《液晶显示原理》PPT课件.ppt

液晶彩电原理 第一节液晶显示屏结构 液晶彩电是以液晶屏为显示器件的电视机 大家从生活当中看到的各类液晶显示屏有 电子手表显示屏计算器显示屏掌上游戏机显示屏手机上的显示屏MP3的显示屏MP4的显示屏笔记电脑上的显示器台式电脑上的显示器液晶电视的显示屏 电脑 液晶电视上用的都是薄膜晶体管液晶显示器其英文名称 Thin filmtransistorliquidcrystaldisplay简称 TFTLCD TFTLCD从它的英文名称中我们可以知道 这一种显示器它的构成主要有两个特征 一个是薄膜晶体管 另一个就是液晶本身 我们先谈谈与液晶显示有关的偏振光的概念 一 自然光与偏振光 电磁波是横波 由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征 光也是一种电磁波 大量试验表明 在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E 所以规定E为光矢量 我们把E的振动称为光振动 光矢量E的方向就是光振动的方向 光是一种横波 太阳 电灯等普通光源发出的光 包含着在垂直于传播方向上沿一切方向振动的光 而且沿着各个方向振动的光波的强度都相同 这种光叫做自然光 如图 起偏器和检偏器把自然光转化为线偏振光的过程叫做起偏 用于这种转化的光学器件称为起偏器 自然光通过偏振片P 叫做起偏器 之后 只有振动方向跟偏振片的透振方向一致的光波才能通过 也就是说 通过偏振片P的光波 在垂直于传播方向的平面上 只沿着一个特定的方向振动 这种光叫做偏振光 起偏器 检偏器 图甲所示 让太阳光或灯光通过偏振片P 在P的另一侧进行观察 可以看到偏振片是透明的 以光的传播方向为轴旋转偏振片P 透射光的强度不变 偏振片P的后面再放置另一个偏振片Q 观察通过两块偏振片的透射光 当Q与P的透振方向平行时 透射光的强度最大 但是 比通过一块偏振片时要弱 图乙 当Q与P的透振方向垂直时 透射光的强度最弱 几乎为零 图丙 二 液晶屏的结构 把两片偏光板迭在一起 当旋转两片偏光板的相对角度 会发现随着相对角度的不同 光线的亮度会越来越暗 当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时 光线就完全无法通过了 请见图8 1 偏光板 polarizer 液晶显示器就是利用偏光板这个特性来完成的 利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间 充满液晶 再利用电场控制液晶分子转动 来改变光的行进方向 如此一来 不同的电场大小 就会形成不同灰阶亮度了 请见图9 10 图10中 当上下两块玻璃之间没有施加电压时 液晶的排列会依照上下两块玻璃的配向膜而定 对于TN型的液晶来说 上下的配向膜的角度差恰为90度 见图9 所以液晶分子的排列由上而下会自动旋转90度 当入射的光线经过上面的偏光板 起偏器 时 会剩下单方向极化的光波 通过液晶分子时 由于液晶分子总共旋转了90度 所以当光波到达下层偏光板时 光波的极化方向恰好转了90度 下层的偏光板与上层偏光板 角度也是恰好差异90度 所以光线便可以顺利的通过 当上下偏光片相互垂直时 若未施加电压 光线可通过 如果我们在上下两块玻璃之间施加电压 由于TN型液晶的介电系数异方性多为正型 因此当液晶分子受电场影响时 其排列方向会倾向平行于电场方向 所以我们从图10中便可以看到 液晶分子的排列都变成站立着的 此时通过上层偏光板的单方向的极化光波 经过液晶分子时便不会改变极化方向 因此就无法通过下层偏光板 当施加电压时 光线被完全阻挡 2 Normallywhite及normallyblack结构 所谓的NW Normallywhite 是指当我们对液晶面板不施加电压时 我们所看到的面板是亮的画面 所以才叫做normallywhite 另外一种 当对液晶面板不施加电压时 面板无法透光 看起来是黑色的 就称之为NB Normallyblack 刚才的图9及图10都是属于NW的配置 从图11可以知道 TN型LCD上下玻璃的配向膜都是互相垂直的 而NB与NW的差别就在于偏光板的相对位置不同而已 对NB来说 其上下偏光板的极性是互相平行的 所以当NB不施加电压时 光线会因为液晶将之旋转90度的极性而无法透光 为什么会有NW与NB这两种不同的偏光板配置呢 主要是为了不同的应用环境 一般桌上型计算机或是笔记型计算机 大多为NW的配置 那是因为一般计算机软件的使用环境 你会发现整个屏幕大多是亮点 也就是说计算机软件多为白底黑字的应用 既然亮着的点占大多数 使用NW当然比较方便 也因为NW的亮点不需要加电压 平均起来也会比较省电 反过来 NB的应用环境大多是属于显示屏为黑底的应用了 V 3V V 5V 3 上下两层玻璃与配向膜 alignmentfilm 上下两层玻璃主要是来夹住液晶用的 下面的那层玻璃上有薄膜晶体管 Thinfilmtransistor TFT 上面的那层玻璃则贴有彩色滤光片 Colorfilter 两片玻璃在接触液晶的那一面 有锯齿状的沟槽 沟槽的主要目的是希望长棒状的液晶分子 会沿着沟槽排列 这样液晶分子的排列才会整齐 如果是光滑的平面 液晶分子的排列便会不整齐 造成光线的散射 形成漏光的现象 当液晶被包含在两个槽状表面中间 且槽的方向互相垂直 则液晶分子的排列为 上表面分子 沿着a方向下表面分子 沿着b方向 介于上下表面中间的分子 产生旋转的效应 因此液晶分子在两槽状表面间产生90度的旋转 在实际的制造过程中 无法将玻璃作成有如此的槽状的分布 一般是在玻璃的表面上涂布一层PI polyimide 然后再用布去做磨擦 好让PI的表面分子依照固定而均一的方向排列 而这一层PI 聚酰亚胺 就叫做配向膜 它的功用就像图9中玻璃的凹槽一样 让液晶依照预定的顺序排列 TFTLCD的中文名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器 液晶显示器需要电压控制来产生灰阶 薄膜晶体管只是一个开关 它主要是决定LCDsourcedriver上来的电压是不是要充到这个像素点来 以及这个点要充到多高的电压 以控制该点液晶转向 以便显示出怎样的灰阶 从图14的切面结构图来看 在两层玻璃间 夹着液晶 两层玻璃间形成平行板电容器 它的大小约为0 1pF 这个电容太小 当通过TFT对这个电容充好电后 它并无法将电压保持住 以等待下一个画面的更新 以一般60Hz的画面更新频率 需要保持约16ms的时间 这样一来 所显示的灰阶就会不正确 因此一般在液晶板上会再加一个储存电容CS 大约为0 5pF 以便让充好的电压能保持到下一个画面的更新 4 TFTLCD 因TFT组件的动作类似一个开关 Switch 液晶组件的作用类似一个电容 藉Switch的ON OFF对电容储存的电压值进行更新 保持 SWON时信号写入 加入 记录 在液晶电容上 在以外时间SWOFF 可防止信号从液晶电容泄漏 在必要时可将保持电容与液晶电容并联 以改善其保持特性 TFT阵列等效电路 5 彩色滤光片 colorfilter CF 如果你拿着放大镜 靠近液晶显示器的话 你会发现如图15中所显示的样子 6 TFT LCD的基本结构 液晶面板上的每个像素都被再次分成红 绿 蓝三种颜色 我们把每个这样的单元称做液晶像素的子像素 红色 蓝色以及绿色是所谓的三原色 利用这三种颜色便可以混合出各种不同的颜色 很多平面显示器就是利用这个原理来显示出色彩 我们把RGB三种颜色 分成独立的三个点 各自拥有不同的灰阶变化 然后把邻近的三个RGB显示的点 当作一个显示的基本单位 也就是像素 那这一个像素就可以拥有不同的色彩变化了 对于一个需要分辨率为1024 768的显示画面 我们只要让这个平面显示器的组成有1024 768个像素 便可以正确的显示这一个画面 在图15中 每一个RGB的点之间的黑色部分 就叫做Blackmatrix 黑色矩阵 它主要是用来遮住不打算透光的部分 比如一些ITO的走线 或是Cr Al的走线 或者是TFT的部分 每一个RGB的亮点看起来 并不是矩形 在其左上角也有一块被blackmatrix遮住的部分 这就是TFT的所在位置 图16是常见的彩色滤光片的排列方式 条状排列最常使用于笔记本电脑 或是台式计算机 其原因是现在的软件 多半都是窗口化的 我们所看到的屏幕内容 就是一大堆大小不等的方框所组成的 条状排列 恰好可以使这些方框边缘 看起来更直 而不会看起来有毛边或是锯齿状的感觉 AV产品上 因为电视信号多半是人物 其轮廓大部分是不规则的曲线 因此AV产品都是使用马赛克排列 现在已改进到使用三角形排列 除了上述的排列方式之外 还有正方形排列 它并不是以三个点来当作一个pixel 而是以四个点来当作一个pixel 7 背光板 backlight BL CRT是利用电子枪发射出高速的电子 打击屏幕上的荧光粉 以产生亮光 来显示出画面 而液晶显示器本身 靠控制光线通过的多少来显示亮度 本身并无发光的功能 因此 液晶显示器就必须加上一个背光组件 来提供一个亮度高 亮度分布均匀的光源 背光模块种类 组成背光板的主要零件灯管 冷阴极荧光灯管CCFL 发光零件反射板 使光线只往TFTLCD的方向前进导光板 将光线分布到各处prismsheet 棱镜片 增加正面发光强度扩散板 将光线均匀的分布到各个区域去 缓解辉斑 提供给TFTLCD一个明亮的光源 而TFTLCD则藉由电压控制液晶的转动 控制通过光线的亮度 藉以形成不同的灰阶 8 框胶 Sealant 框胶的用途 就是要让液晶面板中的上下两层玻璃 能够紧密黏住 并且提供面板中的液晶分子与外界的阻隔 所以框胶正如其名 是围绕于面板四周 将液晶分子框限于面板之内 9 衬垫 spacer spacer主要是提供上下两层玻璃的支撑 它必须均匀的分布在玻璃基板上 不然就会造成部分spacer聚集在一起 阻碍光线通过 也无法维持上下两片玻璃的适当间隙 成电场分布不均的现象 进而影响液晶的灰阶表现 10 开口率 Apertureratio 液晶显示器中有一个很重要的参数就是亮度 而决定亮度最重要的因素就是开口率 开口率就是光线能透过的有效区域比例 图17中 左边是一个液晶显示器从正上方或是正下方看过去的结构图 当光线经背光板发射出来时 并不是所有的光线都能穿过面板 象给LCDsource驱动芯片及gate驱动芯片用的信号走线 以及TFT本身 还有储存电容等 这些地方除了不完全透光外 也由于经过这些地方的光线并不受到电压的控制 而无法显示正确的灰阶 所以都需利用blackmatrix加以遮蔽 以免干扰到其它透光区域的正确亮度 所以有效的透光区域 就只剩下如同图17右边所显示的区域而已 这一块有效的透光区域 与全部面积的比例就称之为开口率 光线从背光板发射出来 会依序穿过偏光板 玻璃 液晶 彩色滤光片等等 假设各个零件的穿透率如以下所示 偏光板 50 因为其只准许单方向的极化光波通过 玻璃 95 需要计算上下两片 液晶 95 开口率 50 有效透光区域只有一半 彩色滤光片 27 设材质本身的穿透率为80 由于滤光片本身涂有色彩 只能容许该色彩的光波通过 所以仅剩下三分之一的亮度 总共只能通过80 33 27 以上述的穿透率来计算 从背光板出发的光线只会剩下6 实在是少的可怜 这也是为什么在TFTLCD的设计中 要尽量提高开口率的原因 只要提高开口率 便可以增加亮度 同时背光板的亮度也不用那么高 可以节省耗电及花费 三 TFT LCD显像原理 TFT LCD构造剖面图 第二节液晶电视主要电路板组成及作用 逆变器 信号处理板 USB信号处理板 逆变器 逻辑板或屏控制板 USB信号处理板 电源组件 主信号处理板 电源组件板 背光灯 逆变器实物图 行列驱动板 PWB板 逻辑板或屏