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晶显示器的显像原理" D2 w! ]; O9 d7 P( x
1、显示器的显像原理
3 Q7 \" b" {3 }- }# a 目前液晶显示技术大多以TN、STN、TFT 三种技术为主轴，因此我们就这从这三: h: H6 z, N; p
种技术来探讨它们的运作原理。
" D+ H- x8 ^/ M TN 型的液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的，而之后其它种类的液晶显示器# B# x+ i* b2 L3 l
也可说是以TN 型为原点来加以改良。同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单。
* d5 G) o. w c Z9 W* |4 n K2 P 其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分( n a9 H8 m# b3 ~: I8 C
子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光 f! g$ ~: I. l9 L9 S
板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出，形成了亮的效果
% n# \) T! p2 G6 [ 如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的7 [5 m" `9 x; T9 j
排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源，形成了暗的效果/ W% v7 R3 {! H- H) O+ L3 M
这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应，简称TNFE（twisted nematic
8 w7 T' y9 V4 Z$ L2 r field effect）。在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应
: W: j9 |; J0 B3 {* i 原理所制成。
8 S3 u: i( o3 O* y$ L$ A6 C STN 型的显示原理也似类似，不同的是TN 扭转式向列场效应的液晶分子是将入, ? q9 m) K( j% K$ ^4 u
射光旋转90 度，而STN 超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270 度。要在这边
) o" I1 N+ a" y; p( o& c* E 说明的是，单纯的TN 液晶显示器本身只有明暗两种情形（或称黑白），并没有办法$ b- Q6 Y/ x# g5 ~9 X
做到色彩的变化。而STN 液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，
+ R" N) M$ V( b4 } 因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。但如果在传统单色STN 液晶显示器加上一
/ e0 o! }1 A' F& K, N! T 彩色滤光片（color filter），并将单色显示矩阵之任一像素（pixel）分成三个子
& e" @2 g1 m! T' Y G- A+ B$ Q 像素（sub-pixel），分别透过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比4 m3 E; k+ h; I: A, Q7 G x
例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。另外，TN 型的液晶显示器如果显示屏幕
! E/ v1 a7 R" n, z 做的越大，其屏幕对比度就会显得较差，不过藉由STN 的改良技术，则可以弥补对
4 s0 k& r3 o x9 H1 g: m 比度不足的情况。
: C; d. m- \9 t. Q. S' T1 ~/ c7 i 2、液晶显示器的驱动方式
. Y: x! ]( E9 M* ] 在TN 与STN 型的液晶显示器中，所使用单纯驱动电极的方式，都是采用X、Y 轴
) `( }# g) B: u1 l% V1 \& D 的交*方式来驱动，如图（9）所示，因此如果显示部份越做越大的话，那么中心部
! f* x1 D W2 q d; K9 V& t 份的电极反应时间可能就会比较久。而为了让屏幕显示一致，整体速度上就会变慢。
- ~( O1 A2 y* d 讲的简单一点，就好象是CRT 显示器的屏幕更新频率不够快，那是使用者就会感到
" z1 U/ v8 F6 v& I8 ^. q 屏幕闪烁、跳动；或着是当需要快速3D 动画显示时，但显示器的显示速度却无法跟; p9 }& a3 t+ r; u
上，显示出来的要果可能就会有延迟的现象。所以，早期的液晶显示器在尺寸上有
q1 c" I" k5 U! u9 I) _ 一定的限制，而且并不适合拿来看电影、或是玩3D 游戏。为了改善此一情形，后来6 a8 e) z0 L9 D
液晶显示技术采用了主动式矩阵（active-matrixaddressing）的方式来驱动，这是
3 ~! V- D o" W% u0 ` 目前达到高资料密度液晶显示效果的理想装置，且分辨率极高。方法是利用薄膜技' F8 p2 z+ g: C8 K
术所做成的硅晶体管电极，利用扫描法来选择任意一个显示点（pixel）的开与关。
3 B' {. ?0 T# M; R n 这其实是利用薄膜式晶体管的非线性功能来取代不易控制的液晶非线性功能。
: r, ]) h9 S5 ?' W 在TFT 型液晶显器中，导电玻璃上画上网状的细小线路，电极则由是薄膜式晶5 p8 a, Z" Q/ } D
体管所排列而成的矩阵开关，在每个线路相交的地方则有着一弄控制匣，虽然驱动4 ~: q* ]+ ?7 K5 Y
讯号快速地在各显示点扫瞄而过，但只有电极上晶体管矩阵中被选择的显示点得到& V6 D+ [& k) W' X" l2 `& s
足以驱动液晶分子的电压，使液晶分子轴转向而成「亮」的对比，不被选择的显示2 [9 D g' d. L' P
点自然就是「暗」的对比，也因此避免了显示功能对液晶电场效应能力的依靠。! w# t4 p7 [/ E4 R( G$ F: n
3、液晶屏的结构
+ h7 \0 v. f2 E& ?3 \0 T K TFT 型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括了，萤光管、导光板、偏光板、
1 g/ B. V, U8 X0 w 滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。首先液晶显示器必须
5 k8 H" Z2 B% f 先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再
3 j- @+ ~9 h I# g4 B( ?& C! V. f( w 经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线
) R# p2 ]* }" E! r 接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液* R7 U7 p5 _4 t/ N9 Z4 B: z5 Q2 D, f
晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出
/ w/ d& t4 Q( s2 F 有不同深浅的颜色组合了。
" [% E4 W& T% S$ ^ 4、什么是液晶2 A0 \5 ~$ a( K3 b8 B
液晶是介于固态和液态之间，不但具有固态晶体光学特性，又具有液态流动特5 {) `; S: E/ @; Q/ M
性，所以液晶可以说是处于一个中间相的物质。而要了解液晶的所产生的光电效应，
m! k, f) ]2 }/ @$ l 我们必须先来解释液晶的物理特性， 包括它的黏性（ visco-sity ） 与弹性9 M, f( Y& K/ o0 ^& D& o/ V
（elasticity）和其极化性（polarizalility）。液晶的黏性和弹性从流体力学的1 M$ D! r8 J ]
观点来看，可说是一个具有排列性质的液体，依照作用力量的不同方向，会有不同$ Q- S( S6 k! ~/ f8 ^& C# k2 e
的效果。就好像是将一簇细短木棍扔进流动的河水中，短木棍随着河水流着，起初
! n1 o% N+ M! b+ E0 j4 X" T 显得凌乱，过了一会儿，所有短木棍的长轴都自然的变成与河水流动的方向一致，/ }. g- e: @( Z( {' O+ g. y, _
达到排列状态，这表示黏性最低的流动方式，也是流动自由能最低的一个物理模型。0 c% h" Y i; [, p
此外，液晶除了有黏性的特性反应外，还具有弹性的表现，它们都是对于外加的力，9 n+ L7 k3 d2 n* V6 W5 p2 N0 [6 d2 ^
呈现出方向性的特点。也因此光线射入液晶物质中，必然会按照液晶分子的排列方
+ m; A7 u! d4 S+ B l. d 式传播行进，产生了自然的偏转现象。至于液晶分子中的电子结构，都具备着很强
: P( R" B6 _; E- L4 v 的电子共轭运动能力，所以，当液晶分子受到外加电场的作用，便很容易的被极化# T+ d* ~ |2 E* O4 {
产生感应偶极性（induced dipolar），这也是液晶分子之间互相作用力量的来源。9 |* q0 A1 k7 Z, ?. \* R9 Y) C
而一般电子产品中所用的液晶显示器，就是利用液晶的光电效应，藉由外部的电压5 P% ^/ G$ Y& C$ @ `6 O
控制，再通过液晶分子的光折射特性，以及对光线的偏转能力来获得亮暗差别（或- _ _, C8 S( g6 V& M
者称为可视光学的对比），进而达到显像的目的。
9 x& ?; R T; N' } 5、液晶的光学特性. S9 r( j @: G! a) ]
液晶同固态晶体一样具有特异的光学各向异性。而且这种光学各向异性伴随分
* e) y! `5 f7 |& f e 子的排列结构不同将呈现不同的光学形态。例如，选择不同的初期分子取向和液晶0 i6 I- c9 B( H: Q; u) L4 l
材料，将分别得到旋光性、双折射性、吸收二色性、光散射性等各种形态的光学特
- f% N$ k) q$ }( p' e5 i7 }+ g 性。一旦使分子取向发生变化，这些光学特性将随之变化，于是在液晶中传输的光7 f- ^+ I6 s4 x
就受到调制。由此可见，变更分子的排列状态即可实行光调制。由于液晶是液体，
c/ b: _3 |. W: O9 F3 u; W 分子排列结构不象固态晶体那样牢固。另一方面液晶又具有显著的介电各向异性
, F2 |: ?6 |% o+ P3 i- x3 _ ε和自发偶极子P0。一旦给液晶层施加上电压，则在介电各向异性ε和自发偶极
% z0 X2 c8 m! f6 E# a b$ u$ i) ^ 子P0 和电场的相互作用下，分子排列状态很容易发生变化。因此利用外加电场即可* ^' d, [' M" \8 N7 A
改变液晶分子取向，产生调制。这种由电场产生的光调制现象叫做液晶的电光效应0 t3 `7 r! V3 P5 U
（electro-optic effect）。它是液晶显示的基础。这种光学特性可通过表面处理、; `. Q6 ~0 F- S8 j
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发表于 2010-2-15 17:53:45
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