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1、LCD相关特性介绍,Brian.JinWR3312011/06/18,一、显示器的分类二、LCD光学参数简介三、手机常用LCD接口类型,显示器的分类,CRT:20世纪20年代LCD:20世纪70年代初LED显示器:20世纪80年代PDP:20世纪90年代OLED:20世纪90年代,CRT显示器,CRT显示器显示器的工作原理 CRT显示器的核心部件是CRT显像管，CRT显像管（Cathode Ray Tube）又称阴极射 线管，它主要由电子枪(Electron gun)、偏转线圈(Deflection coils)、荫罩(Shadow mask)、高压石墨电极和荧光粉涂层(phosphor)、荧
2、光屏五部分组成。其原理是利用 显像管内的电子枪，将光束射出，穿过荫罩上的小孔，打在一个内层玻璃涂满了无 数三原色的荧光粉层上，电子束会使得这些荧光粉发光，最终形成了所看到的画面。CRT显示器特点：分辨率高、色度均匀、对比 度高、亮度高、响应时间极短（级）、彩色 还原质量好、寿命长、可视角度大、无坏点、价 格便宜。,LCD显示器,LCD显示器是利用液晶在电场中的偏转特性和彩色滤光片的滤光特性制作的显示器。常见的液晶显示器按物理结构分为四种：（1）TN-LCD（扭曲向列型 液晶显示器件）（2）STN-LCD（超扭曲向列型 液晶显示器件）（3）DSTN-LCD（双层超扭曲向列型 液晶显示器件）（4）
3、TFT-LCD（薄膜场效应管 液晶显示器件）按光线的线路不同可分为反射式、半透射式和投射式。按液晶的驱动类型分为主动矩阵式和被动矩阵式。,LCD显示器差别,FSTN(格式化超扭曲向列型)。FSTN是STN的一种，区别在于使用不同的偏光片。FSTN型LCD除了可以具有普通STN型LCD的动态驱动性能良好及视角宽以外，可以实现黑白显示，且具有较好的对比度。STN LCD的彩色化，就是我们所说的CSTN（Color STN）。它其实就是一个FSTN屏加上一层彩膜。,LCD显示器-TN型液晶显示器,TN型的显像原理是将液晶材料置于两片光轴垂直偏光板的透明导电玻璃间，液晶分子会依附配向膜的细沟槽方向，按
4、序旋转排列。下面是TN型液晶显示器的结构图，包括了垂直方向与水平方向的偏光板，具有细纹沟槽的配向膜，液晶材料以及导电的玻璃基板。在不加电场的情况下，入射光经过偏光板后通过液晶层，经过第一片偏光板偏转后的入射光（偏光）被扭转排列的液晶分子旋转90度。在离开液晶层时，其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致，所以光线能顺利通过，使整个电极面呈光亮。,LCD显示器-TN型液晶显示器,如果在两片导电玻璃通电之后，玻璃间就会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源，LCD就呈现暗的状态。由电压控制液晶的偏转得到光暗对比的现象，就叫做扭转式向列场效应，简称TNFE（t
5、wisted nematic field effect）。电子领域中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理制成的。,STN型的显示原理与TN相类似。不同的是，TN扭转式向列场效应的液晶分子是将入射光旋转90度，而STN超扭转式向列场效应是将入射光旋转180270度。单纯的TN液晶显示器本身只有明暗两种情形（或称黑白），并没有办法做到色彩的变化。而STN液晶显示器由于液晶材料的关系，以及光线的干涉现象，因此显示的色调都以淡绿色与橘色为主。但如果在传统单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片（color filter），并将单色显示矩阵之任一像素（pixel）分成三个子像素（sub-pixe
6、l），分别通过彩色滤光片显示红、黄、蓝三原色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。,LCD显示器-STN型液晶显示器,LCD显示器-DSTN型液晶显示器,DSTN-LCD又叫双层扫面扭转向列 LCD（Dual Scan Tortuosity Nomograph）扫描屏幕被分为上下两部分，CPU同时并行对这两部分进行刷新（双扫描），这样的刷新频率比单扫描（STN）重绘整个屏幕快一倍，提高了占空率，改善了显示效果。DSTN特点：反应速度和STN一样不快，屏幕刷新后更可能留下幻影，对比度和亮度也比较低，看到的图像要比CRT显示器里的暗得多。,LCD显示器-TFT LCD结构,TFT-
7、LCD面板的基本结构为两片玻璃基板中间夹住一层液晶。一块完成的LCD Panel，从后前端向前端的功能器件依次是：背光源模块（其中包括背光灯和导光板）、偏光片、配向膜、TFT和ITO电极、液晶、配向膜、彩色滤光片、偏光片Polarizer：偏光片 Substrate：基板 Liquid crystal：液晶 Color Filter：彩色 滤光片 bonding：焊接 Seal：密封,LCD显示器-TFT LCD结构之背光源,LCD 背光源模块的功能是给LCD显示提供光源，主要包括背光源和导光板两部分。导光板主要功能在于要将背光源入射光导向LCD液晶显示屏，用以展现背光源和显示屏的亮度，同时有
8、透光的辉度和透光均匀度的要求。光从背光源射出，在导光板里面进行传播，并在网点面发生折射、反射和全反射，部分光被导光板吸收，余下的光穿过导光板，入射到液晶材料，通过控制电路以实现液晶显示。,LCD显示器-TFT LCD结构之偏光片组,自然界的光，其极性是任意方向的，使用偏光片的功能就是过滤掉大部分的不同方向震荡的光，只让某一特定方向的光通过。同时光波本身的电场与磁场分量,彼此也是互相垂直的.也就是说行进方向与电场及磁场分量,彼此是两两互相平行的.而偏光板的作用就像是栅栏一般,会阻隔掉与栅栏垂直的分量,只准许与栅栏平行的分量通过.如果拿起一片偏光板对着光源看。光线变得较暗.但是如果把两片偏光板迭在
9、一起,旋转两片的偏光板的相对角度,会发现随着相对角度的不同,光线的亮度会越来越暗.当两片偏光板的栅栏角度互相垂直时,光线就完全无法通过了。,LCD显示器-TFT LCD结构之配向膜,两个配向膜的沟槽都是垂直的，靠近配向膜的液晶，和沟槽方向一致，这样在不加电场的状态下，液晶才能有90度的旋转。,LCD显示器-TFT LCD结构之液晶,TFT液晶显示器常用的液晶是线状液晶.这种液晶分子在空间上具有规则性排列,所有线状液晶分子长轴会选择某一特定方向作为主轴并相互平行排列。液晶在在电场的作用下发生偏转，使通过光线的极性发生改变，极性和偏光片水平的，就可以通过偏光片，在LCD前端显示亮点，极性和偏光片垂
10、直的光，不可以通过偏光片，在LCD前端显示暗点，通过调节光线的极性，来决定某一区块的亮暗。这就是LCD的显示原理。,LCD显示器-TFT LCD结构之彩色滤光片,简单来说，彩色滤光片的作用就是将Gate driver和Source driver的信号，通过色彩的组合原理，在LCD前端显示所需要的色彩。,偏光片 彩色滤光片 配向膜 液晶 TFT ITO透明电极 偏光片 背光源,LCD显示原理,下面是整片面板的等效电路,其中每一个TFT与CLC跟Cs所并联的电容,代表一个显示的点.而一个基本的显示单元pixel,则需要三个这样显示的点,分别来代表RGB三原色.以一个1024*768分辨率的TFT
11、LCD来说,共需要1024*768*3个这样的点组合而成.然后再藉由下图中gate driver所送出的波形,依序将每一行的TFT打开,好让整排的source driver同时将一整行的显示点,充电到各自所需的电压,显示不同的灰阶.当这一行充好电时,gate driver便将电压关闭,然后下一行的gate driver便将,LCD显示原理,电压打开,再由相同的一排source driver对下一行的显示点进行充放电.如此依序下去,当充好了最后一行的显示点,便又回过来从头从第一行再开始充电.以一个1024*768 SVGA分辨率的液晶显示器来说,总共会有768行的gate走线,而source走线
12、则共需要1024*3=3072条.以一般的液晶显示器多为60Hz的更新频率来说,每一个画面的显示时间约为1/60=16.67ms.由于画面的组成为768行的gate走线,所以分配给每一条gate走线的开关时间约为16.67ms/768=21.7us.所以在下图gate driver送出的波形中,我们就可以看到,这些波形为一个接着一个宽度为21.7us的脉波,依序打开每一行的TFT.而source driver则在这21.7us的时间内,经由source走线,将显示电极充放电到所需的电压,好显示出相对应的灰阶.,LCD显示原理,LCD多种色彩是由RGB三原色叠加显示出来的，滤光片给予每一个画素特
13、定的颜色。结合每一个不同颜色的画素所呈现出的就是面板前端的影像。LCD面板贴上彩色滤光片，後端TFT面板上制作薄膜电晶体(TFT)。当施电压於电晶体时，液晶转向，光线穿过液晶後在前端面板上产生一个画素。背光模组位於TFT-Array面板之後负责提供光源。TFT-LCD的工作原理TFT-LCD液晶显示器的显像原理是采用“背透式”照射方式。当光源照射时，先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子来传,LCD显示原理,导光线。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的排列状同样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。由于FET晶体管具有电容效应，能够保持电位状态，先前
14、透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到FET电极下一次再加电改变其排列方式为止。TFT-LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。因其具有比TN-LCD更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，故TFT俗称“真彩”。,发光二极管（LED）显示器,发光二极管（LED）显示器就是常见的LED显示屏（LED panel），它是通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图像等信息。它的特
15、点是亮度高，可以将屏幕做的很大，适用于室外强光的场合，但因为每个发光二极管是一个像素点，像素点很大，所以不适合做小屏幕。,等离子体显示器,PDP是Plasma Display Panel的简写，也就是等离子体显示器。等离子体显示器的工作原理：等离子体显示器的工作原理与一般日光灯原理相似，它在显示平面上安装数以十万计的等离子管作为发光体（象素）。每个发光管有两个玻璃电极、内部充满氦、氖等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有三原色荧光粉。当两个电极间加上高电压时，引发惰性气体放电，产生等离子体。等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同分量的由三原色混合的可见光。每个等离子体发光管就是我们所说的
16、等离子体显示器的像素，我们看到的画面就是由这些等离子体发光管形成的“光点”汇集而成的。,OLED显示器,OLED全名叫做有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED），结构图如下所示，其发光机理为：在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在有机材料中复合而释放出能量，并将能量传递给有机发光物质分子，有机发光物质分子受到激发，从基态跃迁到激发态，当受激分子回到基态时辐射跃迁而产生发光现象。OLED由于是自发光，不需要背光，因此显示器做的很薄，并且非常省电。,真空荧光管显示器（VFD）,真空荧光显示器（VACUUM FLUORESCENT DISPLAY）工
17、作方式类同于真空电子管，它由阴极灯丝（加电压后发射电子）、栅极（用于加速控制电子流）、阳极（涂有荧光粉，电子撞击后发光）及玻盖构成，是一种自身发光显示器件。栅极是金属网格结构，在其上加上正电压，可加速和扩散自灯丝所放射出来的电子，将之导向阳极，使荧光粉发光；相反地，如果加上负电压，则能拦阻游向阳极的电子，使阳极荧光粉不发光。真空荧光显示器优点：立体感强、多色彩显示、亮度高、驱动电压低、易与集成电路配套，主要应用在家用电器、办公自动化设备、工业仪器仪表及汽车等各种领域中。,场发射显示器（FED）,FED是利用场致发射冷阴极发射的电子束轰击荧光屏而发光的显示器技术，它跟CRT有很多共同点，只是将C
18、RT的一个电子枪变成每个像素都具有上万个电子发射电极，因此不再需要磁场偏转，同样使用荧光粉发光，因此FED又称为 thin CRT。场发射显示器具有液晶显示器的轻薄和低功耗、CRT显示器的自然逼真的彩色、快速的响应速度和宽广的视角，被视为继液晶、等离子、OLED之后的第四大平板显示技术。友达最早在2011年四季度开始量产FED场发射显示器面板。主要适合医疗、广播所用屏幕等领域。,几种显示器的特点,坏点（dot defect）分辨率亮度对比度灰度色度可视角度响应时间,LCD光学参数简介,坏点(dot defect),所谓坏点,是指液晶显示器上无法控制的恒亮或恒暗的点。坏点的造成是液晶面板生产时因
19、各种因素造成的瑕疵，原因可能是微粒、粉尘（particle）落在面板里面或者静电伤害破坏面板或者是制程控制不良等等坏点分为两种:亮点与暗点亮点就是在任何画面下恒亮的点，切换到黑色画面就可以发现亮点；暗点就是在任何画面下恒暗的点，切换到白色画面就可以发现暗点。一般来说亮点会比暗点更令人无法接受。下面两幅图中分别是LCD显示器上的亮点和暗点。,分辨率,分辨率（resolution）就是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素的多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多。LA上用的LCD的分辨率是1280*800（WXGA
20、）获得高清晰度的图像的三个条件：高分辨率、高亮度和高对比度，这三个条件是获得高质量图像显示所必不可少的。,分辨率,VGA:640*480，全称是Video Graphics Array（视频图像阵列）QVGA:320*240，全称是Quarter VGA(VGA分辨率的四分之一，320*240*4=640*480)HVGA:480*320，全称是Half VGA(VGA分辨率的一半，480*320*2=640*480）WVGA:800*480，全称是Wide VGASVGA:800*600，全称是Supper VGA,色彩,从人的视觉系统看，色彩可用色调、饱和度和亮度来描述。人眼看到的任一彩色
21、光都是这三个特性的综合效果，这三个特性可以说是色彩的三要素，其中色调与光波的波长有直接关系，亮度和饱和度与光波的幅度有关。,亮度,亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱平板显示器的最大亮度，定义为屏幕显示白色RGB（255，255，255）时的亮度值，单位为堪德拉每平米（cd/m2也叫nits，尼特）。一般情况下，环境光亮度越高，显示器的亮度就要求越高。例如，在电影院中，电影亮度有30-45cd/m2就可以了；在室外看则要求画面亮度应达到300cd/m2；,对比度,对比度（C）是指画面上的最大亮度Lmax和最小亮度Lmin之比，即C=Lmax/Lmin(无环境光的前提下)。在实用中都是有
22、环境光线的，所以显示器件必须有足够的亮度才能实现实用状态下的对比度：C=Lmax+L外/Lmin+L内。,对比度为500:1和2500:1两个显示器,灰度,灰度是指图像黑白亮度的层次。灰度的通常表示方法是百分比，范围从0到100。这个百分比是以纯黑为基准的百分比。百分比越高颜色越偏黑，百分比越低颜色越偏白。灰度最高相当于最高的黑，就是纯黑（100%）。灰度最低相当于纯白色（0%），一般人眼可分辨的最大亮度层次为100级。显示字码、图形、表格曲线对灰度没有要求，只要对比度高级可，但显示图像不但要求有足够的对比度，还要要求有丰富的灰度级。,阶调：Gamma,阶调（Gamma）定义：画面亮度随灰阶变
23、化的程度。阶调特性（伽玛特性）是表示从0增加至255的输入信号与输出亮度之间的关系。实际上，在显示器上显示灰度时，能明显观察到这种特性，当显示器的灰度不平均(有条状出现)，图像数据（譬如人的肌肤这样细小的灰度）就不能正确显示。由于阶调特性非常依赖于液晶屏内部的液晶体和液晶控制电路的特性，因此一般在显示器上难以修正。加上不同厂商对不同型号使用的液晶屏有以上差异(甚至在同一型号上使用的液晶屏也有不同)，所以同一色彩在不同显示器上观看会出现不同效果。如上所述，理想的色彩管理显示视器应该拥有平滑的阶调特性、无明显条状，无色彩附着。,色域,所谓的色域，是指显示器的色彩表现范围。色域也称为色彩饱和度，其实
24、就是sRGB色彩空间的色域范围在色度图上的三角形面积与NTSC的面积的比值。大家经常听到的90%NTSC色域，120%NTSC色域就是基于这样的一个原理。显示器（CRT显示器以及液晶显示器）都是基于三原色成像，显示器所呈现的色彩都是三原色的部分集合（每个像素点都包含红绿蓝三种颜色的子像素，这个像素所显示出的颜色正是由这三个子像素按一定亮度比例混合而成），但是并没有办法表达出可见光的所有颜色，而色域值，代表的就是显示器所能呈现的色彩范围。,色度,色调和色纯度合称色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。色纯度是指彩色光所呈现颜色的纯洁程度。对
25、于同一色度的彩色光，其色纯度越高，颜色就越深，或越纯；反之颜色就越淡，纯度越低。色调和色纯度合称色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。色度指得是色彩的鲜艳程度，也叫饱和度（Saturation），是“色彩三属性”之一。如大 红就比玫红更红，这就是说大红的色度要高。将无彩色的黑白灰定为0，最鲜艳定为9s，这 样大致分成十阶段，让数值和人的感官直觉 一致。色度由光线强弱和在不同波长的强度分布有关。最高的色度一般由单波长的强光（例如激光）达到，在波长分布不变的情况下，光强度越弱 则色度越低。,Photoshop中调节色度的效果,可视角度,移动终端彩色平板显示设备可视角度定义为，屏幕对
26、比度至少能达到10:1的可观测范围角度。对于STN材质的彩色显示器，可视角度要求大于以垂直屏幕方向为参考的35度；对于其他材质的彩色平板显示器，可视角度应大于以垂直方向为参考的45度。,响应时间,响应时间（response time）:响应时间包括上升时间 Tr 和下降时间 Tf，LCD显示器响应时间定义为，LCD显示屏显示全白（90%signal level），切换到全黑（10 signal level），再切换回全白（90signal level）所经历的时间。，由全白到全黑叫做上升时间Tr，由全黑到全白叫做下降时间Tf。对于STN材质的彩色显示器，响应时间应低于100ms；对于其他材质的
27、彩色平板显示器，响应时间应低于30ms。电视图像显示时需要小于1/30s的响应时间，一般主动发光型显示期间的响应时间都可小于0.1ms,而非主动发光型LCD的响应时间为10-500ms,在显示快速运动的电视图像时，会出现脱尾或余像，使运动图像模糊。,LUNA/LA/Orange光学参数对比,LCD选料参数评估,Panel sizeBL driver,LCD选料参数评估,Power voltageResolutionBrightness,LCD选料参数评估,View angleInterfaceResponse time,并行LCD接口 MCU、RGB和VSYNC,手机常用LCD接口类型,串行L
28、CD接口 MDDI、MIPI,并行LCD接口,MCU模式目前最常用的连接模式，数据位传输有8位，9位，16位和18位。连线分为：CS/，RS(寄存器选择），RD/，WR/，再就是数据线了。优点是：控制简单方便，无需时钟和同步信号。缺点是：要耗费GRAM，所以只用于QVGA及以下的小屏幕，难以做到大屏。RGB模式大屏采用较多的模式，数据位传输也有6位，16位和18位之分。连线一般有：VSYNC，HSYNC，DOTCLK，VLD，ENABLE，剩下就是数据线。它的优缺点正好和MCU模式相反，优点是易于实现大屏幕，缺点是控制复杂，需要时钟和同步信号。VSYNC模式该模式是在MCU模式下增加了一根VS
29、YNC（帧同步）信号线而已，应用于运动画面更新。,并行LCD接口,MCU和RGB两者区别对于MCU接口主要又可以分为8080模式和6800模式，这个主要是时序的区别；对于RGB接口则可以分为模拟RGB，ADC接口和数字RGB接口。至于需要不需要HSNC，VSNC信号，这个是在RGB接口中，但也要看采用什么样制式的控制驱动模式，也可以不需要的。MCU模式需要的信号有WR，RD，RS，RESET，CS；RGB模式需要的信号有HSYNC，VSYNC，ENABLE，CS，RESET，有的也需要RS。用MCU模式时，数据可以先存到IC（在LCD module中）内部GRAM后再往屏上写，所以这种模式LC
30、D可以直接接在MEMORY的总线上。用RGB模式时，它没有内部RAM，数据直接写到屏上。综上，两者的主要区别如下：MPU接口方式：显示数据写入DDRAM，常用于静止图片显示。RGB接口方式：显示数据不写入DDRAM，直接写屏，速度快，常用于显示视频或动画用。,串行LCD接口,MDDI MDDI全称Mobile Display Digital Interface，移动显示数字接口，主要是由CDMA晶片大厂Quallcomm所发起，目前支援MDDI介面的相关晶片除了Qualcomm以外，还包括有Samsung、Sharp与Epson等等。连线主要是 MDDI_Data，MDDI_Strobe,po
31、wer,GND几根线。MDDI_Strobe 是差分的clock信号。MDDI同时具有基本的序列传输优点：高频宽、布线大大减少、低功耗、差分走 线，较好的EMI效果。驱动器的电流源（通常为3.5mA）来驱动差分线对，由于接收器的直流输入阻抗很高，驱动器电流大部分直接流过100的终端电阻，从而在接收器输入端产生的信号幅度大约350mV。通过驱动器的开关，改变直接流过电阻的电流的有无，从而产生“1”和“0”的逻辑状态。,MDDI的四种工作mode,串行LCD接口,串行LCD接口,MIPI（移动行业处理器接口）是Mobile Industry Processor Interface的缩写。MIPI标准，它由诺基亚、ARM、意法半导体、德州仪器、英特尔、飞思卡尔等终端及方案提供商联合组织并发布此规范。MIPI接口的连线主要是：MIPI_DSI_LANE0、MIPI_DSI_LANE1、MIPI_DSI_LANE2、MIPI_DSI_LANE3、MIPI_DSI_CLK、Reset、Power、GND。MIPI接口的优点：布线大大减少、差分对走线、noise降低、传输速度快、功耗低。,串行LCD接口,LVDS、MDDI和MIPI的对比：,
