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计算机图形显示技术 主讲 郭万有 第八讲液晶显示技术 LCD分类LCD特点LCD基本结构LCD模块 液晶显示技术 LCD LiquidCrystalDisplay 即液晶显示器 是一种数字显示技术 可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源 在平面面板上产生图象它具有体积小 重量轻 省电 辐射低 易于携带等优点 液晶显示技术 液晶显示器 液晶时钟 液晶投影机 液晶DV 液晶MP4 液晶手机 液晶显示技术 LCD与CRT显示器的比较 LCD分类 按照控制方式分 被动 无源 矩阵LCD和主动 有源 矩阵LCD被动矩阵式LCD在亮度及可视角方面受到较大的限制 反应速度也较慢 由于画面质量方面的问题 使得这种显示设备不利于发展为桌面型显示器 但由于成本低廉的因素 市场上仍有部分的显示器采用被动矩阵式LCD目前应用比较广泛的主动矩阵式LCD 它在画面中的每个像素内建晶体管 可使亮度更明亮 色彩更丰富及更宽广的可视面积 LCD分类 无源矩阵LCDTN LCD TwistedNematic LCD 扭曲向列LCD STN LCD SuperTN LCD 超扭曲向列LCD DSTN LCD DoublelayerSTN LCD 双层超扭曲向列LCD 有源矩阵LCDTFT LCD ThinFilmTransistor LCD 薄膜晶体管LCD LCD特点 1 低压微功耗 工作电压只有3 5V 工作电流只有几个因此它成为便携式和手持仪器仪表的显示屏幕2 平板型结构 LCD显示器内由两片平行玻璃组成的夹层盒 面积可大可小 且适合于大批量生产 安装时占用体积小 减小了设备体积 LCD特点 3 被动显示 液晶本身不发光 而是靠调制外界光进行显示即利用液晶材料的电光效应 通电时 使液晶分子光学特性发生变化 控制通过光线的数量 达到显示的目的由外部控制施加给液晶分子的电压 从而控制显示点的明暗及色彩因此适合人的视觉习惯 不会使人眼睛疲劳 LCD特点 4 显示信息量大 LCD显示器 其像素可以做得很小 相同面积上可容纳更多信息5 易于彩色化 常用滤色法和干涉法6 没有电磁辐射 在其显示期间不会产生电磁辐射 对环境无污染 有利于人体健康7 寿命长 LCD器件本身无老化问题 寿命极长 LCD基本结构 不同类型的液晶显示器件 其组成可能会有不同 但是所有液晶显示器件都可以认为是由一个上下两片导电玻制成的液晶盒 盒内充有液晶 四周用密封材料 胶框密封 盒的两个外侧贴有偏光片而构成的 液晶显示器的结构图如下图所示 液晶显示器结构图 LCD基本结构 1 玻璃基板 这是一种表面极其平整的浮法生产薄玻璃片其表面蒸镀有一层In2O3或SnO2透明导电层 即ITO膜层 经光刻加工制成透明导电图形这些图形由像素图形和外引线图形组成 因此 外引线不能进行传统的锡焊 只能通过导电橡胶条或导电胶带等进行连接如果划伤 割断或腐蚀 则会造成器件报废 LCD基本结构 2 液晶 液晶是一种介于固态和液态之间的物质 当被加热时 它会呈现透明的液态 而冷却的时候又会结晶成混乱的固态 液晶是具有规则性分子排列的有机化合物液晶按照分子结构排列的不同分为四种 类似粘土状的Smectic液晶 类似细火柴棒的Nematic液晶 类似胆固醇状的Cholestic液晶 类似碟子的Disk液晶 LCD基本结构 液晶分子结构排列图 LCD基本结构 2 液晶 这四种液晶的物理特性都不尽相同 常用于液晶显示器的是第二类的Nematic液晶 分子都是长棒状的 在自然状态下 这些长棒状的分子的长轴大致平行液晶特点 让电流通过液晶层 这些分子将会以电流的流向方向进行排列 如果没有电流 它们将会彼此平行排列 对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 LCD基本结构 2 液晶特点 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之外的所有光线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如果使用或保存温度过低 结晶会破坏液晶显示器件的定向层 而温度过高 液晶会失去液晶态 也就失去了液晶显示器件的功能 LCD基本结构 2 液晶 液晶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 液晶成了随着两个不同方向的表面进行排列 就会发生扭曲 LCD基本结构 2 液晶 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 LCD基本结构 3 偏振片偏振片又称偏光片 是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而成的 涂有一层光学压敏胶 可以贴在液晶盒的表面偏光片的偏光轴相互平行 黑底白字的常黑型 或相互正交 白底黑字的常白型 且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直前偏振片表面有一保护膜 使用时应揭去 偏振片怕高温 高湿 在高温高湿条件下会使其退偏振或起泡 LCD基本结构 扭曲向列 TN LCD 结构这种显示器的液晶组件构造如图 LCD基本结构 扭曲向列 TN LCD 结构液晶盒中玻璃片的两个外侧分别巾有偏光片 这两片偏光片的偏光轴相互平行 黑底白字的常黑型 或相互正交 白底黑字的常白型 且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直偏光片一般是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而成的 LCD基本结构 扭曲向列 TN LCD 结构 LCD基本结构 扭曲向列 TN LCD 结构向列型液晶夹在两片玻璃中间这种玻璃的表面上先镀有一层透明导电薄膜ITO 氧化铟锡 以作电极之用 然后在有薄膜电极的玻璃上涂取向层PI 聚酰亚胺 以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面的方向排列 LCD基本结构 扭曲向列 TN LCD 结构 LCD基本结构 扭曲向列 TN LCD 结构液晶的自然状态具有90度的扭曲 这也是为什么被称为扭曲型液晶显示器的原因利用电场可使液晶分子旋转 液晶的双折射率随液晶的方向而改变 结果偏振光经过TN型液晶后偏振方向发生转动 LCD基本结构 扭曲向列 TN LCD 结构只要选择适当的厚度使偏振光的偏振方向刚好改变90度 就可利用两个平行偏光片使得光完全不能通过而足够大的电压又可以使得液晶方向与电场方向平行 这样光的偏振方向就不会改变 光就可通过第二个偏光片 LCD基本结构 扭曲向列 TN LCD 结构 LCD基本结构 超扭曲向列 STN LCD 结构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度改变了视角狭小的缺点并提高了对比度 再搭配彩色滤光片的使用 可以显示逼近全彩模式的色彩 LCD基本结构 超扭曲向列 STN LCD 结构 LCD基本结构 超扭曲向列 STN LCD 结构单纯的TN液晶显示器本身只有黑白两种情形 而STN液晶显示器牵涉液晶材料的关系 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如果在单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片 并将单色显示像素分成三个子像素 分别通过彩色滤光片显示红 绿 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 LCD基本结构 双层超扭曲向列 DSTN LCD 结构DSTN采用双扫描技术 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 LCD基本结构 薄膜晶体管 TFT LCD 结构 LCD基本结构 薄膜晶体管 TFT LCD 结构TFT LCD 一般由一个夹层组成 这个夹层位于两层玻璃基板之间 组成这个夹层的每一层大致是偏光板 彩色滤光片组成 这两层之间就是液晶层偏光板 彩色滤光片决定了多少光可以通过以及生成何种颜色的光在上层玻璃基板上有FED晶体管 而下层是共同电极 他们共同作用可以生成能精确控制的电场 电场决定了液晶的排列方式 LCD基本结构 薄膜晶体管 TFT LCD 结构背光板由于LCD面板本身并不发光 因此需要背光 液晶显示器就必须加上一个背光板 来提供一个高亮度 且亮度分布均匀的光源组成背光板的主要零件有灯管 冷阴极管 反射板 导光板 prismsheet 扩散板等 LCD基本结构 薄膜晶体管 TFT LCD 结构背光板灯管是主要的发光零件 借由导光板将光线分布到各处反射板将光线限制住都只往TFT LCD的方向前进prismsheet及扩散板 将光线均匀的分布到各个区域 提供给TFT LCD一个明亮的光源 LCD基本结构 薄膜晶体管 TFT LCD 结构在玻璃基片上沉积一层硅 通过印刷光刻等工序作成晶体管阵列 每个像素都设有一个半导体开关 其加工工艺类似于大规模集成电路再把液晶灌注在两片玻璃之间 由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制 因而每个节点都相对独立 并可以进行连续控制 这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度 同时可以精确控制显示灰度 所以TFT液晶的色彩更逼真 称为真彩 LCD基本结构 薄膜晶体管 TFT LCD 结构对于TFT LCD而言彩色滤光片是很重要的 利用红 绿 蓝三原色 可混合出各种不同的颜色 很多平面显示器就是利用此原理显示色彩 把三种颜色分成独立的三个点 各自拥有不同的灰阶变化 然后把临近的三个RGB显示的点当作一个像素 放大镜下的液晶 LCD基本结构 薄膜晶体管 TFT LCD 结构 常见彩色滤光片的排列 LCD模块 LCD与其控制驱动 接口 基本电路一起构成LCM LiquidCrystalModule LCD模块 控制主要是通过接口与外界通信 管理内 外显示RAM 控制驱动器 分配显示数据驱动主要是根据控制器要求 驱动LCD进行显示 控制器还常含有内部ASCII字符库 或可外扩的大容量汉字库LCD模块按显示功能可分为 LCD段式显示模块 LCD字符型显示模块 LCD图形显示模块 LCD模块 小规模LCD设计 常选用一体化控制 驱动器中大规模LCD设计 常选用若干个控制器 驱动器 并外扩适当的显示RAM 自制字符RAM或ROM字库控制与驱动器大多采用低压微功耗器件与外界的接口主要用于LCD控制 通常是可连接单片机MCU的8 16位PPI并口或若干控制线的SPI串口显示RAM除部分Samsung器件需用自刷新动态SDRAM外 大多公司器件都用静态SRAM LCD模块 LCD段式模块段式LCD用于显示段形数字或固定形状的符号 广泛用作计数 计时 状态指示等普遍使用的控制驱动器件是Holtek的HT1621 它内含与LCD显示点一一对应的显存 振荡电路 低压低功耗 4线串行MCU连接 8条控制 传输指令 可进行32段 4行 128点控制显示 显示对比度可外部调整 可编程选择偏压 占空比等驱动性能 LCD模块 LCD段式模块 段式液晶模块 LCD模块 LCD字符型模块字符型LCD用于显示5 8等点阵字符 广泛用作工业测量仪表仪器常用的控制驱动器件有 Hitachi的HD44780U 它内嵌与LCD显示点一一对应的显存SRAM ASCII码等的字符库和自制字符存储器 可显示1 行每行8个5 8点阵字符或相应规模的5 10点阵字符 其内振荡电路附加外部阻容RC可直接构成振荡器 LCD模块 LCD字符型模块 字符型液晶模块 LCD模块 LCD图形模块图形LCD广泛用于移动通信 工业监视 PDA产品中小面积LCD常采用单片集成控制驱动器件 如SeikoEpson的SED1520 可实现61列 16行点阵显示中等面积LCD常采用单片控制 列驱动器件与单片行驱动器件 如Hitachi的HD61202U 控 列驱 HD61203 行驱 可实现64 64点阵显示较大面积LCD常采用 控制器 显存 列驱动器