當(dāng)今社會，每個人都離不開各種電子設(shè)備,，特別是手機和電腦,，設(shè)備中各種視頻、圖案和文字等都是通過電子屏幕顯示出來,，這些電子產(chǎn)品的顯示器材都是液晶,。液晶是什么物質(zhì)？它是如何顯示數(shù)字或圖像呢,？那么下面我們就來詳細(xì)了解屏幕的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，了解其中的原理。

想要知道屏幕的顯示原理,，我們還得從以下開始了解

一.什么是液晶

我們從自然界中常見的的物質(zhì)三態(tài)——固態(tài),、液態(tài)、氣態(tài)說起,。在通常狀況下,，物質(zhì)呈現(xiàn)三態(tài)的原因可以從微觀結(jié)構(gòu)去認(rèn)識它，例如我們看到的固體如食鹽晶體等,，有一定的形狀和體積,。

因它的分子在特定方向按固有規(guī)則排列緊密而整齊，平衡位置相對固定,，只能在小范圍內(nèi)振動,，且各向異性；液體如水,，其分子間距離較大,，平衡位置隨時改變，活動范圍較廣,，分子取向沒有規(guī)則,，宏觀上表現(xiàn)為無一定形狀，但有一定體積,，具有流動性,；而氣體既無一定形狀，也無一定體積,，其分子可自由運動,。

物質(zhì)世界中還存在著介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì),。它就是液晶,。19世紀(jì)末奧地利植物學(xué)家賴尼策爾在研究一種叫做“膽甾醇苯甲酸酯”的有機物時，發(fā)現(xiàn)它被加熱到145.5℃時,，熔化成一種渾濁的液體,，在178.5℃突然全部變成透明液體。當(dāng)冷卻時,，呈現(xiàn)出藍紫色,，不久后即自行消失，再次呈現(xiàn)混濁狀液體,，繼續(xù)冷卻,，再次出現(xiàn)藍紫色，然后固化成白色的晶體,。面對這樣的現(xiàn)象賴尼策爾無法解釋,，于是他將樣品及觀察記錄寄給德國物理學(xué)家勒曼。勒曼研究后認(rèn)為這是流動的晶體,，并給這種形態(tài)的物質(zhì)取名為“液晶”?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)幾千種有機化合物具有液晶態(tài)，它是介于固態(tài)與液態(tài)之間的中間態(tài),。與液體分子模型相比較,，液晶分子沒有位置序，但有取向序即分子取向十分一致

綜合而言，所謂液晶，是指其形狀像液體,，而其微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)又完全類似于晶體的一類物質(zhì),。那么它又是如何在顯示器中發(fā)揮作用的呢？

我們先從簡單應(yīng)用的來了解

二.液晶的黑白態(tài)顯示原理

人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)液晶具有許多性質(zhì)和效應(yīng),，如電光效應(yīng)、熱光效應(yīng),、光電效應(yīng),、超聲效應(yīng)和理化效應(yīng)等液晶顯示主要利用液晶的電光效應(yīng)所謂“電光效應(yīng)”是指在電場的作用下，液晶光學(xué)性質(zhì)的變化,。下面介紹液晶如何在顯示屏中發(fā)揮作用,，首先，液晶必須裝在由玻璃構(gòu)成的液晶盒內(nèi)

上圖是液晶盒的結(jié)構(gòu)示意圖,。兩塊標(biāo)準(zhǔn)的平面平行度極好的平板玻璃，稱為玻璃板,。在上下玻璃板的外側(cè)裝有偏振膜,，或稱偏振片，偏振片的作用就是讓與偏振片的方向平行的光波通過,，只有光波振動方向與偏振片的縫一致的光才能通過,，因此可以將具有光源中具有各個取向的光波過濾為單一取向的光波。由于上下兩個偏振光片相互垂直,，通過第一片偏振片的光波想要通過第二片偏振片光波需要旋轉(zhuǎn)90o才行,，于是就到了液晶發(fā)揮它的旋光作用，通過在液晶的上下兩邊加上不同的電場來改變內(nèi)部液晶的行為,。為了給液晶加電場,，要在玻璃板的內(nèi)表面裝上二氧化錫透明電極，電極的形狀可根據(jù)顯示的需要設(shè)計成各種形狀,，為了使液晶分子能連續(xù)扭曲成90°,，要對液晶盒內(nèi)表面做沿面排列處理，這樣一個液晶盒就完成了,。最后在液晶盒內(nèi)填入添加了旋光物質(zhì)的液晶,，四周再用膠框粘接，液晶盒就成為液晶顯示器了,。由于內(nèi)部的液晶分子具有旋光性,，可將通過偏振光的光波方向旋轉(zhuǎn)90o，再通過下部的偏振片,，于是我們便看見了光亮的背景,。當(dāng)我們在液晶兩邊外加電場，在電場的作用下，液晶消除了原來的扭曲狀態(tài),，液晶分子有序排成一個平面,，與上下電極面相互垂直。入射偏振光的振動方向在穿過液晶時保持原來的狀態(tài)不變,，即入射光的振動方向與下偏振片的偏振化方向垂直,，入射光將被吸收，因而沒有光被反射回來,，也就看不到反射板,，于是電極部位呈暗態(tài)，與不加電場的情景正好相反,。

在黑白液晶的實際使用中,，常用的是七段數(shù)字顯示方式，如圖所示,。

數(shù)字的筆畫由相互分離的七段透明電極組成,，并使每個電極與譯碼電路連接,，這樣譯碼電路的狀態(tài)就可以通過七段顯示器用阿拉伯透明電極引線數(shù)字顯示出來這種顯示都有一段相對穩(wěn)定的時間，故稱靜態(tài)顯示,。

顯示的方式有正顯示與負(fù)顯示,。當(dāng)電極間加上一定電壓后，有電壓的那幾段就會變?yōu)榘祽B(tài),，從而顯示出一組白底黑字的數(shù)字,，這種顯示叫正顯示，通常用的液晶電子手表,，袖珍計算器均為正顯示型數(shù)字顯示器,。如果使兩偏振片的偏振化方向平行，則不加電壓時,，入射光被吸收,，我們得到的是黑色背景。在需要顯示數(shù)字的電極上加上電壓,，則偏振光能夠通過液晶,，并被反射回來，于是我們可以看到白色的數(shù)字呈現(xiàn)在黑背景上,，形成黑底白字的負(fù)顯示型數(shù)字顯示器,。同樣，根據(jù)實際需要,，精巧地制作各種各樣的電極,，還可實現(xiàn)對文字,，符號以及圖像的液晶顯示。

三.液晶的動態(tài)黑白動態(tài)顯示原理

動態(tài)顯示常采用點陣式矩陣顯示方式,。將電極做成平行狀,，并使上玻璃片的電極和下玻璃片的電極成立體正交結(jié)構(gòu)。這樣相互交叉的部分就是點陣式像元,，如圖中用小方塊表示,。當(dāng)x方向的電極和y方向的電極條數(shù)都為n時，用2n個電極就可以構(gòu)成n2個像元,。當(dāng)像元的面積越小,，單位面積內(nèi)數(shù)量越多，顯示的圖像就越細(xì)膩,。

當(dāng)x方向的電極從上到下按時間順序逐行掃描,，y方向的電極按顯示信號加上選與非選的信號,，那么所有選通點都呈亮態(tài)，其余呈暗態(tài),。由于x方向電極的掃描速度很快,，所以選通點將不斷變化，由于時間間隔很小,，利用視覺暫留,，可以使觀察者看到一幅完整的畫面。逐行掃描的過程與陰極射線顯像管的行掃描過程十分類似,，當(dāng)x方向的電極由上而下逐行掃描次,，完成一幀這樣不斷地掃描，同時給列電極加上選或非選的信號就實現(xiàn)了所有像元的顯示功能,。如果在行電極完成的n幀掃描期間,，列電極不斷地重復(fù)每幀期間的選擇信號波形，就可以在顯示屏上獲得一幅靜態(tài)的畫面,。如果列電極的選擇信號波形一幀與一幀不同,，這樣就形成了動態(tài)的畫面。下圖便是通過電極的快速掃描顯示的出絢麗的黑白動畫

以上便是黑白液晶顯示器的顯示原理,，利用液晶旋光性來控制光線是否通過來改變明暗從而形成圖案。

四.彩色液晶屏的顯示原理

彩色液晶顯示與黑白顯示的原理類似,，但是結(jié)構(gòu)稍有變化,，控制電路增多，擁有更多的像素點,，每個像素點都由一個晶體管獨立控制,。彩色顯示器所用光源一般置于屏幕內(nèi)部,，光源從內(nèi)到外穿過液晶形成光亮的圖案。

下面我們就來簡單講解TFT—LCD液晶屏的結(jié)構(gòu)及顯示原理,。

TFT—LCD液晶屏的結(jié)構(gòu)

TFT—LCD液晶屏在結(jié)構(gòu)上由里到外主要由背光源,、偏光片、透明電極（控制電路）,、液晶,、彩色濾光片、偏光片所構(gòu)成,。

液晶的光學(xué)效果

液晶包含在兩個槽狀表面中間，且槽的方向互相垂直,，如下圖所示,，上下表面偏振片偏振方向相互垂直，液晶分子的排列為：上表面為縱向,，下表面為橫向,，介于上下表面中間的分子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)，因此,，液晶分子在兩槽狀表面間產(chǎn)生90o的旋轉(zhuǎn),。

當(dāng)線性偏振光射入上層槽狀表面時,，此光線隨著液晶分子的旋轉(zhuǎn)也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),；當(dāng)線性偏振光射出下層槽狀表面時，此光線已經(jīng)產(chǎn)生了90o的旋轉(zhuǎn),。當(dāng)在上下表面之間加電壓時,，液晶分子會順著電場方向排列，形成直立排列的現(xiàn)象,。此時入射光線不受液晶分子影響,，直線無法射出下表面。不同電壓值,，決定液晶偏轉(zhuǎn)的角度,。

那么屏幕一般是內(nèi)部LED作為光源，發(fā)射出白色的光線,，那么我們知道白光是由多種不同頻率光波組合而成光波,。那么我們可以通過濾光膜得到我們想要的顏色。雖然每一種顏色的可見光的波長有一定的范圍,，但我們在處理顏色時并不需要將每一種波長的顏色都單獨表示,。因為自然界中所有的顏色都可以用紅、綠,、藍(RGB)這三種顏色波長的不同強度組合而得,，這就是人們常說的三基色原理,。因此，這三種光常被人們稱為三基色或三原色,。通過濾光膜過濾出這三種顏色,，再通過驅(qū)動電壓的改變調(diào)整液晶翻轉(zhuǎn)的角度,進而改變通過RGB子象素的光量,由加法混色的原理得到豐富的色彩表現(xiàn)。

彩色濾光膜

彩色濾光膜的各像素對應(yīng)液晶屏的各像素,，每像素包含紅、綠,、藍三個子像素,，光線透過彩色濾光膜形成紅、綠,、藍三基色分量,，如圖上所示。

TFT—LCD電路控制原理

TFT—LCD電路的主要作用是控制液晶兩表面的電壓值,，以控制液晶的偏轉(zhuǎn)角度，改變液晶分子對線性偏振光的扭轉(zhuǎn)角度,，并通過前面偏光片的取向作用,，最終實現(xiàn)控制通過光線的強弱。薄膜場效應(yīng)晶體管（thin film transistor,，TFT）對應(yīng)控制的每一個子像素,，薄膜晶體管TFT是開關(guān)器件，它的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)接近理想開關(guān),。以分辨率為1024×768像素的顯示屏為例,，每個像素由R、G,、B三基色的子像素,，即合計有1024×768×3 TFT晶體管。如下圖所示

門極線有768,，源極線有1024×3?？刂齐娐凡捎梅謺r驅(qū)動的方式,，按順序分別置門極線高電平,，從而控制打開該行 TFT晶體管，此時源極線上的電壓即加到該行液晶各子像素上,，從而控制該行液晶的偏轉(zhuǎn)角度和最終實現(xiàn)光線的透射率的控制,。

TFT—LCD顯示原理

以1024×768像素的液晶屏為例，液晶板后面的背光源投射出純白光源,，光源經(jīng)過第一個a方向的偏光片,，過濾成a方向的偏極光，通過透明電極（TFT控制電路）,經(jīng)過液晶,，這時液晶分子偏轉(zhuǎn)角度和透射率受 TFT控制電路控制,，通過液晶后，經(jīng)過彩色濾光片,，形成 1024×768×3束偏轉(zhuǎn)方向受控的RGB基色光線,，再通過第二個b方向的偏光片，把偏轉(zhuǎn)方向受控的各束RGB基色光線過濾成強弱受控的RGB基色光線,，投射出屏幕,。通過改變驅(qū)動液晶的電壓值就可以控制最后出現(xiàn)的光線強度與色彩，并進而能在液晶面板上變化出有不同深淺的顏色組合,。

五.彩色液晶屏顯示特點

可視角度

LCD 有視角各向異性和視角范圍比較小的弱點，寬視角技術(shù)一直是液晶技術(shù)的重要研究課題,。這是因為當(dāng)背光源之入射光通過偏光片!液晶及所謂的取向膜后,，輸出光便具備了特定的方向特性，也就是說,，大多數(shù)從屏幕射出的光具備了垂直方向,。即如果偏離顯示屏法線方向觀察，對比度明顯下降,，觀看一個全白的畫面,，我們可能會看到黑色或是色彩失真。

響應(yīng)時間

響應(yīng)速度慢是液晶的一大弊病,。液晶的響應(yīng)時間表示液晶顯示器各像素點，對于信號輸入后的反應(yīng)速度,，就是每點由暗轉(zhuǎn)亮或由亮轉(zhuǎn)暗所需的時間,，響應(yīng)時間當(dāng)然是越小越好。這樣用戶在觀看運動的畫面時就不會出現(xiàn)類似尾影拖拽的感覺,。液晶顯示器的這項指標(biāo)直接影響到對動態(tài)畫面的還原,，跟其它顯示方式相比，液晶顯示器由于過長的響應(yīng)時間,，導(dǎo)致其在還原動態(tài)畫面時有比較明顯的拖尾現(xiàn)象,，畫面不夠生動,。

這是由于液晶顯示屏是利用液晶分子扭轉(zhuǎn)控制光的通斷，而液晶分子的扭轉(zhuǎn)需要一個過程,，所以LCD顯示器的響應(yīng)時間明顯比其它顯示方式長,。特別在介于全黑、全白間的較小幅度灰階變化,，需施加較小電壓來進行準(zhǔn)確而精細(xì)的角度控制,，因此液晶分子扭轉(zhuǎn)速度反而要慢一些。

因此屏幕刷新率還受液晶材料的限制,，現(xiàn)在很多手機廠商就推出了很多高頻率刷新手機屏,，顯示動畫更加細(xì)膩流暢，相信未來的顯示技術(shù)會更加多樣化,，給我們帶來更佳的體驗感,。

世界之大,，只有你想不到,，沒有做不到。