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第七章 光电显示技术,§7.1 阴极射线管,§7.2 液晶显示,§7.3 等离子体显示,§7.4场致发光显示,§7.5 其他显示技术,§7.6 展望,光电显示技术是多学科的交叉综合技术,主要有: 1、阴极射线管(Cathode Ray Tube-CRT)。是传统的光电信息显示器件,它显示质量优良,制作和驱动比较简单,有很好的性能价格比,但同时它也有一些严重的缺点,如有电压高、软x-射线、体积大、笨重、可靠性不高等。 2、液晶显示(Liquid Crystal-LC)。液晶是一种介于固体于液态之间的有机化合物,兼有液体的流动性与固体的光学性质,即现在的液晶显示器LCD。 3、等离子体显示(Plasma Display Panel-PDP)。等离子体显示是利用气体放电发光进行显示的平面显示板,可以看成是有大量小型日光灯排列构成的。等离子体显示技术成为近年来人们看好的未来大屏幕平板显示的主流。 4、电致发光(Electro Luminescnce Diode-ELD)等。或场致发光显示-Field Emitting Tube,FET,是另一种很有发展前途的平板显示器件,它是将电能直接转换成光能的一种物理现象。,近年来,大规模集成电路的发展,要求电压低、体积小、信息密度高,CRT已经显得很不相称;另外大屏幕显示的发展要求来讲,100cm以上的屏幕要求CRT的质量要超过100kg,体积大,搬动困难,不能适应现代家庭对高清晰度电视(HDTV)和现代战争对大屏幕显示器的要求。但从目前技术水平来看,CRT每个像素的性能价格比要比其它显示器件高得多,每当CRT采用新技术,CRT就能提高它得附加价值,因此它不会在短期内消失。从未来发展方向看,LCD、ELD和PDP被认为代表着光电显示器件未来发展方向。,§7.1 阴极射线管,7.1.1 基本结构与工作原理 图7-1所示是单色(黑白)CRT得结构,主要由4部分组成:圆锥玻壳;玻壳正面用于显示的荧光屏;封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统;位于玻壳之外控制电子束偏转扫描得磁轭。在电子枪中,阴极被灯丝间接加热,当加热至2000K时,阴极便发射大量电子。电子束经加速、聚焦后轰击荧光屏上的荧光体,荧光体发出可见光。电子束的电流是受显示信号控制的,信号电压高,电子束的电流也越高,荧光体发光亮度也越强。通过偏转磁轭控制电子束在荧光屏上扫描,就可以将一幅图像或文字完整地显示在荧光屏上。,图7-1 单色CRT,,7.1.2 主要单元 1.电子枪 电子枪用来产生电子束,以轰击荧光屏上的荧光粉发光。在CRT中,为了在屏幕上得到亮而清晰的图像,要求电子枪产生产生大的电子束电流,并且能够在屏幕上聚焦成细小的扫描点(约0.2mm),此外,由于电子束电流受电信号的调制,因而,电子枪应有良好的调制特性,在调制信号控制过程中,扫描点不应有明显的散焦现象。 图7-2是电子枪的结构示意图。如图所示,电子枪一般由5个或6个电极构成,为阴极、栅极(亦称调制极、控制极)、第一阳极(亦称加速极)、第二阳极、第四阳极(联在一起)和第三阳极。阴极的外形是一个圆筒,一般由镍金属制成,筒的顶端涂有氧化物材料,称为氧化物阴极。氧化物阴极比其它金属制成的阴极更容易发射电子。筒内装有加热灯丝,灯丝加电发热时,阴极被间接均匀加热,当加热至2000K时,阴极便大量发射电子。,图7-2 电子枪示意图,,栅极也是一个小圆筒形,套在阴极圆筒的外边,在对准阴极顶端的中心处,开有一个小圆孔,使电子流经此孔成束地飞行出去。电子飞出去的多少,由栅极所加电压的大小决定,从而控制光点亮暗。栅极在正常运用时,在它上面所加的电压比阴极低,对从阴极来的电子起排斥作用,因而只有部分电子能通过栅极到达屏幕,大部分电子被排斥阻挡,回到阴极附近,形成电子云。改变栅极负电压的大小,可以改变电子被排斥的程度,从而使电子束的电流大小改变。 栅极的前面是加速极,其外形是圆盘状,中间也开有小孔。相对阴极的电压为300~500V。 第二和第四阳极各为一节金属圆筒,也可以把它们看成两节圆筒组成的一个整体,两节电极相连,第四阳极通过金属弹片与锥体内壁的石墨导电层相接,所以实际上和荧光粉后面的铝背膜相连。上面统一加有8000~16000V的高压。 第三阳极是个金属圆筒,装在第二和第四阳极之间,加有相对于阴极为0~450V的可调直流电压,改变这个电压可以改变电子束聚焦的质量,所以第三阳极也叫聚焦极。 以上五个电极用玻璃绝缘柱支撑组装成一个坚实的整体,总称为电子枪,它发出很细的电子束向荧光屏轰击。,荧光屏 荧光屏是用荧光粉涂敷在玻璃底壁上制成的,常用沉积法涂敷荧光粉。 对荧光粉的性能要求是:发光颜色满足标准白色,发光效率高,余辉时间合适以及寿命长等。 荧光粉的发光效率是指每瓦电功率能获得多大的发光强度。输入到荧光屏的电功率就是电子束电流与屏幕电压的乘积,发光强度以cd(坎德拉)计。常用的荧光粉发光效率都大于5cd/W。 荧光粉的余辉特性是指这样一种性质:电子束轰击荧光粉时,荧光粉的分子受激而发光,当电子束轰击停止后,荧光粉的光亮并非立即消失,而是按指数规律衰减,这种特性称为余辉特性。余辉时间定义为:从电子束停止轰击到发光亮度下降到初始值的1%所经历的时间。按余辉时间的长短,荧光粉可分为三类:短余辉荧光粉(余辉时间短于1ms)、中余辉荧光粉(余辉时间从1ms到100ms)、长余辉荧光粉(余辉时间从0.1s到几分钟)。电视屏幕的荧光粉属短余辉,余辉时间约为5~40ms。,余辉时间长,平均亮度就大。如果已知荧光粉的发光时间特性L(t),那么在一帧时间T内平均亮度应为屏幕亮度除了与余辉时间有关外,还取决于电子束的电流密度和屏幕电压的高低。实验表明,在小电流密度的情况下,屏幕亮度与电流密度j成正比,而近似地与阳极电压UA的平方成正比。因此,屏幕屏幕亮度可表示为从上式可以看出,欲增大亮度可以加大电流密度和电压。两者中以提高电压更为有效。因为亮度与UA的平方成正比。这种现象从物理上可以这样来解释:增加电压UA,一方面增加电子的速度,使电子束轰击荧光物质的激励能量增加,另一方面,增加UA可以使荧光粉的发光效率增加,这是因为电子速度大时,荧光粉涂层内部深处的物质也被充分激发,所以亮度增加。,,,A为比例常数,S为余辉时间,7.1.3 CRT显示器的驱动与控制 扫描方式 文字及图像画面都是由一个个称为像素的点构成的,使这些点顺次显示的方法称为扫描。一般CRT的电子束扫描是由偏转磁轭进行磁偏转控制的。 光栅扫描方式在垂直方向是从左上向右下的顺序扫描方式,由扫描产生的水平线称为扫描线,按该扫描线的条件决定显示器垂直方向的图像分辨率。如图7-3所示,光栅扫描方式中有顺序扫描(逐行扫描)方式和飞越扫描(隔行扫描)方式。在顺序扫描方式中,当场帧为50Hz,扫描行数为625行,图像宽高比为4:3时,则需要10.5MHz的信号带宽。这将使电视设备复杂化,信道的频带利用率下降。实际系统采用隔行扫描方式来降低图像信号的频带。,图7-3 CRT扫描方式,,隔行扫描是把一帧画面分成两场来扫描,第一场扫描奇数行1,3,5……;第二场扫描偶数行2,4,6……。两场扫描行组成的光栅相互交叉,构成一整帧画面。图7-4为相应于图7-3(b)的7行光栅的行扫描与场扫描波形。为明显起见,忽略扫描逆程。在第7行扫过一半时,奇数场扫描结束,偶数场扫描开始,故第7行的后一半挪到偶数场开始时扫描,这样它就是在光栅上端的中点开始的,结果使偶数行正好插在奇数行之间,两场组成了一整个光栅。要实现隔行扫描,就应保证偶数场的扫描行准确地插在奇数场的扫描行之间,否则就会出现并行现象,使图像质量下降。首先,由于每场只包括总行数一半,因此行扫描与场扫描频率之比应该是行数的一半;其次,为了使偶数场的扫描行正好插在奇数场的扫描行之间,行数必须为奇数。这时扫描完奇数场后才留下一个半行,待扫描电子束回到图像上端开始扫下一行时,才不是从左端开始,而是从中间开始,达到隔行扫描的目的。,图7-4 7行光栅的行扫描与场扫描波形,,灰度 黑白CRT只需对灰度进行控制。若是彩色CRT,还需对颜色进行控制。灰度和颜色都是通过电流量来控制的。电流控制方式中有栅极(G1)驱动方式和阴极驱动方式。 在栅极(G1)驱动方式中,在电子枪的栅极/阴极(G1/K)间施加不同的电压,就可以得到相应的灰度,图7-5为4阶信号及灰度对应的情况。 图7-5 画面的灰度与信号振幅的关系,,3. CRT显示器驱控器的电路构成 CRT显示器驱控器电路如图7-6所示,主要包括视频电路、偏转电路、高压电路、电源电路等基本电路,以及所选择的动态聚焦电路、水平偏转周波数切换电路等。 图7-6 CRT显示器驱控器的电路,,7.1.4 彩色CRT 彩色CRT是利用三基色图像叠加原理实现彩色图像的显示。荫罩式彩色显象管是目前占主导地位的彩色显象管,其结构如图7-7所示。荧光屏上的每一个像素由产生红(R)、绿(G)、蓝(B)的三种荧光体组成,同时电子枪中设有三个阴极,分别发射电子束,轰击对应的荧光体。为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体,在荧光面内设有选色电极-荫罩。,,在荫罩型彩色CRT中,玻壳荧光屏的内面形成点状红、绿、蓝三色荧光体,荧光面与单色CRT相同,在其内侧均有Al膜金属覆层。在荧光面一定距离处设置荫罩。荫罩焊接在支持框架上,并通过显示屏侧壁内面设置的紧固钉将荫罩固定在显示屏内侧。如图7-8所示 图7-8 荫罩与荧光面间的关系,荫罩与荧光屏的距离可根据几何关系有下式确定:式中,d为荫罩与荧光屏的距离;λ为孔距放大率;L为从电子枪到荧光面的距离;Sg为电子枪的束间距;PM为电子束排列方向的荫罩孔距;Ps为电子束排列方向的荧光面上同一色荧光体的点间距。荫罩有圆孔形、长方孔形等形式。通常,三角形布置的电子枪采用圆孔形荫罩,直线性布置的电子枪可采用各种形式的荫罩。玻壳内除设有荫罩之外,还设有屏蔽地磁场用的内屏蔽罩,其作用是防止电子束受地磁场的干扰,使电子束不会射向其他颜色的荧光体。,1.三枪三束彩色显像管(美国无线电公司1950年研制成功)三枪三束彩色显像管的原理如图7-9所示,荧光屏内壁涂有发光颜色为红、绿、蓝的荧光粉点,每一组三个红、绿、蓝荧光粉点排列成品字形,组成一个彩色像素,通常再现一幅清晰的彩色图像需40~50万个像素,即需要120~150万个彩色荧光粉点,这些粉点的直径很小(几微米到几十微米),在红、绿、蓝三个电子枪的激发下,红、绿、蓝荧光色点产生对应颜色的光点,在适当的距离外,人眼分辨不出单色小点,而只是看到一个合成的彩色光点。红、绿、蓝三个电子枪在管颈内成品字形排列,相隔120。,每个电子枪与管颈中心轴线倾斜10~1.50,在距离荧光屏后约2mm处放置一块荫罩板,一般用0.12mm~0.16mm厚的低碳钢板制作,在钢板上有规律地徘列小孔,一个小孔与荧光屏上的一个像素对应,即小孔与荧光屏上的红、绿、蓝荧光粉点组一一对应,荫罩在彩色显像管中起选色的作用,。 为了提高荧光屏的亮度和对比度,采取了黑底技术。荧光屏黑底结构如图7-10所示。在早期的荫罩管中,荧光粉点的直径大于射向该点的电子束直径,荧光粉点共约占屏面积的90%,未涂荧光粉的部分约占10%,所谓黑底技术,就是将荫罩板上的小孔加大使通过小孔后的电子束直径比荧光粉点大,这样就提高了输出亮度,屏面上除荧光粉点以外的部分涂上石墨,这样又提高了对比度,一般全黑底管荧光屏的50%为黑底,50%为荧光粉点。,图7-9 三枪三束彩色显像管原理示意图,图7-10 荧光屏黑底结构,2.单枪三束彩色显像管(日本索尼公司1968年研制成功) 单枪三束彩色显像管的基本原理与三枪三束管相似,但结构上有重大改进,如图7-11所示。单枪三束彩色显像管有三个阴极,但发射出的三束电子束共用同一个电子枪聚焦。三条电子束在同一个水平面内呈一字排列,因此在任何偏转状态下三条轨迹大致保持在同一水平线上,故只须进行水平方向的动会聚误差校正,静会聚的调整也较三枪三束管简单,大大简化了会聚的调节。用条状结构荧光屏代替点状结构荧光屏,荫罩板也做成栅缝状,提高了电子束的透过率,图像亮度高。,3.自会聚彩色显像管 (美国无线公司1972年研制成功) 自会聚彩色显像管是在三枪三束彩色显像管和单枪三束彩色显像管的基础上产生的,是深入研究电子光学像差理论的结果。自会聚彩色显像管采用精密直列式电子枪,配置了精密环形偏转线圈,如图7-12所示。 (1)自会聚彩色显像管的结构特点 (a)精密直列式电子枪。自会聚彩色显像管的三个电子枪排列在一水平线上,彼此间距很小,因而会聚误差也很小。除阴极外,其他电极都采用整体式结构,电子枪之间的距离精度只取决于制作电极模具的精度,与组装工艺无关。电子枪除三个独立的阴极引线用于输入三基色信号和进行白场平衡调节,其他电极均采用公共引线, (b)开槽荫罩和条状荧光屏。自会聚管采用开槽荫罩,是综合考虑了三枪三束管的荫罩和单枪三束管的条状栅网的利弊而采取的折衷方案,这种荫罩的槽孔是断续的,即有错开的横向结,克服了栅网式荫罩板怕振动的缺点,增强了机械强度,降低了垂直方向的会聚精度要求,提高了图像的稳定性。 (c)精密环形偏转线圈 自会聚彩色显像管采用了精密环形偏转线圈,其匝数分布恰好给出实现电子束会聚所需的磁场分布,从而无需进行动态会聚,三条电子束就能在整个荫罩上良好会聚。因此,把这种偏转线圈称为动会聚自校正型偏转线圈。,图7-12 精密直列式电子枪与工作原理示意图,(2)自会聚原理 由于从直线形排列的电子枪发出的三个电子束在一个水平面内,因而消除了产生垂直方向会聚误差的主要因素,下面主要讨论水平方向的会聚问题。用来进行静态会聚调整的三对环形永久磁铁安装在彩色显像管的颈部靠近电子枪一侧,一对为二磁极式,一对为四磁极式,一对为六磁极式。二极磁铁也叫色钝磁铁,其作用是使三条电干束一起同方向移动。四极和六极磁铁称为静态会聚磁铁,四极磁铁可以使红、蓝两边束产生等量反方向的移动,六极磁铁可使红、蓝两边束产生等量同方向的移动。四极和六极磁铁在管颈轴线处的合成磁场为零,因此对中束无影响。二极、四极、六极磁铁的调移方法是:当两片磁铁做反方向相对转动时,可改变磁场的强弱,即改变移动量的大小;两片一起做同方向转动,可改变磁场方向,即改变移动方向。反复调整磁铁,就可以达到静态会聚的目的。,动态会聚校正采用两组非均匀分布磁场来解决,一组是桶形磁场分布解决垂直偏转,一组是枕形磁场分布解决水平偏转。综合水平枕形和垂直桶形磁场分布的作用,能使三束会聚得到校正,但中间束绿束光栅的重直和木平幅度都稍小,如7-13所示,需用磁增强器加以修正。 为使三色光栅重合,在电于枪顶部设置了附加磁极,它实际上是四个磁环,与两条边束同心的磁环形成磁场分路使两个边束的光栅尺寸有所减小,故称磁分路器。 图7-13 RGB三电子束会聚图形,7.1.5 CRT的特点及应用 1.CRT的特点 CRT最大的优势是可以在相对低的价格下获得所必需的各种功能和性能。而且,可以进行大画面高密度显示,彩色CRT与单色CRT在装置的布局上无本质变化,可进行无级辉度调节的全色显示。特别是CRT采用电子束扫描方式,与其他电子显示采用矩阵阵列的扫描方式不同,所需要的驱动电极数极少 在辉度、对比度指标上,与其他显示器相比,CRT也处于有利地位。显示亮度可以任意调节。而且,从电视机用CRT、超高密度显示用CRT到分析观测CRT,均可根据不同使用目的自由设计,从而应用范围极为广泛。 CRT的主要缺点是尺寸和重量都难以降低,由于笨重,又不能实现折叠化、便携化,驱动电压高,给使用带来不便。,2.CRT的应用 显示器CRT可分为电视用CRT、显示器终端用CRT及观测用CRT。电视用CRT的发展趋势,主要是大型化,此外设计和采用先进的电子枪、通过管面处理提高对比度、采用纯`平、超平显示屏、缩短CRT的长度、降低CRT的功耗等,目前在许多方面都取得了新的进展。目前计算机显示器普遍采用CRT,但面临着液晶显示器的竞争。飞机、汽车、轮船等搭载的CRT可以向操纵者提供各种信息,显示的信息量大。随着银行自动取款机的普及,CRT作为金融终端的应用增加很快,这种用途对图像分辨率无过高要求。而对干医疗检测设备等应用来说,将提供诊断的依据,所以对CRT的辉度、解像度、灰度等级及对比度等都有十分严格的要求。观测用CRT已有很久的历史,对超高速现象的观测一直是人们研究开发的重点之一。通过配套电路与之配合,目前的示波器已能适应GHz信号的观测,部分产品已实现彩色化。,§7.2 液晶显示,液晶显示器件(LCD)是利用液态晶体的光学各向异性特性,在电场作用下对外照光进行调制而实现显示的。液晶显示器主要有以下特点: (1)液晶显示器件是厚度仅数毫米的薄形器件,非常适合于便携式电子装置的显示。 (2)工作电压低,仅几伏,用CMOS电路直接驱动,电子线路小型化。 (3)功耗低,显示板本身每平方厘米功耗仅数十微瓦,采用背光源也仅10mW/cm2左右,外用电池长时间供电。 (4)采用彩色滤色器,LCD易于实现彩色显示。 (5)现在的液晶显示器显示质量已经可以赶上,有些方面甚至超过CRT的显示质量。,液晶显示器也有一些缺点,主要是:(1)高质量液晶显示器的成本较高,但是目前呈现明显的下降趋势,(2)显示视角小,对比度受视角影响较大,现在已找到多种解决方法,视角接近CRT的水平,但仅限于档次较高的彩色LCD显示。(3)液晶的响应受环境影响,低温时响应速度较慢。 液晶显示的种类很多,我们将介绍几种常见液晶显示器件的工作原理。,7.2.1 液晶的基本知识 1.什么是液晶 液晶是液态晶体的简称。液晶是指在某一温度范围内,从外观看属于具有流动性的液体,但同时又是具有光学双折射的的晶态。液晶分为两大类:溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水中或有机溶剂中才显示出液晶状态,而后者则要在一定的温度范围内呈现出液晶状态。作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。 显示用的液晶都是一些有机化合物,液晶分子的形状呈棒状很像“雪茄烟”。宽约十分之几纳米,长约数纳米,长度约为宽度的4~8倍,液晶分子有较强的电偶极矩和容易极化的化学团,由于液晶分子间作用力比固体弱,液晶分子容易呈现各种状态,微小的外部能量一—电场、磁场、热能等就能实现各分子状态间的转变,从面引起它的光、电、磁的物理性质发生变化,液晶材料用于显示器件就是利用它的光学性质变化,一般情况下单一液晶材料,即单质液晶满足不了实用显示器件的性能要求,显示器件实际使用的液晶材料都是多种单质液晶的混合体。,2.液晶的分类 热致液晶可分为近晶相、向列相和胆甾相三种类型,如图7-14所示。 近晶相(Smectic Liquid Crystals)液晶分于呈二维有序性,分子排列成层,层内分子长轴相互平行,排列整齐,重心位于同一平面内,其方向可以垂直层面,或与层面成倾斜排列,层的厚度等于分子的长度,各层之间的距离可以变动,分子只能在层内前后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。近晶相液晶的粘度与表面张力都比较大,对外界电、磁、温度等的变化不敏感。,向列相(Nematic Liquid Crystals)液晶分子只有一维有序,分子长轴互相平行,但不排列成层,它能上下、左右、前后滑动,只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平行,分子间短程相互作用微弱,向列相液晶分子的排列和运动比较自由,对外界电、磁场、温度、应力都比较敏感,目前是显示器件的主要材料。胆甾相(Cholesteric Liquid Crystals)液晶是由胆甾醇衍生出来的液晶,分子排列成层,层内分子相互平行,分子长轴平行于层平面,不同层的分子的分子长轴方向稍有变化,相邻两层分子,其长轴彼此有一轻微的扭角(约为15角分),多层扭转成螺旋形,旋转3600的层间距离称螺距,螺距大致与可见光波长相当,胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态,一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相易受外力的影响,特别对温度敏感,温度能引起螺距改变,而它的反射光波长与螺距有关,因此,胆甾相液晶随冷热而改变颜色。,热致液晶仅在一定的温度范围内才呈现液晶特性,此时为浑浊不透明状态,其稠度随不同的化合物而有所不同,从糊状到自由流动的液体都有,即粘度不同,如图7-15所示,低于温度T1,就变成固体(晶体),称T1为液晶的熔点,高于温度T2就变成清澈诱明各向同性的液态,称T2为液晶的清亮点。LCD能工作的极限温度范围基本上由T1和T2确定。 图7-15 热致液晶的形成,3.液晶的光电特性 如果不考虑由干热而引起液晶分子有序排列的起伏,则利用传统的晶体光学理论完全可以描述光在液晶中的传播,在外电场的作用下,液晶的分子排列极易发生变化,液晶显示器件就是利用液晶的这一特性设计的。 (1)电场中液晶分子的取向 液晶分子长轴排列平均取向的单位矢量n称为指向矢量,设ε∥和ε⊥分别为当电场与指向矢平行和垂直时测得的液晶介电常数。定义介电各向异性Δε:Δε=ε∥-ε⊥ ,将Δε›0的液晶称为P型液晶,它具有正的介电各向异性,Δε‹0的液晶称为N型液晶,它具有负的介电各向异性。在外电场作用下,P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向,N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。目前的液晶显示器件主要使用P型液晶。 (2)线偏振光在向列液晶中的传播 沿着P型向列液晶长轴方向振动的光波有一个最大的折射率n∥,而对于垂直这个方向振动的光波有一个最小的折射率n⊥,按照晶体光学理论,这种液晶为单轴的,分子的长轴方向就是光轴,寻常光折射率no=n⊥,非寻常光折射率ne=n∥,其折射率的各向异性Δn为:Δn=n∥-n⊥=ne-no,图7-16 线偏振光在向列液晶中的传播,如图7-16所示,在0≤z≤zo 的区域内,液晶沿着指向矢n的方向排列,偏振光振动方向与n成θ角,入射光在x、y方向上电矢量强度可用下式表示:两光场位相差记为δ:则合成光场矢端方程为:,,,,,,当θ=0(或π/2时),Ey=0(或Ex=0),即偏振光的振动方向和状态没有改变,仍以线偏振光和原方向前进。当θ=π/4时 随着光线沿着z方向前进,偏振光相继成为椭圆、圆和线偏振光,同时改变了线偏振方向,最后,这束光将以位相差δ所决定的偏振状态,进入空气中。 (3)线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播 如图7-17所示,把液晶盒的两个内表面做沿面排列处理并使盒表面上的向列相液晶分子方向互相垂直,液晶分子在两片玻璃之间呈900扭曲,即构成扭曲向列液晶,光波波长λ≤P(螺距)。当线偏振光垂直入射时,若偏振方向与上表面分子取向相同,则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转,并以平行于出口处分子轴的偏振方向射出;若入射偏振光的偏振方向与上表面分子取向垂直,则以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出,当以其他方向的线偏振光入射时,则根据平行分量和垂直分量的位相差δ的值,以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。,,图7-17线偏振光在扭曲向列液晶中的传播,7.2.2 扭曲向列型液晶显示(TN-LCD)扭曲向列型液晶盒的基本结构如图7-18所示,在两块带有氧化铟锡(ITO)透明导电电极的玻璃基板上涂有称为取向层的聚酰亚胺聚合物薄膜,用摩擦的方法在表面形成方向一致的微细沟槽,在保证两块基板上沟槽方向正交的条件下,将两块基板密封成间隙为几个微米的液晶盒,用真空压注法灌入正性向列相液晶并加以密封,由于上下基板上取向槽方向正交,无电场作用时液晶分子从上到下扭曲90。。在液晶盒玻璃基板外表面粘贴上线偏振片,使起偏振片的偏振轴与该基片上的摩擦方向一致或垂直,并使检偏振片与起偏振片的偏振轴相互正交或平行,就构成了最简单的扭曲向列液晶盒。,图7-18 典型TN液晶显示器件结构示意图,1.工作原理 如图7-19所示,入射光通过偏振片后成为线偏振光,无电场作用时,根据线偏振光在扭曲向列液晶中的旋光特性,如果出射处的检偏振片的方向与起偏振片方向垂直,旋转过90。的偏振光可以通过,因此,有光输出而呈亮态。在有电场作用时,如果电场大于阈值场强,除了与内表面接触的液晶分子仍沿基板表面平行排列外,液晶盒内各层的液晶分子其长轴都沿电场取向而成垂直排列的状态,此时通过液晶层的偏振光偏振方向不变,因而不能通过检偏振片而呈暗态,即实现了白底上的黑字显示,称为正显示。同样,加果将起偏振片和检偏振片的偏振轴相互平行粘贴,则可实现黑底白字显示,称为负显示。扭曲向列液晶产生旋光特性必须满足以下条件:,,d×△nλ/2,其中,Δn是液晶材料的折射率各向异性,d是液晶盒的间距,λ为人射光波长,一般的TN-LCD液晶盒取d=10um。,图7-19 TN-LCD的工作原理,2.TN-LCD的电光特性 TN-LCD的电光特性如图7-20所示,纵坐标T表示透射率,横坐标Vrms表示加在液晶盒上的电压均方根值,即有效值。 阈值电压Vth定义为透射率为器件最大透射率的90%(常白型)或10%(常黑型)所对应的电压有效值,Vth是和液晶材料有关的参数,对于TN-LCD,大约在1~2V之间。 饱和电压Vsat定义为透射率为器件最大透射率的10%(常白型)或90(常黑型)所对应的电压有效值。 陡度γ定义为:,,LCD的对比度是在恒定环境照明条件下显示部分亮态与暗态的亮度之比,由于偏离显示板法线方向不同角度入射到液晶盒的光,遇到不同的液晶分子排列形态,造成有效光学延迟量的不同;因此不同视角下对比度就不同,甚至可能出现暗态的透射率超过亮态透射率的情况,即出现对比度反转。已提出了儿种解决视角问题的方法,最新产品的视角可以和CRT相当。,由于VsatVth,所以γ是大于1的数值,极限值为1。γ决定器件的多路驱动能力和灰度性能,陡度越大,多路驱动能力越强,但灰度性能下降,反之亦然。,扭曲向列液晶显示器件对外加电压有如图7-21所示的瞬态响应曲线,液晶的电光响应通常滞后几十毫秒,透光率并不和外电压同时增加,而要经过几个脉冲序列后才行始增加,并在经历一定序列脉冲后,达到最大值。停止施加外电压后,透光率也并行立即下降到零而是经过一定时间才达到较小值。 液晶器件电光效应的瞬态响应特性通常用三个常数表征:延迟时间τd,定义为加上电压后透光率达到最大值10%时的时间;上升时间τr,定义为透光率从10%增加到90%所用的时间;下降时间τf,定义为透光率从90%下降到10%所用的时间。,三个常数与液晶材料弹性系数、粘滞系数、液晶盒温度和外加电压有关。室温时,TN型器件的τd为数毫秒,τr在10ms~100ms之间,τf在20ms~200ms之间,由于液晶材料的粘滞系数随温度上升而减小,因此τr和τf随环境温度上升而减小。目前普通TN-LCD的响应时间在80ms左右。,3.TN-LCD的驱动 TN-LCD 液晶显示的电极可以分为三类: ①段型电极,用于显示数字和拼音字母; ②固定图形电极,用于显示固定符号、图形; ③矩阵型电极,用于显示数字、曲线、图形及视频图像。LCD的驱动有如下一些特点: ①为防止施加直流电压使液晶材料发生电化学反应从而造成性能不可逆的劣化,缩短使用寿命,必须用交流驱动,同时应减小交流驱动波形不对称产生的直流成分, ②驱动电源频率低于数千赫兹时,在很宽的频率范围内LCD的透光率只与驱动电压有效值与电压波形无关; ③驱动时LCD像素是一个无极性的容性负载。TN-LCD主要有静态驱动和矩阵寻址驱动两种驱动方式。所谓静态驱动,是指在需要显示的时间里分别同时给所需显示的段电极加上驱动电压,直到不需要显示的时刻为止。静态驱动的对比度较高,但使用的驱动元器件较多,因此只用于电极数量不多的段式显示。,TN-LCD的矩阵寻址驱动实际上是一种简单矩阵(或无源矩阵)驱动方式,即把TN-LCD的上下基板上的ITO电极做成条状图形,并互相正交,行、列电极交叉点为显示单元,称为像素。按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压,即扫描电压,选到某一行时各列电极同时施加相应于该行的信号电压,行电极选通一遍,就显示出一帧信息,若行电极数为N,每一行选通的时间只有一帧时间的1/N,称1/N为该矩阵寻址的占空比,占空比越小,每行在一帧时间内实际显示的时间所占的比例越小。矩阵寻址法可实现大信息容量的显示,但同时也带来了不可忽视的交叉效应问题,以2×2矩阵显示为例,如图7-22(a)所示,水平电极X1、X2是扫描电极,垂直电极Y1、Y2是信号电极,电压按序列加在X1、X2上,信号电压按调制要求加在Y1、Y2上,当只显示两个灰度等级时,如V0加在X1上,信号电压使Y1为低电位,像素P11称为全选点,P12、P21称为半选点,P22称为非选点,可以将液晶像素视为一个阻抗,其等效电路如图7-22(b)所示,从等效电路可知,P11上的电压为V0时,P12、P21、P22上有V0/3的电压。 随着驱动电压的提高,最初P11选中,之后其他点也被“点亮”。此处的“点亮”指液晶单元由亮变暗或由暗变亮。交叉效应的主要原因是由于液晶像素的双向导通特性,外加电压只根据阻抗大小来分配电压,这样,即使只对一个像素加电压,矩阵上的所有像素都会由于矩阵网格的交叉耦合被分摊到一定数值的电压,交叉效应随矩阵行、列数目的增大而加剧,它使图像对比度降低,图像质量变差。,采用偏压法可以在一定程度上减小交叉效应的影响,即不让非选的行电极悬浮,而是让它加上V0/b的电压,其中V0是被选电极所加电压,b是偏压比。理论分析表明,当b=N1/2+1时,其中N为矩阵的行数,则相应的交叉效应最小,称此时的b为最佳偏压比。,图7-22 矩阵的交叉效应。,7.2.3 超扭曲向列型液晶显示(STN-LCD) 1.STN-LCD的结构和基本原理 扭曲向列液晶显示器件,其液晶分子的扭曲角为900。,它的电光特性曲线不够陡峻,由于交叉效应,在采用无源矩阵驱动时,限制了其多路驱动能力,理论分析和实验表明,把液晶分子的扭曲角从900。增加到1800~2700时,可大大提高电光特性的陡度。图7-23表示一组不同扭曲角下液晶盒中央平面上液晶分子的倾角和外加电压的关系曲线。 它的形状可近似看做电光曲线的形状,可以看到。曲线的陡度随扭曲角的增大而增大,当扭曲角为2700。时斜率达到无穷大,曲线陡度的提高允许器件工作在较多的扫描行数下,但要求液晶分子在取向层界面上有较大的预倾角,这在规模生产中比较困难,目前的STN-LCD产品,扭曲角一般在1800~2400。范围内,相应预倾角在100以下,生产中比较容易实现。这种扭曲角在1800~2400范围内的液晶显示称为超扭曲向列型液晶显示。,图7-23 不同扭曲角下液晶盒中央液晶分子的倾角和外加电压的关系,其工作原理如图7-24所示,取扭曲角为1800。起偏器偏振方向与液晶盒表面分子长轴在其上的投影方向呈450,检偏器偏振方向与起偏器垂直。在不加电压时由于入射STN的偏振光方向与液晶分子长轴方向成一定角度,从而使入射偏振光被分解成两束(平常光和异常光)。两束光波通过液晶后,产生光程差,从而在通过检偏器时产生干涉,呈现一定颜色,加电压后,由干两偏振片正交,光不能通过呈现黑色。根据液晶层厚度的不同和起偏振片、检偏振片相对取向的不同,常有黄绿色背景上写黑字,称为黄模式、和在蓝色背景上写灰字,称为蓝模式两种。为了对STN-LCD的有色背景进行补偿,实现黑白显示,常采用两种方法:双盒补偿法(DSTN)和补偿膜法(FSTN)。双盒补偿法是在原有STN-LCD的基础上加一只结构参数完全一致但扭曲方向相反的另一只液晶盒,这种方法补偿效果好,但重量加重,成本较高。目前广泛采用的是补偿膜法,用一层或二层特制的薄膜代替补偿盒,这层膜可与偏振片贴在一起。实现黑白显示后,再加上彩色滤色器,就可以得到彩色STN-LCD,如图7-25所示。彩色滤色器是LCD实现彩色显示的关键部件,其基本原理同彩色CCD中所用的彩色滤色器相似。主体是由制作在玻璃基板上的红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色点阵织成,其间镶嵌有黑色矩阵,以增加对比度。三基色点阵的排列方式常用的有品字形、田字形或条形结构,一般显示字符和图形的办公用机都选用条形排列,显示动态图像和电视图像的多选用品字形或田字形排列。,图7-24 STN-LCD显示原理示意图,图7-25 彩色STN-LCD结构示意图,2.STN-LCD的制作工艺和性能特点 STN-LCD所用的液晶材料是在特定的TN材料中添加少量手征性液晶以增加它的扭曲程度,盒的厚度较薄,一般5um~7um。STN-LCD的工艺流程基本上和TN-LCD类似,但由于TN-LCD是基于光干涉效应的显示器件,对盒厚的不均匀性要求0.05um(TN-LCD只要求0.5um),否则就会出底色不均匀,预倾角要求达到30~80,电极精细,器件尺寸校大,因此其规模生产难度较TN-LCD大许多。STN-LCD可以满足笔记本电脑的大容量信息显示需要,但其电光特件变陡后,灰度显示比较困难,目前产品一般有64个灰度等级。另一方面,扭曲角增大后,响应速度明显下降,普通产品的响应速度在200um~300um左右,采取一些技术措施后,响应速度可达到50um左右,但成本显著增加。目前,STN-LCD主要用于手机等中小容量字符显示领域,,7.2.4有源矩阵液晶显示器件(AM-LCD)STN-LCD采用简单矩阵驱动,没有从根本上克服交叉效应,也没有解决因扫描行数增加,占空比下降所带来的显示质量劣化问题。因此,人们在每一个像素上设计一个非线性的有源器件,使每个像素可以被独立驱动,克服交叉效应。依靠存储电容的帮助,液晶像素两端的电压可以在一帧时间内保持不变,使占空比提高到接近1,从原理上消除了扫描行数增加时对比度降低的矛盾,获得高质量的显示图像。有源矩阵液晶显示采用了像质最优的扭曲向列型液晶显示材料,有源矩阵液晶显示根据有源器件的种类分为二端型和三端型两种。二端型以MIM(金属-绝缘体-金属)二极管阵列为主,三端型以薄膜晶体管(TFT)为主。1.二端有源矩阵液晶显示 二端有源矩阵液晶显示的电极排列结构如图7-26所示。图7-27为MIM矩阵等效电路,MIM与液晶单元呈串联电路。二端有源器件是双向性二极管,正、反方向都具有开关特性。,图7-26 MIM液晶显示器件电极排列结构,图7-27 MIM液晶显示器件等效电路,2.三端有源矩阵液晶显示 三端有源矩阵液晶显示的结构和等效电路如图7-28所示,每个像素上都串入一个薄膜晶体管(TFT)。它的栅极G接扫描电压,漏极D接信号电压,源极S接TTO像素电极,与液晶像素串联。液晶像素可以等效为一个电阻RLC和一个电容CLC的并联。,三端有源液晶显示中的TFT目前以a-Si和p-Si为主流。a-Si,即非晶硅方式制作,其特点是用低温CVD方式即可成膜,容易大面积制作。p-Si,即多晶硅方式制作,其内部迁移率高,可以将周边驱动电路集成在液晶层上,降低引线密度,实现a-Si TFTLCD难于达到的轻、薄等要求,同时可以缩小TFT的面积,在达到高解析度的同时,保持或实现更高的开口率,满足提高亮度、降低功耗的要求。TFTLCD的液晶盒工艺和TN-LCD类似,只是面积大,精度高,环境要求严,因此设备体系与TN-LCD完全不同,自动化程度要高几个量级。TFT矩阵的制作工艺是玻璃基板上大面积成膜技术(如溅射、CVD和真空蒸发等)和类似于制造大规模集成电路的微米级光刻技术的结合,TFT的图形虽然没有IC那样复杂,但要求在大面积上均匀一致,而且只允许极少的缺陷率,从而导致了一个新的技术概念:巨微电子学(Giant Microelectronics)。,3.LCD的背光源 LCD可以在反射、透射或者透反射模式下工作,但为了实现高对比度的全色显示,往往选择在透射模式下工作,这就需要外照光源。这种光源一般置于液晶盒背后,称为LCD的背光源。背光源的色温、发光效率、驱动电路等对LCD的色彩、亮度和功耗有直接影响,它消耗的功率是整个LCD模块的90%以上,因此对便携机的背光源,薄形和低功耗是两个首先要考虑的问题。目前采用的背光法主要有三种:热阴极荧光灯(HCFL),冷阴极荧光灯(CCFL)和电致发板。背光源用热阴极荧光灯与照明用荧光灯结构上基本相同,亮度高、光效大,但功耗也较大,且需点燃电路。冷阴极荧光灯的结构与热阴极荧光灯相似,只是用空心的金属筒阴极代替了灯丝,灯管可以做得很细,功耗较小且寿命很长,有较高的亮度和发光效率,是广泛使用的背照光源。HCFL与CCFL都是管状,其与液晶的组合方式可分为侧照式和背照式,为了减小厚度,大多数厂家都采用如图7-29所示的侧光照明方式 。,
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