成像光学：LCD的工作原理与结构图解

成像光学：LCD的工作原理与结构图解

LCD（液晶显示器）是目前主流的显示技术之一，广泛应用于手机、电视、电脑显示器等各种设备中。本文将从LCD的工作原理和结构入手，详细介绍其堆叠结构、发光原理和像素电路工作原理，并通过硬件框图展示其在手机和车载设备中的应用。

一、主流显示面板技术：LCD、OLED、MicroLED

在显示技术领域，LCD、OLED和MicroLED是目前主流的三种显示面板技术。其中，LCD凭借其成熟的技术和较低的成本，仍然占据着市场的主导地位。OLED和MicroLED则以其自发光、高对比度和高色域等优点，逐渐在高端市场中占据一席之地。

二、主流显示屏的发展趋势

随着显示技术的不断发展，主流显示屏的发展趋势呈现出以下几个特点：

1. 高分辨率：从早期的VGA、XGA到现在的4K、8K，显示分辨率不断提高，为用户带来更清晰的视觉体验。
2. 高刷新率：为了提升动态画面的流畅度，显示设备的刷新率从60Hz逐渐提升至90Hz、120Hz甚至更高。
3. 低功耗：随着移动设备的普及，低功耗成为显示技术的重要发展方向。OLED和MicroLED由于其自发光特性，在功耗方面具有明显优势。
4. 柔性显示：柔性显示技术的发展使得显示设备可以实现弯曲、折叠等形态，为未来显示设备的设计提供了更多可能性。

三、LCD堆叠结构（以比较流行的TFT-LCD为例）

LCD的堆叠结构主要包括以下几个部分：

• 背光：提供光源
• 下偏光片（polarizer）：将自然光转换为偏振光
• TFT Glass（薄膜晶体管，thin film transistor）：控制液晶分子的偏转方向
• CF Glass（彩色滤光片，color filter）：实现色彩显示
• 上偏光片：过滤掉未通过液晶层的光

四、LCD发光原理

LCD的发光原理基于液晶分子对光的偏振方向的控制。具体过程如下：

1. 背光发射的白光：光源发出的白光经过下偏光片后，被转换为偏振光。
2. 液晶层控制光的透过量：在外加电场的作用下，液晶分子发生偏转，改变光的偏振方向，从而控制光的透过量。
3. 彩色滤光片实现色彩显示：透过液晶层的光经过彩色滤光片，形成红、绿、蓝三原色，最终在上偏光片的作用下，形成可见的图像。

沿光路方向描述：

• 背光发射的白光 → 偏光片（自然光转换成偏振光）→ 液晶层（控制电压大小，来改变液晶偏转方向，从而控制光穿过的“量”）→ 彩色滤光片（彩色光）

五、LCD像素电路工作原理

LCD的像素电路主要由以下几个部分组成：

• 寻址信号Gate：加载到SW_TFT(T1)的栅极，控制其导通/开关管T1。
• 数据信号Source：通过T1，直接加载到Cst（存储）和LC（控制液晶偏转）上。
• 储存电容Cst：给TFT栅极提供一定时间的高电平，能让Source信号可以持续到下一次寻址。

六、硬件框图

LCD的硬件框图主要分为三个大的部分：接口部分、电源管理部分和信号传输或处理部分。

手机LCD硬件框图

• 接口部分：LVDS接口
• 电源管理部分：DC-DC、Vcom Driver、Gamma
• 信号处理部分：Tcon

车载LCD硬件框图（有MCU）

• 接口部分：LVDS
• 电源管理部分：DC-DC、LDO
• 信号传输或处理部分：解串器、MCU

在车载设备中，由于需要更高的可靠性和稳定性，通常会增加MCU（微控制器）来控制LCD的信号，使其成为主动器件。