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1§ 2.3液晶显示器
§ 2.3 液晶显示器
◆ 2.3.1 液晶显示器原理
◆ 2.3.2 液晶显示器的构造
◆ 2.3.3 液晶显示器的驱动
◆ 2.3.4 液晶显示器的特点及应用上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
2§ 2.3.1液晶显示器原理
§ 2.3 液晶显示器
§ 2.3.1液晶显示器原理一、液晶液晶 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性的晶体。
“液晶”包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液晶相的物质。
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3
(a) 层列液晶
(b) 向列液晶
(c) 胆甾相液晶图 2.3.1-1 三种液晶相的分子排列结构
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4
液晶物质的大多数为有机化合物，其分子的形状一般为细长的棒状或扁平的板状。液晶相中这些分子的排列状态一般取图 2.3.1-1所示的特殊的排列方式，
按分子排列方式的不同，液晶可分为 层列 (smectic)液晶,向列 (nematic)液晶,胆甾相 (cholesteric)液晶等几大类。
二、液晶的物理性能
1,物理性质的各向异性
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5
液晶物质的折射率,介电常数,磁化率,电导率,粘度等各种物理性质,在液晶分子的长轴方向 （ ∥ ） 和与其垂直的方向 （ ⊥ ） 有很大的不同,即存在各向异性 （,,,,
） 。
nn// // // //
//
参照图 2.3.1-2（图中为着眼于全体液晶分子时，分子长轴的择优取向方向的单位矢量），液晶分子排列的有序程度，由下式所定义的分子排列的有序化参数来表征
2.3.1-1 1c o s32
1 2?S
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6
2.3.1-2 液晶方向与分子取向的空间关系液晶分子
x
y
az
o
n
θ
§ 2.3.1液晶显示器原理像各向异性液体那样，分子长轴取向完全无序的场合，
S=0； 所有分子完全平行取向的理想液晶,S=1。 通常，
向列液晶的有序化参数 S也与温度有关，取值在 0.3~0.8之间。
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7
2,折射率的各向异性液晶具有与光学单轴性晶体同样的各向异性折射率，显示出双折射性。单轴性晶体具有两个不相同的主折射率 No和 Ne,分别代表电矢量的振动方向相对于晶体光轴呈垂直的寻常光及呈平行的异常光的折射率。
对于向列液晶和层列液晶,液晶取向 n的方向相当于单轴晶体的光轴,因此,对于与取向 n分别呈垂直和呈平行关系的振动光的折射率取,?n //n 则有
2.3.1-2
//e
o
nn
nn
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8
而且,其折射率的各向异性可由下式给出
2.3.1-3
nnnnn //oe
这两种液晶三维空间的折射率，如图 2.3.1-3(a)所示,
向列液晶和层列液晶称为 光学正液晶 。
n
ne = n//
no= n┴
光轴螺旋轴
ne= n┴
光轴
(a) 层列液晶和向列液晶 (光学正液晶 ) (b) 胆甾相液晶 (光学负液晶 )
图 2.3.1-3 单轴性液晶折射率的各向异性
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9
胆甾相液晶称为光学负液晶 。 对于通常光和异常光,
其折射率大小的空间分布如图 2.3.1-3(b)所示 。
3,各种光学性质基于折射率的各向异性,液晶具有以下光学性质,这些性质是 LCD工作原理的基础 。
§ 2.3.1液晶显示器原理在胆甾相液晶的情况下，与取向 N垂直的螺旋轴相当于光轴，其主折射率 No,Ne可由下式给出
2.3.1-4
nn
nnn
e
2/1
22
//o )(2
1
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10
(1) 光的行进方向会偏向取向 （ 分子长轴 ） 的方向；
(2) 偏光的状态及偏光的振动方向会发生变化；
(3) 根据入射偏光的左,右旋光性,可使其反射或透射 。
§ 2.3.1液晶显示器原理入射直线偏光
x
y
z
nθ
液晶偏光方向 θ
θ=0
θ=π/4
θ=π/2
图 2.3.1-4 入射直线偏光在液晶中偏光状态及偏光方向的变化上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
11§ 2.3.1液晶显示器原理三,扭曲向列型显示原理图 2.3.1-5表示在垂直偏振片间设置 TN排列液晶盒的场合,基于电气光学效应,TN型显示方式的原理 。 在这种情况下,不施加电压时使光透过,而施加电压时使光遮断 。 在平行偏振片间,这种光的透过或遮断关系是可逆的 。
目前广泛普及的 LCD的一种就是基于这种 TN
方式,在白的背景下可以显示黑,在黑的背景下可以显示白 。
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12
(b)施加电压时图 2.3.1-5 TN型显示方式的原理入射光偏振片 偏振片光遮断
TN排列盒
(a) 未施加电压时入射光偏振片 偏振片光透过
TN排列盒
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13§ 2.3.2液晶显示器的构造
§ 2.3.2 液晶显示器的构造
图 2.3.2-1为用于仪表数字显示的反射式 TN型 LCD
的端面结构。
图 2.3.2-1反射式 TN型 LCD的端面结构玻璃基板透明电极外周封接剂分子取向层偏振片偏振片分子取向层液晶透明电极玻璃基板反射板上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
14
对于不需要偏振片的显示方式及透射型 LCD要去掉偏振片及反射板 。 透射型 LCD需要附加背面照明光源 。 而且,对于彩色显示 LCD,一般要在透明电极与玻璃基板之间增设多色滤波器层 。
透明电极基板可以采用涂覆有氧化铟及氧化锡透明导电膜的玻璃板,塑料片或塑料膜 。 一般要求其透光率在 90%以上,
表面电阻从 10Ω到数百欧姆 。 封接材料一般使用热硬化性环氧树脂封接剂,但对可靠性要求特别高的场合,也有时采用玻璃封接剂等 。 大部分 LCD所必需的偏振片,是用碘及二色性染料染色的延伸聚乙烯醇膜与醋酸纤维素保护膜做成的夹层结构,且多为片状,其透光率为 40%~50%,偏光度一般为
98%左右 。 而且,光反射板与偏振片往往做成一体结构 。
§ 2.3.2液晶显示器的构造上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
15§ 2.3.3液晶显示器的驱动
§ 2.3.3 液晶显示器的驱动
一,各种驱动电极的结构液晶显示器驱动用电极结构及其用途：
1,段电极,主要用于数字显示,模拟图形显示；
2,固定图案电极,用于符号显示,图案显示；
3,矩阵电极,字符显示、图形显示、电视画面显示。
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16
在各种段电极中，
典型的是图 2.3.3-1所示的 7段图 2.3.3-1段电极的结构段电极公共电极图 2.3.3-2为矩阵电极结构示意图，利用这种电极可以显示任意图案。
图 2.3.3-2 矩阵电极结构示意图
Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 … Ym
信号 （ 列 ） 电极
X1
X2
X3
X4
X5
┇
Xn
扫描
（
行
）
电极
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17
二,驱动方式
1,静态驱动静态驱动是指对要显示的各个段电极分别,且同时驱动的方法 。
图 2.3.3-3静态驱动波形的实例段 段
OFF 显示 (ON) 非显示 (OFF) ON
公共电极驱动波形段电极驱动波形施加在液晶上的电压波形
V
0
V
0
V
0
-V
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18
2,多路传输驱动在多路数字显示等场合,需采用多路传输驱动方式,
这种驱动方式适合于比较多的段电极的情况以及构成矩阵电极的情况,为分时驱动或动态驱动 。
图 2.3.3-4多路传输驱动示意图位电极
(Xi)
段电极
(Yj)
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
X1
X2
X3
┇
X12
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19
3,有源矩阵驱动图 2.3.3-5有源矩阵驱动 LCD的工作原理同 步 电 路扫描电路
Y1 Y2 Y3 … Ym
X1
X2
X3
┇
Xm
漏极母线栅极母线电容器液晶
FET
信号
§ 2.3.3液晶显示器的驱动上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
20§ 2.3.4液晶显示器的特点及应用
§ 2.3.4 液晶显示器的特点及应用
LCD的 优点 有：
1,由于低功耗 （ 几微瓦 ~几十微瓦 /平方厘米 ）,利用电池即可长时间运行,为节能型显示器 。
2,低电压运行 （ 几十伏 ）,可由 IC直接驱动,驱动电路小型,简单 。
3,元件为薄型 （ 几毫米 ）,而且从大型显示 （ 对角线长几十厘米 ） 到小型显示 （ 对角线长几毫米 ） 都可满足,特别适用于便携式装置 。
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21§ 2.3.4液晶显示器的特点及应用
4,属于非主动发光型显示,即使在明亮的环境,显示也是鲜明的 。
5,容易实现彩色显示,因此便于显示功能的扩大及显示的多样化 。
6,可以进行投影显示及组合显示,因此容易实现大画面 （ 对角线为数米 ） 显示 。
LCD也存在以下一些 缺点,
1,由于属于非主动发光型,在采用反射方式时,在比较暗的场所,显示不够鲜明 。
2,在需要鲜明的显示及彩色显示的场合,需要背景光 。
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22
3,显示对比度与观察方向有关,视角受到限制 。
4,响应时间与环境温度有关,低温 （ -30℃ ~-40℃ ）
时工作不能充分保证 。
LCD的 主要应用 有：
1,数字,字符显示
2,平面显示
3,光开关
§ 2.3.4液晶显示器的特点及应用
1§ 2.3液晶显示器
§ 2.3 液晶显示器
◆ 2.3.1 液晶显示器原理
◆ 2.3.2 液晶显示器的构造
◆ 2.3.3 液晶显示器的驱动
◆ 2.3.4 液晶显示器的特点及应用上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
2§ 2.3.1液晶显示器原理
§ 2.3 液晶显示器
§ 2.3.1液晶显示器原理一、液晶液晶 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性的晶体。
“液晶”包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液晶相的物质。
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3
(a) 层列液晶
(b) 向列液晶
(c) 胆甾相液晶图 2.3.1-1 三种液晶相的分子排列结构
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4
液晶物质的大多数为有机化合物，其分子的形状一般为细长的棒状或扁平的板状。液晶相中这些分子的排列状态一般取图 2.3.1-1所示的特殊的排列方式，
按分子排列方式的不同，液晶可分为 层列 (smectic)液晶,向列 (nematic)液晶,胆甾相 (cholesteric)液晶等几大类。
二、液晶的物理性能
1,物理性质的各向异性
§ 2.3.1液晶显示器原理上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
5
液晶物质的折射率,介电常数,磁化率,电导率,粘度等各种物理性质,在液晶分子的长轴方向 （ ∥ ） 和与其垂直的方向 （ ⊥ ） 有很大的不同,即存在各向异性 （,,,,
） 。
nn// // // //
//
参照图 2.3.1-2（图中为着眼于全体液晶分子时，分子长轴的择优取向方向的单位矢量），液晶分子排列的有序程度，由下式所定义的分子排列的有序化参数来表征
2.3.1-1 1c o s32
1 2?S
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6
2.3.1-2 液晶方向与分子取向的空间关系液晶分子
x
y
az
o
n
θ
§ 2.3.1液晶显示器原理像各向异性液体那样，分子长轴取向完全无序的场合，
S=0； 所有分子完全平行取向的理想液晶,S=1。 通常，
向列液晶的有序化参数 S也与温度有关，取值在 0.3~0.8之间。
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7
2,折射率的各向异性液晶具有与光学单轴性晶体同样的各向异性折射率，显示出双折射性。单轴性晶体具有两个不相同的主折射率 No和 Ne,分别代表电矢量的振动方向相对于晶体光轴呈垂直的寻常光及呈平行的异常光的折射率。
对于向列液晶和层列液晶,液晶取向 n的方向相当于单轴晶体的光轴,因此,对于与取向 n分别呈垂直和呈平行关系的振动光的折射率取,?n //n 则有
2.3.1-2
//e
o
nn
nn
§ 2.3.1液晶显示器原理上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
8
而且,其折射率的各向异性可由下式给出
2.3.1-3
nnnnn //oe
这两种液晶三维空间的折射率，如图 2.3.1-3(a)所示,
向列液晶和层列液晶称为 光学正液晶 。
n
ne = n//
no= n┴
光轴螺旋轴
ne= n┴
光轴
(a) 层列液晶和向列液晶 (光学正液晶 ) (b) 胆甾相液晶 (光学负液晶 )
图 2.3.1-3 单轴性液晶折射率的各向异性
§ 2.3.1液晶显示器原理上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
9
胆甾相液晶称为光学负液晶 。 对于通常光和异常光,
其折射率大小的空间分布如图 2.3.1-3(b)所示 。
3,各种光学性质基于折射率的各向异性,液晶具有以下光学性质,这些性质是 LCD工作原理的基础 。
§ 2.3.1液晶显示器原理在胆甾相液晶的情况下，与取向 N垂直的螺旋轴相当于光轴，其主折射率 No,Ne可由下式给出
2.3.1-4
nn
nnn
e
2/1
22
//o )(2
1
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10
(1) 光的行进方向会偏向取向 （ 分子长轴 ） 的方向；
(2) 偏光的状态及偏光的振动方向会发生变化；
(3) 根据入射偏光的左,右旋光性,可使其反射或透射 。
§ 2.3.1液晶显示器原理入射直线偏光
x
y
z
nθ
液晶偏光方向 θ
θ=0
θ=π/4
θ=π/2
图 2.3.1-4 入射直线偏光在液晶中偏光状态及偏光方向的变化上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
11§ 2.3.1液晶显示器原理三,扭曲向列型显示原理图 2.3.1-5表示在垂直偏振片间设置 TN排列液晶盒的场合,基于电气光学效应,TN型显示方式的原理 。 在这种情况下,不施加电压时使光透过,而施加电压时使光遮断 。 在平行偏振片间,这种光的透过或遮断关系是可逆的 。
目前广泛普及的 LCD的一种就是基于这种 TN
方式,在白的背景下可以显示黑,在黑的背景下可以显示白 。
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12
(b)施加电压时图 2.3.1-5 TN型显示方式的原理入射光偏振片 偏振片光遮断
TN排列盒
(a) 未施加电压时入射光偏振片 偏振片光透过
TN排列盒
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13§ 2.3.2液晶显示器的构造
§ 2.3.2 液晶显示器的构造
图 2.3.2-1为用于仪表数字显示的反射式 TN型 LCD
的端面结构。
图 2.3.2-1反射式 TN型 LCD的端面结构玻璃基板透明电极外周封接剂分子取向层偏振片偏振片分子取向层液晶透明电极玻璃基板反射板上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
14
对于不需要偏振片的显示方式及透射型 LCD要去掉偏振片及反射板 。 透射型 LCD需要附加背面照明光源 。 而且,对于彩色显示 LCD,一般要在透明电极与玻璃基板之间增设多色滤波器层 。
透明电极基板可以采用涂覆有氧化铟及氧化锡透明导电膜的玻璃板,塑料片或塑料膜 。 一般要求其透光率在 90%以上,
表面电阻从 10Ω到数百欧姆 。 封接材料一般使用热硬化性环氧树脂封接剂,但对可靠性要求特别高的场合,也有时采用玻璃封接剂等 。 大部分 LCD所必需的偏振片,是用碘及二色性染料染色的延伸聚乙烯醇膜与醋酸纤维素保护膜做成的夹层结构,且多为片状,其透光率为 40%~50%,偏光度一般为
98%左右 。 而且,光反射板与偏振片往往做成一体结构 。
§ 2.3.2液晶显示器的构造上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
15§ 2.3.3液晶显示器的驱动
§ 2.3.3 液晶显示器的驱动
一,各种驱动电极的结构液晶显示器驱动用电极结构及其用途：
1,段电极,主要用于数字显示,模拟图形显示；
2,固定图案电极,用于符号显示,图案显示；
3,矩阵电极,字符显示、图形显示、电视画面显示。
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16
在各种段电极中，
典型的是图 2.3.3-1所示的 7段图 2.3.3-1段电极的结构段电极公共电极图 2.3.3-2为矩阵电极结构示意图，利用这种电极可以显示任意图案。
图 2.3.3-2 矩阵电极结构示意图
Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 … Ym
信号 （ 列 ） 电极
X1
X2
X3
X4
X5
┇
Xn
扫描
（
行
）
电极
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二,驱动方式
1,静态驱动静态驱动是指对要显示的各个段电极分别,且同时驱动的方法 。
图 2.3.3-3静态驱动波形的实例段 段
OFF 显示 (ON) 非显示 (OFF) ON
公共电极驱动波形段电极驱动波形施加在液晶上的电压波形
V
0
V
0
V
0
-V
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18
2,多路传输驱动在多路数字显示等场合,需采用多路传输驱动方式,
这种驱动方式适合于比较多的段电极的情况以及构成矩阵电极的情况,为分时驱动或动态驱动 。
图 2.3.3-4多路传输驱动示意图位电极
(Xi)
段电极
(Yj)
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
X1
X2
X3
┇
X12
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3,有源矩阵驱动图 2.3.3-5有源矩阵驱动 LCD的工作原理同 步 电 路扫描电路
Y1 Y2 Y3 … Ym
X1
X2
X3
┇
Xm
漏极母线栅极母线电容器液晶
FET
信号
§ 2.3.3液晶显示器的驱动上一张章首 下一张 结束节首目录第二章 电光信息转换
20§ 2.3.4液晶显示器的特点及应用
§ 2.3.4 液晶显示器的特点及应用
LCD的 优点 有：
1,由于低功耗 （ 几微瓦 ~几十微瓦 /平方厘米 ）,利用电池即可长时间运行,为节能型显示器 。
2,低电压运行 （ 几十伏 ）,可由 IC直接驱动,驱动电路小型,简单 。
3,元件为薄型 （ 几毫米 ）,而且从大型显示 （ 对角线长几十厘米 ） 到小型显示 （ 对角线长几毫米 ） 都可满足,特别适用于便携式装置 。
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21§ 2.3.4液晶显示器的特点及应用
4,属于非主动发光型显示,即使在明亮的环境,显示也是鲜明的 。
5,容易实现彩色显示,因此便于显示功能的扩大及显示的多样化 。
6,可以进行投影显示及组合显示,因此容易实现大画面 （ 对角线为数米 ） 显示 。
LCD也存在以下一些 缺点,
1,由于属于非主动发光型,在采用反射方式时,在比较暗的场所,显示不够鲜明 。
2,在需要鲜明的显示及彩色显示的场合,需要背景光 。
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22
3,显示对比度与观察方向有关,视角受到限制 。
4,响应时间与环境温度有关,低温 （ -30℃ ~-40℃ ）
时工作不能充分保证 。
LCD的 主要应用 有：
1,数字,字符显示
2,平面显示
3,光开关
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