為什么液晶能顯像

時(shí)間：2024-09-03 16:53:09 少兒百科

為什么液晶能顯像

　　現(xiàn)在幾乎家家戶戶都有一個(gè)液晶顯示屏的電視了，電視帶給我們很多的快樂(lè)，同時(shí)也能夠讓我們打發(fā)掉很多無(wú)聊的時(shí)間，最讓我們覺(jué)得好奇的是為什么電視能夠顯示圖像呢?下面就來(lái)和小編一起來(lái)了解一下吧。

　　為什么液晶能顯像?

　　液態(tài)晶體是處在液體與晶體之間的一種有機(jī)化合物,既具有液體的流動(dòng)性，又具有晶體的光學(xué)性質(zhì)，簡(jiǎn)稱“液晶”。液晶分子的排列是有一定規(guī)則的，但當(dāng)外界磁場(chǎng)或者溫度發(fā)生變化時(shí)，它的分子排列會(huì)發(fā)生變化，從而影響到它的光學(xué)性能。科學(xué)家們利用液晶的這種特性，通過(guò)控制液晶內(nèi)部的擾動(dòng)范圍的大小、形狀和部位，達(dá)到顯示數(shù)字和圖像的目的。液晶顯示器中的液晶是夾在兩塊玻璃之間的。它的顯示原理是當(dāng)電壓加在液晶的某個(gè)點(diǎn)上時(shí)，該點(diǎn)便變黑。液晶顯示器的后面有發(fā)光裝置，為液晶顯示提供背景光。這是因?yàn)橐壕е环瓷涔猓?dāng)環(huán)境黑暗的時(shí)候，沒(méi)有背景光就看不見(jiàn)顯示。

　　1. 什么是液晶

　　液晶顯示器是以液晶材料為基本組件，由于液晶是介于固態(tài)和液態(tài)之間，不但具有固態(tài)晶體光學(xué)特性，又具有液態(tài)流動(dòng)特性，所以已經(jīng)可以說(shuō)是一個(gè)中間相。而要了解液晶的所產(chǎn)生的光電效應(yīng)，我們必須來(lái)解釋液晶的物理特性，包括它的黏性（visco-sity）與彈性（elasticity）和其極化性（polarizalility）。液晶的黏性和彈性從流體力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，可說(shuō)是一個(gè)具有排列性質(zhì)的液體，依照作用力量不同的方向，應(yīng)該有不同的效果。就好像是將一把短木棍扔進(jìn)流動(dòng)的河水中，短木棍隨著河水流著，起初顯得凌亂，過(guò)了一會(huì)兒，所有短木棍的長(zhǎng)軸都自然的變成與河水流動(dòng)的方向一致，這表示著次黏性最低的流動(dòng)方式，也是流動(dòng)自由能最低的一個(gè)物理模型。

　　此外，液晶除了有黏性的反應(yīng)外，還具有彈性的反應(yīng)，它們都是對(duì)于外加的力量，呈現(xiàn)了方向性的效果。也因此光線射入液晶物質(zhì)中，必然會(huì)按照液晶分子的排列方式行進(jìn)，產(chǎn)生了自然的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)像。至于液晶分子中的電子結(jié)構(gòu)，都具備著很強(qiáng)的電子共軛運(yùn)動(dòng)能力，所以當(dāng)液晶分子受到外加電場(chǎng)的作用，便很容易的被極化產(chǎn)生感應(yīng)偶極性（induced dipolar），這也是液晶分子之間互相作用力量的來(lái)源。而一般電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，就是是利用液晶的光電效應(yīng)，藉由外部的電壓控制，再透過(guò)液晶分子的折射特性，以及對(duì)光線的旋轉(zhuǎn)能力來(lái)獲得亮暗情況（或著稱為可視光學(xué)的對(duì)比），進(jìn)而達(dá)到顯像的目的。

　　2. 液晶顯示器的種類

　　液晶顯示器，英文通稱為L(zhǎng)CD（Liquid Crystal Display），是屬于平面顯示器的一種，依驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分類可分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（Static）、單純矩陣驅(qū)動(dòng)（Simple Matrix）以及主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)（Active Matrix）三種。其中，被動(dòng)矩陣型又可分為扭轉(zhuǎn)式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭轉(zhuǎn)式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其它被動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)液晶顯示器；而主動(dòng)矩陣型大致可區(qū)分為薄膜式晶體管型（Thin Film Transistor；TFT）及二端子二極管型（Metal/Insulator/Metal；MIM）二種方式。

　　TN、STN及TFT型液晶顯示器因其利用液晶分子扭轉(zhuǎn)原理之不同，在視角、彩色、對(duì)比及動(dòng)畫(huà)顯示品質(zhì)上有高低程次之差別，使其在產(chǎn)品的應(yīng)用范圍分類亦有明顯區(qū)隔。以目前液晶顯示技術(shù)所應(yīng)用的范圍以及層次而言，主動(dòng)式矩陣驅(qū)動(dòng)技術(shù)是以薄膜式晶體管型（TFT）為主流，多應(yīng)用于筆記型計(jì)算機(jī)及動(dòng)畫(huà)、影像處理產(chǎn)品。而單純矩陣驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前則以扭轉(zhuǎn)向列（TN）、以及超扭轉(zhuǎn)向列（STN）為主，目前的應(yīng)用多以文書(shū)處理器以及消費(fèi)性產(chǎn)品為主。在這之中，TFT液晶顯示器所需的資金投入以及技術(shù)需求較高，而TN及STN所需的技術(shù)及資金需求則相對(duì)較低。 5. 液晶顯示器的運(yùn)作原理。

　　如以上所提，目前液晶顯示技術(shù)大多以TN、STN、TFT三種技術(shù)為主軸，因此我們就這從這三種技術(shù)來(lái)探討它們的運(yùn)作原理。

　　TN型的液晶顯示技術(shù)可說(shuō)是液晶顯示器中最基本的，而之后其它種類的液晶顯示器也可說(shuō)是以TN型為原點(diǎn)來(lái)加以改良。同樣的，它的運(yùn)作原理也較其它技術(shù)來(lái)的簡(jiǎn)單，請(qǐng)讀者參照下方的圖片。圖中所表示的是TN型液晶顯示器的簡(jiǎn)易構(gòu)造圖，包括了垂直方向與水平方向的偏光板，具有細(xì)紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導(dǎo)電的玻璃基板。

　　其顯像原理是將液晶材料置于兩片貼附光軸垂直偏光板之透明導(dǎo)電玻璃間，液晶分子會(huì)依配向膜的細(xì)溝槽方向依序旋轉(zhuǎn)排列，如果電場(chǎng)未形成，光線會(huì)順利的從偏光板射入，依液晶分子旋轉(zhuǎn)其行進(jìn)方向，然后從另一邊射出。如果在兩片導(dǎo)電玻璃通電之后，兩片玻璃間會(huì)造成電場(chǎng)，進(jìn)而影響其間液晶分子的排列，使其分子棒進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，光線便無(wú)法穿透，進(jìn)而遮住光源。這樣所得到光暗對(duì)比的現(xiàn)象，叫做扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)，簡(jiǎn)稱TNFE（twisted nematic field effect）。在電子產(chǎn)品中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)原理所制成。

　　STN型的顯示原理也似類似，如下圖，不同的是TN扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)的液晶分子是將入射光旋轉(zhuǎn)90度，而STN超扭轉(zhuǎn)式向列場(chǎng)效應(yīng)是將入射光旋轉(zhuǎn)180~270度。

　　要在這邊說(shuō)明的是，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形（或稱黑白），并沒(méi)有辦法做到色彩的變化。而STN液晶顯示器牽涉液晶材料的關(guān)系，以及光線的干涉現(xiàn)象，因此顯示的色調(diào)都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統(tǒng)單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片（color filter），并將單色顯示矩陣之任一像素（pixel）分成三個(gè)子像素（sub-pixel），分別透過(guò)彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，再經(jīng)由三原色比例之調(diào)和，也可以顯示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶顯示器如果顯示屏幕做的越大，其屏幕對(duì)比度就會(huì)顯得較差，不過(guò)藉由STN的改良技術(shù)，則可以彌補(bǔ)對(duì)比度不足的情況。

　　3. 液晶屏幕的驅(qū)動(dòng)方式

　　在TN與STN型的液晶顯示器中，所使用單純驅(qū)動(dòng)電極的方式，都是采用X、Y軸的交叉方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，如下圖所示，因此如果顯示部份越做越大的話，那么中心部份的電極反應(yīng)時(shí)間可能就會(huì)比較久。而為了讓屏幕顯示一致，整體速度上就會(huì)變慢。講的簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就好像是CRT顯示器的屏幕更新頻率不夠快，那是使用者就會(huì)感到屏幕閃爍、跳動(dòng)；或著是當(dāng)需要快速3D動(dòng)畫(huà)顯示時(shí)，但顯示器的顯示速度卻無(wú)法跟上，顯示出來(lái)的要果可能就會(huì)有延遲的現(xiàn)象。所以，早期的液晶顯示器在尺寸上有一定的限制，而且并不適合拿來(lái)看電影、或是玩3D游戲。

　　為了改善此一情形，后來(lái)液晶顯示技術(shù)采用了主動(dòng)式矩陣（active-matrix addressing）的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，這是目前達(dá)到高數(shù)據(jù)密度液晶顯示效果的理想裝置，且分辨率極高。方法是利用薄膜技術(shù)所做成的硅晶體管電極，利用掃描法來(lái)選擇任意一個(gè)顯示點(diǎn)（pixel）的開(kāi)與關(guān)。這其實(shí)是利用薄膜式晶體管的非線性功能來(lái)取代不易控制的液晶非線性功能。

　　在TFT型液晶顯器中，導(dǎo)電玻璃上畫(huà)上網(wǎng)狀的細(xì)小線路，電極則由是薄膜式晶體管所排列而成的矩陣開(kāi)關(guān)，在每個(gè)線路相交的地方則有著一弄控制匣，雖然驅(qū)動(dòng)訊號(hào)快速地在各顯示點(diǎn)掃瞄而過(guò)，但只有電極上晶體管矩陣中被選擇的顯示點(diǎn)得到足以驅(qū)動(dòng)液晶分子的電壓，使液晶分子軸轉(zhuǎn)向而成「亮」的對(duì)比，不被選擇的顯示點(diǎn)自然就是「暗」的對(duì)比，也因此避免了顯示功能對(duì)液晶電場(chǎng)效應(yīng)能力的依靠。TFT型液晶顯示器的運(yùn)作原理。

　　TFT型的液晶顯示器較為復(fù)雜，主要的構(gòu)成包括了，熒光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶體管等等。首先液晶顯示器必須先利用背光源，也就是熒光燈管投射出光源，這些光源會(huì)先經(jīng)過(guò)一個(gè)偏光板然后再經(jīng)過(guò)液晶，這時(shí)液晶分子的排列方式進(jìn)而改變穿透液晶的光線角度。然后這些光線接下來(lái)還必須經(jīng)過(guò)前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強(qiáng)度與色彩，并進(jìn)而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合了。

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