lcd液晶显示屏的基本构造及成像原理图（LCD液晶显示屏的基本构造及成像原理）

1888年，奥地利植物学家Leinitzel发现了液晶，这是一种奇怪的有机化合物，有两个熔点。当它的固体晶体加热到145时，熔化成液体，但混浊，而所有纯物质熔化时都是透明的。如果继续加热到175，它似乎又融化了，变成了清澈透明的液体。后来，德国物理学家莱曼用自己设计的带有加热装置的最新偏光显微镜来观察这些脂质化合物。他发现这种白色浑浊的液体虽然在外观上属于液体，但却表现出各向异性晶体特有的双折射。所以莱曼把它命名为结晶液体，这就是这个名字的由来液晶。雷泽和雷曼后来被称为液晶显示器之父。自从发现液晶以来，人们没有我不知道它的目的是什么。这不是直到1968年，人们才把它作为电子工业的一种材料。

自1968年第一台液晶显示器诞生以来，液晶显示器的技术发展经历了五个阶段：

第一阶段(1968-1972年)

1968年，美国RCA公司研制出动态散射LCD，1972年制造出动态散射LCD手表。从此，液晶技术走向实用阶段。

第二阶段(1971-1984年)

1971年，瑞士发明家扭转向列型(TN)液晶显示器，日本制造商将其产业化。由于制造成本低，TN-LCD在上世纪七八十年代成为液晶产品的主流。

第三阶段(1985-1990年)

1985年以后，由于STN液晶显示器的发展和非晶硅薄膜晶体管液晶显示技术的发明，液晶显示技术的发展进入了大容量显示阶段。

第四阶段(1990-1995年)

在有源矩阵液晶显示快速发展的基础上，LCD技术开始进入高品质液晶显示阶段。

第五阶段(1996年以后)

液晶显示器已广泛应用于笔记本电脑。从1998年开始，TFT—LCD产品进入显示器市场，你基本解决了困扰LCD很久的视角、色彩饱和度、亮度三大难题。

液晶及其分类

这种在机械上具有液体流动性，在光学上具有晶体特性的物质形态被称为流晶——液晶。

液晶分为溶致液晶和热致液晶两大类；用作显示技术的液晶都是热致液晶。

温度低于T1时变成固体(晶体)，称为液晶的熔点，温度高于T2时变成清澈透明各向同性的液体，称为T2作为液晶的亮点。LCD可以工作的极限温度范围基本上是由T1和T2决定的。

近晶液晶分子是二维有序的，并且分子排列成层。层内分子的长轴相互平行，重心在同一平面。它们的方向可以垂直于层或者倾斜于层。层的厚度等于分子的长度，并且层之间的距离可以改变。分子只能在层内前后左右滑动，不能在上下两层之间移动。近晶液晶的粘度和表面张力相对较高，对外界电、磁、温度的变化不敏感。

向列型液晶分子只有一维有序，它们的长轴相互平行，但它们并不呈层状排列。它们可以上下、左右、前后滑动，并且只在其长轴方向保持平行或接近平行。分子间的短程相互作用较弱，向列相液晶分子的排列和运动相对自由，对外界的电、磁场、温度和应力比较敏感。目前，它们是显示器件的主要材料。

胆甾醇型液晶是由胆固醇衍生的液晶。分子是分层排列的。层内分子相互平行，不同层内分子的长轴略有变化。相邻两层分子的长轴相互之间有微小的扭转角(约15分钟)，各层扭转成螺旋状。旋转360的层间距离称为节距，节距大致相当于可见光的波长。胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态，因为胆甾相中分子的长轴也是相互平行取向的，通过加入外消旋向列相液晶或混合适当比例的左旋和右旋胆甾相，只需将优选取向从一层旋转到另一层一个固定角度，并逐层叠加，就可以将胆甾相转变为向列相。一定强度的电场和磁场也能使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相易受外力影响，尤其对温度敏感。温度会引起螺距变化，其反射光波长与螺距有关。因此，胆甾型液晶随冷热而变色。

液晶屏的基本结构和成像原理

1、背光板：LCD的开发原理是通过LCD的挡光元件来控制明暗，所以需要有光源才能看到屏幕上的图像，所以背光板负责为LCD显示提供最基本的光源。

2、下偏振片：背光板发出的光方向性不一致，呈放射状。如果这样的光被液晶分子扭曲，我们仍然可以我在屏幕上看不到正常的图像。我们看到的可能是一片白茫茫或者五颜六色的斑块，而不是我们想看到的图像。下面的偏振片承担了标准化光的方向的工作，然后将其发送到液晶层。

3、薄膜基板：液晶分子的扭转角度由TFT控制。

4、液晶：这层液晶分子在TFT的控制下发生扭曲，从而控制同方向光线的亮度，从而改变通向后置像素单元的光线的亮度。

5、彩色滤光片：如果你有幸记得上世纪80年代的事，相信你会记得那时候的黑白电视屏幕前经常会有一块彩色塑料。装上这块塑料后，黑白电视机仿佛变成了彩色电视机。我们可以看到，有时人们的脸变成了粉红色，他们的嘴唇变成了红色，其他场景都是彩色的，尽管有时颜色不会不符合现实。实际上，这块塑料是一个彩色滤光片。

液晶本身没有颜色，所以用滤色片来产生各种颜色。LCD屏幕中每个液晶子像素显示的颜色取决于滤色器，而不是子像素。背光发射白光。白光通过各种滤色器后，我们可以看到滤色器对应颜色的光在滤色器后面透射。所以在液晶屏中，滤色片的作用是着色，对应的是CRT显示器荧光粉的作用。液晶子像素只能通过控制光的通过强度来调整灰度。有源矩阵显示器只有少部分是模拟信号控制的，大部分是数字信号控制的。大多数数控液晶使用8位控制器(部分数控液晶使用10位控制器)，可以产生256个灰度。每个子像素可以代表256级，那么你就可以得到2563种颜色，每个像素可以代表16777216种颜色，也就是所谓的16777216种颜色。因为人们眼睛对亮度的感知不是线性变化的，而且人们人的眼睛对低亮度的变化更敏感，这种24位色度完全可以满足理想的要求。工程师调整脉冲电压，使颜色变化看起来更均匀。

6、上偏振镜：原来同方向的光被液晶层扭曲后变得不一致，所以如果漫射光不再次正则化，在屏幕前仍然是白色的，被液晶扭曲的光不被反射，所以这里漫射光必须正则化，被液晶扭曲的光心会被与下偏振镜偏振方向正交的偏振镜再次偏转。不同角度的光通过上偏光镜的亮度是不同的，所以我们可以在屏幕上看到明暗交替的画面。因为偏转的光是通过彩色滤光片的彩色光，所以我们可以在屏幕前看到我们需要的图像。

无顶偏光镜

上偏光镜和无顶偏光镜的效果比较

添加偏光镜的完整图片。

LCD的彩色成像原理和CRT一样，所有的颜色都是由红、绿、蓝三原色组成的。不同的是，CRT是用高速电子束撞击三基色荧光粉产生彩色光，LCD是通过有规律地涂敷三基色滤光片来产生色彩。通过控制穿过彩色滤光片各原色中液晶分子的光的亮度，不同亮度的原色可以模拟自然界中的各种颜色。因为彩色滤光片在上偏光片下面，所以液晶屏有可视角度要求，不过这个问题现在已经解决的相当好了。

我们知道，滤色片的原色排列是不同的。根据彩色滤光片原色的位置，其下方对应的液晶分子单元的控制顺序必须相应改变，否则显示的图像只能是花屏。

上图中滤色片的三原色排列中，条形排列是最简单的。因为原色排列只是简单的竖线和横线，所以控制起来相对简单。然而，通过这种排列顺序获得的图像并不完美。可能会出现显示线条粗细不均，图像斜面上的锯齿现象严重。因此，绿片的马赛克排列被开发出来，它可以更好地解决锯齿图像的问题，但这种排列仍然可以无法解决线条精细显示的问题。通过这种排列获得的图像线有时可能是正常的，但有时它们会具有不同的粗细。所以出现了戴尔排列的彩色滤光片，可以很好的解决图像锯齿和线条粗细均匀的问题，但是这种排列的液晶分子控制是最复杂的。

液晶显示器的主要工作模式

液晶显示的基本原理衍生出多种工作模式，包括TN模式、STN模式、FLC模式和液晶聚合物模式。目前扭曲向列相液晶(TN)即将被淘汰，超扭曲向列相(STN)和有源矩阵(TFT)已经成熟和普及。

扭曲向列型液晶显示器

扭曲向列(TN是扭曲向列的首字母缩写)液晶是一种扭曲90的向列液晶。扭曲向列液晶显示器(twisted nematic liquid crystal display)出现于20世纪70年代。它除了具有液晶显示器的基本特性外，还具有对比度高、制造工艺简单、成本低等特点。目前，这种类型的LCD广泛应用于便携式计算器、时钟和仪器中。目前国内大部分液晶厂商都生产这类产品。

扭曲向列(TN)液晶显示器通过将扭曲向列(TN)液晶材料夹在两个ITO玻璃板之间而形成。液晶的厚度一般为5m，具体厚度与液晶材料的双折射有关。在上、下ITO玻璃基板上涂覆取向层，利用液晶分子与取向层表面的相互作用力，使液晶分子平行于表面的摩擦取向方向排列，倾角为2-3，如图所示。上下基板摩擦取向方向为90，使液晶分子扭曲至90。同时在液晶中加入少量手性物质，起到决定液晶分子扭曲方向的作用。偏振镜贴在上下玻璃基板的外侧，偏振镜的光轴与玻璃基板的摩擦方向一致，从而可以在LCD屏幕上获得正常的白色显示。当入射光的偏振面随液晶分子旋转90时，偏振光通过偏振片，获得亮态。当施加电压时，正液晶分子与电场方向一致，线偏振光的偏振面不变，偏振光不能通过出射光侧的偏振片得到暗态，因此液晶显示器是一种电控光阀。然而，目前在优化参数的条件下，扭曲向列相(TN)液晶显示器的扫描线最多只能达到32条，其信息容量非常小。而且由于只能做成黑白、单色、低对比度(20: 1)的液晶显示器，可视角度只有30，最大面板尺寸也只有三英寸，大大限制了它的应用范围。目前只能用在电子表、计算器和简单的掌上游戏机上。

薄膜晶体管(TFT)液晶显示器

薄膜晶体管(TFT)液晶显示器是在扭曲向列(TN)液晶显示器中引入TFT开关而形成的有源矩阵显示器，克服了无源矩阵显示的交叉干扰、信息量少、写入速度慢等缺点，大大提高了显示质量，使其适用于计算机高分辨率全彩显示等领域。目前的薄膜晶体管(TFT)是基于非晶硅薄膜晶体管(-Si TFTAM-LCD)的结构。

在下玻璃基板上搭建TFT阵列，每个像素的ITO电极与TFT的漏极连接，栅极与扫描总线连接，源极电源与信号总线连接。当施加扫描信号电压时，原始源极被导通，以将信号电压施加到存储电容器并对其充电。在帧速率中，存储电容器的信号电压被施加到液晶像素，以使其处于选通状态。当再次寻址时，通过信号电压对其充电或放电。这样像素被薄膜晶体管开关元件隔离，既防止了交叉干扰，又保证了液晶响应速度满足帧率速度。同时，可以根据存储信息的大小获得灰度。目前灰度可达256级，可获得1670万色，几乎可获得全彩色显示。自上世纪90年代产业形成以来，薄膜晶体管(TFT)液晶显示器的生产线已经从第一代发展到第六代。一次未更换的基板玻璃面积大幅增加，产量不断提高，成本不断降低。比如第七代TFT液晶生产线的玻璃基板尺寸将达到1870*2200mm，目前可以制造的液晶电视屏幕为94cm(37英寸)，笔记本电脑屏幕最大尺寸为38.1cm(15英寸)，显示器屏幕最大尺寸为63.5cm(25英寸)。薄膜晶体管(TFT) LCD的另一个发展趋势是薄型化、轻量化和低功耗。基于新材料的发展、制造工艺的创新、设备精度和自动化程度的提高、软件技术的进步，TFT LCD产品的更新换代速度非常快。

液晶背光的结构和原理

TFT-LCD B/L光源使用的灯管是阴极荧光灯，从外部供给一定的电压，在阴极上发射电子，扫描荧光粉发出可见光。CF的结构一般由玻璃板、电极、密封气体(Hg、Ar、Ne)和荧光粉组成。CFL是用自封汞产生的紫外线扫描玻璃管内壁涂有的荧光物质产生的可见光。为了使少量的汞易于启动，抑制阴极物质的蒸发，密封在玻璃管中的氩CFL有两种，分别是CCFL(冷阴极荧光灯)和HCFL(热阴极荧光灯)，根据电子发射的机理。

1、Lamp:它是一个从逆变器接收高压并产生可见光的光源。主要使用CCFL(冷阴极荧光灯)和HCFL(热阴极荧光灯)。

灯).

2、灯外壳：从灯反射的光源入射到导光板上。使用诸如黄铜、铝和附着在黄铜上的银的材料的薄膜反射

3、导光板：主要由丙烯(PMMA)注塑或浇铸而成，引导入射光源，具有均匀分布光源的作用。

4、反射器：聚醚(PET)设备具有反射功能，减少入射到导光板上的光源损耗。

5、Diffuser Down(扩散片):主要由丙烯树脂在聚醚(PET)设备上形成球形，从导光板光源处均匀扩散，同时起到集光的作用。

6、底棱镜：丙烯树脂主要用于聚醚(PET)设备中，有规律地形成棱镜形状，聚光，增亮率是用户表面的1.55倍。

7、顶棱镜：与底棱镜功能相同，亮度是底棱镜表面的1.33倍。

棱镜以十字形排列，收集X轴和Y轴方向的光源。

8、扩散器Up(保护膜):与扩散器Down结构相同，主要目的是保护棱镜的作用，也叫保护膜。应使用可渗透的扩散器，这会造成顶部棱镜光收集的光源的一些损失，但它用于减少不良的棱镜特性。

液晶显示技术展望

近年来，有机发光二极管、DMD、FED等非液晶平板显示器相继上市。针对液晶显示器的一些缺点，如亮度低，大屏幕显示困难等，对液晶显示器提出了挑战。例如，最近有人声称有机发光二极管将取代液晶显示器。

事实上，由于各种显示器有不同的优缺点和特点，一般不可能互相替代。然而，用另一种类型的显示设备自身的特殊部分来替换或影响另一种类型的显示设备是完全现实的。液晶显示器不得不面对这种挑战和竞争。这种挑战和竞争不仅是对LCD产业的威胁，也是其发展的动力。

未来，LCD将努力在以下几个方面取得重大突破，以应对其他显示器件的挑战：

1、通过发展反射式显示、改善背光、增加开口率、增加偏光片透射比，提高显示亮度和对比度。

2、改善材料、器件结构和工艺，提高液晶显示的响应速度。同时，将努力开发一些响应速度快的新型液晶显示模式，使液晶显示器更好地满足文章显示的要求。

3、工作温度范围窄是液晶材料决定的一大缺陷，所以只能靠液晶材料来克服。目前已经开发出可以在零下50度到零上90度以上工作的液晶材料。此外，辅助加热系统的发展也将保证LCD的工作温度范围大大拓宽。

4、为了实现大屏幕显示，液晶显示开辟了一条全新的道路3354投影显示。在原来的透射式非晶硅TFT投影显示的基础上，近几年转移到多晶硅TFT投影显示。虽然多晶硅的开口率可以提高10%~15%以上，大大提高了显示器的亮度和清晰度，但仍然不够理想。为了与PDP和其他大屏幕显示器竞争，一种硅基液晶LCOS是近几年发展起来的。以大规模集成电路(LSI)为基板，与液晶组装制成反射式微型液晶显示器。50-100英寸以上的大屏幕显示可以通过外部光源的反射投影来实现。