薄薄的液晶顯示器是如何顯示各種圖案?帶你了解液晶顯示原理

當今社會，每個人都離不開各種電子設備，特別是手機和電腦，設備中各種視頻、圖案和文字等都是通過電子屏幕顯示出來，這些電子產品的顯示器材都是液晶。液晶是什麼物質？它是如何顯示數字或圖像呢？那麼下面我們就來詳細了解屏幕的內部結構，了解其中的原理。

平板顯示屏

想要知道屏幕的顯示原理，我們還得從以下開始了解

一.什麼是液晶

我們從自然界中常見的的物質三態——固態、液態、氣態說起。在通常狀況下，物質呈現三態的原因可以從微觀結構去認識它，例如我們看到的固體如食鹽晶體等，有一定的形狀和體積。

晶體原子結構

因它的分子在特定方向按固有規則排列緊密而整齊，平衡位置相對固定，只能在小範圍內振動，且各向異性；液體如水，其分子間距離較大，平衡位置隨時改變，活動範圍較廣，分子取向沒有規則，宏觀上表現為無一定形狀，但有一定體積，具有流動性；而氣體既無一定形狀，也無一定體積，其分子可自由運動。

流動的液體

物質世界中還存在著介於固態和液態之間的物質。它就是液晶。19世紀末奧地利植物學家賴尼策爾在研究一種叫做「膽甾醇苯甲酸酯」的有機物時，發現它被加熱到145.5℃時，熔化成一種渾濁的液體，在178.5℃突然全部變成透明液體。當冷卻時，呈現出藍紫色，不久後即自行消失，再次呈現混濁狀液體，繼續冷卻，再次出現藍紫色，然後固化成白色的晶體。面對這樣的現象賴尼策爾無法解釋，於是他將樣品及觀察記錄寄給德國物理學家勒曼。勒曼研究後認為這是流動的晶體，並給這種形態的物質取名為「液晶」。現在已發現幾千種有機化合物具有液晶態，它是介於固態與液態之間的中間態。與液體分子模型相比較，液晶分子沒有位置序，但有取向序即分子取向十分一致。

不同物質狀態分子結構

幾種液晶分子結構

綜合而言，所謂液晶，是指其形狀像液體，而其微觀結構和光學性質又完全類似於晶體的一類物質。那麼它又是如何在顯示器中發揮作用的呢？

我們先從簡單應用的來了解

二.液晶的黑白態顯示原理

人們已經發現液晶具有許多性質和效應，如電光效應、熱光效應、光電效應、超聲效應和理化效應等液晶顯示主要利用液晶的電光效應所謂「電光效應」是指在電場的作用下，液晶光學性質的變化。下面介紹液晶如何在顯示屏中發揮作用，首先，液晶必須裝在由玻璃構成的液晶盒內。

液晶盒及內部晶體

上圖是液晶盒的結構示意圖。兩塊標準的平面平行度極好的平板玻璃，稱為玻璃板。在上下玻璃板的外側裝有偏振膜，或稱偏振片，偏振片的作用就是讓與偏振片的方向平行的光波通過，只有光波振動方向與偏振片的縫一致的光才能通過，因此可以將具有光源中具有各個取向的光波過濾為單一取向的光波。由於上下兩個偏振光片相互垂直，通過第一片偏振片的光波想要通過第二片偏振片光波需要旋轉90 才行，於是就到了液晶發揮它的旋光作用，通過在液晶的上下兩邊加上不同的電場來改變內部液晶的行為。為了給液晶加電場，要在玻璃板的內表面裝上二氧化錫透明電極，電極的形狀可根據顯示的需要設計成各種形狀，為了使液晶分子能連續扭曲成90°，要對液晶盒內表面做沿面排列處理，這樣一個液晶盒就完成了。最後在液晶盒內填入添加了旋光物質的液晶，四周再用膠框粘接，液晶盒就成為液晶顯示器了。由於內部的液晶分子具有旋光性，可將通過偏振光的光波方向旋轉90 ，再通過下部的偏振片，於是我們便看見了光亮的背景。當我們在液晶兩邊外加電場，在電場的作用下，液晶消除了原來的扭曲狀態，液晶分子有序排成一個平面，與上下電極面相互垂直。入射偏振光的振動方向在穿過液晶時保持原來的狀態不變，即入射光的振動方向與下偏振片的偏振化方向垂直，入射光將被吸收，因而沒有光被反射回來，也就看不到反射板，於是電極部位呈暗態，與不加電場的情景正好相反。

在黑白液晶的實際使用中，常用的是七段數字顯示方式，如圖所示。

七段數字顯示器

變化的數字顯示

數字的筆畫由相互分離的七段透明電極組成，並使每個電極與解碼電路連接，這樣解碼電路的狀態就可以通過七段顯示器用阿拉伯透明電極引線數字顯示出來這種顯示都有一段相對穩定的時間，故稱靜態顯示。

顯示的方式有正顯示與負顯示。當電極間加上一定電壓後，有電壓的那幾段就會變為暗態，從而顯示出一組白底黑字的數字，這種顯示叫正顯示，通常用的液晶電子手錶，袖珍計算器均為正顯示型數字顯示器。如果使兩偏振片的偏振化方向平行，則不加電壓時，入射光被吸收，我們得到的是黑色背景。在需要顯示數字的電極上加上電壓，則偏振光能夠通過液晶，並被反射回來，於是我們可以看到白色的數字呈現在黑背景上，形成黑底白字的負顯示型數字顯示器。同樣，根據實際需要，精巧地製作各種各樣的電極，還可實現對文字，符號以及圖像的液晶顯示。

三.液晶的動態黑白動態顯示原理

動態顯示常採用點陣式矩陣顯示方式。將電極做成平行狀，並使上玻璃片的電極和下玻璃片的電極成立體正交結構。這樣相互交叉的部分就是點陣式像元，如圖中用小方塊表示。當x方向的電極和y方向的電極條數都為n時，用2n個電極就可以構成n 個像元。當像元的面積越小，單位面積內數量越多，顯示的圖像就越細膩。

液晶像元

當x方向的電極從上到下按時間順序逐行掃描，y方向的電極按顯示信號加上選與非選的信號，那麼所有選通點都呈亮態，其餘呈暗態。由於x方向電極的掃描速度很快，所以選通點將不斷變化，由於時間間隔很小，利用視覺暫留，可以使觀察者看到一幅完整的畫面。逐行掃描的過程與陰極射線顯像管的行掃描過程十分類似，當x方向的電極由上而下逐行掃描次，完成一幀這樣不斷地掃描，同時給列電極加上選或非選的信號就實現了所有像元的顯示功能。如果在行電極完成的n幀掃描期間，列電極不斷地重複每幀期間的選擇信號波形，就可以在顯示屏上獲得一幅靜態的畫面。如果列電極的選擇信號波形一幀與一幀不同，這樣就形成了動態的畫面。下圖便是通過電極的快速掃描顯示的出絢麗的黑白動畫。

動態黑白顯示照片

以上便是黑白液晶顯示器的顯示原理，利用液晶旋光性來控制光線是否通過來改變明暗從而形成圖案。

四.彩色液晶屏的顯示原理

彩色液晶顯示與黑白顯示的原理類似，但是結構稍有變化，控制電路增多，擁有更多的像素點，每個像素點都由一個電晶體獨立控制。彩色顯示器所用光源一般置於屏幕內部，光源從內到外穿過液晶形成光亮的圖案。

下面我們就來簡單講解TFT—LCD液晶屏的結構及顯示原理。

TFT—LCD液晶屏的結構

TFT—LCD液晶屏在結構上由裡到外主要由背光源、偏光片、透明電極（控制電路）、液晶、彩色濾光片、偏光片所構成。

液晶的光學效果

液晶包含在兩個槽狀表面中間，且槽的方向互相垂直，如下圖所示，上下表面偏振片偏振方向相互垂直，液晶分子的排列為：上表面為縱向，下表面為橫向，介於上下表面中間的分子產生旋轉的效應，因此，液晶分子在兩槽狀表面間產生90 的旋轉。

當線性偏振光射入上層槽狀表面時，此光線隨著液晶分子的旋轉也產生旋轉；當線性偏振光射出下層槽狀表面時，此光線已經產生了90 的旋轉。當在上下表面之間加電壓時，液晶分子會順著電場方向排列，形成直立排列的現象。此時入射光線不受液晶分子影響，直線無法射出下表面。不同電壓值，決定液晶偏轉的角度。

那麼屏幕一般是內部LED作為光源，發射出白色的光線，那麼我們知道白光是由多種不同頻率光波組合而成光波。那麼我們可以通過濾光膜得到我們想要的顏色。雖然每一種顏色的可見光的波長有一定的範圍，但我們在處理顏色時並不需要將每一種波長的顏色都單獨表示。因為自然界中所有的顏色都可以用紅、綠、藍(RGB)這三種顏色波長的不同強度組合而得，這就是人們常說的三基色原理。因此，這三種光常被人們稱為三基色或三原色。通過濾光膜過濾出這三種顏色，再通過驅動電壓的改變調整液晶翻轉的角度,進而改變通過RGB子像素的光量,由加法混色的原理得到豐富的色彩表現。

RGB三基色

驅動電壓改變晶體的旋轉角度從而改變光通過率

彩色濾光膜

彩色濾光膜結構

彩色濾光膜的各像素對應液晶屏的各像素，每像素包含紅、綠、藍三個子像素，光線透過彩色濾光膜形成紅、綠、藍三基色分量，如圖上所示。

TFT—LCD電路控制原理

TFT—LCD電路的主要作用是控制液晶兩表面的電壓值，以控制液晶的偏轉角度，改變液晶分子對線性偏振光的扭轉角度，並通過前面偏光片的取向作用，最終實現控制通過光線的強弱。薄膜場效應電晶體（thin film transistor，TFT）對應控制的每一個子像素，薄膜電晶體TFT是開關器件，它的導通與截止狀態接近理想開關。以解析度為1024×768像素的顯示屏為例，每個像素由R、G、B三基色的子像素，即合計有1024×768×3 TFT電晶體。如下圖所示

1024×768解析度像素點

一個子像素控制電路

電晶體控制構架

控制面板

門極線有768，源極線有1024×3。控制電路採用分時驅動的方式，按順序分別置門極線高電平，從而控制打開該行 TFT電晶體，此時源極線上的電壓即加到該行液晶各子像素上，從而控制該行液晶的偏轉角度和最終實現光線的透射率的控制。

TFT—LCD顯示原理

以1024×768像素的液晶屏為例，液晶板後面的背光源投射出純白光源，光源經過第一個a方向的偏光片，過濾成a方向的偏極光，通過透明電極（TFT控制電路）,經過液晶，這時液晶分子偏轉角度和透射率受 TFT控制電路控制，通過液晶後，經過彩色濾光片，形成 1024×768×3束偏轉方向受控的RGB基色光線，再通過第二個b方向的偏光片，把偏轉方向受控的各束RGB基色光線過濾成強弱受控的RGB基色光線，投射出屏幕。通過改變驅動液晶的電壓值就可以控制最後出現的光線強度與色彩，並進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合。

上下偏振片偏振光方向相互垂直

五.彩色液晶屏顯示特點

可視角度

LCD 有視角各向異性和視角範圍比較小的弱點，寬視角技術一直是液晶技術的重要研究課題。這是因為當背光源之入射光通過偏光片!液晶及所謂的取向膜後，輸出光便具備了特定的方向特性，也就是說，大多數從屏幕射出的光具備了垂直方向。即如果偏離顯示屏法線方向觀察，對比度明顯下降，觀看一個全白的畫面，我們可能會看到黑色或是色彩失真。

不同角度下存在色差

響應時間

響應速度慢是液晶的一大弊病。液晶的響應時間表示液晶顯示器各像素點，對於信號輸入後的反應速度，就是每點由暗轉亮或由亮轉暗所需的時間，響應時間當然是越小越好。這樣用戶在觀看運動的畫面時就不會出現類似尾影拖拽的感覺。液晶顯示器的這項指標直接影響到對動態畫面的還原，跟其它顯示方式相比，液晶顯示器由於過長的響應時間，導致其在還原動態畫面時有比較明顯的拖尾現象，畫面不夠生動。

這是由於液晶顯示屏是利用液晶分子扭轉控制光的通斷，而液晶分子的扭轉需要一個過程，所以LCD顯示器的響應時間明顯比其它顯示方式長。特別在介於全黑、全白間的較小幅度灰階變化，需施加較小電壓來進行準確而精細的角度控制，因此液晶分子扭轉速度反而要慢一些。

因此屏幕刷新率還受液晶材料的限制，現在很多手機廠商就推出了很多高頻率刷新手機屏，顯示動畫更加細膩流暢，相信未來的顯示技術會更加多樣化，給我們帶來更佳的體驗感。

世界之大，只有你想不到，沒有做不到。

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比心

編輯：zeng