液晶显示屏：工作原理、分类与选购指南
液晶显示屏：工作原理、分类与选购指南
液晶显示屏（LCD）是一种常见的平面显示器，广泛应用于各种电子设备中。本文将详细介绍液晶显示屏的工作原理、分类、应用领域以及选购和维护保养要点，帮助读者全面了解这一重要显示技术。
液晶显示屏
液晶显示屏，英文通称为LCD（Liquid Crystal Display），属于平面显示器的一种，是以液晶材料为基本组件，在两块平行板之间填充液晶材料，通过电压来改变液晶材料内部分子的排在列状况，以达到遮光和透光的目的来显示深浅不一，错落有致的图象，而且只要在两块平板间再加上三元色的滤光层，就可实现显示彩色图象。
工作原理
液晶显示的原理是液晶在不同电压的作用下会呈现不同的光特性。液晶在物理上分成两大类，一类是无源Passive的(也称被动式)，这类液晶本身不发光，需要外部提供光源，根据光源位置，又可以分为反射式和透射式两种。Passive液晶显示的成本较低，但是亮度和对比度不大，而且有效视角较小，彩色无源液晶显示的色饱和度较小，因而颜色不够鲜艳。另一类是有电源的，主要是TFT (Thin Film Transitor)。每个液晶实际上就是一个可以发光的晶体管，所以严格地说不是液晶。液晶显示屏就是由许多液晶排成阵列而构成的，在单色液晶显示屏中，一个液晶就是一个象素，而在彩色液晶显示屏中则每个象素由红绿蓝三个液晶共同构成。同时可以认为每个液晶背后都有个8位的寄存器，寄存器的值决定着三个液晶单元各自的亮度，不过寄存器的值并不直接驱动三个液晶单元的亮度，而是通过一个”调色板”来访问。 为每个象素都配备一个物理的寄存器是不现实的，实际上只配备一行的寄存器，这些寄存器轮流连接到每一行象素并装入该行内容，将所有象素行都驱动一遍就显示一个完整的画面(Frame)。
液晶从形状和外观看上去都是一种液体，但它的水晶式分子结构又表现出固体的形态。像磁场中的金属一样，当受到外界电场影响时，其分子会产生精确的有序排列；如对分子的排列加以适当的控制，液晶分子将会允许光线穿透；光线穿透液晶的路径可由构成它的分子排列来决定，这又是固体的一种特征。液晶是一种有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下，这些棒状分子的长轴大致平行。
LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。
LCD第一个特点是必须将液晶灌入两个列有细槽的平面之间才能正常工作。这两个平面上的槽互相垂直（90度相交），也就是说，若一个平面上的分子南北向排列，则另一平面上的分子东西向排列，而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播，所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时，分子便会重新垂直排列，使光线能直射出去，而不发生任何扭转。LCD的第二个特点是它依赖极化滤光片和光线本身，自然光线是朝四面八方随机发散的，极化滤光片实际是一系列越来越细的平行线。这些线形成一张网，阻断不与这些线平行的所有光线，极化滤光片的线正好与第一个垂直，所以能完全阻断那些已经极化的光线。只有两个滤光片的线完全平行，或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光片相匹配，光线才得以穿透。LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光片构成，所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是，由于两个滤光片之间充满了扭曲液晶，所以在光线穿出第一个滤光片后，会被液晶分子扭转90度，最后从第二个滤光片中穿出。另一方面，若为液晶加一个电压，分子又会重新排列并完全平行，使光线不再扭转，所以正好被第二个滤光片挡住。
应用
液晶显示凭借其在其它显示屏所不具备的高清晰度、高亮度、高对比度、高色彩饱和度等一系列高画质显示优势受到用户的高度青睐，被广泛的应用安防、娱乐、广告等众多行业领域。
分类
液晶显示屏依驱动方式来分类可分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）以及主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。其中，被动矩阵型又可分为扭转式向列型（Twisted Nematic；TN）、超扭转式向列型（Super Twisted Nematic；STN）及其它被动矩阵驱动液晶显示器；而主动矩阵型大致可区分为薄膜式晶体管型（Thin Film Transistor；TFT）及二端子二极管型（Metal/Insulator/Metal；MIM）二种方式。
TN、STN及TFT型液晶显示器因其利用液晶分子扭转原理之不同，在视角、彩色、对比及动画显示品质上有高低程次之差别，使其在产品的应用范围分类亦有明显区隔。
1、TN LCD
TN（Twisted Nematic扭曲向列型）面板，是显示屏屏幕的一种类型。由于低廉的生产成本使TN成为了应用最广泛的入门级液晶面板，TN LCD通常应用于低路数产品中，一般是白底黑字的字段或图案显示，。TN LCD有较好的对比度，驱动条件也不复杂。常见的有手表、计数器以及其他简单的仪器。
2、STN LCD
STN（Super Twisted Nematic超扭曲向列）有CSTN和DSTN之分，属于反射式LCD器件，功耗较小，相比TFT－LCD屏幕在产品待机时间上长，然而这却是以牺牲其他方面性能作为代价的。STN屏幕画面显示较之TFT屏幕逊色不少，在色彩鲜艳度与画面明亮度两方面的差异尤为明显，所以STN屏幕在户外等日光环境下很难使用。STN屏幕显示响应时间较慢，约200毫秒，在播放动画时拖尾现象严重。 STN－LCD屏幕通常出现在较早期推出的中低端彩屏MP3、MP4产品上，很多千元以下的4096色彩屏MP3常采用这种液晶面板，在新产品中已经较少看到，相信在日后会逐渐被其它技术取代。
3、TFT LCD
TFT（Thin Film Transistor薄膜晶体管）是有源矩阵型液晶显示屏幕(AM-LCD)中的一种，TFT－LCD屏幕在基板的背部设置特殊光源，可以“主动的”对屏幕上的各个独立的象素进行控制，这也就是所谓主动矩阵TFT（active matrix TFT）的来历，这样可以大大的提高显示响应时间，一般TFT的反映时间比较快，小于80ms。而且由于TFT是主动式矩阵LCD，可让液晶的排列方式具有记忆性，不会在电流消失后马上恢复原状。TFT还改善了STN－LCD模糊闪烁（水波纹）的现象，有效的提高了播放动态画面的能力。和STN相比TFT有出色的色彩饱和度、色彩还原能力和更高的对比度。缺点是比较耗电，生产成本比较高。
TFT LCD液晶屏幕是目前最为主流的液晶显示类型，在桌面液晶显示器、笔记本电脑、电视、手机等产品上得到普遍应用。
4、LTPS TFT-LCD
LTPS（Low Temperature Polycrystalline Silicon，低温多晶硅）TFT-LCD技术，是由TFT LCD衍生的新一代的技术产品。LTPS屏幕是通过对传统非晶硅（a-Si）TFT-LCD面板增加激光处理制程来制造的。LTPS屏幕的激光处理制程是利用激光器熔化液晶材料并对其进行再结晶，与a-Si TFT-LCD的未结晶硅相比，它可以在晶体管中实现快得多的（约99倍）电子流速度，从而获得更高的分辨率和更丰富的色彩。LTPS LCD提供了比其他LCD技术更大的设计上的灵活性，允许把更小的晶体管放置在LCD面板上。因此，它最大限度地减少了屏幕外围电路所占用的空间。
LTPS-LCD模块中的元件数量可减少40%，而连接部分更可减少95%，极大的减少了产品出现故障的几率。此外，LTPS显示屏幕在能耗及耐用性方面都有极大改善。在显示参数上，LTPS低温多晶硅已经有了很大突破，水平和垂直可视角度都可达到170度，显示响应时间达12ms，显示亮度达到500尼特，对比度可达500：1。
LTPS－LCD技术已经诞生多年，并且在性能上占有诸多优势。由于传统a-SI TFT技术经过近年的发展已经非常成熟，而LTPS TFT液晶屏幕的制造需要高于制造传统TFT-LCD的技术水平，目前全球有能力制造的厂商数量较少，使得LTPS TFT液晶屏幕的生产和采购成本比较高。所以目前市场上采用LTPS液晶屏幕的产品并不多见。
选型指南
- 使用环境
考虑使用环境：温度、光照、湿度、机械强度等因素。
工作温度：液晶屏工作温度范围一般指常温（0℃～50℃）或宽温（-20℃～70℃范围以外），工业液晶屏为符合特殊环境应用，其工作温度可达到-30℃-80℃。
亮度：亮度值愈高，画面自然更亮丽，不会朦胧雾雾。液晶屏亮度单位为cd/m2或叫Nit(尼特)，在面对不同的应用环境，例如室外、船载及一些特殊场所中，对液晶屏的亮度有着较高的要求。
根据适用环境光照情况：
a)、反射型（无背光，有照明或白天使用），适合光线强的室外。
b)、透反射型（有背光，有光照或黑暗中），可以据光线开闭背光，适合室外。
c)、透射型（有背光，有光照或黑暗中），背光必须开，不适合室外。
对于湿度大、机械震动强度高的：建议采用TAB或COG产品，连接方式比较可靠，不易发生霉蚀。COB由于靠导电胶条连接，抗震能力较弱，另外PCB金手指部分易发生霉蚀。
2、液晶屏背光选择
液晶屏背光选择：液晶从另一方面又可分为透射式、反射式、半反半透式三类，因为液晶为被动发光型显示，所以必须有外界光源才会显示，透射式液晶必须加上背景光，反射式液晶需要较强的环境光线，半反半透式液晶要求环境光线较强或加背光。液晶的背景光通常有三种：LED、EL和CCFL(冷阴极发光)。
冷阴极荧光灯CCFL是采用冷阴极代替钨丝等热阴极的低气压汞、稀有气体放电灯，在强电场的作用下，依靠离子轰击由镍、钽和锆等金属组成的电极来发射电子，使汞原子激发和电离，形成丰富的253.7nm紫外线和足够的电流，紫外辐射再激发管壁上的荧光粉涂层而发光。因荧光物质的组成材料不同，故能发出不同颜色的光。它具有高亮度、高效率、低能耗、长寿命，以及长时间有效发光等优点。防震性能好，可重复亮灯熄灭，可在低温下自如启动。与热阴极型荧光灯相比，发热量低且管径细小，可方便作为各种液晶显示屏的照明用光源。
几种背光比较：
CCFL适合大中型透射型液晶，需要导光板，亮度高，寿命长，需要逆变器。
LED适合中小型液晶，需要导光板，亮度高，寿命可达5万小时，通常不需要专用电源。
EL适合中小型液晶，超薄（<0.4MM），亮度低，功耗低，寿命短（2000小时）。
3、接口方式选择
根据CPU资源，选择接口方式，是否液晶模组内置控制器。
现在很多ARM芯片内部有液晶控制器，可以综合考虑成本，选择合适的液晶模组。
通常，128行以下的液晶模组，不需要专门的液晶控制器，这类液晶驱动IC是将驱动和控制集成在一起的。128行以上到240行通常采用驱动IC+控制IC的方式。
STN和FSTN的比较：FSTN速度较快，对比度和视角较好，适合于高行数，成本比STN高10~20%，颜色和底色略有区别。
TAB和COB的比较：TAB连接可靠，结构超薄，功耗很低，结构强度低，抗冲击弱。COB结构强度高，结构笨重，连接方式较差，功耗大，适合台式机。
维护保养
在清洁液晶屏时，千万不可随意用任何碱性溶液或化学溶液擦拭屏幕表面。液晶面板的污迹大体分为两种，一种是因为日积月累所粘留的空气中的灰尘，一种是使用者在不经意中留下的指纹和油污。很多人在清洁液晶屏幕时存在误区，家电专家提醒，若是不注意，这些细节对液晶都有一定损坏。
1.用一般软布或纸巾来擦拭液晶屏幕。千万不能用一般软布（如眼镜布）或纸巾来擦拭液晶屏幕，对于柔软的液晶屏幕而言，它们的表面还是太粗糙了，很容易划伤娇气的液晶屏幕。
2.用清水清洁液晶屏幕。使用清水清洁时，液体极易滴入液晶屏幕内部，这样会造成设备电路短路，从而烧坏昂贵的电子设备。
3.用酒精和其他化学溶剂清洁液晶屏幕。液晶屏幕都在屏幕上涂有特殊的涂层，一旦使用酒精擦拭显示器屏幕，就会溶解这层特殊的涂层，对显示效果造成不良影响。
故障排除
液晶屏显示异常或不显示
第一招：检查显示器与显卡的连线是否松动。接触不良会导致出现“杂波”、“杂点”状的花屏是最常见的现象。
第二招：检查显卡是否过度超频。若显卡过度超频使用，一般会出现不规则、间断的横纹。这时，应该适当降低超频幅度。注意，首先要降低显存频率。
第三招：检查显卡的质量。若是更换显卡后出现花屏的问题，且在使用第一、二招未能奏效后，则应检查显卡的抗电磁干扰和电磁屏蔽质量是否过关。具体办法是：将一些可能产生电磁干扰的部件尽量远离显卡安装（如硬盘），再看花屏是否消失。若确定是显卡的电磁屏蔽功能不过关，则应更换显卡，或自制屏蔽罩。
第四招：检查显示器的分辨率或刷新率是否设置过高。液晶显示器的分辨率一般低于CRT显示器，若超过厂家推荐的最佳分辨率，则有可能出现花屏的现象。
第五招：检查是否安装了不兼容的显卡驱动程序。这种情况一般容易被忽视，因为显卡驱动程序的更新速度越来越快（尤其是NVIDIA显卡），有些用户总是迫不及待地安装最新版本的驱动。事实上，有些最新驱动程序要么是测试版本、要么是针对某一专门显卡或游戏进行优化的版本，使用这类驱动有时可能导致花屏的出现。所以，推荐大家尽量使用经过微软认证的驱动程序，最好使用显卡厂家提供的驱动。
第六招：若使用以上五招后，仍然不能解决问题，则有可能是显示器的质量问题。此时，请更换其他显示器进行测试。