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構(gòu)造

  液晶顯示器構(gòu)造圖

液晶顯示器的每個(gè)像素由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：懸浮于兩個(gè)透明電極（氧化銦錫）間的一列液晶分子層，兩邊外側(cè)有兩個(gè)偏振方向互相垂直的偏振過濾片。如果沒有電極間的液晶，光通過其中一個(gè)偏振過濾片其偏振方向?qū)⒑偷诙€(gè)偏振片完全垂直，因此被完全阻擋了。但是如果通過一個(gè)偏振過濾片的光線偏振方向被液晶旋轉(zhuǎn)，那么它就可以通過另一個(gè)偏振過濾片。液晶對(duì)光線偏振方向的旋轉(zhuǎn)可以通過靜電場(chǎng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制。

液晶分子極易受外加電場(chǎng)的影響而產(chǎn)生感應(yīng)電荷。將少量的電荷加到每個(gè)像素或者子像素的透明電極產(chǎn)生靜電場(chǎng)，則液晶的分子將被此靜電場(chǎng)誘發(fā)感應(yīng)電荷并產(chǎn)生靜電扭力，而使液晶分子原本的旋轉(zhuǎn)排列產(chǎn)生變化，因此也改變通過光線的旋轉(zhuǎn)幅度。改變一定的角度，從而能夠通過偏振過濾片。

在將電荷加到透明電極之前，液晶分子的排列被電極表面的排列決定，電極的化學(xué)物質(zhì)表面可作為晶體的晶種。在最常見的TN液晶中，液晶上下兩個(gè)電極垂直排列。液晶分子螺旋排列，通過一個(gè)偏振過濾片的光線在通過液芯片后偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而能夠通過另一個(gè)偏振片。在此過程中一小部分光線被偏振片阻擋，從外面看上去是灰色。將電荷加到透明電極上后，液晶分子將幾乎完全順著電場(chǎng)方向平行排列，因此透過一個(gè)偏振過濾片的光線偏振方向沒有旋轉(zhuǎn)，因此光線被完全阻擋了。此時(shí)像素看上去是黑色。通過控制電壓，可以控制液晶分子排列的扭曲程度，從而達(dá)到不同的灰度。

有些液晶顯示器在交流電作用下變黑，交流電破壞了液晶的螺旋效應(yīng)，而關(guān)閉電流后，液晶顯示器會(huì)變亮或者透明，這類液晶顯示器常見于筆記本電腦與平價(jià)液晶顯示器上。另一類常應(yīng)用于高清液晶顯示器或大型液晶電視上的液晶顯示器則是在關(guān)閉電源時(shí)，液晶顯示器為不透光的狀態(tài)。

為了省電，液晶顯示器采用復(fù)用的方法，在復(fù)用模式下，一端的電極分組連接在一起，每一組電極連接到一個(gè)電源，另一端的電極也分組連接，每一組連接到電源另一端，分組設(shè)計(jì)保證每個(gè)像素由一個(gè)獨(dú)立的電源控制，電子設(shè)備或者驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的軟件通過控制電源的開/關(guān)序列，從而控制像素的顯示。

檢驗(yàn)液晶顯示器的指標(biāo)包括以下幾個(gè)重要方面：顯示大小、反應(yīng)時(shí)間（同步速率）、陣列類型（主動(dòng)和被動(dòng)）、視角、所支持的顏色、亮度和對(duì)比度、分辨率和屏幕高寬比、以及輸入接口（例如視覺接口和視頻顯示陣列）。

簡(jiǎn)史

1888年，奧地利化學(xué)家弗里德里?！とR尼澤發(fā)現(xiàn)了液晶及其特殊的物理特性。

第一臺(tái)可操作的液晶顯示器基于動(dòng)態(tài)散射模式（Dynamic Scattering Mode，DSM），美國無線電公司喬治·海爾曼帶領(lǐng)的小組開發(fā)了這種液晶顯示器。海爾曼創(chuàng)建了奧普泰公司，這個(gè)公司開發(fā)了一系列基于這種技術(shù)的的液晶顯示器。

1970年12月，液晶的旋轉(zhuǎn)向列場(chǎng)效應(yīng)在瑞士被仙特和赫爾弗里希于霍夫曼-勒羅克中央實(shí)驗(yàn)室注冊(cè)為專利。但于前一年的1969年，詹姆士·福格森在美國俄亥俄州肯特州立大學(xué)便已發(fā)現(xiàn)了液晶的旋轉(zhuǎn)向列場(chǎng)效應(yīng)，于1971年2月在美國注冊(cè)了相同的專利。1971年，他的公司（ILIXCO）生產(chǎn)了第一臺(tái)基于這種特性的液晶顯示器，很緩存代了性能較差的DSM型液晶顯示器。在1985年之后，這一發(fā)現(xiàn)才產(chǎn)生了商業(yè)價(jià)值。1973年，日本的夏普公司首次將它運(yùn)用于制作電子計(jì)算器的數(shù)字顯示。在2010年代，液晶顯示器已經(jīng)成為所有電腦的主要顯示設(shè)備。

顯示原理

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  JR東日本山手線運(yùn)行信息畫面

在不加電壓下，光線會(huì)沿著液晶分子的間隙前進(jìn)而轉(zhuǎn)折90度，所以光可通過。但加入電壓后，光順著液晶分子的間隙直線前進(jìn)，因此光被濾光板所阻隔。

液晶是具有流動(dòng)特性的物質(zhì)，所以只需外加很微小的力量即可使液晶分子運(yùn)動(dòng)，以最常見普遍的向列型液晶為例，液晶分子可輕易的借著電場(chǎng)作用使得液晶分子轉(zhuǎn)向，由于液晶的光軸與其分子軸相當(dāng)一致，故可借此產(chǎn)生光學(xué)效果，而當(dāng)加于液晶的電場(chǎng)移除消失時(shí)，液晶將借著其本身的彈性及黏性，液晶分子將十分迅速的恢復(fù)原來未加電場(chǎng)前的狀態(tài)。

透射和反射顯示

液晶顯示器可透射顯示，也可反射顯示，決定于它的光源放哪里。

透射型液晶顯示器由一個(gè)屏幕背后的光源照亮，而觀看則在屏幕另一邊（前面）。這種類型的LCD多用在需高亮度顯示的應(yīng)用中，例如電腦顯示器、PDA和手機(jī)中。用于照亮液晶顯示器的照明設(shè)備的功耗往往高于液晶顯示器本身。

反射型液晶顯示器，常見于電子鐘表和計(jì)算器中，（有時(shí)候）由后面的散射的反射面將外部的光反射回來照亮屏幕。這種類型的液晶顯示器具有較高的對(duì)比度，因?yàn)楣饩€要經(jīng)過液晶兩次，所以被削減了兩次。不使用照明設(shè)備明顯降低了功耗，因此使用電池的設(shè)備電池使用更久。因?yàn)樾⌒偷姆瓷湫鸵壕э@示器功耗非常低，以至于光電池就足以給它供電，因此常用于袖珍型計(jì)算器。

半穿透反射式液晶顯示器既可以當(dāng)作透射型使用，也可當(dāng)作反射型使用。當(dāng)外部光線很足的時(shí)候，該液晶顯示器按照反射型工作，而當(dāng)外部光線不足的時(shí)候，它又能當(dāng)作透射型使用。

彩色顯示

  彩色液晶顯示器的一個(gè)亞像素結(jié)構(gòu)

  液晶顯示器上的像素放大圖

  眼鏡型液晶顯示器（概念產(chǎn)品）

液晶顯示器技術(shù)也是根據(jù)電壓的大小來改變亮度，每個(gè)液晶顯示器的子圖元顯示的顏色取決于色彩篩檢程序。由于液晶本身沒有顏色，所以用濾色片產(chǎn)生各種顏色，而不是子圖元，子圖元只能通過控制光線的通過強(qiáng)度來調(diào)節(jié)灰階，只有少數(shù)主動(dòng)矩陣顯示采用類比信號(hào)控制，大多數(shù)則采用數(shù)字信號(hào)控制技術(shù)。大部分?jǐn)?shù)字控制的液晶顯示器都采用了八位控制器，可以產(chǎn)生256級(jí)灰階。每個(gè)子圖元能夠表現(xiàn)256級(jí)，那么你就能夠得到256 種色彩，每個(gè)圖元能夠表現(xiàn)16,777,216種成色。因?yàn)槿说难劬?duì)亮度的感覺并不是線性變化的，人眼對(duì)低亮度的變化更加敏感，所以這種24位的色度并不能完全達(dá)到理想要求，工程師們利用脈沖電壓調(diào)節(jié)的方法以使色彩變化看起來更加統(tǒng)一。

彩色液晶顯示器中，每個(gè)像素分成三個(gè)單元，或稱子像素，附加的濾光片分別標(biāo)記紅色，綠色和藍(lán)色。三個(gè)子像素可獨(dú)立進(jìn)行控制，對(duì)應(yīng)的像素便產(chǎn)生了成千上萬甚至上百萬種顏色。老式的CRT采用同樣的方法顯示顏色。根據(jù)需要，顏色組件按照不同的像素幾何原理進(jìn)行排列。

主動(dòng)陣列和被動(dòng)陣列

常見于電子表及口袋型計(jì)算機(jī)的以少量片段構(gòu)成之液晶顯示器，其各片段均具有單一電極接點(diǎn)。一個(gè)外部專用電路提供電荷到每一個(gè)控制單元，這種顯示結(jié)構(gòu)在有較多顯示單位（如液體顯示屏）時(shí)會(huì)顯得笨重。小型單色顯示器，例如PDA上的或舊型筆記本電腦屏幕的被動(dòng)數(shù)組液晶顯示器，即應(yīng)用超扭轉(zhuǎn)向列（STN）或雙層超扭轉(zhuǎn)向列（DSTN）技術(shù)（DSTN修正STN的色彩偏差問題）。

顯示器上的每一行或列都有一個(gè)獨(dú)立的電路，每一個(gè)像素的位置也要一個(gè)行和列同時(shí)指定，這類顯示方式稱為“被動(dòng)數(shù)組”，因?yàn)槊恳粋€(gè)像素也要在更新前記著各自的狀態(tài)，此時(shí)每像素也是沒有穩(wěn)定的電荷供應(yīng)。當(dāng)像數(shù)增加時(shí)，相對(duì)的行和列數(shù)目也會(huì)增加，這種顯示方式變得更難使用，以被動(dòng)數(shù)組所制造的液晶顯示器特性為非常慢的反應(yīng)時(shí)間及低對(duì)比度。

現(xiàn)行高分辨率彩色顯示器，例如電腦屏幕或電視，皆為主動(dòng)數(shù)組。薄膜晶體管液晶顯示器會(huì)被添加到偏光板與色彩濾鏡上。每個(gè)像素都有自己的晶體管，允許操控單一像素。當(dāng)一條列線路被打開時(shí)，所有行線路會(huì)連接到一整列（row）的像素，而每條行線會(huì)有正確的電壓驅(qū)動(dòng)，這條列線路會(huì)關(guān)掉而另一列（row）被打開。在一次完整的畫面更新運(yùn)作中，所有列線路會(huì)依照時(shí)間序列被打開。同等大小的主動(dòng)數(shù)組顯示器比起被動(dòng)數(shù)組顯示器會(huì)顯得更亮更銳利，而且有短的反應(yīng)時(shí)間。

質(zhì)量控制

有些液晶屏幕面板中含有缺陷的晶體管而造成永久性的亮點(diǎn)與暗點(diǎn)。跟IC不同的是液晶面板即使有壞點(diǎn)依舊可以正常顯示，這也可以避免只因出現(xiàn)少數(shù)壞點(diǎn)而將比IC面積還要大很多的液晶面板丟棄形成浪費(fèi)。面板制造商有不同的壞點(diǎn)判定標(biāo)準(zhǔn)。

因?yàn)槌叽巛^大，液晶顯示器面板比IC電路板更容易有缺陷。譬如12吋的SVGA LCD有8個(gè)壞點(diǎn)，而六吋晶圓只有3個(gè)缺陷。但是，一片可分區(qū)為137顆IC的晶圓上出現(xiàn)3顆廢品并不是很糟糕，而拋棄這塊液晶面板的話就意味著0%的產(chǎn)出。由于制造商之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，現(xiàn)時(shí)質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)提高。如果液晶屏幕擁有四個(gè)或以上的壞點(diǎn)是比較容易察覺到的，因此顧客可以要求更換新的一臺(tái)。液晶屏幕的壞點(diǎn)位置同樣是不可忽略的。生產(chǎn)商常會(huì)因毀損像素在屏幕中央?yún)^(qū)域而降低標(biāo)準(zhǔn)。有些生產(chǎn)商則提供零壞點(diǎn)保證。

耗電量

主動(dòng)矩陣式液晶顯示器的電功率比CRT小。事實(shí)上，它已經(jīng)成為便攜式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)顯示器，從PDA到筆記本電腦均廣泛運(yùn)用。但是液晶顯示器技術(shù)的效率還是太低：即使你將屏幕顯示白色，從背景光源中發(fā)射的光也只有不到10%穿過屏幕發(fā)出，其他的都被吸收。所以目前新型的等離子顯示器的耗電量已經(jīng)比同面積的液晶顯示器低。

PDA，如Palm和CompaqiPAQ常使用反射顯示器。這意味著環(huán)境光射進(jìn)顯示器中，穿過極化的液晶層，碰撞反射層，再反射出來顯示成圖像。據(jù)估計(jì)，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(jìn)，但已足以提供可視視頻需要的對(duì)比度。單向反射和反射顯示器使得不同光照條件下耗費(fèi)最少能源使用液晶顯示器成為可能。

零功率顯示器

  扭轉(zhuǎn)向列型（TN）液晶顯示面板的結(jié)構(gòu) 1.垂直方向的偏振片極化入射光； 2.玻璃基版上帶有氧化銦錫（ITO）的透明電極。透明電極的形狀，將決定打開液晶顯示器電源后，光線不通過而顯示暗色的地址。垂直的條紋被蝕刻在基版上，這樣子液晶的排列方向，就會(huì)與偏振后的入射光同向； 3.扭轉(zhuǎn)向列型（TN）液晶； 4.帶有共同透明電極薄膜（ITO）的玻璃基版，水平的條紋被蝕刻在基版上，使液晶的排列方向成為水平； 5.水平偏向的偏振片，可以阻擋或使光線通過； 6.反射面將光線反射回觀察者。

在2000年開發(fā)出零功率顯示器，可以在待機(jī)時(shí)不需要使用電力，但是這個(gè)技術(shù)目前無法量產(chǎn)。法國的Nemoptic公司開發(fā)出另一個(gè)零功率薄型液晶顯示技術(shù)，而該技術(shù)在2003年7月在我國臺(tái)灣量產(chǎn)。此技術(shù)針對(duì)像是電子書和便攜式電腦這類的低耗能的移動(dòng)設(shè)備。零功率液晶顯示器也跟電子紙競(jìng)爭(zhēng)。

TFT-LCD

TFT-LCD即是Thin film transistor liquid crystal display的縮寫（薄膜晶體管液晶顯示器）。

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