液晶显示器的工作原理、结构、性能与采光方式

       概述

       液晶是一种有机化合物,又称为液态晶体。它是某些有机物质在一定温度范围内所呈现的中间状态。在这种状态,既具有液体的流动性和连续性,又呈现某些晶体的光学性质,例如:光学各向异性、双折射、圆双向色散等,这种物质在电场和温度的作用下能产生各种特殊的电光效应和热光效应,利用这些效应达到显示目的。

       一定的温度范围是每种液晶物质自己特有的参数,称为该液晶的液晶相。如果温度高于液晶相的上限(称为透明点),液晶就变成普通的透明晶体,失去上述光学性质,称为各向同性液;如果温度低于液晶相的下限(称为溶点),液晶就变成普通晶体,失去流动性。

液晶有三种类型:近晶型、向列型和胆留型。它们各有特点和不同用途,目前用于数字显亦的多为向列型液晶。

       液晶数字显示器是一种被动式显示元件,它本身不发光,而只是调制环境光,类似于印刷在纸上那样的显示。因此,与其他显示器件相比有以下主要工作特点:

       ①低电压(36V),微功耗(0.3100μW)。同样的显示面积,其功耗比一般数码管小几十倍至几百倍,适宜与C-MOS电路直接相配。可用于各种自动化检测设备数字显示,尤其用于电池供电的携带式数字仪器较为理想。在应用领域中,特别显得有发展前途的是全电子数字手表和袖珍计算 器。

       ②不怕亮光冲刷,可在室内外明亮环境下使用,其显示清晰度不会随环境亮度增加而减弱,在太阳光下也能清晰地显示。

       ③体积小、外形薄,为平板型显示。例如手表用数字显示器厚度一般为1.21.6mm,计算器显示器厚度为1.62.2mm,仪器仪表屏厚度为2.2-5mm,引出线可用斑马形导电橡胶引出,使用方便。

       ④显示面积、字形大小和位数,在一定范围内不受限制。液晶数字显示器的弱点是:

响应时间和余辉较长(ms级);在黑暗环境中不能显示,需加辅助光源。

       2)液晶显示器工作原理、结构、性能与采光方式

        液晶数字显示器结构简单,如下图所示。

                               扭曲-向列型液晶数字显示器结构图

       在内表面刻有电极的两块平板玻璃中间注人约10μm厚的液晶薄层,即构成液晶显示器。字形显示采用7片段显示。

       液晶数字显示器按所用的电光效应可分为动态散射效应和扭曲-向列效应二种,按采光方式可分为透射式和反射式。

       ①动态散射型显示器工作原理:电极未加电压时,液晶分子作有序排列,显示器呈透明状。当两块对应电极施加电压超过液晶阈值电压时,液晶中离子团(来自添加剂)的推动足以扰乱液晶分子排列,使液晶折射率发生了变化,形成散射中心,从而使入射光发生强烈散射。于是原来透明电极部位就显示出乳白色(类似磨砂玻璃),达到了显示的目的,这就是动态散射效应。当电极电压取消后,液晶分子即恢复原来的排列重新变为透明。若显示器的前后电极均为透明,则称为动态散射型透射式显示器,它须加一适当后光源,以加强显示的亮度和清晰度,后光源越强显示效果越好。后光源应安放在器件的斜后方,并加一黑色背景以增强对比度,这样显示效果较好。

        如果把后电极改为金属膜反射电极,前电极仍为透明电极,这称为动态散射型反射式显示器。它不需要后光源,但必须充分利用环境光,并在整机适当位置(器件的前上方)加一遮光罩,以造成黑色背景提髙对比度。

        ②扭曲-向列效应。这种效应属于电场效应,是利用电场的开关来控制线性偏振光的偏振面旋转与否,所以必须配备检偏振器,目前使用的偏振器得到的是黑白对比度。

        采用表面排列技术,把刻有透明电极的玻璃进行表面处理,使液晶分子在液晶盒内的排列方向呈现90°扭曲。当线性偏振光进人扭曲液晶盒后,偏振面旋转了90°,加上电场后,由于正介电各向异性,液晶分子的取向具有和电场方向排列一致的性质。这时扭曲结构消失,它的旋光作用也就消失,使得线性偏振光可以直接通过液晶盒;去掉电场后,液晶分子排列恢复扭曲结构,又使线性偏振光的偏振面旋转90°。这种效应叫做扭曲效应,其电光曲线如下图所示。

                                                 扭曲效应电光曲线图

       将扭曲液晶盒置于起、检偏振器之间,改变起、检偏振器的相对位置(正交或平行)就可得到白底黑字(称之正常开启式)或黑底白字(称之为正常关闭式)的晶示形式。

这种效应仅由分子的介电力矩造成,因而所需电压极低,通常只有3V,电流极微,一般小于1μA或几个μA,这就使扭曲型器件功耗极微小。利用扭曲效应制作的显示器件是目前最优越、最有发展前途和用得最广的液晶数字显示器件。国外大量生产的液晶手表和袖珍计算器液晶显示器就是采用这种扭曲效应制作的,致使其他小型显示器无法竞争。

扭曲透射式器件如用后光源应放在器件的正后方,并在光源前面加一个散射膜以扩大视角,室外用的透射式器件应设计安放在整机的适当位置,以便充分采用自然光作后光源。

扭曲反射式器件采用了高效能的反射器,从而得到良好的清晰度。

扭曲型显示器与动态散射型显示器相比的弱点是视角较大,只有45°左右,且视角大小随工作电压与温度降低相应减小。动态散射型虽然视角较大,但工作电源高(1520V),功耗较大,加上由于液晶材料关系,器件寿命较短,因此动态散射型器件目前较少应用。

③液晶显示器主要参数主要有:响应时间、余辉、阈值电压和对比度。

响应时间τr为脉冲电压开始加上算起,到光透过率达到饱和值90%处所需的时间;

余辉τd为脉冲电压开始去掉,到光透过率减少到光透过值10%处所需的时间;

阈值电压为Vth;

对比度为在零伏时光透过率与在工作电压下光透过率之比。

响应时间和余辉的示波图如下图所示。

响应时间和余辉的示波图