春夜洛城闻笛原文:LCD工作原理

1888年，一位澳大利亚植物学者莱尼茨尔(Reinitzer)在试验时，无意间发现了液晶。在85年之后，这一发现才产生了商业价值，1973年日本的夏普公司首次将它作为电子计算器的数位显示。现在，LCD是笔记本电脑和掌上电脑的主要显示设备，在投影机中，它也扮演着非常重要的角色。了解液晶   液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)就是使用了“液晶”(Liquid Crystal)作为材料的显示器，那什么是液晶呢？   其实，液晶是一种介于固态和液态之间的物质，当被加热时，它会呈现透明的液态，而冷却的时候又会结晶成混乱的固态，液晶是具有规则性分子排列的有机化合物。(液晶是一种有机化合物，在一定的温度范围内，它既具有液体的流动性、黏度、形变等机械性质，又具有晶体的热(热效应)、光(光学各向异性)、电(电光效应)、磁(磁光效应)等物理性质)。    液晶按照分子结构排列的不同分为三种：类似粘土状的Smectic液晶(近晶相液晶)、类似细火柴棒的 Nematic液晶(向列相液晶)、类似胆固醇状的Cholestic液晶。这三种液晶的物理特性都不尽相同，用于液晶显示器的是第二类的Nematic液晶，其分子形状为细长棒形，长宽约1~10nm，在不同的电流电场作用下，液晶分子会作规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源开/关下产生明暗的区别，依此原理控制每一个像素，便可构成所需图像。液晶的物理特性液晶的物理特性是：当通电时导通，液晶分子排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时液晶分子排列混乱，阻止光线通过。通电不通电就可以让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。这种可以控制光线的两种状态是液晶显示器形成图像的前提条件，当然，还需要配合一定的结构才可以实现光线向图像转换，我们先来看看最原始的单色液晶显示器。单色液晶显示器的原理   TN(扭曲向列型)单色液晶显示器：它的液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材(厚约1mm)，称为Substrates，中间夹着一层液晶(5um)，结构就好像一块“三明治 ”。我们重点来看一下中间层，也就是液晶层，液晶并不是简单地灌入其中，而是灌入两个内部有沟槽的夹层，这两个有沟槽的夹层主要是让液晶分子可以整齐地排列好，因为如果排列不整齐的话，光线是不能顺利地通过液晶部分的。为了达到整齐排列的效果，这些槽制作得非常精细，液晶分子会顺着槽排列，槽非常平行，所以各分子也是完全平行的。    这两个夹层我们通常称为上下夹层，上下夹层中都是排列整齐的液晶分子，只是排列方向有所不同，上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列，而下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向排列。在生产过程中，上下沟槽呈十字交错(垂直90度)，即上层的液晶分子的排列是横向的，下层的液晶分子排列是纵向的，这样就造成了位于上下夹层之间的液晶分子接近上层的就呈横向排列，接近下层的则呈纵向排列。   如果从整体来看，液晶分子的排列就像螺旋形的扭转排列，而扭转的关键地方正是夹层之间的分子。而夹层中设置了一个关键的设备，叫做极化滤光片(偏振片)，这两块滤光片的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同，假设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，通过上滤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滤光片穿出，形成一个完整的光线穿透途径。而一旦通过电极给这些液晶分子加电之后，由于受到外界电压的影响，液晶分子不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态，这样光线就无法通过，结果在显示屏上出现黑色。这样会形成透光时(即不加电时)为白、不透光时(加电时) 为黑，字符就可以显示在屏幕上了，这便是最简单的显示原理。看到这里，可能大家会问，为什么加电时设置为不透光呢？因为在通常状态下显示器都是亮着的，所以设置加电时不透光更节约能源。
液晶显示器是如何工作的   现在，我们知道了液晶的通光原理，但光是从哪里来的呢？   因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，同时在液晶显示屏背面有一块背光板(或称匀光板)和反光膜，背光板是由荧光物质组成的，可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。在这里，背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层(也就是上文中提到的夹层)之后进入包含成千上万水晶液滴的液晶层，液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素，而这些像素可以是亮的，也可以是不亮的，大量排列整齐的像素中亮与不亮便形成了单色的图像。   那怎样可以控制好这大量像素中的点是亮还是不亮呢？这主要是由控制电路来控制，在无钠玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶体的是否通光状态，在这个时候，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀，控制光的通过与不通过。在液晶材料周边还有控制电路部分和驱动电路部分，当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。这样就可以用信号来控制单色图像的生成了。
   TFT液晶显示器原理   刚才我们提到的是最基本的液晶显示器的原理，目前液晶显示技术已经经过飞速的发展，TFT(薄膜晶体管)液晶显示器已成为主流，我们有必要了解一下这种液晶显示器的工作原理。   其实新型的TFT液晶显示器的工作原理也是建立在TN液晶显示器原理的基础上的。两者的结构亦基本上相同，同样采用两夹层间填充液晶分子的设计，只不过把 TN上部夹层的电极改为FET晶体管，而下层改为共同电极。但两者的工作原理还是有一定的差别。在光源设计上，TFT的显示采用“背透式”照射方式，即假想的光源路径不是像TN液晶那样的从上至下，而是从下向上，这样的作法是在液晶的背部设置类似日光灯的光管。   综上所述，液晶显示器是通过DVI接口接收来自电脑显示卡的数字信号，这些信号通过数据线传递到控制电路，控制电路调节液晶显示器的薄膜晶体管和透明显示电板，实现液晶的通光与不通光特性。这样，背景光源通过偏光镜和光线过滤层，最终实现显示效果。 彩色液晶显示器如何形成颜色   刚才我们只是提到单色的液晶显示器，那么彩色的液晶显示器又是怎样形成色彩的呢？通常，在彩色LCD面板中，每一个像素都是由三个液晶单元格构成的，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤片。看到这里相信大家也知道了，光线经过过滤片的处理照射到每个像素中不同色彩的液晶单元格之上，利用三原色的原理组合出不同的色彩。  
LCD和CRT    LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但也同时带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示(每个单元就是一个像素)。   CRT通常有三个电子枪，射出的电子流必须精确聚集，否则就得不到清晰的图像显示。但LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都是单独开关的。这正是同样一幅图在LCD屏幕上为什么如此清晰的原因。LCD也不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在40～60Hz这样的低刷新频率下显示的图像不会比75Hz下显示的图像更闪烁。不过，LCD屏的液晶单元会很容易出现暇疵。对1024×768的屏幕来说，每个像素都由三个单元构成，分别负责红、绿和蓝色的显示一所以总共约需240万个单元(1024×768×3＝2359296)。很难保证所有这些单元都完好无损。最有可能的是，其中一部分己经短路(出现“亮点”)，或者断路(出现“黑点”)。所以说，并不是如此高昂的显示产品并不会出现瑕疵。    LCD显示屏包含了在 CRT技术中未曾用到的一些东西。为屏幕提供光源的是盘绕在其背后的荧光管。有些时候，会发现屏幕的某一部分出现异常亮的线条。也可能出现一些不雅的条纹，一幅特殊的浅色或深色图像会对相邻的显示区域造成影响。此外，一些相当精密的图案(比如经抖动处理的图像)可能在液晶显示屏上出现难看的波纹或者干扰纹。自己的理解： (不知是否正确，望指正)
1、液晶的旋光特性：
     LCD中使用的向列相液晶，由长棒分子构成，长宽之比较大，分子两头有极性。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行--这是关键的一个性质。而LCD是将液晶灌入两个列有细槽的平面之间来工作的，这两个平面上的槽互相垂直，也就是说，如果一个平面上的分子南北向排列，那么另一个平面上的分子则东西向排列。由上面的性质(分子的长轴大致平行)可知，位于两个平面之间的分子为了保持长轴基本平行的性质，而渐渐旋转成90度的状态。由于光线（哪来的？）会顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时传播方向被扭转了90度－－－这就是液晶的旋光特性。而当外加电压以后，两个平面之间的液晶分子就会被强迫重新垂直排列，液晶的旋光性消失。