LCD 基础理论.ppt

LiquidCrystalDisplay液晶显示器 1 基础理论2 分类3 主要参数4 背光源5 连接方式6 LCD模块7 COG与TAB8 LCD驱动9 触摸屏10 LCD术语 1 LCD基础理论 a LCD的发展 1888年奥地利植物学家FriedrichReinitzer在加热苯酸脂晶体时发现 当温度升到145 5 C时晶体融化成为乳白色粘稠的液体 再继续加热到178 5 C时乳白粘稠的液体变成完全透明的液体 后经德国卡尔斯吕爱大学教授OttoLehmann研究 这种乳白粘稠的液体具有光学各向异性 因而建议称之为液体晶体 LiquidCrystal 液晶屏幕被广泛的用在一般的电子产品中 电子表 手机屏幕 医院所使用的仪器 数字相机等 液晶显示是一种被动的显示 它不能发光 只能使用周围环境的光 显示图案或字符只需很小能量 正因为低功耗和小型化使LCD成为较佳的显示方式 b 结构下图是一个反射式TN型液晶显示器的结构图前部偏光片 玻璃 底板电极 周边密封垫 传导线路 分段电极 玻璃 终端引线 后部偏光片 从图中可以看出 液晶显示器是一个由上下两片导电玻璃制成的液晶盒 盒内充有液晶 四周用密封材料 胶框 一般为环氧树脂 密封 盒的两个外侧贴有偏光片 液晶盒中上下玻璃片之间的间隔 即通常所说的盒厚 一般为几个微米 人的准确性直径为几十微米 上下玻璃片内侧 对应显示图形部分 镀有透明的氧化甸 氧化锡 简称ITO 导电薄膜 即显示电极 电极的作用主要是使外部电信号通过其加到液晶上去 液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区覆盖着一层定向层 定向层的作用是使液晶分子按特定的方向排列 这个定向层通常是一薄层高分子有机物 并经摩擦处理 也可以通过在玻璃表面以一定角度用真空蒸镀氧化硅薄膜来制备 在TN型液晶显示器中充有正性向列型液昌 液晶分子的定向就是使长棒型的液晶分子平行于玻璃表面沿一个固定方向排列 分子长轴的方向沿着定向处理的方向 上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的 这样 在垂直于玻璃片表面的方向 盒内液晶分子的取向逐渐扭曲 从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90 这就是扭曲向列型液晶显示器名称的由来 c 液晶屏幕显像基本原理 LCD LiquidCrystalDisplay 液晶显示器使用了目前最新的全彩显示技术 基本上 整个液晶显示技术的概念是利用液晶的物理特性 通电时导通 排列变的有秩序 使光线容易通过 不通电时排列混乱 阻止光线通过 让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透 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 就技术面而言 液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材 称为Substrates 中间夹著一层液晶 LCD本身只有黑白双色 并没有色彩的变化 其色彩之产生原理 相似于传统阴极射线CRT屏幕之磷光点作用机制 液晶屏幕一定有一个背光 这个光源会打在第一层偏光板上 再来就到液晶体 而当光线透过液晶体时 就会产生光线的色泽改变 从液晶体射出来的光线 还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板 第一块的偏光板和第二块的偏光板分别在液晶的前方及后方 向三明治一般 两块偏光板相差了90度的角度 然后再利用电压的改变 就可以在液晶屏幕上看到色彩的变化 2 关于分类 液晶显示屏 LCD 分类方式有多种 按产品用途 可分为通信工具 家用电器 掌上电脑 交通工具 计量器械 仪器仪表 文教器具 游艺设施等类别 按显示方式 可分为正性 负性两类 按光学模式 可分为反射型 透射型 半透半反型等 按LCD类别 可分为TN型 HTN型 STN型 FSTN型 按颜色模式 可分为黄绿 灰 黑 白 蓝等 按观察方向 可分为3 6 9 12点钟及其它等 b LCD显示方式 a LCD有三种显示方式 反射型 透射型和透反射型 反射型LCD的底偏光片后面加了一块反射板 它一般在户外和光线良好的办公室使用 透射型LCD的底偏光片是透射偏光片 它需要连续使用背光源 一般在光线差的环境使用 透反射型LCD是处于以上两者之间 底偏光片能部分反光 一般也带背光源 光线好的时候 可关掉背光源 光线差时 可点亮背光源使用LCD 反射模式透反射模式透射模式 b LCD显示方式还分正性和负性 正性LCD呈现白底黑字 在反射和透反射型LCD中显示最佳 负性LCD呈现黑底白字 一般用于透射型LCD 加上背光源 字体清晰 易于阅读 正显模式 白底黑字 负显模式 黑底白字 c 主动及被动LCD 严格来说 LCD分成主动矩阵式 又称薄膜晶体管ActiveMatrix 也就是TFT的LCD 另一种就是被动矩阵式 又称超转距显示PassiveMatrix 被动式的屏幕有TN HTN STN DSTN等分别 主动式屏幕一般主要为TFT 被动式DSTN是将TN STN的液晶体的变形扭曲角度变大 让液晶屏幕能以更多种的色彩来表达画面的精致度 被动式屏幕常见于一些小型的电子产品上 像是电子表或是手机的液晶屏幕 多半是采用被动式屏幕中的TN显示 也就是纯粹的黑 白双色显示 但是后来因为需求上的定位 又研发出来STN SuperTN 以及DSTN DoublelayerSuperTN 3 主要参数 1 点距和可视面积 液晶显示器的点距和可视面积有很直接的对应关系 是可以很容易直接通过计算得出的 以14寸的液晶显示器为例 可视面积一般为285 7mm 214 3mm 而14寸的液晶显示器的最佳 也就是最大可显示 分辨率为1024 768 就是说该液晶显示板在水平方向上有1024个像素 垂直方向有768个像素 由此 我们可以很容易的计算出此液晶显示器的点距是285 7 1024 0 279mm或者214 3 768 0 279mm 目前LCD屏幕的点距多半为0 32 0 297 mm左右 仔细看LCD屏幕的表面 可以看出一颗一颗的小光点 2 最佳分辨率 真实分辨率 LCD的分辨率一般不能任意调整 它是制造商所设置和规定的 分辨率是指屏幕上每行有多少像素点 每列有多少像素点 一般用矩阵行列式来表示 其中每个像素点都能被计算机单独访问 液晶显示器属于 数字 显示方式 其显示原理是直接把显卡输出的模拟信号处理为带具体 地址 信息的显示信号 任何一个像素的色彩和亮度信息都是跟屏幕上的像素点直接对应的 正是由于这种显示原理 所以液晶显示器不能象CRT显示器那样支持多个显示模式 液晶显示器只有在显示跟该液晶显示板的分辨率完全一样的画面时才能达到最佳效果 在分辨率上 VGA 640 480 SVGA 800 600 XGA 1024 768 SXGA 1280 1024 UXGA 1600 1200 在显示小于最佳分辨率的画面时 液晶显示则采用两种方式来显示 一种是居中显示 比如在显示800 600次分辨率时 显示器就只是以其中间那800 600个像素来显示画面 周围则为阴影 这种方式由于信号分辨率是一一对应 所以画面清晰 唯一遗憾就是画面太小 另外一种则是扩大方式 就是将该800 600的画面通过计算方式扩大为1024 768的分辨率来显示 由于此方式处理后的信号与像素并非一一对应 虽然画面大 但是比较模糊 目前市面上的13寸 14寸 15寸的液晶显示器的最佳分辨率都是1024 768 17寸的最佳分辨率则是1280 1024 3 响应时间 响应时间是液晶显示器的一个重要的参数 指的是液晶显示器对于输入信号的反应时间 组成整块液晶显示板的最基本的像素单元 液晶盒 在接受到驱动信号后从最亮到最暗的转换是需要一段时间的 而且液晶显示器从接收到显卡输出信号后 处理信号 把驱动信息加到晶体驱动管也是需要一段时间 在大屏幕液晶显示器上尤为明显 目前市面上销售的15寸液晶显示器响应时间一般在50ms左右 4 可视角度 视角简单地说就是显示图案能看得清楚的角度 它是由定向层的摩擦方向决定 不能通过旋转偏光片改变 视角以时针的钟点来命名 如6 00视角 12 00视角等等 6 00视角就是指在6点时针的平面方向到法线方向这个区域LCD显示效果理想 12 00视角是指12点时针的玉米面到法线方向区域显示理想 LCD的视角是由LCD显示屏在仪器上的位置来确定 例如计算器一般放在桌上或拿在手上使用 LCD做成6 00视角最好 有些仪器上的LCD屏装在低于人眼视线以下 一般做成12 00视角 汽车上的时钟一般装在驾驶员的右边 做成9 00的视角最佳 5 亮度和对比度 液晶显示器的显示功能主要是有一个背光的光源 这个光源的亮度决定整台LCD的画面亮度及色彩的饱和度 理论上来说 液晶显示器的亮度是越高越好 亮度的测量单位为cd m2 每平方米烛光 也叫NIT流明 目前TFT屏幕的亮度大部分都是从150Nits开始起步 通常情况下200Nits才能表现出比较好的画面 对比度是直接体现该液晶显示器能否体现丰富的色阶的参数 对比度越高 还原的画面层次感就越好 目前市面上的液晶显示器的对比度普遍在150 1到350 1 高端的液晶显示器还远远不止这个数 6 最大显示色彩数液晶显示器的色彩表现能力当然是消费者最关心的一个重要指标 市面上的13 14 15寸的液晶显示器像素一般是1024 768个 每个像素由RGB三基色组成 低端的液晶显示板 各个基色只能表现6位色 即2的6次方 64种颜色 可以很简单的得出 每个独立像素可以表现的最大颜色数是64 64 64 262144种颜色 高端液晶显示板利用FRC技术使得每个基色则可以表现8位色 即2的8次方 256种颜色 则像素能表现的最大颜色数为256 256 256 16777216种颜色 这种显示板显示的画面色彩更丰富 层次感也好 4 背光源 透射型和半透射型LCD一般都需要加背光源 其放置位置根据实际情况下面介绍几种常见的背光源 Electroluminescent EL 电致发光LightEmittingDiode LED 发光二极管ColdCathodeFluorescentLamp CCFL 冷阴极荧光灯EL背光LED背光CCFL背光 EL背光源 电致发光 EL EL背光源厚度薄 重量轻 发光均匀 它可用于不同颜色 但最常用于LCD白光背光 EL背光源功耗低 只需电压80 100VAC 通过变压器将5V 12V或24VDC转变得到 EL背光源的半衰期约为2000 3000小时 LED背光源比EL寿命更长 最少5000小时 光更强 但能耗更大 作为固态装置 它直接使用5VDC LCD一般直接排列在LCD的后面 厚度要增加5mm LED可以发不同颜色的光 最常见的是黄绿光 CCFL冷阴极荧光灯 CCFL能够提供能耗低 光亮强的白光 它由冷阴极荧光管发光 通过散射器将光均匀分散在视窗区 但CCFL需要一个变压器来供应270 300VAC的电源 它主要用于图形LCD 寿命达10000 15000小时 光能效率高 光照均匀 主要应用于STN或TFT彩色LCD的背景照明 性能比较 5 连接方式 1 导电胶条连接连接弹性连接 斑马条连接 不需焊接 可快速装配和拆分 对于震动有较好的抵抗性 2 金属插脚连接直线插针管脚连接方式 可直接焊接在电路板上 3 热压软带连接 斑马纸连接一块电路板与LCD通过斑马纸使用热封加工的方法而连接在一起 斑马纸是一种各向异性的连接膜层用在电路板和LCD面板上使用加热和加压力 这种设计可用于恶劣的环境中 在这种环境下 斑马纸必须有足够的灵活性一防止损坏 连接方式比较 6 LCD模块 模块分类液晶显示模块 LCM 可以按照加工工艺分类 也可以按照显示内容的类型分类 按照加工工艺分为 普通模块 COG TAB COF模块 按照显示内容的类型分为 图形型 字符型 段码型 液晶显示模块是一种将液晶显示器件 连接件 集成电路 PCB线路板 背光源 结构件装配在一起的组件 英文名称叫 LCDModule 简称 LCM 中文一般称为 液晶显示模块 实际上它是一种商品化的部件 根据我国有关国家标准的规定 只有不可拆分的一体化部件才称为 模块 可拆分的叫作 组件 所以规范的叫法应称为 液晶显示组件 但是由于长期以来人们都已习惯称其为 模块 早期液晶显示器只生产LCD屏 驱动部分由客户自己设计制作 目前LCD生产厂家把LCD屏连接到COB板 带IC的PCB板 上 就做成了LCD模块 LCD模块分字符型模块和图象型模块 字符模块有1 4行 划分16 40个字块 每个字块由5x7点阵组成 每个字块单独驱动 字符型模块可使用TN LCD或者STN LCD 但图象型模块都是采用STN LCD 大多数模块的背光源可用EL或者LED 图象型模块由多行多列的点阵象素组成 每个象素单独驱动 可显示文本 图象或同时显示文本和图象 图象型模块需要IC来控制 这种控制IC有些也装在LCD模块上 7 COG与TAB 1 COG Chip On Glass 即是将IC邦定在液晶片的玻璃上 将IC电路与LCD通过ACF直接连在一起 这样可省去PCB板等料件 可大大减少模块体积 同时在价格方面也可降低成本 该种产品适用于手提电话 PDA等体积小 要求显示内容多的高档次产品上 2 TAB TAB 是TapeAutomatedBonding的缩写 柔性带自动连接 它是将带有驱动电路的软带通过ACF 各向异性导电膜 与LCD连接 它减少了LCM的体积 8 LCD驱动 静态驱动基本思想 在相对应的一对电极间连续外加电场或不外加电场 如图1所示 驱动电路原理 如图2所示 图1 LCD静态驱动示意图图2 驱动电路原理图 驱动波形 根据此电信号 笔段波形不是与公用波形同相就是反相 同相时液晶上无电场 LCD处于非选通状态 反相时 液晶上施加了一矩形波 当矩形波的电压比液晶阈值高很多时 LCD处于选通状态图3 静态波形图4 电极阵列 动态驱动 当液晶显示器件上显示像素众多时 如点阵型液晶显示器件 为了节省庞大的硬件驱动电路 在液晶显示器件电极的制作与排列上作了加工 实施了矩阵型的结构 即把水平一组显示像素的背电极都连在一起引出 称之为行电极 把纵向一组显示像素的段电极都连接起来一起引出 称之为列电极 在液晶显示器上每一个显示像素都由其所在的列与行的位置唯一确定 在驱动方式上相应地采用了类同于CRT的光栅扫描方法 液晶显示的动态驱动法是循环地给行电极施加选择脉冲 同时所有为显示数据的列电极给出相应的选择或非选择的驱动脉冲 从而实现某行所有显示像素的显示功能 这种行扫描是逐行顺序进行的 循环周期很短 使得液晶显示屏上呈现出稳定的图象 我们把液晶显示的扫描驱动方式称为动态驱动法 电压平均化 从多路驱动的基本思想可以看出 不仅选通相素上施加有电压 非选通相素上也施加了电压 非选通时波形电压与选通时波形电压之比为偏压比Bias 1 a 为了使选通相素之间及非选通相素之间显示状态一致 必须要求选点电压Von一致 非选点电压Voff一致 为了使相素在选通电压作用下被选通 而在非选通电压作用下不选通 必须要求LCD的光电性能有阈值特性 且越陡越好 但由于材料和模式的限制 LCD电光曲线陡度总是有限的 因而反过来要求Von Voff拉得越开越好 即Von Voff越大越好 经理论计算 当Duty Bias满足以下关系时 Von Voff取极大值 满足下式的a 即为驱动路数为N的最佳偏压值 9 触摸屏Touchpanel 应用 电子钟 表 电动玩具 计算器 台历 电子字典 PDA等 触摸屏根据所用的介质以及工作原理 可分为电阻式 电容式 红外线式和表面声波式多种 电阻式触摸屏当手指按在触摸屏上时 该处两层导电层接触 电阻发生变化 在X和Y两个方向上产生信号 然后传送触摸屏控制器 触摸屏的控制器接收到这一接触信号 并将信号传送给CPU 然后CPU就会根据模拟鼠标的方式运作 性能较红外线式及表面声波式触摸屏为佳 电容式触摸屏触摸屏把透明的金属层涂在玻璃板上 当手指触摸在金属层上时 电容发生变化 使得与之相连的振荡器频率发生变化 通过测