液晶的光学性质

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液晶的光学性质
LCD（Liquid Crystal Display）对于许多的用户而言可能是一个比较新鲜的名词，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想象——在1888年，一位奥地利的植物学家F. Renitzer便发现了液晶特殊的物理特性。在85年之后，这一发现才产生了商业价值，1973年日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示。现在，LCD是笔记本电脑和掌上电脑的主要显示设备，在投影机中，它也扮演着非常重要的角色，而且它开始逐渐渗入到桌面显示器市场中。 液晶得名于其物理特性：它的分子为晶体，不过以液态存在而非固态。大多数液晶都属于有机复合物。这些晶体分子的液体特性使得它具有两种非常有用的特点：如果你让电流通过液晶层，这些分子将会以电流的流向为方向进行排列，如果没有电流，它们将会彼此平行排列。如果你提供了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。 液晶的第三个特性是很神奇的：液晶层能够使光线发生扭转。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的光线以外所有的光线。此外，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。 液晶的这些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，液晶为了随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲。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。也有某些设计为了省电的需要，有电流时，光线不能通过，没有电流时，光线通过。 显示技术由于不同的应用目的而分为不同的类型。有的是为了静态显示，比如道路标志和显示牌，它们的显示信息是不变的。平面显示技术则被用于传递发生变化的显示信息，所以显示信息量的大小就决定了所采用的显示技术类型。对于便携计算器等设备而言，由于所传递的信息量相对较低，被称为“低信息密度”显示技术；对于计算机显示器而言，由于传递的信息量大，则相应被称为“高信息密度”显示技术。 被动矩阵液晶显示技术 高信息密度显示技术中首先实现商品化的是被动矩阵显示技术。它得名于控制液晶单元的开和关的简单设计。 被动矩阵液晶显示的驱动方式是由垂直与水平方向的电极所构成，单独的液晶单元夹在彼此垂直的电极中间。因此，任何一组电极的驱动就会在特定的单元中引起电流通过。 被动矩阵显示画面的原理就是输入的信号依次去驱动每一排的电极，于是当某一排被选定的时候，列向上的电极将被触发打开位于排和列交叉上的那些像素。这种方法比较简单，而且对液晶屏的成本增加也不多。不过它也有缺点，如果有太大的电流通过某个单元，附近的单元都会受到影响，引起虚影。如果电流太小，单元的开和关就会变得迟缓，降低对比度和丢失移动画面的细节。 早期，被动矩阵板依赖于扭转向列的设计。上层和下层的偏光板的偏振光方向呈90度，因此中间的液晶以90度进行扭转。这样制造的液晶板对比度很低、响应时间也很慢。这种方式运用在低信息量显示时很好，不过被证明不适合计算机显示。 超扭转向列（SuperTwisted Nematic）方法是通过改变液晶材料的化学成分，使液晶分子发生不止一次的扭转，光线扭转达到180度到270度，这样便会极大地改善画面的显示质量。80年代初期STN技术一度非常流行，至今它还在便携设备如PDA，蜂窝电话中使用。虽然STN技术提高了显示的对比度，不过它会引起光线的色彩偏差，尤其是在屏幕偏离主轴的位置上。这就是为什么早期的笔记本电脑屏幕总是偏蓝和偏黄的原因。为了解决这一问题，双层超扭曲向列型显示技术DSTN出现了，它具有两层扭转方向相对的LCD层，第二层使得第一层遗留的色偏问题得以解决。当然它的制造工艺比前两种方式要复杂的多。 后来人们发现了比DSTN更简单易行的方法——在底层和顶层的外表面加上补偿膜，来改善STN技术中所产生的特定波段光线的散射和反射现象，这就是补偿膜超扭转向列Film-compensated STN（FSTN）。FSTN的显示效果和DSTN相当，但价格和工艺难度大大降低，所以现在大多数被动式LCD都采用了FSTN技术。 为了进一步改善FSTN 技术的LCD显示效果，人们又于90年代初期提出了双扫描概念。所谓双扫描，就是将面板水平对等地分为两部分，顶端和底端相对应的部分同时扫描，这就大大提高了扫描的频率。双扫描解决了小电流、长时间使用的情况下常常产生的虚影现象。和主动矩阵显示相比显著提高了对比度、画质和响应时间，所以现在还广为低价位的笔记本电脑所采用。 主动矩阵（Active Matrix）LCD 被动矩阵LCD的最大问题是难以快速地控制单独的液晶单元，并以足够大的电流保证来获得好的对比度、足够的灰度级和较快的响应时间，从而影响了动态影像的显示效果。主动矩阵LCD通过单独地控制每个单元，很好地解决了上面的问题。 与被动矩阵LCD相似，主动矩阵LCD的上下表层也纵横有序排列着用铟锡氧化物做成的透明电极。所不同的是在每个单元中都加入了很小的晶体管，由晶体管来控制电流的开和断。晶体管电极是利用薄膜技术而做成的。晶体管利用了薄膜来形成半导体。薄膜晶体管LCD（TFT—LCD）也因此得名。 晶体管可以迅速地控制每个单元，由于单元之间的电干扰很小，所以你可以使用大电流，而不会有虚影和拖尾现象。更大的电流会提供更好的对比度、更锐利的和更明亮的图像。 标准主动矩阵显示技术的缺点 1.视角 在传统的CRT显示器或电视机中，图像的显示是通过发光物体——磷来实现的，光线从这一层向各个方向发射，只是强弱稍有不同而已。因此，你可以从一个很大的可视角范围来观看屏幕，无论从哪个角度去观察，显示的亮度、色彩都和正视效果相近。 LCD和其它大多数显示技术，都需要强的背景光线穿过液晶层或者其它显示层来形成图像，从而完成图像的传递过程。LCD的特性决定了它所需的背景光是定向的。举一个形象的例子来说，就好比你手中握有一把吸管，它们的一端对准光源。如果你通过另一端直视吸管，你将会看到光源射出的光线一个屏幕中共需要1.2或2.4瓦的能量。 PDA，如Palm和Compaq iPAQ常使用反射显示屏。这意味着环境光射进显示器中，穿过极化的液晶层，碰撞反射层，再反射出来显示成图像。据估计，在此过程中84%的光被吸收，所以只有六分之一的光起作用，虽然还有待改进，但已足以提供可视影像需要的对比度。单向反射和反射显示屏使得不同光照条件下耗费最少能源使用LCD显示屏成为可能。 LCD显示器的关键因素之一是它的价格。如果比CRT更加便宜，它将会占据几乎全部的显示器市场。但不幸的是，对于桌上电脑经常使用的15、17寸显示器来说，相同显示面积的LCD的造价几乎是CRT的3到5倍。显示面积越大，造价差距越大。 为什么LCD造价如此之高？这取决于它们的制造方式。它的制造工艺异常复杂，维持高合格率需要不断努力。 传统工艺流程 LCD的面板最早使用非常薄的玻璃制造。大约只有1.1-0.4毫米厚，由于玻璃生产中，设备不同会造成玻璃厚度不同。所以，显示屏只能在一套模具中制造。玻璃底层镀有一层非晶硅，从而在每个像素单元上可以制造半导体元件。经过一系列的平板照相、蚀刻、覆膜和沉积步骤，在每个像素上都生成了开关晶体管、滤色器及其它部分。 在所有的元器件上沉积有一个透明阵列膜，在顶层上贴上另一个相似的透明的阵列膜。这些膜运用光化学工艺流程进行刻蚀或印刷，在每层膜上形成极小的刻槽。当液晶材料注入时，液晶分子就在这些槽中有序排列。在屏幕的两面间喷洒小隔片，保证在每个像素位置上有一到两个隔片。这样就可以分隔开玻璃层的上下面，为液晶材料提供一个存在的空间。接着，在每个显示器的底层玻璃的边沿涂上密封剂，同时在一边上留下一个缺口。最顶层和底层焊接在一起，最后切割成型。先抽出夹层中的空气，然后使用氮气压力将液晶材料从预先留下的缺口注入。密封缺口后经过检测保证其品质。偏振片和其他膜层材料在测试合格后添加。最后的步骤是将电子线路和与电脑或其他设备的接口装上，从而完成显示器的功能配设。 LCD技术中最引人瞩目的是低温多晶硅的使用。传统工艺中使用非晶硅制造LCD单元元器件，相对来说制造成本较低，但是相比半导体芯片制造所使用的单晶硅其电子活性较低。电子活性随着硅结晶度的提高而增加，这样晶体管就可以越来越小，而这又意味着更大的孔径比——更多光线将通过液晶显示屏单元——所以显示屏耗电量更低，也就是说电池使用寿命将延长或整机重量降低。多晶硅用于小型LCD显示器——例如数据读取设备中的面板—但它们都需要可抵抗高温的特殊玻璃。覆盖在底层的硅被加热到一定温度然后冷却，从而产生单晶硅。 近几年，技术已经发展到了可以制造标准的玻璃底层和在室温下制造晶体硅。使用激光扫描硅膜，可以使膜表面特定的极小区域产生高温，冷却后生成单晶硅。这种工艺比传统的镀膜更加昂贵，但是它带来了一些其他的利益。除了孔径比增加之外，多晶硅层的使用使得在面板的边缘构造驱动电路成为可能。从而大部分与电路的接头能够无需接片（TAB）就能够在底层很好的实现连接。这就意味着连接到面板上的接头数目减少95％以上，而且同时增加显示的物理可靠性。 如上所述，LCD面板的制造工艺非常复杂、所需设备非常昂贵，这些因素导致了显示器价格相对较高