3.3 液晶显示模式与原理
3.3.1 液晶显示模式
常见的液晶显示模式有扭曲向列相模式（Twist Nematic，TN）、垂直取向模式（Vertical Alignment，VA）、面内开关模式（In-plane Switching，IPS）和边缘场开关模式（Fringe Field Switching，FFS）。显示模式不一样，像素的结构有很大差异。而即使是同样的液晶显示模式，在设计细节和实现工艺上也存在很大的差异，尤其是VA技术。这里重点介绍一下VA的几种技术。
早期的VA技术被称为MVA（Multi-domain VA），它是在彩膜和阵列基板上分别制作独特的凸起（Protrusion，一种树脂材料），使液晶分子在凸起边缘实现初始取向，在加电后液晶分子沿着这个初始取向进行排列，如图3.11（a）所示。为了实现这个凸起，这种结构需要增加两道光刻工艺。为了简化工艺流程，紧接着提出了改进型的MVA，如图3.11（b）所示，即阵列基板上的凸起用有狭缝结构的像素电极ITO 取代。MVA 中的这种不透光的凸起，既影响了透过率，又影响了对比度，因此，后来又出现了PSA（Polymer Sustained Alignment）技术，如图3.12所示。从图3.12中可以看出，PSA结构的彩膜基板上已经没有凸起了，取而代之的是一整块ITO公共电极，突出特点是像素电极ITO采用了精细狭缝的结构。PSA技术实现液晶分子取向的示意图如图3.13（a）所示。从图3.13（a）中可以看出，这种技术的液晶里面掺入了一些单体，然后在通电情况下进行无偏振紫外光的照射实现液晶分子的初始取向。图3.13（b）所示为UV 2 A（UV VA）技术的液晶分子取向过程，它首先对涂布了取向层PI的玻璃基板进行偏振性紫外光的照射，使取向层表现出与偏振光相关的方向性，在灌入液晶分子后，液晶分子实现了取向。相比MVA技术，PSA和UV 2 A技术，在透过率和对比度特性上都实现了明显改善。图3.14所示为MVA和UV 2 A像素的开态和关态对比，可以看出UV 2 A的暗态特性具有明显优势。除了上述提到的VA技术，还有ASV技术（Advanced Super View）和CPA（Continuous Pinwheel Alignment，连续焰火状排列）技术。这两种技术还是基于凸起进行取向的，只是透过率和对比度已有了很大提升。
图3.11 早期和改进型的MVA结构示意图
图3.12 PSA结构和像素电极ITO精细狭缝结构示意图
图3.13 PSA技术和UV 2 A技术的液晶取向过程示意图
图3.14 MVA和UV 2 A像素的开态和关态对比
3.3.2 液晶显示光阀原理
液晶显示是非自发光型显示器，显示画面的灰度或暗亮程度是通过液晶分子的光阀作用实现的，即液晶分子改变了入射进来的外界光的透过率。液晶分子的位置关系发生变化，透过率也发生变化。通过不同的数据信号电压来改变液晶分子的位置状态，就能实现图像分灰阶显示的功能。
自然光是朝着各个方向振动的，但是朝着任何方向振动的光，其振幅（代表能量）都可以分解为水平方向和垂直方向。如图3.15（a）所示的一束自然光入射到一个透光轴互相垂直的两片偏光片系统中，透过第一片偏光片后，只剩下与透光轴相平行的振动光（理论上光能量剩余 50%）。由于透射进的入射光振动方向与第二片偏光片的透光轴相垂直，因此没有光透射出了这个系统。如果在这个偏光片系统内加入一个液晶层，则由于液晶具有光学各向异性的作用，即液晶长轴方向的折射率与短轴方向的折射率不一样，光在两个方向的行进速度不同，因此产生了位相差：
式中，Δ n 是长轴和短轴的折射率差； d 是沿着光行进方向的液晶层厚度； λ 是入射光的波长。经过液晶光学的一连串矩阵计算，最后得到出射光的透过率：
式中， φ 是液晶分子长轴与入射偏光片透光轴的平面之间的夹角。从式（3.4）中可以看出以下两点。
（1）改变液晶分子长轴与偏光片的夹角 φ ，就可以控制液晶光阀的透过率。当 φ =0时，透过率为零，对应暗态；当 φ =45°时，透过率最大，对应最亮的状态。在液晶初始状态下，即没有外加电压或电压为零的情况下（关态），光能透射出液晶盒，这种液晶显示模式被称为常白模式（Normal White，NW），如图3.15（b）所示。常见的常白模式是TN（Twist Nematic）模式。施加电压后，液晶分子竖立起来，则没有光透射出液晶盒，如图3.15（c）所示。同理，在液晶初始状态下，即没有外加电压或电压为零伏的情况下（关态），光不能透射出液晶盒，这种液晶显示模式被称为常黑模式（Normal Black，NB）。常见的常黑模式有FFS模式、IPS模式和VA模式。
（2）透过率与入射光的位相差有关，即与入射光的波长、液晶的长轴与短轴的折射率差和液晶厚度均有关系。设计上需要选择合适的液晶折射率差以及液晶盒厚，才能实现最佳的透过率。因为入射光的波长在可见光谱的范围内，即380～780nm，所以对于不同的波长，透过率是有差异的。实际应用中，要分别对红、绿、蓝三色的 Gamma 曲线进行校正，以实现不同透过率的情况下，红、绿、蓝的相对比例还是保持在1：1：1的比例上，避免显示颜色的失真。
图3.15 液晶光阀显示原理（常白模式）
入射光经过入射偏光片后变成线性偏振光入射到液晶层中，除了主入射角外还会以其他角度进入液晶层。不同入射角度引起相位延迟也不一样，即透过率也不一样；液晶分子的初始排列有一定的方向性，也造成从不同角度观察出射光时透过率不一样。这两个因素造成不同角度观察液晶显示屏时，出现了对比度的改变和色偏的现象。
