西安电子科技大学计算机图像显示技术液晶显示技术PPT课件

1、1第八讲第八讲 液晶显示技术液晶显示技术LCD工作原理工作原理LCD分类分类LCD特点特点LCD基本结构基本结构LCD模块模块LCD相关特性相关特性第1页/共74页2液晶显示技术液晶显示技术 LCD（Liquid Crystal Display），即液晶显示器，采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。 是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象 。 它具有体积小、重量轻、省电、辐射低、易于携带等优点。第2页/共74页3液晶显示技术液晶显示技术 对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定。 LCD显示器还通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体

2、发光，所以它做到了真正的完全平面。第3页/共74页4液晶显示技术液晶显示技术 一些高档的数字LCD显示器采用了数字方式传输数据、显示图像，这样就不会产生由于显卡造成的色彩偏差或损失。 没有辐射，即使长时间观看LCD显示器屏幕也不会对眼睛造成很大伤害。 体积小、能耗低也是CRT显示器无法比拟的，一般一台15寸LCD显示器的耗电量也就相当于17寸纯平CRT显示器的三分之一。 第4页/共74页5液晶显示技术液晶显示技术 色彩表现和饱和度LCD显示器都在不同程度上输给了CRT显示器。 而且液晶显示器的响应时间也比CRT显示器长，当画面静止的时候还可以，一旦用于玩游戏、看影碟这些画面更新速度块而剧烈的显

3、示时，液晶显示器的弱点就暴露出来了，画面延迟会产生重影、脱尾等现象，严重影响显示质量。 第5页/共74页6 液晶显示技术液晶显示技术第6页/共74页7液晶显示技术液晶显示技术第7页/共74页8LCD 工作原理工作原理 从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，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，其间由包含有液晶材料的5m均匀间隔隔开。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。第8页/共7

4、4页9LCD 工作原理工作原理 背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层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。第9页/共74页10LCD 工作原理工作原理 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，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。第10页/共74页11LCD 分类分类 按照控制方式分：被动（无源）矩阵LCD和

5、主动（有源）矩阵LCD 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。 目前应用比较广泛的主动矩阵式LCD ，它在画面中的每个像素内建晶体管，可使亮度更明亮、色彩更丰富及更宽广的可视面积 。第11页/共74页12LCD 分类分类无源矩阵LCD TN-LCD(Twisted Nematic-LCD，扭曲向列LCD) STN-LCD(Super TN-LCD，超扭曲向列LCD) DSTN-LCD(Double layer STN-LCD，双层超扭曲向列LCD) 有源矩阵LCD TFT-LCD(Thin Film

6、Transistor-LCD，薄膜晶体管LCD) 第12页/共74页13LCD 特点特点1.低压微功耗： 工作电压只有35 V，工作电流只有几个 因此它成为便携式和手持仪器仪表的显示屏幕2.平板型结构： LCD显示器内由两片平行玻璃组成的夹层盒，面积可大可小，且适合于大批量生产，安装时占用体积小，减小了设备体积第13页/共74页14LCD 特点特点3.被动显示： 液晶本身不发光，而是靠调制外界光进行显示 即利用液晶材料的电光效应，通电时，使液晶分子光学特性发生变化，控制通过光线的数量，达到显示的目的 由外部控制施加给液晶分子的电压，从而控制显示点的明暗及色彩 适合人的视觉习惯，不会使人眼睛疲劳

7、第14页/共74页15LCD 特点特点4.显示信息量大： LCD显示器，其像素可以做得很小，相同面积上可容纳更多信息5.易于彩色化：常用滤色法和干涉法6.没有电磁辐射： 在其显示期间不会产生电磁辐射，对环境无污染，有利于人体健康7.寿命长：LCD器件本身无老化问题，寿命极长第15页/共74页16LCD 基本结构基本结构 不同类型的液晶显示器件，其组成可能会有不同，但是所有液晶显示器件都可以认为是由一个上下两片导电玻制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料胶框密封，盒的两个外侧贴有偏光片而构成的。液晶显示器的结构图如下图所示。第16页/共74页17液晶显示器结构图第17页/共74页18LCD

8、基本结构基本结构1.玻璃基板： 这是一种表面极其平整的浮法生产薄玻璃片。 其表面蒸镀有一层 In2O3或SnO2透明导电层，即ITO膜层，经光刻加工制成透明导电图形。 这些图形由像素图形和外引线图形组成，因此，外引线不能进行传统的锡焊，只能通过导电橡胶条或导电胶带等进行连接。 如果划伤、割断或腐蚀，则会造成器件报废。第18页/共74页19LCD 基本结构基本结构2.液晶： 液晶是一种介于固态和液态之间的物质，当被加热时，会呈现透明的液态，而冷却的时候又会结晶成混乱的固态，液晶是具有规则性分子排列的有机化合物 液晶按照分子结构排列的不同分为四种：类似粘土状的Smectic液晶、类似细火柴棒的Ne

9、matic液晶、类似胆固醇状的Cholestic液晶、类似碟子的Disk液晶第19页/共74页20LCD 基本结构基本结构第20页/共74页21LCD 基本结构基本结构2.液晶： 这四种液晶的物理特性都不尽相同，常用于液晶显示器的是第二类的Nematic液晶，分子都是长棒状的，在自然状态下，这些长棒状的分子的长轴大致平行。 液晶特点：让电流通过液晶层，这些分子将会以电流的流向方向进行排列，如果没有电流，它们将会彼此平行排列。对带有细小沟槽的外层，将液晶倒入后，液晶分子会顺着槽排列，并且内层与外层以同样的方式进行排列。第21页/共74页22LCD 基本结构基本结构2.液晶特点： 液晶层能够使光线

10、发生扭转。液晶层表现的有些类似偏光器，这就意味着它能够过滤掉除了那些从特殊方向射入之外的所有光线。 如果液晶层发生了扭转，光线将会随之扭转，以不同的方向从另外一个面中射出。 如果使用或保存温度过低，结晶会破坏液晶显示器件的定向层；而温度过高，液晶会失去液晶态，也就失去了液晶显示器件的功能。第22页/共74页23LCD 基本结构基本结构2.液晶： 液晶特点使得它可以被用来当作一种开关即可以阻碍光线，也可以允许光线通过。 液晶单元的底层是由细小的脊构成的，这些脊的作用是让分子呈平行排列。 上表面也是如此，在这两侧之间的分子平行排列，不过当上下两个表面之间呈一定的角度时，液晶成了随着两个不同方向的表

11、面进行排列，就会发生扭曲。第23页/共74页24LCD 基本结构基本结构2.液晶： 结果便是这个扭曲了的螺旋层使通过的光线也发生扭曲。如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样就会消除光线的扭转 如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭转的光线通过了，而没有发生扭转的光线将被阻碍。因此可以通过电流的通断改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断第24页/共74页25LCD 基本结构基本结构3.偏振片 偏振片又称偏光片，是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而成的 ，涂有一层光学压敏胶，可以贴在液晶盒的表面 偏光片的偏光轴相互平行（黑底白字的常黑型）

12、或相互正交（白底黑字的常白型），且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直 前偏振片表面有一保护膜，使用时应揭去，偏振片怕高温、高湿，在高温高湿条件下会使其退偏振或起泡第25页/共74页26LCD 基本结构基本结构扭曲向列（TN-LCD）结构 这种显示器的液晶组件构造如图 第26页/共74页27LCD 基本结构基本结构扭曲向列（TN-LCD）结构 液晶盒中玻璃片的两个外侧分别有偏光片，这两片偏光片的偏光轴相互平行（黑底白字的常黑型）或相互正交（白底黑字的常白型），且与液晶盒表面定向方向相互平行或垂直 偏光片一般是将高分子塑料薄膜在一定的工艺条件下进行加工而成的 第27页/共74页28LCD 基本结构

13、基本结构第28页/共74页29LCD 基本结构基本结构扭曲向列（TN-LCD）结构 向列型液晶夹在两片玻璃中间。 这种玻璃的表面上先镀有一层透明导电薄膜ITO(氧化铟锡)以作电极之用，然后在有薄膜电极的玻璃上涂取向层PI(聚酰亚胺)，以使液晶顺着一个特定且平行于玻璃表面的方向排列。第29页/共74页30LCD 基本结构基本结构扭曲向列（TN-LCD）结构第30页/共74页31LCD 基本结构基本结构扭曲向列（TN-LCD）结构 液晶的自然状态具有90度的扭曲，这也是为什么被称为扭曲型液晶显示器的原因 利用电场可使液晶分子旋转，液晶的双折射率随液晶的方向而改变，结果偏振光经过TN型液晶后偏振方向

14、发生转动。第31页/共74页32LCD 基本结构基本结构扭曲向列（TN-LCD）结构 只要选择适当的厚度使偏振光的偏振方向刚好改变90度，就可利用两个平行偏光片使得光完全不能通过 而足够大的电压又可以使得液晶方向与电场方向平行，这样光的偏振方向就不会改变，光就可通过第二个偏光片 第32页/共74页33LCD 基本结构基本结构扭曲向列（TN-LCD）结构第33页/共74页34LCD 基本结构基本结构超扭曲向列（STN-LCD）结构 STN型的显示原理与TN相类似，不同的是TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180270度 改变了视角狭小的缺

15、点并提高了对比度；再搭配彩色滤光片的使用，可以显示逼近全彩模式的色彩第34页/共74页35LCD 基本结构基本结构超扭曲向列（STN-LCD）结构第35页/共74页36LCD 基本结构基本结构超扭曲向列（STN-LCD）结构 单纯的TN液晶显示器本身只有黑白两种情形，而STN液晶显示器牵涉液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主 如果在单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片，并将单色显示像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩第36页/共74页37LCD 基本结构基本结构双层超扭曲向列（DSTN-

16、LCD）结构 DSTN采用双扫描技术：扫描屏幕被分为上下两部分，CPU同时并行对这两部分进行刷新（双扫描） 这样的刷新频率要比单扫描（STN）重绘整个屏幕快一倍，它提高了占空率，改善了显示效果第37页/共74页38LCD 基本结构基本结构薄膜晶体管（TFT-LCD）结构第38页/共74页39LCD 基本结构基本结构薄膜晶体管（TFT-LCD）结构 TFT-LCD，一般由一个夹层组成，这个夹层位于两层玻璃基板之间，组成这个夹层的每一层大致是偏光板、彩色滤光片组成，这两层之间就是液晶层 偏光板、彩色滤光片决定了多少光可以通过以及生成何种颜色的光 在上层玻璃基板上有FED晶体管，而下层是共同电极，他

17、们共同作用可以生成能精确控制的电场，电场决定了液晶的排列方式 第39页/共74页40LCD 基本结构基本结构薄膜晶体管（TFT-LCD）结构背光板 由于LCD面板本身并不发光，因此需要背光，液晶显示器就必须加上一个背光板，来提供一个高亮度，且亮度分布均匀的光源 组成背光板的主要零件有灯管（冷阴极管）反射板、导光板、prismsheet、扩散板等第40页/共74页41LCD 基本结构基本结构薄膜晶体管（TFT-LCD）结构背光板 灯管是主要的发光零件，借由导光板将光线分布到各处 反射板将光线限制住都只往TFT-LCD的方向前进 prismsheet及扩散板， 将光线均匀的分布到各个区域，提供给T

18、FT-LCD一个明亮的光源 第41页/共74页42LCD 基本结构基本结构薄膜晶体管（TFT-LCD）结构 在玻璃基片上沉积一层硅，通过印刷光刻等工序作成晶体管阵列，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 再把液晶灌注在两片玻璃之间，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，称为真彩 第42页/共74页43LCD 基本结构基本结构薄膜晶体管（TFT-LCD）结构 对于TFT-LCD而言，彩色滤光片 是很重要的，利用红，绿，蓝 三原色，可混合出

19、各种不同的 颜色，很多平面显示器就是利用 此原理显示色彩，把三种颜色分 成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把临近的三个RGB显示的点当作一个像素放大镜下的液晶第43页/共74页44LCD 基本结构基本结构薄膜晶体管（TFT-LCD）结构第44页/共74页45LCD 模块模块 LCD与其控制驱动、接口、基本电路一起构成LCM（Liquid Crystal Module，LCD模块） 控制主要是通过接口与外界通信、管理内/ /外显示RAM，控制驱动器，分配显示数据 驱动主要是根据控制器要求，驱动LCD进行显示。控制器还常含有内部ASCIIASCII字符库，或可外扩的大容量汉字库 LCD模

20、块按显示功能可分为：LCD段式显示模块、LCD字符型显示模块、LCD图形显示模块第45页/共74页46LCD 模块模块 小规模LCD设计，常选用一体化控制/ /驱动器 中大规模LCD设计，常选用若干个控制器、驱动器，并外扩适当的显示RAM、自制字符RAM或ROM字库 控制与驱动器大多采用低压微功耗器件 与外界的接口主要用于LCD控制，通常是可连接单片机MCU的8/168/16位PPI并口或若干控制线的SPISPI串口 显示RAMRAM除部分Samsung器件需用自刷新动态SDRAM外，大多公司器件都用静态SRAM第46页/共74页47LCD 模块模块LCD段式模块 段式LCD用于显示段形数字或

21、固定形状的符号，广泛用作计数、计时、状态指示等 普遍使用的控制驱动器件是Holtek的HT1621，它内含与LCD显示点一一对应的显存、振荡电路，低压低功耗，4线串行MCU连接，8条控制/传输指令，可进行32段4行=128点控制显示，显示对比度可外部调整，可编程选择偏压、占空比等驱动性能第47页/共74页48LCD 模块模块LCD段式模块第48页/共74页49LCD 模块模块LCD字符型模块 字符型LCD用于显示58等点阵字符，广泛用作工业测量仪表仪器 常用的控制驱动器件有：Hitachi的HD44780U，它内嵌与LCD显示点一一对应的显存SRAM、ASCII码等的字符库和自制字符存储器，可

22、显示1行每行8个58点阵字符或相应规模的510点阵字符，其内振荡电路附加外部阻容RC可直接构成振荡器。第49页/共74页50LCD 模块模块LCD字符型模块第50页/共74页51LCD 模块模块LCD图形模块 图形LCD广泛用于移动通信、工业监视、PDA产品中 小面积LCD常采用单片集成控制驱动器件，如Seiko Epson的SED1520，可实现61列16行点阵显示 中等面积LCD常采用单片控制/列驱动器件与单片行驱动器件，如Hitachi的HD61202U(控/列驱)、HD61203(行驱) ，可实现6464点阵显示 较大面积LCD常采用“控制器+显存+列驱动器+行驱动器”形式，如Tosh

23、iba的T6963C(控)、T5565(显存)、T6A39(列驱)、T6A40(行驱) ，可实现640128点阵显示 第51页/共74页52LCD 模块模块LCD图形模块 控制器件大多可以外接阻容RC构成振荡器或外接振荡器或外引时钟 显存中的每一位与LCD显示点一一对应 控制接口通常是8位PPI的68XX或80XX MCU接口（与MCU的连接也存在直接连接和间接连接两种形式），713条控制/传输指令，可实现点线圆等绘图功能。控制器T6963C、HD61830、SED1335等可以实现单双屏LCD控制第52页/共74页53LCD 模块模块LCD图形模块第53页/共74页54LCD 显示器相关特性

24、显示器相关特性 屏幕尺寸屏幕尺寸 屏幕尺寸是指液晶显示器屏幕对角线的长度，单位为英寸。与CRT显示器不同的是，由于液晶显示器标称的屏幕尺寸就是实际屏幕显示的尺寸，所以17英寸的液晶显示器的可视面积接近19英寸的CRT纯平显示器。第54页/共74页55LCD显示器相关特性显示器相关特性 屏幕尺寸屏幕尺寸 对于目前越来越多的宽屏液晶显示器而言，其屏幕尺寸仍然是指液晶显示器屏幕对角线的长度，目前市售产品主要以19英寸为主。现在宽屏液晶显示器的屏幕比例还没有统一的标准，常见的有16:9和16:10两种。由于宽屏液晶显示器相对于普通液晶显示器具有有效可视范围更大等优势，或许会成为液晶显示器的发展方向，未

25、来可能会成为主流。第55页/共74页56LCD显示器相关特性显示器相关特性 屏幕尺寸屏幕尺寸 值得注意的是，在相同屏幕尺寸下，无论是16:9还是16:10的宽屏液晶显示器，其实际屏幕面积其实都要比普通的4:3液晶显示器要小。第56页/共74页57LCD显示器相关特性显示器相关特性 点距点距 LCD显示器的像素间距(pixel pitch)的意义类似于CRT的点距(dot pitch)。 点距一般是指显示屏相邻两个像素点之间的距离。我们看到的画面是由许多的点所形成的，而画质的细腻度就是由点距来决定的，点距的计算方式是以面板尺寸除以解析度所得的数值，不过LCD的点距对于产品性能的重要性却远没有对C

26、RT那么高。第57页/共74页58LCD显示器相关特性显示器相关特性 点距点距 CRT的点距会因为荫罩或光栅的设计、视频卡的种类、垂直或水平扫描频率的不同而有所改变，而LCD显示器的像素数量则是固定的，因此在尺寸与分辨率都相同的情况下，大多数液晶显示器的像素间距基本相同。 分辨率为1024768的15英寸LCD显示器，其像素间距均为0.297mm(亦有某些产品标示为0.30mm)，而17寸的基本都为0.264mm。所以对于同尺寸的LCD的价格一般与点距基本没有关系。第58页/共74页59LCD显示器相关特性显示器相关特性 亮度亮度亮度是指画面的明亮程度。目前提高亮度的方法有两种，一种是提高LC

27、D面板的光通过率；另一种就是增加背景灯光的亮度，即增加灯管数量。 需要注意的是，较亮的产品不见得就是较好的产品，显示器画面过亮常常会令人感觉不适，一方面容易引起视觉疲劳，同时也使纯黑与纯白的对比降低，影响色阶和灰阶的表现。因此提高显示器亮度的同时，也要提高其对比度，否则就会出现整个显示屏发白的现象。第59页/共74页60LCD显示器相关特性显示器相关特性 亮度亮度此外亮度的均匀性也非常重要，但在液晶显示器产品规格说明书里通常不做标注。亮度均匀与否，和背光源与反光镜的数量与配置方式息息相关，品质较佳的显示器，画面亮度均匀，柔和不刺目，无明显的暗区。 现在在LCD亮度的技术研究方面，目前已经达到8

28、00甚至更高，已经接近CRT显示器水准。第60页/共74页61LCD显示器相关特性显示器相关特性 对比度对比度液晶显示器的对比度实际上就是亮度的比值定义是：在暗室中，白色画面（最亮时）下的亮度除以黑色画面（最暗时）下的亮度。对比度是最黑与最白亮度单位的相除值。因此白色越亮、黑色越暗，对比度就越高。对比度是液晶显示器的一个重要参数，在合理的亮度值下，对比度越高，其所能显示的色彩层次越丰富。第61页/共74页62LCD显示器相关特性显示器相关特性 对比度对比度 目前提高对比度有两种方法： 1、提高白色画面的亮度。 提高亮度增加对比度的方法相对简单，不过受到灯管寿命、液晶漏光等问题，亮度不能无限量提

29、高。 2、让黑色更黑，降低最低亮度。 首先，控制液晶显示器光线的明暗变化，是不可能通过发光灯管开、关来实现的，而液晶又是不能做到100%不漏光的，所以即使调整至纯黑画面，液晶显示器还是会有一些亮度的。第62页/共74页63LCD显示器相关特性显示器相关特性 对比度对比度 第二种方法是很多高端液晶厂家的发展方向，这也是为什么亮度不高的液晶能够达到高对比度的原因。 目前主流液晶显示器的对比度大多集中在400:1至600:1的水平上。第63页/共74页64LCD显示器相关特性显示器相关特性 色彩数色彩数 目前液晶显示器常见的颜色种类有两种，一种是24位色，也叫24位真彩。这24位真彩是由红绿蓝三原色

30、每种颜色8位色彩组成，所以这种液晶板也叫8bit液晶板。每种颜色8位，红绿蓝三原色组合起来就是24位真彩，这种液晶显示器的颜色一般标称为16.7M或者16.77M。第64页/共74页65LCD显示器相关特性显示器相关特性 色彩数色彩数 另一种液晶显示器三原色每种只有6bit，也叫6bit液晶板，这种液晶板通过“抖动”的技术，通过局部快速切换相近颜色，利用人眼的残留效应获得缺失色彩。这种抖动的技术不能获得完整的8bit（256色）效果，通常是253种颜色，那么三个253相乘就基本是16.2M色。 也就是说我们通常用16.7M表示真正的24位真彩（8bit板），而用16.2M表示6bit板。两者实

31、际视觉效果差别不算太大，目前高端液晶显示器以16.7M色占主流。 第65页/共74页66LCD显示器相关特性显示器相关特性 刷新率刷新率 水平刷新率，它是指显示器每秒钟的扫描线数，单位为KHz。行频=行数*场频，例如在800*600的分辨率下，当刷新率为85Hz时，行频=600*85Hz=51Khz。 垂直扫描频率：也称刷新率，是显示器每秒刷新屏幕的次数，单位为Hz。第66页/共74页67LCD显示器相关特性显示器相关特性 刷新率刷新率 场频越低，图像的闪烁、抖动越厉害，但LCD显示器画面扫描频率的意义有别于CRT，指显示器单位时间内接收信号并对画面进行更新的次数。 由于LCD显示器像素的亮灭状态只有在画面内容改变时才有变化，因此即使扫描频率很低，也能保证稳定的显示，一般有60Hz就足够了，但在部分行业应用如医疗、监控中，要求液晶的刷新率能够达到70Hz甚至85Hz，主要是要求能够以较快的频率读取数据进行显示。第67页/共74页68LCD显示器相关特性显示器相关特性 可视角度可视角度 它是指用户可以从不同的方向清晰地观察屏幕上所有内容的角度。由于提供LCD显示器显示的光源经折射和反射后输出时已有一定的方向性，在超