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LCD 工作原理揭秘
了解液晶 顾名思义，液晶显示器(Liquid Crystal Display，简称LCD)就是使用了 “液晶”(Liquid Crystal)作为材料的显示器，那什么是液晶呢？其实，液 晶是一种介于固态和液态之间的物质，当被加热时，它会呈现透明的液态， 而冷却的时候又会结晶成混乱的固态，液晶是具有规则性分子排列的有机化 合物。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：类似粘土状的Smectic 液晶、 类似细火柴棒的Nematic 液晶、类似胆固醇状的Cholestic 液晶。这三种液 晶的物理特性都不尽相同，用于液晶显示器的是第二类的Nematic 液晶，分 子都是长棒状的，在自然状态下，这些长棒状的分子的长轴大致平行。 随着研究的深入，人们开始掌握液晶的许多其他性质：当向液晶通电时， 液晶体分子排列得井然有序，可以使光线容易通过；而不通电时，液晶分子 排列混乱，阻止光线通过。通电与不通电就可以让液晶像闸门般地阻隔或让 光线穿过。这种可以控制光线的两种状态是液晶显示器形成图像的前提条件， 当然，还需要配合一定的结构才可以实现光线向图像转换，我们先来看看最 原始的单色液晶显示器。 液晶通光原理 液晶显示器有很多种不同的结构，但从原理来看，基本上是相似的，现 在我们就举例说明一下。 TN(扭曲向列型)单色液晶显示器的液晶面板包含了两片相当精致的无钠 玻璃素材，称为Substrates，中间夹着一层液晶，结构就好像一块“三明治”。 我们重点来看一下中间层，也就是液晶层，液晶并不是简单地灌入其中，而 是灌入两个内部有沟槽的夹层，这两个有沟槽的夹层主要是让液晶分子可以 整齐地排列好，因为如果排列不整齐的话，光线是不能顺利地通过液晶部分 的。为了达到整齐排列的效果，这些槽制作得非常精细，液晶分子会顺着槽 排列，槽非常平行，所以各分子也是完全平行的。 这两个夹层我们通常称为上下夹层，上下夹层中都是排列整齐的液晶分 子，只是排列方向有所不同，上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排 列，而下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向排列。在生产过程中，上下 沟槽呈十字交错(垂直90 度)，即上层的液晶分子的排列是横向的，下层的液 晶分子排列是纵向的，这样就造成了位于上下夹层之间的液晶分子接近上层 的就呈横向排列，接近下层的则呈纵向排列。 如果从整体来看，液晶分子的排列就像螺旋形的扭转排列，而扭转的关 键地方正是夹层之间的分子。而夹层中设置了一个关键的设备，叫做极化滤 光片，这两块滤光片的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同，假设在 正常情况下光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透下来， 通过上滤光片导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下 滤光片穿出，形成一个完整的光线穿透途径。而一旦通过电极给这些液晶分 子加电之后，由于受到外界电压的影响，液晶分子不再按照正常的方式排列， 而变成竖立的状态，这样光线就无法通过，结果在显示屏上出现黑色。这样 会形成透光时(即不加电时)为白、不透光时(加电时)为黑，字符就可以显示 在屏幕上了，这便是最简单的显示原理。看到这里，可能大家会问，为什么 加电时设置为不透光呢？因为在通常状态下显示器都是亮着的，所以设置加 电时不透光更节约能源。 液晶显示器是如何工作的 1.普通液晶显示器工作原理 现在，我们知道了液晶的通光原理，但光是从哪里来的呢？因为液晶材 料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，同时在液晶显 示屏背面有一块背光板和反光膜，背光板是由荧光物质组成的，可以发射光 线，其作用主要是提供均匀的背景光源。在这里，背光板发出的光线在穿过 偏振过滤层(也就是上文中提到的夹层)之后进入包含成千上万水晶液滴的液 晶层，液晶层中的水晶液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单 元格构成屏幕上的一个像素，而这些像素可以是亮的，也可以是不亮的，大 量排列整齐的像素中亮与不亮便形成了单色的图像。 那怎样可以控制好这大量像素中的点是亮还是不亮呢？这主要是由控制 电路来控制，在无钠玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列， 在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶体的是否通光状态，在这个 时候，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀，控制光的通过与不通过。在 液晶材料周边还有控制电路部分和驱动电路部分，这样就可以用信号来控制 单色图像的生成了。 2.TFT 液晶显示器原理 刚才我们提到的是最基本的液晶显示器的原理，目前液晶显示技术已经 经过飞速的发展，TFT(薄膜晶体管)液晶显示器已成为主流，我们有必要了解 一下这种液晶显示器的工作原理。 其实新型的TFT 液晶显示器的工作原理也是建立在TN 液晶显示器原理的 基础上的。两者的结构亦基本上相同，同样采用两夹层间填充液晶分子的设 计，只不过把TN 上部夹层的电极改为FET 晶体管，而下层改为共同电极。但 两者的工作原理还是有一定的差别。在光源设计上，TFT 的显示采用“背透 式”照射方式，即假想的光源路径不是像TN 液晶那样的从上至下，而是从下 向上，这样的作法是在液晶的背部设置类似日光灯的光管。 光源照射时先通过下偏光板向上透出，它也借助液晶原理来传导光线， 由于上下夹层的电极改成FET 电极和共通电极。在FET 电极导通时，液晶分 子的表现如TN 液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显 示的目的。但不同的是，由于FET 晶体管具有电容效应，能够保持电位状态， 先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET 电极下一次再加电改变 其排列方式。相对而言，TN 就没有这个特性，液晶分子一旦没有施压，立刻 就返回原始状态，这是TFT 液晶和TN 液晶显示的最大不同之处，也是TFT 液 晶的优越之处。 综上所述，液晶显示器是通过DVI 接口接收来自电脑显示卡的数字信号， 这些信号通过数据线传递到控制电路，控制电路调节液晶显示器的薄膜晶体 管和透明显示电板，实现液晶的通光与不通光特性。这样，背景光源通过偏 光镜和光线过滤层，最终实现显示效果。 彩色液晶显示器如何形成颜色 刚才我们只是提到单色的液晶显示器，那么彩色的液晶显示器又是怎样 形成色彩的呢？通常，在彩色LCD 面板中，每一个像素都是由三个液晶单元 格构成的，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤片。看 到这里相信大家也知道了，光线经过过滤片的处理照射到每个像素中不同色 彩的液晶单元格之上，利用三原色的原理组合出不同的色彩。 
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