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LCD液晶顯示器

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液晶顯示器,或稱LCD(Liquid Crystal Display),為平面超薄的顯示設備,它由一定數量的彩色或黑白像素組成,放置於光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低,因此倍受工程師青睞,適用於使用電池的電子設備。它的主要原理是以電流刺激液晶分子產生點、線、面配合背部燈管構成畫面。

1起源

LCD液晶顯示器
早在19世紀末,奧地利植物學家就發現了液晶,即液態的晶體,也就是說一種物質同時具備了液體的流動性和類似晶體的某種排列特性。在電場的作用下,液晶分子的排列會產生變化。從而影響到它的光學性質,這種現象叫做電光效應。利用液晶的電光效應,英國科學家在本世紀製造了第一塊液晶顯示器即LCD。今天的液晶顯示器中廣泛採用的是定線狀液晶,如果我們微觀去看它,會發現它特象棉花棒。與傳統的CRT相比,LCD不但體積小,厚度薄(目前14.1英寸的整機厚度可做到只有5厘米),重量輕、耗能少(1到10 微瓦/平方厘米)、工作電壓低(1.5到6V)且無輻射,無閃爍並能直接與CMOS集成電路匹配。由於優點眾多,LCD從1998年開始進入台式機應用領域。

2分類

上海狼影液晶產品其實早存在於我們的生活之中。如電子錶、計算器、掌上遊戲機等。按照分子結構排列的不同可分為三種:類似粘土狀的Smestic液晶、類似棉花棒的Nematic液晶、類似膽固醇狀的Choleseic液晶,這三種液晶的物理特性不盡相同,用於液晶顯示器的是第二種液晶。採用此種液晶製造的顯示器稱為LCD。常見的液晶顯示器分為TN—LCD、STN—LCD、DSTN—LCD和TFT—LCD四種,其中前三種基本的顯示原理都相同,只是分子排列順序不同而已;而TFT—LCD採用的是與TN系列LCD截然不同的工作原理。目前電腦上採用的都是這種液晶顯示器。其工作原理是採用兩夾層,中間填充液晶分子,夾層上部為FET晶體管。夾層下部為共同電板,在光源設計上要用「背透式」照射方式,在液晶的背部設置類似日光燈的光管。光源照射時由下而上透出藉助液晶分子傳導光線,透過FET晶體管層,晶體分子會扭轉排列方向產生透光現象,影像透過光線顯示的屏幕上,到下一次產生通電之後分子的排列順序又會改變,再顯示出不同影像。

3比較

雖然產品購造和顯示原理都不盡相同,液晶顯示器(LCD) 和傳統顯示器(CRT)的共同目的都是達到優良的顯示效果,現在我們對CRT和TFT液晶顯示器作一比較。
結構和產品體積:傳統的CRT型顯示器必須通過電子槍發射電子束到屏幕,因而顯像管的管就不能太短,當屏幕增大時也必須加大體積,TFT則通過顯示屏上的電子板來改變分子狀態,以達到顯示目的,即使屏幕加大,它只需將水平面積增大即可,而體積卻不會有很大增加,而且要比CRT顯示器輕很多,同時TFT由於功耗只用於電板和驅動IC上,因而耗電量較小。
輻射和電磁干擾:傳統的顯示器由於採用電子槍發射電子束打到屏幕產生輻射源。雖然現在有一些先進的技術可將輻射降到最小,但仍然不能完全根除。TFT液晶顯示器則不必擔心這一點。至於電磁波的干擾,TFT液晶顯示器只有來自驅動電路的少量電磁波,只要將外殼嚴格密封就可使電磁波不外泄,而CRT顯示器為了散熱不得不在機體上打出散熱孔,所以必定會產生電磁干擾。
屏幕平坦度和解析度:TFT液晶一開始就採用純平面的玻璃板,所以平坦度要比大多數CRT顯示器好得多,當然現在有了純平面的CRT彩顯。在解析度上,TFT卻遠不如CRT顯示器,雖然從理論上講它可提供更高的解析度,但事實卻不是這樣。
顯示效果:傳統CRT顯示器是通過電子槍打擊熒光粉因而顯示的亮度比液晶的透光式顯示要好得多,在可視角度上CRT也要比TFT好一些,在顯示反映速度上,CRT與TFT相差無幾。
液晶顯示器原理(一)液晶的物理特性 液晶的物理特性是:當通電時導通,排列變的有秩序,使光線容易通過;不通電時排列混亂,阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術上簡單地說,液晶面板包含了兩片相當精緻的無鈉玻璃素材,稱為Substrates,中間夾著一層液晶。當光束通過這層液晶時,液晶本身會排排站立或扭轉呈不規則狀,因而阻隔或使光束順利通過。大多數液晶都屬於有機複合物,由長棒狀的分子構成。在自然狀態下,這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經精良加工的開槽平面,液晶分子會順著槽排列,所以假如那些槽非常平行,則各分子也是完全平行的。(二)單色液晶顯示器的原理 LCD技術是把液晶灌入兩個列有細槽的平面之間。這兩個平面上的槽互相垂直(相交成90度)。也就是說,若一個平面上的分子南北向排列,則另一平面上的分子東西向排列,而位於兩個平面之間的分子被強迫進入一種90度扭轉的狀態。由於光線順著分子的排列方向傳播,所以光線經過液晶時也被扭轉90度。但當液晶上加一個電壓時,分子便會重新垂直排列,使光線能直射出去,而不發生任何扭轉。
LCD是依賴極化濾光器(片)和光線本身。自然光線是朝四面八方隨機發散的。極化濾光器實際是一系列越來越細的平行線。這些線形成一張網,阻斷不與這些線平行的所有光線。極化濾光器的線正好與第一個垂直,所以能完全阻斷那些已經極化的光線。只有兩個濾光器的線完全平行,或者光線本身已扭轉到與第二個極化濾光器相匹配,光線才得以穿透。
LCD正是由這樣兩個相互垂直的極化濾光器構成,所以在正常情況下應該阻斷所有試圖穿透的光線。但是,由於兩個濾光器之間充滿了扭曲液晶,所以在光線穿出第一個濾光器后,會被液晶分子扭轉90度,最後從第二個濾光器中穿出。另一方面,若為液晶加一個電壓,分子又會重新排列並完全平行,使光線不再扭轉,所以正好被第二個濾光器擋住。總之,加電將光線阻斷,不加電則使光線射出。
然而,可以改變LCD中的液晶排列,使光線在加電時射出,而不加電時被阻斷。但由於計算機屏幕幾乎總是亮著的,所以只有「加電將光線阻斷」的方案才能達到最省電的目的。
從液晶顯示器的結構來看,無論是筆記本電腦還是桌面系統,採用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結構。LCD由兩塊玻璃板構成,厚約1mm,其間由包含有液晶(LC)材料的5μm均勻間隔隔開。因為液晶材料本身並不發光,所以在顯示屏兩邊都設有作為光源的燈管,而在液晶顯示屏背面有一塊背光板(或稱勻光板)和反光膜,背光板是由熒光物質組成的可以發射光線,其作用主要是提供均勻的背景光源。背光板發出的光線在穿過第一層偏振過濾層之後進入包含成千上萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細小的單元格結構中,一個或多個單元格構成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極,電極分為行和列,在行與列的交叉點上,通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態,液晶材料的作用類似於一個個小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅動電路部分。當LCD中的電極產生電場時,液晶分子就會產生扭曲,從而將穿越其中的光線進行有規則的折射,然後經過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。(三)彩色LCD顯示器的工作原理 對於筆記本電腦或者桌面型的LCD顯示器需要採用的更加複雜的彩色顯示器而言,還要具備專門處理彩色顯示的色彩過濾層。通常,在彩色LCD面板中,每一個像素都是由三個液晶單元格構成,其中每一個單元格前面都分別有紅色,綠色,或藍色的過濾器。這樣,通過不同單元格的光線就可以在屏幕上顯示出不同的顏色。
LCD克服了CRT體積龐大、耗電和閃爍的缺點,但也同時帶來了造價過高、視角不廣以及彩色顯示不理想等問題。CRT顯示可選擇一系列解析度,而且能按屏幕要求加以調整,但LCD屏只含有固定數量的液晶單元,只能在全屏幕使用一種解析度顯示(每個單元就是一個像素)。
液晶顯示器電路圖CRT通常有三個電子槍,射出的電子流必須精確聚集,否則就得不到清晰的圖像顯示。但LCD不存在聚焦問題,因為每個液晶單元都是單獨開關的。這正是同樣一幅圖在LCD屏幕上為什麼如此清晰的原因。LCD也不必關心刷新頻率和閃爍,液晶單元要麼開,要麼關,所以在40~60Hz這樣的低刷新頻率下顯示的圖像不會比75Hz下顯示的圖像更閃爍。不過,LCD屏的液晶單元會很容易出現瑕疵。對1024×768的屏幕來說,每個像素都由三個單元構成,分別負責紅、綠和藍色的顯示一所以總共約需240萬個單元(1024×768×3=2359296)。很難保證所有這些單元都完好無損。最有可能的是,其中一部分已經短路(出現「亮點」),或者斷路(出現「黑點」)。所以說,並不是如此高昂的顯示產品並不會出現瑕疵。
LCD顯示屏包含了在CRT技術中未曾用到的一些東西。為屏幕提供光源的是盤繞在其背後的熒光管。有些時候,會發現屏幕的某一部分出現異常亮的線條。也可能出現一些不雅的條紋,一幅特殊的淺色或深色圖像會對相鄰的顯示區域造成影響。此外,一些相當精密的圖案(比如經抖動處理的圖像)可能在液晶顯示屏上出現難看的波紋或者干擾紋。
現在,幾乎所有的應用於筆記本或桌面系統的LCD都使用薄膜晶體管(TFT)激活液晶層中的單元格。TFT LCD技術能夠顯示更加清晰,明亮的圖像。早期的LCD由於是非主動發光器件,速度低,效率差,對比度小,雖然能夠顯示清晰的文字,但是在快速顯示圖像時往往會產生陰影,影響視頻的顯示效果,因此,如今只被應用於需要黑白顯示的掌上電腦,呼機或手機中。
隨著技術的日新月異,LCD技術也在不斷發展進步。近些年各大LCD顯示器生產商紛紛加大對LCD的研發費用,力求突破LCD的技術瓶頸,進一步加快LCD顯示器的產業化進程、降低生產成本。如今,LCD顯示器已經基本普及,價格對於普通消費者來說也可以接受,即便如三星、華碩、LG等廠商生產的科技含量較高的中高端LCD顯示器的價格也並非"高不可攀"。LCD技術的飛速發展,諸多弊端取得了長足的進步,LCD顯示器已經逐漸開始取代CRT成為人們日常生活中最主要的顯示設備。
而LED顯示器也屬於液晶顯示器的一種,LED液晶技術是一種高級的液晶解決方案,它用LED代替了傳統的液晶背光模組。高亮度,而且可以在壽命範圍內實現穩定的亮度和色彩表現。更寬廣的色域(超過NTSC和EBU色域),實現更艷麗的色彩。實現LED功率控制很容易,不像CCFL的最低亮度存在一個門檻。因此,無論在明亮的戶外還是全黑的室內,用戶都很容易把顯示設備的亮度調整到最悅目的狀態。在以CCLF冷陰極熒光燈作為背光源的LCD中,其中不能缺少的一個主要元素就是汞,這也就是大家所熟悉的水銀,而這種元素無疑是對人體有害的。因此,眾多液晶面板生產廠商都在無汞面板生產上投入了很多的精力,如台灣著名IT廠商華碩採用的不含汞LED背光技術便通過了ROHS認證,使MS系列產品的比傳統CCFL顯示器節能40%以上,無汞工藝不但使它無毒健康而且比其他產品更加環保、節能。
因為採用了固態發光器件,LED背光源沒有嬌氣的部件,對環境的適應能力非常強,所以LED的使用溫度範圍廣、低電壓、耐衝擊。而且LED光源沒有任何射線產生,低電磁輻射、無汞可謂是綠色環保光源。
總結下來LED液晶的優點:LED液晶電視有省電、環保、色彩更真實的優勢。(四)應用與液晶顯示器的新技術 (1)採用TFT型Active素子進行驅動
為了創造更優質畫面構造,新技術採用了用獨有TFT型Active素子進行驅動。大家都知道,異常複雜的液晶顯示屏幕中最重要的組成部分除了液晶之外,就要算直接關係到液晶顯示亮度的背光屏以及負責產生顏色的色濾光鏡。在每一個液晶像素上加裝上了Active素子來進行點對點控制,使得顯示屏幕與全統的CRT顯示屏相比有天壤之別,這種控制模式在顯示的精度上,會比以往的控制方式高得多,所以就在CRT顯示屏會上出現圖像的品質不良,色滲以及抖動非常厲害的現象,但在加入了新技術的LCD顯示屏上觀看時其畫面品質卻是相當賞心悅目的。
(2)利用色濾光鏡製作工藝創造色彩斑斕的畫面
在色濾光鏡本體還沒被製作成型以前,就先把構成其主體的材料加以染色,之後再加以灌膜製造。這種工藝要求有非常高的製造水準。但與同其他普通的LCD顯示屏相比,用這種類型的製造出來的LCD,無論在解析度,色彩特性還是使用的壽命來說,都有著非常優異的表現。從而使LCD能在高解析度環境下創造色彩斑斕的畫面。
(3)低反射液晶顯示技術
眾所周知,外界光線對液晶顯示屏幕具有非常大的干擾,一些LCD顯示屏,在外界光線比較強的時候,因為它表面的玻璃板產生反射,而干擾到它的正常顯示。因此在室外一些明亮的公共場所使用時其性能和可觀性會大大降低。目前很多LCD顯示器即使解析度再高,其反射技術沒處理好,由此對實際工作中的應用都是不實用的。單憑一些純粹的數據,其實是一種有偏差的去引導用戶的行為。而新款的LCD顯示器就採用的「低反射液晶顯示屏幕」技術就是在液晶顯示屏的最外層施以反射防止塗裝技術(AR coat),有了這一層塗料,液晶顯示屏幕所發出的光澤感、液晶顯示屏幕本身的透光率、液晶顯示屏幕的解析度、防止反射等這四個方面都但到了更好的改善。
(4)先進的「連續料界結晶矽」液晶顯示方式
在一些LCD產品中,在觀看動態影片的時候會出現畫面的延遲現象,這是由於整個液晶顯示屏幕的像素反應速度顯得不足所造成的。為了提高像素反應速度,新技術的LCD採用目前最先進的Si TFT液晶顯示方式,具有比舊式LCD屏快600倍的像素反應速度,效果真是不可同日而語。先進的「連續料界結晶矽」技術是利用特殊的製造方式,把原有的非結晶型透明矽電極,在以平常速率600倍的速度下進行移動,從而大大加快了液晶屏幕的像素反應速度,減少畫面出現的延緩現象。
現在,低溫多晶硅技術、反射式液晶材料的研究已經進入應用階段,也會使LCD的發展進入一個嶄新的時代。而在液晶顯示器不斷發展的同時,其它平面顯示器也在進步中,等離子體顯示器(PDP)、場致發光陣列顯示器(FED)和發光聚合體顯示器(LEP)的技術將在未來掀起平板顯示器的新浪潮。其中,最值得關注和看好的就是場致顯示器,它具有許多比液晶顯示器更出色的性能……不過可以斷定,LCD顯示技術進入新紀元,作為另一支顯示產品的生力軍,它們將可能取代CRT顯示器。

4發展趨勢

由於液晶顯示器有著許多傳統CRT不可比擬的優點,所以它會越來越多地用於桌面台式顯示器上,液晶顯示器是通過數字信號來顯示影像的,和陰極射線管採用模擬信號不太相同,不過為了符合市場要求,目前液晶顯示器的信號種類是模擬與數字兩種均有。採用模擬信號的好處是可以和目前絕大多數顯卡兼容,但是這樣做在液晶顯示器內部還得加裝一個APC,將傳輸進來的模擬信號再轉換成數字信號,這樣可能會影響顯示品質。目前一些供應商正在制定PC機與LCD之間的專用標準介面,其目的是提供在主流機型已存在的埠上直接兼容數字信號,不過目前的顯卡很少有支持數字傳輸界面的,而且數字界面的管腳也尚未統一,這是近期內要解決的問題之一。

5缺點

此外,液晶顯示器的色彩調校。一直不盡如人意,這是因為LCD的色彩調校要考慮到環境光源和液晶顯示器的屬性,再加上液晶顯示器的可視角度狹窄,要同時調整出一個最佳的觀看角度和色彩正確性就非常不容易。目前市面上還沒有專為桌面型液晶顯示器所設計的色彩調校軟體,不過相信未來,將會有更多的廠商重視液晶顯示器的色彩調校。

6耗電量

主動矩陣式LCD顯示屏的電功率比CRT小。事實上,它已經成為可攜式設備的標準顯示屏,從PDA到筆記本電腦均廣泛運用。但是LCD技術的效率還是太低:即使你將屏幕顯示白色,從背景光源中發射的光也只有不到10%穿過屏幕發出,其他的都被吸收。所以目前新型的等離子顯示屏的耗電量已經比同面積的液晶顯示屏低。
PDA,如Palm和Compaq iPAQ常使用反射顯示屏。這意味著環境光射進顯示屏中,穿過極化的液晶層,碰撞反射層,再反射出來顯示成圖像。據估計,在此過程中 84% 的光被吸收,所以只有六分之一的光起作用,雖然還有待改進,但已足以提供可視圖像需要的對比度。單向反射和反射顯示屏使得不同光照條件下耗費最少能源使用 LCD 顯示屏成為可能。
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