液晶顯示器的基本工作原理

液晶顯示器(LCD)英文全稱為Liquid Crystal Display，它一種是采用了液晶控制透光度技術來實現色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優點是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題。對于畫面穩定、無閃爍感的液晶顯示器，刷新率不高但圖像也很穩定。LCD顯示器還通過液晶控制透光度的技術原理讓底板整體發光，所以它做到了真正的完全平面。一些高檔的數字LCD顯示器采用了數字方式傳輸數據、顯示圖像，這樣就不會產生由于顯卡造成的色彩偏差或損失。完全沒有輻射的優點，即使長時間觀看LCD顯示器屏幕也不會對眼睛造成很大傷害。體積小、能耗低也是CRT顯示器無法比擬的，一般一臺15寸LCD顯示器的耗電量也就相當于17寸純平CRT顯示器的三分之一。

???? 目前相比CRT顯示器，LCD顯示器圖像質量仍不夠完善。色彩表現和飽和度LCD顯示器都在不同程度上輸給了CRT顯示器，而且液晶顯示器的響應時間也比CRT顯示器長，當畫面靜止的時候還可以，一旦用于玩游戲、看影碟這些畫面更新速度塊而劇烈的顯示時，液晶顯示器的弱點就暴露出來了，畫面延遲會產生重影、脫尾等現象，嚴重影響顯示質量。

???? LCD顯示器的工作原理：從液晶顯示器的結構來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結構。LCD由兩塊玻璃板構成，厚約1mm，其間由包含有液晶材料的5μm均勻間隔隔開。因為液晶材料本身并不發光，所以在顯示屏兩邊都設有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質組成的可以發射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。

???? 背光板發出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進入包含成千上萬液晶液滴的液晶層。液晶層中的液滴都被包含在細小的單元格結構中，一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態，液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅動電路部分。當LCD中的電極產生電場時，液晶分子就會產生扭曲，從而將穿越其中的光線進行有規則的折射，然后經過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。

???? 液晶顯示技術也存在弱點和技術瓶頸，與CRT顯示器相比亮度、畫面均勻度、可視角度和反應時間上都存在明顯的差距。其中反應時間和可視角度均取決于液晶面板的質量，畫面均勻度和輔助光學模塊有很大關系。

???? 對于液晶顯示器來說，亮度往往和他的背板光源有關。背板光源越亮，整個液晶顯示器的亮度也會隨之提高。而在早期的液晶顯示器中，因為只使用2個冷光源燈管，往往會造成亮度不均勻等現象，同時明亮度也不盡人意。一直到后來使用4個冷光源燈管產品的推出，才有很大的改善。

???? 信號反應時間也就是液晶顯示器的液晶單元響應延遲。實際上就是指的液晶單元從一種分子排列狀態轉變成另外一種分子排列狀態所需要的時間，響應時間愈小愈好，它反應了液晶顯示器各像素點對輸入信號反應的速度，即屏幕由暗轉亮或由亮轉暗的速度。響應時間越小則使用者在看運動畫面時不會出現尾影拖拽的感覺。有些廠商會通過將液晶體內的導電離子濃度降低來實現信號的快速響應，但其色彩飽和度、亮度、對比度就會產生相應的降低，甚至產生偏色的現象。這樣信號反應時間上去了，但卻犧牲了液晶顯示器的顯示效果。有些廠商采用的是在顯示電路中加入了一片IC圖像輸出控制芯片，專門對顯示信號進行處理的方法來實現的。IC芯片可以根據VGA輸出顯卡信號頻率，調整信號響應時間。由于沒有改變液晶體的物理性質，因此對其亮度、對比度、 色彩飽和度都沒有影響，這種方法的制造成本也相對較高。

（一）液晶的物理特性

　　液晶的物理特性是：當通電時導通，排列變的有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術上簡單地說，液晶面板包含了兩片相當精致的無鈉玻璃素材，稱為Substrates，中間夾著一層液晶。當光束通過這層液晶時，液晶本身會排排站立或扭轉呈不規則狀，因而阻隔或使光束順利通過。大多數液晶都屬于有機復合物，由長棒狀的分子構成。在自然狀態下，這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經精良加工的開槽平面，液晶分子會順著槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。

　　（二）單色液晶顯示器的原理

　　LCD技術是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是說，若一個平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子東西向排列，而位于兩個平面之間的分子被強迫進入一種90度扭轉的狀態。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經過液晶時也被扭轉90度。但當液晶上加一個電壓時，分子便會重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發生任何扭轉。

　　LCD是依賴極化濾光器(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機發散的。極化濾光器實際是一系列越來越細的平行線。這些線形成一張網，阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個垂直，所以能完全阻斷那些已經極化的光線。只有兩個濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉到與第二個極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。

　　LCD正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光器構成，所以在正常情況下應該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個濾光器后，會被液晶分子扭轉90度，最后從第二個濾光器中穿出。另一方面，若為液晶加一個電壓，分子又會重新排列并完

全平行，使光線不再扭轉，所以正好被第二個濾光器擋住。總之，加電將光線阻斷，不加電則使光線射出。

　　然而，可以改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。但由于計算機屏幕幾乎總是亮著的，所以只有"加電將光線阻斷"的方案才能達到最省電的目的。

　　從液晶顯示器的結構來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結構。LCD由兩塊玻璃板構成，厚約1mm，其間由包含有液晶(LC)材料的5μm均勻間隔隔開。因為液晶材料本身并不發光，所以在顯示屏兩邊都設有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質組成的可以發射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進入包含成千上萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細小的單元格結構中，一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態，液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅動電路部分。當LCD中的電極產生電場時，液晶分子就會產生扭曲，從而將穿越其中的光線進行有規則的折射，然后經過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。

　　（三）彩色LCD顯示器的工作原理

　　對于筆記本電腦或者桌面型的LCD顯示器需要采用的更加復雜的彩色顯示器而言，還要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。通常，在彩色LCD面板中，每一個像素都是由三個液晶單元格構成，其中每一個單元格前面都分別有紅色，綠色，或藍色的過濾器。這樣，通過不同單元格的光線就可以在屏幕上顯示出不同的顏色。

　　LCD克服了CRT體積龐大、耗電和閃爍的缺點，但也同時帶來了造價過高、視角不廣以及彩色顯示不理想等問題。CRT顯示可選擇一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以調整，但LCD屏只含有固定數量的液晶單元，只能在全屏幕使用一種分辨率顯示(每個單元就是一個像素)。

　　CRT通常有三個電子槍，射出的電子流必須精確聚集，否則就得不到清晰的圖像顯示。但LCD不存在聚焦問題，因為每個液晶單元都是單獨開關的。這正是同樣一幅圖在LCD屏幕上為什么如此清晰的原因。LCD也不必關心刷新頻率和閃爍，液晶單元要么開，要么關，所以在40～60Hz這樣的低刷新頻率下顯示的圖像不會比75Hz下顯示的圖像更閃爍。不過，LCD屏的液晶單元會很容易出現暇疵。對1024×768的屏幕來說，每個像素都由三個單元構成，分別負責紅、綠和藍色的顯示一所以總共約需240萬個單元(1024×768×3＝2359296)。很難保證所有這些單元都完好無損。最有可能的是，其中一部分己經短路(出現"亮點")，或者斷路(出現"黑點")。所以說，并不是如此高昂的顯示產品并不會出現瑕疵。

　　LCD顯示屏包含了在CRT技術中未曾用到的一些東西。為屏幕提供光源的是盤繞在其背后的熒光管。有些時候，會發現屏幕的某一部分出現異常亮的線條。也可能出現一些不雅的條紋，一幅特殊的淺色或深色圖像會對相鄰的顯示區域造成影響。此外，一些相當精密的圖案(比如經抖動處理的圖像)可能在液晶顯示屏上出現難看的波紋或者干擾紋。

　　現在，幾乎所有的應用于筆記本或桌面系統的LCD都使用薄膜晶體管（TFT）激活液晶層中的單元格。TFTLCD技術能夠顯示更加清晰，明亮的圖象。早期的LCD由于是非主動發光器件，速度低，效率差，對比度小，雖然能夠顯示清晰的文字，但是在快速顯示圖象時往往會產生陰影，影響視頻的顯示效果，因此，如今只被應用于需要黑白顯示的掌上電腦，呼機或手機中。

　　隨著技術的日新月異，LCD技術也在不斷發展進步。目前各大LCD顯示器生產商紛紛加大對LCD的研發費用，力求突破LCD的技術瓶頸，進一步加快LCD顯示器的產業化進程、降低生產成本，實現用戶可以接受的價格水平。

　　（四）應用與液晶顯示器的新技術

　　（1）采用TFT型Active素子進行驅動

　　為了創造更優質畫面構造，新技術采用了用獨有TFT型Active素子進行驅動。大家都知道，異常復雜的液晶顯示屏幕中最重要的組成部分除了液晶之外，就要算直接關系到液晶顯示亮度的背光屏以及負責產生顏色的色濾光鏡。在每一個液晶像素上加裝上了Active素子來進行點對點控制，使得顯示屏幕與全統的CRT顯示屏相比有天壤之別，這種控制模式在顯示的精度上，會比以往的控制方式高得多，所以就在CRT顯示屏會上出現圖像的品質不良，色滲以及抖動非常厲害的現象，但在加入了新技術的LCD顯示屏上觀看時其畫面品質卻是相當賞心悅目的。

　　（2）利用色濾光鏡制作工藝創造色彩斑瀾的畫面

　　在色濾光鏡本體還沒被制作成型以前，就先把構成其主體的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。這種工藝要求有非常高的制造水準。但與同其他普通的LCD顯示屏相比，用這種類型的制造出來的LCD，無論在解析度，色彩特性還是使用的壽命來說，都有著非常優異的表現。從而使LCD能在高分辨率環境下創造色彩斑瀾的畫面。

　　（3）低反射液晶顯示技術

　　眾所周知，外界光線對液晶顯示屏幕具有非常大的干擾，一些LCD顯示屏，在外界光線比較強的時候，因為它表面的玻璃板產生反射，而干擾到它的正常顯示。因此在室外一些明亮的公共場所使用時其性能和可觀性會大大降低。目前很多LCD顯示器即使分辨率再高，其反射技術沒處理好，由此對實際工作中的應用都是不實用的。單憑一些純粹的數據，其實是一種有偏差的去引導用戶的行為。而新款的LCD顯示器就采用的"低反射液晶顯示屏幕"技術就是在液晶顯示屏的最外層施以反射防止涂裝技術（ARcoat），有了這一層涂料，液晶顯示屏幕所發出的光澤感、液晶顯示屏幕本身的透光率、液晶顯示屏幕的分辨率、防止反射等這四個方面都但到了更好的改善。

　　（4）先進的"連續料界結晶矽"液晶顯示方式

　　在一些LCD產品中，在觀看動態影片的時候會出現畫面的延遲現象，這是由于整個液晶顯示屏幕的像素反應速度顯得不足所造成的。為了提高像素反應速度，新技術的LCD采用目前最先進的SiTFT液晶顯示方式，具有比舊式LCD屏快600倍的像素反應速度，效果真是不可同日而語。先進的"連續料界結晶矽"技術是利用特殊的制造方式，把原有的非結晶型透明矽電極，在以平常速率600倍的速度下進行移動，從而大大加快了液晶屏幕的像素反應速度，減少畫面出現的延緩現象。