第十二课-光-电显示(下)5.29final

第十二课光电显示（下）,2020/5/27,主要内容,1.光电显示器件概论2.典型的显示器件,2.2液晶显示器(LCD),LCD（笔端型+字符型）,1、什么是液晶？,LCD（点阵图型）,液晶显示器（LCD）,液晶液晶显示器,液晶的历史,液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家莱尼茨尔（FReinitzer）在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？,液晶的历史,莱尼茨尔把这一现象告诉了德国卡斯鲁尔大学物理学家勒曼（D.Lehmann）。勒曼在偏光显微镜下发现，这种奇异的液体具有与晶体类似的双折射性质，并首次把这种状态的液体命名为“液晶”，简称为“LCLiquidCrystal”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCDLiquidCrystalDisplay。,液晶放到偏光显微镜下观察,液晶的历史,1961年，美国无线电公司（RCA）普林斯顿研究所的一位年轻工作者海麦尔将电子学知识用于液晶的光学特性研究，取得了很大进展。,1968年，海麦尔及其研究小组制成了世界上第一台液晶平板显示器，从此开始了液晶显示的新纪元。,液晶的历史,液晶是白色浑浊的黏性液体，其分子形状为棒状（如图所示）。按照液晶的形成条件分类，液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。,液晶的分类,液晶分子,液晶中分子的排列,短轴,长轴,按照液晶的形成条件分类,某些有机物加热溶解，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。它是由于温度发生变化而出现的液晶相。,把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，它是由于溶液浓度发生变化而出现的液晶相。,溶致液晶,热致液晶,作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。,热致液晶,有序部分有序无序,(各向异性)（各项同性）,按液晶分子排列状态，热致液晶相可分为三大类：近晶相液晶（Smecticliquidcrystals）向列相液晶（Nematicliquidcrystals）胆甾相液晶（Cholestericliquidcrystals）,热致液晶分类,热致液晶分类：,近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶：,棒状或条状分子按层状排列，二维有序，层内分子长轴相互平行，其方向可垂直于层面或与层面倾斜。分子质心位置在层内无序，分子可在层内转动或者滑动。层与层之间的作用力较弱，易滑动，具有二维的流动性。近晶相液晶的粘度与表面张力较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。光学上显示正双折射性。,向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶：,由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，像液体一样富于流动性。光学特性像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。,胆甾相液晶（Cholesteric），也称螺旋状液晶：,具有层状结构，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直于层的平面上，每层分子都会旋转一个角度。,整体呈螺旋结构，螺距的长度与可见光波长相当。,胆甾型液晶具有负的双折射性质。,胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，温度的变化可引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。,胆甾相和向列相液晶可互相转换。,2020/5/27,相列相液晶vs胆甾相液晶,2020/5/27,液晶的光学特性,1）能使入射光的前进方向向液晶分子长轴的方向偏转；2）使入射光的偏振状态，及偏振方向发生变化；3）使入射的左旋及右旋偏振光产生对应的透过或反射。,由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性：,胆甾相液晶的旋光性,线偏振光在胆甾相的液晶中传播时，胆甾相的螺旋结构使光的偏振方向发生扭转，这种特性称为胆甾相液晶的旋光性。胆甾相结构能使光的偏振面旋转18000度/mm（50r/mm），是已知的旋光性最强的物质。,2020/5/27,液晶的电光效应,电光效应：液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。电光效应种类：电流效应动态散射效应、存储效应电场效应排列相畸变效应、混合排列相畸变效应、扭曲向列效应（TN）、相转变效应（PC）、宾主效应（GH）,液晶的各向异性,P型液晶（0）：正介电各向异性液晶N型液晶（0）：负介电各向异性液晶,液晶的介电系数,沿液晶短轴方向介电系数,沿液晶长轴方向介电系数,目前液晶显示器主要应用P型液晶。,外场作用下液晶分子的取向,在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。,使液晶分子排列发生变化的阈值电压为式中Kii为弹性常数。,液晶材料在施加电场时，液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形，引起其光学性质会发生变化电光效应。,液晶电光效应示意图,液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。,液晶显示器（LCD）,液晶液晶显示器,2020/5/27,液晶显示器件的历史与分类,第一代（1968年1972年）：动态散射型液晶显示器件（DS-LCD）第二代（1971年1984年）：扭曲向列型液晶显示器件（TN-LCD）第三代（1985年1990年）：超扭曲向列型液晶显示器件（STN-LCD）第四代（1990年）有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD/TFT-LCD）,扭曲向列型液晶显示器(TwistedNematicLiquidCrystalDisplayTN-LCD)属第二代液晶显示器件，也是最常见的一种液晶显示器件。1971年瑞士人发明了扭曲向列型(TN)液晶显示器,日本厂家使TN-LCD技术逐步成熟，又因制造成本和价格低廉，使其在七八十年代得以大量生产，从而成为主流产品。,扭曲向列型液晶显示器（TN-LCD）,2020/5/27,TN-LCD结构,1.偏振片；2.玻璃基板；3.ITO透明电极；4.配向膜；5.向列相液晶；6.胶框,2020/5/27,配向层,液晶盒中玻璃片内侧覆盖着一层配向层。配向层的作用是使液晶分子按特定的方向排列，这个配向层通常是一薄层高分子有机物，用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。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。,由于内表面涂有配向层膜，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90扭曲。这就是扭曲向列液晶器件名称的由来。,2020/5/27,TN-LCD的工作原理,2020/5/27,TN-LCD工作原理,当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在无外电场作用时，由于扭曲向列液晶的旋光特性，线偏光经过扭曲向列液晶时偏振方向跟随扭曲向列液晶旋转90，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90的偏振光可以通过，因此呈透光态。在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈不透光态。,TN-LCD工作原理,如果将偏振片垂直放置，可得到正显示。,白底黑字显示常白型,TN-LCD工作原理,FieldOFF,FieldON,如果将偏振片平行放置呢？,TN-LCD工作原理,不透光,透光,如果将偏振片平行放置，则可得到负显示。,TN-LCD工作原理,黑底白字显示常黑型,TN-LCD工作原理,TN-LCD液晶显示器的电光特性,电光特性：透光强度与外加电压的关系。,正型：不加外电压时透光率最大，加外电压后透光率随电压的升高而降低。,负型：不加外电压时透光率最小，加外电压后透光率随电压的升高而升高。,（1）阈值电压Vth,引起最大透光强度的10%（负型）或90%（正型）的外电压值。,（2）饱和电压Vs,最大透光率90%(负型)或最大透光率10%(正型)处对应的外电压值。,阈值电压Vth和饱和电压Vs之间，是液晶工作的区间。,电光特性参数,（3）陡度和比陡度,VS越接近Vth，电光曲线越“陡”，趋于1，可以实现多路驱动，显示的灰度级越多。一般TN1.41.6，只能实现816路驱动。,电光特性参数,2020/5/27,TN-LCD的缺点,由于电光曲线不“陡”，TN型液晶显示器件存在反应速度慢；阈值效应不明显；信息容量小，只能用于笔段式数字显示及低路数（16线以下）驱动的简单字符显示等缺点。另外，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。,超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）,80年代初，人们经过理论分析和实验发现，只要将分子的扭曲角增加到180270时，就可大大提高电光特性的响应速度。随着扭曲角的增大，曲线的斜率增加，当扭角达到270时，斜率达到无究大。曲线斜率的提高可以允许多路驱动，且可获得敏锐的锐度和宽的视角。超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）：第三代液晶显示器件。“超扭曲”即扭曲角大于90。,2020/5/27,STN-LCD的结构,2020/5/27,STN-LCD的电光特性,STN-LCD的工作原理,P2,与TN型相比，STN型的结构特点是：大扭角(180o270o)；高预倾角(20o)；两偏振片光抽特殊设置。,P1，P2分别为两偏振片光轴；R1，R2分别为上下基板取向方向；，分别为两偏振片光轴与相应基板取向之夹角。,在STN器件中，由于壁面分子取向和偏振片偏振光轴不一致，入射的线偏振光被分解成平行和垂直于分子长轴的e光和o光。由于两者传输速度的不同，在通过检偏振片时相互发生干涉，干涉强度取决于延迟nd，偏振片方位角(P1，P2)和扭角的组合。在三者最佳组合时，分子取向微小变化将引起输出光的较大变化，呈现陡峭的阈值特性。利用电压作用引起分子取向突变和光学双折射效应的巧妙结合，可获得大容量显示。显示容量的增加，使STN可以实现彩色化。,STN-LCD的工作原理,STN型彩色液晶显示原理,如果将单色STN液晶显示器中每一个单色显示像素分成三个子像素，并且每一个子像素前面分别加上彩色滤光片，使其显示红、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，即变成了全彩色液晶显示器。,彩色显示机理,2020/5/27,STN-LCD的应用,当液晶显示器显示的像素众多时，为了节省庞大的硬件驱动电路，液晶显示器电极的制作实施了矩阵式结构：即TN或STN液晶盒上下玻璃基板的内表面沉积许多平行的条状透明电极，而且上下电极条互相垂直，交叉处形成显示像素。,TN与STN型液晶屏幕的驱动方式,显示器上每个像素都由其所在行列位置唯一确定。液晶显示的扫描方法是循环地逐行给行电极施加选择脉冲，并在列电极上给出该行显示数据转换成的选通或非选通的驱动信号，从而实现该行所有显示像素的显示。这种扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶屏上呈现出稳定的图像。,动态驱动,逐行扫描（寻址）示意,逐行扫描（寻址）示意,逐行扫描（寻址）示意,逐行扫描（寻址）示意,逐行扫描（寻址）示意,逐行扫描（寻址）示意,逐行扫描（寻址）示意,逐行扫描（寻址）示意,在动态驱动方式下，要使（i，j）点显示，就需在第i列和第j行上同时施加选择电压，使该点的电场强度最大，但此时除（i，j）点外，第i列和第j行的其余各点也承受了一定电压，这些点称为半选择点。若半选择点上的有效电压大于阈值电压时，在屏幕上将出现不应有的显示，使对比度下降，这就是交叉效应。因此“交叉效应”使图像对比度降低，图像质量变差。并且行、列电极越多，交叉效应越严重。,动态驱动存在的问题,2020/5/27,AM-LCD,TN、STN-LCD存在所谓的“交叉效应”。由于每个像素相当于一个电容，当一个像素被先通时，相邻像素将处于半选通状态，产生串扰。因此对于多路、视频运动图像的显示很难满足要求。AM-LCD：ActiveMatrix-LCD，有源（主动）矩阵液晶显示器。AM-LCD在每一个像素上设计一个非线性的有源器件（例如半导体开关器件），使每个像素可以被独立驱动，从而克服了“交叉效应”。这样不仅提高了反应时间，同时在灰度控制上也可以做到非常精确。,2020/5/27,AM-LCD分类,TFTLCD（ThinFilmTransistorLCD）薄膜晶体管液晶显示器。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、分辨率高等特点，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。,TFTLCD,2020/5/27,TFT-LCD的基本结构,2020/5/27,TFT-LCD的基本结构,TFT结构,TN结构,TFT-LCD与TN-LCD结构差别,TFT-LCD与TN-LCD结构差别,TN液晶显示器,TFT是一个使用晶体管制作的开关，它主要的作用是决定LCDsourcedriver上的电压是不是要充到这个点来。,TFT-LCD的结构,2020/5/27,TFT-LCD工作原理,2020/5/27,TFT-LCD的应用,2020/5/27,世界上最大的液晶电视：Sharp108,2020/5/27,主要类型LCD的性能比较,液晶显示器的特点,在各类显示器件特性比较中，液晶具有如下独到的优点：低压、低功耗23V的工作电压和几个微安的工作电流，功耗只有10-610-5W/cm2，与大规模集成电路的发展相适应。平板结构液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的薄形盒，易于控制显示面积和厚度。,72,显示信息量大液晶显示中，各象素点之间不用采取隔离措施，所以在同样显示窗口内可容纳更多的象素。易于彩色化液晶无色，所以可采用滤色膜容易实现彩色。长寿命无辐射、无污染CRT中有X射线辐射，PDP中有高频电磁辐射，液晶不会有这种情况出现。,73,液晶显示也具有下列缺点：显示视角小大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的各向异性，对不同方向的入射光，反射率是不一样的，视角一旦增大对比度迅速下降。响应速度慢液晶在显示快速移动的画面时，质量不好，可通过减薄液晶厚度和改进电路来改善。另外也不适用于高寒和高热地区使用。亮度相对较低对比度低画面均匀度相对较差、存在点缺陷,74,2020/5/27,2.3PDP,PDP（PlasmaDisplayPlane，等离子显示）是人们期待取代CRT的新型显示器件之一，适合大面积显示。,2020/5/27,PDP显示原理：PDP是利用气体放电发光进行显示的平面显示板。这种屏幕采用等离子管作为发光元件，大量等离子管排列构成屏幕。每个等离子管对应的每个小室内部充满惰性气体（AC：Ne；DC：Ne,Ar,Hg；彩色：Ne:Xe,Ag:Hg）。等离子管电极间加上高压后，封装在两个玻璃之间的气体放电，产生等离子体，等离子体产生紫外光照射三基色荧光粉发出可见光。,PDP显示原理,2020/5/27,PDP显示原理,2020/5/27,2020/5/27,PDP的优点,a，体积小，重量轻；b，图像边缘不变形；c，超宽视角（自发光）；d，亮度均匀，对比度高。彩色亮度1500cd/m2，暗室对比度10000：1e，响应时间短（us）；f，超大显示，对角线32”-102”；g，色彩好，真彩色16.7M，灰度级别256-4096；h，无辐射,2020/5/27,PDP的缺点,a，每个单元独立发光耗电量大增，发热量大，多组散热扇；b，像素尺寸不能太小，因为需要放电，过小导致击穿（仍然存在烧屏现象）；c，影像有残留现象；d，角度受气室深度影响（170度）。,2020/5/27,2.4LED显示,LED利用PN结电致发光原理实现发光显示。优点：能量转换效率高、高亮度、功耗低。主要应用于广