液晶显示器 Liquid crystal displays

2022-11-10 10:51:31 浏览:174

定义

液晶显示器(LD显示器或LCD)是基于液晶调制器的显示器。 它们通常大量生产,并在技术上进行了高度优化。

以前使用的基于阴极射线管(CRT)的显示器几乎完全被LC显示器取代,LC显示器具有广泛的优势:

  • 功耗低得多
  • 无需高电压
  • 更紧凑、更轻便的设置
  • 无闪烁(带合适的背光)
  • 没有固定图像的老化(但一定程度的图像持久性)
  • 不产生X射线辐射,几乎没有潜在有害的其他类型的电磁辐射(例如交流磁场)
  • 可实现从毫米到几米的各种尺寸
  • 降低生产成本

因此,目前使用的所有显示器的很大一部分,从微型手表显示器到计算机屏幕和电视机,都是LC显示器。 然而,LC显示器与OLED等其他技术竞争,从微型手表显示器到大屏幕电视。 另请注意,虽然LC显示器在功耗方面相对环保,但它们的生产可能对气候非常有害,因为它可能涉及SF6 等气体和 NF3具有很高的温室潜力,经常被释放到大气中。

典型结构

通常,液体显示器包括以下组件:

  • 核心元件是液晶单元的二维阵列。 它们充当可单独寻址的相位调制器。
  • 每侧都有一个光学偏振器。
  • 背面可以包含某种用于被动显示器的反射器(镜子),也可以包含用于有源(发光)显示器的背光。
  • 顶部通常还有一层保护层,例如玻璃板。 还可以集成传感器组件以实现触摸屏。

输入偏振器(在背光的一侧)可以是反射型的,它允许在错误的偏振方向上“回收”光:它被送回光源,并且至少部分返回可用的偏振方向。

带有定制细分的显示器

对于某些显示器来说,相当有限的显示段数量就足够了,允许非常便宜的设备。

单色显示器的简单类型用于手表、闹钟、温度计、袖珍计算器和各种状态显示器等设备。 在这里,人们通常使用中等数量的独立调制器,每个调制器用于显示器的一个部分。 例如,一个数字通常由七个段构成,而字母数字显示需要更多的数字来显示更广泛的字符。 可以轻松制作其他形式的段,例如用于显示固定字母序列、刻度、箭头或其他符号。 这样的显示器不仅制造简单,而且使用简单;可以通过提供单个电信号轻松激活某个符号的显示。

矩阵显示器

通过规则的显示像素网格获得更大的图像控制灵活性。 像素按行和列排列,并通过其行号和列号进行寻址。 已经开发了不同类型的被动和有源矩阵来寻址像素。 如今,人们主要使用有源矩阵显示器,其每像素可以包含多个薄膜晶体管(TFT),在玻璃基板上制造。 这种显示器适用于数码相机和摄像机、智能手机、平板电脑、计算机屏幕和电视设备;它们可以在几厘米到几米之间用非常不同的屏幕对角线制成。

无源显示器和带背光的有源显示器

许多LC显示器都包含背光,例如基于发光二极管的背光。

一些LC显示器使用环境光;他们通常会在背面有某种镜子。 它们可以具有非常低的功耗,因为驱动LC单元只需要很少的功率。 明显的缺点是这种显示器只能在足够强烈的环境光下使用。

因此,许多显示器都配备了背光,可以用不同的光源来实现:

  • 特别是较大的显示器,例如计算机显示器,过去使用冷阴极荧光灯(CCFL)。
  • 如今,使用白光发光二极管(LED)已经变得非常普遍,这是一种更紧凑,更节能的解决方案。 它们通常排列在显示器的边缘周围,将光注入薄片中,通过散射从中提取光。
  • 或者,可以用白色LED覆盖整个显示区域,即用大型LED阵列。 这种方法主要用于较大的屏幕,其优点是可以调暗显示较暗区域的背光部分;这不仅可以节省电力,还可以增加图像对比度。
  • 也可以使用 RGB LED 阵列通过更宽的色域实现更好的显色性。

边缘的LED也可以进行一定程度的动态背光控制,但所需的光功率由图像中最亮的点决定。 因此,功率效率和对比度对于局部调光显然更好,其中小图像区域是分开处理的。

影像投影仪

液晶设备也用于一些图像投影仪。 在这里,使用通常非常强烈的光源 - 例如卤素灯或金属蒸气灯,有时是LED光源 - 并且额外的投影光学器件在某种屏幕上产生大图像。 为了减少LC调制器阵列上的热负荷,通常在光源和LC面板之间使用冷镜或热反射镜。

有关硅技术上的液晶的评论,请参见下文,该技术通常用于投影仪。

彩色显示屏

彩色显示器通常通过为每个像素使用三个不同的调制器来实现,分别负责红色、绿色和蓝色内容。 人们需要额外的滤光片,不幸的是,这导致透光率大大降低。 通常,即使对于完全白色的图像,也只有百分之几的生成光可以通过这种显示器传输。 透光率的改善非常重要,特别是对于移动设备,其中照明的功耗是一个关键参数。

对于彩色显示器,在没有背光的情况下操作通常是不可行的。

显示面板类型

液晶显示器可以通过不同的面板技术实现。 下面解释最重要的。

TN面板

TN 表示扭曲的向列。 在这里,人们使用向列型液晶材料,它在零电压状态下扭曲,因为它被放置在两个玻璃板之间,玻璃板是用拉丝聚酰亚胺涂层制备的,导致液晶分子的首选取向;两块玻璃板的方向是相互垂直的。 入射光的偏振最初与分子对齐,并根据连续旋转的分子取向“拖曳”。 因此,光线大多可以通过交叉偏振器,显示器可能看起来是浅灰色(或者可能有一些其他颜色,具体取决于背光)。 然后可以通过对在两个玻璃板上制成的透明电极(通常由氧化铟锡= ITO)施加电压来抑制极化旋转,这将分子拉向它们基本上垂直于玻璃表面的方向的状态。 通过交叉偏振片的透射率相应降低。 这种显示(显示字符外观较暗)称为字符负数;当然,人们也可以做出积极的展示。

有各种改进的变体,例如超扭曲向列(STN)或双超扭曲向列(DSTN)面板,涉及更高的扭曲角度,例如180°或270°,以提高被动矩阵像素寻址的适用性。

TN面板在各种显示器中非常常见,包括许多计算机屏幕和电视机。 一个潜在的缺点是,最佳的显示对比度和显色性仅在相当有限的观看方向范围内实现。

IPS 面板:面内切换

一种改进的面板是基于面内切换(IPS)。 在这里,电极不是简单地应用于相对的玻璃板上;相反,人们只在一个玻璃板上使用结构化电极,这样就可以产生或多或少沿着玻璃表面而不是垂直于玻璃表面的电场。 通常,液晶单元仍然是扭曲向列型;只有外加电场破坏扭曲构型的方式不同。 此外,可以使用朝向相同方向的偏振片,而不是交叉偏振片。 然后,透射率最初非常低,并随着电场的应用而降低。

有各种修改类型的IPS面板(例如称为超级IPS,高级超级IPS,水平IPS或高级高性能IPS),用于优化各种属性,例如透光量和视角范围。 与TN调制器相比,IPS调制器最重要的优势是可以在更宽的观看方向范围内实现高图像对比度。

虚拟资产面板

有些面板采用液晶材料,其中分子自然地沿垂直于玻璃基板的方向排列(VA =垂直排列)。 在零电压状态下没有双折射,交叉偏振片导致黑屏。 然后还可以应用面内切换,使分子进入倾斜位置,从而产生双折射并且通过输出偏振器的透射率增加。

这种面板可以结合宽视角提供更好的图像对比度,并降低温度灵敏度。

修改后的设计

各种制造商已经开发了修改后的面板设计,可以是TN或IPS面板的变体或不同的设计。 它们通常在某些方面(例如图像对比度、响应速度或角度可视范围)实现改进的性能,而在其他方面则存在缺点。 因此,面板的选择通常取决于不同方面之间的权衡,这取决于特定的应用。 这些技术之间的面板和相关设备的成本也可能有所不同。

还有硅上液晶技术(LCoS)。 在这里,在硅背板上制造了一个典型的非常小的液晶调制器二维阵列,除了调制器之外,还包含用于控制像素的CMOS电子器件。 在电子元件和液晶调制器之间,有一个反射层;这种设备需要在反射中使用。 它们适用于投影显示器,其中投影图像区域通常远大于活动芯片区域。 三种不同的LCoS芯片可用于红色,绿色和蓝色组件(三面板设计)。 还有单面板LCoS彩色显示器,例如用于微型投影仪(微型投影仪),其中没有空间容纳额外的分色光学器件。 其他应用包括可穿戴计算(例如头戴式显示器)和电子取景器。 在某种程度上,这种微型显示面板包含铁电液晶,其比其他类型的液晶材料更快。

液晶显示器的性能

调制器的以下性能数据可能与应用特别相关:

图像分辨率

对于给定的图像格式,这取决于像素数 - 例如,1024 × 768 像素、1920 × 1080(全高清分辨率)、3840 × 2160(4K 显示器)或 4096 × 2160(4K 影院)。 点间距通常以每英寸点数 (dpi) 量化——例如,计算机屏幕的点间距通常为 100 dpi,但在某些情况下要高得多。 100 dpi 表示网点间距为 25.4 mm / 100 = 0.254 mm。 实际发光点的尺寸可能更小,特别是对于包含红色、绿色和蓝色发光元件的彩色显示器。

虽然具有大量像素(一个方向远远超过1000)的显示器在早期非常昂贵,但它们已经变得更加实惠。 即使是像智能手机这样的小型显示器,现在也可以以非常高的分辨率制作,即非常小的像素。

最大透射率和图像亮度

调制器的最大透射率对于在有限的照明功率下实现高图像亮度非常重要。 当然,图像亮度还取决于背光的总光功率和光收集的效率。 一般来说,LED比荧光灯效率高得多——主要不是由于光的产生效率,而是由于更多的定向发射,这有助于有效的光收集。 尽管如此,即使使用LED背光,彩色显示器的典型最大透射率也只有百分之几,即使是白色图像。

当然,所需的图像亮度在很大程度上取决于应用。 例如,户外使用的设备需要更高的图像亮度,并且应根据环境光的强度自动调整。

图像对比度

调制器的对比度有限,因此无法产生图像的完全黑色部分。 不同的面板技术在对比度方面可能有很大差异。 其中一些使用局部调暗的背光来显着提高对比度,同时可以降低功耗。

背光的均匀性

理想情况下,背光的实现使屏幕非常均匀地照明。 然而,在实践中,屏幕区域的亮度可能会有很大变化 - 特别是在廉价的大型显示器中。

视角

最佳图像质量通常是在大致垂直于屏幕表面的观看方向上实现的。 为了从侧面观看更多,图像质量通常迟早会下降 - 对比度损失和/或颜色偏差。 带有TN面板的典型屏幕的视角非常有限,当多人坐在屏幕前时,这尤其成问题。 IPS和VA面板可以提供更宽的视角。

更新速度(帧速率)

开关速度受到液晶分子改变其方向所需的时间的限制。 这样的过程相对较慢,通常需要几毫秒。 对于大多数目的,例如对于计算机屏幕,它们足够快。 例如,计算机屏幕的典型帧速率(= 图像更新速率)为 50 Hz 或 60 Hz。 对于某些应用,最好使用更高的帧速率(如 100 Hz),但只有在具有该速率的视频信号可用时,才会产生强烈影响;仅插值较低频率的视频信号不会有太大帮助。 另请注意,高图像分辨率和高帧速率的组合可以导致非常高的数据速率,这只能通过最现代的数字接口传输。

对于某些特定应用,例如游戏显示器,需要优化速度,例如通过实现相当薄的液晶单元,使用低粘度材料或施加过载信号。

显色性

对于显色性,背光的光谱特性和使用的滤光片是相关的。 特别是在使用宽带光源时,通常在显色性和显示器效率之间进行权衡,这会影响最大图像亮度和功耗。 因此,LC显示器通常不如OLED显示器,例如在显色性方面。 但是,可以使用具有相当好的显色性(并且电源效率暂时较低)的面板。

请注意,仅靠宽色域并不能保证逼真的演色性。 为此,还需要适当调整屏幕。 对于颜色关键型应用,有必要使用特殊的测量设备校准屏幕;然后重新调整RGB强度值,以产生最佳逼真的色彩印象。 不幸的是,包括颜色配置文件等概念的基础技术不容易理解和正确应用。

另请参阅有关显色指数概念的文章。

功耗

液晶调制器(例如用于无源显示器)的一个特定优势是其相当低的功耗。 然而,在有源显示器中,功耗由背光主导,这取决于调制器的最大传输。 尽管通常透光效率相当低,但典型LC显示器的功耗比类似大的CRT显示器低几倍。 预计技术将取得进一步进步。 然而,使用越来越大的屏幕(例如电视)的趋势可以抵消技术进步,因此功耗甚至增加。

对于办公室使用的计算机屏幕,如果较大的显示器可以大大提高生产力,例如通过同时显示多个相关文档,甚至可以提高电源效率。 这减少了给定任务的工作时间,从而减少了显示器的工作时间,还减少了计算机、房间照明、暖气等的操作时间。

其他方面

根据应用的不同,可以相互关联其他各个方面。 例如,某些LC显示器在触摸时表现出严重的图像失真,这可能会令人不安;对于触摸屏显示器,应避免这种情况。 输入延迟,即视频信号和实际显示的图像之间的一定延迟,可能会影响图像和声音的同步。 此外,显示器可以正常工作的温度范围(例如在不损失对比度和亮度的情况下)或多或少受到限制,具体取决于面板技术。 有限的寿命也可能令人感兴趣。

显示器的另一个重要方面是缺陷像素(坏点)的数量;一些有限数量的缺陷像素通常是可以容忍的,至少在更便宜的显示器中是这样。 显示技术涉及复杂而精细的处理步骤,以达到高性能,可能会产生更高的缺陷像素率。 请注意,对于某些显示器类别中允许的坏点数量,有一个ISO标准,但并非所有LCD制造商都完全遵守该标准。 一些制造商提供零缺陷像素保证。

与其他技术的比较

发光二极管,包括有机发光二极管

有些显示器的发光二极管(LED)不仅用作LC显示器的背光,还直接用于生成图像信息。 在这里,每种颜色(例如红色、绿色蓝色)和像素都有一个 LED。 例如,该技术可以通过用于大型户外显示器的传统LED或通常作为有机LED(OLED)制造的微型LED来实现。

OLED显示器可以以更低的功耗工作,因为更多的产生的光是可用的;这对于需要电池供电的便携式设备尤其重要。 此外,OLED显示器通常提供更好的显色性,尽管LC显示器在这方面也进行了实质性的改进。 此外,它们可以以更高的速度工作,提供更广泛的视角,并且可以做得更薄、更轻。

OLED显示器的缺点是其制造成本(特别是对于大尺寸)和有限的使用寿命;由于荧光粉的老化,单个像素的亮度在操作过程中相对较快地下降,对于不同的颜色,这在一定程度上下降。 一个相关的问题是,如果固定图像显示较长时间,则图像老化的趋势。

数字微镜器件

投影显示器也可以使用数字微镜设备(DMD)制作,这是微光机电系统(MOEMS)(参见关于微光学的文章)。 这种装置可以包含数十万个微镜,这些微镜可以单独驱动,即使用静电力以10°量级的某个角度旋转。 三种这样的微镜器件可用于实现彩色显示器。

与LC显示器相比,DMD显示器在分辨率方面的限制要大得多。 此外,通常最好使用单个芯片实现彩色显示。 另一方面,更高的光使用效率可能是一个实质性的优势。

光学器件

作          者: 泮桥成像光电商城

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