液晶LCD显示器的工作原理

液晶显示器的基本工作原理

液晶显示器(LCD)英文全称为Liquid Crystal Display，它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。和CRT显示器相比，LCD的优点是很明显的。由于通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题。对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，所以它做到了真正的完全平面。一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据、显示图像，这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。完全没有辐射的优点，即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大伤害。体积小、能耗低也是CRT显示器无法比拟的，一般一台15寸LCD显示器的耗电量也就相当于17寸纯平CRT显示器的三分之一。

     目前相比CRT显示器，LCD显示器图像质量仍不够完善。色彩表现和饱和度LCD显示器都在不同程度上输给了CRT显示器，而且液晶显示器的响应时间也比CRT显示器长，当画面静止的时候还可以，一旦用于玩游戏、看影碟这些画面更新速度块而剧烈的显示时，液晶显示器的弱点就暴露出来了，画面延迟会产生重影、脱尾等现象，严重影响显示质量。

     LCD显示器的工作原理：从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。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，而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。

     背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。液晶层中的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。在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的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是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。

     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，画面均匀度和辅助光学模块有很大关系。

     对于液晶显示器来说，亮度往往和他的背板光源有关。背板光源越亮，整个液晶显示器的亮度也会随之提高。而在早期的液晶显示器中，因为只使用2个冷光源灯管，往往会造成亮度不均匀等现象，同时明亮度也不尽人意。一直到后来使用4个冷光源灯管产品的推出，才有很大的改善。

     信号反应时间也就是液晶显示器的液晶单元响应延迟。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。有些厂商会通过将液晶体内的导电离子浓度降低来实现信号的快速响应，但其色彩饱和度、亮度、对比度就会产生相应的降低，甚至产生偏色的现象。这样信号反应时间上去了，但却牺牲了液晶显示器的显示效果。有些厂商采用的是在显示电路中加入了一片IC图像输出控制芯片，专门对显示信号进行处理的方法来实现的。IC芯片可以根据VGA输出显卡信号频率，调整信号响应时间。由于没有改变液晶体的物理性质，因此对其亮度、对比度、 色彩饱和度都没有影响，这种方法的制造成本也相对较高。

（一）液晶的物理特性

　　液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为Substrates，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。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，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。

　　（二）单色液晶显示器的原理

　　LCD技术是把液晶灌入两个列有细槽的平面之间。这两个平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。

　　LCD是依赖极化滤光器(片)和光线本身。自然光线是朝四面八方随机发散的。极化滤光器实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线。极化滤光器的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光器的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光器相匹配，光线才得以穿透。

　　LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光器中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完

全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。

　　然而，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，所以只有"加电将光线阻断"的方案才能达到最省电的目的。

　　从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶(LC)材料的5μm均匀间隔隔开。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，而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。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤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。在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的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是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。

　　（三）彩色LCD显示器的工作原理

　　对于笔记本电脑或者桌面型的LCD显示器需要采用的更加复杂的彩色显示器而言，还要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，每一个像素都是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色，绿色，或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。

　　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。

　　现在，几乎所有的应用于笔记本或桌面系统的LCD都使用薄膜晶体管（TFT）激活液晶层中的单元格。TFTLCD技术能够显示更加清晰，明亮的图象。早期的LCD由于是非主动发光器件，速度低，效率差，对比度小，虽然能够显示清晰的文字，但是在快速显示图象时往往会产生阴影，影响视频的显示效果，因此，如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑，呼机或手机中。

　　随着技术的日新月异，LCD技术也在不断发展进步。目前各大LCD显示器生产商纷纷加大对LCD的研发费用，力求突破LCD的技术瓶颈，进一步加快LCD显示器的产业化进程、降低生产成本，实现用户可以接受的价格水平。

　　（四）应用与液晶显示器的新技术

　　（1）采用TFT型Active素子进行驱动

　　为了创造更优质画面构造，新技术采用了用独有TFT型Active素子进行驱动。大家都知道，异常复杂的液晶显示屏幕中最重要的组成部分除了液晶之外，就要算直接关系到液晶显示亮度的背光屏以及负责产生颜色的色滤光镜。在每一个液晶像素上加装上了Active素子来进行点对点控制，使得显示屏幕与全统的CRT显示屏相比有天壤之别，这种控制模式在显示的精度上，会比以往的控制方式高得多，所以就在CRT显示屏会上出现图像的品质不良，色渗以及抖动非常厉害的现象，但在加入了新技术的LCD显示屏上观看时其画面品质却是相当赏心悦目的。

　　（2）利用色滤光镜制作工艺创造色彩斑澜的画面

　　在色滤光镜本体还没被制作成型以前，就先把构成其主体的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。这种工艺要求有非常高的制造水准。但与同其他普通的LCD显示屏相比，用这种类型的制造出来的LCD，无论在解析度，色彩特性还是使用的寿命来说，都有着非常优异的表现。从而使LCD能在高分辨率环境下创造色彩斑澜的画面。

　　（3）低反射液晶显示技术

　　众所周知，外界光线对液晶显示屏幕具有非常大的干扰，一些LCD显示屏，在外界光线比较强的时候，因为它表面的玻璃板产生反射，而干扰到它的正常显示。因此在室外一些明亮的公共场所使用时其性能和可观性会大大降低。目前很多LCD显示器即使分辨率再高，其反射技术没处理好，由此对实际工作中的应用都是不实用的。单凭一些纯粹的数据，其实是一种有偏差的去引导用户的行为。而新款的LCD显示器就采用的"低反射液晶显示屏幕"技术就是在液晶显示屏的最外层施以反射防止涂装技术（ARcoat），有了这一层涂料，液晶显示屏幕所发出的光泽感、液晶显示屏幕本身的透光率、液晶显示屏幕的分辨率、防止反射等这四个方面都但到了更好的改善。

　　（4）先进的"连续料界结晶矽"液晶显示方式

　　在一些LCD产品中，在观看动态影片的时候会出现画面的延迟现象，这是由于整个液晶显示屏幕的像素反应速度显得不足所造成的。为了提高像素反应速度，新技术的LCD采用目前最先进的SiTFT液晶显示方式，具有比旧式LCD屏快600倍的像素反应速度，效果真是不可同日而语。先进的"连续料界结晶矽"技术是利用特殊的制造方式，把原有的非结晶型透明矽电极，在以平常速率600倍的速度下进行移动，从而大大加快了液晶屏幕的像素反应速度，减少画面出现的延缓现象。