第三章LCD及其它接口技術

3.3液晶顯示器（LCD）

3.3.1液晶的基本知識3.3.2LCD照明方式和光源3.3.3液晶顯示器件性能指標3.3.4液晶顯示器(LCD)的基本原理3.3.1液晶的基本知識1、什么是液晶？液晶的發(fā)現(xiàn)液晶的發(fā)現(xiàn)可追溯到19世紀末，1888年奧地利的植物學家F·Reinitzer在作加熱膽甾醇的苯甲酸脂實驗時發(fā)現(xiàn)，當加熱使溫度升高到一定程度后，結晶的固體開始溶解。但溶化后不是透明的液體，而是一種呈混濁態(tài)的粘稠液體。當再進一步升溫后，才變成透明的液體。這種混濁態(tài)粘稠的液體是什么呢？他把這種粘稠而混濁的液體放到偏光顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)這種液體具有雙折射性。于是德國物理學家D·Leimann將其命名為“液晶”，簡稱為“LC—LiquidCrystal”。在這以后用它制成的液晶顯示器件被稱為LCD—LiquidCrystalDisplay。液晶放到偏光顯微鏡下觀察2、液晶的分類1.按照顯示方式分類2.按照液晶的形成條件分類3.按照分子排列的形式和有序性分類數(shù)顯液晶數(shù)顯液晶是一種由段型液晶顯示器件與專用的集成電路組裝成一體的功能部件，只能顯示數(shù)字和一些固定的標識符號。這種顯示器件大多應用在便攜、袖珍設備上。按照顯示方式分類點陣字符型液晶

點陣字符型液晶模塊是由點陣字符液晶顯示器件和專用的行、列驅動器、控制器及必要的連接件、結構件裝配而成的，可以顯示數(shù)字和西文字符。是一類專用于顯示字母、數(shù)字的液晶顯示模塊。這種點陣字符模塊本身具有字符發(fā)生器，顯示容量大，功能豐富。這種模塊的點陣排列是由5×8或5×11的一組組像素點陣排列組成的。按照顯示方式分類點陣圖形液晶

點陣圖形液晶與點陣字符型液晶不同的是點陣像素連續(xù)排列，行和列在排布中均沒有空隔，因此可以顯示連續(xù)、完整的圖形。當然，也可以顯示字符。按照顯示方式分類按照液晶的形成條件分類某些有機物加熱溶解，由于加熱破壞結晶晶格而形成的液晶稱為熱致液晶。它是由于溫度發(fā)生變化而出現(xiàn)的液晶相。把某些有機物放在一定的溶劑中，由于溶劑破壞結晶晶格而形成的液晶稱為溶致液晶，它是由于溶液濃度發(fā)生變化而出現(xiàn)的液晶相。溶致液晶熱致液晶作為顯示技術應用的液晶都是熱致液晶。熱致液晶由于加熱破壞結晶晶格而形成的液晶稱為熱致液晶。低于溫度T1，就變成固體（晶體），稱T1為液晶的熔點，高于溫度T2就變成清澈透明各向同性的液態(tài)，稱T2為液晶的清亮點。LCD能工作的極限溫度范圍基本上由T1和T2確定。熱致液晶按液晶分子排列狀態(tài)，熱致液晶相可分為三大類：近晶相液晶（Smecticliquidcrystals）向列相液晶（Nematicliquidcrystals）膽甾相液晶（Cholestericliquidcrystals）熱致液晶分類近晶相液晶（Smectic）又稱層狀液晶隧道顯微鏡下的近晶相層狀液晶液晶分類---近晶相液晶近晶相液晶按層狀排列，由棒狀或條狀分子呈二維有序排列組成。層內分子長軸相互平行，其方向可以垂直于層面或與層面成傾斜排列。層與層之間的作用較弱，容易滑動，因此具有二維的流動特性。近晶相液晶的粘度與表面張力都較大，用手摸有似肥皂的滑澀感，對外界的電、磁、溫度變化都不敏感。這種液晶光學上顯示正的雙折射性。液晶分類---近晶相液晶液晶分類--向列相液晶向列相液晶（Nematic）又稱絲狀液晶向列液晶在偏光顯微鏡下的圖向列型液晶由長徑比很大的棒狀分子組成，保持與軸向平行的排列狀態(tài)。因為分子的重心雜亂無序，并容易順著長軸方向自由移動，所以像液體一樣富于流動性。正由于向列型液晶分子的這種一致排列，使得它的光學特性很像單軸晶體，呈正的雙折射性。對外界的電、磁、溫度、應力都比較敏感，是顯示器件上廣泛使用的材料。液晶分類--向列相液晶膽甾相液晶（Cholestevic），也稱螺旋狀液晶膽甾型液晶和近晶型一樣具有層狀結構，但層內分子排列則與向列型液晶類似，分子長軸在層內是相互平行的，而在垂直這個平面上，每層分子都會旋轉一個角度。液晶整體呈螺旋結構。螺距的長度是可見光波長的數(shù)量級。由于膽甾型液晶的分子排列旋轉方向可以是左旋，也可以是右旋，當螺距與某一波長接近時，會引起這個波長光的布拉格散射，呈某一種色彩。膽甾型液晶具有負的雙折射性質。一定強度的電場、磁場也可使膽甾相液晶轉變?yōu)橄蛄邢嘁壕?。膽甾相液晶易受外力的影響，特別對溫度敏感，由于溫度主要引起螺距的改變，因此膽甾相液晶隨溫度改變顏色。液晶分類--膽甾相液晶由于液晶分子的結構為異向性(Anisotropic)，所以引起的光電效應就會因為方向不同而有所差異，也就是液晶分子的介電系數(shù)及折射系數(shù)等光電特性都具有異向性，因而可以利用這些性質來改變入射光的強度，以便形成灰度級，應用于顯示器組件上。3、液晶的光電特性電極電極液晶FieldOFFFieldON液晶材料在施加電場時，其光學性質會發(fā)生變化，這種效應稱為液晶的電光效應。這是液晶分子在電場作用下改變其分子排列的結果。液晶的電光效應液晶的電光效應在液晶顯示器的設計中被廣泛采用。線偏振光在扭曲向列相液晶中的傳播在向列型液晶中，棒狀分子的排列是彼此平行的．當把液晶放在兩個玻璃板之間，玻璃基板表面做了平行取向處理，如果上下兩玻璃板定向是彼此垂直的，液晶分子將采取逐漸過渡的方式被扭轉成螺旋狀。液晶分子在兩片玻璃之間呈90o扭曲。線偏振光在扭曲向列相液晶中的傳播當線偏振光垂直入射時，若偏振方向與上表面分子取向相同，則線偏振光偏振方向將隨著分子軸旋轉，并以平行于出口處分子軸的偏振方向射出；若入射偏振光的偏振方向與上表面分子取向垂直，則以垂直于出口處分子軸的偏振方向射出，當以其它方向的線偏振光入射時，則根據(jù)平行分量和垂直分量的位相差的值，以橢圓、圓或直線等某種偏振光形式射出。由于液晶本身并不發(fā)光，因此LCD需要通過外來光源實現(xiàn)透射或反射來顯示。LCD有三種照明方式：反射型，全透型和半透型。1、照明方式

3.3.2LCD照明方式和光源反射型LCD的底偏光片后面加了一塊反射板，它一般在戶外和光線良好的辦公室使用。全透型LCD的底偏光片是全透偏光片，它需要連續(xù)使用背光源，一般在光線差的環(huán)境使用。半透型LCD是處于以上兩者之間，底偏光片能部分反光，一般也帶背光源，光線好的時候，可關掉背光源；光線差時，可點亮背光源使用LCD。2、LCD背光源現(xiàn)有LCD大多數(shù)是透射型的，對于這些透射型LCD來說，背光源是它們不可或缺的組成部分.背光源系統(tǒng)為LCD面板提供光源，主要由光源、導光板、光學用膜片和塑膠框等部分組成。依光源分布位置不同，分為側光式和直下式。作為LCD的背光源，為了確保顯示畫面的質量，它應具有亮度高、發(fā)光均勻、照明角度大、可調、高效率、低功耗、壽命長、輕且薄等性能。側光式背光源結構圖側光式和直下式照明方式依光源分布位置不同，分為側光式和直下式。直下式背光源結構圖目前采用的背照光源主要有：1）電致發(fā)光板EL2）平板熒光燈（VFDL）3）冷陰極熒光燈（CCFL）4）有機電致發(fā)光（OEL）5）LED（發(fā)光二極管）光源等。

1、可視面積液晶顯示器所標示的尺寸就是實際可以使用的屏幕范圍一致。2、分辨率分辯率以乘法形式表現(xiàn)的，比如800×600，其中“800”表示屏幕上水平方向顯示的點數(shù)，“600”表示垂直方向顯示的點數(shù)。因此所謂的分辯率就是指畫面的解析度，由多少象素構成，其數(shù)值越大，圖象也就越清晰。3.3.3液晶顯示器性能指標

3、可視角度視角簡單地說就是顯示圖案能看得清楚的角度。它是由定向層的摩擦方向決定，不能通過旋轉偏光片改變。一般而言，LCD的可視角度都是左右對稱，但上下可就不一定了。而且，常常是上下角度小於左右角度。當我們說可視角是左右80度時，表示站在始于屏幕法線80度的位置時仍可清晰看見屏幕圖像液晶顯示器性能指標80o4、亮度、對比度液晶顯示器的最大亮度，通常由背光源來決定，TFT液晶顯示器的可接受亮度為150cd/m2以上，目前國內能見到的TFT液晶顯示器亮度都在200cd/m2左右，亮度低一點則感覺暗，再亮當然更好。目前液晶電視亮度在500cd/m2左右。對比度是定義最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值。一般來說，人眼可以接受的對比值約為250:1。液晶顯示器性能指標5、響應時間反應時間實際上就是指的液晶單元從一種分子排列狀態(tài)轉變成另外一種分子排列狀態(tài)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(xiàn)尾影拖拽的感覺。一般會將反應速率分為兩個部分：Rising和Falling；而表示時以兩者之和為準。液晶顯示器性能指標6、顯示顏色數(shù)（色彩度）LCD重要的當然是的色彩表現(xiàn)度。我們知道自然界的任何一種色彩都是由紅、綠、藍三種基本色組成的。LCD面板上是由M×N個像素點組成顯像的，每個獨立的像素色彩是由紅、綠、藍(R、G、B)三種基本色來控制。大部分廠商生產(chǎn)出來的液晶顯示器，每個基本色(R、G、B)達到6位，即26=64種表現(xiàn)度，那么每個獨立的像素就有643=262144種色彩。也有不少廠商使用了所謂的FRC(FrameRateControl)技術以仿真的方式來表現(xiàn)出全彩的畫面，也就是每個基本色(R、G、B)能達到8位，即256種表現(xiàn)度，那么每個獨立的像素就有高達2563=16777216種色彩了。液晶顯示器性能指標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。液晶顯示技術也存在弱點§扭曲向列型液晶顯示（TN-LCD）§超扭曲向列型液晶顯示（STN-LCD）§有源矩陣液晶顯示器件（AM-LCD）3.3.4液晶顯示器(LCD)的基本原理

LiquidCrystalDisplay扭曲向列型液晶顯示器(TwistedNematicLiquidCrystalDisplay－TN-LCD)屬第二代液晶顯示器件。它是最常見的一種液晶顯示器件。1971年瑞士人發(fā)明了扭曲向列型(TN)液晶顯示器,日本廠家使TN-LCD技術逐步成熟，又因制造成本和價格低廉，使其在七八十年代得以大量生產(chǎn)，從而成為主流產(chǎn)品。在1979年～1984年間，其產(chǎn)量年均增長38%,成本年遞減18%，銷售額年增長12%，這使LCD在顯示器件領域的地位僅次于CRT。LCD的高速發(fā)展引起了世界電子業(yè)界的極大關注,對LCD技術研究投入的力量和資金與日俱增。

扭曲向列型液晶顯示（TN-LCD）1、扭曲向列型液晶顯示器結構在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶顯示屏面板中，通常是由兩片大玻璃基板，內夾著電極和配向膜，上下夾層中填充了多層液晶分子(液晶厚度不到5m)，外面再包裹著兩片偏光板，最后再封裝成一個液晶盒，并與驅動、控制電路板相連接。液晶顯示器結構液晶盒中玻璃片內側覆蓋著一層配向層。配向層的作用是使液晶分子按特定的方向排列，這個配向層通常是一薄層高分子有機物，用摩擦的方法在表面開成方向一致的微細溝糟。也可以通過在玻璃表面以一定角度用真空蒸鍍氧化硅薄膜來制備。由于內表面涂有配向層膜，在盒內液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于兩片玻璃內表面定向層定向處理的方向互相垂直，液晶分子在兩片玻璃之間呈90°扭曲?？拷ＡП砻娴囊壕Х肿硬⒉煌耆叫杏诓ＡП砻妫桥c其成一定的角度，這個角度稱為預傾角，一般為1°~2°TN型

LCD顯示原理Twist90液晶分子FieldOFFFieldON利用液晶的旋光特性調變穿透光線液晶的旋光特性消失2、液晶顯示器的基本原理當入射光通過偏振片后成為線偏振光，在不加電場時，由于向列液晶的旋光特性，線偏振光在出射處，旋轉了90°，可以通過，因此呈透光態(tài)。當給液晶盒施加大于閾值的場強時，液晶盒內液晶分子長軸都將沿電場方向排列，此時，入射的線偏振光不能得到旋轉因而在出射處不能通過檢偏片，呈暗態(tài)?？梢?，當給需要顯示的字段或像素的電極加上適當?shù)尿寗与妷?，該字段或像素就被點亮。TN-LCD工作原理正顯示：白底黑字的顯示。用TN-LCD制作的常用液晶顯示器件白底黑字顯示——正顯示TN型

LCD顯示原理FieldOFFFieldON黑底白字顯示——負顯示如果將偏振片平行放置，則可得到負顯示。黑底白字顯示——負顯示3、TN-LCD的驅動LCD的驅動要求和特點：（1）由于液晶是有機化合物，在固定的電場作用下將發(fā)生電化學反應，從而導致液晶材料的老化及失效。因此，施加在液晶上的電場應為交流電場，從而將電化學反應抵消掉或降到最低限度。研究表明，長期應用條件下，電信號的直流分量應小于50mV。

（2）驅動電源頻率低于數(shù)千赫茲時，在很寬的頻率范圍內LCD的透光率只與驅動電壓有效值有關而與電壓波形無關；（3）驅動時LCD像素是一個無極性的容性負載。TN-LCD液晶顯示的電極：段型電極、矩陣型電極。TN-LCD驅動方式：靜態(tài)驅動、矩陣尋址動態(tài)驅動。靜態(tài)驅動——在需要顯示的時間里分別同時給所需顯示的段電極加上驅動電壓，直到不需要顯示的時刻為止。靜態(tài)驅動的對比度較高，但使用的驅動元器件較多，因此只用于電極數(shù)量不多的段式顯示。字段型電極液晶顯示靜態(tài)驅動法字段型電極液晶顯示器結構示意圖(a)段型電極液晶顯示靜態(tài)驅動法各像素的段電極是分立引出的，見圖a。各液晶像素的背電極com是連在一起引出的，如圖b。(b)段型電極液晶顯示靜態(tài)驅動法由于液晶驅動要求交流驅動，當驅動波形如圖所示時，就實現(xiàn)f像素的顯示，e不顯示。5V0V5V0V5V0Vfcome當我們在被電極com上加入一個正電壓，如5V，在所要顯示的像素段電極（如f）上加0V，使得該像素電極間電壓為5V，呈顯示狀態(tài)。而在不顯示像素段電極(如e)上加入5V，使得該像素電極間電壓為0V，呈不顯示狀態(tài)。行電極列電極當液晶顯示器顯示的像素眾多時，為了節(jié)省龐大的硬件驅動電路，液晶顯示器電極的制作實施了矩陣式結構：即TN液晶盒上下玻璃基板的內表面沉積許多平行的條狀透明電極，而且上下電極條互相垂直，交叉處形成顯示像素。TN-LCD矩陣顯示像素顯示器上每個像素都由其所在行列位唯一確定。液晶顯示的掃描方法是循環(huán)地逐行給行電極施加選擇脈沖，并在列電極上給出該行顯示數(shù)據(jù)轉換成的選通或非選通的驅動信號，從而實現(xiàn)該行所有顯示像素的顯示。

這種掃描是逐行順序進行的，循環(huán)周期很短，使得液晶屏上呈現(xiàn)出穩(wěn)定的圖像。TN-LCD尋址驅動（動態(tài)驅動）行電極列電極像素Addressaction尋址示意Addressaction尋址示意Addressaction尋址示意Addressaction尋址示意Addressaction尋址示意Addressaction尋址示意Addressaction尋址示意Addressaction尋址示意將所有掃描行電極各施加一次掃描電壓的時間稱為一幀。按時間順序逐一給各行電極施加選通電壓，選到某一行時各列電極同時施加相應于該行的信號電壓，行電極選通一遍，就顯示出一幀信息，在一幀中每行的選擇時間是相等的。假設一幀的掃描行數(shù)為N，那么一行所占有選擇時間為一幀時間的1/N。掃描行電極尋址列電極矩陣式液晶顯示動態(tài)驅動原理段型電極液晶顯示動態(tài)驅動法矩陣式液晶顯示電路原理圖液晶器件電光效應的瞬態(tài)響應特性通常用三個常數(shù)表征：延遲時間：定義為加上電壓后透光率達到最大值10%時的時間；上升時間：定義為透光率從10%增加到90%所用的時間；下降時間：定義為透光率從90%下降到10%所用的時間。目前普通TN-LCD的響應時間在80ms左右。4、顯示器響應速度掃描行電極在動態(tài)驅動方式下，要使（i，j）點顯示，就需在第i列和第j行上同時施加選擇電壓，使該點的電場強度最大，但此時除（i，j）點外，第i列和第j行的其余各點也承受了一定電壓，這些點稱為半選擇點。若半選擇點上的有效電壓大于閾值電壓時，在屏幕上將出現(xiàn)不應有的顯示，使對比度下降，這就是交叉效應。因此“交叉效應”使圖像對比度降低，圖像質量變差。并且行、列電極越多，交叉效應越嚴重。尋址列電極5、TN型液晶顯示器存在的問題i,j6、TN型液晶顯示器件缺點：TN-LCD(扭曲向列型液晶顯示器）常用于電子手表，計算器．TN型液晶顯示器件應用（1）為什么驅動電壓的波形必須是交流的，而且對其直流分量還有一定的要求？（2）什么叫做動態(tài)驅動中的“交叉效應”？（3）液晶顯示器的主要技術指標及其含義（4）簡述TN型液晶顯示器件的結構、工作原理和驅動原理。思考題3.4觸摸屏技術觸摸產(chǎn)品的誕生中國的觸摸行業(yè)跟一個公司名字密不可分：太古公司到1994年4月，太古公司開始代理美國MICROTOUCH公司電容式觸摸屏觸摸產(chǎn)品的銷售，這才標志著我國觸摸產(chǎn)業(yè)的正式誕生，中國的IT市場從此有了一個新名詞：觸摸屏。

觸摸屏屬于哪類外設目前我們所使用的外部設備，多種多樣。但是不管它們的功能是怎樣的形形色色。它都離不開兩個功能：1.信息的顯示。2.信息的獲取。觸摸屏屬于其中的第二類。為了操作方便，人們用觸摸屏代替鼠標或鍵盤，根據(jù)手指觸摸的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏的組成觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成；觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器，然后把接受的信息送主機。觸摸屏的分類觸摸屏根據(jù)所用的介質以及工作原理，可分為電阻式、電容式、紅外線式和聲表面波式多種。幾種觸摸屏產(chǎn)品電阻式觸摸屏

觸摸屏用兩層高透明的導電層組成觸摸屏，兩層之間距離僅為2.5微米。當手指按在觸摸屏上時，該處兩層導電層接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個方向上產(chǎn)生信號，然后送觸摸屏控制器。電容式觸摸屏

觸摸屏把透明的金屬層涂在玻璃板上，當手指觸摸在金屬層上時，電容發(fā)生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發(fā)生變化，通過測量頻率變化可以確定觸摸位置獲得信息。紅外線式觸摸屏在屏幕周邊成對安裝紅外線發(fā)射器和紅外線接受器，接受器接受發(fā)射器發(fā)射的紅外線，形成紅外線矩陣。當手指按在屏幕上時，手指阻擋了紅外線，這樣在X、Y兩個方向接受信息送給主機。聲表面波式觸摸屏由觸摸屏、聲波發(fā)生器、反射器和聲波接受器組成。聲波發(fā)生器發(fā)出聲波在觸摸屏表面?zhèn)鬟f，經(jīng)反射器傳遞給聲波接受器，聲波轉換成電信號送給主機。聲表面波式觸摸屏效果比較好，目前應用比較廣泛。3.5打印機技術3D打印機的原理3D打印機，即快速成形技術的一種機器，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

3D打印機發(fā)展歷史3D打印并非是新鮮的技術，這