转式向列场效应 简称TNFE twistednematicfieldeffect 电子领域中所用的液晶显示器 几乎都是用扭转式向列场效应原理制成的 STN型的显示原理与TN相类似 不同的是 TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度 而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180 270度 必须在这里指出的是 单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形 或称黑白 并没有办法做到色彩的变化 而STN液晶显示器由于液晶材料的关系 以及光线的干涉现象 因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主 但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片 colorfilter 并将单色显示矩阵之任一像素 pixel 分成三个子像素 sub pixel 分别通过彩色滤光片显示红 黄 蓝三原色 再经由三原色比例之调和 也可以显示出全彩模式的色彩 另外 TN型的液晶显示器显示屏幕做的越大 其屏幕对比度就会显得较差 不过藉由STN的改良技术 亦可以在一定程度上弥补对比度不足的情况 DSTN是通过双扫描方式来扫描扭曲向列型液晶显示屏 从而达到完成显示目的 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 因此显示效果相对STN来说 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的原理是通过电场改变原为180度以上扭曲的液晶分子的排列 达到改变旋光状态的目的 外加电场则通过逐行扫描的方式改变电场 因此在电场反复改变电压的过程中 每一点的恢复过程都较慢 这样就会产生余辉现象 用户能感觉到拖尾 余辉 现象 也就是一般俗称的 伪彩 由于DSTN显示屏上每个像素点的亮度和对比度都不能独立控制 造成其显示效果欠佳 由这种液晶体所构成的液晶显示器对比度和亮度都比较差 屏幕观察范围也较小 色彩不够丰富 特别是反应速度慢 不适于高速全动图像 视频播放等应用 一般只用于文字 表格和静态图像处理 但是它结构简单并且价格相对低廉 耗能也比TFT LCD少 而视角小也可以通过防止窥视屏幕内容达到保密作用 结构简单也减小整机体积和重量 因此 在少数笔记本电脑中仍采用它作为显示设备 目前 DSTN液晶显示屏仍然占有一定的市场份额 DSTN LCD也不是真正的彩色显示器 它只能显示一定的颜色深度 与CRT的颜色显示特性相距较远 因而又称为 伪彩显 DSTN的工作特点是这样的 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 提高了占空率 改善了显示效果 而且当DSTN分上下两屏同时扫描时 上下两部分就会出现刷新不同步的问题 所以当内部电子元件的性能不佳时 显示屏中央可能会出现一条模糊的水平亮线 不过 现在采用DSTN LCD的电脑因CPU和RAM速率高且性能稳定 这种不同步现象已经很少碰见到了 另外 由于DSTN显示屏上的像素信息是由屏幕左右两侧的一整行晶体管控制下的像素来显示 而且每个像素点不能自身发光 是无源像点 所以反应速度不快 屏幕刷新后更可能留下幻影 其对比度和亮度也比较低 看到的图像要比CRT显示器里的暗得多 而HPA则被称为高性能定址或快速DSTN 它是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 再加上它具有与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 液晶屏幕的驱动方式 单纯矩阵驱动方式是由垂直与水平方向的电极所构成 选择要驱动的部份 是由水平方向的电压来控制 而垂直方向的电极则负责驱动液晶分子 主动式矩阵的驱动方式是让每个画素都对应一个组电极 它的构造有点像DRAM的回路方式 电压通过扫描 或称作一定时间充电 方式 来表示每个画素的状态 为了改善此前出现的问题 后来液晶显示技术大多采用主动式矩阵 active matrixaddressing 的方式来驱动 这也是目前达到高资料密度液晶显示效果的理想装置 而且分辨率极高 方法是利用薄膜技术所做成的硅晶体管电极 通过扫描法来选择任意一个显示点 pixel 的开与关 这其实就是利用容易控制薄膜式晶体管的非线性功能 来取代不易控制的液晶非线性功能 在TFT型液晶显器导电玻璃上细小的网状线路中 电极是由薄膜式晶体管所排列而成的矩阵开关 在每个线路相交的地方都有着相应的控制匣 虽然驱动讯号快速地在各显示点扫瞄而过 但只有电极上晶体管矩阵中被选择的显示点 才能得到足以驱动液晶分子的电压 这样就使得液晶分子轴转向 并形成 亮 的对比 而不被选择的显示点自然就是 暗 的对比 这也避免了显示功能对液晶电场效应能力的依靠 TN与STN型液晶显示器所使用的是单纯驱动电极方式 都是采用X Y轴的交叉方式来驱动 如下图所示 因此如果显示部份越做越大的话 那么中心部份的电极反应时间可能就会比较长 而为了让屏幕显示一致 整体显示速度就会变慢 讲的简单一点 就好象是当CRT显示器的屏幕更新频率不够快时 使用者就会感到屏幕闪烁 跳动 或着是当需要快速显示3D动画时 显示器的显示速度却无法跟上 显示出来的要果可能就会有延迟的现象 所以 早期的液晶显示器在尺寸上有一定的限制 而且并不适合用来看电影 玩3D游戏 TFT型液晶显示器的运作原理 TFT型的液晶显示器较为复杂 主要是由 萤光管 导光板 偏光板 滤光板 玻璃基板 配向膜 液晶材料 薄模式晶体管等等构成 首先 液晶显示器必须先利用背光源 也就是萤光灯管投射出光源 这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶 这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶的光线角度 然后这些光线还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板 因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩 这样就能在液晶面板上变化出有不同色调的颜色组合了 TFT LCD的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制的 它们是有源像素点 因此 不但反应时间可以极大地加快 起码可以到80ms左右 对比度和亮度也大大提高了 同时分辨率也得到了空前的提升 因为它具有更高的对比度和更丰富的色彩 荧屏