TFT-LCD液晶顯示器的工作原理
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彩色濾光片(color filter, CF)
如果你有機(jī)會(huì), 拿著放大鏡, 靠近液晶顯示器的話. 你會(huì)發(fā)現(xiàn)如圖9中所顯示的樣子. 我們知道紅色, 藍(lán)色以及綠色, 是所謂的三原色. 也就是說(shuō)利用這三種顏色, 便可以混合出各種不同的顏色. 很多平面顯示器就是利用這個(gè)原理來(lái)顯示出色彩. 我們把RGB三種顏色, 分成獨(dú)立的三個(gè)點(diǎn), 各自擁有不同的灰階變化, 然后把鄰近的三個(gè)RGB顯示的點(diǎn), 當(dāng)作一個(gè)顯示的基本單位, 也就是pixel. 那這一個(gè)pixel,就可以擁有不同的色彩變化了. 然后對(duì)于一個(gè)需要分辨率為1024*768的顯示畫(huà)面, 我們只要讓這個(gè)平面顯示器的組成有1024*768個(gè)pixel, 便可以正確的顯示這一個(gè)畫(huà)面. 在圖9中,每一個(gè)RGB的點(diǎn)之間的黑色部分, 就叫做Black matrix. 我們回過(guò)頭來(lái)看圖8就可以發(fā)現(xiàn), black matrix主要是用來(lái)遮住不打算透光的部分. 比如像是一些ITO的走線, 或是Cr/Al的走線, 或者是TFT的部分. 這也就是為什么我們?cè)趫D9中, 每一個(gè)RGB的亮點(diǎn)看起來(lái), 并不是矩形, 在其左上角也有一塊被black matrix遮住的部分, 這一塊黑色缺角的部份就是TFT的所在位置.
圖10是常見(jiàn)的彩色濾光片的排列方式. 條狀排列(stripe)最常使用于OA的產(chǎn)品, 也就是我們常見(jiàn)的筆記型計(jì)算機(jī),或是桌上型計(jì)算機(jī)等等. 為什么這種應(yīng)用要用條狀排列的方式呢? 原因是現(xiàn)在的軟件, 多半都是窗口化的接口. 也就是說(shuō), 我們所看到的屏幕內(nèi)容,就是一大堆大小不等的方框所組成的. 而條狀排列,恰好可以使這些方框邊緣, 看起來(lái)更筆直, 而不會(huì)有一條直線, 看起來(lái)會(huì)有毛邊或是鋸齒狀的感覺(jué). 但是如果是應(yīng)用在AV產(chǎn)品上, 就不一樣了. 因?yàn)殡娨曅盘?hào)多半是人物, 人物的線條不是筆直的, 其輪廓大部分是不規(guī)則的曲線. 因此一開(kāi)始, 使用于AV產(chǎn)品都是使用馬賽克排列(mosaic,或是稱為對(duì)角形排列). 不過(guò)最近的AV產(chǎn)品, 多已改進(jìn)到使用三角形排列(triangle,或是稱為delta排列). 除了上述的排列方式之外, 還有一種排列, 叫做正方形排列. 它跟前面幾個(gè)不一樣的地方在于, 它并不是以三個(gè)點(diǎn)來(lái)當(dāng)作一個(gè)pixel,而是以四個(gè)點(diǎn)來(lái)當(dāng)作一個(gè)pixel. 而四個(gè)點(diǎn)組合起來(lái)剛好形成一個(gè)正方形.
背光板(back light, BL)
然而液晶顯示器本身, 僅能控制光線通過(guò)的亮度, 本身并無(wú)發(fā)光的功能. 因此,液晶顯示器就必須加上一個(gè)背光板, 來(lái)提供一個(gè)高亮度,而且亮度分布均勻的光源. 我們?cè)趫D14中可以看到, 組成背光板的主要零件有燈管(冷陰極管), 反射板, 導(dǎo)光板, prism sheet, 擴(kuò)散板等等. 燈管是主要的發(fā)光零件, 藉由導(dǎo)光板, 將光線分布到各處. 而反射板則將光線限制住都只往TFT LCD的方向前進(jìn). 最后藉由prism sheet及擴(kuò)散板的幫忙, 將光線均勻的分布到各個(gè)區(qū)域去, 提供給TFT LCD一個(gè)明亮的光源. 而TFT LCD則藉由電壓控制液晶的轉(zhuǎn)動(dòng), 控制通過(guò)光線的亮度, 藉以形成不同的灰階.
框膠(Sealant)及spacer
在圖14中另外還有框膠與spacer兩種結(jié)構(gòu)成分. 其中框膠的用途,就是要讓液晶面板中的上下兩層玻璃, 能夠緊密黏住, 并且提供面板中的液晶分子與外界的阻隔,所以框膠正如其名,是圍繞于面板四周, 將液晶分子框限于面板之內(nèi). 而spacer主要是提供上下兩層玻璃的支撐, 它必須均勻的分布在玻璃基板上, 不然一但分布不均造成部分spacer聚集在一起, 反而會(huì)阻礙光線通過(guò), 也無(wú)法維持上下兩片玻璃的適當(dāng)間隙(gap), 會(huì)成電場(chǎng)分布不均的現(xiàn)象, 進(jìn)而影響液晶的灰階表現(xiàn).
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液晶顯示器中有一個(gè)很重要的規(guī)格就是亮度, 而決定亮度最重要的因素就是開(kāi)口率. 開(kāi)口率是什么呢? 簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)就是光線能透過(guò)的有效區(qū)域比例. 我們來(lái)看看圖17, 圖17的左邊是一個(gè)液晶顯示器從正上方或是正下方看過(guò)去的結(jié)構(gòu)圖. 當(dāng)光線經(jīng)由背光板發(fā)射出來(lái)時(shí), 并不是所有的光線都能穿過(guò)面板, 像是給LCD source驅(qū)動(dòng)芯片及gate驅(qū)動(dòng)芯片用的信號(hào)走線, 以及TFT本身, 還有儲(chǔ)存電壓用的儲(chǔ)存電容等等. 這些地方除了不完全透光外, 也由于經(jīng)過(guò)這些地方的光線 并不受到電壓的控制,而無(wú)法顯示正確的灰階, 所以都需利用black matrix加以遮蔽, 以免干擾到其它透光區(qū)域的正確亮度. 所以有效的透光區(qū)域, 就只剩下如同圖17右邊所顯示的區(qū)域而已. 這一塊有效的透光區(qū)域, 與全部面積的比例就稱之為開(kāi)口率.
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當(dāng)光線從背光板發(fā)射出來(lái), 會(huì)依序穿過(guò)偏光板, 玻璃, 液晶, 彩色濾光片等等. 假設(shè)各個(gè)零件的穿透率如以下所示:
- 偏光板: 50%(因?yàn)槠渲粶?zhǔn)許單方向的極化光波通過(guò))
- 玻璃:95%(需要計(jì)算上下兩片)
- 液晶:95%
- 開(kāi)口率:50%(有效透光區(qū)域只有一半)
- 彩色濾光片:27%(假設(shè)材質(zhì)本身的穿透率為80%,但由于濾光片本身涂有色彩, 只能容許該色彩的光波通過(guò). 以RGB三原色來(lái)說(shuō), 只能容許三種其中一種通過(guò). 所以僅剩下三分之一的亮度. 所以總共只能通過(guò)80%*33%=27%.)
以上述的穿透率來(lái)計(jì)算, 從背光板出發(fā)的光線只會(huì)剩下6%, 實(shí)在是少的可憐. 這也是為什么在TFT LCD的設(shè)計(jì)中, 要盡量提高開(kāi)口率的原因. 只要提高開(kāi)口率, 便可以增加亮度, 而同時(shí)背光板的亮度也不用那么高, 可以節(jié)省耗電及花費(fèi).
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