液晶显示器原理

电视技术1第40讲液晶显示原理主要内容1、TN型液晶彩电原理2、TFT型液晶彩电原理3、STN型液晶彩电原理4、液晶显示器发光原理5、液晶电视成像原理电视技术2液晶显示器的种类•目前开发的液晶显示器有TN．LCD(TwistedNematic-LCD，扭曲向列LCD)、STN-LCD(SuperTN-LCD，超扭曲向列LCD)、DSTN．LCD(DoublelayerSTN-LCD．双层超扭曲向列LCD)和TFT-LCD(ThinFilmTransisto-LCD)薄膜晶体管LCD四种。各种类型LCD的特点和用途如下：•(1)TN-LCD由于无法显示细腻的字符，目前基本上被淘汰，只作为电子表和计算机显示。•(2)STN-LCD的液晶分子扭曲角度为180o～270o，由于扭转角度较大，字符显示细腻，同时也支持基本的彩色显示，多用于液晶电视、摄像机的液晶显示器、掌上游戏机等。•(3)DSTN-lED由于支持的彩色数有限，多用于早期的笔记本计算机。•(4)FFT-IED则采用与TN系列LCD截然不同的显示方式，性能较好，被广泛用于笔记本计算机和台式显示器。电视技术3TN型液晶彩电的原理•TN型TwistedNematic即扭曲向列型液晶彩电是在两片平行放置的偏光板之间•充填了一定数量的具有电特性和光特性的液晶混合物。这两片偏光板的偏光方向是相互垂直的。液晶分子在偏光板之间排列成多层，如图所示。电视技术4在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，它可以在任何方向平移，也可以在其中一个方向旋转，但长轴取向始终是平行于偏光的。所以TN被称为向列型液晶。在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90。。其中，邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向，与所邻接的偏光板的偏振光方向一致。所以呈现这种扭曲排列，被称为扭曲向列型液晶彩电。液晶分子具有一定的电特性，分子在电场中通常会充电，之后极化，最终得到一个对准电场方向的正、负两极。一旦通过电极给液晶分子加电，由于受到外界电压的影响，液晶分子在两片玻璃之问的排列形式得以改变。而液晶电视夹层内贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。在正常情况下，光线从上向下照射时，只有一个角度的光线能够穿透下来，通过上偏光板将光线导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透路径。这就是液晶的光学和电光学的特性。由于在两片玻璃板之间可以划分出不同的区域，且每一个区域都用电场进行控制，这些不同的区域叫子像素。不同彩色滤光片放不同彩色滤光片放在每个子像素的后面，当光透过时，就可以显示出全色的图像来。电视技术5TFT型液晶彩电的原理•TFT型液晶彩电的原理与TN型彩电的原理大致相同，也是由玻璃基板、ITO膜、配向膜、偏光板等组成，采用两夹层间充填液晶分子设计的。液晶分子在加电后排列状态的变化，及透光过程都与TN型液晶彩电一样，所不同的主要有以下几点：•(1)将TN上部夹层的电极改为了唧晶体管，而下部夹层改为了共通电极.•(2)哪型彩电的显示器采用背透式照射方式，即假想的光源路径，不是像TN型液晶那样从上至下，而是从下至上，在光源设计上与日光灯的原理相同，先向下照射再通过偏光板反射向上透出。由于聊晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持夹层内液晶分子的排列状态，直到FET晶体管电极下次再加电才能改变液晶的排列位置。•(3)TFT—LCD属于有源矩阵控制，由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而各个节点相对独立，并可连续控制，这样不仅提高了反应时间，同时在灰度控制上可以做到非常精确。当开关打开时，LCD分子就排列成允许背景光源透射出来的格局。投射出来的光线通过一个彩色的RGB滤光器加以处理，就能在屏幕上显示出彩色来电视技术6STN型液晶彩电的原理•STN型是一种超扭转式向列场效应液晶显示器，其显示原理与TN基本相同，所不同的主要有以下三点：•(1)入射光旋转角度不同。TN的液晶分子是将入射光旋转90。，而STN的液晶分子是将入射光旋转1800～2700，如图2—5所示。•(2)显示的色调不同。TN液晶显示器本身只能显示黑白两种色调，而STN液晶显示器显示的色调以淡绿和橘黄为主，加上彩色滤光片后可显示出全色。•(3)屏幕大小的显示效果不同。TN液晶显示器屏幕越大，效果越差。而STN液晶显示器由于在制作材料和制作工艺上作了一些改进，其屏幕做大时，显示效果也较好。电视技术7STN型液晶彩电的原理电视技术8液晶显示器的发光原理•液晶显示器是在两片玻璃板之间制作了很多空隙，分别在里面注入液晶分子，在玻璃板后方设置了一组荧光灯管，如图2-6所示。荧光灯管发出的光经由一组棱镜片与背光模块，将光源均匀地传送到前方。•由于两个电极之间的电场的驱动，引起液晶分子扭曲向列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽，在电源开关之间产生明暗变化，而将接收到的影像信号显示出来，并通过彩色滤光片，显示出彩色影像。在两片玻璃基板上装有配向膜，控制液晶分子沿着偏光板做90。的扭转，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板，液晶面板显示白色，如图2．7所示。当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线无法透出，液晶面板显示黑色。电视技术9液晶显示器的发光原理电视技术10液晶电视的成像原理•液晶电视的显示屏是在两片具有导电特性的玻璃板之间充入一层液晶材料，即液晶分子，液晶分子具有加热时为液态，冷却时就结晶为固态的特性，当外界环境变化时，它的分子结构也会发生变化，从而就能实现通过或阻挡光线的目的。•由于被充入的液晶物体内含有超过200万个红、绿、蓝三色液晶光阀，当液晶光阀在低电驱动下激活后，位于液晶屏后的背光灯发出的光束从液晶屏通过，产生1024X768点阵(点距为o．297mm)和分辨率极高的图像。同时，先进的电子控制技术使液晶光阀产生1677万(256×256×256)种R、G、B颜色变化，还原真实的亮度、色彩度，并再现纯真的图像。•简单地说，液晶电视的成像原理就是在玻璃板内充有液晶分子，屏内有许多交错成格状的微线路，以电极控制液晶分子的走向，从而折射光线产生颜色和画面，相关结构如图2—8所示电视技术11液晶电视的成像原理电视技术12液晶显示器中的背光灯•因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边设有作为光源的灯管，而在液晶显示器的背面设有一块背光板(或均匀光板)和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其主要作用是提供均匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万的液晶颗粒的液晶层，射人液晶物质中，液晶物质受电场的控制。•液晶显示屏光源的亮度及均匀度的好坏，对亮度和画质有着直接的影响，生产厂家曾对光源作了比较大的改进，早期生产的液晶显示屏中只有两个冷光源灯管，而近期生产的液晶显示屏使用了四个冷光源灯管，使亮度和画质有了更大的改善。电视技术13液晶显示器是怎样驱动的•在一个液晶显示器中，左右两个电极是排列在液晶同一侧的，当没有施加电场时，所有的分子都指向同一方向。当在两个电极施加电场后，液晶分子的排列就马上改变。这个施加电场的过程就是对液晶显示器的驱动过程。•根据液晶显示器结构的不同，其驱动方式不一样，可分为段电极驱动、无源矩阵电极驱动和有源矩阵电极驱动。段电极驱动就是Y电极驱动，液晶显示面板分为x、Y电极两组驱动线，其中x电极称为背电极，Y电极称为段电极。无源矩阵电极驱动可显示图像，但多路驱动时有串扰，有源矩阵电极驱动(像素独立寻址，多路驱动无串扰，阈值陡，对彩显液晶显示器的驱动，多采用有源矩阵电极驱动方式)。电视技术14TN型液晶显示器的内部结构•TN型即扭曲向列型液晶显示器是在一对平行放置的偏光板间填充液晶，这一对偏光板的偏振方向相互垂直。液晶分子在偏光板间分多层排列。通过取向膜使靠近偏光板的液晶分子平行于偏光板偏振方向排列。取向膜是用绒布类材料高速磨擦得到的，它的表面形成了很多槽，起到可以将液晶分子固定取向的作用。•将液晶灌注在取向膜的表面，液晶长轴会自然地对准取各膜上的槽沟，这就是液晶分子的第一层排列，在第一层上再排列第二层、第三层…逐步积累，形成一个立体的液晶层，如图2-9所示为扭曲向列(1N)型液晶显示器偏光示意图，在不同层间，液晶分子的长轴在偏光板平行平面内连续扭转90。，(见图2．9a)与射出偏光板垂直的直线偏振光，当垂直射向无外加电场时，入射光将其偏振方向随液晶分子轴的扭曲而旋转射出。•若对液晶施加适当的电场，液晶分子的排列即改变，如图中2—9b所示。液晶分子长轴将改变为与电场方向平行，此时液晶分子不再使光偏振而旋转，而是将光遮断。电视技术15TN型液晶显示器的内部结构电视技术16彩色液晶显示器的结构•彩色液晶显示器的基本结构与单色液晶显示器相同，它只是多了一个红、绿、蓝三色滤光器。采用彩色滤光器方式LCD的结构如图2．10所示。•彩色滤光器的透过率与背光灯的发光强度有关，其透过率与红、绿、蓝三基色荧光光谱如图2—11所示。电视技术17TFT-LCD驱动矩阵的结构•TFT(ThinFilmTransistor薄膜场效应晶体管)一LCD，是在两片玻璃板之间封封入液晶，在下玻璃板上配置有扫描线与寻址线，将其组成一个矩阵，在其交点上再制作TFT有源器件和像素电极，如图2．12所示。当行线Xi(i=1，2，3，…，n)加上高压电平脉冲时，连接在Xi上的TFI全部被选通，图像信号经缓冲器同步加到源极母线(Y1～Ym)上，经TFT号电荷加到液晶像素。Xi每帧被选通一次，Yl—Y。每行都被选通。电视技术18TFT-LCD驱动矩阵的结构电视技术19彩色TFT-LCI)有源矩阵显示器的结构•彩色TFF-LCD显示器是在单色TFT显示器的基础上制作了上面与下面矩阵像素对应的R、G、B三种颜色的彩色膜，最后将其两基板对齐、封盒、灌注、堵孔处理，即制成了TFT器件，如图2—13所示。•TFT-LCD与TN—LCD的结构大致相同，只是把TN上部夹层的电极改为TFT(场效应晶体管)，而下层改为共电极。电视技术20TFT-LCD显示器的驱动电路•TFT-LCD显示器是一种薄膜晶体管显示器，属于有源矩阵液晶显示器的一种。其驱动电路主要包括行扫描驱动器、768位移位寄存器和768位缓冲驱动器。•扫描驱动信号通过768位移位寄存器产生与列信号同步的逐行扫描信号，经缓冲器加到每行TFT的栅极，通过移位去逐行打开TFT，实现行扫描驱动电视技术21液晶电视的电路结构和工作流程•如图2-14所示是典型的液晶电视整机原理框图。主要由模拟信号处理模等10个部分构成。•RF电视信号、CVBS复合电视信号、s-Video信号、色差分量信号等经模拟电视信号处理模块处理后，形成模拟Y、U、V(或R、G、B)信号及行场同步信号给模拟信号／数字信号转换模块进行A／D转换，成为24位数字Y、U、V(或R、G、B)信号。该信号再经隔行／逐行转换处理，形成标准逐行格式的数字Y、U、V(或R、G、B)信号，从VGA接口输入的AGA视频信号，经模拟VGA／数字VGA信号转换成24位VGA视频信号供LCD图像信号处理模块用。从DVI接口输入的VGA视频信号，经DVI串行／并行转换后，形成24位(或48位)并行数字视频信号，供LCD图像信号处理模块用。同时，经隔行／逐行转换后形成的逐行格式的数字Y、U、V(或R、G、B)信号也输入lED图像信号处理模块。这三种信号经LCD图像信号处理模块处理后，形成平板显示模块可接收的平板图像显示数据格式，经DVI接口送人LCD显示模块。LCD显示模块是LCD-TV的显示终端，将其接收到的平板显示数据，经内部时序控制电路转换后，驱动lED显示出正确的视频图像。电视技术22液晶电视的电路结构和工作流程电视技术23谢谢!