液晶顯示原理

  液晶(Liquid Crystal)的形成及種類 

我們一般認為物體有三態：固態、液態、氣態，其實這只是針對水而言，有一些有機化和物 

還有介於固態和液態中間的狀態就是液晶態，如下圖（一）

從成分和出現液晶的物理條件來看液晶可分為熱致液晶和溶致液晶兩大類：

熱致液晶：把某些有機物加熱溶解，由於加熱破壞了液晶晶格形成的液晶。

溶致液晶：把某些有機物放在一定的溶劑中，由於溶劑破壞液晶晶格而形成的液晶。

    用於顯示的液晶材料都是熱致液晶，生物系統中存在大量的溶致液晶，目前發現的液晶物質有近萬種，構成液晶物質的分子，大體上成長棒狀或扁平狀，並且在每種液晶相中呈現不同的排列。

有杆形分子形成的液晶（熱致液晶）其液態晶相共有三類如圖(二）：

近晶相液晶（smectic liquid crystals）

向列液晶（nematic liquid crystals）

膽固醇液晶（cholesteric liquid crystals）

近晶相液晶分子呈二維有序性，分子排列成層，這種液晶粘度和表面張力比較大，對外界電、磁、溫度等變化不敏感。

向列液晶分子呈一維有序性，它能上下、左右、前後滑動，分子排列和運動比較自由，對外界磁場、溫度、應力都比較敏感，是目前顯示器的主要材料。

膽固醇液晶很像線狀液晶，但從Z軸看會發現他的指向矢隨著一層層不同像螺旋狀分佈，一定的電場、磁場也使它轉變為向列液晶。

圖(二）

液晶的光學特性和電學特性

提到光學電學就會跟著複雜的原理和計算公式，簡單的說也就是液晶分子在介電係數及折射係數等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質來改變入射光的強度, 以便形成灰階, 來應用於顯示器元件上. 

顯示器中用到了液晶會引發光的向量方向發生變化的特性。

光也是電磁波也有向量性，自然光是四面八方的方向，但經過偏光片過濾後只剩下同一方向的光。

圖（四）

                                                圖（五）

液晶屏的結構

兩塊偏光的柵欄角度相互垂直時光線就完全無法通過，圖（六）是用偏光太陽鏡做的測試。

                                              圖（六）

液晶顯示器就是利用偏光板這個特性來完成的，利用上下兩片柵欄互垂直的偏光板之間充滿了液晶，在利用電場控制液晶分支的旋轉，來改變光的行進方向，如此一來，不同的電場大小，就會形成不同顏色度了，如圖（七）。

                                                圖（七）

當入射的光線經過下面的偏光板(起偏器)時, 會剩下單方向的光波,通過液晶分子時, 由於液晶分子總共旋轉了90度, 所以當光波到達上層偏光板時, 光波的極化方向恰好轉了90度。下層的偏光板與上層偏光板, 角度也是恰好差異90度。 所以光線便可以順利的通過，如果光打在紅色的濾光片上就顯示為紅色。 如果液晶分子都站立著，光路沒有改變，光就無法通過上偏光板，也就無法顯示，如圖（七）藍色濾光片下面的液晶。

Normally white及

normally black 結構：

    所謂的NW(Normally white),是指當我們對液晶面板不施加電壓時, 我們所看到的面板是亮的畫面, 所以才叫做normally white。另外一種, 當對液晶面板不施加電壓時, 面板無法透光, 看起來是黑色的, 就稱之為NB(Normally black)

反過來,NB的應用環境大多是屬於顯示屏為黑底的應用了。

lcd 切面的結構

                                        圖（八）

lcd 切面的結構：

TFT：

    TFT LCD的中文翻譯名稱就叫做薄膜電晶體液晶顯示器, 我們從一開始就提到 液晶顯示器需要電壓控制來產生灰階. 而利用薄膜電晶體來產生電壓,以控制液晶轉向的顯示器, 就叫做TFT LCD. 從圖（八）的切面結構圖來看, 在上下兩層玻璃間, 夾著液晶, 便會形成平行板電容器, 我們稱之為CLC(capacitor of liquid crystal). 它的大小約為0.1pF, 但是實際應用上, 這個電容並無法將電壓保持到下一次再更新畫面資料的時候. 也就是說當TFT對這個電容充好電時, 它並無法將電壓保持住, 直到下一次TFT再對此點充電的時候.(以一般60Hz的畫面更新頻率, 需要保持約16ms的時間.) 這樣一來, 電壓有了變化, 所顯示的灰階就會不正確. 因此一般在面板的設計上, 會再加一個儲存電容CS(storage capacitor 大約為0.5pF), 以便讓充好電的電壓能保持到下一次更新畫面的時候. 不過正確的來說, 長在玻璃上的TFT本身,只是一個使用晶體管制作的開關. 它主要的工作是決定LCD source driver上的電壓是不是要充到這個點來. 至於這個點要充到多高的電壓, 以便顯示出怎樣的灰階. 都是由外面的LCD source driver來決定的.

框膠與spacer：

    框膠與spacer兩種結構成分. 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, 並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,是圍繞於面板四周, 將液晶分子框限於面板之內. 而spacer主要是提供上下兩層玻璃的支撐, 它必須均勻的分佈在玻璃基板上, 不然一但分佈不均造成部分spacer聚集在一起, 反而會阻礙光線通過, 也無法維持上下兩片玻璃的適當間隙(gap), 會成電場分佈不均的現象, 進而影響液晶的灰階表現.

彩色濾光片：

放大鏡下的液晶

                                                圖（九）

    如果你有機會, 拿著放大鏡, 靠近液晶顯示器的話. 你會發現如圖（九）中所顯示的樣子. 我們知道紅色, 藍色以及綠色, 是所謂的三原色. 也就是說利用這三種顏色, 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原理來顯示出色彩. 我們把RGB三種顏色, 分成獨立的三個點, 各自擁有不同的灰階變化, 然後把鄰近的三個RGB顯示的點, 當作一個顯示的基本單位, 也就是pixel. 那這一個pixel,就可以擁有不同的色彩變化了. 然後對於一個需要解析度為1024*768的顯示畫面, 我們只要讓這個平面顯示器的組成有1024*768個pixel, 便可以正確的顯示這一個畫面. 在圖（九）中,每一個RGB的點之間的黑色部分, 就叫做Black matrix. 我們回過頭來看圖（九）就可以發現, black matrix主要是用來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. 這也就是為什麼我們在圖（九）中, 每一個RGB的亮點看起來, 並不是矩形, 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.

常見的濾光片排列

                                              圖（十）

條狀排列最常使用於膝上型電腦,或是臺式計算機。其原因是現在的軟體,多半都是視窗化的, 我們所看到的螢幕內容,就是一大堆大小不等的方框所組成的,條狀排列,恰好可以使這些方框邊緣, 看起來更直, 而不會看起來有毛邊或是鋸齒狀的感覺。

    AV產品上, 因為電視訊號多半是人物, 其輪廓大部分是不規則的曲線, 因此AV產品都

是使用馬賽克排列,現在已改進到使用三角形排列。

畫素：

    液晶面板上每個畫素都分成紅、綠、藍三種顏色，RGB就是所謂的三原色，利用這三種顏色可以混合出各種不同的顏色，我們把RGB三種顏色分成獨立的三個點，各自擁有不同的灰階變化，然後把鄰近的三個RGB顯示的點當作一個顯示的基本單元，就是畫素，這個畫素就可以擁有不同的色彩變化了。

顏色深度

256 Color 8（R）*8（G）*4（B）=256 Color

High Color  

32（R）*64（G）*32（B）=65536 Color

Full Color  

64（R）*64（G）*64（B）=262144 Color

True Color

256（R）*256（G）*256（B）=167

開口率：

    液晶顯示器中有一個很重要的引數就是亮度, 而決定亮度最重要的因素就是開口率。開口率就是光線能透過的有效區域比例。

    當光線經背光板發射出來時,並不是所有的光線都能穿過面板, 象給LCD 驅動晶片用的訊號走線、 以及TFT本身、 還有儲存電容等, 這些地方除了不完全透光外, 也由於經過這些地方的光線 並不受到電壓的控制,而無法顯示正確的灰階, 所以都需加以遮蔽, 以免干擾到其它透光區域的正確亮度。

                                         圖（十一）

  所以有效的透光區域, 就只剩下如同圖（十一）右邊所顯示的區域而已。 這一塊有效的透光區域, 與全部面積的比例就稱之為開口率。光線從背光板發射出來, 會依序穿過偏光板、玻璃、液晶、彩色濾光片等等。假設各個零件的穿透率如以下所示:

偏光板: 50%(因為其只准許單方向的光波通過)

玻璃:95%(需要計算上下兩片)

液晶:95%

開口率:50%(有效透光區域只有一半)

    彩色濾光片:27%(設材質本身的穿透率為80%,由於濾光片本身塗有色彩, 只能容許該色彩 的光波通過,所以僅剩下三分之一的亮度,總共只能通過80%*33%=27%.)

    以上述的穿透率來計算, 從背光板出發的光線只會剩下6%, 實在是少的可憐。這也是為什麼在TFT LCD的設計中, 要儘量提高開口率的原因,只要提高開口率, 便可以增加亮度, 同時背光板的亮度也不用那麼高, 可以節省耗電及花費。

LCD內部電路

                                      圖（十二）

主要的驅動TFT工作的部分有以下幾個：

1、source driver  源驅動， 負責供電。

2、gate driver 柵驅動， 負責開啟關閉。

3、時序控制電路，負責控制gate driver

4、灰度、gamma控制電路

圖（十三）

從圖（十三）中我們可以看到整片面板的等效電路, 其中每一個TFT與 兩個電容所並聯, 代表一個顯示的點. 而一個基本的顯示單元 pixel,則需要三個這樣顯示的點,分別來代表 RGB 三原色. 以一個 1024*768 解析度的 TFT LCD 來說, 共需要 1024*768*3 個這樣的點組合而成. 整片面板的大致結構就是這樣, 然後再藉由如圖中 gate driver 所送出的波形, 依序將每一行的 TFT 開啟, 好讓整排的 source driver 同時將一整行的顯示點, 充電到各自所需的電壓, 顯示不同的灰階. 當這一行充好電時, gate driver 便將電壓關閉, 然後下一行的 gate driver 便將電壓開啟, 再由相同的一排 source driver 對下一行的顯示點進行充放電. 如此依序下去, 當充好了最後一行的顯示點, 便又回過來從頭從第一行再開始充電. 以一個 1024*768 SVGA 解析度的液晶顯示器來說, 總共會有 768 行的 gate 走線, 而 source 走線則共需要 1024*3=3072 條. 以一般的液晶顯示器多為 60Hz 的更新頻率來說, 每一個畫面的顯示時間約為 1/60=16.67ms. 由於畫面的組成為 768 行的 gate 走線, 所以分配給每一條 gate 走線的開關時間約為 16.67ms/768=21.7us. 所以在圖（十三）gate driver 送出的波形中, 我們就可以看到, 這些波形為一個接著一個寬度為 21.7us 的脈波, 依序開啟每一行的 TFT. 而 sourcedriver 則在這 21.7us 的時間內, 經由 source 走線, 將顯示電極充放電到所需的電壓, 好顯示出相對應的灰階.

先開放第一行，其他關閉。

圖（十四)

接著關閉第一行，電壓已經固定，固顏色也固定，然後開放第二類，其餘關閉，以此類推。

圖（十五）

由於液晶分子還有一種特性,就是不能夠一直固定在某一個電壓不變, 不然時間久了, 你即使將電壓取消掉, 液晶分子會因為特性的破壞, 而無法再因應電場的變化來轉動, 以形成不同的灰階. 所以每隔一段時間, 就必須將電壓恢復原狀, 以避免液晶分子的特性遭到破壞. 但是如果畫面一直不動, 也就是說畫面一直顯示同一個灰階的時候怎麼辦? 所以液晶顯示器內的顯示電壓就分成了兩種極性, 一個是正極性, 而另一個是負極性. 當顯示電極的電壓高於 common 電極電壓時, 就稱之為正極性. 而當顯示電極的電壓低於 common 電極的電壓時, 就稱之為負極性. 不管是正極性或是負極性, 都會有一組相同亮度的灰階. 所以當上下兩層玻璃的壓差絕對值是固定時, 不管是顯示電極的電壓高, 或是 common 電極的電壓高, 所表現出來的灰階是一模一樣的. 不過這兩種情況下, 液晶分子的轉向卻是完全相反, 也就可以避免掉上述當液晶分子轉向一直固定在一個方向時, 所造成的特性破壞. 也就是說, 當顯示畫面一直不動時, 我們仍然可以藉由正負極性不停的交替, 達到顯示畫面不動, 同時液晶分子不被破壞掉特性的結果. 所以當您所看到的液晶顯示器畫面雖然靜止不動, 其實裡面的電壓正在不停的作更換, 而其中的液晶分子正不停的一次往這邊轉, 另一次往反方向轉呢!

    下圖為幾種面板的反轉方式

圖（十六）

綜合顯示效果和電路設計成本 多數LCD選用 common不變 dot inversion的方式。

背光

圖（十七）

手機上用的TFT 型別的LCD 大部分是用 LED來作為光源的，現有高通手機上背光有三種方式：

1、PWM 方式， 根據輸出方波的佔空比來控制電流大小

2、一線脈衝方式， 根據輸入方波的邏輯連控制輸出電流大小

3、dcs方式，有LCD反饋給背光控制晶片來控制輸出電流大小

一般手機上都會有個背光控制晶片來升壓控制電流，以8x25上的背光晶片TPS61161為例（其他的背光晶片也類似）

TPS61161的連線方式：

CTRL 需要連線到平臺上的GPIO或則 PMIC上的GPIO。

這款晶片是pwm方式和一線脈衝方式兩用的晶片，工作模式如下：

 圖（十八）

上圖，上半部分就是PWM方式，控制就由GPIO直接連到背光晶片上即可，有一點需要注意，一般用PWM方式都是由PMIC直接控制的因為如果用AP控制在系統負載大的時候PWM波形會失真。下半部分為一線脈衝方式輸入需要有一個邏輯來觸發一線脈衝方式

資料格式如下：

資料對應的電流值如下（只給出部分電流值）

                                            圖（二十）

DCS方式則是LCD本身可以支援CABC 或則 LABC功能

                                            圖（二十一）

原理，如圖， 平臺這邊用mipi dcs 命令控制CABC功能，LCD的暫存器為

51H（預設背光亮度 0 ～ 255）

53 H（開啟關閉）

在DCS方式下有個LCD輸出的PWM頻率和背光晶片的輸入頻率是陪的問題在除錯的時候需要注意，一般LCD端輸出的PWM頻率都可調。