自动显示技术与仪表(5)课件

1、第4章各种平板显示器简介4.1平板显示器概述4.2液晶显示器4.3等离子体显示器（PDP）4.4电致发光显示器（ELD）4.5有机电致发光显示器(OELD)4.6场致发射显示器（FED）4.7电子纸4.8 平板显示器发展前景思考与练习题显示器主要有两大类： CRT（阴极射线管）和FPD（平板显示器）。 CRT是目前应用最广泛的一类显示器， 由用于工业生产的监视器发展而来。 理想的显示器应该兼具高亮度、 高对比度、 高分辨率， 并有大容量显示、 实现全彩色、低电压驱动、 低功耗、 便于集成、 高可靠性、 长寿命以及薄而轻的特点。对于工业显示器而言， 由于经常会暴露于自然环境中， 因此除了对显示器

2、性能的高要求外， 还要求它必须适应苛刻的环境条件， 包括宽广的温度和湿度范围， 能防腐蚀、 防尘、 承受严重的冲击和振动，还要符合各种政府或企业标准等。 随着对显示器在各方面要求的不断提高， 各种新型的FPD便应运而生。 4.1 平板显示器概述平板显示器主要有液晶显示器（Liquid Crystal Display， LCD）、 等离子体显示器（Plasma Display Penal， PDP）、 发光二极管显示器（Lightemitting Diode， LED）、 有机发光二极管（Organic Lightemitting Diode， OLED）或有机电致发光显示器（OrganicEl

3、ectroluminescence Display， OELD）、 场致发射显示器（Field Emission Display， FED）、 电致发光显示器（Electroluminescence Display， ELD）、 真空荧光显示器（Vacuum Fluorescent Display， VFD）、 电泳显示器（Electrophoretic Display ， EPD）等。 另外，近几年又出现了几种新型的投影显示器， 如硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon， LCOS）和数字光处理器（Digital Light Processing， DLP）。 FPD凭

4、借其体积小、 厚度薄、 重量轻、 无辐射、 不闪烁、 外形美观、 省电等诸多优势称雄于信息显示领域， 成为显示器发展的方向。 目前FPD已超过CRT成为主要的显示器， 并且最终取代CRT已是业界公认的大趋势。 4.1.1 平板显示器的类型与特点平板显示器的分类方法有很多种， 常见的分类有以下几种： (1) 按照发光类型， 可以分为主动发光型和非主动发光型。 一般又称主动发光型显示为能动型或发光型显示， 特点是显示媒质本身发光， 且发光像素的亮度和色度通过调制信号的强弱来控制， 从而实现显示。 常见主动发光型平板显示器有PDP、 ELD、 LED、 OLED、 FED、VFD等。 非主动发光型显

5、示又称被动型或受光型显示， 它本身不发光， 而是利用显示媒质被电信号调制以后， 其光学特性发生变化， 通过反射或者透射等的方式调制环境光源或者外加光源来达到显示的目的。 被动发光型平板显示器有LCD、 EPD、 LCOS、 DLP等。(2) 按照显示屏幕的大小， 分为中小型(约0.2 m2)、 大型(大于1 m2、 小于4 m2)和超大型(大于4 m2）显示器。 (3) 按照显示的颜色， 分为黑白、 单色以及彩色显示器。 (4) 按照显示内容、 形式， 分为数码、 字符、 轨迹、 图表、 图形以及图像显示器。 (5) 按照成像空间， 分为二维平面显示器和三维立体显示器。 (6) 按照显示原理，

6、 分为LCD、 LED、 PDP、 OLED、 ELD、 FED、 VFD、 EPD、 LCOS、 DLP等。由表可以看出， 非主动发光型显示器的工作电压低， 功耗小， 而主动发光型显示器的对比度、 亮度、 响应时间等特性占优。 4.1.2 平板显示器的主要参量显示器是一类用于显示静止图形、 图表、 符号、 轨迹和运动图像的器件。 衡量平板显示器显示图像质量的主要性能指标有亮度、 灰度和对比度、 图像分辨率与图像清晰度、 响应时间和余辉时间、 视角、 显色种类与显色色域、 发光效率、 工作电压和消耗电流、 存储功能、 寿命等。 1. 亮度 亮度是光学中的一个参量， 指垂直于光束传播方向上单位面

7、积的发光强度， 用来表征图像亮暗程度的指标， 是人眼对发光器件的主观感受。 亮度的单位是坎德拉每平方米（cd/m2）。 一般要求显示器的有用平均亮度应大于100 cd/m2， 对于高质量显示器亮度的要求至少达到300 cd/m2。 2. 灰度和对比度 灰度是指图像的黑白亮度层次（亮度的明暗程度）， 又称灰阶。 一般而言， 灰度越高，显示的色彩越丰富， 画面也越细腻， 更易表现丰富的细节。 灰度等级主要取决于系统的A/D转换位数。 如采用8位处理系统， 也即256（28）级灰度， 简单理解就是从黑到白共有256种亮度变化。 对比度是表征显示器重现图像灰度的能力， 对比度越高， 重显图像的层次越多

8、， 图像质量越高。 图像对比度（C）通常用屏幕上的最大亮度（Lmax）与最小亮度（Lmin）之比表示： (4-1)3. 图像分辨率与图像清晰度 图像分辨率与图像清晰度是电视系统研究、 设计中最主要的综合性指标之一。 电视系统的图像分辨率与图像清晰度是有区别的： 图像分辨率是指摄像端（信号源）分解图像的能力； 图像清晰度是显像端显示器上人眼观察图像清晰、 细腻程度的标志， 常用电视线表示。电视线是屏幕上人眼可分清明暗交替线条的总数。 4. 响应时间和余辉时间 响应时间是显示器从施加电压到出现图像的时间， 又称为上升时间； 余辉时间是从切断电源到图像消失时间， 又称为下降时间。 为了规范上升时间和

9、下降时间， 规定t11时刻激励电压加入后， 发光亮度由峰值亮度的10%到90%的时间间隔称为上升时间t12； t21时刻切断激励电压后，从峰值亮度的90%降到10%的时间间隔称为下降时间t22（见图4-1）。 将上升时间与下降时间之和称为响应时间。 图4-1 亮度与激励的时间关系5. 视角 由于显示屏的方向性， 屏幕的亮度会随视角而改变， 垂直屏幕方向亮度最大。 当在水平和垂直方向上， 屏幕亮度减小到屏幕垂直位置最大亮度的 1/2、 1/3或1/10时， 水平、 垂直方向角度称为视角。 所以在提及可视角时， 首先应该明确是1/2、 1/3最大亮度， 还是1/10最大亮度。 6. 显色种类与显色

10、色域 在数字信号激励的平板显示器中， 显色种类与三基色的量化级数有关。 量化级数越多，可组合的颜色种类就越多。 目前， LCD、 PDP彩色显示器的荧光粉大体与CRT型彩色显像管相同。 以8比特量化， 理论上它的颜色种类为282828 =16.7106种。 显色色域是衡量显示器色彩表现能力（色再现性）的指标， 指忠实再现输入图像的色彩范围的能力， 在国际照明委员会（CIE）标准化的色度图中可以形象地表示(见图4-2)。用三基色合成的色彩再现范围在色度图中是一个三角形区域， 其中三基色是指波长700 nm的红基色光R、 波长546.1 nm的绿基色光G和波长435.8 nm的蓝基色光B。 舌形围

11、线内是所有人类能看到的色彩。 国家标准中显色色域用显色三角形的面积占舌形区面积的百分比表示。图4-2 1931CIE-XYZ基色三角形7. 发光效率 发光效率指发光型显示器所发出的光通量与器件所消耗的功率之比， 单位为流明/瓦（lm/w）。 8. 工作电压和消耗电流 显示器施加的驱动电压称为工作电压， 驱动电源消耗的电流称为工作电流。 工作电压与工作电流的乘积就是显示器件的消耗功率。 9. 存储功能 外加电压除去之后， 仍能保持显示状态的功能， 称之为存储功能。 AC-PDP、 ELD、 DLP、 特殊材料的LCD液晶显示器都具有存储功能。 10. 寿命 显示器寿命的定义是亮度衰减到初始亮度一

12、半的时间。 目前 CRT型彩色显像管技术较成熟， 它的正常工作寿命在23万小时以上， PDP、 LCD、 DLP等显示器已基本解决了使用寿命问题。 4.2 液 晶 显 示 器LCD、 PDP、 OLED等各种新型平板显示器在技术及应用上各有优势， 但LCD的综合性能目前最好， 包括产品种类可覆盖从小到大几乎所有尺寸、 性能稳定、 能耗小等。 尤其是近年来伴随着亮度/对比度的改善、 可视角度的提高、 以及响应时间的改善， LCD开始加快了取代CRT的步伐， 市场占有率也开始节节攀升。4.2.1 液晶的特性众所周知， 物质有三态， 分别是固态、 液态和气态， 这三种状态也可称为固相、 液相和气相。

13、 在自然界中大多的物质随温度的变化而呈现固态、 液态和气态。 除了我们知道的固态、 液态和气态外， 有些物质在从固态转变成液态的过程中， 不是直接从固态变为液态， 而是存在一种中间状态（见图4-3）。 处于中间状态的物质外观上看似浑浊的液体， 但是它的光学性质和某些电学性质又和晶体相似， 具有各向异性， 如有双折射特性等。 这种在一定的温度范围内兼具液体的流动性和晶体的各向异性的物质称做液态晶体（Liquid Crystal）， 简称液晶。 图4-3 液晶物质的相变1. 液晶的分类液晶分类方法有很多， 按照液晶状态的形成方法可以分为热致液晶和溶致液晶； 按照液晶分子的尺寸大小可分为小分子液晶和

14、高分子液晶； 按照液晶分子的性能和用途可分为铁电液晶和反铁电液晶。 热致液晶是当液晶物质加热时， 在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体。 用于显示的都是可工作于室温的热致液晶。 热致液晶因分子排列有序状态不同可分为近晶相(Smectic)液晶、 向列相（Nematic）液晶和胆甾相（Cholesteric）液晶三大类（见图4-4）。 图4-4 液晶分子(左)与热致液晶1） 近晶相液晶近晶相液晶又称为层状液晶， 由液晶棒状或条状分子聚集在一起， 形成一层一层的结构。 每一层的分子长轴方向相互平行， 且此长轴方向与每一层平面垂直或有一倾斜角。 就单层来看， 不仅排列有序， 且粘性较大， 分子不易转

15、动， 即响应速度慢， 一般不适宜制作显示器件。2） 向列相液晶向列相液晶又称为丝状液晶， 它是由长径比很大的棒状分子组成的。 分子质心没有长程有序性， 具有类似于普通液体的流动性。 分子排列成层， 能上下、 左右、 前后滑动， 只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行， 分子间短程相互作用力很微弱。 向列相液晶具有明显的电学、 光学各向异性， 加上其黏度较小， 所以较易流动， 使其成为显示器件中应用最为广泛的一类液晶。 3） 胆甾相液晶胆甾相液晶分子呈扁平状， 排列成层， 层内分子互相平行， 分子长轴平行于层平面， 不同层的分子长轴方向稍有变化， 沿层的法线方向排列成螺旋状结构。 胆甾相液晶的

16、螺距约为300 nm。 这个螺距会随外界温度、 电场条件不同而改变， 因此可用调节螺距的方法对外界光进行调制。 胆甾相液晶在显示技术中十分有用， 可大量用于向列相液晶的添加剂。 它可以引导液晶在液晶盒内形成沿面扭曲180、 270等排列， 制成超扭曲向列（Super Twisted Nematic， STN）型显示。 2. 液晶的电光特性液晶分子一般都是刚性的棒状分子， 分子头尾、 侧面所接的分子集团不同， 使液晶分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的性质。 液晶分子是极性分子， 由于分子间的作用力， 使液晶分子集合在一起时， 分子长轴总是互相平行， 或有一个择优方向。 液晶分子长轴平均趋向的单

17、位矢量即为该液晶的指向矢。 热致液晶在液晶显示器中得到了广泛应用。 它的物理参数， 诸如介电各向异性、 电阻率、各向异性黏度系数、 光学折射率各向异性（双折射）、 弹性常数等是显示器设计的重要依据。 由于液晶分子的排列并不像晶体结构那样牢固， 因此容易受到电场、 磁场、 温度、 应力以及吸附杂质等外部因素的影响， 从而使其各项特性发生变化。 液晶的这种作用力微弱的分子排列正是其在显示领域具有广阔市场的关键条件。 1） 介电（Dielectric Permittivity）各向异性（）液晶介电各向异性是决定液晶分子在电场中行为的重要参数。 将介电常数分成两个方向的分量， 分别是（与指向矢平行的分

18、量）和(与指向矢垂直的分量)。 若， 则称之为正性液晶； 若， 则称之为负性液晶。 当有外加电场时， 液晶分子会因介电常数各向异性为正还是负值，来决定液晶分子的转向是平行还是垂直于电场， 从而决定光的通过与否。 目前TFT-LCD上常用的TN型液晶大多是属于正性液晶， 介电常数各向异性()越大， 液晶的临界电压就会越小， 这样液晶便可以在较低的电压下操作。2） 电阻率（Resistivity）各向异性()液晶电阻率一般为1081012 cm， 接近于半导体和绝缘体的边界。 在制备液晶时， 电阻率常作为纯度的检测值。 小(电导率大)表示杂质离子多， 即液晶的纯度差。一般1010 cm 就认为其不

19、纯。 在外场作用时， 由于电化学分解会破坏液晶分子结构， 直至失去液晶性能， 使液晶器件寿命大大降低， 因此实用液晶材料的值一般取10111012 cm。 3） 光学折射率（Refractive Index）各向异性(n)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， 所以液晶分子也称做各向异性晶体。 光在液晶中传播时， 会发生光学折射率n各向异性， 即双折射。 依照单轴晶体两个不同折射率的定义， 一个为寻常光线的折射率no， 其电场分量垂直于光轴； 另一个为非寻常光线的折射率ne， 其电场分量与光轴平行， 当光通过向列相液晶时， neno。

20、 这表明光在液晶中的传播速度v存在着vevo的关系， 即寻常光的传播速度大。 这种特性在光学上称为正光性， 用于显示的液晶一般为正光性液晶。 而胆甾相液晶的光轴与螺旋轴平行， 与分子轴垂直， 非寻常光的折射率比寻常光的小， 即neno， 所以胆甾相液晶为负光性材料(见图4-5)。 图4-5 单轴性液晶折射率的各向异性与介电系数一样， 折射率也按照与指向矢垂直和平行的方向， 分成两个方向的分量， 分别为n与n。 当向列相液晶的光轴用指向矢描述时， n=ne，n=no， 定义折射率各向异性， n=nn=neno。 由于液晶分子的结构为各向异性， 因此引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异。所以，

21、 可以利用这些性质来改变入射光的强度， 以便形成灰阶， 应用于显示器组件上。 4） 液晶的光学特性由于液晶具有折射率的各向异性， 因而具有以下光学特性： (1) 能使入射光的前进方向向液晶分子长轴方向偏转， 即光线沿偏向液晶长轴的方向传播（如图4-6所示）。(2) 能改变入射光的偏振状态（线偏振、 椭圆偏振或圆偏振）或偏振方向。(3) 能使入射偏振光相应于左旋或右旋光进行反射或透射。 当线偏振光通过液晶物质时，若液晶分子作扭曲排列， 则可使入射光的透光轴发生旋转， 从而表现出一定的光学特性。图4-6 光在液晶中的传播3. 光在液晶中的传播1） 液晶的物理特性液晶的物理特性是： 当通电时， 液晶

22、分子的排列变得有序， 使光线容易通过； 而不通电时分子排列混乱， 阻止光线的通过。 液晶像一个开关一样阻隔或让光线通过。 液晶面板的结构包含两片无钠玻璃， 中间填充一层液晶。 当光束通过这层液晶时， 液晶本身或扭转呈不规则状或排列有序， 因而阻隔或使光束顺利通过。 大多数液晶都是由长棒状的分子构成的， 在自然状态下， 这些棒状分子的长轴大致平行。 将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面， 液晶分子会顺着槽排列， 假如那些槽非常平行， 则分子间也是完全平行的。 2） 单色液晶显示器液晶盒是由上下两块导电玻璃组成的， 四周用密封材料密封， 其中注有扭曲向列液晶。 两导电玻璃内侧为方向相互垂直的定向层，

23、 这样， 位于两个平面之间的液晶分子被强迫进入一种扭转90的状态。 导电玻璃外侧有偏振方向互相垂直的偏光片（见图4-7）。 图4-7 反射式TN液晶显示器件结构图由于光线顺着液晶分子的排列方向传播， 因此光线经过液晶时其偏振方向也被扭转90。但当液晶上加一定电压时， 分子便会重新垂直排列， 使光线能直射出去， 偏振方向不发生任何扭转（见图4-8）。液晶分子在偏光片之间排列成多层。 在同一层内， 液晶分子的位置虽不规则， 但长轴取向都是平行于偏光片的； 在不同层之间， 液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90。其中， 邻接偏光片的两层液晶分子长轴的取向， 与所邻接的偏光片的偏振光方向一致。 在

24、电子产品中所用的液晶显示器， 几乎都是用扭曲向列效应原理制成的。 图4-8 TN型器件分子排布与透过光示意图通过电极给液晶分子施加一定电压U， 当U大于液晶分子的阈值电压Uth时， 由于受到外界电压的影响， 每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致， 液晶层因此失去了旋光的能力， 而变成竖立的状态。 液晶显示器的夹层贴附了两块偏光片， 这两块偏光片的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。 在正常情况下光线从上向下照射时， 通常只有一个角度的光线能够穿透下来， 通过上偏光片导入上部夹层的沟槽中， 再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光片穿出， 形成一个完整的光线穿透途径。 当液晶分子竖立时光线就无法

25、通过， 结果在显示屏上出现黑色。 这样透光时为白， 不透光时为黑， 字符就可以显示在屏幕上了（见图4-9）。 图4-9 TN型器件显像原理同样， 也可以改变LCD中的液晶排列， 使光线在加电时射出， 而不加电时被阻断。 但由于计算机屏幕几乎总是亮着的， 因此只有“加电将光线阻断”的方案才能达到最省电的目的。3） 彩色LCD显示器对于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器而言， 需要采用更加复杂的彩色处理， 因而还需具备专门处理彩色显示的色彩过滤层。 通常， 在彩色LCD面板中，每一个像素都由三个液晶单元格构成， 其中每一个单元格前面都分别有红、 绿、 蓝色滤光片， 这样， 通过不同单元格的光线就可

26、以在屏幕上显示出不同的颜色。4.2.2 常用液晶显示器1. 液晶显示器的分类液晶显示器属于平面显示器的一种， 按显示方式可以分为直视型和投影型， 其中直视型又可分为透射式和反射式两种。 反射式就是将铝箔光反射片贴在LCD背面玻璃基板的外面，使其反射LCD的入射光， 用于显示。 反射式充分发挥了非发光型LCD耗电少的特点。 反射式依色彩显示方式可以分为单色显示、 多色显示和彩色显示； 依工作模式可分为动态散射、 宾主模式、 TN模式、 STN模式和铁电模式； 依驱动方式可分为直接驱动和多路驱动。其中直接驱动可以分为段式显示和字符显示， 多路驱动又可以分为被动矩阵（Passive Matrix）驱

27、动和主动矩阵（Active Matrix）驱动两种。 被动矩阵型又可分为扭曲向列型（Twisted Nematic；TN）、 超扭曲向列型（Super Twisted Nematic； STN）及其它被动矩阵驱动液晶显示器， 而主动矩阵型大致可分为TFT型和二极管型（Metal/Insulator/Metal； MIM）两种方式。TN、 STN及TFT型液晶显示器因其利用液晶分子扭转原理不同， 在视角、 彩色、 对比及动画显示品质上有差别， 从而使其应用范围有所不同。 以目前液晶显示技术所应用的范围及层次而言，主动式矩阵驱动技术是以TFT为主流， 多应用于笔记本电脑及动画、 影像处理产品； 而

28、单纯矩阵驱动技术目前则以扭转向列（TN）、 以及超扭转向列（STN）为主， 目前的应用多以文书处理器以及消费性产品为主。 在这之中， TFT液晶显示器所需的资金投入以及技术需求较高， 而TN及STN所需的技术及资金则相对较低。 现就显示原理不同分别介绍几种液晶显示器。 1） TN-LCDTN-LCD是液晶显示器中最基本的， 也是应用最广、 数量最多、 价格最便宜的显示器之一。 TN-LCD的制造工艺已基本上成熟， 之后其它种类的液晶显示器均是以TN型为原点来加以改良的。 它的结构包括垂直方向与水平方向的偏光板， 具有细纹沟槽的定向层， 液晶材料以及导电的玻璃基板。 其工作原理前面已经介绍， 这

29、里不再赘述。 透射型LCD背面装有荧光灯， 因而在昏暗的环境下也能使用。 2） STN-LCD工作于STN模式的液晶显示器是利用液晶分子的双折射特性进行工作的， 而TN模式则是利用特殊设置的液晶分子层的旋光特性进行工作的。 STN模式的液晶盒跟TN模式的不同之处有以下两点： (1) 起偏器偏振化方向和下基板处液晶分子长轴（即光轴方向）不是相互平行而是成30角。 这样经起偏器获得的线偏光在射入液晶层时就会发生双折射现象。 (2) 上下基板处液晶分子长轴方向连续扭曲会超过180， 一般是270， 而TN模式是90。STN-LCD的工作原理如下： 不加电时， 液晶分子扭曲排列（上下基板处液晶分子长轴

30、方向连续扭曲270）， 由于下基板处液晶分子和起偏器偏振化方向不是相互平行而是成30角，这样经起偏器获得的线偏光在射入液晶层时就会发生双折射现象， 折射光的两个电矢量分量在上极板处重新合成， 变成椭圆偏振光， 最终有一部分光从检偏器射出。 加电时， 液晶分子的扭曲结构被打破， 变成垂直基板平面排列状态， 正交设置的偏振片能阻断光的透射， 得到暗态显示(见图4-10)。 图4-10 STN液晶显示工作原理单纯的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。STN型可以设计成单色多级灰度LCD和伪彩色LCD。 如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片（Color

31、 Filter）， 并将单色显示矩阵的像素（Pixel）分成三个子像素（Sub-pixel）， 分别通过彩色滤光片显示红、 绿、 蓝三基色， 再由三基色以一定的比例调和， 则可实现伪彩显示， 其颜色数在218种以下， 218种及其以上的称为真彩色。 另外， TN型液晶显示器如果屏幕做得越大， 其屏幕对比度就会显得较差， 而通过STN的改良技术， 可以弥补对比度不足的情况。3） TFT-LCDTFT-LCD源自TN和STN， 但不论是技术原理还是制造工艺均比TN和STN复杂得多， TFT-LCD面板主要由偏光板、 玻璃衬底、 公共电极、 ITO像素电极、 驱动IC、 彩色滤光片（CF）等构成（见

32、图4-11）。 图4-11 TFT-LCD画板结构TFT-LCD实际上指的是薄膜晶体管（矩阵）， 可以“主动的”对屏幕上的各个独立的像素进行控制， 这也就是所谓的主动矩阵TFT的来历。 其基本原理很简单： 显示屏由许多可以发出任意颜色光的像素组成， 只要控制各个像素相应的颜色即可显示任意图像。 在TFT-LCD中一般采用背光技术， 为了能精确控制每一个像素的颜色和亮度， 就需要在每一个子像素之后安装一个类似百页窗的开关， 当“百页窗”打开时光线可以透过来， 而关上后光线就无法透过来。目前使用最普遍的是TN型TFT-LCD。 一个成品的TN型TFT-LCD显示屏一般由荧光管(CCF灯)、 导光板

33、、 后偏光板、 后玻璃基板、 定向层、液晶、 彩色滤光片、 前玻璃基板、 前偏光板和TFT阵列组成（见图4-12）。 首先液晶显示器必须先利用背光源， 也就是荧光灯管投射出光源， 光先经过偏光板然后再经过液晶。 像素电极和公共电极共同作用可以生成能精控制的电场， 电场的大小决定了液晶的排列方式。 液晶分子排列方式的改变会影响透过液晶的光线的偏振方向。 然后光线会经过彩色滤光片和另一个偏光板。 因此只要改变施加在液晶上的电压值就可以控制最后出现的光线强度和色彩， 进而在液晶面板上变化出不同深浅的颜色组合。 图4-12 TFT-LCD显示原理彩色滤光片依据颜色分为红、 绿、 蓝三种， 依次排列在玻

34、璃基板上对应一个像素， 每一个单色滤光片称为子像素。 如果一个TFT显示器最大支持12801024分辨率的话， 那么至少需要128031024个子像素和TFT。 对于一个15 inch的TFT显示器（1024768）， 那么一个像素的大小大约是0.0188 inch（相当于0.30 mm）; 对于18.1 inch的TFT显示器而言（12801024）， 像素尺寸为0.01 1inch（相当于0.28 mm）。 常见的彩色滤光片的排列方式有直条式、 三角形式和正方形式几种（见图4-13）。其中直条式（Stripe）最常使用于办公自动化（Office Automation， OA）的产品， 也就

35、是我们常见的笔记本计算机或台式计算机等； 而三角形式（Triangle）多用于音像（Audio&Video， AV）产品； 正方形排列与前面几个不一样的地方在于， 它并不是以三个点来当作一个像素， 而是以四个点来当作一个像素， 而四个点组合起来刚好形成一个正方形。 图4-13 彩色滤光片的排列方式一般的CRT屏幕是利用高速电子枪发射电子， 经聚焦后打击在屏幕上的荧光粉上， 从而发光来显示画面。 然而由于液晶显示器本身仅能控制光线通过的亮度而不能发光， 因此液晶显示器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。 背光板主要由灯管（冷阴极管）、 反射板、 导光板、 扩散板等组成。 灯管

36、是主要的发光部件， 由导光板将光线分布到各处。 而反射板的作用是使光线只往TFT-LCD的方向前进。 最后由棱镜片及扩散板的作用将光线均匀的分布到各个区域去， 提供给TFT-LCD一个明亮的光源。 TFT-LCD由于具有体积小、 重量轻、 无辐射等优点， 因而在很多领域中得到广泛的应用， 如仪器仪表、 笔记本电脑、 平板电脑、 台式电脑监视器、 工业监视器、 摄像机、 投影、 液晶电视等。 TN、 STN、 TFT型液晶显示器性能比较见表4-2。2. 液晶显示的驱动方法液晶的显示是由于在显示像素上施加了电场的缘故， 而这个电场则由显示像素前后两电极上的电位信号合成产生。 在显示像素上建立直流电

37、场将导致液晶材料的化学反应和电极老化，从而迅速降低液晶的显示寿命。 因此， 必须建立交流驱动电场， 并且要求这个交流电场中的直流分量越小越好， 通常要求直流分量小于50 mV。 在实际应用中， 由于采用了数字电路驱动， 因此这种交流电场是通过脉冲电压信号来建立的。 显示像素上交流电场的强弱用交流电压的有效值表示， 当有效值大于液晶的阈值电压时，像素呈显示态； 当有效值小于阈值电压时， 像素不产生电光效应； 当有效值在阈值电压附近时， 液晶将呈现较弱的电光效应， 此时将会影响液晶显示器件的对比度。 液晶显示的驱动就是用来调整施加在液晶显示器电极上电位信号的相位、 峰值、 频率等， 建立驱动电场，

38、 以实现液晶显示器件的显示效果。 液晶显示的驱动方式有许多种， 常用的驱动方法有静态驱动和动态驱动两种。 1） 静态驱动静态驱动是获得最佳显示质量的最基本方法。 它适用于笔段式液晶显示器的驱动。 笔段式显示和数码管的显示类型比较相似， 主要用于数字显示， 也可以用于显示某些西文字符等， 被广泛应用于各种数字仪表、 计数器中。 这种LCD的电极引线数较少、 驱动简单、 耗电量小， 在仅需要显示数字的场合应用较多， 也用来在便携式应用的场合来代替数码管。(1) 电极结构。 从显示形状上分类， 笔段式显示可分为6段显示、 7段显示、 8段显示、14段显示和16段显示等， 在形状上总是围绕数字8的结构

39、变化。 其中以7段显示(见图4-14)最为常用， 每个笔段都有一个引出线， 而对应的背电极BP（或COM）共用一个引出线， 当多位数字组合时， 各位的背电极BP是连接在一起的。 图4-14 笔段式电极结构(2) 驱动方法。 图4-15为LCD静态驱动示意图。 当在像素前后电极上施加电压信号时呈显示状态， 而不施加电压时呈非显示状态。 笔段式数码显示每个数码有7段， 加上一个小数点， 共8个电极引出线， 每个数码需配一个译码器。 所有的段都有独立的驱动电路（见图4-16）， 在笔段电极与共用电极之间连续施加电压。 其基本思想是在笔段电极和共用电极之间连续外加电场或不加电场， 图4-17为静态驱动

40、波形。 图4-15 LCD静态驱动示意图图4-16 静态驱动电路原理图图4-17 静态驱动波形振荡器的脉冲信号经分频后直接施加在液晶显示器件的背电极BP（共用电极）上， 而笔段电极的脉冲信号是由导通/断开信号与时序脉冲通过逻辑异或合成产生的。 当某位显示像素被显示选择时， 导通/断开信号为1， 该显示像素上两电极的脉冲电压相位相差180， 在显示像素上产生2 V的电压脉冲序列， 它应大于液晶显示器件的阈值电压， 使该显示像素呈现显示特性； 当某位显示像素为非显示选择时， 导通/断开信号为0， 该显示像素上两电极的脉冲电压相位相同， 在显示像素上合成电压脉冲为0 V， 从而实现不显示的效果。 为

41、了提高显示的对比度， 适当地调整脉冲的电压即可。 2） 动态驱动当液晶显示器件上显示像素众多时， 如矩阵型液晶显示器， 为了节省庞大的硬件驱动电路，在液晶显示器电极的制作与排列上做了加工， 实施了矩阵型的结构。 矩阵型显示又可以分为无源矩阵驱动和有源矩阵驱动。 对于TN及STN-LCD一般采用无源矩阵驱动方式， 而对于TFT-LCD常采用有源矩阵驱动。 图4-18为矩阵LCD显示框图。 图4-18 矩阵LCD显示框图(1) 无源矩阵驱动。 无源矩阵驱动技术目前以TN和STN-LCD为主。 STN液晶显示器经由彩色滤光片可以分别显示红、 绿、 蓝三基色， 再经由三基色比例的调和可以显示出全彩模式

42、的真彩色。 目前， 彩色STN-LCD的应用多以手机、 PDA、 数码相机、 视屏游戏机及文字处理器为主。 电极结构。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。 液晶位于正交的带状电极间， 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（见图4-19）。 图4-19 无源矩阵电极阵列 驱动方法。无源矩阵驱动采用了类同于CRT的光栅扫描方法， 通过两个移位寄存器控制所扫描的点，循环地给行电极（又称扫描电极）施加选择脉冲， 同时又为显示数据的列电极（又称信号电极、 选址电极或选通电极）给出相应的选择或非选

43、择的驱动脉冲。 在双方同步输入驱动电压波形的一瞬间， 将会在该行与各列电极交点像素上合成一个驱动波形， 当该行上某些像素上合成的驱动电压高于液晶阈值电压时，该像素被选通。 图4-20为(X1, Yi)像素被选通， 而(X1, Yj)未被选通的情况。 所有行被扫描一遍， 则全部被选通的像素点便组成一幅画面。 一个矩阵若由m行n列组成， 则有mn个像素， 采用这种方法需要m+n个电极。图4-20 无源矩阵驱动波形例如要显示图4-19 中的字符“3”， 共需要7个扫描电极， 6个信号电极。 利用逐行扫描的方式， 顺序选通第一至第七个扫描电极Y1Y7， 在选通相应扫描电极的同时在信号电极上加与显示内容

44、相对应的信号电压。 完成一帧后， 马上重复上述过程。 具体过程如下： 选通第一行Y1扫描电极， 同时选取X1X5信号电极； 选通第二行Y2扫描电极， 同时选X6信号电极； 选通第三行Y3扫描电极， 同时选X6信号电极； 选通第四行Y4扫描电极， 同时选X2X5信号电极； 选通第五行Y5扫描电极， 同时选 X6信号电极； 选通第六行Y6扫描电极， 同时选 X6信号电极； 选通第七行Y7扫描电极， 同时选取X1X5信号电极。 无源矩阵常见的驱动方式分为Alt-Pleshko Technique（APT）定址技术、 Improved Alt-Pleshko Technique(IAPT)定址技术（又

45、称传统型驱动法）和多线（Multi-Line Addressing， MLA）定址技术。 APT定址技术。 APT 定址技术是最早提出的， 驱动波形如图4-21所示。图4-21 APT驱动波形图中横轴为时间， 显示单元被选时的电压有效值（RSM值）可表示为Von， 而非选择单元上行电极被寻址的1/N帧的时间内加上F-D的电压， 其余时间的电压绝对值也是D。 显示单元为非选时的RMS电压可表示为Voff，Von和Voff分别定义为(4-2)(4-3)其中, F为扫描电压幅值；D为信号电压幅值；N为扫描线总数。 定义Von/Voff为选择比， F/D为驱动比， 则有（4-4）为获得选择比的最大值，

46、 对上式求导， 令其等0， 则有当F/D=N0.5时， 驱动比有最大值（4-5）在Voff电压下， 其能量不足以使液晶分子转动， 而行扫描则是使用高电压来决定选择到的整列是否能让液晶分子旋转。 APT主要的特点是行扫描以高电压驱动作为选通信号， 列输出则可以采用较低的电压。当选通某行时， 因为电压瞬间上升， 可以使电压有效值（RMS值）在短时间内迅速增加。 IAPT定址技术。图4-22为IAPT定址技术的驱动波形。 IAPT的特点是随着水平扫描反转信号做交流方式的调变， 这是利用液晶材料避免被极化需反转的特性所衍生的驱动方法。 这种方式与APT 定址技术相比较， 正极性驱动引进了一个+D的偏移

47、量， 而负极性驱动时引进偏移量+F；增加了列输出的工作电压值， 但是可以降低行扫描电压的RMS值， 而且工作电压值相同。 可以将两种驱动电路制作在同一个IC上， 从而降低制作成本。 图4-22 IAPT驱动波形 MLA定址技术。图4-23为MLA定址技术的驱动波形。 MLA定址技术的特点是在一个时间内同时驱动数条行扫描电极， 但行扫描选取电压大大降低。 在APT定址技术中， 一个帧周期内扫描线选取次数只有一次， 而MLA定址技术中， 扫描线的选择次数与相对应的计算方式有关。 可利用多次选取的方式来增加RMS的电压值， 从而降低行扫描的最高工作电压。 所以， 在列输出方面的计算方式， MLA定址

48、技术也比APT定址技术以及IAPT定址技术更为复杂。 图4-23 MLA驱动波形MLA定址方式计算后得到的数值需经过数值变换后才能成为列输出的工作电压值。 由于是利用多线多次选择作为决定显示器明亮度的依据， 因此可以减少行扫描电压值。 另外， MLA在对比、 功率消耗、 消串扰方面的表现也比APT和IAPT技术更佳。 (2) 灰度显示。大容量矩阵图形显示器中， 灰度显示必不可少， 而且灰度显示也是彩色显示的基础， 下面介绍几种灰度显示法。 帧速控制（Frame Rate Control, FRC）显示技术。FRC显示技术是利用闪烁的方式， 依照液晶点亮次数来决定灰度显示的。 图4-24为一个可

49、以显示五种灰度的例子。 图4-24 FRC灰度显示技术示意图假设液晶显示方式为常白模式， 如果四个帧期间均不点亮（选择零电压）， 则画面为全白；如果有一个帧点亮（选择正电压）则为轻灰色； 两个帧点亮为浅灰色； 如果是三个帧点亮则为深灰色； 若四个帧皆点亮则为黑色。 因此如果有N个帧时间去排列， 则可以得到N+1 个灰度显示。 利用这种方法可以实现无需改变驱动波形即可获得所需的灰度显示。 但它也有不可克服的缺点， 其一是以牺牲分辨率为代价， 其二是不可能有很多灰度级别。 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）显示技术。PWM技术是在行扫描脉冲对应的列信号脉冲中划出

50、一个灰度调制脉冲， 其宽度可以划分为多个级别， 不同宽度代表不同的灰度信息， 从而使被选通像素实现不同的灰度级别， 如图4-25所示。 假设液晶显示方式在常白情况下， 将列信号输出线在行扫描线选取时间内切割成4等份， 若在行扫描期间列输出线未被选取则为全白， 若有其中1等份为高电压（V2）则像素显示为轻灰色， 2等份高压为浅灰色， 3等份高压为深灰色， 若输出皆为高压则为黑色。 图4-25 PWM灰度显示技术示意图PWM不仅可以在一个像素点上调制出不同的灰度， 而且将灰度信息携带在列信号脉冲上，十分方便。 其主要缺点是LCD不能响应过窄的脉冲而受到限制， 一般采用脉冲灰度调制方式的列驱动器时常

51、以4位移位寄存器来调制16级灰度。 脉冲高度调制（Pulse High Modulation, PHM）显示技术。 目前的FRC技术以及PWM技术皆有其缺点， 因为FRC技术本身的灰度是利用闪烁方式实现的， 容易在显示器上产生闪烁现象； PWM是利用切割列信号输出线波形来改变RMS电压值， 要切割到高解析度的灰度级也比较困难。 要显示多级灰度或彩色， 则一个像素对应多位数据， 驱动输出的电平不再只是选择电压和非选择电压， 而是多级电平选择。 PHM技术是利用列信号输出波形在一帧周期内改变脉冲电压值决定液晶分子的RMS电压值， 可同时用于单一扫描线的驱动波形以及多扫描线的驱动波形。 图4-26为

52、利用PHM灰度技术， 且一次选择7条扫描线的主动定址技术。 图中第七条扫描线为虚拟扫描线， 即不会显示在画面的扫描线。 而利用这种虚拟的扫描线RMS电压值的累积， 才可以获得所需的灰度值。 这种灰度显示技术可以获得比上两种显示技术更高阶的灰度解析度。 图4-26 PHM灰度显示技术示意图(3) 有源矩阵驱动。与光栅扫描相对应， 完成一次全部行扫描叫一帧。 在一帧中每一行的选择时间是相等的。设一帧的扫描行数为N， 扫描一帧的时间为1个单位， 则扫描一行的时间为1/N， 该值称为占空比系数。 在同等电压下， 扫描行数增多将使占空比下降， 从而引起液晶像素上的交变电压有效值下降， 降低显示质量。 另

53、外， 由矩阵式LCD显示过程可以看出， 部分像素的一端与电源相连， 处于半选状态， 如果外加电压足够高， 半选点的像素上的电压有可能超过阈值电压， 出现不希望的干扰， 这就是交叉效应。行列数目越大， 交叉效应就越明显， 从而使图像质量大为下降。 而且如果显示部分越做越大的话， 那么中心部分的电极反应时间可能就会比较久， 而为了让屏幕显示一致， 整体速度上就会变慢。 因此， 尽管其成本低， 但是图像质量和响应速度等方面都受到限制。 电极结构。 有源矩阵方式让每个像素都对应一个组电极（见图4-27）， 导电玻璃上有网状的细小线路，电极则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则

54、有一个控制单元。 虽然驱动信号快速地在各显示点扫描而过， 但只有电极上晶体管矩阵中被选择的显示点得到足以驱动液晶分子的电压， 使液晶分子轴转动， 不被选择的显示点液晶分子排列保持原状， 从而实现点对点控制。 这样就完全避免了像素间的串扰， 即使增加扫描线数， 也不会降低图像质量。 这是目前达到高密度液晶显示效果的理想装置， 且分辨率极高。 图4-27 有源矩阵驱动电极结构有源矩阵液晶显示器大致可分为两端型和三端型两种。 在选通时， 两者都是接通扫描线上的单元， 以送入所需的显示信号； 随后在非选通时， 应使单元呈断开状态， 并将显示信号以电荷形式存储于各像素， 以驱动液晶。 两端有源方式工艺相

55、对简单、 开口率较大， 但图像质量比三端有源方式略差， 图4-28为几种两端有源器件。 在两端有源方式中以金属绝缘体金属（MIM）二极管最为实用。图4-28 二端有源器件三端有源方式由于扫描方式和寻址方式可以分别优化处理， 因而图像质量好， 但工艺复杂。 在三端有源方式中以TFT为主， 方法是利用薄膜技术所做成的硅晶体管电极， 采用扫描法来选择任意一个子像素的开与关。 此时， 液晶的电阻非常大， 并以电容方式工作。 与简单矩阵不同， 它由于能够避免非选通时的串扰， 可显示TN型液晶的静态特性， 与扫描线数无关， 因此可显示高图像质量。 对于TFT-LCD而言， 按照每一个显示点中储存电容的结构

56、差异可分为储存电容在栅极与储存电容在公共极这两种， 如图4-29所示。 它们的主要差别就在于储存电容是利用栅极走线还是公共极走线来完成的。 图4-29 TFT-LCD像素结构 驱动方法。下面以三端型薄膜单元TFT为例大致介绍其工作原理。图4-30为TFT-LCD显示框图。 从计算机等主机送来的图像数据输入控制器的专用集成电路（ASIC）， 控制器以主机送来的同步信号（Vsyn， Hsyn）、 数据时钟周期（Dck）以及允许数据传输信号（DEBN）产生各种信号， 来控制栅极和源极驱动器， 从而达到在面板上输出图像的目的。 图4-30 TFT-LCD显示框图TFT-LCD需要采用源极驱动器(Sou

57、rce Driver)和栅极驱动器(Gate Driver)去控制LCD场效应晶体管FET的源极与栅极。 源极驱动器接收显示数据驱动LCD列显示， 也称为数据驱动器(Data Driver)， 栅极驱动器控制逐行扫描。 图4-31为整块TFT-LCD面板的等效电路， 图4-32为栅极驱动器送出的行扫描脉冲波形。 图4-32 行扫描脉冲波形图4-31中每一个TFT与Clc跟Cs所并联的电容代表一个显示的点。 而一个基本的显示单元像素， 则需要三个这样显示的点， 分别来代表RGB三基色。 以一个1024768分辨率的TFT-LCD来说， 共需要10247683个这样的点组合而成。 然后由图4-32

58、中栅极驱动器所送出的波形， 依序将每一行的TFT打开， 好让整排的源极驱动器同时将一整行的显示点充电到各自所需的电压， 从而显示不同的灰度级。 当这一行充好电时， 栅极驱动器便将电压关闭， 然后下一行的栅极驱动器将电压打开， 再由相同的一排源极驱动器对下一行的显示点进行充放电。 如此依序下去， 当充好了最后一行的显示点, 便再次从第一行开始充电。 以一个1024768 分辨率的液晶显示器来说， 总共会有768行的栅极走线， 而源极走线则共需要10243=3072条。 以一般的液晶显示器多为60 Hz的刷新频率来说， 每一个画面的显示时间约为1/60=16.67ms。 由于画面的组成为768行的

59、栅极走线， 所以分配给每一条栅极走线的开关时间约为16.67 ms/768=21.7 s。 所以在栅极驱动器送出的波形为一个接一个宽度为21.7 s的脉冲波， 依序打开每一行的TFT。 而源极驱动器则在这21.7 s的时间内， 经由源极走线， 将显示电极充放电到所需的电压, 显示出相对应的灰度。 4.3 等离子体显示器（PDP）液晶显示器的最大优点是能耗低， 且没有显像管普遍存在的闪烁现象， 不容易引起视觉疲劳。 但由于技术上的限制， 屏幕越大成本就越高。 因此， 液晶显示器主要用于中小屏幕。 这就局限了液晶显示器的使用范围， 特别是限制了被用于大屏幕电视机的前景。 而近几年高速发展的等离子体

60、显示技术， 克服了上述弱点， 成为未来真正平面电视的最佳候选者。 等离子体显示器又称电浆显示器， 是指所有利用气体放电而发光的平板显示器的总称。 由于它具有易于实现大屏幕显示、 厚度薄、 视角宽、 显示图像质量高以及全数字化等特点， 因而备受关注， 目前已成为高清晰度电视（High Definition Television， HDTV）和多媒体显示器的首选。 4.3.1 等离子体显示的特点PDP属于冷阴极放电管， 利用加在阴极和阳极间一定的电压， 使气体产生辉光放电。 单色PDP通常是直接利用放电发出的可见光来实现单色显示的， 放电气体一般选择纯氖气（Ne）或氖-氩（Ne-Ar）混合气。 而