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　　在現(xiàn)在這個電子設(shè)備時代，任何人都離不開各種各樣的智能顯示設(shè)備，顯示設(shè)備中在各種視頻、圖案以及文字等都是可以通過電子屏幕顯示出來，這些電子產(chǎn)品的顯示器材大部分是液晶。液晶是什么?它是如何顯示數(shù)字或圖像呢?接下來我們就來詳細了解屏幕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解其中的原理。想要知道屏幕的顯示原理，我們還得從以下開始了解。

　　一、什么是液晶

　　我們從自然界中常見的的物質(zhì)三態(tài)——固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)說起。在通常狀況下，物質(zhì)呈現(xiàn)三態(tài)的原因可以從微觀結(jié)構(gòu)去認識它，例如我們看到的固體如食鹽晶體等，有一定的形狀和體積。

晶體原子結(jié)構(gòu)

　　因為它的分子在特定方向按固有規(guī)則排列緊密而整齊，平衡位置相對固定，只能在小范圍內(nèi)振動，且各向異性;液體如水，其分子間距離較大，平衡位置隨時改變，活動范圍較廣，分子取向沒有規(guī)則，宏觀上表現(xiàn)為無一定形狀，但有一定體積，具有流動性;而氣體既無一定形狀，也無一定體積，其分子可自由運動。

　　物質(zhì)世界中還存在著介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)。它就是液晶。19世紀末奧地利植物學(xué)家賴尼策爾在研究一種叫做“膽甾醇苯甲酸酯”的有機物時，發(fā)現(xiàn)它被加熱到145.5℃時，熔化成一種渾濁的液體，在178.5℃突然全部變成透明液體。當(dāng)冷卻時，呈現(xiàn)出藍紫色，不久后即自行消失，再次呈現(xiàn)混濁狀液體，繼續(xù)冷卻，再次出現(xiàn)藍紫色，然后固化成白色的晶體。面對這樣的現(xiàn)象賴尼策爾無法解釋，于是他將樣品及觀察記錄寄給德國物理學(xué)家勒曼。勒曼研究后認為這是流動的晶體，并給這種形態(tài)的物質(zhì)取名為“液晶”?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)幾千種有機化合物具有液晶態(tài)，它是介于固態(tài)與液態(tài)之間的中間態(tài)。與液體分子模型相比較，液晶分子沒有位置序，但有取向序即分子取向十分一致

　　綜合而言，所謂液晶，是指其形狀像液體，而其微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)又完全類似于晶體的一類物質(zhì)。那么它又是如何在顯示器中發(fā)揮作用的呢?接下來我們先從簡單應(yīng)用的來了解

　　二、液晶的黑白態(tài)顯示原理

　　人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)液晶具有許多性質(zhì)和效應(yīng)，如電光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、光電效應(yīng)、超聲效應(yīng)和理化效應(yīng)等液晶顯示主要利用液晶的電光效應(yīng)所謂“電光效應(yīng)”是指在電場的作用下，液晶光學(xué)性質(zhì)的變化。下面介紹液晶如何在顯示屏中發(fā)揮作用，首先，液晶必須裝在由玻璃構(gòu)成的液晶盒內(nèi)

　　上圖是液晶盒的結(jié)構(gòu)示意圖。兩塊標準的平面平行度極好的平板玻璃，稱為玻璃板。在上下玻璃板的外側(cè)裝有偏振膜，或稱偏振片，偏振片的作用就是讓與偏振片的方向平行的光波通過，只有光波振動方向與偏振片的縫一致的光才能通過，因此可以將具有光源中具有各個取向的光波過濾為單一取向的光波。由于上下兩個偏振光片相互垂直，通過第一片偏振片的光波想要通過第二片偏振片光波需要旋轉(zhuǎn)90o才行，于是就到了液晶發(fā)揮它的旋光作用，通過在液晶的上下兩邊加上不同的電場來改變內(nèi)部液晶的行為。為了給液晶加電場，要在玻璃板的內(nèi)表面裝上二氧化錫透明電極，電極的形狀可根據(jù)顯示的需要設(shè)計成各種形狀，為了使液晶分子能連續(xù)扭曲成90°，要對液晶盒內(nèi)表面做沿面排列處理，這樣一個液晶盒就完成了。最后在液晶盒內(nèi)填入添加了旋光物質(zhì)的液晶，四周再用膠框粘接，液晶盒就成為液晶顯示器了。由于內(nèi)部的液晶分子具有旋光性，可將通過偏振光的光波方向旋轉(zhuǎn)90o，再通過下部的偏振片，于是我們便看見了光亮的背景。當(dāng)我們在液晶兩邊外加電場，在電場的作用下，液晶消除了原來的扭曲狀態(tài)，液晶分子有序排成一個平面，與上下電極面相互垂直。入射偏振光的振動方向在穿過液晶時保持原來的狀態(tài)不變，即入射光的振動方向與下偏振片的偏振化方向垂直，入射光將被吸收，因而沒有光被反射回來，也就看不到反射板，于是電極部位呈暗態(tài)，與不加電場的情景正好相反。

　　數(shù)字的筆畫由相互分離的七段透明電極組成，并使每個電極與譯碼電路連接，這樣譯碼電路的狀態(tài)就可以通過七段顯示器用阿拉伯透明電極引線數(shù)字顯示出來這種顯示都有一段相對穩(wěn)定的時間，故稱靜態(tài)顯示。

　　顯示的方式有正顯示與負顯示。當(dāng)電極間加上一定電壓后，有電壓的那幾段就會變?yōu)榘祽B(tài)，從而顯示出一組白底黑字的數(shù)字，這種顯示叫正顯示，通常用的液晶電子手表，袖珍計算器均為正顯示型數(shù)字顯示器。如果使兩偏振片的偏振化方向平行，則不加電壓時，入射光被吸收，我們得到的是黑色背景。在需要顯示數(shù)字的電極上加上電壓，則偏振光能夠通過液晶，并被反射回來，于是我們可以看到白色的數(shù)字呈現(xiàn)在黑背景上，形成黑底白字的負顯示型數(shù)字顯示器。同樣，根據(jù)實際需要，精巧地制作各種各樣的電極，還可實現(xiàn)對文字，符號以及圖像的液晶顯示。

　　三、液晶的動態(tài)黑白動態(tài)顯示原理

　　動態(tài)顯示常采用點陣式矩陣顯示方式。將電極做成平行狀，并使上玻璃片的電極和下玻璃片的電極成立體正交結(jié)構(gòu)。這樣相互交叉的部分就是點陣式像元，如圖中用小方塊表示。當(dāng)x方向的電極和y方向的電極條數(shù)都為n時，用2n個電極就可以構(gòu)成n2個像元。當(dāng)像元的面積越小，單位面積內(nèi)數(shù)量越多，顯示的圖像就越細膩。

　　當(dāng)x方向的電極從上到下按時間順序逐行掃描，y方向的電極按顯示信號加上選與非選的信號，那么所有選通點都呈亮態(tài)，其余呈暗態(tài)。由于x方向電極的掃描速度很快，所以選通點將不斷變化，由于時間間隔很小，利用視覺暫留，可以使觀察者看到一幅完整的畫面。逐行掃描的過程與陰極射線顯像管的行掃描過程十分類似，當(dāng)x方向的電極由上而下逐行掃描次，完成一幀這樣不斷地掃描，同時給列電極加上選或非選的信號就實現(xiàn)了所有像元的顯示功能。如果在行電極完成的n幀掃描期間，列電極不斷地重復(fù)每幀期間的選擇信號波形，就可以在顯示屏上獲得一幅靜態(tài)的畫面。如果列電極的選擇信號波形一幀與一幀不同，這樣就形成了動態(tài)的畫面。下圖便是通過電極的快速掃描顯示的出絢麗的黑白動畫

　　以上便是黑白液晶顯示器的顯示原理，利用液晶旋光性來控制光線是否通過來改變明暗從而形成圖案。

　　四、彩色液晶屏的顯示原理

　　彩色液晶顯示與黑白顯示的原理類似，但是結(jié)構(gòu)稍有變化，控制電路增多，擁有更多的像素點，每個像素點都由一個晶體管獨立控制。彩色顯示器所用光源一般置于屏幕內(nèi)部，光源從內(nèi)到外穿過液晶形成光亮的圖案。

　　下面我們就來簡單講解TFT—LCD液晶屏的結(jié)構(gòu)及顯示原理。

　　TFT—LCD液晶屏的結(jié)構(gòu)

　　TFT—LCD液晶屏在結(jié)構(gòu)上由里到外主要由背光源、偏光片、透明電極(控制電路)、液晶、彩色濾光片、偏光片所構(gòu)成。

　　液晶的光學(xué)效果

　　液晶包含在兩個槽狀表面中間，且槽的方向互相垂直，如下圖所示，上下表面偏振片偏振方向相互垂直，液晶分子的排列為：上表面為縱向，下表面為橫向，介于上下表面中間的分子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)，因此，液晶分子在兩槽狀表面間產(chǎn)生90o的旋轉(zhuǎn)。

　　當(dāng)線性偏振光射入上層槽狀表面時，此光線隨著液晶分子的旋轉(zhuǎn)也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn);當(dāng)線性偏振光射出下層槽狀表面時，此光線已經(jīng)產(chǎn)生了90o的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)在上下表面之間加電壓時，液晶分子會順著電場方向排列，形成直立排列的現(xiàn)象。此時入射光線不受液晶分子影響，直線無法射出下表面。不同電壓值，決定液晶偏轉(zhuǎn)的角度。

　　那么屏幕一般是內(nèi)部LED作為光源，發(fā)射出白色的光線，那么我們知道白光是由多種不同頻率光波組合而成光波。那么我們可以通過濾光膜得到我們想要的顏色。雖然每一種顏色的可見光的波長有一定的范圍，但我們在處理顏色時并不需要將每一種波長的顏色都單獨表示。因為自然界中所有的顏色都可以用紅、綠、藍(RGB)這三種顏色波長的不同強度組合而得，這就是人們常說的三基色原理。因此，這三種光常被人們稱為三基色或三原色。通過濾光膜過濾出這三種顏色，再通過驅(qū)動電壓的改變調(diào)整液晶翻轉(zhuǎn)的角度,進而改變通過RGB子象素的光量,由加法混色的原理得到豐富的色彩表現(xiàn)。

　　彩色濾光膜結(jié)構(gòu)

　　彩色濾光膜的各像素對應(yīng)液晶屏的各像素，每像素包含紅、綠、藍三個子像素，光線透過彩色濾光膜形成紅、綠、藍三基色分量，如圖上所示。

　　TFT—LCD電路控制原理

　　TFT—LCD電路的主要作用是控制液晶兩表面的電壓值，以控制液晶的偏轉(zhuǎn)角度，改變液晶分子對線性偏振光的扭轉(zhuǎn)角度，并通過前面偏光片的取向作用，最終實現(xiàn)控制通過光線的強弱。薄膜場效應(yīng)晶體管(thin film transistor，TFT)對應(yīng)控制的每一個子像素，薄膜晶體管TFT是開關(guān)器件，它的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)接近理想開關(guān)。以分辨率為1024×768像素的顯示屏為例，每個像素由R、G、B三基色的子像素，即合計有1024×768×3 TFT晶體管。如下圖所示

　　門極線有768，源極線有1024×3?？刂齐娐凡捎梅謺r驅(qū)動的方式，按順序分別置門極線高電平，從而控制打開該行 TFT晶體管，此時源極線上的電壓即加到該行液晶各子像素上，從而控制該行液晶的偏轉(zhuǎn)角度和最終實現(xiàn)光線的透射率的控制。

　　TFT—LCD顯示原理

　　以1024×768像素的液晶屏為例，液晶板后面的背光源投射出純白光源，光源經(jīng)過第一個a方向的偏光片，過濾成a方向的偏極光，通過透明電極(TFT控制電路),經(jīng)過液晶，這時液晶分子偏轉(zhuǎn)角度和透射率受 TFT控制電路控制，通過液晶后，經(jīng)過彩色濾光片，形成 1024×768×3束偏轉(zhuǎn)方向受控的RGB基色光線，再通過第二個b方向的偏光片，把偏轉(zhuǎn)方向受控的各束RGB基色光線過濾成強弱受控的RGB基色光線，投射出屏幕。通過改變驅(qū)動液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強度與色彩，并進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合。

　　五彩色液晶屏顯示特點

　　可視角度

　　LCD 有視角各向異性和視角范圍比較小的弱點，寬視角技術(shù)一直是液晶技術(shù)的重要研究課題。這是因為當(dāng)背光源之入射光通過偏光片!液晶及所謂的取向膜后，輸出光便具備了特定的方向特性，也就是說，大多數(shù)從屏幕射出的光具備了垂直方向。即如果偏離顯示屏法線方向觀察，對比度明顯下降，觀看一個全白的畫面，我們可能會看到黑色或是色彩失真。

　　響應(yīng)時間

　　液晶的響應(yīng)時間表示液晶顯示器各像素點，對于信號輸入后的反應(yīng)速度，就是每點由暗轉(zhuǎn)亮或由亮轉(zhuǎn)暗所需的時間，響應(yīng)時間當(dāng)然是越小越好。這樣用戶在觀看運動的畫面時就不會出現(xiàn)類似尾影拖拽的感覺。液晶顯示器的這項指標直接影響到對動態(tài)畫面的還原，跟其它顯示方式相比，液晶顯示器由于過長的響應(yīng)時間，導(dǎo)致其在還原動態(tài)畫面時有比較明顯的拖尾現(xiàn)象，畫面不夠生動。

　　這是由于液晶顯示屏是利用液晶分子扭轉(zhuǎn)控制光的通斷，而液晶分子的扭轉(zhuǎn)需要一個過程，所以LCD顯示器的響應(yīng)時間明顯比其它顯示方式長。特別在介于全黑、全白間的較小幅度灰階變化，需施加較小電壓來進行準確而精細的角度控制，因此液晶分子扭轉(zhuǎn)速度反而要慢一些。

　　因此屏幕刷新率還受液晶材料的限制。相信未來的顯示技術(shù)會更加多樣化，給我們帶來更佳的體驗感。