液晶显示技术(六) 前面已经介绍了TFT LCD显示器的基本结构， 下文简单介绍它的其他组成部分。TFT LCD，在玻璃基板上要放置扫描线和... 

来源：雪球App，作者： 书生剑客，（https://xueqiu.com/3993902801/181703892）

前面已经介绍了TFT LCD显示器的基本结构， 下文简单介绍它的其他组成部分。

TFT LCD，在玻璃基板上要放置扫描线和寻址线（行、列线），在交点上再制作上TFT有源器件和像素电极。上玻璃板是一共用电极，如果是彩色显示，则还要在上面用微细加工方式（染色法，或印刷法）制作上与下面矩阵对应的R、G、B滤色膜。TFT的栅极G接扫描电压主，漏极D接信号电压，源极S接ITO像素电极，与液晶像素串联，液晶像素可以等效成一个电阻RLC和一电容CLC的并联。当扫描脉冲加到栅极G时，使D-S导通，内阻变小，信号电压产生大的通态电流ION，并使CLC很快充电到信号电压。当CLC充电电压均方根值Vrms大于液晶像素的阈值电压Vth时，该像素显示，并通过RLC缓慢放电；由这样的“存储效应”使一个帧周期内Vrms≥Vth，即显示占空比为1:1。由于三端器件的通态电流更大，开路电阻更高，开关特性更陡，因此比二端器件的显示性能也更好。

彩色滤色器（上述的R、G、B滤色膜）是LCD实现彩色显示的关键部件，其基本原理同彩色CCD中所用的彩色滤色器相似，也就是在每个液晶像素单元中的液晶盒与前检偏器之间加一块彩色滤光片。在彩色LCD面板中，每一个像素都是由3个液晶单元格构成，其中每一个单元格前面都分别有红色、绿色或蓝色的过滤器。这样，通过不同单元格的光线就可以在屏幕上显示出不同的颜色。主体是由制作在玻璃基板上的红(Ｒ)、绿(G)、蓝(B)三基色点阵织成，其间镶嵌有黑色矩阵，以增加对比度。三基色点阵的排列方式常用的有品字形、田字形或条形结构，一般显示字符和图形的办公用机都选用条形排列，显示动态图像和电视图像的多选用品字形或田字形排列。

如果你有机会，拿着放大镜，靠近液晶显示器的话，你会发现如下图中所显示的样子。我们知道红色，蓝色以及绿色，是所谓的三原色。也就是说利用这三种颜色，便可以混合出各种不同的颜色。很多平面显示器就是利用这个原理来显示出色彩。我们把RGB三种颜色，分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把邻近的三个RGB显示的点， 当作一个显示的基本单位，也就是pixel。那这一个pixel，就可以拥有不同的色彩变化了。彩色滤光片其实是一片很多电晶体的玻璃，具有红绿蓝三种颜色的彩色滤光，这R、G、B三种颜色分成独立的三个点，各自拥有不同的灰度变化，然后把邻近的三个R、G、B显示的点当作一个像素的基本单位，通过空间相加混合，这个像素就可以拥有不同的彩色变化。比如，对于一个需要分辨率为1024*768的显示画面，我们只要让这个平面显示器的组成有1024*768个pixel，便可以正确的显示这一个画面。在下图中，每一个RGB的点之间的黑色部分，就叫做Black matrix。我们回过头来看前面TFTLCD的切面图，就可以发现， black matrix主要是用来遮住不打算透光的部分。比如像是一些ITO的走线，或是Cr/Al的走线， 或者是TFT的部分。这也就是为什么我们在下图中，每一个RGB的亮点看起来，并不是矩形，在其左上角也有一块被black matrix遮住的部分，这一块黑色缺角的部份就是TFT的所在位置。

下图是常见的彩色滤光片的排列方式。条状排列(stripe)最常使用于OA的产品，也就是我们常见的笔记型计算机，或是桌上型计算机等等。为什么这种应用要用条状排列的方式呢？原因是现在的软件，多半都是窗口化的接口，也就是说，我们所看到的屏幕内容，就是一大堆大小不等的方框所组成的。而条状排列，恰好可以使这些方框边缘，看起来更笔直，而不会有一条直线，看起来会有毛边或是锯齿状的感觉。但是如果是应用在AV产品上， 就不一样了。 因为电视信号多半是人物，人物的线条不是笔直的，其轮廓大部分是不规则的曲线。因此一开始，用于AV产品都是使用马赛克排列(mosaic，或是称为对角形排列)。不过最近的AV产品，多已改进到使用三角形排列(triangle,或是称为delta排列)。除了上述的排列方式之外，还有一种排列，叫做正方形排列。它跟前面几个不一样的地方在于，它并不是以三个点来当作一个pixel，而是以四个点来当作一个pixel，四个点组合起来刚好形成一个正方形。

在一般的CRT屏幕，是利用高速的电子枪发射出电子，打击在银光幕上的荧光粉，藉以产生亮光，来显示出画面。然而液晶显示器本身，仅能控制光线通过的亮度，本身并无发光的功能。因此,液晶显示器就必须加上一个背光板，来提供一个高亮度，而且亮度分布均匀的光源。也就是说液晶显示器是被动显示器件，本身不会发光，往往工作在透光模式下。因此，为了了获得高对比度与全色显示，需要采用背照明光源。LCD的背光源 LCD可以在反射、透射或者透反射模式下工作，但为了实现高对比度的全色显示，往往选择在透射模式下工作，这就需要外照光源。这种光源一般置于液晶盒背后，称为LCD的背光源。为使显示不受环境光亮度影响，从背面均匀照射显示面。背光源的色温、发光效率、驱动电路等对LCD的色彩、亮度和功耗有直接影响，它消耗的功率是整个LCD模块的90％以上，因此对便携机的背光源，薄形和低功耗是两个首先要考虑的问题。目前采用的背照光源主要有：

热电致发光板EL

平板荧光灯（VFD）

冷阴极荧光灯（CCF）

平板场发射（FED）

有机电致发光（OEL）等。

其照明方式又分为边光式(侧光式)与背光式（背照式）两种。边光式，在显示面的侧面装配荧光灯式的线光源、或带有曲率的反射体和漫散射板，设计成透明度良好的导光体的反射曲面，使显示面亮度均匀。背光源结构图：

为了减小厚度，大多数厂家都采用如下图所示的侧光照明方式（边光式），厚约2.5um~5um的聚丙乙烯导光板将灯光导人液晶盒背面并经镜面反射投向它。

背光式(背照式)，是在显示面的正下方装配一支或几支光源。一般而言，背照式比侧光式照明效率约高40％。在液晶显示面积较大时，为提高背照光亮度的均匀性，常采用两只直管灯，或采用Ｕ形、Ｍ形灯。

常用白炽灯球、白卤素灯等点光源，荧光灯(热阴极、冷阴极)等线光源，电致发光屏(EL灯)、点阵式发光二极管(LED)组成的面光源，面光源基本上可以直接成为背光源。下图是液晶显示器冷光源灯管：

平板荧光灯（VFD）是一种热阴级、低压、平板型荧光灯，如果将阳极和荧光粉制作成像素状，就是平板荧光显示器件，可用于电子秤，DVD等显示用，做为背光源可以将阳极连成一片，全部涂覆一层荧光粉，其亮度大于150lm，寿命大于5000小时。

冷阴极荧光灯（CCF）是一种依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉的光源。掺有少量水银的衡薄蒸气在高电压下会产生电离，被电离的气体二次电子发射，轰击水银蒸气，使水银蒸气被激发，发射出紫外线，紫外线激发荧光粉发光。亮度大于150lm，其特点是寿命达20000小时，功耗在1~4W，有U形、M形和直管形。

电致发光（EL）是一种冷光源，它是靠荧光粉在交变电场作用下的本征发光，但亮度低，寿命仅有5000小时。

LED灯又称发光二极管，单个LED灯的功耗是最小的。从蓝到红，LED灯有很多种颜色。在各种颜色里，可大致分为高亮和低亮的两种。由于白色是混合色，无可标识的波长值，因此，以其在色度图上的坐标值来表示。我们自定义为“冷白色”和“暖白色”两种。在各种颜色里，都存在颜色偏差的问题，尤其是白色，LED的供应商也无法对其进行有效的控制。而常用LED点阵组成面光源，可以直接成为背光源。优点是亮度好，均匀性好。为讲求光均性，每颗LED的发光亮度特性，在挑选上也要求一致性。此外，若有某颗LED的寿命先行告终，就会影响光均性，所以必须确保所有的LED都具备长寿功能。如此严格的挑选，便使得LED背光的成本攀升。

我们在下图中可以看到，组成背光板的主要零件有灯管(冷阴极管)，反射板，导光板，prism sheet，扩散板等等。灯管是主要的发光零件，藉由导光板，将光线分布到各处。而反射板则将光线限制住都只往TFT LCD的方向前进。最后藉由prism sheet及扩散板的帮忙，将光线均匀的分布到各个区域去，提供给TFT LCD一个明亮的光源。而TFTLCD则藉由电压控制液晶的转动，控制通过光线的亮度，藉以形成不同的灰阶。

在上图中另外还有框胶与spacer两种结构成分。其中框胶的用途，就是要让液晶面板中的上下两层玻璃，能够紧密黏住，并且提供面板中的液晶分子与外界的阻隔，所以框胶正如其名，是围绕于面板四周，将液晶分子框限于面板之内。而spacer主要是提供上下两层玻璃的支撑，它必须均匀的分布在玻璃基板上，不然的话，一旦分布不均，会造成部分spacer聚集在一起，反而会阻碍光线通过，也无法维持上下两片玻璃的适当间隙(gap)，会成电场分布不均的现象，进而影响液晶的灰阶表现。

液晶显示器中有一个很重要的规格就是亮度，而决定亮度最重要的因素就是开口率。开口率是什么呢？简单的来说就是光线能透过的有效区域比例。我们来看看下图，图中的左边是一个液晶显示器从正上方或是正下方看过去的结构图。当光线经由背光板发射出来时，并不是所有的光线都能穿过面板，像是给LCD source驱动芯片及gate驱动芯片用的信号走线，以及TFT本身，还有储存电压用的储存电容等等。这些地方除了不完全透光外，也由于经过这些地方的光线并不受到电压的控制，而无法显示正确的灰阶，所以都需利用black matrix加以遮蔽，以免干扰到其它透光区域的正确亮度。所以有效的透光区域。就只剩下如下图中右边所显示的区域而已。这一块有效的透光区域。与全部面积的比例就称之为开口率。

当光线从背光板发射出来，会依序穿过偏光板，玻璃，液晶，彩色滤光片等等。假设各个零件的穿透率如以下所示:

        偏光板: 50% (因为其只准许单方向的极化光波通过)

        玻璃: 95% (需要计算上下两片)

        液晶: 95%

        开口率: 50% (有效透光区域只有一半)

        彩色滤光片: 27% (假设材质本身的穿透率为80%，但由于滤光片本身涂有色彩，只能容许该色彩的光波通过。以RGB三原色来说， 只能容许三种其中一种通过。所以仅剩下三分之一的亮度。所以总共只能通过80%*33%=27%。)

以上述的穿透率来计算，从背光板出发的光线只会剩下6%，实在是少的可怜。这也是为什么在TFT LCD的设计中，要尽量提高开口率的原因。只要提高开口率，便可以增加亮度，而同时背光板的亮度也不用那么高，可以节省耗电及花费。下图是液晶显示器的光效率示意图：

从理论上讲显示器的亮度越高越好，亮度越高则画面显示的层次越丰富，然而LCD透光式的成像原理限制了其亮度不可能无限增大，同时亮度过高人眼会感觉不舒服，而且亮度越高功耗也越大，因此普通使用者没有必要追求高亮度，能满足良好使用要求的液晶显示器的最大亮度不应低于300cd/m2，这个亮度已经能够满足大多数用户的使用要求。