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解密LCD微显示投影机技术原理

詹姆斯 2018-7-4 379

1.什么是液晶?

液晶是自然界中的一些物质的中间态。人们熟知的自然界中的物质存在有3种状态,即固态、液体和气态。固态物质又可分为晶态物质和非晶态物质。组成晶态固体中的分子具有取向有序性和位置有序性,晶体具有各向异性的特点。把晶体固体加热时,当温度达到该晶体的熔点则分子的取向有序性和位置有序性被破坏,晶体固体就转变成各向同性的液态物质,因此无固定的形状,具有流动性。当温度进一步 升高时,液态的物质中的分子相互之间的作用力减小,开始杂乱无章的运动,而变成气体,这一过程如图3-1-1所示。

但是在自然界中还存在着一些物质, 当温度增加时,不是直接由晶态固体变成液态物质而是有一个中间态, 这个中间态的物质的分子保留了晶态固体中分子的取向有序性和各向异性的特点,又具有液态物质分子之间的作用力比较小,可以流动的特点,我们把这种中间态的物质叫液晶,如图3-1-2所示。这种液晶称为热致液晶,晶休固体温度升到某一温度时变成液晶态,液晶态物质温度进一步升高到某 温度时变成液态, 这个温度称为液晶的清亮点:超过这个温度后液晶失去液晶特性。当液晶态物质的温度降低到某一温度时, 液晶态物质结晶变成晶态固体,这个温度称为液晶的结晶点。液晶态物质就是在它的结晶点和清亮点这一温度范围内才旱现出各向异性的液晶特性的,用于显示的波晶都是工作在室温的热致液晶。

液晶分子大都是长为几十埃、宽为几埃的长棒形分子,液晶分子是极性分子,由于分子间的作用力使液晶分子排列在一起, 此时分子的长轴总是互相平行的,我们称长棒形分子的长棒方向为长轴方向,长棒形分子的横向为短轴方向。液晶在长轴和短轴两个方向上的性能是不一样的。热致液晶又因分子排列有序状态的不同而分为向列相液晶、近晶相液晶或层列液晶和胆甾相液晶。

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詹姆斯 2018-7-4
引用 1

2.液晶显示的特点是什么?

  液晶作为显示器件具有如下优点。
  驱动电压低,只有2~3V
  液晶显示器都是平板结构,其基本结构是在两片导电玻璃之间灌注上液品,形成一个很薄的“盒”,这种结构的特点是显示器可以方便地做成大小不同的尺寸,而且便于自动化大生产
  液晶显示是被动显示。液晶本身不发光,需要用外在光源照射,通过调制透射光或反射光的光偏振光的角度来形成明暗图像,因此可以用改变外光源的强弱来改变液晶显示器的图像的亮度单个液晶像素的尺寸可以很小,液晶显示器很容易实现高清显示只要在它的工作温度范围内使用,其工作寿命较长液晶显示器也有如下缺点。
  显示的视角小
  响应速度慢,用液晶显示器观看快速运动的图像有拖尾现象
  不能工作在高温和低温的环境,这是因为作为显示器件的热致液晶必须工作在它的清亮点的温度和结晶点的温度范围内
  这些缺点虽然经过技术改进已有很大的提高,但是与人们的期待还有一定的距离。
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引用 2
3.什么是偏振光?
    自然界中的光可以分为自然光、偏振光和部分偏振光。由普通光源发    出的光,如太阳光、白炽灯发出的光、荧光灯发出的光、投影机的灯泡发出的光等都是自然光。自然光可以看成是在0。~360°的方位内,各个方位上光矢量的大小相同,振动的概率也相同,如图3-3-1  (a)  所示。
    (a)自然光    (b)部分偏振光    (e)相位垂直的两个线偏振光
    图3-3-1光矢  量示意图
    自然光在传播过程中,由于受外界的影响,光矢量的方向不变,而光矢量的大小(幅度)随相位的变化而变化,这时在垂直于光传播方向的平面内,光矢量的端点轨迹不再是一一个圆形,  而是一个椭圆形,  如图3-3-1  (b)所示,我们把这种光称为部分偏振光。在图3-3-1  (b)中,光矢量沿垂直方向的幅度大,其强度为Imx,与垂直方向成90°的水平方向的光矢量的幅度小,其强度为Inin把Ip定义为偏振光的强度,则
    p=Imx-←Im
    naN-ImP=
    mgtIm
    P定义为偏振度,即偏振光相对于自然光所占的比例。自然光因为Imax=/min,所以P=0:  而完全偏振光Imin=0,  所以P=1;其他情况介于0<P<1的状态,就是部分偏振光。
    习惯上把与X轴平行的偏振光叫S偏振光,与s偏振光垂直的偏振光叫P偏振光。S偏振光和P偏振光可以用自然光通过偏振片来获得。
    一束自然光射入单轴晶体后,因为晶体在光学上的各向异性的特点,光在单轴晶体中产生双折射现象,自然光被分解成寻常光(。光)和非寻常光(e光),o光和c光就是线偏振光,这样自然光入射到单轴晶体后,由单轴晶体射出的光就变成了相位相差90°的两个线偏振光,如图3-3-1  (c)  所示。
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引用 3
4.为什么被晶显示器件工作时必须使用偏振光?
在液晶显示器件中使用的向列相液晶具有单轴晶体的些特征,  同时
又具有液体的一些特征,也就是说液晶的长棒形分子的排列取向有序性,
而各向异性,是固态晶体特征,同时因为液晶长棒形分子之间作用力又不
像固态晶体中分子之间的相互作用力那样强,它们可以像液体物质那样流
动,因此液晶又具有液体的性质。液晶像单轴晶体的特性那样,对光的折
射率各向异性而有双折射特性。例如,广泛使用的向列相液晶,它的长棒
形分子的长轴指向矢n的方向,就是单轴晶体的光轴。当自然光入射到液
晶面后,由于向列相液晶的特性,入射光被分成平行液晶长棒分子的光和
垂直于液晶长棒分子的光,如图3-4-1所示。
入射光
空气
被品
液晶分子
光合成方向
图3-4-1光在液品中的传播
对于平行于液晶长棒分子的光来说,
光的电矢量振动方向与长棒分子
的方向垂直,光的折射率为n,
光的传播速度为v,=Cn1:对于垂直于液
晶长棒分子的光来说,
光的电矢量振动方向与长林分子的方向平行,光的
折射率为103光的传播速度为v-Cn.  由于向列波品中的1因此
Ve2V,也就是说入射光进入液晶后,
其传播方向向液晶长棒分子的方向
偏移。
自然光进入液品后,被分成的两个光束相当于自然光进入单轴晶体中
被分成的寻常光(o光)
和非寻常光(e光),以光速v.=Cm.传播的光相
光于联辅品体中的。光以光速vcChn传播的先相当于印被出体中的。
光,这两束光都是偏振光,
所以液晶中光是以偏振光的形式传播的,而且
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引用 4
6.  LCD投影微显示器件的工作原理是怎样的?
    投影用液晶成像器件是高温多晶硅有源矩阵驱动液晶器件,简称为HTPS-TFT-LCD。TFT-LCD结构图如图3-6-1所示,它的外形图如图3-6-2所示。    由图3-6-1可以看出,TFT-LCD面板是由上、下两块透明电极构成的,在两个透明电极之间封入液晶,液晶是TN型工作方式。在下基板上光刻出扫描线和信号线,构成一个矩阵,  在矩阵的交点处制作上一一个TFT元件,TFT元件只占据矩阵小方格的一一小部分,而每个矩阵小方格就是一个液晶像素。图3-6-1  (a)中左面是一个TFT-LCD器件的示意图,右面是一个被放大的液晶像素。图3-6-1  (b)  所示的是一个液晶像素的结构示意图,在图中把TFT元件放大了,这是为了更清楚地看出它的结构。
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引用 5

TFT-LCD面板的工作原理如图3-6-3 所示。在像素矩阵中各个TFT的栅极按行连接在起并连接 到行选择开关电路上,这些行扫描线 又称为栅极母线。信号电极按列的顺序把各个TFT的漏极连接在一起,有时把这些线称为漏极母线,而各个TFT的源极与各个像素电极相连接。与像素并联的小电容是存储电容。当扫描选择开关电路工作时把某行选中,行扫描脉冲把该行上的TFT全部处于导通状态,列脉冲把列TFT处于导通状态,  图像信号通过每个像素上的TFT的源极加到像素上,同时对并联电容充电,该行扫描过后,与该行连接的各个TFT处于截止状态,各像素上保持着被加入的图像信号电压,直到该行再次被扫描。其他行的工作依次类推,图像信号被依次加到各行的像素上。实际液晶器件工作时,行脉冲和列脉冲是用行移位寄存器和列移位寄存器来控制的,用行移位寄存器和列移位寄存器使图像信号被逐行逐列加到每个像素中,形成-幅图像信号电压,用以改变每个像素中的液晶分子的取向状态,从而使透过每个像素的光被调制而发生变化,形成一场图像光信号。 如果一个 液晶成像器件的像素数是1024x768,那就是说有768行和1024列个像素,  该液晶成像器件的物理分辨力也就是1024x768, 所以说TFT-LCD是一种固有分辨力的液晶器件。

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引用 6

7. LCD投影机由哪些部分组成?
  LCD投影机是由机箱、投影机电源、投影机灯泡驱动器、投影机电路系统、投聪机光学系统5部分组成,如图3-7-1 所示。前投影机和背投影机的组成方框图基本相同,区别是前投影机的光学系统中的屏幕是单独
  的个部件,不与投影机制作在一起: 而背投影机的屏幕是与投影机制作在一起的。

LCD投影机的电路系统包括信号输入电路、视频处理电路、视频格式变换电路、LCD驱动电路;LCD投影机的光学系统包括LCD光学引擎、投影镜头、投影屏幕。

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