1、第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术v3.1液晶概述液晶概述 3.1.1液晶的晶相液晶的晶相 3.1.2液晶的物理性质液晶的物理性质 3.1.3液晶的电气光学效应液晶的电气光学效应 v3.2 液晶显示器件液晶显示器件 3.2.1 液晶显示器件的构造液晶显示器件的构造 3.2.2 液晶显示器件的显像原理液晶显示器件的显像原理 3.2.3 液晶显示器件的分类液晶显示器件的分类 3.2.4 液晶显示器件的驱动液晶显示器件的驱动v3.3 液晶显示器的技术参数、特点及发展史液晶显示器的技术参数、特点及发展史 3.3.1 液晶显示器件的技术参数液晶显示器件的技术参数 3.3.2 液晶显示器件的特点液晶显示
2、器件的特点 3.3.3 液晶显示技术的发展史液晶显示技术的发展史v习题三习题三光 电 显 示 技 术 液晶显示器件（液晶显示器件（Liquid Crystal Display，LCD）的主要构成材料为液晶。液晶是指在某一）的主要构成材料为液晶。液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，同时又具有光学双折射性的晶体。液晶物质在熔同时又具有光学双折射性的晶体。液晶物质在熔融温度首先变为不透明的浑浊液体，此后通过进融温度首先变为不透明的浑浊液体，此后通过进一步的升温继续转变为透明液体。因此液晶包括一步的升温继续转变为透明液体。因此液晶包括两种含
3、义：两种含义：其一其一: 是指处于固体相和液体相中间状态的液晶相是指处于固体相和液体相中间状态的液晶相其二：是指具有上述液晶相的物质其二：是指具有上述液晶相的物质。 第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术液晶的分子排列结构并不液晶的分子排列结构并不像晶体结构那样坚固，因像晶体结构那样坚固，因此在磁场、温度、应力等此在磁场、温度、应力等外部刺激下，其分子容易外部刺激下，其分子容易发生再排列，液晶的各种发生再排列，液晶的各种光学性质会发生变化。光学性质会发生变化。 图图3.1 液晶与其固态、液态分子排列对比液晶与其固态、液态分子排列对比 液晶所具有的这种柔软的分
4、子排列正是其液晶所具有的这种柔软的分子排列正是其用于显示器件、光电器件、传感器件的基础。用于显示器件、光电器件、传感器件的基础。在用于液晶显示的情下，液晶这种特定的初始在用于液晶显示的情下，液晶这种特定的初始分子排列，在电压及热的作用下发生有别于其分子排列，在电压及热的作用下发生有别于其它分子排列的变化。伴随这种排列的变化，液它分子排列的变化。伴随这种排列的变化，液晶的双折射性、旋旋光性、二色性、光散射性、晶的双折射性、旋旋光性、二色性、光散射性、旋光分散等各种光学性质的变化可转变为视觉旋光分散等各种光学性质的变化可转变为视觉变化，实现图像和数字的显示。变化，实现图像和数字的显示。 液晶显示是
5、利用液晶的光变化进行显示，液晶显示是利用液晶的光变化进行显示，属于非主动发光型显示。属于非主动发光型显示。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术3.1.1 液晶的晶相液晶的晶相1. 液晶的分类液晶的分类 液晶是白色浑浊的黏性液体，其分子形状液晶是白色浑浊的黏性液体，其分子形状为棒状（如图所示）。从成分和出现液晶相为棒状（如图所示）。从成分和出现液晶相的物理条件进行归纳分类，液晶可以分为溶的物理条件进行归纳分类，液晶可以分为溶致液晶和热致液晶两大类。致液晶和热致液晶两大类。 第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 （1）溶致液晶：有些材料在溶剂中，处于一定）溶致液晶：有些材料在溶剂中，处于一定的浓度
6、区间时便会产生液晶，这类液晶称之为溶致的浓度区间时便会产生液晶，这类液晶称之为溶致液晶。液晶。 （2）热致液晶：把某些有机物加热熔解，由于）热致液晶：把某些有机物加热熔解，由于加热破坏了结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。加热破坏了结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。 热致型液晶又根据液晶晶相可分为热致型液晶又根据液晶晶相可分为3大类：向大类：向列型、近晶型和胆甾型。列型、近晶型和胆甾型。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术2. 液晶的晶相液晶的晶相 常见液晶的晶相有向列相（常见液晶的晶相有向列相（nematic）、胆甾）、胆甾相（相（cholesteric）和近晶相（）和近晶相（smectic）
7、等。）等。图图3.3 3种常见液晶相种常见液晶相第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术（1）向列相）向列相 向列相亦称丝状相。它由长、径比很大的棒状分子组成。向列相亦称丝状相。它由长、径比很大的棒状分子组成。分子大致平行排列，质心位置杂乱无序，具有类似于普通分子大致平行排列，质心位置杂乱无序，具有类似于普通液体的流动性。液体的流动性。特点：特点：l向列液晶由于其液晶分子重心杂乱无序，并可在三维范围向列液晶由于其液晶分子重心杂乱无序，并可在三维范围内移动，表现出液体的特征内移动，表现出液体的特征可流动性。可流动性。l所有分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有单轴所有分子的长轴大体指向一个方向，
8、使向列液晶具有单轴晶体的光学特性（折射系数，沿着及垂直于这个有序排列晶体的光学特性（折射系数，沿着及垂直于这个有序排列的方向而不同），一般是单轴正性。的方向而不同），一般是单轴正性。l而在电学上又具有明显的介电各向异性，而在电学上又具有明显的介电各向异性，l由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动且分由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动且分子的排列和运动比较自由，致使向列相液晶具有的黏度小、子的排列和运动比较自由，致使向列相液晶具有的黏度小、富于流动性、对外界作用相当敏感等特点。富于流动性、对外界作用相当敏感等特点。 第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术（2）胆甾相）胆甾相 胆
9、甾相亦称螺旋相。它可看作是由向列相平面重叠而胆甾相亦称螺旋相。它可看作是由向列相平面重叠而成的，一个平面内的分子互相平行，逐次平面的分子方向成的，一个平面内的分子互相平行，逐次平面的分子方向成螺旋式（螺距约成螺旋式（螺距约3000 ），与可见光波长同数量级。），与可见光波长同数量级。特点：特点：v光学上一般是单轴负性。光学上一般是单轴负性。v向列相液晶与胆甾相液晶可以互相转换，在向列相液晶中向列相液晶与胆甾相液晶可以互相转换，在向列相液晶中加入旋光材料，会形成胆甾相，在胆甾相液晶中加入消旋加入旋光材料，会形成胆甾相，在胆甾相液晶中加入消旋光向列相材料，能将胆甾相转变成向列相。光向列相材料，能将
10、胆甾相转变成向列相。v胆甾相液晶在显示技术中很有用，扭曲向列（胆甾相液晶在显示技术中很有用，扭曲向列（twisted nematic，TN）、超扭曲向列（）、超扭曲向列（Super Twisted Nematic，STN）、相变（）、相变（phase change，PC）显示都是在向列相）显示都是在向列相液晶中加入不同比例的胆甾相液晶而获得的液晶中加入不同比例的胆甾相液晶而获得的 。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术（3）近晶相：近晶相亦称层状相或脂状相。它的分子分层排列，层内）近晶相：近晶相亦称层状相或脂状相。它的分子分层排列，层内分子互相平行，其方向可以是垂直于层面，或与层面倾斜，层内分
11、分子互相平行，其方向可以是垂直于层面，或与层面倾斜，层内分子质心可以无序、能自由平移、似液体；或有序呈二维点阵。分子子质心可以无序、能自由平移、似液体；或有序呈二维点阵。分子层与层之间的相关程度在不同的相中有强有弱。手征性分子化合物层与层之间的相关程度在不同的相中有强有弱。手征性分子化合物则可以以扭曲的螺旋片层状出现，非扭曲型近晶相依其发现先后，则可以以扭曲的螺旋片层状出现，非扭曲型近晶相依其发现先后，以以A、B、C等命名等命名 ，如图，如图3.4所示。近晶相因为它的高度有序性，所示。近晶相因为它的高度有序性，经常出现在较低温的范例内。近晶液晶黏度大，分子不易转动，即经常出现在较低温的范例内。
12、近晶液晶黏度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不宜作显示器件。响应速度慢，一般不宜作显示器件。图图3.4 近晶相示意图近晶相示意图A相的分子与层面垂直，层内分子质心相的分子与层面垂直，层内分子质心无序，像二维流体。层厚约等于或略无序，像二维流体。层厚约等于或略小于分子长度。含氰基（小于分子长度。含氰基（CN）化合）化合物的物的A相可能出现双分子层结构，为相可能出现双分子层结构，为1.22m。 B相，片层内的分子质心排列成面心六角形，相，片层内的分子质心排列成面心六角形，分子垂直于层面，片层之间的关联随材料不分子垂直于层面，片层之间的关联随材料不同各有强弱，同各有强弱，B相在光学上是单轴正性相
13、在光学上是单轴正性 C相与相与A相在结构上唯一不同之处是分子相在结构上唯一不同之处是分子与层面倾斜，倾角各层相同并互相平行，与层面倾斜，倾角各层相同并互相平行，因此因此C相在光学上是双轴的。相在光学上是双轴的。C相由手性相由手性分子组成，与分子组成，与A相类似，不同的是分子在相类似，不同的是分子在层面上的投影像胆甾相那样呈螺旋状变层面上的投影像胆甾相那样呈螺旋状变化，光学上是单轴正性。对称性允许化，光学上是单轴正性。对称性允许C相相出现与分子垂直而与层面平行的自发极出现与分子垂直而与层面平行的自发极化矢量，这就是铁电性液晶（化矢量，这就是铁电性液晶（1975年年R.B.迈耶等首次合成）迈耶等首
14、次合成） 第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术v长形分子除上述长形分子除上述3大类结构外，还有光学上各向异性的大类结构外，还有光学上各向异性的D相，由若干相，由若干分子为一组的单元所构成的体心立方结构。分子为一组的单元所构成的体心立方结构。1977年，印度年，印度S.Chandrasekhar等合成了盘形分子液晶。这些分子均具有一个扁等合成了盘形分子液晶。这些分子均具有一个扁平的圆形或椭圆形刚性中心部分，周围有长而柔软的脂肪族链。盘平的圆形或椭圆形刚性中心部分，周围有长而柔软的脂肪族链。盘形分子液晶具有向列相、胆甾相和柱状相形分子液晶具有向列相、胆甾相和柱状相3类结构。盘形分子的向类结构。盘形
15、分子的向列相和胆甾相与上述长形分子相似，只需把长形分子的长棒轴用盘列相和胆甾相与上述长形分子相似，只需把长形分子的长棒轴用盘形分子的法向轴代替即可。柱状相是盘形分子所特有的结构，盘形形分子的法向轴代替即可。柱状相是盘形分子所特有的结构，盘形分子在柱状相中堆积成柱，在同一柱中分子间隔可以是规则有序的，分子在柱状相中堆积成柱，在同一柱中分子间隔可以是规则有序的，当然，柱状相也可以是不规则无序的，不同柱内的分子质心位置无当然，柱状相也可以是不规则无序的，不同柱内的分子质心位置无相关性。各分子柱可以排列成六角形或长方形，如图相关性。各分子柱可以排列成六角形或长方形，如图3.5所示。所示。图图3.5 柱
16、状相液晶柱状相液晶第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术v长形和盘形分子构成的液晶的各向异性与分子本身的不对长形和盘形分子构成的液晶的各向异性与分子本身的不对称形状有关。这些液晶的基本性质，绝大部分可以通过无称形状有关。这些液晶的基本性质，绝大部分可以通过无体积的一维或二维分子模型来描述。体积的一维或二维分子模型来描述。 v相变序列改变温度时，长形分子各液晶相之间的转变序列相变序列改变温度时，长形分子各液晶相之间的转变序列可以有两种（冷却时由右至左）：可以有两种（冷却时由右至左）： 1）X-H（H ）-G-F（F ）-I-B-C（C ）-A-N（N -B -B ）-I。 2）X-E-B-A-N-
17、I。 H（H ）等表示）等表示H或或H ，X和和I分别代表晶体和各向同性液分别代表晶体和各向同性液体。当然，特殊的液晶化合物并不一定具有上述所有的相。体。当然，特殊的液晶化合物并不一定具有上述所有的相。上面的序列只是表明这些相如有出现则以这种顺序。如表上面的序列只是表明这些相如有出现则以这种顺序。如表3.1所示的长形分子的液晶相结构及相变序列。所示的长形分子的液晶相结构及相变序列。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术表表3.1 长形分子的液晶相结构及其相变序列长形分子的液晶相结构及其相变序列第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术3.1.2 液晶的物理性质液晶的物理性质v液晶受扰动时，分子取向有恢
18、复平行排列的能力，称为液晶受扰动时，分子取向有恢复平行排列的能力，称为曲率弹性，弹性常数一般很小。向列相和胆甾相的分子曲率弹性，弹性常数一般很小。向列相和胆甾相的分子取向改变有取向改变有3种形式：展曲、扭曲、弯曲。近晶相发生种形式：展曲、扭曲、弯曲。近晶相发生形变时，层厚保持不变，只有展曲和层面位移引起的混形变时，层厚保持不变，只有展曲和层面位移引起的混合弹性。合弹性。v液晶既是抗磁体，又是介电材料，介电各向异性依材料液晶既是抗磁体，又是介电材料，介电各向异性依材料而定，并与频率有关。液晶分子受外电场或磁场影响容而定，并与频率有关。液晶分子受外电场或磁场影响容易改变取向。易改变取向。第第3章章
19、 液晶显示技术液晶显示技术譬如，把胆甾相放在与螺距相垂直的外磁场中，磁譬如，把胆甾相放在与螺距相垂直的外磁场中，磁场达到数千高斯即可使螺距成为无穷大，胆甾相变场达到数千高斯即可使螺距成为无穷大，胆甾相变为向列相。液晶发生展曲或弯曲时，会产生极化甚为向列相。液晶发生展曲或弯曲时，会产生极化甚至产生空间电荷，这是由于形变使分子的电偶极矩至产生空间电荷，这是由于形变使分子的电偶极矩不再相互抵消，这种现象称为挠曲电效应。不再相互抵消，这种现象称为挠曲电效应。v 液晶是非线性光学材料，具有双折射性质。液晶是非线性光学材料，具有双折射性质。v液晶的缺陷有位错和向（斜）错两种，后者是由于分子液晶的缺陷有位错
20、和向（斜）错两种，后者是由于分子取向发生不连续变化引起的，向列相只有点向错和线向取向发生不连续变化引起的，向列相只有点向错和线向错；胆甾相可以有位错和向错。液晶缺陷的研究导致了错；胆甾相可以有位错和向错。液晶缺陷的研究导致了对有序结构奇异性的拓扑分类。对有序结构奇异性的拓扑分类。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术3.1.3 液晶的电气光学效应液晶的电气光学效应 液晶的特性与结构介于固态晶体与各向同性液液晶的特性与结构介于固态晶体与各向同性液体之间，是有序性的流体。从宏观物理性质看，它体之间，是有序性的流体。从宏观物理性质看，它既具有液体的流动性、黏滞性，又具有晶体的各向既具有液体的流动性、黏
21、滞性，又具有晶体的各向异性，能像晶体一样发生双折射、布拉格反射、衍异性，能像晶体一样发生双折射、布拉格反射、衍射及旋光效应，也能在外场作用（如电、磁场作用）射及旋光效应，也能在外场作用（如电、磁场作用）下产生热光、电光或磁光效应。液晶分子在某种排下产生热光、电光或磁光效应。液晶分子在某种排列状态下，通过施加电场，将向着其它排列状态变列状态下，通过施加电场，将向着其它排列状态变化，液晶的光学性质也随之变化。这种通过电学方化，液晶的光学性质也随之变化。这种通过电学方法，产生光变化的现象称为液晶的电气光学效应，法，产生光变化的现象称为液晶的电气光学效应，简称电光效应（简称电光效应（Electro-O
22、ptic Effect）。）。 液晶的电光效应主要包括以下几种液晶的电光效应主要包括以下几种: 1）液晶的双折射现象：液晶会像晶体那样，）液晶的双折射现象：液晶会像晶体那样，因折射率的各向异性而发生双折射现象，从因折射率的各向异性而发生双折射现象，从而呈现出许多有用的光学性质：而呈现出许多有用的光学性质：能使入射光能使入射光的前进方向偏于分子长轴方向；能够改变入的前进方向偏于分子长轴方向；能够改变入射光的偏振状态或方向；能使入射偏振光以射光的偏振状态或方向；能使入射偏振光以左旋光或右旋光进行反射或透射。左旋光或右旋光进行反射或透射。这些光学这些光学性质，都是液晶能作为显示材料应用的重要性质，都
23、是液晶能作为显示材料应用的重要原因原因 . 第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 2）电控双折射效应：）电控双折射效应：对液晶施加电场，使液晶的排列对液晶施加电场，使液晶的排列方向发生变化，因为排列方向的改变，按照一定的偏振方向发生变化，因为排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双折射现象。方向入射的光，将在液晶中发生双折射现象。这一效应这一效应说明，液晶的光轴可以由外电场改变，光轴的倾斜随电说明，液晶的光轴可以由外电场改变，光轴的倾斜随电场的变化而变化，因而两双折射光束间的相位差也随之场的变化而变化，因而两双折射光束间的相位差也随之变化，当入射光为复色光时，出射光的颜色也
24、随之变化。变化，当入射光为复色光时，出射光的颜色也随之变化。因此液晶具有比晶体灵活多变的电旋光性质。因此液晶具有比晶体灵活多变的电旋光性质。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 3）动态散射：当在液晶两极加电压驱动时，由于电光）动态散射：当在液晶两极加电压驱动时，由于电光效应，液晶将产生不稳定性，透明的液晶会出现一排排均匀效应，液晶将产生不稳定性，透明的液晶会出现一排排均匀的黑条纹，这些平行条纹彼此间隔数的黑条纹，这些平行条纹彼此间隔数10 m，可以用作光栅。，可以用作光栅。进一步提高电压，液晶不稳定性加强，出现湍流，从而产生进一步提高电压，液晶不稳定性加强，出现湍流，从而产生强烈的光散射，透
25、明的液晶变得混浊不透明。断电后液晶又强烈的光散射，透明的液晶变得混浊不透明。断电后液晶又恢复了透明状态，这就是液晶的动态散射（恢复了透明状态，这就是液晶的动态散射（dynamic scattering）。液晶材料的动态散射是制造显示器件的重要）。液晶材料的动态散射是制造显示器件的重要依据。依据。 4）旋光效应：在液晶盒中充入向列型液晶，把两玻）旋光效应：在液晶盒中充入向列型液晶，把两玻璃片绕在与它们互相垂直的轴相扭转璃片绕在与它们互相垂直的轴相扭转90，向列型液晶，向列型液晶的内部就发生了扭曲，这样就形成了一个具有扭曲排列的内部就发生了扭曲，这样就形成了一个具有扭曲排列的向列型液晶的液晶盒。在
26、这样的液晶盒前、后放置起的向列型液晶的液晶盒。在这样的液晶盒前、后放置起偏振片和检偏器，并使其偏振化方向平行，在不施加电偏振片和检偏器，并使其偏振化方向平行，在不施加电场时，让一束白光射入，液晶盒会使入射光的偏振光轴场时，让一束白光射入，液晶盒会使入射光的偏振光轴顺从液晶分子的扭曲而旋转顺从液晶分子的扭曲而旋转90。 5）宾主效应：将二向色性染料掺入液晶中，并均匀混）宾主效应：将二向色性染料掺入液晶中，并均匀混合起来，处在液晶分子中的染料分子将顺着液晶指向矢合起来，处在液晶分子中的染料分子将顺着液晶指向矢量方向排列。在电压为零时，染料分子与液晶分子都平量方向排列。在电压为零时，染料分子与液晶分
27、子都平行于基片排列，对可见光有一个吸收峰，当电压达到某行于基片排列，对可见光有一个吸收峰，当电压达到某一值时，吸收峰值大为降低，使透射光的光谱发生变化。一值时，吸收峰值大为降低，使透射光的光谱发生变化。可见，加外电场就能改变液晶盒的颜色，从而实现彩色可见，加外电场就能改变液晶盒的颜色，从而实现彩色显示。由于染料少，且以液晶方向为准，所以染料为显示。由于染料少，且以液晶方向为准，所以染料为“宾宾”，液晶则为，液晶则为“主主”，因此得名，因此得名“宾主（宾主（guest-host，G-H）”效应。效应。 电控双折射、旋光效应都可以应用于彩色显示的实电控双折射、旋光效应都可以应用于彩色显示的实现。现
28、。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术3.2 液晶显示器件液晶显示器件3.2.1 液晶显示器件的构造液晶显示器件的构造图图3.6 典型典型LCD结构截面结构截面将设有透明电极的两块玻璃基板用环氧类黏合剂以46 m间隙进行封合，并把液晶封入其中而成，与液晶相接的玻璃基板表面有使液晶分子取向的膜。如果是彩色显示，在一侧的玻璃基板内面与像素相对应，设有由三基色形成的微彩色滤光片。 第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 LCD是非发光型的。其特点是视感舒适，而且是是非发光型的。其特点是视感舒适，而且是很紧凑的平板型。很紧凑的平板型。 LCD的驱动由于模式的不同而多的驱动由于模式的不同而多少有点区别，但
29、都有以下特点：少有点区别，但都有以下特点：v（1）是具有电学双向性的高电阻、电容性器件，）是具有电学双向性的高电阻、电容性器件，其驱动电压是交流的。其驱动电压是交流的。v（2）在没有频率相依性的区域，对于施加电压的）在没有频率相依性的区域，对于施加电压的有效值响应（铁电液晶除外）。有效值响应（铁电液晶除外）。v（3）是低电压、低功耗工作型，）是低电压、低功耗工作型，CMOS驱动也是驱动也是可以的。可以的。v（4）器件特性以及液晶物理性质常数的温度系数）器件特性以及液晶物理性质常数的温度系数比较大，响应速度在低温下较慢。比较大，响应速度在低温下较慢。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术3.2.2
30、 液晶显示器件的显像原理液晶显示器件的显像原理v1. 液晶的基本显示原理液晶的基本显示原理 液晶的物理特性是：当通电时导通，排列液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混变得有序，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，从技术上说，液晶面板包含了两让光线穿透，从技术上说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，中间夹着一层液片相当精致的无钠玻璃素材，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排晶。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
31、束顺站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。利通过。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术v（1）单色液晶显示器的原理）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（相交成上的槽互相垂直（相交成90）。也就是说，若一个平面上的分子南）。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分子被强迫进入一种90扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向扭转的状态。由于光线顺着分子的排
32、列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转传播，所以光线经过液晶时也被扭转90。但当液晶上加一个电压时，。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。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。图图3.7 光线穿透示意图光线穿透示意图第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光器构成，所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两个滤光器之间充满了扭曲液晶，所以
33、在光线穿出第一个滤光器后，会被液晶分子扭转光器后，会被液晶分子扭转90，最后从第二个滤光器中穿，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，完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光器挡住，如图如图3.8所示。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射所示。总之，加电将光线阻断，不加电则使光线射出。出。 图图3.8 光线阻断示意图光线阻断示意图第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 LCD由两块玻璃板构成，厚约由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由，其间由5m的的
34、液晶材料均匀隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以液晶材料均匀隔开。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
35、小的单元格结构中，一个或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。当制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场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时
36、，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。上显示出来。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术（2）彩色）彩色LCD显示器工作原理显示器工作原理v在彩色在彩色LCD面板中，每一个像素都是由面板中，每一个像素都是由3个液个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别晶单元格构成，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同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。颜色。第第3章章 液晶显
37、示技术液晶显示技术LCD与与CRT的优缺点比较的优缺点比较:vLCD克服了克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但同体积庞大、耗电和闪烁的缺点，但同时也带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想时也带来了造价过高、视角不广以及彩色显示不理想等问题。等问题。CRT显示可选择一系列分辨率，而且能按屏显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，但幕要求加以调整，但LCD屏只含有固定数量的液晶单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。元，只能在全屏幕使用一种分辨率显示。vLCD显示屏包含了在显示屏包含了在CRT技术中未曾用到的一些东西。技术中未曾用到的一些东西。为屏幕提供光
38、源的是盘绕在其背后的荧光管。有时，为屏幕提供光源的是盘绕在其背后的荧光管。有时，会发现屏幕的某一部分出现异常亮的线条，也可能出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。现难看的波纹或者干扰纹。 第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术v现在，几乎所有的应用于笔记本或桌面现在，几乎所有的应用于笔记本或
39、桌面系统的系统的LCD都使用薄膜晶体管（都使用薄膜晶体管（TFT）激活液晶层中的单元格，激活液晶层中的单元格，TFT-LCD技术技术能够显示更加清晰、明亮的图像。早期能够显示更加清晰、明亮的图像。早期的的LCD由于是非主动发光器件，速度低、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，但是在快速显示图像时往往会的文字，但是在快速显示图像时往往会产生阴影，影响视频的显示效果。因此，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如今只被应用于需要黑白显示的掌上电脑、呼机或手机中。脑、呼机或手机中。 第第3章章 液晶
40、显示技术液晶显示技术（3）液晶显示器件的显示方式）液晶显示器件的显示方式LCD的显示方式可分为两种：的显示方式可分为两种：vLCD面板本身为显示面的直观式；面板本身为显示面的直观式；v将将LCD面板的图像放大投影到投影屏，以供观看的面板的图像放大投影到投影屏，以供观看的投影式投影式 1）直观式显示方式：这是直接观看显示面的方）直观式显示方式：这是直接观看显示面的方式。直观式中有透射型、反射型、透射反射兼用型。式。直观式中有透射型、反射型、透射反射兼用型。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 2）投影式显示方式：投影式是将投影式显示方式：投影式是将LCD上上写入的光学图像放大，投影到投影屏上写入
41、的光学图像放大，投影到投影屏上的方式，也称为液晶光阀（的方式，也称为液晶光阀（LV）。图像）。图像的放大率和亮度可以通过加大投影用光的放大率和亮度可以通过加大投影用光源的光强来提高。源的光强来提高。v 将光信息写入将光信息写入LCD的激励方式中有光写的激励方式中有光写入方式、热（激光）写入方式和电写入入方式、热（激光）写入方式和电写入（矩阵驱动）方式。其中，利用热写入（矩阵驱动）方式。其中，利用热写入方式还要并用电场效应。方式还要并用电场效应。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术a光写入方式：基本的工作部分截面如图光写入方式：基本的工作部分截面如图3.9所示，形成液晶和光导电所示，形成液晶和光
42、导电体双层结构，电压通过透明电极均匀施加。光照部分因光导电层的体双层结构，电压通过透明电极均匀施加。光照部分因光导电层的电阻下降而将电压施加到液晶层，产生电光效应。电阻下降而将电压施加到液晶层，产生电光效应。图图3.9 光写入方式液晶光阀的结构光写入方式液晶光阀的结构在实用的布局中做到，将高分辨率在实用的布局中做到，将高分辨率的小型的小型CRT图像用透镜在光导电层图像用透镜在光导电层成像，利用电子束轰击荧光面所产成像，利用电子束轰击荧光面所产生的光点在光导电层做出潜像，对生的光点在光导电层做出潜像，对液晶施加的电压进行空间调制，在液晶施加的电压进行空间调制，在液晶层形成图像。对该液晶层照射液晶
43、层形成图像。对该液晶层照射投影用的强光，将图像放大投影到投影用的强光，将图像放大投影到投影屏上。可以放大投影到投影屏上。可以放大投影到200450英寸的投影屏上，一般是高光束英寸的投影屏上，一般是高光束的，而且光功率很大。的，而且光功率很大。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术b热（激光）写入方式热（激光）写入方式: 这种方式的显示工作是由相变而来的，所利用的这种方式的显示工作是由相变而来的，所利用的就是光学变化。这种方式的例子有向列、胆甾混合液就是光学变化。这种方式的例子有向列、胆甾混合液晶和层列液晶。若将这些液晶加热到相变温度以上，晶和层列液晶。若将这些液晶加热到相变温度以上，然后急剧冷却
44、，那么该部分由透明组织变成排列紊乱然后急剧冷却，那么该部分由透明组织变成排列紊乱的不透明组织。因此，利用红外激光束的偏转，在的不透明组织。因此，利用红外激光束的偏转，在LCD面板上进行扫描，就可在面板上进行扫描，就可在LCD上写入高分辨率的上写入高分辨率的图像。写入的图像可用照射光源和光学系统进行放大图像。写入的图像可用照射光源和光学系统进行放大投影，这种方式一般都有存储功能。投影，这种方式一般都有存储功能。 在层列液晶中有两种常温下的层列相用于显示，在层列液晶中有两种常温下的层列相用于显示，即透明以及各向同性相紊乱排列的不透明组织。写入即透明以及各向同性相紊乱排列的不透明组织。写入所用的是数
45、毫瓦到所用的是数毫瓦到500 mW的半导体激光器，擦除是的半导体激光器，擦除是通过对液晶层施加高电场（数十千伏通过对液晶层施加高电场（数十千伏/厘米）或在向列厘米）或在向列相温度以上的冷却中施加低电场而进行。相温度以上的冷却中施加低电场而进行。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术c电写入（矩阵驱动）方式：电写入方式中有电写入（矩阵驱动）方式：电写入方式中有简单矩阵型和有源矩阵型。前者有简单矩阵型和有源矩阵型。前者有STN模式、胆模式、胆甾类液晶的相变模式等被开发。实际应用的是后甾类液晶的相变模式等被开发。实际应用的是后者，其中有非晶硅薄膜晶体管（者，其中有非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT ）
46、驱动）驱动LCD、多晶硅薄膜晶体管（、多晶硅薄膜晶体管（P-Si TFT）驱动）驱动LCD、单晶硅单晶硅MOS晶体管（晶体管（LCOS）驱动）驱动LCD。液晶主。液晶主要采用要采用TN模式，也有试用高分子分散型液晶的实模式，也有试用高分子分散型液晶的实例。在有源矩阵型中最常用的是下述的例。在有源矩阵型中最常用的是下述的TFT-LCD型投影液晶面板。型投影液晶面板。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 dTFT-LCD型：在直观式型：在直观式LCD中实现大型化很困中实现大型化很困难。实现难。实现40英寸以上的大型画面最适当的方式是在英寸以上的大型画面最适当的方式是在投影屏上投影的显示方式。娱乐方
47、面的电视显示、投影屏上投影的显示方式。娱乐方面的电视显示、办公自动化（办公自动化（OA）或会议室、会场的计算机图像）或会议室、会场的计算机图像显示都使用显示性能优异的显示都使用显示性能优异的TFT-LCD有源矩阵型。有源矩阵型。TFT-LCD的尺寸为的尺寸为0.85英寸（画面对角线长），英寸（画面对角线长），其尺寸取决于光学系统、分辨率、热设计、成本。其尺寸取决于光学系统、分辨率、热设计、成本。投影显示装置与金属卤化物灯等的光源亮度也有关，投影显示装置与金属卤化物灯等的光源亮度也有关，但投影屏尺寸已达但投影屏尺寸已达200英寸左右（对角线长度），英寸左右（对角线长度），重要的是显示的高亮度和低
48、功耗。重要的是显示的高亮度和低功耗。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术 利用利用TFT-LCD的彩色投影显示有以下几种方式：一是使用一个彩的彩色投影显示有以下几种方式：一是使用一个彩色色LCD的单板式；二是将一个黑白型的单板式；二是将一个黑白型LCD和三原色双色镜组合起来的和三原色双色镜组合起来的单板式；三是将单板式；三是将3个黑白型个黑白型LCD和双色滤光片或棱镜式三基色分离光学和双色滤光片或棱镜式三基色分离光学系统组合起来的三板式（参见图系统组合起来的三板式（参见图3.10）等。）等。图图3.10 TFT-LCD投影装置的结构投影装置的结构投影方式中有从屏前投影方式中有从屏前面投影的前面
49、投影方面投影的前面投影方式和从屏后面投影的式和从屏后面投影的背面投影方式。背面背面投影方式。背面投影方式在屏前的侧投影方式在屏前的侧表面上做了减轻外光表面上做了减轻外光反射的处理，因此即反射的处理，因此即使在比较亮的场所使使在比较亮的场所使用也对对比度影响不用也对对比度影响不大，这是其优点。大，这是其优点。为了在某视角范围为了在某视角范围内提高显示图像的内提高显示图像的亮度，一般对投影亮度，一般对投影屏进行精加工，以屏进行精加工，以获得获得23倍的增益。倍的增益。视角虽变窄，但亮视角虽变窄，但亮度得到了提高，并度得到了提高，并从结构上加以改进，从结构上加以改进，以防止外光反射与以防止外光反射与
50、对比度的下降对比度的下降。第第3章章 液晶显示技术液晶显示技术3.2.3液晶显示器的分类液晶显示器的分类 根据液晶驱动方式分类，可将目前根据液晶驱动方式分类，可将目前LCD产品分产品分为扭曲向列（为扭曲向列（TN）型、超扭曲向列（）型、超扭曲向列（STN）型及薄）型及薄膜晶体管（膜晶体管（TFT）型）型3大类大类 。v1）扭曲向列型（）扭曲向列型（ TN型）型） 扭曲向列（扭曲向列（TN）型液晶显示器的基本构造为上下）型液晶显示器的基本构造为上下两片导电玻璃基板，其间注入向列型的液晶，上下基两片导电玻璃基板，其间注入向列型的液晶，上下基板外侧各加上一片偏光板，另外在导电膜上涂布一层、板外侧各加
