概述液晶顯示器的工作原理、結(jié)構(gòu)、性能與采光方式

1)概述

液晶是一種有機(jī)化合物,又稱為液態(tài)晶體。它是某些有機(jī)物質(zhì)在一定溫度范圍內(nèi)所呈現(xiàn)的中間狀態(tài)。在這種狀態(tài),既具有液體的流動(dòng)性和連續(xù)性,又呈現(xiàn)某些晶體的光學(xué)性質(zhì),例如:光學(xué)各向異性、雙折射、圓雙向色散等,這種物質(zhì)在電場(chǎng)和溫度的作用下能產(chǎn)生各種特殊的電光效應(yīng)和熱光效應(yīng),利用這些效應(yīng)達(dá)到顯示目的。

一定的溫度范圍是每種液晶物質(zhì)自己特有的參數(shù),稱為該液晶的液晶相。如果溫度高于液晶相的上限(稱為透明點(diǎn)),液晶就變成普通的透明晶體,失去上述光學(xué)性質(zhì),稱為各向同性液;如果溫度低于液晶相的下限(稱為溶點(diǎn)),液晶就變成普通晶體,失去流動(dòng)性。

液晶有三種類型:近晶型、向列型和膽留型。它們各有特點(diǎn)和不同用途,目前用于數(shù)字顯亦的多為向列型液晶。

液晶數(shù)字顯示器是一種被動(dòng)式顯示元件,它本身不發(fā)光,而只是調(diào)制環(huán)境光,類似于印刷在紙上那樣的顯示。因此,與其他顯示器件相比有以下主要工作特點(diǎn):

①低電壓(36V),微功耗(0.3100μW)。同樣的顯示面積,其功耗比一般數(shù)碼管小幾十倍至幾百倍,適宜與C-MOS電路直接相配。可用于各種自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備數(shù)字顯示,尤其用于電池供電的攜帶式數(shù)字儀器較為理想。在應(yīng)用領(lǐng)域中,特別顯得有發(fā)展前途的是全電子數(shù)字手表和袖珍計(jì)算器。

②不怕亮光沖刷,可在室內(nèi)外明亮環(huán)境下使用,其顯示清晰度不會(huì)隨環(huán)境亮度增加而減弱,在太陽光下也能清晰地顯示。

③體積小、外形薄,為平板型顯示。例如手表用數(shù)字顯示器厚度一般為1.21.6mm,計(jì)算器顯示器厚度為1.62.2mm,儀器儀表屏厚度為2.2-5mm,引出線可用斑馬形導(dǎo)電橡膠引出,使用方便。

④顯示面積、字形大小和位數(shù),在一定范圍內(nèi)不受限制。液晶數(shù)字顯示器的弱點(diǎn)是:

響應(yīng)時(shí)間和余輝較長(zhǎng)(ms級(jí));在黑暗環(huán)境中不能顯示,需加輔助光源。

2)液晶顯示器工作原理、結(jié)構(gòu)、性能與采光方式

液晶數(shù)字顯示器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,如下圖所示。

扭曲-向列型液晶數(shù)字顯示器結(jié)構(gòu)圖

在內(nèi)表面刻有電極的兩塊平板玻璃中間注人約10μm厚的液晶薄層,即構(gòu)成液晶顯示器。字形顯示采用7片段顯示。

液晶數(shù)字顯示器按所用的電光效應(yīng)可分為動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)和扭曲-向列效應(yīng)二種,按采光方式可分為透射式和反射式。

①動(dòng)態(tài)散射型顯示器工作原理:電極未加電壓時(shí),液晶分子作有序排列,顯示器呈透明狀。當(dāng)兩塊對(duì)應(yīng)電極施加電壓超過液晶閾值電壓時(shí),液晶中離子團(tuán)(來自添加劑)的推動(dòng)足以擾亂液晶分子排列,使液晶折射率發(fā)生了變化,形成散射中心,從而使入射光發(fā)生強(qiáng)烈散射。于是原來透明電極部位就顯示出乳白色(類似磨砂玻璃),達(dá)到了顯示的目的,這就是動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)。當(dāng)電極電壓取消后,液晶分子即恢復(fù)原來的排列重新變?yōu)橥该?。若顯示器的前后電極均為透明,則稱為動(dòng)態(tài)散射型透射式顯示器,它須加一適當(dāng)后光源,以加強(qiáng)顯示的亮度和清晰度,后光源越強(qiáng)顯示效果越好。后光源應(yīng)安放在器件的斜后方,并加一黑色背景以增強(qiáng)對(duì)比度,這樣顯示效果較好。

如果把后電極改為金屬膜反射電極,前電極仍為透明電極,這稱為動(dòng)態(tài)散射型反射式顯示器。它不需要后光源,但必須充分利用環(huán)境光,并在整機(jī)適當(dāng)位置(器件的前上方)加一遮光罩,以造成黑色背景提髙對(duì)比度。

②扭曲-向列效應(yīng)。這種效應(yīng)屬于電場(chǎng)效應(yīng),是利用電場(chǎng)的開關(guān)來控制線性偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)與否,所以必須配備檢偏振器,目前使用的偏振器得到的是黑白對(duì)比度。

采用表面排列技術(shù),把刻有透明電極的玻璃進(jìn)行表面處理,使液晶分子在液晶盒內(nèi)的排列方向呈現(xiàn)90°扭曲。當(dāng)線性偏振光進(jìn)人扭曲液晶盒后,偏振面旋轉(zhuǎn)了90°,加上電場(chǎng)后,由于正介電各向異性,液晶分子的取向具有和電場(chǎng)方向排列一致的性質(zhì)。這時(shí)扭曲結(jié)構(gòu)消失,它的旋光作用也就消失,使得線性偏振光可以直接通過液晶盒;去掉電場(chǎng)后,液晶分子排列恢復(fù)扭曲結(jié)構(gòu),又使線性偏振光的偏振面旋轉(zhuǎn)90°。這種效應(yīng)叫做扭曲效應(yīng),其電光曲線如下圖所示。

扭曲效應(yīng)電光曲線圖

將扭曲液晶盒置于起、檢偏振器之間,改變起、檢偏振器的相對(duì)位置(正交或平行)就可得到白底黑字(稱之正常開啟式)或黑底白字(稱之為正常關(guān)閉式)的晶示形式。

這種效應(yīng)僅由分子的介電力矩造成,因而所需電壓極低,通常只有3V,電流極微,一般小于1μA或幾個(gè)μA,這就使扭曲型器件功耗極微小。利用扭曲效應(yīng)制作的顯示器件是目前最優(yōu)越、最有發(fā)展前途和用得最廣的液晶數(shù)字顯示器件。國外大量生產(chǎn)的液晶手表和袖珍計(jì)算器液晶顯示器就是采用這種扭曲效應(yīng)制作的,致使其他小型顯示器無法競(jìng)爭(zhēng)。

扭曲透射式器件如用后光源應(yīng)放在器件的正后方,并在光源前面加一個(gè)散射膜以擴(kuò)大視角,室外用的透射式器件應(yīng)設(shè)計(jì)安放在整機(jī)的適當(dāng)位置,以便充分采用自然光作后光源。

扭曲反射式器件采用了高效能的反射器,從而得到良好的清晰度。

扭曲型顯示器與動(dòng)態(tài)散射型顯示器相比的弱點(diǎn)是視角較大,只有45°左右,且視角大小隨工作電壓與溫度降低相應(yīng)減小。動(dòng)態(tài)散射型雖然視角較大,但工作電源高(1520V),功耗較大,加上由于液晶材料關(guān)系,器件壽命較短,因此動(dòng)態(tài)散射型器件目前較少應(yīng)用。

③液晶顯示器主要參數(shù)主要有:響應(yīng)時(shí)間、余輝、閾值電壓和對(duì)比度。

響應(yīng)時(shí)間τr為脈沖電壓開始加上算起,到光透過率達(dá)到飽和值90%處所需的時(shí)間;

余輝τd為脈沖電壓開始去掉,到光透過率減少到光透過值10%處所需的時(shí)間;

閾值電壓為Vth;

對(duì)比度為在零伏時(shí)光透過率與在工作電壓下光透過率之比。

響應(yīng)時(shí)間和余輝的示波圖如下圖所示。

響應(yīng)時(shí)間和余輝的示波圖