2023年11月30日发(作者：)

薄薄的液晶显⽰器是如何显⽰各种图案？带你了解液晶显⽰原理

当今社会，每个⼈都离不开各种电⼦设备，特别是⼿机和电脑，设备中各种视频、图案和⽂字等都是通过电⼦屏幕显⽰

出来，这些电⼦产品的显⽰器材都是液晶。液晶是什么物质？它是如何显⽰数字或图像呢？那么下⾯我们就来详细了解

屏幕的内部结构，了解其中的原理。

平板显⽰屏

想要知道屏幕的显⽰原理，我们还得从以下开始了解

⼀.什么是液晶

我们从⾃然界中常见的的物质三态——固态、液态、⽓态说起。在通常状况下，物质呈现三态的原因可以从微观结构去

认识它，例如我们看到的固体如⾷盐晶体等，有⼀定的形状和体积。

原⼦结构

因它的分⼦在特定⽅向按固有规则排列紧密⽽整齐，平衡位置相对固定，只能在⼩范围内振动，且各向异性；液体如

⽔，其分⼦间距离较⼤，平衡位置随时改变，活动范围较⼴，分⼦取向没有规则，宏观上表现为⽆⼀定形状，但有⼀定

体积，具有流动性；⽽⽓体既⽆⼀定形状，也⽆⼀定体积，其分⼦可⾃由运动。

流动的液体

物质世界中还存在着介于固态和液态之间的物质。它就是液晶。19世纪末奥地利植物学家赖尼策尔在研究⼀种叫做“胆

甾醇苯甲酸酯”的有机物时，发现它被加热到145.5℃时，熔化成⼀种浑浊的液体，在178.5℃突然全部变成透明液体。

当冷却时，呈现出蓝紫⾊，不久后即⾃⾏消失，再次呈现混浊状液体，继续冷却，再次出现蓝紫⾊，然后固化成⽩⾊的

晶体。⾯对这样的现象赖尼策尔⽆法解释，于是他将样品及观察记录寄给德国物理学家勒曼。勒曼研究后认为这是流动

的晶体，并给这种形态的物质取名为“液晶”。现在已发现⼏千种有机化合物具有液晶态，它是介于固态与液态之间的中

间态。与液体分⼦模型相⽐较，液晶分⼦没有位置序，但有取向序即分⼦取向⼗分⼀致

不同物质状态分⼦结构

⼏种液晶分⼦结构

综合⽽⾔，所谓液晶，是指其形状像液体，⽽其微观结构和光学性质⼜完全类似于晶体的⼀类物质。那么它⼜是如何在

显⽰器中发挥作⽤的呢？

我们先从简单应⽤的来了解

⼆.液晶的⿊⽩态显⽰原理

过，因此可以将具有光源中具有各个取向的光波过滤为单⼀取向的光波。由于上下两个偏振光⽚相互垂直，通过第⼀⽚

偏振⽚的光波想要通过第⼆⽚偏振⽚光波需要旋转90才⾏，于是就到了液晶发挥它的旋光作⽤，通过在液晶的上下两边

加上不同的电场来改变内部液晶的⾏为。为了给液晶加电场，要在玻璃板的内表⾯装上⼆氧化锡透明电极，电极的形状

可根据显⽰的需要设计成各种形状，为了使液晶分⼦能连续扭曲成90°，要对液晶盒内表⾯做沿⾯排列处理，这样⼀个

液晶盒就完成了。最后在液晶盒内填⼊添加了旋光物质的液晶，四周再⽤胶框粘接，液晶盒就成为液晶显⽰器了。由于

内部的液晶分⼦具有旋光性，可将通过偏振光的光波⽅向旋转90，再通过下部的偏振⽚，于是我们便看见了光亮的背

景。当我们在液晶两边外加电场，在电场的作⽤下，液晶消除了原来的扭曲状态，液晶分⼦有序排成⼀个平⾯，与上下

电极⾯相互垂直。⼊射偏振光的振动⽅向在穿过液晶时保持原来的状态不变，即⼊射光的振动⽅向与下偏振⽚的偏振化

⽅向垂直，⼊射光将被吸收，因⽽没有光被反射回来，也就看不到反射板，于是电极部位呈暗态，与不加电场的情景正

好相反。

在⿊⽩液晶的实际使⽤中，常⽤的是七段数字显⽰⽅式，如图所⽰。

七段数字显⽰器

变化的数字显⽰

数字的笔画由相互分离的七段透明电极组成，并使每个电极与译码电路连接，这样译码电路的状态就可以通过七段显⽰

器⽤阿拉伯透明电极引线数字显⽰出来这种显⽰都有⼀段相对稳定的时间，故称静态显⽰。

显⽰的⽅式有正显⽰与负显⽰。当电极间加上⼀定电压后，有电压的那⼏段就会变为暗态，从⽽显⽰出⼀组⽩底⿊字的

数字，这种显⽰叫正显⽰，通常⽤的液晶电⼦⼿表，袖珍计算器均为正显⽰型数字显⽰器。如果使两偏振⽚的偏振化⽅

向平⾏，则不加电压时，⼊射光被吸收，我们得到的是⿊⾊背景。在需要显⽰数字的电极上加上电压，则偏振光能够通

过液晶，并被反射回来，于是我们可以看到⽩⾊的数字呈现在⿊背景上，形成⿊底⽩字的负显⽰型数字显⽰器。同样，

根据实际需要，精巧地制作各种各样的电极，还可实现对⽂字，符号以及图像的液晶显⽰。

三.液晶的动态⿊⽩动态显⽰原理

动态显⽰常采⽤点阵式矩阵显⽰⽅式。将电极做成平⾏状，并使上玻璃⽚的电极和下玻璃⽚的电极成⽴体正交结构。这

样相互交叉的部分就是点阵式像元，如图中⽤⼩⽅块表⽰。当x⽅向的电极和y⽅向的电极条数都为n时，⽤2n个电极就

可以构成n个像元。当像元的⾯积越⼩，单位⾯积内数量越多，显⽰的图像就越细腻。

液晶像元

当x⽅向的电极从上到下按时间顺序逐⾏扫描，y⽅向的电极按显⽰信号加上选与⾮选的信号，那么所有选通点都呈亮

态，其余呈暗态。由于x⽅向电极的扫描速度很快，所以选通点将不断变化，由于时间间隔很⼩，利⽤视觉暂留，可以

使观察者看到⼀幅完整的画⾯。逐⾏扫描的过程与阴极射线显像管的⾏扫描过程⼗分类似，当x⽅向的电极由上⽽下逐

⾏扫描次，完成⼀帧这样不断地扫描，同时给列电极加上选或⾮选的信号就实现了所有像元的显⽰功能。如果在⾏电极

成。

LCD显⽰器结构

液晶的光学效果

液晶包含在两个槽状表⾯中间，且槽的⽅向互相垂直，如下图所⽰，上下表⾯偏振⽚偏振⽅向相互垂直，液晶分⼦的排

列为：上表⾯为纵向，下表⾯为横向，介于上下表⾯中间的分⼦产⽣旋转的效应，因此，液晶分⼦在两槽状表⾯间产⽣

90的旋转。

当线性偏振光射⼊上层槽状表⾯时，此光线随着液晶分⼦的旋转也产⽣旋转；当线性偏振光射出下层槽状表⾯时，此光

线已经产⽣了90的旋转。当在上下表⾯之间加电压时，液晶分⼦会顺着电场⽅向排列，形成直⽴排列的现象。此时⼊射

光线不受液晶分⼦影响，直线⽆法射出下表⾯。不同电压值，决定液晶偏转的⾓度。

那么屏幕⼀般是内部LED作为光源，发射出⽩⾊的光线，那么我们知道⽩光是由多种不同频率光波组合⽽成光波。那么

我们可以通过滤光膜得到我们想要的颜⾊。虽然每⼀种颜⾊的可见光的波长有⼀定的范围，但我们在处理颜⾊时并不需

要将每⼀种波长的颜⾊都单独表⽰。因为⾃然界中所有的颜⾊都可以⽤红、绿、蓝(RGB)这三种颜⾊波长的不同强度组

合⽽得，这就是⼈们常说的三基⾊原理。因此，这三种光常被⼈们称为三基⾊或三原⾊。通过滤光膜过滤出这三种颜

⾊，再通过驱动电压的改变调整液晶翻转的⾓度,进⽽改变通过RGB⼦像素的光量,由加法混⾊的原理得到丰富的⾊彩表

现。

RGB三基⾊

驱动电压改变晶体的旋转⾓度从⽽改变光

彩⾊滤光膜

彩⾊滤光膜结构

彩⾊滤光膜的各像素对应液晶屏的各像素，每像素包含红、绿、蓝三个⼦像素，光线透过彩⾊滤光膜形成红、绿、蓝三

基⾊分量，如图上所⽰。

TFT—LCD电路控制原理

TFT—LCD电路的主要作⽤是控制液晶两表⾯的电压值，以控制液晶的偏转⾓度，改变液晶分⼦对线性偏振光的扭转⾓

度，并通过前⾯偏光⽚的取向作⽤，最终实现控制通过光线的强弱。薄膜场效应晶体管（thin film transistor，TFT）对

应控制的每⼀个⼦像素，薄膜晶体管TFT是开关器件，它的导通与截⽌状态接近理想开关。以分辨率为1024×768像素

的显⽰屏为例，每个像素由R、G、B三基⾊的⼦像素，即合计有1024×768×3 TFT晶体管。如下图所⽰

1024×768分辨率像素点

⼀个⼦像素控制电路

晶体管控制构架

控制⾯板

门极线有768，源极线有1024×3。控制电路采⽤分时驱动的⽅式，按顺序分别置门极线⾼电平，从⽽控制打开该⾏ TFT

晶体管，此时源极线上的电压即加到该⾏液晶各⼦像素上，从⽽控制该⾏液晶的偏转⾓度和最终实现光线的透射率的控

制。

TFT—LCD显⽰原理

以1024×768像素的液晶屏为例，液晶板后⾯的背光源投射出纯⽩光源，光源经过第⼀个a⽅向的偏光⽚，过滤成a⽅向

的偏极光，通过透明电极（TFT控制电路）,经过液晶，这时液晶分⼦偏转⾓度和透射率受 TFT控制电路控制，通过液晶

后，经过彩⾊滤光⽚，形成 1024×768×3束偏转⽅向受控的RGB基⾊光线，再通过第⼆个b⽅向的偏光⽚，把偏转⽅向

受控的各束RGB基⾊光线过滤成强弱受控的RGB基⾊光线，投射出屏幕。通过改变驱动液晶的电压值就可以控制最后

出现的光线强度与⾊彩，并进⽽能在液晶⾯板上变化出有不同深浅的颜⾊组合。

上下偏振⽚偏振光⽅向相互垂直

五.彩⾊液晶屏显⽰特点

可视⾓度

LCD 有视⾓各向异性和视⾓范围⽐较⼩的弱点，宽视⾓技术⼀直是液晶技术的重要研究课题。这是因为当背光源之⼊

射光通过偏光⽚!液晶及所谓的取向膜后，输出光便具备了特定的⽅向特性，也就是说，⼤多数从屏幕射出的光具备了垂

直⽅向。即如果偏离显⽰屏法线⽅向观察，对⽐度明显下降，观看⼀个全⽩的画⾯，我们可能会看到⿊⾊或是⾊彩失

真。

不同⾓度下存在⾊差

响应时间

响应速度慢是液晶的⼀⼤弊病。液晶的响应时间表⽰液晶显⽰器各像素点，对于信号输⼊后的反应速度，就是每点由暗

转亮或由亮转暗所需的时间，响应时间当然是越⼩越好。这样⽤户在观看运动的画⾯时就不会出现类似尾影拖拽的感

觉。液晶显⽰器的这项指标直接影响到对动态画⾯的还原，跟其它显⽰⽅式相⽐，液晶显⽰器由于过长的响应时间，导

致其在还原动态画⾯时有⽐较明显的拖尾现象，画⾯不够⽣动。

这是由于液晶显⽰屏是利⽤液晶分⼦扭转控制光的通断，⽽液晶分⼦的扭转需要⼀个过程，所以LCD显⽰器的响应时间

明显⽐其它显⽰⽅式长。特别在介于全⿊、全⽩间的较⼩幅度灰阶变化，需施加较⼩电压来进⾏准确⽽精细的⾓度控

制，因此液晶分⼦扭转速度反⽽要慢⼀些。

因此屏幕刷新率还受液晶材料的限制，现在很多⼿机⼚商就推出了很多⾼频率刷新⼿机屏，显⽰动画更加细腻流畅，相

信未来的显⽰技术会更加多样化，给我们带来更佳的体验感。

世界之⼤，只有你想不到，没有做不到。