【显示技术第二弹】——液晶显示原理。。。。。。（更新LED与CCFL电视优缺点介绍）

cddiy

之前所发的PDP（等离子）显示原理学习贴链接：

显示技术第一弹——等离子显示器原理   
http://www.jd-bbs.com/thread-2344509-1-1.html

【显示技术第二弹】——液晶显示原理。。。。。。（更新LED与CCFL电视优缺点介绍）           
http://www.jd-bbs.com/forum.php?mod=viewthread&tid=2384349&fromuid=141851

10bit色彩处理技术离我们到底有多远
http://www.jd-bbs.com/thread-2318080-1-1.html

（3D入门）渐入佳境 详述3D显示技术的发展历程
http://www.jd-bbs.com/thread-2681164-1-1.html

偏光式3D VS 主动快门式3D技术解析
http://www.jd-bbs.com/thread-2681407-1-1.html

先锋Kuro等离子面板技术揭秘
http://www.jd-bbs.com/thread-2358221-1-1.html



言归正传——

       LCD液晶面板作为显示器。发展至今，许许多多的电子产品都纷纷采用LCD作为显示面板（例如移动电话、便携电视、掌上游戏机等），因而造就了LCD的蓬勃发展。

　　目前，由于市场需求的增加，加上控制面板原料价格的下滑，LCD显示器不再是价格高不可攀的产品。它的售价已经接近一般消费市场基本能够接受的价位。

一、发展简史

　　CRT(阴极射线管)显示器历经多年的发展，无论在技术或是零件供应方面都已经越来越成熟，画面的显示质量也越来越好。但CRT天生固有的物理结构限制了它向更宽广的显示领域发展。此外，由于CRT显示器的重量过重、体积占空间，加上电磁辐射散发量过大，这种种的缺点造成人们开始寻找新的显示器。而在这些原因之下，液晶显示器便应运而生。

　　大约1971年，液晶显示设备在人类的生活中出现。这就是最初的TN-LCD（扭曲阵列）显示器。尽管当时在色彩的表现方面它还只是单色显示，但在某些领域已开始加以应用（例如医学仪器等）。到八十年代初期，TN-LCD开始被应用到电脑产品上。1984年，欧美国家提出STN-LCD（超扭曲阵列），同时TFT-LCD（薄膜式电晶体）技术也被提出，但技术和制程仍不够成熟。到八十年代末期，由于日本厂商掌握着STN-LCD的主要生产技术，它们开始在生产线上进行大规模的生产，这算得上是LCD将要普及的信号。

　　直到1993年，日本在掌握TFT LCD的生产技术后，液晶显示器开始向两方面发展：一方面是朝着价格低、成本低的STN-LCD显示器方向发展。随后又推出了DSTN-LCD(双层超扭曲阵列)；而另一方面却朝向高质量的薄膜式电晶体TFT-LCD发展。1997年，日本开发了一批以550x670mm代表的大基板尺寸第三代TFT-LCD生产线。在此期间，韩国和中国台湾省开始进入液晶显示器生产领域，同时中国企业也在引进生产线生产LCD面板，目前夏普十代线已于2009年10月启动，采用了世界最大尺寸2880mm×3130mm的第10代玻璃母板，能从每块玻璃基板上切出6块60寸液晶面板。

[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-10-18 09:40 编辑 ]

cddiy

二、液晶显示原理

　　液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。

液晶显示器按照控制方式不同可分为被动矩阵式LCD及主动矩阵式LCD两种。

1、被动矩阵式LCD的原理

    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器，但由于成本低廉的因素，市场上仍有部分的显示器采用被动矩阵式LCD，比如手机和PDA的屏幕。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。

　　TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD之间的显示原理基本相同，不同之处是液晶分子的扭曲角度有些差别。下面以典型的TN-LCD为例，向大家介绍其结构及工作原理。

　　在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中，通常是由两片大玻璃基板，内夹着彩色滤光片、配向膜等制成的夹板外面再包裹着两片偏光板，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色构成的滤片，有规律地制作在一块大玻璃基板上。每一个像素是由三种颜色的单元(或称为子像素)所组成。假如有一块面板的分辨率为1280×1024，则它实际拥有3840×1024个晶体管及子像素。每个子像素的左上角(灰色矩形)为不透光的薄膜晶体管，彩色滤光片能产生RGB三原色。每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽，上下夹层中填充了多层液晶分子(液晶空间不到5×10-6m)。在同一层内，液晶分子的位置虽不规则，但长轴取向都是平行于偏光板的。另一方面，在不同层之间，液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90度。其中，邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向，与所邻接的偏光板的偏振光方向一致。在接近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。最后再封装成一个液晶盒，并与驱动IC、控制IC与印刷电路板相连接。

　　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，通过上偏光板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偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透途径。而液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。当液晶层施加某一电压时，由于受到外界电压的影响，液晶会改变它的初始状态，不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态。因此经过液晶的光会被第二层偏光板吸收而整个结构呈现不透光的状态，结果在显示屏上出现黑色。当液晶层不施任何电压时，液晶是在它的初始状态，会把入射光的方向扭转90度，因此让背光源的入射光能够通过整个结构，结果在显示屏上出现白色。

      为了达到在面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩，多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。
         

                                         

[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-10-18 09:46 编辑 ]

hellpapa

没人关心原理，关心的是效果，多上些精彩屏摄吧

cddiy

效果正是由原理产生的，如果一点不懂原理，只有被销售员忽悠的份儿。发这个贴，就是想给打算买液晶又被销售忽悠得晕头转向的坛友们提供一点帮助。

需要记住一点，看屏射也好，听别人的推荐也好，终究只能做参考，最后必须得靠自己来做决定。一旦你付了钱，所有的后果都只有自己来承担，不要指望之前推荐的人会帮你负责，特别是在枪手遍地的神州。

这也是自己必须掌握一点基础知识的原因。在中国，做什么都得自己懂点儿，不然你就等着挨宰吧

[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-9-7 22:46 编辑 ]

cddiy

这些资料提供给爱好电视技术知识的朋友们

cddiy

继续——

2、TFT-LCD工作原理

    当前用作电视机显示的液晶面板都为TFT液晶面板。这是由于被动式液晶面板有它无法克服的局限：

　STN型液晶属于反射式LCD器件，它的好处是功耗小，但由于TN和STN型的液晶的显示原理所限，如果它的显示部份越做越大，那么中心部份的电极反应时间可能就会比较长。这对于手机来讲并不是很大的问题，因为手机显示屏都比较小，液晶反应时间的影响就比较小。但是对于笔记本等需要大屏幕液晶显示器的设备来说，太慢的液晶反应时间就会严重影响显示效果，因此TFT液晶技术引起了厂商的注意。

　　TFT液晶显示技术采用了“主动式矩阵”的方式来驱动。方法是利用薄膜技术所做成的电晶体电极，利用扫描的方法“主动地”控制任意一个显示点的开与关。光源照射时先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子传导光线。电极导通时，液晶分子就像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。听起来这和TN型液晶的显示原理差不多，的确如此。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，已经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为止。而TN型液晶就没有这个特性，液晶分子一旦没有加以电场，立刻就返回原来的状态，这是TFT液晶和TN液晶显示原理的最大不同。

　　TFT液晶为每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以TFT液晶的色彩更逼真。

                                                                                 图3  TFT-LCD 结构图

　　

[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-10-18 09:45 编辑 ]

cddiy

三、液晶面板主要部件介绍

1、偏光板

    光波的行进方向，是与电场及磁场互相垂直的。同时光波本身的电场与磁场分量， 彼此也是互相垂直的。而偏光板的作用就像是栅栏一般，会阻隔掉与栅栏垂直的分量，只准许与栅栏平行的分量通过。所以如果我们拿起一片偏光板对着光源看， 会感觉像是戴了太阳眼镜一般，光线变得较暗。
    但是如果把两片偏光板迭在一起，那就不一样了。当您旋转两片的偏光板的相对角度，会发现随着相对角度的不同， 光线的亮度会越来越暗。当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时，光线就完全无法通过了。

图4    偏光板(polarizer)的工作原理

     而液晶显示器就是利用这个特性来完成的。利用上下两片栅栏互相垂直的偏光板之间，充满液晶，再利用电场控制液晶转动，来改变光的行进方向。如此一来，不同的电场大小，就会形成不同灰阶亮度了。

图5    TN(Twist Nematic)型LCD的结构

[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-10-18 09:51 编辑 ]

cddiy

2、彩色滤光片(color filter, CF)

        如果你有机会, 拿着放大镜, 靠近液晶显示器的话. 你会发现如图6中所显示的样子.  我们知道红色, 蓝色以及绿色, 是所谓的三原色. 也就是说利用这三种颜色, 便可以混合出各种不同的颜色. 很多平面显示器就是利用这个原理来显示出色彩. 我们把RGB三种颜色, 分成独立的三个点, 各自拥有不同的灰阶变化, 然后把邻近的三个RGB显示的点, 当作一个显示的基本单位, 也就是pixel. 那这一个pixel,就可以拥有不同的色彩变化了. 然后对于一个需要分辨率为1024*768的显示画面, 我们只要让这个平面显示器的组成有1024*768个pixel, 便可以正确的显示这一个画面. 在图6中,每一个RGB的点之间的黑色部分, 就叫做Black matrix. 我们回过头来看图3就可以发现, black matrix主要是用来遮住不打算透光的部分. 比如像是一些ITO的走线, 或是Cr/Al的走线, 或者是TFT的部分. 这也就是为什么我们在图6中, 每一个RGB的亮点看起来, 并不是矩形, 在其左上角也有一块被black matrix遮住的部分, 这一块黑色缺角的部份就是TFT的所在位置.

图6   放大镜下的液晶

       图7是常见的彩色滤光片的排列方式. 条状排列(stripe)最常使用于OA的产品, 也就是我们常见的笔记型计算机,或是桌上型计算机等等. 为什么这种应用要用条状排列的方式呢?
       原因是现在的软件, 多半都是窗口化的接口. 也就是说, 我们所看到的屏幕内容,就是一大堆大小不等的方框所组成的. 而条状排列,恰好可以使这些方框边缘, 看起来更笔直, 而不会有一条直线, 看起来会有毛边或是锯齿状的感觉. 但是如果是应用在AV产品上, 就不一样了. 因为电视信号多半是人物, 人物的线条不是笔直的, 其轮廓大部分是不规则的曲线. 因此一开始, 使用于AV产品都是使用马赛克排列(mosaic,或是称为对角形排列). 不过最近的AV产品, 多已改进到使用三角形排列(triangle,或是称为delta排列). 除了上述的排列方式之外, 还有一种排列,叫做正方形排列. 它跟前面几个不一样的地方在于, 它并不是以三个点来当作一个pixel,而是以四个点来当作一个pixel. 而四个点组合起来刚好形成一个正方形.

图7    常见的彩色滤光片的排列

[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-10-18 09:52 编辑 ]

cddiy

3、背光板

        在一般的CRT屏幕, 是利用高速的电子枪发射出电子, 打击在银光幕上的荧光粉, 藉以产生亮光, 来显示出画面. 然而液晶显示器本身, 仅能控制光线通过的亮度,本身并无发光的功能. 因此,液晶显示器就必须加上一个背光板, 来提供一个高亮度,而且亮度分布均匀的光源. 我们在图3中可以看到, 组成背光板的主要零件有灯管(冷阴极管), 反射板, 导光板, prism sheet, 扩散板等等. 灯管是主要的发光零件, 藉由导光板, 将光线分布到各处. 而反射板则将光线限制住都只往TFT LCD的方向前进. 最后藉由prism sheet及扩散板的帮忙, 将光线均匀的分布到各个区域去,提供给TFT LCD一个明亮的光源. 而TFT LCD则藉由电压控制液晶的转动, 控制通过光线的亮度, 藉以形成不同的灰阶.

[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-10-18 09:52 编辑 ]

cddiy

三、何谓CCFL、LED 液晶及其特点

       目前液晶显示屏的主要的背光方式有CCFL和LED背光，大家在购买液晶显示器前可了解一下这些背光知识，由于背光器件都是在显示器内部，普通消费者无法直接查看到，像White_LED和RGB LED背光TV，商家都说是LED屏，其实是偷换概念，真正的LED屏应该是像大广场上广告牌，那样的设计，目前能把它微型化的厂家全世界没有一个，所以在液晶显示器市场，所谓的LED电视或LED显示器，仅指LED背光源的液晶电视或显示器。
真正的LED屏应该是这个样子的：

1、CCFL（冷阴极萤光灯管）背光源构造及优缺点
CCFL全称Cold Cathode Fluorescent Lamp（冷阴极萤光灯管），内充惰性气体（包含部分水银蒸气），内壁有荧光粉图层，外形看起来就像是日光灯管，个头有点像是城市里的霓虹灯，安装到液晶显示器里结构如下图所示（注意：各种CCFL-LCD屏实际背光灯管的放置位置和方式可能有所不同，包括下文的LED放置位置也有几种设计方式）：

在CCFL之前，多是使用EEFL背光技术背光，CCFL背光技术及下面的WLED目前都是非常成熟的技术，而RGB LED目前仍然不是太成熟，确切的说，对设计要求更高的一点，所以很多三流厂家很难设计出质量很好的RGB LED背光显示器。
CCFL背光源优点：
成本低、制造工艺简单、技术成熟。
CCFL背光源缺点：
老化后会发黄、发光效率低（与LED相比）、亮度均匀性低、不环保（含汞）、体积大、驱动电压高、不耐冲击（看图中那种细细长长的灯管就知道肯定不耐摔）。

[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-10-18 10:06 编辑 ]

cddiy

2、LED背光源液晶电视的发展史
　　LED背光源液晶电视首款产品亮相最早可以追溯到2004年，索尼在04年11月份亮相了首款40英寸及46英寸电视用LED背光液晶模组，但仅在采用用450颗3原色LED灯之后，耗电量就高达450W以上。2006年9月，三星推出了首款40英寸LED背光液晶电视；此后，也有许多厂商推出了最大70英寸LED背光源液晶电视，但因为成本等原因，并没有大力推出，还只是LED背光电视消费的起步阶段。
       从09年开始，以合资品牌为首纷纷推出多个系列和多个尺寸的LED背光源液晶电视，并且售价方面也开始大幅下调，媒体宣传加大，使其有调查数据显示，准备选择LED背光源电视的消费者目前比例已经高达34%。
　　甚至有业内人士预测，未来三年，LED背光源电视有可能逐渐替代传统液晶，成为消费主流。

3、什么是LED背光源电视
说了这么多，那么到底什么是LED背光源液晶电视呢？
　　LED是英文light emitting diode的缩写，即：发光二极管，属于一种半导体元器件。采用LED作为背光源的液晶电视就称之为LED背光源液晶电视，目前液晶电视大多数都采用CCFL作为背光源，LED背光源液晶电视与普通液晶电视两者最大的差别也只是背光源不同，而面板部分并没有差别。

LED原理解析
　　发光二极体是一种特殊的二极体。和普通的二极体一样，发光二极体由半导体晶片组成，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生p、n架构。与其它二极体一样，发光二极体中电流可以轻易地从p极（阳极）流向n极（负极），而相反方向则不能。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量。

      它所发出的光的波长（决定颜色），是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。由于硅和锗是间接带隙材料，在这些材料在常温下电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二极体不能发光。但在极低温的特定温度下则会发光，必须在特殊角度下才可发现，而该发光的亮度不明显。发光二极体所用的材料都是直接带隙型的，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。
　　发展初期，采用砷化镓(GaAs)的发光二极体只能发出红外线或红光。随着材料科学的进步，各种颜色的发光二极体，现今皆可制造。

[ 本帖最后由 cddiy 于 2010-10-18 10:08 编辑 ]

枪手脑残

LZ好文章

作为曾经的LCD工作者  

情不自禁的打开了E盘。。。。翻阅了N年没打开的文件夹资料

cddiy

星星曾是LCD工作者，这倒是有点意外，呵呵

千峰

感谢楼主，辛苦了。

cddiy

4、LED背光源电视技术分类

按照LED管种类划分
目前可以分为RGB-LED和W-LED(白光LED)。白光LED与RGB-LED两者殊途同归，都是希望达到白光的效果，只不过一个是直接以白光呈现，另一个则是以红绿蓝三色混光而成。

RGB-LED
       RGB-LED背光源是诞生时间比较早的一种技术。RGB-LED通过红色、绿色、蓝色三原色LED调制成白光，具有最好的光学特性。
       RGB-LED在组成背光源的时候，并不是完全按照1:1:1的数量构成。目前最常见的方案就是由1个红色LED、1个蓝色LED和2个绿色LED。这组合方式是因为每种颜色的LED在发光效率上存在一定差异，必须要通过组合实现三种光源的匹配。

5.jpg (70.12 KB)
2010-9-7 11:21

以RGB-LED为背光源的液晶面板

RGB-LED背光源优点：      
       RGB-LED电视的优点主要体现在色彩表现力和对比度两方面：由于采用了RGB三原色独立发光元件，因此RGB-LED电视的色域范围大都能达到NTSC 的120%以上，部分经过良好调教的机型甚至可以达到150%左右的色域范围。

       此外，RGB-LED电视也可以支持背光区域调整技术，亮度调节更是很容易实现，因此在对比度方面，往往能够达到千万:1级的动态对比度，这对于提升电视的图像质量有着非常关键的作用。

RGB-LED背光源缺点：
       当然,RGB-LED电视虽然性能很优秀，但是也并非十全十美：第一是成本方面没有很大优势。第二是RGB-LED需要单独的调光电路和更好的散热结构，这也会在一定程度上导致电视结构复杂，难以做到轻薄化。
　　另外，RGB灯在控制上的问题仍有待加强，举例来说，如果其中一颗灯坏了，在整个屏幕上会相当明显，反之，白光LED灯则可以互相补足，因为是旁射关系，因此可以补足某颗坏掉的LED，并且均匀性的补足，让整体状况看起来不会太差。

白光LED
　　白光LED相对于RGB-LED就要简单不少，它采用了只能发出白色光线的LED光源代替原来的CCFL荧光管。

目前市场上大多数LED电视都采用白光LED背光源

       白光LED由于不像RGB-LED那样需要涉及到背光源的调光，因此在电路结构方面的要求相对不高。但是白光LED的光谱特性和RGB-LED相比还是有所欠缺的，这也导致此种LED电视在色彩表现上并不如RGB-LED电视那么优秀。
       不过白光LED电视的优点也是比较明显的，例如采用直下式放置时，亮度动态调节、区域背光控制都可以实现，也能实现很好的对比度。而侧置时可做得非常轻薄。

白光LED优点：电路结构简单、成本低（与RGB-LED相比）、体积较小（特别是侧置式白光LED，可以做得非常薄）、发光效率高（省电）、发热量小、寿命长（散热设计合理前提下）、驱动电压低，比CCFL更耐冲击。

白光LED缺点：白光LED的光谱特性和RGB-LED相比还是有所欠缺（白光LED在电流不同时所发的白光会有所变化，从偏蓝至偏黄）