液晶显示器的工作原理

我们早就知道物质有三种形态:固态、液态和气态。虽然液体分子的质心排列没有任何规律性，但是如果这些分子是长的(或者是平的)，那么它们的分子取向可能是有规律的。所以我们可以把液体细分成很多类型。分子取向不规则的液体直接称为液体，分子具有方向性的液体简称为“结晶液体”或“液晶”。其实液晶产品对我们来说并不陌生。我们经常看到的手机、计算器都属于液晶产品。液晶是奥地利植物学家Reinitzer在1888年发现的。它是一种在固体和液体之间具有规则分子排列的有机化合物。一般最常用的液晶类型是向列型液晶，分子形状为细长杆状，长宽约为1 nm ~ 10 nm。在不同的电流和电场作用下，液晶分子会有规律地旋转90度，产生透光率的差异，从而在电源通/断下产生明暗的差异。根据这个原理，可以控制每个像素形成所需的图像。

液晶显示的原理是液晶在不同电压的作用下呈现不同的光特性。在物理学中，液晶可以分为两类，一类是被动式(也叫被动式)，自身不发光，需要外部光源。根据光源的位置，可分为反射式和透射式。无源液晶显示器成本低，但亮度和对比度小，有效视角小。彩色无源液晶显示器色饱和度小，所以色彩不够鲜艳。另一种有电源，主要是TFT(薄膜晶体管)。每个液晶其实都是一个可以发光的晶体管，所以严格来说不是液晶。液晶显示屏由排列成阵列的许多液晶组成。在单色液晶显示屏中，液晶是一个像素。在彩色LCD屏幕中，每个像素由三个液晶组成。在帧时间，可以认为每个液晶后面都有一个8位寄存器，寄存器的值决定了三个液晶单元中每一个的亮度。然而，寄存器的值并不直接驱动三个液晶单元的亮度，而是通过“调色板”来访问。给每个像素配备一个物理寄存器是不现实的。实际上只提供了一行寄存器，这些寄存器依次连接到每一行。

液晶在形状和外观上是一种液体，但其晶体分子结构却呈现固体形态。就像磁场中的金属，当受到外部电场的影响时，其分子会产生精确的有序排列；如果分子的排列控制得当，液晶分子会让光透过；光穿过液晶的路径可以由组成液晶的分子排列决定，这是固体的另一个特征。液晶是一种有机化合物，由长棒状分子组成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。液晶显示器(以下简称LCD)的第一个特点是液晶必须填充在两个带槽的平面之间才能正常工作。这两个平面上的凹槽是相互垂直的(90度相交)，即如果一个平面上的分子按南北方向排列，另一个平面上的分子按东西方向排列，位于两个平面之间的分子就被迫处于90度扭曲状态。因为光是沿着分子的排列方向传播的，所以在通过液晶时也是扭曲90度的。然而，当液晶上施加电压时，分子会垂直重排，这样光就可以直接发出，没有任何扭转。LCD的第二个特点是依赖于偏振滤光片和光本身。自然光随机向各个方向发散，偏振滤光片其实就是一系列越来越细的平行线。这些线形成了一张网，挡住了所有不平行于这些线的光线，而偏振滤光片的线正好与第一条线垂直，所以可以完全挡住那些偏振光线。只有当两个滤光片的线完全平行，或者光本身已经扭曲到与第二个偏振滤光片相匹配，光才能穿透。LCD就是由这两个相互垂直的偏振滤光片组成的，所以在正常情况下，它应该会阻挡所有试图穿透的光线。但由于扭曲的液晶填充在两个滤光片之间，光线通过第一个滤光片后，会被液晶分子扭曲90度，最终通过第二个滤光片。另一方面，如果给液晶施加电压，分子会重新排列，完全平行，这样光就不再扭曲，所以只是被第二个滤光片挡住了。以Synaptics TDDI技术为例，触摸控制器和显示驱动器集成在一个芯片上，减少了元件数量，简化了设计。ClearPad 4291支持混合多点嵌入式设计，因为利用了液晶显示器(LCD)中的现有层，所以不需要分立的触摸传感器。ClearPad 4191更进一步，利用LCD中已有的电极，从而实现更简洁的系统架构。这两种解决方案都使触摸屏更薄，显示屏更亮，有助于提高智能手机和平板电脑设计的整体美学效果。对于反射式TN(扭曲向列)液晶显示器，其结构由以下几层组成:偏振滤光片、玻璃、两组电极、液晶、电极、玻璃、偏振滤光片和反射镜。TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD之间的显示原理基本相同，不同的是液晶分子的扭曲角度有些不同。以一个典型的TN-LCD为例，介绍其结构和工作原理。

在厚度小于1 cm的TN-LCD液晶显示面板中，通常由两块内部夹有彩色滤光片和配向膜的大玻璃基板和外面包裹的两块偏振片组成，可以决定最大光通量和颜色生成。彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色组成的滤光片，有规律地制作在大玻璃基板上。每个像素由三种颜色的单元(或子像素)组成。如果一个面板的分辨率是1280×1024，那么它实际上有3840×1024个晶体管和子像素。每个子像素的左上角(灰色矩形)是一个不透明的薄膜晶体管，彩色滤光片可以产生RGB三原色。每个夹层包含形成在配向膜上的电极和凹槽，上下夹层填充有多层液晶分子(液晶间距小于5×10-6m)。在同一层中，虽然液晶分子的位置不规则，但长轴取向与偏光片平行。另一方面，在不同层之间，液晶分子的长轴沿着偏振器的平行平面连续扭曲90度。其中，与偏振片相邻的两层液晶分子的长轴取向与相邻偏振片的偏振光方向一致。上夹层附近的液晶分子沿上沟槽的方向排列，而下夹层中的液晶分子沿下沟槽的方向排列。最后封装到液晶盒中，与驱动IC、控制IC、印刷电路板连接。

一般情况下，光线从上到下照射时，通常只有一个角度的光线可以向下穿透，通过上偏振片引入上夹层的凹槽，再通过液晶分子的扭曲排列穿过下偏振片，形成完整的光穿透路径。液晶显示器的夹层上贴有两块偏振片，这两块偏振片的排列和透光角度与上下夹层的凹槽排列相同。当给液晶层施加一定的电压时，由于外部电压的影响，液晶会改变其初始状态，不再以正常方式排列，而是变成直立状态。因此，穿过液晶的光将被第二偏振片吸收，整个结构将不透明，导致显示屏上出现黑色。当没有电压施加到液晶层时，液晶处于其初始状态，这将使入射光的方向扭曲90度，从而允许背光的入射光穿过整个结构，导致显示屏上出现白色。为了实现面板上每个独立的像素都能产生你想要的颜色，必须使用多个冷阴极管作为显示器的背光。TFT-LCD液晶显示器的结构与TN-LCD液晶显示器基本相同，只是TN-LCD的上层夹层电极改为FET晶体管，下层夹层改为* * * on电极。

TFT-LCD和TN-LCD的工作原理有很多不同。TFT-LCD液晶显示器的成像原理是“背透式”照明。当光源照明时，它首先穿过下偏振片，并在液晶分子的帮助下透射光线。由于上下夹层的电极改为FET电极和* * *贯通电极，当FET电极开启时，液晶分子的排列状态也会发生变化，通过遮光和透光可以达到显示的目的。但不同的是，FET晶体管因为电容效应可以保持电位状态，之前已经透光的液晶分子会保持这种状态，直到FET电极再次通电改变其排列方式。