作者：廖燕平
出版社：电子工业出版社
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薄膜晶体管液晶显示器显示原理与设计试读：
前言
平板显示产业在中国大陆迅猛发展，一方面更多的大学毕业生涌入面板制造企业，另一方面也给员工提供了更多的发展空间，但迫切需要解决的是如何让新入职员工快速掌握岗位基本技能，如何让技术管理干部具有全方位的技术基础能力。本书就是基于这个背景，从液晶显示的基本概念、基本原理出发，涵盖了薄膜晶体管的材料和器件特性、薄膜晶体管设计、液晶盒设计、驱动电路设计、机构光学设计，以及器件测试和四大工艺制程的相关内容，让读者全方位、全角度地理解液晶显示器的基本知识。
基于本书的内容结构，第1章介绍了液晶显示器的基本知识，包括立体显示的基本概念；第2章介绍了薄膜晶体管的材料与器件特性；第3章介绍了液晶面板的设计与驱动；第4章和第5章分别介绍了液晶盒设计相关的颜色设计和液晶光学设计；第6章介绍了驱动电路设计；第7章介绍了液晶模组的机构与光学设计；第8章介绍了液晶显示器的性能测试；第9章到第12章分别介绍了阵列、彩膜、成盒和模组四大工艺制程；附录A介绍了薄膜晶体管器件参数提取与实例；附录B介绍了掩模版版图设计验证工具与应用。
本书的撰写，是我们几位作者在繁忙的工作之外，以牺牲大量的业余和休息时间才完成的。此外，本书的每个章节，还得到了相关岗位的专家或资深工程师的帮助，在此表示诚挚的感谢：（1）工艺制程章节，感谢袁剑峰、许朝钦（中国台湾）、陈信诚（中国台湾）、陈宇鹏、郭宏雁、董天松、郭会斌、王守坤、周波、马国靖、吴洪江、汪栋、万冀豫、黄常刚、储小亮和张纪等同事；（2）器件性能测试章节，感谢刘冬和陈维涛等同事；（3）设计章节，感谢张振宇、高玉杰、王宝强、闫岩、夏天宇、商广良、占红明、林丽峰、杜玙蕃、陈明、栗首、汪建明、郝卫、冷长林、周昊、张伟、贾丽丽、黄应龙和吕敬等同事；（4）基本概念和器件章节，感谢王梦杰、武延兵、林洪涛、袁剑峰和薛建设等同事；（5）附录A器件参数提取章节，感谢Silvaco的常志强；（6）附录B设计验证章节，感谢华大九天的常江和李晓坤。最后，感谢上海大学新型显示技术及应用集成教育部重点实验室的技术支持。
本书由北京交通大学/北京京东方显示技术有限公司的廖燕平主要编写，由北京京东方显示技术有限公司的宋勇志、邵喜斌（研究员）、刘磊和陈东川协助编写，由北京交通大学的张希清（教授）和上海大学的张建华（教授）审校。本书顺利出版，感谢北京市优秀人才培养和北京经济技术开发区经费资助，感谢公司领导的大力支持。本书撰写过程中，虽然我们力求尽善尽美，但是才学毕竟有限，不妥或疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。作者2016年3月于北京第1章液晶显示的基本概念1.1 液晶简介
液晶（Liquid Crystal，LC）即液态晶体，是一种介于各向同性的液体和固态晶体之间的特殊物质。在一定温度范围内，它既具有各向异性晶体所具有的双折射性，又具有液体的流动性、黏性和弹性等机械性质。图1.1是液晶随着温度变化的相变转换示意图。图1.1 液晶的相变转换示意图
液晶分子是一种聚合物。绝大多数的液晶分子形状呈细长棒状。图1.2显示了液晶分子构成示意图，其中环结构是一种刚性结构，它的存在决定了液晶的线形性，对液晶的光学各向异性有重要的影响；侧链增加了液晶分子的柔韧性，对于液晶的黏度和相转变温度有重要的影响；端基通常为极性基团，其极性强弱直接影响液晶分子的极性。图1.2 液晶分子构成示意图
按照液晶分子排列的形式和有序性，可以将液晶分为以下三类：近晶相（Smectic Phase）液晶、向列相（Nematic Phase）液晶和胆甾相（Cholesteric Phase）液晶，如图1.3所示。近晶相液晶分子呈棒状结构，分子呈层状排列，层内分子长、短轴取向均相同。近晶相液晶在液晶显示器中应用较少。向列相液晶是液晶显示器中应用最为广泛的液晶类型，它的分子也是呈棒状结构，长轴方向排布一致，它的黏度较小，容易向各方向滑动。胆甾相液晶在液晶显示器中通常作为添加在向列相液晶中调节其螺距或作为液晶补偿膜使用，它的分子呈扁平状，并且呈层状排列，层内分子排列方向相同，层与层之间的液晶分子排列方向相错位，整体分子结构呈现螺旋状，具有明显的旋光性。图1.3 液晶相的分类1.2 液晶的特性1.2.1 电学各向异性
液晶分子结构呈棒状，存在电学各向异性。其介电常数沿长轴和短轴方向的大小不同，通常定义沿液晶分子长轴方向的介电常数分量为ε//，垂直于液晶分子长轴方向的介电常数分量为ε⊥，两者之差为△ε=ε//-ε⊥，如图1.4所示。当△ε>0时，该液晶在电学上被称为正性液晶；当△ε<0时，被称为负性液晶。在外加电场作用下，正性液晶分子的长轴朝着平行于电力线的方向旋转；而负性液晶分子的长轴朝着垂直于电力线的方向旋转；由于液晶分子内在的分子作用力和黏性等影响，液晶分子的旋转程度与电场强度大小相关；当电场强度足够大时，液晶分子最终平行于或垂直于电力线的方向排列，如图1.5所示。图1.4 液晶分子长轴和短轴的介电常数图1.5 液晶分子在电场中的旋转
介电常数△ε的大小影响着液晶分子对电场的敏感程度。在相同条件下，△ε越大，液晶分子对电场越敏感，在电场作用下液晶分子越容易发生转动，即△ε越大的液晶分子响应速度越快，所需要的驱动电压也越低。1.2.2 光学各向异性
液晶分子光学特性也存在各向异性（Anisotropy）。其光学折射率沿长轴和短轴方向的大小不同，通常定义沿液晶分子长轴方向的折射率分量为n//，垂直于液晶分子长轴方向的折射率分量为n⊥，两者之差为△n=n//-n⊥。对于液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）中常用的向列相液晶，液晶分子可看作单轴晶体，其光轴方向与分子的长轴方向一致。当光线通过液晶分子时发生双折射，产生两束折射光。其中折射方向遵循折射定律的分量被称为寻常光（Ordinary Light），即o光；另一分量不遵循折射定律，被称为非寻常光（Extraordinary Light），即e光。o光和e光振动方向互相垂直。由于o光和e光的传播速度不同，所以，透射出液晶分子后，两者存在相位差，相位差的大小决定了两者合成之后光的振动方向和强度。因此，入射光经过液晶层的相位差（△n·d，d指液晶层厚度）是液晶分子影响光学特性的重要参数。液晶显示器的透过率、对比度和视角等特性都与之相关，详见第5章。1.2.3 力学特性
液晶分子的力学特性用弹性常数来表征。弹性常数（Elastic Constants）的物理意义是克服单位形变所需要克服的应力大小。液晶的弹性常数按不同的形变方式分为K11、K22和K33。其中，K11是展曲（Splay）弹性常数，K22是扭曲（Twist）弹性常数，K33是弯曲（Bend）弹性常数，如图1.6所示。通常，三者大小关系为K33>K11>K22。弹性常数越大，表示液晶分子发生弹性形变所需要的外力越大，因此，弹性常数对液晶显示的驱动电压、响应时间等有重要影响，详见第5章。由于不同的液晶显示模式，液晶的旋转方式不同，所以不同模式下不同的弹性常数有不同的影响程度。图1.6 液晶的三种形变类型：展曲、扭曲和弯曲1.2.4 其他特性1．电阻率
液晶的电阻率ρ的数量级一般在108～1012Ω·cm，接近绝缘体。电阻率越高，表明液晶材料的稳定性越好。电阻率的倒数被称为液晶的电导率，电导率的大小对液晶显示器的残像特性有直接影响。电导率越大表明液晶的导电性越好，说明纯度低，杂质离子的含量高。2．黏度系数
液晶的黏度（Viscosity）主要来自于分子间作用力，包括流体黏度和旋转黏度两个参数。流体黏度主要影响液晶的流动性，旋转黏度则直接影响液晶的响应速度、清亮点温度等。通常在液晶显示器中较常应用的参数为旋转黏度。旋转黏度越大，液晶显示器的响应时间越长。3．相转变温度
液晶的相转变温度包括清亮点温度和熔点温度。由液晶态向各向同性（Isotropy）液态转变的温度是液晶的清亮点温度（Tni，n表示nematic，i表示isotropy）；近晶相向向列相转变的温度是Tsn（s表示smectic）；液晶态向固态晶体转变的温度是熔点温度（Tcn，c表示crystal）。介于Tcs和Tni的温度范围被称为液晶的存储温度范围；介于Tsn和Tni的温度范围被称为液晶显示的工作温度范围。高于Tni或低于Tcs的温度，液晶将丧失其双折射性。常见液晶的清亮点温度Tni≈75℃，近晶相向向列相转变温度Tsn≈-20℃，满足一般环境工作的要求。1.3 偏光片
偏光片（Polarizer，又称偏振片）是将自然光转变为偏振光的光学膜材。由于液晶显示器是利用液晶材料对偏振光的可控调节来实现光的透过，因此偏光片是液晶显示中必不可少的光学元件。在液晶显示面板结构中，偏光片的位置通常贴附在上下玻璃基板的表面。1.3.1 偏光片的基本原理
实现偏光的原理有多种。用于液晶显示的偏光片通常是利用碘分子或具有二相色散性的染料来吸收某一偏振态光线，并透过另一偏振态光线而获得偏振光，如图1.7所示。图1.7 偏光片实现偏振光的原理
碘分子或染料通过染色过程附着于聚乙烯醇层（Poly Vinyl Alcohol，PVA）分子上；当对PVA分子膜进行单方向拉伸时，碘分子就随着PVA分子在拉伸方向一致排列了，如图1.8所示。图1.8 PVA染色与拉伸后碘分子的排列状态（黑色棒状物为碘分子）
PVA拉伸后，一致排列的细长碘分子具有偏光性，会吸收振动方向与碘分子长轴平行的光线，透过与之垂直的光线。碘分子中吸收光线的主要是I3-和I5-离子。两种离子吸收光谱如图1.9所示。从图1.9可以看出，I3-离子主要吸收蓝光波段，I5-离子主要吸收红光波段。增加碘离子可增加吸收量，提高偏光片的偏振度，但同时会减低透过率；另外，I5-分子易气化挥发或分解成I3-，因此实际应用中需要优化两种离子的含量以获得优化的偏振度和透过率。碘分子在偏光片中起偏光作用，所以也称其为偏光子。图1.9 PVA中碘离子的吸收光谱1.3.2 偏光片的基本构成
偏光片是由多层膜复合而成的光学部品，它的基本结构如图1.10所示。图1.10 偏光片的基本构成
各层薄膜层的基本作用描述如下。1．PVA层
如前所述，PVA是偏光片实现偏光功能的核心部分，其厚度约20μm。PVA中的碘离子吸收自然光中一个偏振态的光线，透过另一个偏振态光线，从而获得偏振光。2．TAC层
TAC（Tri-Acetate Cellulose，三醋酸纤维素）层在偏光片中主要起到支撑和保护PVA层的作用，目前常见的厚度有40μm和60μm的规格。PVA膜强度较低，质脆易破，同时具有较强的亲水性，在湿热的环境中容易发生收缩变形、吸水褪色等问题，因此需要在其两侧添加保护材料。TAC的主要构成为三醋酸纤维素酯，具有较高的强度、抗热敏感性，同时透过率也较高，是保护PVA层的常见材料。NRT（No Retardation TAC）是通过改善拉伸工艺，实现无光学延迟的TAC薄膜，对改善暗态漏光更有利。偏光片中的NRT常用于替换靠近玻璃那侧的TAC层。
TAC材料虽然具有多种优点，但其缺点是吸水率高，因此在高温潮湿环境或较长时间保存下易发生吸水形变，从而引起显示器出现诸如漏光和/或膜材褶皱等显示不良。为了解决这些不良，目前市场上出现多种替代TAC的材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（Poly Methyl Meth Acrylate，PMMA，也称亚克力）、聚对苯二甲酸乙二酯（PolyEthylene Terephthalate，PET）和环烯烃聚物（Cyclic Olefin Polymer，COP）等。这几种材料吸水率较低，有利于改善吸水膨胀引起的漏光。另外，COP材料光弹性系数较小，约为TAC的十分之一，有利于改善内应力引起的漏光。但PMMA和COP在实际应用中也有诸多缺点。使用PMMA替代TAC的偏光片，显示器在暗态下易发生偏蓝或其他Mura类不良。COP材质较软，用于彩膜侧偏光片时需要盖板玻璃起保护作用，因此COP目前常用于替换PVA下侧的TAC材料。另外，当偏光片上下层的TAC都用COP替换时，需要用UV胶来对PVA和COP进行贴合，这是由于COP材料吸水率极低，用普通水胶贴合时，水胶不易脱水而固化。3．PSA层
PSA层（Pressure Sensitive Adhere）为压敏胶，是一种靠压力作用实现对被粘接物体表面黏合的材料，厚度约为20μm。它在偏光片中的作用是确保偏光片能够可靠地粘贴在玻璃基板上。除此之外，压敏胶还具有良好的耐湿热特性和再剥离特性。4．离型膜和保护膜
在存放或运输过程中离型膜和保护膜对偏光片起着保护作用，分别用来保护PSA层和TAC层，其材质常为PET。5．补偿膜
由于液晶分子为棒状结构，入射光在长轴方向和短轴方向位相差不同，所以，在不同观看视角下，会发生对比度和颜色的偏差，出现色偏和亮度不均。因此，常在偏光片中增加具有偏振补充作用的补偿膜，一定程度上补偿或修正不同视角下的位相差，从而提高画面品质。补偿膜一般是由固化了的聚合物液晶（比如胆甾相液晶）薄膜组成。用于VA或TN模式的补偿膜偏光片主要用来改善其视角特性，用于IPS和FFS（ADS）模式的补偿膜偏光片主要用来改善其色偏和暗态漏光等特性。此外，为了提升液晶显示器的透过率，在偏光片中还会集成偏振性增亮膜，使透过率有约30%提升。表1.1列出了补偿膜材料的特点。表1.1 补偿膜材料的特点续表注：（1）在聚合物的no和ne中，折射率大的方向定义为nx。（2）补偿膜可以搭配使用，在偏光片中是位于靠近玻璃基板这侧。1.3.3 偏光片的参数
偏光片的参数包括常见的光学特性参数：偏振度（P）、透过率（T）和色相（Hue）以及可靠性、剥离力和外观指标。1．偏振度
偏振度（Polarization Degree）是描述偏光片获得偏振光的纯度特性，它取决于PVA层的延伸率。延伸率越大，偏振度就越高。偏振度可以表示为（1.1）
式中，T//和T⊥分别是平行和垂直于碘分子排列方向的振动光强。目前常见偏光片的偏振度约为99%。2．透过率
偏光片的透过率（Transmittance）根据测试方法不同分为单体透过率、平行透过率和垂直透过率。单体透过率是指光经过单片偏光片后的透过率，通常简写为Ts。单体透过率理论值为50%，但实际均小于50%。近年来，随着液晶面板厂商不断对透过率提升提出需求，偏光片制造商的技术及工艺也在改进。目前偏光片的单体透过率已经达到45%左右。平行透过率是指光经过两片透光轴互相平行的偏光片后的透过率，通常简写为Tp。垂直透过率是指光经过两片透光轴互相垂直的偏光片后的透过率，通常简写为Tc。上述三个参数中，Tp影响LCD的最大亮度，Tc影响LCD的暗态亮度，Tp/Tc的大小影响LCD的对比度。
由于受二向色相染料分子取向性等现实因素的影响，实际光线在经过偏光片后并不能完全转变为振动方向绝对单一的线偏振光，部分向其他振动方向的光线也会“漏出”。如图1.11所示，假设水平方向和垂直方向入射的光强为Io（总入射光强I分成为水平和垂直方向相等的Io，即Io=0.5I），则可以计算出垂直方向和水平方向的出射光强度I1和I2，其中k1和k2分别表示两个方向的透过率。偏光片的单体透过率：（1.2）图1.11 单体、平行和垂直偏光片的透过率示意图
偏光片的平行透过率：（1.3）
偏光片的垂直透过率：（1.4）
最后，得到偏光片的偏振度如式（1.1）所示。3．可靠性
偏光片的可靠性（Reliability）技术指标包括耐高温、耐湿热、耐低温和耐冷热冲击等多项技术指标。由于构成偏光膜的基本材料PVA膜和碘及碘化物都是极易水解的材料，同时也由于偏光片所使用的压敏胶在高温高湿条件下也容易劣化，因此，在偏光片的可靠性技术指标中最重要的就是耐高温和耐湿热指标。按照PVA染色方法的不同，偏光片分为碘系偏光片和染料系偏光片两种类型，其中碘系偏光片因透过率高、偏振度高和价格便宜等优点在液晶显示器市场中占有率高达80%～90%，但碘系偏光片耐高温及耐高温高湿的能力相对较差。相比较而言，在可靠性方面，染料系偏光片表现出更优良的性能，但其透过率和偏振度等方面的性能较差，因此多用于特殊场合的显示器件中，如汽车、船舶等应用领域。
偏光片在应用500h内按照可耐受的温度和湿度范围，通常分为以下三种类型。（1）通用型：温度40℃和90%湿度。（2）中耐久型：温度60℃和90%湿度。（3）高耐久型：温度70℃和95%湿度。4．剥离力
偏光片的剥离力（Peel Strength）又分为保护膜剥离力、离型膜剥离力和对玻璃基板的剥离力三项。对液晶面板制造商而言，偏光片对玻璃基板的剥离性能十分重要。例如，粘贴后短时间（4～6h）内剥离困难或剥离后玻璃基板上有残胶，则该偏光片返工修复性差，贴片不良会导致整片液晶屏报废。但如果剥离力很小，则易造成偏光片在玻璃基板上贴合后压敏胶耐久性和耐湿性能下降以及剥离膜表面凹陷等不良发生，也造成显示器不良或可靠性有问题。5．外观指标
描述偏光片外观指标特性，通常指表面平整度、四角翘曲高度、边缘波纹状卷曲高度和尘粒污染参数。外观指标会影响偏光片的贴附工艺，如四角翘曲量会影响贴附的对位精度，边缘波纹状卷曲易引起贴附气泡等不良。1.3.4 偏光片的表面处理
表面不做任何处理的偏光片通常被称为纯偏光片（Clear Polarizer），一般显示器的下偏光片（贴附在阵列基板上）都是纯偏光片；而上偏光片（贴附在彩膜基板上）由于位于显示器的最表面，为了满足不同的应用要求，通常在偏光片的TAC层进行一些表面处理，以实现一些必要的功能。最常见的表面处理为抗反射（Anti-Reflective，AR）处理、抗眩光（Anti-Glare，AG）处理和抗划伤硬化（Hard Coating，HC）处理。
偏光片表面不做任何处理时，光线经过偏光片表面通常会有约5%左右的反射损失；另外，当环境光较强时，纯偏光片对外界光线的反射较强，会严重影响显示器的对比度和观看效果。抗反射处理方法就是在偏光片的TAC层上涂一层抗反射型物质，利用光的干涉原理来降低其反射值。抗反射处理的偏光片价格较高，为普通类型偏光片价格的2～3倍，因此一般多用于户外、半户外或特殊显示等附加值较高的液晶显示器中。
未做表面处理的偏光片在较强的环境光照射下，镜面反射较强，容易发生眩光，影响画面观看，且长时间观看易引起眼睛疲劳。抗眩光处理是在TAC表面制作一层凹凸状的粗化处理层，将反射光线均匀分散至各个方向，从而起到抗眩的效果。抗眩处理的偏光片广泛应用于桌面显示器和平板计算机等产品中。
纯偏光片在不经过任何处理之前，表面硬度一般小于2H，不能满足某些应用场合要求，且容易被外力划伤。表面硬化处理就是在TAC层表面制作一层硬化处理层，以增强POL的硬度、耐磨损和抗侵蚀的能力，经处理后POL的表面硬度一般在3H以上。1.4 玻璃基板
液晶显示器的玻璃基板（Glass Substrate）是由铝硅酸盐和其他成分构成的，是属于电子级的材料，要求是有低碱、平整度高、耐高温和热膨胀系数低等特点。产品化的显示用玻璃，按其碱含量通常可分成碱玻璃、低碱玻璃和无碱玻璃。不同成分的玻璃具有不同的软化点、热膨胀率和密度等材料特征。表1.2列出了显示器件用玻璃的主要特点。表1.2 显示器件用玻璃的主要特点项目碱玻璃低碱玻璃无碱玻璃碱含量（%）13.57.00软化点（℃）510535593-66785@50～37～48@0～热膨胀率（×10-7/K）51@50～385℃350℃380℃密度（g/cm3）2.492.362.49～2.78生产方法浮法浮法、拉伸法熔融法、拉伸法用途TN，STNSTNTFT1.5 液晶显示的基本原理1.5.1 液晶显示器的基本结构
薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）液晶显示器主要由背光源、液晶面板和驱动电路构成。在整个液晶显示模组中，由两片偏光片构成一个偏振光的光学系统，结合液晶的光学各向异性和电学各向异性，以及薄膜晶体管TFT对驱动液晶的电信号的开关作用，对由背光源入射进液晶盒的光起到调制作用。由于背光源各膜片的吸收、偏光片的吸收、液晶的吸收、彩膜的吸收和像素开口率等因素的影响，导致背光源的光大部分被损耗了，最终只有约5.6%的光透射出液晶面板，如图1.12所示。如何在节省能源的前提下提高背光源的利用效率，一直是面板设计部门和材料厂商进行技术改进的目标。图1.12 薄膜晶体管液晶显示器中各个组件的透过率1.5.2 液晶显示原理
液晶显示器都是通过电信号来控制偏振光的状态实现图像显示的。因此，在讨论液晶实现显示之前，有必要先了解一下光的偏振性的基本原理。
电磁理论指出，在电磁波的传播过程中，电场强度矢量E、磁感强度矢量B与波速V三者互相垂直，因此，电磁波是横波，而光的偏振现象证明了光的横波性。在一般光源中，光是由大量分子或原子发出的光波合成的，所以在光源中没有哪一个方向的光矢量比其他方向占优势，这样的光是自然光。在任一时刻，我们可把各个光矢量分解成两个互相垂直方向的光矢量。如果光线中有一个方向的光矢量占优势，这种光是偏振光。偏振光的振动方向与传播方向组成的平面是偏振面。从自然光获得偏振光的过程被称为起偏，产生起偏作用的光学器件被称为起偏器。偏振片就是一种常用的起偏器，自然光照射在偏振片上时，它只允许某一特定方向的光振动通过，这个方向被叫作偏振化方向或透振方向，通常用双向箭头表示。偏振片不但可以用来使自然光成为偏振光，而且也可以用来检查某一光线是否为偏振光，即检偏。起检偏作用的偏振片被称为检偏器。偏振光通过检偏器后透射的光强变化规律为（1.5）
式（1.5）就是马吕斯（Malus）定律。式中，I1是入射线偏振光的光强（不计检偏器对光的吸收）；θ是检偏器的偏振化方向与入射线偏振光的偏振化方向之间的夹角。对于理想的相互正交的偏振片，θ=90°时透射光的强度是零；而对于理想的相互平行的偏振片，θ=0°时透射光的强度是入射光的50%。
可以将液晶盒看成一个三明治的结构，即在两片偏振方向互相垂直的偏光片系统中夹着一层液晶层（这里以Twist Nematic为例），在外电场作用下可以控制液晶的旋转。有关该种结构详细图示见图3.15。自然光源通过起偏器（偏光片之一）后，变成了垂直方向的偏振光；该偏振光经过未加电而保持原排列状态的TN液晶后，由于液晶的光学各向异性和液晶分子的排列，导致偏振方向由垂直的转变为水平方向了；水平方向的偏振光与检偏器的透光轴一致而透射出了液晶盒。这种在液晶两端没有施加电场时（两端电压为0V），入射光可以透射出来的液晶显示模式被称为“常白模式”（Normal White，NW）。同理，如果给液晶施加了一个电压，TN型液晶分子由扭曲排列状态改变为垂直排列状态，此时入射的线性偏振光的偏振方向将不发生转变，导致其偏振光方向与检偏器透光轴相垂直而被遮挡，最终没有光线从液晶盒中透射出。根据液晶排列方式的不同，如果在液晶两端没有施加电场时，入射光不能透射出来的液晶显示模式被称为“常黑模式”（Normal Black，NB）。
上述液晶显示的基本原理仅说明了入射光要么透射出，要么完全被截止，即出射光只有两个状态（最亮和暗态）。实际应用的液晶面板，是通过TFT的开关作用，给每个像素分别输入不同大小的数据信号电压；液晶分子在不同电压下旋转的状态不同，因此对线偏振光的旋转程度也不一样，导致在检偏器透光轴上的分量不同，即出射光亮度不同。这样就能实现多灰阶的画面显示了。如果每个像素再搭配彩膜（Color Filter，CF），就可以观看到彩色图像了。1.6 显示器的光电特性
液晶显示器的基本光电特性参数包括透过率、响应时间、对比度、视角、色域等，下面分别进行介绍。1.6.1 透过率
液晶面板本身并不发光，需要依靠背光源提供的光源实现亮度显示。透过率（Transmittance）是液晶面板的一个重要光学参数，它的大小直接影响着整机的功耗。面板的透过率计算方法可以表示为
透过率=面板表面亮度/背光源亮度
从图1.12中可以看出，影响面板透过率的因素很多，凡是在光源发出的光线传播路径中起到光线传播介质作用的各个组成部分，都会对透过率产生影响。提高透过率的方法，一方面是提高材料的透过率并降低光损耗，另外一方面是在面板设计中提高像素的开口率。1.6.2 对比度
液晶显示器的对比度（Contrast Ratio，CR）是指屏幕上某一点（通常为中心区域）最亮时的亮度与最暗时的亮度比值。目前常见的液晶显示器的对比度普遍都大于1000:1。对比度越高，图像越清晰，显示器所表现出来的色彩越鲜明，层次感越丰富。
从对比度的定义可知，提高对比度的方法主要有两个方面：一方面是提高显示器亮态时的亮度，另外一个方面是降低暗态时的亮度，也就是使亮态更亮，暗态更暗。受液晶排列状态的影响，液晶显示器在暗态时会存在一定程度的漏光，即暗态亮度不可能达到绝对黑，而暗态亮度稍微变化一点对对比度就会产生较大的影响。因此，目前业内各面板厂商都在积极探寻减小暗态亮度的方法，如提高偏光片的偏振度、开发高对比度的液晶、改善液晶的取向特性、开发高对比度的色阻材料等。
常说的对比度是指静态对比度，即背光源保持正常亮度时测试亮态和暗态的面板亮度。如果在暗态时，背光源的亮度可以通过电路控制而下降，此时暗态时能测试到更低的面板亮度，这种对比度被称为动态对比度。动态对比度可以达到10 000:1 以上。1.6.3 响应时间
液晶显示器的响应时间（Response Time，RT）有两种：黑白响应时间和灰阶响应时间。
黑白响应时间是指屏幕由最暗转到最亮或由最亮转到最暗所需要的时间，即液晶分子从一个极端偏转状态到另一个极端偏转状态所需要的时间，包括上升时间（Ton或Tr）和下降时间（Toff或Tf）。通常定义从施加电压后光穿透率由10%变化至90%所需要的时间为Ton；释放电压后光穿透率由90%变化至10%所需要的时间为Toff。通常下降时间要比上升时间长一些，而且可以通过数据信号过驱技术实现上升时间的进一步下降。
灰阶响应时间又被称为GTG（Gray-to-Gray）响应时间，是指图像亮度从一个灰阶到另一灰阶变化所需的时间。通常是将全部灰阶分成几个等分，然后测试这些灰阶相互之间的响应时间，最后计算出平均值。因此，黑白响应时间是灰阶响应时间内的一个特例，也是最大值。
响应时间是LCD的一个重要特性参数。响应时间过大容易导致动态画面出现拖影的现象，其值的大小与液晶的黏度、弹性常数、液晶盒厚等因素有关。目前常用于减小LCD响应时间的方法有使用低黏度系数的液晶、减小液晶盒厚和过驱动技术等。1.6.4 视角
对于液晶显示器，同一画面，使用者从不同角度观看时画面品质会有变化，将能够清楚观看到图像的角度范围定义为显示器的视角（Viewing Angle），超出该范围画面模糊不清。视角按对比度、灰阶反转、色差有三种定义方法，简单介绍如下。1．按对比度定义
将对比度大于等于10时的观察角度范围定义为LCD的视角。这是最常见的方法。2．按灰阶反转定义
以8bit液晶显示器为例，由黑到白共分为256个灰阶，理想情况下灰阶越高画面越亮，但受显示器液晶排列特性等因素的影响，当从某个大角度进行观看时会发生灰阶反转的现象，即低灰阶画面的亮度比高灰阶画面的亮度还亮。因此，定义不会出现灰阶反转的最大视角为LCD的视角。这种方法一般用于TN模式的显示器中。3．按色偏定义
色偏是指对于同一颜色画面，从正视角度和斜视角度进行观看时，看到的画面颜色有差异。例如，正视角为白色画面，斜视超过某一角度后看到的画面颜色可能偏黄或者偏蓝。因此，定义当颜色的变化已经大到无法接受的程度时的角度为LCD的视角范围。1.6.5 色域
色域（Color Gamut，CG）的大小反映了液晶显示器所能表现出的颜色范围，色域范围越大，LCD可显示的颜色种类越多，画面就越鲜艳。色域的表示方法，根据要求不同，有按照色度坐标内三基色坐标点面积比进行计算的，也有按照三基色坐标点区域的匹配度进行计算的。实现广色域主要由背光源的灯光谱所决定。广色域的实现方法主要有BG芯片LED+R荧光粉、B芯片+KSF粉和采用QD粉的膜材或灯管。常见的色域标准有NTSC、sRGB、Adobe等，详见第4章。1.6.6 色温
色温（Color Temperature，CT）是指理想黑体受热后发光，用受热的绝对温度表示它的发光颜色。色温越低颜色越红，被称为暖色；色温越高颜色越蓝，被称为冷色。不同地区的人对显示器色温的要求不同，例如在接近赤道的人，日常看到的平均色温是在11 000K，所以比较喜欢冷色温；相反，在纬度较高的地区的人就比较喜欢暖色（色温6500K）。LCD根据类型不同对色温的要求也不同，如常见TV类的色温标准为10 000K，MNT和NB类产品色温标准为6500K。1.7 画质改善技术
常见的画质改善技术有量子点技术、高动态范围图像技术、局域调光技术、姆拉擦除技术、运动图像补偿技术和帧频转换技术等。1.7.1 量子点技术
量子点（Quantum Dot，QD）是一种由II～VI族或III～V族元素（含锌、镉、硒和硫原子）组成的纳米级颗粒，其粒径一般介于1～10nm。由于电子和空穴被量子限域，量子限域效应特别显著，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，因此量子点颗粒受激后发射峰极窄，光谱纯度高。量子点的发射光谱可以通过改变量子点的粒径和化学成分来控制，使其发射光谱覆盖整个可见光区。因此，QD技术被应用于液晶显示器中，是作为蓝光LED的受激激励对象，在蓝光光谱的激发下，发射出更纯的红光和绿光，从而扩大了显示器的色域。QD技术被应用于液晶显示器的背光中，主要是以量子点膜材（QDEF）或量子点管（QD Tube）或作为荧光粉封装在LED灯帽上（QLED）来实现。
量子点技术出现后，平板显示在高色域画质方面掀起了一股旋风，其NTSC色域高达100%以上，显示画质鲜艳度甚至可以与OLED显示器相媲美。但是作为一种新兴的技术，QD点材料在可靠性方面还需要提高，而且可能含镉重金属，对环境有危害。QD点材料抗湿汽和抗高温能力差，受水汽或高温的影响，QD点的受激发射特性会下降，即发射红光和蓝光的能力下降，导致显示器出现色偏发蓝的现象。1.7.2 高动态范围图像技术
高动态范围图像技术（High Dynamic Range，HDR）是目前正推广应用于液晶显示器中的画质渲染技术，其技术出发点就是让观众通过显示器能体验到更接近于自然的现实环境画面质量。相比普通画面，HDR显示的画面能提供更多的动态范围和图像细节，更能显示出高光区域和暗部区域的细节，使显示画面更柔和，如图1.13所示。图1.13 有无HDR功能的显示图像对比
HDR技术是一种图像的后期处理技术。为了更好地反应高光区域和暗部区域的细节，对色深（Color Depth）的要求由目前的8bit提升到10bit以上，使画面灰阶数由256提升到1024灰阶以上；对背光的要求是LED背光具有高亮度峰值驱动算法的局域调光技术（背光要有128个区块以上），使显示亮度范围从0.4～500nit提升到0.05～1000nit；对图像数据的要求是输入原始HDR图像数据或经过算法把LDR（Low Dynamic Range）的数据提升为HDR数据。1.7.3 局域调光技术
局域调光技术（Local Dimming）是将整个LED背光源分割为若干个可独立驱动的区块（Block），根据画面显示灰阶而自动调整该区块LED驱动电流，即调整该区块的背光亮度，实现显示画面对比度提升的画质提升技术。局域调光技术通常只适用于直下式背光。如果是侧光式背光，一般采用LED灯亮度整体调整的方式来提升画质或降低功耗，这种调光技术被称为全域调光技术（Global Dimming）。图1.14显示了局域调光技术显示的画面及其背光区块的亮度。从图1.14中可以看出，背光划分的区块越多，显示效果越好。在设计上，区块的划分与LED灯的排布、背光驱动电源效率和时序控制器支持的通道数有关。图1.14 局域调光技术显示的画面及其背光区块的亮度1.7.4 姆拉擦除技术
姆拉擦除技术（De-mura）是对显示画面的几个特定灰阶进行拍照拾取画面灰度数据，然后通过算法，把局部灰度异常的区域通过数据驱动信号的调整，实现整体灰度一致性的画面提升技术。对于应用了姆拉擦除功能的显示屏，其调整的数据驱动信号代码（Code）一般烧录到屏上X-PCB板上的存储器上。显示屏每次开机，时序控制器先调用该代码，实现对输入数据信号的校正，使屏幕中灰度异常区域得到抑制。姆拉擦除技术只能对屏幕上固定不动的、灰度变化不是太明显的块状不良有良好的修复效果。图1.15是姆拉擦除前后画面显示灰度的对比。图1.15 姆拉擦除前和擦除后画面灰度改善效果对比1.7.5 运动图像补偿技术
运动图像补偿技术（Motion Estimate and Motion Compensation，MEMC）是一种在帧与帧画面之间插帧的动态画面补偿技术，它首先通过运动图像评估算法，评估出图像的运动矢量，然后再通过运动图像补偿算法，估算出下一帧即插帧的图像数据，从而实现运动画面显示更加清晰流畅、无运动拖尾的显示效果。采用MEMC技术的显示器画面帧速提升了1倍。如果是60Hz数据源输入到120Hz的显示器中，没有启动MEMC功能，则数据源中的每帧数据在显示屏上连续显示了两次，即两帧是同一数据；如果启动了MEMC技术，则数据源的帧与帧画面之间增加了一帧运动图像补偿画面，即显示屏上每帧数据各不相同，实现了运动图像的更连贯、更顺畅显示，如图1.16所示。图1.16 运动图像补偿原理示意图1.7.6 帧频转换技术
帧频转换技术（Frame Rate Conversion，FRC）利用了人的视觉惰性的生理特性，通过控制多个帧的像素实现插入中间灰阶的方法，从而实现显示画面灰阶数的增加。灰阶数增加，也使画面颜色更丰富更鲜艳。例如，输入信号为6bit，则通过FRC功能，在每两个灰阶中插入3个灰阶，能实现将6bit数据转换为8bit数据。FRC实现原理如图1.17所示。图1.17 帧频转换技术原理示意图
FRC是通过时分算法（时域）实现显示画面的灰阶数增加，从原理上来说会引起画面闪烁。而图像抖动技术（Image Dithering）是通过空域算法给多个相邻像素输入不同灰阶来合成新灰阶的方法，从原理上来说会降低画面分辨率。图像抖动实现原理如图1.18所示。图1.18 图像抖动技术原理示意图1.8 立体显示技术原理1.8.1 双眼视差“立体显示技术”（Three-dimension Display，3D Display）是指再现反映物体远近等深度信息的技术。根据深度信息的表现方法，实现3D显示可以分为三大类。第一类是利用诸如阴影、遮挡和线性透视等心理暗示来感知物体的前后关系。一般的平面显示（Two-dimension Display，2D Display）表示出来的3D显示效果就是属于此类。第二类是利用双眼视差原理，使观看者的左眼和右眼分别看到“立体图像对”中的左眼图和右眼图，在大脑中产生立体感觉，我们称之为“视差型立体显示”。目前在平板显示器再现的3D显示都属于这一分类，本节也将重点介绍其实现原理。第三类是利用全息成像等技术，在三维空间中实现立体图像再现，人眼可以观察到与现实景物一样的图像，完全符合人眼视觉机能。
视差就是从有一定距离的两个点（比如人的双眼）上观察同一个目标所产生的方向差异。目标与两个点之间的夹角被称作这两个点的视差角，两点之间的距离被称作基线。只要知道视差角度和基线长度，就可以计算出目标和观测者之间的距离。人的左、右眼的间距一般为65mm，这样小的差别会让两只眼睛分别观察的景物有一点点的位移。人类之所以能够对观察物产生有空间感的立体视觉效果，恰恰就是这种在医学上被称为视差的位移在大脑中的有机合成。双眼视觉具有对方向和深度进行信息加工的特殊功能，形成立体知觉。在观看相隔一定距离的两个物体时，不但能感知到它们之间的前后关系，还能判断它们相隔的距离，这就是深度知觉。它包括两种情况：一种是判断观察者到物体的距离，也称为绝对距离。另一种是判断两个物体之间的距离，或者同一物体内部不同部分之间的距离，又称为相对距离。实验表明，人眼判断相对距离的能力比判断绝对距离的能力要精确许多倍。可见，双眼视差（Binocular Parallax）是立体视觉和深度知觉的基础。图1.19显示了双眼视差产生立体显示的基本原理。图1.19 双眼视差产生立体显示的基本原理
平板显示器的3D显示图像再现，就是根据人的双眼视差产生立体感的机理，给观看者左右眼输入“立体图像对”（模拟人的左右眼分别拍摄同一物体的图像），使左眼只看到立体图相对的左眼图，右眼只看到立体图相对的右眼图，从而使观看者产生立体感觉。这种3D显示技术易于控制显示的立体程度，即可以通过调整双眼视差的大小，来决定再现图像像点出屏或入屏的程度。对于某物点A，在观看者左右眼观察到的同源像点分别为AL和AR，即等同于用3D摄像机分别拍摄到的左右眼图像对AL和AR。将左眼图像和右眼图像呈现在显示器的平面上。使观看者左眼只能看到AL，右眼只看到AR，那么当AL位于AR左边时，观看者就会感知到再现物点A′浮于显示平面之前，称之为“出屏效果”，如图1.20（a）所示；当AL位于AR右边时，观看者就会感知到再现物点A′浮于显示平面后面，称之为“入屏效果”，如图1.20（b）所示。图1.20 平面显示器的立体显示原理
如果已知同源像点AL和AR在显示屏幕上的间距为a（即双眼视差）、观看者到屏幕的距离为L、观看者双眼瞳孔间距为T，则根据相似三角形原理，得到再现图像的出屏距离Ho和入屏距离Hi分别是（1.6）（1.7）1.8.2 立体显示技术分类
3D显示技术种类繁多，从不同的维度考虑，分类方式也不一样。（1）从显示图像的内容格式（即左眼和右眼图像）来分类，可以分为并联式3D显示技术（见图1.21（a））和串联式3D显示技术
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