深入淺出dpdk（深入淺出液晶顯示系列）

2023-08-03 14:11:40

Author: Jackie Long

液晶顯示器（Liquid Crystal Display, LCD）是以液晶（Liquid Crystal）為基本材料的顯示組件，它通過控制液晶分子兩端的電壓來控制液晶分子的轉動方向，繼而控制每個像素點偏振光透射度而達到顯示目的。而液晶顯示模組（Liquid Crystal Display Module, LCD Module, LCM）是指將液晶顯示器（LCD）、控制驅動晶片、PCB板、背光源、結構件及連接件等諸多部分裝配在一起的組件，因此，LCM與LCD是"包含"關係，LCD只是組成LCM的其中一個部件，如下圖所示：

我們常見的電子計算器、手錶、電話（座機）、電子鐘、電子秤、數字萬用表等產品所以使用的筆段式數字顯示屏都是液晶顯示器件，如下圖所示：

液晶電視、智慧型手機、MP4、平板電腦等產品使用的顯示屏也是液晶顯示器件，LCD應用場合真心不要太多。

那液晶顯示器是如何顯示字符或圖像的呢？我們先來了解一下液晶顯示器的顯示原理，它的基本結構如下圖所示：

液晶分子被上下兩塊製作有透明電極（Electrode）的玻璃（Glass）及四周的環氧樹脂封裝起來（在真空環境下，將液晶分子通過封接邊框上預留的注入口填充，然後使用樹脂膠將注入口封堵），然後在上下玻璃外表面各貼上一塊偏振方向相互垂直的偏光膜（Polarizer），底部再配一塊反射板（Reflector），基本的液晶顯示器件就這樣大功告成了。

在TN液晶屏中（什麼是TN？），玻璃內表面還塗有配向膜（Polymer），並進行了定向處理，配向膜處理的方向與相鄰偏光膜的偏振方向是一致的，液晶分子沿玻璃表面平行排列，由於上下兩片玻璃內表面配向膜定向處理的方向互相垂直，液晶分子在兩片玻璃之間呈 90度的扭曲，這就是扭曲向列（Twisted Nematic, TN）液晶顯示器件名稱的由來。

蝦米？你沒看懂！沒關係，繼續往下看！

要理解液晶顯示器的顯示原理，首先得了解一下光與偏光膜。我們知道，光是一種電磁波（橫波），光波的前進方向與電場及磁場是相互垂直的，同時光波本身的電場與磁場分量，彼此之間也是相互垂直的，而振動方向和光波前進方向構成的平面叫做振動面，如下圖所示：

偏光膜也叫偏振片（Polarizer），它的作用跟百葉窗一般，會濾掉與百葉窗垂直的光分量，僅允許與百葉窗平行的光分量通過（通俗地說，偏振片就是一塊濾鏡）。

當你拿起一塊偏振片對著光源看，感覺像是戴了太陽眼鏡一樣，光線會變得較暗，如下圖所示：

同樣的光源，我們換另一個偏振方向的偏振片，其效果如下圖所示：

如果兩塊偏振片重疊在一起，且偏振方向的相對角度發生變化時，你會發現透過偏振片的光線亮度也會隨之而變化，相對角度越大（最大90度），則光線越暗，如下圖所示：

當兩塊偏振片互相垂直（90度）時，自然光就完全無法透過了，如下圖所示：

這就是液晶顯示器的基本結構中偏光膜存在的意義，如下圖所示：

但是實際應用中，你總不能手動或自動控制偏振片的相對角度來控制透光度吧？因此，我們通常在兩塊偏振片中間注入液晶分子，利用液晶分子的特性來控制透光度！那液晶分子又是如何控制光線的透光量呢？我們先來簡單了解一下液晶。

液晶是一種介於固態和液態之間的有機化合物，不但具有固態晶體光學特性，又具有液態流動特性，它具有黏性（visco-sity）、彈性（elasticity）、極化性（polarizalility）等物理特性。

目前發現的液晶物質已有近萬種，構成液晶物質的分子，大體上呈細長棒狀或扁平片狀，並且在每種液晶相中形成特殊排列。由杆形分子形成的液晶，其液晶相共有三大類：近晶相（Smectic liquid crystals）、向列相（Nematic liquid crystals）和膽甾相（Cholesteric liquid crystals）。【我們主要了解向列相液晶就可以了，其它類型可自行參考相關資料】。

向列相液晶的粘度小且富於流動性，主要是由於向列相液晶各個分子容易順著長軸方向自由移動，不少向列相液晶的粘滯係數是水的粘滯係數的數倍。向列相液晶分子的排列和運動比較自由，對外界作用相當敏感，因而應用廣泛。

從流體力學的觀點來看，液晶的黏性和彈性使其成為具有一定排列性質（有序性）的液體，因此，液晶會依照外部施加作用力量的不同方向，從而會有不同的效果，正如同一堆長木棍扔進流動的河水中，起初會顯得很凌亂，但過了一會兒，隨著長木棍在河水中飄流，所有長木棍的長軸方向都自然的變成與河水流動的方向一致，如下圖所示：

與液晶分子最接近的那一層為配向膜（定向層），當我們將這種液晶分子注入到兩片配向膜之間後，液晶分子就會自然排列成如下圖所示：

上圖中，配向膜可以看成是一道道的槽（溝），槽的方向與鄰近的偏光膜的偏振方向是相同的（也就是說，兩片配向膜的槽也是相互垂直），最接近配向膜的液晶分子就會恰好躺在配向膜1或配向膜2的槽中間，由於液晶分子固有的黏性，液晶分子的狀態就是從上到下扭曲的（就像兩個人給家裡洗完後的被單擰水一樣，一人抓一頭反向用力扭），如下圖所示：

此時液晶分子沒有被施加電場：當入射自然光照射到偏光膜1時，透過偏光膜1的偏振光本來是不能透過偏光膜2的，但是由於液晶分子的存在，自然光透過偏光膜1後，偏振光順著扭曲的液晶分子到達偏光膜2（就像潛望鏡一樣，液晶分子充當導光材料），此時偏振光由於被液晶分子扭曲，其偏光方向恰與另一側偏光膜2的方向一致，這樣偏振光就可以透過偏光膜2了，如下圖所示：

換言之，由於兩片配向膜上的槽互相垂直，位於兩個平面之間的液晶分子被強迫進入90度角的扭轉狀態，當光線順著液晶分子的排列方向傳播時，光線經過液晶分子時也被扭轉了90度。

液晶顯示器的基本結構中有兩層電極層（液晶分子在中間），我們可以利用它對液晶分子施加交流電壓，此時的狀態如下圖所示：

當液晶分子受到外加電場的作用，便很容易的被極化產生感應偶極性（induced dipolar），液晶分子之間將產生相互作用力，繼而使得液晶分子重新排列。此種狀態下的自然光通過偏光膜1後，偏振光不再有液晶分子對光的扭曲傳導（這與偏光膜之間沒有液晶分子的效果是一樣的），偏振光穿過偏光膜1後直射出去，而不發生任何扭轉，但偏振光的偏振方向與另一側偏光膜2的偏振方向是垂直的，因而無法透過偏光膜2。

只要我們控制液晶分子兩端的電壓，就可以控制液晶分子的重新排列程度，就可以控制對光線的偏轉能力來獲得亮暗差別（或者稱為可視光學的對比），繼而達到控制顯示灰階的目的。

如果進一步將電極製作成不同的欄位形狀，就可以看到不同的"黑"色字，這種"黑"色字不是由液晶分子的變色形成的（液晶本身是不發光的），而是光線被遮擋或透射的結果，如下圖所示

由於反射板的存在，當液晶分子兩端沒有施加交流電壓時，入射光直達反射板從而將光線反射出來，我們稱其為"白"狀態。

相反，當液晶分子兩端施加交流電壓時，入射光無法到達反射板，也就沒有反射光的存在，我們稱其為"黑"狀態，如下圖所示：

綜上所述，液晶顯示器件的顯示原理是：液晶棒狀分子在外加電場的作用下，其排列狀態發生變化，使得穿過液晶顯示器件的透光量（也有些文獻上稱為"調製"），從而呈現明與暗的顯示效果。通過控制電壓的大小，改變液晶轉動的角度和光的行進方向，進而達到改變字符亮度的目的。

如果你閱讀得足夠仔細的話，會發現施加在液晶分子兩端的是交流電壓，為什麼不能是直流電壓呢？什麼是"常黑"與"常白"型液晶屏？什麼是STN屏、FSTN屏、CSTN屏、TFT屏？它們與TN屏有什麼聯繫與區別？為什麼有些LCM有背光源，而有些沒有呢？LCM的接口有多少種？什麼是可視角度？後續我們將一一詳細討論：