LCD光電原理課件

LCD光電原理2005-10-241、液態(tài)晶體之光學(xué)性質(zhì).2、液晶的光電特性.3、LCD的分類和顯示原理.1、液態(tài)晶體之光學(xué)性質(zhì).光是一種電磁波，我們將其電場(chǎng)方向稱為光的偏極方向。我們可用偏光器來選擇某一特定方向之偏極光。已偏極化的光再經(jīng)過一個(gè)偏光器時(shí)可全部通過或部分通過，視第二個(gè)偏光器的方向而定。我們以（圖一）說明偏光器的功能。光經(jīng)過物質(zhì)時(shí)，折射率與光偏極化的方向有關(guān)。在大部分向列型液晶中，光偏極化方向與相

同時(shí)折射率（n||）較大，光偏極化方向與垂直時(shí)折射率（n?）較小。一偏極光經(jīng)過一液態(tài)晶體

后其偏極方向有時(shí)會(huì)改變。到底會(huì)不會(huì)改變則視液態(tài)晶體之排列而定（見圖二）。所以我們改液

態(tài)晶體之排列方式即可改變通過光之偏極性。若在液態(tài)晶體后面再加一個(gè)偏光器，則通會(huì)有不同。圖二不同的液晶排列對(duì)光之偏極化有不同之影響

2、液晶的光電特性.由于液晶分子的結(jié)構(gòu)為異方性(Anisotropic)，所以所引起的光電效應(yīng)就會(huì)因?yàn)榉较虿煌兴町?，?jiǎn)單的說也就是液晶分子在介電系數(shù)及折射系數(shù)等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質(zhì)來改變?nèi)肷涔獾膹?qiáng)度,以便形成灰階,來應(yīng)用于顯示器組件上.以下我們要討論的,是液晶屬于光學(xué)跟電學(xué)相關(guān)的特性,大約有以下幾項(xiàng):2.折射系數(shù)(refractiveindex):

由于液晶分子大多由棒狀或是碟狀分子所形成，因此跟分子長軸平行或垂直方向上的物理特性會(huì)有一些差異，所以液晶分子也被稱做是異方性晶體。與介電系數(shù)一樣,折射系數(shù)也依照跟指向矢垂直與平行的方向,分成兩個(gè)方向的向量.分別為n//與n⊥.

此外對(duì)單光軸(uniaxial)的晶體來說,原本就有兩個(gè)不同折射系數(shù)的定義.一個(gè)為no,它是指對(duì)于ordinaryray的折射系數(shù),所以才簡(jiǎn)寫成no.而ordinaryray是指其光波的電場(chǎng)分量是垂直于光軸的稱之.另一個(gè)則是ne,它是指對(duì)于extraordinaryray的折射系數(shù),而extraordinaryray是指其光波的電場(chǎng)分量是平行于光軸的.同時(shí)也定義了雙折射率(birefrigence)Δn=ne-no為上述的兩個(gè)折射率的差值.

依照上面所述,對(duì)層狀液晶、線狀液晶及膽固醇液晶而言，由于其液晶分子的長的像棒狀,所以其指向矢的方向與分子長軸平行.再參照單光軸晶體的折射系數(shù)定義,它會(huì)有兩個(gè)折射率，分別為垂直于液晶長軸方向n⊥(=ne)及平行液晶長軸方向n//(=no)兩種，所以當(dāng)光入射液晶時(shí)，便會(huì)受到兩個(gè)折射率的影響，造成在垂直液晶長軸與平行液晶長軸方向上的光速會(huì)有所不同。

若光的行進(jìn)方向與分子長軸平行時(shí)的速度,小于垂直于分子長軸方向的速度時(shí)，這意味著平行分子長軸方向的折射率大于垂直方向的折射率(因?yàn)檎凵渎逝c光速成反比)，也就是ne-no>0.所以雙折射率Δn>0,我們把它稱做是光學(xué)正型的液晶,而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬于光學(xué)正型的液晶.倘使光的行進(jìn)方向平行于長軸時(shí)的速度較快的話，代表平行長軸方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以雙折射率Δn<0.我們稱它做是光學(xué)負(fù)型的液晶.而膽固醇液晶多為光學(xué)負(fù)型的液晶.

3.其它特性:

對(duì)于液晶的光電特性來說,除了上述的兩個(gè)重要特性之外,還有許多不同的特性.比如說像彈性常數(shù)(elasticconstant:κ11,κ22,κ33),它包含了三個(gè)主要的常數(shù),分別是,κ11指的是斜展(splay)的彈性常數(shù),κ22指的是扭曲(twist)的彈性常數(shù),κ33指的是彎曲(bend)的彈性常數(shù).另外像黏性系數(shù)(viscositycoefficients,η),則會(huì)影響液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與反應(yīng)時(shí)間(responsetime),其值越小越好.但是此特性受溫度的影響最大.另外還有磁化率(magneticsusceptibility),也因?yàn)橐壕У漠惙叫躁P(guān)系,分成c//與c⊥.而磁化率異方性則定義成Δc=c//-c⊥.此外還有電導(dǎo)系數(shù)(conductivity)等等光電特性.

液晶特性中最重要的就是液晶的介電系數(shù)與折射系數(shù).介電系數(shù)是液晶受電場(chǎng)的影響決定液晶分子轉(zhuǎn)向的特性,而折射系數(shù)則是光線穿透液晶時(shí)影響光線行進(jìn)路線的重要參數(shù).而液晶顯示器就是利用液晶本身的這些特性,適當(dāng)?shù)睦秒妷?來控制液晶分子的轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而影響光線的行進(jìn)方向,來形成不同的灰階,作為顯示影像的工具.

１、TN型采用的是液晶顯示器中最基本的顯示技術(shù)，而之后其它種類的液晶顯示器也是以TN型為基礎(chǔ)來進(jìn)行改良。而且，它的運(yùn)作原理也較其它技術(shù)來的簡(jiǎn)單。請(qǐng)讀者參照下方的圖片。圖中所表示的是TN型液晶顯示器的簡(jiǎn)易構(gòu)造圖，包括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細(xì)紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導(dǎo)電的玻璃基板。

在不加電場(chǎng)的情況下，入射光經(jīng)過偏光板后通過液晶層，偏光被分子扭轉(zhuǎn)排列的液晶層旋轉(zhuǎn)90度。在離開液晶層時(shí)，其偏光方向恰與另一偏光板的方向一致，所以光線能順利通過，使整個(gè)電極面呈光亮。

當(dāng)加入電場(chǎng)的情況時(shí)，每個(gè)液晶分子的光軸轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)方向一致。液晶層也因此失去了旋光的能力，結(jié)果來自入射偏光片的偏光，其方向與另一偏光片的偏光方向成垂直的關(guān)系，并無法通過，這樣電極面就呈現(xiàn)黑暗的狀態(tài)。

２、STN型的顯示原理與TN相類似。不同的是，TN扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。

必須在這里指出的是，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形（或稱黑白），并沒有辦法做到色彩的變化。而STN液晶顯示器由于液晶材料的關(guān)系，以及光線的干涉現(xiàn)象，因此顯示的色調(diào)都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統(tǒng)單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片（colorfilter），并將單色顯示矩陣之任一像素（pixel）分成三個(gè)子像素（sub-pixel），分別通過彩色濾光片顯示紅、黃、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，也可以顯示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶顯示器顯示屏幕做的越大，其屏幕對(duì)比度就會(huì)顯得較差，不過藉由STN的改良技術(shù)，亦可以在一定程度上彌補(bǔ)對(duì)比度不足的情況。３、DSTN是通過雙掃描方式來掃描扭曲向列型液晶顯示屏，從而達(dá)到完成顯示目的。DSTN是由超扭曲向列型顯示器（STN）發(fā)展而來的。由于DSTN采用雙掃描技術(shù)，因此顯示效果相對(duì)STN來說，有大幅度提高。筆記本電腦剛出現(xiàn)時(shí)主要是使用STN，其后是DSTN。STN和DSTN的反應(yīng)時(shí)間都較慢，一般約為300ms左右。從液晶顯示原理來看，STN的原理是通過電場(chǎng)改變?cè)瓰?80度以上扭曲的液晶分子的排列，達(dá)到改變旋光狀態(tài)的目的。外加電場(chǎng)則通過逐行掃描的方式改變電場(chǎng)，因此在電場(chǎng)反復(fù)改變電壓的過程中，每一點(diǎn)的恢復(fù)過程都較慢，這樣就會(huì)產(chǎn)生余輝現(xiàn)象。用戶能感覺到拖尾（余輝）現(xiàn)象，也就是一般俗稱的“偽彩”。由于DSTN顯示屏上每個(gè)像素點(diǎn)的亮度和對(duì)比度都不能獨(dú)立控制，造成其顯示效果欠佳。由這種液晶體所構(gòu)成的液晶顯示器對(duì)比度和亮度都比較差、屏幕觀察范圍也較小、色彩不夠豐富，特別是反應(yīng)速度慢，不適于高速全動(dòng)圖像、視頻播放等應(yīng)用。一般只用于文字、表格和靜態(tài)圖像處理，但是它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且價(jià)格相對(duì)低廉，耗能也比TFT-LCD少，而視角小也可以通過防止窺視屏幕內(nèi)容達(dá)到保密作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單也減小整機(jī)體積和重量。因此，在少數(shù)筆記本電腦中仍采用它作為顯示設(shè)備。目前，DSTN液晶顯示屏仍然占有一定的市場(chǎng)份額。DSTN-LCD也不是真正的彩色顯示器，它只能顯示一定的顏色深度。與CRT的顏色顯示特性相距較遠(yuǎn)，因而又稱為“偽彩顯”。DSTN的工作特點(diǎn)是這樣的：掃描屏幕被分為上下兩部分，CPU同時(shí)并行對(duì)這兩部分進(jìn)行刷新（雙掃描），這樣的刷新頻率雖然要比單掃描（STN）重繪整個(gè)屏幕快一倍，提高了占空率，改善了顯示效果。而且當(dāng)DSTN分上下兩屏同時(shí)掃描時(shí)，上下兩部分就會(huì)出現(xiàn)刷新不同步的問題。所以當(dāng)內(nèi)部電子元件的性能不佳時(shí)，顯示屏中央可能會(huì)出現(xiàn)一條模糊的水平亮線。不過，現(xiàn)在采用DSTN-LCD的電腦因CPU和RAM速率高且性能穩(wěn)定，這種不同步現(xiàn)象已經(jīng)很少碰見到了。液晶屏幕的驅(qū)動(dòng)方式---單純矩陣驅(qū)動(dòng)方式是由垂直與水平方向的電極所構(gòu)成。選擇要驅(qū)動(dòng)的部份，是由水平方向的電壓來控制。而垂直方向的電極則負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)液晶分子。---主動(dòng)式矩陣的驅(qū)動(dòng)方式是讓每個(gè)畫素都對(duì)應(yīng)一個(gè)組電極，它的構(gòu)造有點(diǎn)像DRAM的回路方式，電壓通過掃描（或稱作一定時(shí)間充電）方式，來表示每個(gè)畫素的狀態(tài)。

為了改善此前出現(xiàn)的問題，后來液晶顯示技術(shù)大多采用主動(dòng)式矩陣（active-matrixaddressing）的方式來驅(qū)動(dòng)。這也是目前達(dá)到高資料密度液晶顯示效果的理想裝置，而且分辨率極高。方法是利用薄膜技術(shù)所做成的硅晶體管電極，通過掃描法來選擇任意一個(gè)顯示點(diǎn)（pixel）的開與關(guān)。這其實(shí)就是利用容易控制薄膜式晶體管的非線性功能，來取代不易控制的液晶非線性功能。

在TFT型液晶顯器導(dǎo)電玻璃上細(xì)小的網(wǎng)狀線路中，，電極是由薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開關(guān)，在每個(gè)線路相交的地方都有著相應(yīng)的控制匣。雖然驅(qū)動(dòng)訊號(hào)快速地在各顯示點(diǎn)掃瞄而過，但只有電極上晶體管矩陣中被選擇的顯示點(diǎn)，才能得到足以驅(qū)動(dòng)液晶分子的電壓。這樣就使得液晶分子軸轉(zhuǎn)向，并形成「亮」的對(duì)比，而不被選擇的顯示點(diǎn)自然就是「暗」的對(duì)比。這也避免了顯示功能對(duì)液晶電場(chǎng)效應(yīng)能力的依靠。４、TFT型液晶顯示器的運(yùn)作原理:TFT型的液晶顯示器較為復(fù)雜，主要是由：螢光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等構(gòu)成。首先，液晶顯示器必須先利用背光源，也就是螢光燈管投射出光源，這些光源會(huì)先經(jīng)過一個(gè)偏光板然后再經(jīng)過液晶。這時(shí)液晶分子的排列方式就會(huì)改變穿透液晶的光線角度，然后這些光線還必須經(jīng)過前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強(qiáng)度與色彩，這樣就能在液晶面板上變化出有不同色調(diào)的顏色組合了。TFT-LCD的每個(gè)像素點(diǎn)都是由集成在自身上的TFT來控制的，它們是有源像素點(diǎn)。因此，不但反應(yīng)時(shí)間可以極大地加快，起碼可以到80ms左右；對(duì)比度和亮度也大大提高了；同時(shí)分辨率也得到了空前的提升。因?yàn)樗哂懈叩膶?duì)比度和更豐富的色彩，熒屏更新頻率也更快，所以我們稱之為“真彩”。

目前市面上的LCD液晶顯示器主要有兩類：DSTN（dual-scantwistednematic，雙掃描交錯(cuò)液晶顯示）和TFT（thinfilmtransistor，薄膜晶體管顯示），也就是被動(dòng)矩陣（無源矩陣）和主動(dòng)矩陣（有源矩陣）兩種。

與DSTN相比，TFT的主要特點(diǎn)是在每個(gè)像素配置一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。由于每個(gè)像素都可通過點(diǎn)脈沖直接控制，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，并可以連續(xù)控制。這樣不僅提高了反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)在灰度控制上也可以做到非常精確，這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。TFT-LCD是目前最好的LCD彩色顯示設(shè)備之一，TFT-LCD具有屏幕反應(yīng)速度快、對(duì)比度和亮度都較高、屏幕可視角度大、色彩豐富、分辨率高等等特點(diǎn)，克