第2章第3節(jié)液晶顯示器

1第二章電光信息轉(zhuǎn)換2第二章電光信息轉(zhuǎn)換3第二章電光信息轉(zhuǎn)換4第二章電光信息轉(zhuǎn)換5第二章電光信息轉(zhuǎn)換6第二章電光信息轉(zhuǎn)換

§2.3液晶顯示器

◆2.3.1液晶顯示器原理

◆2.3.2液晶顯示器的構(gòu)造

◆2.3.3液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)

◆2.3.4液晶顯示器的特點(diǎn)及應(yīng)用7第二章電光信息轉(zhuǎn)換一、液晶（Liquidcrystal)

液晶是指在某一溫度范圍內(nèi)，從外觀看屬于具有流動(dòng)性的液體，但同時(shí)又是具有光學(xué)雙折射性的晶體。通常物質(zhì)在熔融溫度從固體轉(zhuǎn)為透明的液體，而液晶物質(zhì)在熔融溫度首先轉(zhuǎn)為不透明的液體，進(jìn)一步升溫才轉(zhuǎn)為透明的液體。“液晶”包含兩種含義，一是指處于固體相與液體相中間狀態(tài)的液晶相，二是指具有上述液晶相的物質(zhì)。

§2.3.1液晶顯示器原理8第二章電光信息轉(zhuǎn)換

液晶（LiquidCrystal）：是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的具有規(guī)則性分子排列，及晶體的光學(xué)各向異性的有機(jī)化合物，液晶在受熱到一定溫度的時(shí)候會(huì)呈現(xiàn)透明狀的液體狀態(tài)，而冷卻則會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶顆粒的混濁固體狀態(tài)，因?yàn)槲锢砩暇哂幸后w與晶體的特性，故稱之為“液晶”。液晶顯示器LCD（LiquidCrystal

Display）：是新型平板顯示器件?！?.3.1液晶顯示器原理9第二章電光信息轉(zhuǎn)換(a)層列(smectic)液晶

(b)向列(nematic)液晶(c)膽甾相(cholesteric)液晶三種液晶相的分子排列結(jié)構(gòu)液晶物質(zhì)大多數(shù)為有機(jī)化合物。按分子排列狀態(tài)；

粘連度高粘連度小液晶成螺旋10第二章電光信息轉(zhuǎn)換·層列液晶中的棒狀分子排列成層狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成分子相互平行排列，與層面近似垂直。這種分子層的結(jié)合較弱，層與層之間易于相互滑動(dòng)。其顯示出二維液體的性質(zhì)，粘連度高。

向列液晶的棒狀分子都以相同的方式平行排列，每個(gè)分子在長(zhǎng)軸方向可以比較自由地移動(dòng)。因此，富于流動(dòng)性粘度較小。三種液晶相的分子排列結(jié)構(gòu)液晶物質(zhì)大多數(shù)為有機(jī)化合物。按分子排列狀態(tài)；

11第二章電光信息轉(zhuǎn)換顯示器中的液晶體并不發(fā)光，而是控制外部光的通過量。當(dāng)外部光線通過液晶分子時(shí)，液晶分子的排列扭曲狀態(tài)不同，使光線通過的多少就不同，實(shí)現(xiàn)了亮暗變化，可重現(xiàn)圖像。液晶分子扭曲的大小由加在液晶分子兩邊的電壓差的大小決定。因而可以實(shí)現(xiàn)電到光的轉(zhuǎn)換。即用電壓的高低控制光的通過量，從而把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光像。

§2.3.1液晶顯示器原理12第二章電光信息轉(zhuǎn)換13第二章電光信息轉(zhuǎn)換

液晶的物理特性是：當(dāng)通電時(shí)導(dǎo)通，排列變的有秩序，使光線容易通過；不通電時(shí)排列混亂，阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術(shù)上簡(jiǎn)單地說，液晶面板包含了兩片相當(dāng)精致的無鈉玻璃素材，稱為Substrates，中間夾著一層液晶。當(dāng)光束通過這層液晶時(shí)，液晶本身會(huì)排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過。大多數(shù)液晶都屬于有機(jī)復(fù)合物，由長(zhǎng)棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長(zhǎng)軸大致平行。將液晶倒入一個(gè)經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子會(huì)順著槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。（一）液晶的物理特性14第二章電光信息轉(zhuǎn)換

LCD技術(shù)是把液晶灌入兩個(gè)列有細(xì)槽的平面之間。這兩個(gè)平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是說，若一個(gè)平面上的分子南北向排列，則另一平面上的分子?xùn)|西向排列，而位于兩個(gè)平面之間的分子被強(qiáng)迫進(jìn)入一種90度扭轉(zhuǎn)的狀態(tài)。由于光線順著分子的排列方向傳播，所以光線經(jīng)過液晶時(shí)也被扭轉(zhuǎn)90度。但當(dāng)液晶上加一個(gè)電壓時(shí)，分子便會(huì)重新垂直排列，使光線能直射出去，而不發(fā)生任何扭轉(zhuǎn)。LCD是依賴極化濾光器(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機(jī)發(fā)散的。極化濾光器實(shí)際是一系列越來越細(xì)的平行線。這些線形成一張網(wǎng)，阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個(gè)垂直，所以能完全阻斷那些已經(jīng)極化的光線。只有兩個(gè)濾光器的線完全平行，或者光線本身已扭轉(zhuǎn)到與第二個(gè)極化濾光器相匹配，光線才得以穿透。（如圖1）

（二）單色液晶顯示器的原理

15第二章電光信息轉(zhuǎn)換16第二章電光信息轉(zhuǎn)換17第二章電光信息轉(zhuǎn)換

LCD正是由這樣兩個(gè)相互垂直的極化濾光器構(gòu)成，所以在正常情況下應(yīng)該阻斷所有試圖穿透的光線。但是，由于兩個(gè)濾光器之間充滿了扭曲液晶，所以在光線穿出第一個(gè)濾光器后，會(huì)被液晶分子扭轉(zhuǎn)90度，最后從第二個(gè)濾光器中穿出。另一方面，若為液晶加一個(gè)電壓，分子又會(huì)重新排列并完全平行，使光線不再扭轉(zhuǎn)，所以正好被第二個(gè)濾光器擋住?？傊?，加電將光線阻斷，不加電則使光線射出。（如圖2）

（二）單色液晶顯示器的原理

18第二章電光信息轉(zhuǎn)換19第二章電光信息轉(zhuǎn)換然而，可以改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時(shí)射出，而不加電時(shí)被阻斷。但由于計(jì)算機(jī)屏幕幾乎總是亮著的，所以只有“加電將光線阻斷”的方案才能達(dá)到最省電的目的。

從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚約1mm，其間由包含有液晶(LC)材料的5μm均勻間隔隔開。因?yàn)橐壕Р牧媳旧聿⒉话l(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。（二）單色液晶顯示器的原理

20第二章電光信息轉(zhuǎn)換

背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進(jìn)入包含成千上萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點(diǎn)上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個(gè)個(gè)小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動(dòng)電路部分。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。

（二）單色液晶顯示器的原理

21第二章電光信息轉(zhuǎn)換(三)彩色LCD顯示器的工作原理

對(duì)于筆記本電腦或者桌面型的LCD顯示器需要采用的更加復(fù)雜的彩色顯示器而言，還要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。通常，在彩色LCD面板中，每一個(gè)像素都是由三個(gè)液晶單元格構(gòu)成，其中每一個(gè)單元格前面都分別有紅色，綠色，或藍(lán)色的過濾器。這樣，通過不同單元格的光線就可以在屏幕上顯示出不同的顏色。LCD克服了CRT體積龐大、耗電和閃爍的缺點(diǎn)，但也同時(shí)帶來了造價(jià)過高、視角不廣以及彩色顯示不理想等問題。CRT顯示可選擇一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以調(diào)整，但LCD屏只含有固定數(shù)量的液晶單元，只能在全屏幕使用一種分辨率顯示(每個(gè)單元就是一個(gè)像素)。

22第二章電光信息轉(zhuǎn)換(三)彩色LCD顯示器的工作原理

CRT通常有三個(gè)電子槍，射出的電子流必須精確聚集，否則就得不到清晰的圖像顯示。但LCD不存在聚焦問題，因?yàn)槊總€(gè)液晶單元都是單獨(dú)開關(guān)的。這正是同樣一幅圖在LCD屏幕上為什么如此清晰的原因。LCD也不必關(guān)心刷新頻率和閃爍，液晶單元要么開，要么關(guān)，所以在40～60Hz這樣的低刷新頻率下顯示的圖像不會(huì)比75Hz下顯示的圖像更閃爍。不過，LCD屏的液晶單元會(huì)很容易出現(xiàn)暇疵。對(duì)1024×768的屏幕來說，每個(gè)像素都由三個(gè)單元構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)紅、綠和藍(lán)色的顯示一所以總共約需240萬個(gè)單元(1024×768×3＝2359296)。很難保證所有這些單元都完好無損。最有可能的是，其中一部分己經(jīng)短路(出現(xiàn)“亮點(diǎn)”)，或者斷路(出現(xiàn)“黑點(diǎn)”)。所以說，并不是如此高昂的顯示產(chǎn)品并不會(huì)出現(xiàn)瑕疵。23第二章電光信息轉(zhuǎn)換24第二章電光信息轉(zhuǎn)換25第二章電光信息轉(zhuǎn)換26第二章電光信息轉(zhuǎn)換27第二章電光信息轉(zhuǎn)換

扭曲向列型液晶顯示器”（TwistedNematicLiquidcrystaldisplay）,簡(jiǎn)稱“TN型液晶顯示器”。如圖所示。向列型液晶夾在兩片玻璃中間。這種玻璃的表面上先鍍有一層透明而導(dǎo)電的薄膜以作電極之用。這種薄膜通常是一種銦和錫的氧化物簡(jiǎn)稱ito。然后再在有ito的玻璃上鍍表面配向劑，以使液晶順著一個(gè)特定且平行于玻璃表面之方向排列。）中左邊玻璃使液晶排成上下的方向，右邊玻璃則使液晶排成垂直于圖面之方向。此組件中之液晶的自然狀態(tài)具有從左到右共的扭曲,這也是為什么被稱為扭曲型液晶顯示器的原因。利用電場(chǎng)可使液晶旋轉(zhuǎn)的原理，在兩電極上加上電壓則會(huì)使得液晶偏振化方向轉(zhuǎn)向與電場(chǎng)方向平行。因?yàn)橐簯B(tài)晶的折射率隨液晶的方向而改變，其結(jié)果是光經(jīng)過TN型液晶盒以后其偏振性會(huì)發(fā)生變化。1.扭曲向列型液晶顯示器28第二章電光信息轉(zhuǎn)換我們可以選擇適當(dāng)?shù)暮穸仁构獾钠窕较騽偤酶淖?。那么，我們就可利用兩個(gè)平行偏振片使得光完全不能通過。若外加足夠大的電壓Ｖ使得液晶方向轉(zhuǎn)成與電場(chǎng)方向平行，光的偏振性就不會(huì)改變。因此光可順利通過第二個(gè)偏光器。于是，我們可利用電的開關(guān)達(dá)到控制光的明暗。這樣會(huì)形成透光時(shí)為白、不透光時(shí)為黑，字符就可以顯示在屏幕上了。

29第二章電光信息轉(zhuǎn)換30第二章電光信息轉(zhuǎn)換31第二章電光信息轉(zhuǎn)換2.TFT型液晶顯示器的原理

采用兩夾層間填充液晶分子的設(shè)計(jì)。只是把左邊夾層的電極改為了FET晶體管，而右邊夾層的電極改為了共通電極。在光源設(shè)計(jì)上，TFT的顯示采用"背透式"照射方式，即假想的光源路徑不是像TN液晶那樣的從左至右，而是從右向左，這樣的作法是在液晶的背部設(shè)置了類似日光燈的光管。光源照射時(shí)先通過右偏振片向左透出，借助液晶分子來傳導(dǎo)光線。由于左右夾層的電極改成FET電極和共通電極，在FET電極導(dǎo)通時(shí)，液晶分子的表現(xiàn)如TN液晶的排列狀態(tài)一樣會(huì)發(fā)生改變，也通過遮光和透光來達(dá)到顯示的目的。但不同的是，由于FET晶體管具有電容效應(yīng)，能夠保持電位狀態(tài)，先前透光的液晶分子會(huì)一直保持這種狀態(tài)，直到FET電極下一次再加電改變其排列方式為止。相對(duì)而言，TN就沒有這個(gè)特性，液晶分子一旦沒有被施壓，立刻就返回原始狀態(tài)，這是TFT液晶和TN液晶顯示原理的最大不同。

32第二章電光信息轉(zhuǎn)換

（Polymerdispersedliquidcrystalliquidcrystaldisplay），簡(jiǎn)稱“PDLC型液晶顯示器”。這種顯示器的液晶組件構(gòu)造如圖所示。高分子的單體(monomer)與液晶混合后夾在兩片玻璃中間，做成一液晶盒。這種玻璃與上面所用的相同，是表面上先鍍有一層透明而導(dǎo)電的薄膜作電極。但是不需要在玻璃上鍍表面配向劑。此時(shí)將液晶盒放在紫外燈下照射使個(gè)單體連結(jié)成高分子聚合物。在高分子形成的同時(shí)，液晶與高分子分開而形成許多液晶小顆粒。這些小顆粒被高分子聚合物固定住。當(dāng)光照射在此液晶盒上，因折射率不同，而在顆粒表面處產(chǎn)生折射及反射。經(jīng)過多次反射與折射，就產(chǎn)生了散射。此液晶盒就像牛奶一樣呈現(xiàn)出不透明的乳白色。

3.高分子散布型液晶顯示器

33第二章電光信息轉(zhuǎn)換34第二章電光信息轉(zhuǎn)換

足夠大電壓加在液晶盒兩側(cè)的玻璃上﹐液晶順著電場(chǎng)方向排列，而使每顆液晶的排列均相同。對(duì)正面入射光而言，這些液晶有著相同的折射率n。如果我們可以選用的高分子材料的折射率與n相同，對(duì)光而言這些液晶顆粒與高分子材料是相同的；因而在液晶盒內(nèi)部沒有任何折射或反射的現(xiàn)象產(chǎn)生。此時(shí)的液晶盒就像透明的清水一樣。外界光線對(duì)液晶顯示屏幕具有非常大的干擾，一些LCD顯示屏，在外界光線比較強(qiáng)的時(shí)候，因?yàn)樗砻娴牟ＡО瀹a(chǎn)生反射，而干擾到它的正常顯示。因此在室外一些明亮的公共場(chǎng)所使用時(shí)其性能和可觀性會(huì)大大降低。目前很多LCD顯示器即使分辨率再高，其反射技術(shù)沒處理好，由此對(duì)實(shí)際工作中的應(yīng)用都是不實(shí)用的。單憑一些純粹的數(shù)據(jù)，其實(shí)是一種有偏差的去引導(dǎo)用戶的行為。而新款的LCD顯示器就采用的“低反射液晶顯示屏幕”技術(shù)就是在液晶顯示屏的最外層施以反射防止涂裝技術(shù)（ARcoat），有了這一層涂料，液晶顯示屏幕所發(fā)出的光澤感、液晶顯示屏幕本身的透光率、液晶顯示屏幕的分辨率、防止反射等這四個(gè)方面都但到了更好的改善。

35第二章電光信息轉(zhuǎn)換LCD控制驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與開發(fā)

對(duì)于液晶顯示屏，它通常包括玻璃基板、ITO(IndiumTinOxide)膜、配向膜、偏光板等制成的夾板，上下共有兩層。每個(gè)夾層都包含電極和配向膜上形成的溝槽，上下玻璃基板配向?yàn)?0度。上下夾層中放置液晶，液晶將按照溝槽方向配向。整體看起來，液晶分子的排列就像螺旋形的扭轉(zhuǎn)排列。當(dāng)玻璃基板加入電場(chǎng)時(shí)，液晶分子配列產(chǎn)生變化，變成豎立狀態(tài)。當(dāng)液晶分子豎立時(shí)光線無法通過，結(jié)果在顯示屏上出現(xiàn)黑色。液晶顯示器(LCD)將根據(jù)電壓的有無，控制液晶分子配列方向，使面板達(dá)到顯示效果。對(duì)LCD的分類，有各種分類方法。通?？砂凑掌滹@示方式分為段式、點(diǎn)字符式、點(diǎn)陣式等。除了黑白顯示外，還有多灰度和彩色顯示等。在LCD驅(qū)動(dòng)時(shí)，需在段電極和公共電極上施加交流電壓。若只在電極上施加DC電壓時(shí)，液晶本身發(fā)生劣化。液晶驅(qū)動(dòng)方式包括靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。36第二章電光信息轉(zhuǎn)換液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)一、各種驅(qū)動(dòng)電極的結(jié)構(gòu)

液晶顯示器驅(qū)動(dòng)用電極結(jié)構(gòu)及其用途：1、段電極，主要用于數(shù)字顯示、模擬圖形顯示；2、固定圖案電極，用于符號(hào)顯示、圖案顯示；3、矩陣電極，字符顯示、圖形顯示、電視畫面顯示。37第二章電光信息轉(zhuǎn)換在各種段電極中，典型的是圖2.3.3-1所示的7段圖2.3.3-1段電極的結(jié)構(gòu)段電極公共電極圖2.3.3-2為矩陣電極結(jié)構(gòu)示意圖，利用這種電極可以顯示任意圖案。圖2.3.3-2矩陣電極結(jié)構(gòu)示意圖

Y1Y2Y3Y4Y5…Ym信號(hào)（列）電極X1X2X3X4X5┇Xn掃描（行）電極38第二章電光信息轉(zhuǎn)換LCD控制驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與開發(fā)

在LCD驅(qū)動(dòng)時(shí)，需在段電極和公共電極上施加交流電壓。若只在電極上施加DC電壓時(shí)，液晶本身發(fā)生劣化。液晶驅(qū)動(dòng)方式包括靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。（1)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)所有的段都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路，表示段電極與公共電極之間連續(xù)施加電壓。它適合于簡(jiǎn)單控制的LCD。39第二章電光信息轉(zhuǎn)換40第二章電光信息轉(zhuǎn)換41第二章電光信息轉(zhuǎn)換根據(jù)此電信號(hào)，筆段波形不是與公用波形同相就是反相。同相時(shí)液晶上無電場(chǎng)，LCD處?kù)斗沁x通狀態(tài)。反相時(shí)，液晶上施加了一矩形波。當(dāng)矩形波的電壓比液晶閾值高很多時(shí)，LCD處?kù)哆x通狀態(tài)。圖3.靜態(tài)波形42第二章電光信息轉(zhuǎn)換·2、多路傳輸驅(qū)動(dòng)在多路數(shù)字顯示等場(chǎng)合，需采用多路傳輸驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式適合于比較多的段電極的情況，為分時(shí)驅(qū)動(dòng)或動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)數(shù)字位數(shù)，將公用電極分成12份，并且與順序排列的12個(gè)分時(shí)驅(qū)動(dòng)的定時(shí)器相配合。同時(shí)全體段電極按7組連線。只要對(duì)各個(gè)需要顯示的段電極進(jìn)行選擇性的驅(qū)動(dòng)。位電極(Xi)段電極(Yj)Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7X1X2X3┇X1243第二章電光信息轉(zhuǎn)換3、矩陣尋址驅(qū)動(dòng)把液晶顯示器上下基板上的電極做成條狀圖形，并相互正交構(gòu)成簡(jiǎn)單的矩陣型液晶。行列電極交叉點(diǎn)為顯示單元，稱為象素。按時(shí)間順序逐一給各行電極施加選通電壓即掃描電壓，選到某一行時(shí)各列電極同時(shí)施加相應(yīng)于該行的信號(hào)電壓，行電極選通一遍就顯示出一幀信息。

Y1Y2Y3Y4Y5…Ym信號(hào)（列）電極X1X2X3X4X5┇Xn掃描（行）電極設(shè)行電極數(shù)為N，每一行選通的時(shí)間只有一幀時(shí)間的1/N，稱1/N為該矩陣尋址的占空比。44第二章電光信息轉(zhuǎn)換4、有源矩陣驅(qū)動(dòng)

同步電路掃描電路

Y1Y2Y3

…YmX1X2X3┇Xm漏極母線柵極母線電容器液晶FET信號(hào)有源矩陣驅(qū)動(dòng)LCD的工作原理每個(gè)象素上都串入了一個(gè)三端器件(MOS場(chǎng)效應(yīng)管)。其柵極G接掃描電壓，漏極D接信號(hào)電壓，源極S接象素電極，與液晶象素串聯(lián)。液晶象素可以等效為一個(gè)電阻和一個(gè)電容并聯(lián)。1）當(dāng)掃描電壓加到G上時(shí)，D-S導(dǎo)通，信號(hào)電壓產(chǎn)生大的通態(tài)電流對(duì)電容充電2）當(dāng)掃描電壓移到下一行，D-S斷開，電容電壓通過電阻緩慢放電，只要選擇電阻率很高的液晶材料，可維持此后的一幀時(shí)間里電容上的電壓始終大于Vth45第二章電光信息轉(zhuǎn)換LCD上實(shí)現(xiàn)灰度

液晶的顯示效果，是由加在液晶上的有效電壓決定的。灰度（彩色）的實(shí)現(xiàn)有兩種方式，即PWM（脈寬調(diào)制）和FRC（幀率控制）。

PWM是在一次掃描時(shí)間內(nèi)分成若干個(gè)時(shí)間片，如16級(jí)灰度，就分成16個(gè)時(shí)間片，如果顯示5/16灰度，那么只有5/16的時(shí)間內(nèi)是有驅(qū)動(dòng)電壓的（對(duì)同一個(gè)點(diǎn)而言），最后的等效電壓就只有全黑的5/16了；FRC跟PWM類似，只是每個(gè)時(shí)間片變成了一幀，如顯示16級(jí)灰度，那么就要用16幀，顯示5/16的灰度，在16幀里只有5幀有驅(qū)動(dòng)電壓（對(duì)同一個(gè)點(diǎn)而言），最后的等效電壓就只有全黑的5/16了。PWM能產(chǎn)生最高的色彩表現(xiàn)度，由于切換頻率較高，故須耗用更多的電力。FRC耗用的電力較低，但在某些特殊畫面下卻會(huì)產(chǎn)生肉眼可見的抖動(dòng)，讓使用者產(chǎn)生不適的感覺。46第二章電光信息轉(zhuǎn)換LCD上實(shí)現(xiàn)灰度

FRC是以數(shù)幀畫面為一個(gè)時(shí)間單元，控制顯示像素選通的幀數(shù)來實(shí)現(xiàn)灰度控制。它是把若干幀合并為一個(gè)大單位，但這種方法會(huì)引起灰度級(jí)別的閃爍，要解決這個(gè)問題必須提高幀頻率，而液晶的響應(yīng)速度不會(huì)很高，因而用這種灰度調(diào)制方式不能顯示較高級(jí)別的灰度和較快的活動(dòng)圖像。PWM模式是在數(shù)據(jù)脈沖中劃出一個(gè)灰度調(diào)制脈沖，這個(gè)脈寬的寬度可以劃分為多個(gè)級(jí)別，不同的脈寬代表不同的灰度信息，從而使被選通的像素實(shí)現(xiàn)不同的灰度級(jí)別。由于液晶對(duì)過窄脈沖不能響應(yīng)，所以一般不能用來產(chǎn)生較高的灰度級(jí)別。從上面的分析可以看出這兩種方法單獨(dú)使用都不能產(chǎn)生較高的灰度級(jí)別，所以在整個(gè)芯片的灰度實(shí)現(xiàn)時(shí)采用兩者相結(jié)合的方式。47第二章電光信息轉(zhuǎn)換LCD上實(shí)現(xiàn)灰度

一般對(duì)于4級(jí)以上的灰度，是采用PWM＋FRC結(jié)合的方式。因?yàn)榛叶仍礁?，采用PWM需要的頻率就越高，如16級(jí)灰度，320行，刷新率60HZ，需要16x320x60=307200Hz。頻率越高，IC的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，而穩(wěn)定性越差，功耗也越大；而采用FRC，灰度級(jí)越多，一個(gè)周期需要的幀數(shù)越多，如16級(jí)灰度需要16幀，刷新率60Hz時(shí)每秒鐘不到4個(gè)周期，這樣看起來就會(huì)有閃爍，所以就得提高刷新率，這同樣要提高頻率，增加功耗，同時(shí)還要提高液晶的反應(yīng)速度，而液晶的反應(yīng)速度總是有限的，且提高速度會(huì)大大增加液晶的成本。如果采用PWM＋FRC，可以用2-bit（即4級(jí)）PWM和2-bit（4幀）FRC或者3-bit（8級(jí)）PWM和1-bit（2幀）FRC，這樣就就能很好解決這些問題，彌補(bǔ)各自的不足。至于彩色，跟灰度是一樣的，只是三基色的調(diào)配而已，如3-3-2方式的256色，只是RGB三個(gè)顏色的灰度分別是8，8，4而已48第二章電光信息轉(zhuǎn)換49第二章電光信息轉(zhuǎn)換50第二章電光信息轉(zhuǎn)換§2.3.4液晶顯示器的特點(diǎn)及應(yīng)用

LCD的優(yōu)點(diǎn)有：由于低功耗（幾微瓦~幾十微瓦/平方厘米），利用電池即可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，為節(jié)能型顯示器。低電壓運(yùn)行（幾十伏），可由IC直接驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路小型、簡(jiǎn)單。元件為薄型（幾毫米），而且從大型顯示（對(duì)角線長(zhǎng)幾十厘米）到小型顯示（對(duì)角線長(zhǎng)幾毫米）都可滿足，特別適用于便攜式裝置。屬于非主動(dòng)發(fā)光型顯示，即使在明亮的環(huán)境，顯示也是鮮明的。容易實(shí)現(xiàn)彩色顯示，因此便于顯示功能的擴(kuò)大及顯示的多樣化?？梢赃M(jìn)行投影顯示及組合顯示，因此容易實(shí)現(xiàn)大畫面（對(duì)角線為數(shù)米）顯示。51第二章電光信息轉(zhuǎn)換LCD的缺點(diǎn)：由于屬于非主動(dòng)發(fā)光型，在采用反射方式時(shí)，在比較暗的場(chǎng)所，顯示不夠鮮明。在需要鮮明的顯示及彩色顯示的場(chǎng)合，需要背景光。顯示對(duì)比度與觀察方向有關(guān)，視角受到限制。響應(yīng)時(shí)間與環(huán)境溫度有關(guān)，低溫（-30℃~-40℃）時(shí)工作不能充分保證52第二章電光信息轉(zhuǎn)換(a)層列(smectic)液晶

(b)向列(nematic)液晶(c)膽甾相(cholesteric)液晶三種液晶相的分子排列結(jié)構(gòu)液晶物質(zhì)大多數(shù)為有機(jī)化合物。按分子排列狀態(tài)；

粘連度高粘連度小液晶成螺旋53第二章電光信息轉(zhuǎn)換·層列液晶中的棒狀分子排列成層狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成分子相互平行排列，與層面近似垂直。這種分子層的結(jié)合較弱，層與層之間易于相互滑動(dòng)。其顯示出二維液體的性質(zhì)，粘連度高。

向列液晶的棒狀分子都以相同的方式平行排列，每個(gè)分子在長(zhǎng)軸方向可以比較自由地移動(dòng)。因此，富于流動(dòng)性粘度較小。三種液晶相的分子排列結(jié)構(gòu)液晶物質(zhì)大多數(shù)為有機(jī)化合物。按分子排列狀態(tài)；

54第二章電光信息轉(zhuǎn)換·(c)膽甾相液晶

膽甾相液晶與層列液晶一樣形成層狀結(jié)構(gòu)，分子長(zhǎng)軸在層面內(nèi)與向列液晶相似成平行排列。但相鄰層面間分子長(zhǎng)軸的取向方位多少有些差別，整個(gè)液晶形成螺旋結(jié)構(gòu)。而液晶的各種光學(xué)性質(zhì)如旋光性等等都是基于這種螺旋結(jié)構(gòu)。55第二章電光信息轉(zhuǎn)換·3、液晶與顯示

液晶分子的排列結(jié)構(gòu)并不象晶體結(jié)構(gòu)那樣堅(jiān)固，因此在電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等外部刺激的影響下，其分子容易發(fā)生再排列。由此液晶的各種光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。液晶所具有的這種柔軟的分子排列正是其用于顯示器件、光電器件、傳感器等的基礎(chǔ)。在用于液晶顯示的情況下，液晶的特定的初始分子排列在電壓以及熱的作用下，其分子排列發(fā)生變化。伴隨這種分子排列的變化，液晶盒的雙折射性、旋光性、光散射性等各種光學(xué)性質(zhì)的變化可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X變化，即液晶顯示是利用液晶盒的光變換進(jìn)行顯示，屬于非主動(dòng)發(fā)光型（受光型）顯示。56第二章電光信息轉(zhuǎn)換·二、液晶的物理性能

液晶物質(zhì)的折射率，介電常數(shù)，磁化率，電導(dǎo)率，粘度等各種物理性質(zhì)，在液晶分子的長(zhǎng)軸方向（∥）和與其垂直的方向（⊥）有很大的不同，即存在各向異性。液晶分子的排列的有序程度直接決定其各向異性（，，，，）。液晶分子xyazonθ2.3.1-2液晶方向與分子取向的空間關(guān)系

參照?qǐng)D2.3.1-2（圖中n為著眼于全體液晶分子時(shí)，分子長(zhǎng)軸的擇優(yōu)取向方向的單位矢量），液晶分子排列的有序程度，由下式所定義的分子排列的有序化參數(shù)來表征57第二章電光信息轉(zhuǎn)換·2、折射率的各向異性液晶具有與光學(xué)單軸性晶體同樣的各向異性折射率，顯示出雙折射性。單軸性晶體具有兩個(gè)不相同的主折射率no和ne。對(duì)于向列液晶和層列液晶，液晶取向n的方向相當(dāng)于單軸晶體的光軸，因此，對(duì)于與取向n分別呈垂直和呈平行關(guān)系的振動(dòng)光的折射率取，而且，其折射率的各向異性可由下式給出nne=n//no=n┴光軸(a)層列液晶和向列液晶(光學(xué)正液晶)這兩種液晶三維空間的折射率如圖所示。向列液晶和層列液晶稱為光學(xué)正液晶。

58第二章電光信息轉(zhuǎn)換·在膽甾相液晶的情況下，與取向n垂直的螺旋軸相當(dāng)于光軸，其主折射率no，ne可由下式給出膽甾相液晶稱為光學(xué)負(fù)液晶。對(duì)于通常光和異常光，其折射率大小的空間分布如圖所示。螺旋軸ne=n┴光軸(b)膽甾相液晶(光學(xué)負(fù)液晶)59第二章電光信息轉(zhuǎn)換·(1)光的行進(jìn)方向會(huì)偏向取向（分子長(zhǎng)軸）的方向；3、各種光學(xué)性質(zhì)基于折射率的各向異性，液晶具有以下光學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)是LCD工作原理的基礎(chǔ)。(2)偏光的狀態(tài)及偏光的振動(dòng)方向會(huì)發(fā)生變化；(3)

根據(jù)入射偏光的左、右旋光性，可使其反射或透射。nne=n//no=n┴光軸解釋：光速v∥=c/n⊥v⊥=c/n∥而n∥＞n⊥v∥＞v⊥60第二章電光信息轉(zhuǎn)換·入射直線偏光xyznθ液晶偏光方向θθ=0θ=π/4θ=π/2圖2.3.1-4入射直線偏光在液晶中偏光狀態(tài)及偏光方向的變化偏光的狀態(tài)及偏光的振動(dòng)方向的變化61第二章電光信息轉(zhuǎn)換·三、扭曲向列型顯示原理在透明電極基板間充入10um厚的列向液晶，構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，使液晶分子的長(zhǎng)軸在基板間發(fā)生90度的連續(xù)扭曲，制成扭曲列向(TN)排列的液晶盒。這種液晶盒具有使平行偏振間的光遮斷，而使垂直偏振片間的光透過的功能。當(dāng)對(duì)這種排列液晶施加電壓時(shí)，使90度的旋光消失。與沒有加電的情況相反。液晶盒具有使平行偏振間的光透過，而使垂直偏振片間的光遮斷的功能。62第二章電光信息轉(zhuǎn)換·三、扭曲向列型顯示原理1）圖表示在垂直偏振片間設(shè)置TN排列液晶盒的場(chǎng)合，基于電氣光學(xué)效應(yīng)，TN型顯示方式的原理。在這種情況下，不施加電壓時(shí)使光透過，而施加電壓時(shí)使光遮斷。在平行偏振片間，這種光的透過或遮斷關(guān)系是可逆的。目前廣泛普及的LCD的一種就是基于這種TN方式，在白的背景下可以顯示黑，在黑的背景下可以顯示白。

(a)未施加電壓時(shí)入射光偏振片偏振片光透過TN排列盒入射光偏振片偏振片光遮斷TN排列盒

(b)施加電壓時(shí)63第二章電光信息轉(zhuǎn)換

§2.3.2液晶顯示器的構(gòu)造

圖2.3.2-1為用于儀表數(shù)字顯示的反射式TN型LCD的端面結(jié)構(gòu)。

圖2.3.2-1反射式TN型LCD的端面結(jié)構(gòu)

玻璃基板透明電極外周封接劑分子取向?qū)悠衿衿肿尤∠驅(qū)右壕该麟姌O

玻璃基板

反射板64第二章電光信息轉(zhuǎn)換透射型LCD需要附加背面照明光源。而且，對(duì)于彩色顯示LCD，一般要在透明電極與玻璃基板之間增設(shè)多色濾波器層。透明電極基板可以采用涂覆有氧化銦及氧化錫透明導(dǎo)電膜的玻璃板、塑料片或塑料膜。一般要求其透光率在90%以上，表面電阻從10Ω到數(shù)百歐姆。封接材料一般使用熱硬化性環(huán)氧樹脂封接劑，但對(duì)可靠性要求特別高的場(chǎng)合，也有時(shí)采用玻璃封接劑等。大部分LCD所必需的偏振片，是用碘及二色性染料染色的延伸聚乙烯醇膜與醋酸纖維素保護(hù)膜做成的夾層結(jié)構(gòu)，且多為片狀，其透光率為40%~50%，偏光度一般為98%左右。而且，光反射板與偏振片往往做成一體結(jié)構(gòu)。65第二章電光信息轉(zhuǎn)換§2.3.3液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)一、各種驅(qū)動(dòng)電極的結(jié)構(gòu)

液晶顯示器驅(qū)動(dòng)用電極結(jié)構(gòu)及其用途：1、段電極，主要用于數(shù)字顯示、模擬圖形顯示；2、固定圖案電極，用于符號(hào)顯示、圖案顯示；3、矩陣電極，字符顯示、圖形顯示、電視畫面顯示。66第二章電光信息轉(zhuǎn)換在各種段電極中，典型的是圖2.3.3-1所示的7段圖2.3.3-1段電極的結(jié)構(gòu)段電極公共電極圖2.3.3-2為矩陣電極結(jié)構(gòu)示意圖，利用這種電極可以顯示任意圖案。圖2.3.3-2矩陣電極結(jié)構(gòu)示意圖

Y1Y2Y3Y4Y5…Ym信號(hào)（列）電極X1X2X3X4X5┇Xn掃描（行）電極67第二章電光信息轉(zhuǎn)換·三、驅(qū)動(dòng)方式

段段

OFF顯示(ON)非顯示(OFF)ON公共電極驅(qū)動(dòng)波形段電極驅(qū)動(dòng)波形施加在液晶上的電壓波形V0V0V0-V靜態(tài)驅(qū)動(dòng)波形的實(shí)例1、靜態(tài)驅(qū)動(dòng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指在需要顯示的時(shí)間里對(duì)要顯示的各個(gè)段電極分別、且同時(shí)加上驅(qū)動(dòng)電壓，直到不需要顯示的時(shí)刻為止的驅(qū)動(dòng)方法。因此全體段電極中的每一個(gè)電極都需要有各自獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路元件，在顯示期間，