1.5 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。

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

式（1.5）就是马吕斯（Malus）定律。式中， I ₁ 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。