LCD显示屏的结构及背光技术简介

液晶产品其实对我们来说并不陌生，我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。液晶是在1888年由奥地利植物学家Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间、具有规则性分子排列的有机化合物。一般最常用的液晶型态为向列型液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm～10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90°排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。

液晶显示屏又称LCD（Liquid Crystal Display）屏。LCD屏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，通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。

我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态，如图11-44所示。

图11-44　物质的三态转换图

液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的（或扁形的），它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多型态。分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”，简称“液晶”。

液晶分子可分为三种类型：向列型（Nematic）、胆甾型（Cholesteric）、近晶型（Smectic），如图11-45所示。

图11-45　液晶的类型示意图

图11-46　液晶的电光特性

图11-47　液晶显示器结构图

液晶在电场作用下会改变透光强度，透光强度与外加电压的关系称为电光特性，如图11-46所示。

图中，Uth为阈值电压，U10与U90之间透光强度的变化是线性的。

从液晶显示屏的结构来看，无论是电视机还是电脑，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间是液晶材料，如图11-47所示。

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，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）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。

背光板发出的光线在穿过第一层偏振板之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。液晶层中的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。在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的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层偏振板在屏幕上显示出来。偏光原理如图11-48所示。单元格分布如图11-49所示。

图11-48　偏光原理示意图

图11-49　单元格示意图

液晶显示屏按照显示方式不同可分为段码式显示和点阵式显示，按照控制方式不同可分为被动矩阵式LCD及主动矩阵式LCD。

段码显示是最早最普通的显示方式，比如计算器、电子表等。点阵式显示，在MP3、手机、数码相框这些高档消费品中广泛应用。

被动矩阵式LCD在亮度及可视角方面受到较大的限制，反应速度也较慢。由于画面质量方面的问题，使得这种显示设备不利于发展为桌面型显示屏，但由于成本低廉的因素，市场上仍有部分显示屏采用被动矩阵式。被动矩阵式LCD又可分为TN-LCD（Twisted Nematic-LCD，扭曲向列LCD）、STN-LCD（SUper TN-LCD，超扭曲向列LCD）和DSTN-LCD（DoUble layer STN-LCD，双层超扭曲向列LCD）。(www.xing528.com)

目前应用比较广泛的主动矩阵式LCD，也称TFT-LCD（Thin Film Transistor-LCD，薄膜晶体管LCD）。TFT液晶显示屏是在画面中的每个像素内安装晶体管，可使亮度更明亮、色彩更丰富及更宽广的可视面积，如图11-50所示。

图11-50　TFT-LCD驱动电路

液晶显示技术也存在弱点和技术瓶颈，与CRT显示器相比，亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间上都存在明显的差距。其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量，画面均匀度和辅助光学模块有很大关系。

对于液晶显示器来说，亮度往往与其背板光源有关。背板光源越亮，整个液晶显示器的亮度也会随之提高。而在早期的液晶显示器中，因为只使用两个冷光源灯管，往往会造成亮度不均匀等现象，同时明亮度也不尽如人意。一直到后来使用四个冷光源灯管产品的推出，才有很大的改善。

信号反应时间也就是液晶显示器的液晶单元响应延迟。实际上就是指液晶单元从一种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间，响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即屏幕由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖曳的感觉。

液晶显示器的背光技术：

在电子工业中，背光是一种照明的形式，常被用于LCD显示上。背光式和前光式不同之处在于背光是从侧边或是背后照射，而前光顾名思义则从前方照射。背光主要用来增加在低光源环境中的照明度和液晶电视屏幕上的亮度，其光源可能是白炽灯泡、电光面板（ELP）、发光二极管（LED）、冷阴极管（CCFL）等。电光面板提供整个表面均匀的光，而其他的背光模组则使用散光器从不均匀的光源中来提供均匀的光线。

背光可以是任何一种颜色，单色液晶通常有黄、绿、蓝、白等背光。而彩色显示采用白光，LED背光被用在小巧、廉价的LCD面板上。它的光通常是有颜色的。电光面板经常被使用在大型显示上，冷阴极管被用在电脑显示屏上，白炽背光则在需要高亮度时被使用，但是其缺点则是白炽灯泡的寿命相当有限，而且会产生相当多的热量。LED背光可增进LCD显示的色彩表现。LED光是经由三个特别的LED所产生出来，提供相当吻合LCD像点滤色器自身的色光谱。

近年来，背光源发展很快，不断有新技术、新产品推出，LED背光逐步进入产业化，有了一定的规模，相比CCFL冷阴极荧光灯管（Cold Cathode FlUorescent Lamp），LED有着明显的节能优势。

液晶显示屏的技术参数：

1.可视面积

液晶显示屏所标示的尺寸就是实际可以使用的屏幕范围。例如，一个15.1英寸的液晶显示器约等于17英寸CRT屏幕的可视范围。

2.可视角度

液晶显示屏的可视角度左右对称，而上下则不一定对称。举个例子，当背光源的入射光通过偏光板、液晶及取向膜后，输出光便具备了特定的方向特性，也就是说，大多数从屏幕射出的光具备了垂直方向。假如从一个非常斜的角度观看一个全白的画面，我们可能会看到黑色或是色彩失真。一般来说，上下角度要小于或等于左右角度。如果可视角度为左右80°，表示在始于屏幕法线80°的位置时可以清晰地看见屏幕图像。但是，由于人的视野范围不同，如果没有站在最佳的可视角度内，所看到的颜色和亮度将会有误差。现在有些厂商就开发出各种广视角技术，试图改善液晶显示屏的视角特性，如：IPS（In Plane Switching）、MVA（Multidomain Vertical Alignment）、TN+FILM。这些技术都能把液晶显示屏的可视角度增加到160°，甚至更多。

3.点距

我们常问到液晶显示屏的点距是多大，但是多数人并不知道这个数值是如何得到的，现在让我们来了解一下它究竟是如何得到的。举例来说，一般14英寸LCD的可视面积为285.7mm×214.3mm，它的最大分辨率为1024×768，那么点距就等于：可视宽度/水平像素（或者可视高度/垂直像素），即285.7mm/1024=0.279mm（或者是214.3mm/768=0.279mm）。

4.色彩度

LCD重要的指标当然是色彩表现度。我们知道自然界的任何一种色彩都是由红、绿、蓝三种基本色组成的。LCD面板上是由1024×768个像素点组成显像的，每个独立的像素色彩是由红、绿、蓝（R、G、B）三种基本色来控制。大部分厂商生产出来的液晶显示屏，每个基本色R、G、B达到6位，即64种表现度，那么每个独立的像素就有64×64×64=262144种色彩。也有不少厂商使用了所谓的FRC（Frame Rate Control）技术以仿真的方式来表现出全彩的画面，也就是每个基本色R、G、B能达到8位，即256种表现度，那么每个独立的像素就有高达256×256×256=16777216种色彩了。

5.对比值

对比值是定义最大亮度值全白除以最小亮度值全黑的比值。CRT显示器的对比值通常高达500：1，以致在CRT显示器上呈现真正全黑的画面是很容易的。但对LCD来说就不是很容易了，由冷阴极射线管所构成的背光源很难去做快速的开关动作，因此背光源始终处于点亮的状态。为了要得到全黑画面，液晶模块必须把由背光源发散的光完全阻挡住，但在物理特性上，这些元件并无法完全达到这样的要求，总是会有一些漏光发生。一般来说，人眼可以接受的对比值约为250：1。

6.亮度值

液晶显示屏的最大亮度，通常由冷阴极射线管（背光源）来决定，亮度值一般都在200～250 cd/m2之间。液晶显示屏的亮度略低，会觉得屏幕发暗。虽然技术上可以达到更高亮度，但是这并不代表亮度值越高越好，因为太高亮度的显示屏有可能使观看者眼睛受伤。

7.响应时间

响应时间是指液晶显示屏各像素点对输入信号反应的速度，此值当然是越小越好。如果响应时间太长了，就有可能使液晶显示屏在显示动态图像时，有尾影拖曳的感觉。一般的液晶显示屏的响应时间在20ms～30ms之间。