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LCD的基本原理

編輯：kathy 2011-01-20 14:42:06 瀏覽：2953 來源：液晶資訊網(wǎng)

　　實(shí)質(zhì)運(yùn)用上，有三種液晶技術(shù)用在LCD顯示器。我們會(huì)在接下的篇幅描述TN + film（TN+視角擴(kuò)大膜）、IPS（也稱超級(jí)顯示器）、MVA（Multi-Domain Vertical Alignment，畫素分割垂直配向）。不論哪種技術(shù)被采用，所有LCD顯示器都遵循相同的基本原則。

　　一或更多根霓虹管構(gòu)成所謂的背光，照亮了顯示畫面。在較便宜的機(jī)種上燈管數(shù)目可能會(huì)僅限一根，但你可以在較昂貴機(jī)種上發(fā)現(xiàn)最多有四根。有兩根（或更多）霓虹燈管絲毫不影響圖像的品質(zhì)。相反的，第二根燈管是當(dāng)作第一根燈管一旦損害時(shí)的備援。實(shí)際上，這樣頗能延長顯示器的工作壽命，因?yàn)橐桓藓鐭麴^通常只能延續(xù)50,000小時(shí)，但電子設(shè)備卻要持續(xù)通電個(gè)100,000到150,000小時(shí)。

　　為了保證有均勻的顯示畫面，光線會(huì)在達(dá)到玻璃基板之前經(jīng)過一組反射系統(tǒng)來重新導(dǎo)向。盡管第一眼瞥見時(shí)好像不是那么一回事，但玻璃基板卻因?yàn)橐@么做變的異常復(fù)雜。事實(shí)上，有兩塊玻璃面板，在子像素的兩邊各一塊，都被紅、綠或藍(lán)色濾光片給覆蓋著。在一臺(tái)15吋顯示器中，加起來有1,028 x 768 x 3= 2,359,296個(gè)子像素。每個(gè)RBG三元素被一個(gè)可以產(chǎn)生個(gè)別的電壓的晶體管所控制。這樣的電壓，可變化的幅度很大，會(huì)造成每個(gè)子像素里的液晶向特定角度移動(dòng)。該角度決定了通過子像素光線的多寡，接著，成像在玻璃面板上。液晶實(shí)際的作用是讓光線轉(zhuǎn)向而能夠在擊中顯示畫面之前通過一個(gè)偏向的濾光片。如果液晶與濾光片以同樣的方向排列，則光線會(huì)通過。另一方面，當(dāng)液晶與濾光片呈垂直時(shí)，玻璃面板會(huì)變的黑暗無光。

　　液晶，中繼站

　　基本上，液晶是同時(shí)具有固態(tài)和液態(tài)兩種物理特性的物質(zhì)。其中一個(gè)很炫的特色是（也是作用在LCD顯示器上的特色）它會(huì)依據(jù)所施加的電壓來改變位置。

　　現(xiàn)在，還是讓我們更仔細(xì)地的觀察它們－－你了解它們越多就會(huì)越有趣。如同科學(xué)世界中的共同現(xiàn)象，液晶是偶然間被發(fā)現(xiàn)的。

　　1888年，Friedrich Reinitzer，奧地利植物學(xué)家，正在研究膽固醇在植物扮演的角色。其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)是將提煉物加熱。他發(fā)現(xiàn)提煉結(jié)晶會(huì)在145.5度變成混濁液態(tài)然后在178.5度時(shí)成為真正液態(tài)。他將他的發(fā)現(xiàn)與Otto Lehmann分享，他是位德國科學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)了該種液體具有某些水晶的特性，特別是暴露在光線下時(shí)的變化。所以由Otto Lehmann命名：「液晶」。

　　上圖是具液晶特性的分子，methoxybenzilidene butylanaline

　　液晶特寫

　　TN + Film（Twisted Nematic + Film，超扭轉(zhuǎn)向列型+視角擴(kuò)大膜）

　　圖1：在TN + film面板中，液晶被配置成與濾光片成直角。這個(gè)名字中的「film（薄膜）」來自于為了增加視角而附加在面板的一層膜。

　　TN + film是最容易應(yīng)用的技術(shù)。Twisted Nematic技術(shù)已經(jīng)行之有年了－－你會(huì)發(fā)現(xiàn)它使用在大部分過去幾年出售的的TFT（主動(dòng)式電晶薄膜晶體管）面板上。為了改進(jìn)面板的易讀性，設(shè)計(jì)者加入了薄膜層－－然后觀看角度從90度提升到150度。這層薄膜或許相當(dāng)有效，但遺憾的是它對于對比程度或響應(yīng)時(shí)間沒有任何影響，兩者依舊不足。

　　所以，在理論上，TN + film屏幕是非常低階的解決方案。這個(gè)制作程序視為先前TN設(shè)計(jì)的改良。目前，沒有一種解決方案比TN + film更便宜。

　　這里說明它是如何運(yùn)作：如果晶體管對子像素施加零伏特電壓，液晶（以及它們控制通過的偏光）在兩塊基板中水平旋轉(zhuǎn)90度。因?yàn)榈诙K基板的偏向?yàn)V片相對于第一塊偏移了90度，所以光線可以通過它。如果紅、綠、藍(lán)的子像素可以充分被照亮，他們將會(huì)混合而在畫面上產(chǎn)生一個(gè)白點(diǎn)。

　　如果施加電壓，在我們的狀況中是一個(gè)垂直電場，將會(huì)摧毀液晶的螺旋結(jié)構(gòu)。這些分子會(huì)試著將他們自己排列成與電場相同的方向。在我們的例子里，那樣表示它們最后會(huì)與第二塊濾片垂直。在這個(gè)狀態(tài)下，偏向入射光線會(huì)通不過整個(gè)子像素（ON狀態(tài)）。白點(diǎn)變成了黑點(diǎn)。

　　配備TN屏幕有某些缺點(diǎn)。

　　首先，設(shè)計(jì)者不斷努力掙扎著在電壓最高時(shí)將液晶與偏向?yàn)V片完美的保持垂直。這可以解釋為何老式屏幕幾乎無法完全呈現(xiàn)黑色。

　　第二點(diǎn)，如果晶體管失敗了，它將無法施加任何電壓到三個(gè)子像素上。這很合理，當(dāng)考慮到我們剛剛討論的部分。所以零電壓表示畫面上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)白點(diǎn)。這樣解釋了為何當(dāng)LCD像素「死亡」之后仍然會(huì)閃亮可見了。

　　對15吋顯示器來說，只有另一種技術(shù)可以與TN + film匹敵－－MVA（之后說明）。這技術(shù)比TN + film昂貴，在理論上被認(rèn)為所有領(lǐng)域都會(huì)有較佳的表現(xiàn)。然而，這并不完全正確，因?yàn)?FONT face="Times New Roman">TN + film在某些領(lǐng)域表現(xiàn)的還是比MVA優(yōu)秀。

　　IPS（In-Plane Switching，橫向電場效應(yīng)或是超級(jí)TFT）

　　圖2：當(dāng)施加電壓時(shí)，分子排列與基底物質(zhì)呈平行。

　　IIPS，或是「橫向電場效應(yīng)」技術(shù)由Hitachi（日立）和NEC所發(fā)展。這是早期打算消除TN + film所造成嚴(yán)重問題其中之一的技術(shù)。但實(shí)情是，盡管觀看視角增加到170度，其它屬性還是在原地踏步。這些屏幕的響應(yīng)時(shí)間從50到60毫秒，而實(shí)際顯示色彩仍然差強(qiáng)人意。

　　如果沒有電壓施加到IPS系統(tǒng)，液晶就完全不會(huì)旋轉(zhuǎn)。第二層濾片永遠(yuǎn)與第一片保持垂直，而讓光線可以穿過。畫面顯示出深濃、完美的黑色。這是另一個(gè)顯示畫面要比TN對手為佳的領(lǐng)域－－如果晶體管燒掉了，「死亡」像素不會(huì)是一個(gè)銳利、讓人分心的白點(diǎn)，而是一個(gè)細(xì)微黑點(diǎn)。

　　當(dāng)子像素通上電壓，兩個(gè)電極產(chǎn)生電場造成液晶旋轉(zhuǎn)到與靜止時(shí)垂直的位置。然后它們將會(huì)與偏向?yàn)V片并排而光線可以通過。

　　這個(gè)系統(tǒng)的問題是實(shí)際用兩個(gè)電極來產(chǎn)生電場會(huì)吃掉一大堆電力，更糟的是，必須等一會(huì)才會(huì)有作用。這說明了IPS顯示器一般，如果不是經(jīng)常的話，比TN屏幕反應(yīng)更慢。

　　然而，從另一個(gè)角度看，IPS將液晶與濾片完美的排列使得觀看角度有了實(shí)實(shí)在在的改善。

　　MVA（多區(qū)域垂直配向）

　　有些制造商會(huì)選擇使用MVA，一種由Fujitsu（富士）開發(fā)的技術(shù)。據(jù)他們表示，MVA提供了幾乎所有領(lǐng)域最佳的折衷方案。水平和垂直觀看角度都有160度；響應(yīng)時(shí)間只有IPS和老一代TN屏幕所達(dá)成的一半（25毫秒）；色彩顯示更為精準(zhǔn)。所以如果MVA技術(shù)提供這么多優(yōu)點(diǎn)，為什么不是所有LCD顯示器都使用MVA技術(shù)？很簡單－－理論無法在現(xiàn)實(shí)中達(dá)到承諾。但當(dāng)開始測試以MVA技術(shù)為基礎(chǔ)的顯示器時(shí)我們會(huì)學(xué)到更多有關(guān)它的事情。

　　該技術(shù)是從它的前代技術(shù)，VA（垂直配向）衍生而來，由Fujitsu在1996年推出。在此系統(tǒng)下，任何沒有通電的液晶會(huì)跟第二濾片垂直排列。這表示了光線無法穿過它。當(dāng)電壓產(chǎn)生時(shí)，液晶旋轉(zhuǎn)90度，讓光線可以穿透，因而顯示一個(gè)白點(diǎn)。

　　這系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是速度以及沒有螺旋結(jié)構(gòu)和雙磁場。這些改善將響應(yīng)時(shí)間削減到只有25 ms。這個(gè)優(yōu)勢與IPS系統(tǒng)的類似：能夠產(chǎn)生一個(gè)非常深的黑點(diǎn)。

　　然而，主要的問題是，無論何時(shí)使用者試著從旁邊觀看屏幕都會(huì)看到它。如果打算產(chǎn)生一個(gè)，比如說，紅色的陰影（或淡紅色）則晶體管會(huì)產(chǎn)生最高電壓一半的電壓。液晶則只會(huì)旋轉(zhuǎn)一半而且會(huì)停在最大旋轉(zhuǎn)程度的一半上。所以當(dāng)你正面看著屏幕，你會(huì)看到淡紅色。然而，如果你從屏幕側(cè)面看，你會(huì)由某些液晶體正面看過去而有些由它們側(cè)面看過去。這表示了，第一個(gè)情況你會(huì)看到純凈的紅色，而第二個(gè)情況你會(huì)看到純白。

　　解決觀看角度問題有其必要性。所以，瞧，一年之后，MVA解決了這個(gè)問題。

　　這一次，每個(gè)次像素分開到數(shù)個(gè)區(qū)域中。而且，偏向?yàn)V片不再是平坦而是突起的。結(jié)果是，液晶體不會(huì)以同一方向來排列或旋轉(zhuǎn)。突起濾片是術(shù)語「ridges」的來由。這也導(dǎo)出了專有名詞「multi-domain（多區(qū)域）」。子像素被分成數(shù)個(gè)區(qū)域而在其中液晶體可以自由來去在相反的方向，而獨(dú)立于其它液晶體。這技術(shù)的目的是盡可能創(chuàng)造需要的區(qū)域而讓使用者只察覺一個(gè)區(qū)域，而不管他們在畫面的什么地方。