第三章LCD及其它接口技术

3.3液晶显示器（LCD）

3.3.1液晶的基本知识3.3.2LCD照明方式和光源3.3.3液晶显示器件性能指标3.3.4液晶显示器(LCD)的基本原理3.3.1液晶的基本知识1、什么是液晶？液晶的发现液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家F·Reinitzer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？他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。于是德国物理学家D·Leimann将其命名为“液晶”，简称为“LC—LiquidCrystal”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD—LiquidCrystalDisplay。液晶放到偏光显微镜下观察2、液晶的分类1.按照显示方式分类2.按照液晶的形成条件分类3.按照分子排列的形式和有序性分类数显液晶数显液晶是一种由段型液晶显示器件与专用的集成电路组装成一体的功能部件，只能显示数字和一些固定的标识符号。这种显示器件大多应用在便携、袖珍设备上。按照显示方式分类点阵字符型液晶

点阵字符型液晶模块是由点阵字符液晶显示器件和专用的行、列驱动器、控制器及必要的连接件、结构件装配而成的，可以显示数字和西文字符。是一类专用于显示字母、数字的液晶显示模块。这种点阵字符模块本身具有字符发生器，显示容量大，功能丰富。这种模块的点阵排列是由5×8或5×11的一组组像素点阵排列组成的。按照显示方式分类点阵图形液晶

点阵图形液晶与点阵字符型液晶不同的是点阵像素连续排列，行和列在排布中均没有空隔，因此可以显示连续、完整的图形。当然，也可以显示字符。按照显示方式分类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。热致液晶由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。低于温度T1，就变成固体（晶体），称T1为液晶的熔点，高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态，称T2为液晶的清亮点。LCD能工作的极限温度范围基本上由T1和T2确定。热致液晶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）热致液晶分类近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶隧道显微镜下的近晶相层状液晶液晶分类---近晶相液晶近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，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。这种液晶光学上显示正的双折射性。液晶分类---近晶相液晶液晶分类--向列相液晶向列相液晶（Nematic）又称丝状液晶向列液晶在偏光显微镜下的图向列型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。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，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。液晶分类--向列相液晶胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。液晶分类--胆甾相液晶由于液晶分子的结构为异向性(Anisotropic)，所以引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，也就是液晶分子的介电系数及折射系数等光电特性都具有异向性，因而可以利用这些性质来改变入射光的强度，以便形成灰度级，应用于显示器组件上。3、液晶的光电特性电极电极液晶FieldOFFFieldON液晶材料在施加电场时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。这是液晶分子在电场作用下改变其分子排列的结果。液晶的电光效应液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播在向列型液晶中，棒状分子的排列是彼此平行的．当把液晶放在两个玻璃板之间，玻璃基板表面做了平行取向处理，如果上下两玻璃板定向是彼此垂直的，液晶分子将采取逐渐过渡的方式被扭转成螺旋状。液晶分子在两片玻璃之间呈90º扭曲。线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与上表面分子取向相同，则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转，并以平行于出口处分子轴的偏振方向射出；若入射偏振光的偏振方向与上表面分子取向垂直，则以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出，当以其它方向的线偏振光入射时，则根据平行分量和垂直分量的位相差的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。由于液晶本身并不发光，因此LCD需要通过外来光源实现透射或反射来显示。LCD有三种照明方式：反射型，全透型和半透型。1、照明方式

3.3.2LCD照明方式和光源反射型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。全透型LCD的底偏光片是全透偏光片，它需要连续使用背光源，一般在光线差的环境使用。半透型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。2、LCD背光源现有LCD大多数是透射型的，对于这些透射型LCD来说，背光源是它们不可或缺的组成部分.背光源系统为LCD面板提供光源，主要由光源、导光板、光学用膜片和塑胶框等部分组成。依光源分布位置不同，分为侧光式和直下式。作为LCD的背光源，为了确保显示画面的质量，它应具有亮度高、发光均匀、照明角度大、可调、高效率、低功耗、寿命长、轻且薄等性能。侧光式背光源结构图侧光式和直下式照明方式依光源分布位置不同，分为侧光式和直下式。直下式背光源结构图目前采用的背照光源主要有：1）电致发光板EL2）平板荧光灯（VFDL）3）冷阴极荧光灯（CCFL）4）有机电致发光（OEL）5）LED（发光二极管）光源等。

1、可视面积液晶显示器所标示的尺寸就是实际可以使用的屏幕范围一致。2、分辨率分辩率以乘法形式表现的，比如800×600，其中“800”表示屏幕上水平方向显示的点数，“600”表示垂直方向显示的点数。因此所谓的分辩率就是指画面的解析度，由多少象素构成，其数值越大，图象也就越清晰。3.3.3液晶显示器性能指标

3、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。一般而言，LCD的可视角度都是左右对称，但上下可就不一定了。而且，常常是上下角度小於左右角度。当我们说可视角是左右80度时，表示站在始于屏幕法线80度的位置时仍可清晰看见屏幕图像液晶显示器性能指标80o4、亮度、对比度液晶显示器的最大亮度，通常由背光源来决定，TFT液晶显示器的可接受亮度为150cd/m2以上，目前国内能见到的TFT液晶显示器亮度都在200cd/m2左右，亮度低一点则感觉暗，再亮当然更好。目前液晶电视亮度在500cd/m2左右。对比度是定义最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值。一般来说，人眼可以接受的对比值约为250:1。液晶显示器性能指标5、响应时间反应时间实际上就是指的液晶单元从一种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间，响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即屏幕由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。一般会将反应速率分为两个部分：Rising和Falling；而表示时以两者之和为准。液晶显示器性能指标6、显示颜色数（色彩度）LCD重要的当然是的色彩表现度。我们知道自然界的任何一种色彩都是由红、绿、蓝三种基本色组成的。LCD面板上是由M×N个像素点组成显像的，每个独立的像素色彩是由红、绿、蓝(R、G、B)三种基本色来控制。大部分厂商生产出来的液晶显示器，每个基本色(R、G、B)达到6位，即26=64种表现度，那么每个独立的像素就有643=262144种色彩。也有不少厂商使用了所谓的FRC(FrameRateControl)技术以仿真的方式来表现出全彩的画面，也就是每个基本色(R、G、B)能达到8位，即256种表现度，那么每个独立的像素就有高达2563=16777216种色彩了。液晶显示器性能指标液晶显示技术也存在弱点和技术瓶颈，与CRT显示器相比亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间上都存在明显的差距。其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量。液晶显示技术也存在弱点§扭曲向列型液晶显示（TN-LCD）§超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）§有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD）3.3.4液晶显示器(LCD)的基本原理

LiquidCrystalDisplay扭曲向列型液晶显示器(TwistedNematicLiquidCrystalDisplay－TN-LCD)属第二代液晶显示器件。它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。在1979年～1984年间，其产量年均增长38%,成本年递减18%，销售额年增长12%，这使LCD在显示器件领域的地位仅次于CRT。LCD的高速发展引起了世界电子业界的极大关注,对LCD技术研究投入的力量和资金与日俱增。

扭曲向列型液晶显示（TN-LCD）1、扭曲向列型液晶显示器结构在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中，通常是由两片大玻璃基板，内夹着电极和配向膜，上下夹层中填充了多层液晶分子(液晶厚度不到5m)，外面再包裹着两片偏光板，最后再封装成一个液晶盒，并与驱动、控制电路板相连接。液晶显示器结构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。靠近玻璃表面的液晶分子并不完全平行于玻璃表面，而是与其成一定的角度，这个角度称为预倾角，一般为1°~2°TN型

LCD显示原理Twist90液晶分子FieldOFFFieldON利用液晶的旋光特性调变穿透光线液晶的旋光特性消失2、液晶显示器的基本原理当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在不加电场时，由于向列液晶的旋光特性，线偏振光在出射处，旋转了90°，可以通过，因此呈透光态。当给液晶盒施加大于阈值的场强时，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，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，呈暗态。可见，当给需要显示的字段或像素的电极加上适当的驱动电压，该字段或像素就被点亮。TN-LCD工作原理正显示：白底黑字的显示。用TN-LCD制作的常用液晶显示器件白底黑字显示——正显示TN型

LCD显示原理FieldOFFFieldON黑底白字显示——负显示如果将偏振片平行放置，则可得到负显示。黑底白字显示——负显示3、TN-LCD的驱动LCD的驱动要求和特点：（1）由于液晶是有机化合物，在固定的电场作用下将发生电化学反应，从而导致液晶材料的老化及失效。因此，施加在液晶上的电场应为交流电场，从而将电化学反应抵消掉或降到最低限度。研究表明，长期应用条件下，电信号的直流分量应小于50mV。

（2）驱动电源频率低于数千赫兹时，在很宽的频率范围内LCD的透光率只与驱动电压有效值有关而与电压波形无关；（3）驱动时LCD像素是一个无极性的容性负载。TN-LCD液晶显示的电极：段型电极、矩阵型电极。TN-LCD驱动方式：静态驱动、矩阵寻址动态驱动。静态驱动——在需要显示的时间里分别同时给所需显示的段电极加上驱动电压，直到不需要显示的时刻为止。静态驱动的对比度较高，但使用的驱动元器件较多，因此只用于电极数量不多的段式显示。字段型电极液晶显示静态驱动法字段型电极液晶显示器结构示意图(a)段型电极液晶显示静态驱动法各像素的段电极是分立引出的，见图a。各液晶像素的背电极com是连在一起引出的，如图b。(b)段型电极液晶显示静态驱动法由于液晶驱动要求交流驱动，当驱动波形如图所示时，就实现f像素的显示，e不显示。5V0V5V0V5V0Vfcome当我们在被电极com上加入一个正电压，如5V，在所要显示的像素段电极（如f）上加0V，使得该像素电极间电压为5V，呈显示状态。而在不显示像素段电极(如e)上加入5V，使得该像素电极间电压为0V，呈不显示状态。行电极列电极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-LCD矩阵显示像素显示器上每个像素都由其所在行列位唯一确定。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。TN-LCD寻址驱动（动态驱动）行电极列电极像素Addressaction寻址示意Addressaction寻址示意Addressaction寻址示意Addressaction寻址示意Addressaction寻址示意Addressaction寻址示意Addressaction寻址示意Addressaction寻址示意将所有扫描行电极各施加一次扫描电压的时间称为一帧。按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压，选到某一行时各列电极同时施加相应于该行的信号电压，行电极选通一遍，就显示出一帧信息，在一帧中每行的选择时间是相等的。假设一帧的扫描行数为N，那么一行所占有选择时间为一帧时间的1/N。扫描行电极寻址列电极矩阵式液晶显示动态驱动原理段型电极液晶显示动态驱动法矩阵式液晶显示电路原理图液晶器件电光效应的瞬态响应特性通常用三个常数表征：延迟时间：定义为加上电压后透光率达到最大值10%时的时间；上升时间：定义为透光率从10%增加到90%所用的时间；下降时间：定义为透光率从90%下降到10%所用的时间。目前普通TN-LCD的响应时间在80ms左右。4、显示器响应速度扫描行电极在动态驱动方式下，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。寻址列电极5、TN型液晶显示器存在的问题i,j6、TN型液晶显示器件缺点：TN-LCD(扭曲向列型液晶显示器）常用于电子手表，计算器．TN型液晶显示器件应用（1）为什么驱动电压的波形必须是交流的，而且对其直流分量还有一定的要求？（2）什么叫做动态驱动中的“交叉效应”？（3）液晶显示器的主要技术指标及其含义（4）简述TN型液晶显示器件的结构、工作原理和驱动原理。思考题3.4触摸屏技术触摸产品的诞生中国的触摸行业跟一个公司名字密不可分：太古公司到1994年4月，太古公司开始代理美国MICROTOUCH公司电容式触摸屏触摸产品的销售，这才标志着我国触摸产业的正式诞生，中国的IT市场从此有了一个新名词：触摸屏。

触摸屏属于哪类外设目前我们所使用的外部设备，多种多样。但是不管它们的功能是怎样的形形色色。它都离不开两个功能：1.信息的显示。2.信息的获取。触摸屏属于其中的第二类。为了操作方便，人们用触摸屏代替鼠标或键盘，根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏的组成触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成；触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器，然后把接受的信息送主机。触摸屏的分类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、红外线式和声表面波式多种。几种触摸屏产品电阻式触摸屏

触摸屏用两层高透明的导电层组成触摸屏，两层之间距离仅为2.5微米。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，然后送触摸屏控制器。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，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。红外线式触摸屏在屏幕周边成对安装红外线发射器和红外线接受器，接受器接受发射器发射的红外线，形成红外线矩阵。当手指按在屏幕上时，手指阻挡了红外线，这样在X、Y两个方向接受信息送给主机。声表面波式触摸屏由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接受器组成。声波发生器发出声波在触摸屏表面传递，经反射器传递给声波接受器，声波转换成电信号送给主机。声表面波式触摸屏效果比较好，目前应用比较广泛。3.5打印机技术3D打印机的原理3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印机发展历史3D打印并非是新鲜的技术，这