毕业论文-液晶的物理特性及其应用研究

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板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色如图3.1左所示。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，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色如图3.1右所示。液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。

图3.1 液晶显示盒工作原理

3.2 液晶显示器的工作原理

在工业控制中，显示器件向来是很重要的一环，随着科技的迅速发展，显示器件的种类也是越来越多，目前主流的显示器件就是液晶显示器。

液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。

液晶显示器按其液晶材料分为三类：TN型液晶显示器、STN型液晶显示器、TFT型液晶显示器。下面分别介绍其工作原理。

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3.2.1 TN型液晶显示原理

TN型的液晶显示技术可说是液晶显示器中最基本的，而之后其它种类的液 晶显示器也可说是以TN型为原点来加以改良。同样的，它的运作原理也较其它技术来的简单。不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度，离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，因此光线能顺利通过，整个电极面呈光亮。当加入电场的情况时，每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致，液晶层因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏光片的偏光，其偏光方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系，并无法通过，电极面因此呈现黑暗的状态。其显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应。在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成 3.2.2 STN液晶显示原理

STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180~270度。要在这里说明的是，单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形，并没有办法做到色彩的变化。而STN液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。但如果在传统单色STN液晶显示器加上一个彩色滤光片，并将单色显示矩阵之任一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。

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3.2.3 TFT液晶显示原理

TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括了，萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。首先液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板，然后再经过液晶，这时液晶分子的排列方式进而改变穿透液晶的光线角度。然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光膜与另一块偏光板。因此我们只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上变化出有不同深浅的颜色组合了。 3.3 液晶显示技术指标 3.3.1 视角

在传统的阴极射线管(Cathode Ray Tube, 简称CRT)显示器或电视机中，图像的显示是通过发光物体-磷来实现的，光线从这一层向各个方向发射，只是强弱稍有不同而已。因此，你可以从一个很大的可视角范围来观看屏幕，无论从哪个角度去观察，显示的亮度、色彩都和正视效果相近。

LCD和其它大多数显示技术，都需要强的背景光线穿过液晶层或者其它显示层来形成图像，从而完成图像的传递过程。LCD的特性决定了它所需的背景光是定向的。举一个形象的例子来说，就好比你手中握有一把吸管，它们的一端对准光源。如果你通过另一端直视吸管，你将会看到光源射出的光线。但是如果你稍微移开眼睛，从其它的方向去看的话，你就无法观察到光线了。LCD技术正是如此。虽然液晶分子并不像吸管一样是中空的，但是它们的有序排列阻止了光线向其它方向发射。 3.3.2 反应速度

LCD单元在控制信号到达与变化完成之间存在滞后现象，这使得LCD在显示快速移动图像时与CRT相比具有一种先天的缺陷。

CRT的电子枪发射电子束到被激发的荧光粉发光之间几乎是瞬间的。而

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LCD要更慢。这种时间滞后被称“反应时间”，其单位通常是毫秒。被动矩阵显示器响应时间很长，约有150毫秒或更多，所以不适于显示诸如电影的移动画面。

在主动矩阵显示器中像素响应时间随设计的不同而异，主要受到几个因素影响，包括用来驱动单元的电压，单元的厚度和使用的液晶材料。标准的主动矩阵显示器一般有40毫秒的响应时间，也就是说每秒能显示25帧。平面内转换增加了可视角度，但显示会变慢，一般有70毫秒反应时间。显示器更快一些，有25毫秒反应时间。 3.3.3 耗电量

主动矩阵式LCD显示器与CRT相比较小，需要很少的电量。事实上，它已经变成了便携式设备的标准显示器，从掌上电脑（PDA）到笔记型计算机均广泛运用。但不管怎样，LCD技术还是可悲的效率低下：即使你将屏幕显示白色，从背景光源中发射的光也只有不到10%穿过屏幕发出，其它的都被吸收。

笔记型计算机的低效迫使其设计者面临一些艰难的选择。如果你希望在户外这样强光环境下图像更明亮，你就需要一个更亮的背景光源，这将需要更多的电力。如果你使用的电池容量一定，更亮的背景光源就会在较短的时间内耗尽电源。 设计者用更大的电池容量解决这个问题，但是对于目前的电池技术来说，就意味着设备重量的增加，对消费者的吸引力就会下降。这三者之间的三角平衡推动着显示器、电池及节能技术的研究。 3.3.4 显示色彩

LCD显示的一个重要的技术指标是显示色彩。

CRT显示器所能表现出的色彩几乎是无穷的，因为它是模拟设备。只需改变红绿蓝三种模拟信号的强度，你就可以得到不同的色彩。每个LCD的子像素显示的颜色取决于色彩过滤器。由于液晶其本身没有颜色，所以用滤色片产生各种颜色，而不是子像素，子像素只能通过控制光线的通过强度来调节灰阶，只有少数主动矩阵显示采用模拟信号控制，大多数则采用数字信号控制技术。

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