液晶顯示器 LCD (Liquid Crystal Disply )

常見的液晶顯示器按物理結構分為四種：
　　（1）扭曲向列型（TN－Twisted Nematic）；
　　（2）超扭曲向列型（STN－Super TN）；
　　（3）雙層超扭曲向列型（DSTN－Dual Scan Tortuosity Nomograph）；
　　（4）薄膜電晶體型（TFT－Thin Film Transistor）。
　　其中TN－LCD、STN－LCD和DSYN－LCD的基本顯示原理都相同，只是液晶分子的扭曲角度不同而已。STN－LCD的液晶分子扭曲角度為180度甚至270度。而TFT－LCD則採用與TN系列LCD截然不同的顯示方式。 其具體工作原理見下：
　　1、TN型採用的是液晶顯示器中最基本的顯示技術，而之後其他種類的液晶顯示器也是以TN型為基礎來進行改良。而且，它的運作原理也較其他技術來的簡單。請讀者參照下方的圖片。圖中所表示的是TN型液晶顯示器的簡易構造圖，包括了垂直方向與水準方向的偏光板，具有細紋溝槽的配向膜，液晶材料以及導電的玻璃基板。
　　---在不加電場的情況下，入射光經過偏光板後通過液晶層，偏光被分子扭轉排列的液晶層旋轉90度。在離開液晶層時，其偏光方向恰與另一偏光板的方向一致，所以光線能順利通過，使整個電極面呈光亮。
　　---當加入電場的情況時，每個液晶分子的光軸轉向與電場方向一致。液晶層也因此失去了旋光的能力，結果來自入射偏光片的偏光，其方向與另一偏光片的偏光方向成垂直的關係，並無法通過，這樣電極面就呈現黑暗的狀態。
　　TN型的顯像原理是將液晶材料置於兩片貼附光軸垂直偏光板的透明導電玻璃間，液晶分子會依附向膜的細溝槽方向，按序旋轉排列。如果電場未形成，光線就會順利的從偏光板射入，液晶分子將其行進方向旋轉，然後從另一邊射出。如果在兩片導電玻璃通電之後，玻璃間就會造成電場，進而影響其間液晶分子的排列，使分子棒進行扭轉，光線便無法穿透，進而遮住光源。這樣得到光暗對比的現象，就叫做扭轉式向列場效應，簡稱TNFE（twisted nematic field effect）。電子領域中所用的液晶顯示器，幾乎都是用扭轉式向列場效應原理製成的。
　　2、STN型的顯示原理與TN相類似。不同的是，TN扭轉式向列場效應的液晶分子是將入射光旋轉90度，而STN超扭轉式向列場效應是將入射光旋轉180~270度。
　　必須在這裏指出的是，單純的TN液晶顯示器本身只有明暗兩種情形（或稱黑白），並沒有辦法做到色彩的變化。而STN液晶顯示器由於液晶材料的關係，以及光線的干涉現象，因此顯示的色調都以淡綠色與橘色為主。但如果在傳統單色STN液晶顯示器加上一彩色濾光片（color filter），並將單色顯示矩陣之任一圖元（pixel）分成三個子圖元（sub-pixel），分別通過彩色濾光片顯示紅、黃、藍三原色，再經由三原色比例之調和，也可以顯示出全彩模式的色彩。另外，TN型的液晶顯示器顯示幕幕做的越大，其螢幕對比度就會顯得較差，不過藉由STN的改良技術，亦可以在一定程度上彌補對比度不足的情況。
　　3、DSTN是通過雙掃描方式來掃描扭曲向列型液晶顯示幕，從而達到完成顯示目的。DSTN是由超扭曲向列型顯示器（STN）發展而來的。由於DSTN採用雙掃描技術，因此顯示效果相對STN來說，有大幅度提高。筆記本電腦剛出現時主要是使用STN，其後是DSTN。STN和DSTN的反應時間都較慢，一般約為300ms左右。從液晶顯示原理來看，STN的原理是通過電場改變原為180度以上扭曲的液晶分子的排列，達到改變旋光狀態的目的。外加電場則通過逐行掃描的方式改變電場，因此在電場反復改變電壓的過程中，每一點的恢復過程都較慢，這樣就會產生餘輝現象。用戶能感覺到拖尾（餘輝）現象，也就是一般俗稱的“偽彩”。由於DSTN顯示幕上每個圖元點的亮度和對比度都不能獨立控制，造成其顯示效果欠佳。由這種液晶體所構成的液晶顯示器對比度和亮度都比較差、螢幕觀察範圍也較小、色彩不夠豐富，特別是反應速度慢，不適於高速全動圖像、視頻播放等應用。一般只用於文字、表格和靜態圖像處理，但是它結構簡單並且價格相對低廉，耗能也比TFT-LCD少，而視角小也可以通過防止窺視螢幕內容達到保密作用，結構簡單也減小整機體積和重量。因此，在少數筆記本電腦中仍採用它作為顯示設備。目前，DSTN液晶顯示幕仍然佔有一定的市場份額。
　　DSTN-LCD也不是真正的彩色顯示器，它只能顯示一定的顏色深度。與CRT的顏色顯示特性相距較遠，因而又稱為“偽彩顯”。DSTN的工作特點是這樣的：掃描螢幕被分為上下兩部分，CPU同時並行對這兩部分進行刷新（雙掃描），這樣的刷新頻率雖然要比單掃描（STN）重繪整個螢幕快一倍，提高了占空率，改善了顯示效果。而且當DSTN分上下兩屏同時掃描時，上下兩部分就會出現刷新不同步的問題。所以當內部電子元件的性能不佳時，顯示幕中央可能會出現一條模糊的水準亮線。不過，現在採用DSTN-LCD的電腦因CPU和RAM速率高且性能穩定，這種不同步現象已經很少碰見到了。
　　另外，由於DSTN顯示幕上的圖元資訊是由螢幕左右兩側的一整行電晶體控制下的圖元來顯示，而且每個圖元點不能自身發光，是無源像點。所以反應速度不快，螢幕刷新後更可能留下幻影，其對比度和亮度也比較低，看到的圖像要比CRT顯示器裏的暗得多。
　　而HPA則被稱為高性能定址或快速DSTN 。它是DSTN的改良型，能提供比DSTN更快的反應時間、更高的對比度和更大的視角。再加上它具有與DSTN相近的成本，因此在低端筆記本電腦市場具有一定的優勢。
　　液晶螢幕的驅動方式
　　---單純矩陣驅動方式是由垂直與水準方向的電極所構成。選擇要驅動的部份，是由水準方向的電壓來控制。而垂直方向的電極則負責驅動液晶分子。
　　TN與STN型液晶顯示器所使用的是單純驅動電極方式，都是採用X、Y軸的交叉方式來驅動，如下圖所示。因此如果顯示部份越做越大的話，那麼中心部份的電極反應時間可能就會比較長。而為了讓螢幕顯示一致，整體顯示速度就會變慢。講的簡單一點，就好象是當CRT顯示器的螢幕更新頻率不夠快時，使用者就會感到螢幕閃爍、跳動；或著是當需要快速顯示3D動畫時，顯示器的顯示速度卻無法跟上，顯示出來的要果可能就會有延遲的現象。所以，早期的液晶顯示器在尺寸上有一定的限制，而且並不適合用來看電影、玩3D遊戲。
　　---主動式矩陣的驅動方式是讓每個畫素都對應一個組電極，它的構造有點像DRAM的回路方式，電壓通過掃描（或稱作一定時間充電）方式，來表示每個畫素的狀態。
　　為了改善此前出現的問題，後來液晶顯示技術大多採用主動式矩陣（active-matrix addressing）的方式來驅動。這也是目前達到高資料密度液晶顯示效果的理想裝置，而且解析度極高。方法是利用薄膜技術所做成的矽電晶體電極，通過掃描法來選擇任意一個顯示點（pixel）的開與關。這其實就是利用容易控制薄膜式電晶體的非線性功能，來取代不易控制的液晶非線性功能。
　　在TFT型液晶顯器導電玻璃上細小的網狀線路中，，電極是由薄膜式電晶體所排列而成的矩陣開關，在每個線路相交的地方都有著相應的控制匣。雖然驅動訊號快速地在各顯示點掃瞄而過，但只有電極上電晶體矩陣中被選擇的顯示點，才能得到足以驅動液晶分子的電壓。這樣就使得液晶分子軸轉向，並形成「亮」的對比，而不被選擇的顯示點自然就是「暗」的對比。這也避免了顯示功能對液晶電場效應能力的依靠。
　　4、TFT型液晶顯示器的運作原理
　　TFT型的液晶顯示器較為複雜，主要是由：螢光管、導光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式電晶體等等構成。首先，液晶顯示器必須先利用背光源，也就是螢光燈管投射出光源，這些光源會先經過一個偏光板然後再經過液晶。這時液晶分子的排列方式就會改變穿透液晶的光線角度，然後這些光線還必須經過前方的彩色的濾光膜與另一塊偏光板。因此我們只要改變刺激液晶的電壓值就可以控制最後出現的光線強度與色彩，這樣就能在液晶面板上變化出有不同色調的顏色組合了。
　　TFT-LCD的每個圖元點都是由集成在自身上的TFT來控制的，它們是有源圖元點。因此，不但反應時間可以極大地加快，起碼可以到80ms左右；對比度和亮度也大大提高了；同時解析度也得到了空前的提升。因為它具有更高的對比度和更豐富的色彩，螢屏更新頻率也更快，所以我們稱之為“真彩”。
　　目前市面上的LCD液晶顯示器主要有兩類：DSTN（dual-scan twisted nematic，雙掃描交錯液晶顯示）和TFT（thin filmtransistor，薄膜電晶體顯示），也就是被動矩陣（無源矩陣）和主動矩陣（有源矩陣）兩種。
　　與DSTN相比，TFT的主要特點是在每個圖元配置一個半導體開關器件，其加工工藝類似於大型積體電路。由於每個圖元都可通過點脈衝直接控制，使得每個節點相對獨立，並可以連續控制。這樣不僅提高了反應時間，同時在灰度控制上也可以做到非常精確，這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。TFT-LCD是目前最好的LCD彩色顯示設備之一，TFT-LCD具有螢幕反應速度快、對比度和亮度都較高、螢幕可視角度大、色彩豐富、解析度高等等特點，克服了兩者的原有的許多缺點，是目前桌面型 LCD顯示器和筆記本電腦LCD顯示幕的主流顯示設備。在色彩顯示性能方面與CRT顯示器相當，凡CRT顯示器所能顯示的各種資訊都能同樣顯示，其顯示效果已經接近CRT顯示器。在有源矩陣LCD中，除了TFT-LCD外，還有一種黑矩陣LCD。它是當前的高品質顯示技術產品。它的原理是將有源矩陣技術與特殊鍍膜技術相結合，既可以充分利用LCD的源顯示特點，又可以利用特殊鍍膜技術，在減少背景光洩漏、增加螢幕黑度、提高對比度的作用，並可以同時減小在日常明亮工作環境下的眩光現象。