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(1)液晶面板
液晶面板是液晶显示器的主要组件，占去了液晶显示近80%的成本。目前世界上拥有面板制造技术的厂家并不多，只有 SHARP（夏普）、SANYO（三洋）、三星、LG-Philips、台湾的友达等厂商拥有核心技术，大多数液晶显示器都是用它们的面板来组装生产的。
面板的质量和身价目前分为三档：日本的三洋、夏普属于一档，多被采用在高端的产品上，如：sony,优派，纯净界等,价格也相对高昂；韩国的三星、LG 与Philips属于二级，多数使用在搭配品牌机出售的显示器上；友达等台湾厂商则属于第三档，也是低端液晶经常采用的面板。
(2)坏点
所谓的坏点是液晶面板上，不能正常显示像素点的统称。 液晶面板是由众多显示点组成，*每个显示点上的液晶物质在电信号控制下改变透光同状态完成的。在1024×768分辨率下，液晶板共有786432个显示点，如此多的点很难完全保证个别会出现问题。但以目前技术水平来看如果将有坏点的液晶面板报废，相信液晶显示也只能是橱窗中的天价商品了，因此，坏点的多少成为了面板的分级时的主要依据 。厂商一般会避开坏点分割液晶板，把没有坏点或者极少坏点的液晶面板以较高的价格出售，而坏点数目比较多的则低价卖给小厂生产成廉价的产品。
目前主要的分级标准为：
面板厂商标准：
韩系厂商，3个以下为A级
日系 厂商，5个以下为A级
台系厂商，8个以下为A级
主流液晶显示器品牌准：
AA级：无任何坏点的LCD显示器为AA级。
A级：3个坏点以下，其中亮点不超过一个，且亮点不在屏幕中央区内。
B级：3个坏点以下，其中亮点不超过二个，且亮点不在屏幕中央区内。
(3)关键指标：对比度
液晶面板制造时选用的控制IC、滤光片和定向膜等配件，与面板的对比度有关，对一般用户而言，对比度能够达到350:1就足够了，但在专业领域这样的对比度平还不能满足用户的需求。相对CRT显示器轻易达到500：1甚至更高的对比度而言。只有高档液晶显示器才能达到，MAYA的V500的500：1，纯净界ezm19f2的600：1。由于对比度很难通过仪器准确测量，所以挑的时候还是要自己亲自去看才行。 【www.fpdclub.net】
(4)亮度 液晶是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能发光的，需借助要额外的光源才行。因此，灯管数目关系着液晶显示器亮度。最早的液晶显示器只有上下两个灯管，发展到现在，普及型的最低也是四灯，高端的是六灯。 四灯管设计分为三种摆放形式：一种是四个边各有一个灯管，但缺点是中间会出现黑影，解决的方法就是以纯净界为代表，由上到下四个灯管平排列的方式，最后一种是“U”型的摆放形式，其实是两灯变相产生的两根灯管。 六灯管设计实际使用的是三根灯管，厂商将三根灯管都弯成“U”型，然后平行放置，以达到六根灯管的效果。
(5)信号响应时间 响应时间指的是液晶显示器对于输入信号的反应速度，也就是液晶由暗转亮或由亮转暗的反应时间,通常是以毫秒（ms）为单位。信号相应时间分为两个部分即“上升时间”和“下降时间”，而我们所说的响应时间指的就是两者之和。响应时间越小越好。时间越小用户在看移动画面时就越不会出现类似残影或者拖尾的痕迹。按照人眼的生理特点，响应时间如果超过40毫秒（＜1000÷40＝25帧/秒），就会出现运动图像的迟滞现象。所以目前市场上响应时间最低的接受范围是30ms，这也是现在的液晶显示器较多的标识。一些更好的面板可以达到25ms或20ms，甚至更高的16ms。
有一些厂商在标示时会只写出了上升时间或下降时间，一混淆视听，所以一定要问清所标数值的性质。
(6)可视角度 液晶的可视角度是一个让人头疼的问题，当背光源通过偏极片、液晶和取向层之后，输出的光线便具有了方向性。也就是说大多数光都是从屏幕中垂直射出来的，所以从某一个较大的角度观看液晶显示器时，便不能看到原本的颜色，甚至只能看到全白或全黑。为了解决这个问题，制造厂商们也着手开发广角技术，到目前为止有三种比较流行的技术，分别是：TN+FILM、IPS(IN-PLANE -SWITCHING)和MVA(MULTI-DOMAIN VERTICAL alignMENT)。
TN＋FILM这项技术就是在原有的基础上，增加一层广视角补偿膜。这层补偿膜可以将可视角度增加到150度左右，是一种简单易行的方法，在液晶显示器中大量的应用。不过这种技术并不能改善对比度和响应时间等性能，也许对厂商而言，TN+FILM并不是最佳的解决方案，但它的确是最廉价的解决方法，所以大多数台湾厂商都用这种方法打造15寸液晶显示器。 IPS(IN-PLANE -SWITCHING，板内切换)技术，号称可以让上下左右可视角度达到更大的170度。IPS技术虽然增大了可视角度，但采用两个电极驱动液晶分子，需要消耗更大的电量，这会让液晶显示器的功耗增大。此外致命的是，这种方式驱动液晶分子的响应时间会比较慢。
MVA(MULTI-DOMAIN VERTICAL alignMENT，多区域垂直排列)技术，原理是增加突出物来形成多个可视区域。液晶分子在静态的时候并不是完全垂直排列，在施加电压后液晶分子成水平排列，这样光便可以通过各层。MVA技术将可视角度提高到160度以上，并且提供比IPS和TN+FILM更短的响应时间。这项技术是富士通公司开发的，目前台湾奇美（在大陆奇丽是奇美的子公司）和台湾友达获得授权使用此技术。
可视角度分为平行和垂直可视角度，水平角度是以液晶的垂直中轴线为中心，向左和向右移动，可以清楚看到影像的角度范围。垂直角度是以显示屏的平行中轴线为中心，向上和向下移动，可以清楚看到影像的角度范围。可视角度以“度”为单位，目前比较常用的标注形式是直接标出总水平、垂直范围，如：150/120度，目前最低的可视角度为120/100度（水平/垂直），低于这个值则不能接受，最好能达到150/120度以上。
实用液晶屏产品及相关技术
摘要：介绍LCD的分类、选型、背光及一些指标，详细讨论触屏的类别和具体实现。
关键词：LCD；触摸屏
一、概述
液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年被奥地利植物学家发现。它是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态。既具有晶体所具有的各向异性造成的双折射性，又具有液体所特有的流动性。一般可分热致液晶和溶致液晶两类。显示应用领域使用的是热致液晶，温度低了，出现结晶，温度高了，就变成液体。液晶显示器件(LCD)所标注的存储温度指的就是呈现液晶态的温度范围。液晶由于它的各向异性而具有电光效应，尤其是具有扭曲向列效应和超扭曲效应，因此，可以制造出不同类型的显示器件，可直接与大规模集成电路结合开发出一系列具有便携显示功能的产品。液晶显示器件诞生至今不过二十多年，产品已经更新了四代。目前扭曲向列型液晶（TN）即将被淘汰，超扭曲向列型（STN）和有源矩阵型（TFT）已经成熟普及。铁电型（FELCD）和多稳态型液晶显示（MLCD）开始出现，其产品寿命大约为10 000至15 000个小时。
二、常用液晶屏分类
液晶显示器件有以下特点：①低压微功耗；②平板型结构；③被动显示（不怕光冲刷、无眩光，不刺激人眼）；④显示信息量大（像素小）；⑤易于彩色化（一般使用滤色法和干涉法，使其在色谱上得到准确的复现）；⑥无电磁辐射和X射线（利于信息保密，对人体安全）；⑦长寿命（液晶背光寿命有限，不过可更换背光部分）。
几种常见液晶类型的原理。
(1) TN（Twist Nematic）即扭曲向列型液晶。将涂有透明导电层的两片玻璃基板间夹上一层正介电异向性液晶，液晶分子沿玻璃表面平行排列，排列方向在上下玻璃之间连续扭转90°。然后上下各加一偏光片，底面加上反光片，基本就构成了TN型液晶。
(2) STN（Super TN）型液晶，跟TN型结构大体相同，只不过液晶分子扭曲180°，还可以扭曲210°或270°等，特点是电光响应曲线更好，可以适应更多的行列驱动。
(3) TN或STN型液晶，一般是对液晶盒施加电压，达到一定电压值，对行和列进行选择，出现“显示”现象，所以行列数越多，要求驱动电压越高，因此往往TN或STN型液晶要求有较高的正极性驱动电压或较低的副极性电压，也因为如此，TN和STN型液晶难以做成高分辨率的液晶模块。
(4) DSTN(Double STN)液晶，上下屏分别由两个数据通道传送数据，由于很多液晶屏内部增加了驱动电源的变换部分，所以无需外部输入高驱动电压，通常可以实现单电源供电。STN(DSTN)液晶只可以实现伪彩色(一般人眼可以分辨218色即262144色，所以达到218色和超过218色的被称之为真彩色，否则称之为伪彩色)显示，可以实现VGA、SVGA等一些较高的分辨率，但由于构成它们的矩阵方式是无源矩阵，每个像素实际上是个无极电容，容易出现串扰现象，从而不能显示真正的活动图像。
(5) TFT（Thin Film Transistor）为薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器件，在每个像素点上设计一个场效应开关管，这样就容易实现真彩色、高分辨率的液晶显示器件。现在的TFT型液晶一般都实现了18bit以上的彩色(218色)，在分辨率上，已经实现VGA(640×480)、SVGA(800×600)、XGA(1024×768)、SXGA(1280×1024)甚至UXGA(1600×1200)。
液晶显示模块（LCD Module）简称“LCM”,是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件装配在一起的组件。
三、选型注意事项
液晶屏的选型包括LCD类型、品牌与价格、供货、分辨率与尺寸、温度与亮度、接口方式等关键指标。常见液晶分为以下几类：段式、字符型和图形点阵。段式液晶的每字为8段组成，即8字和一点，只能显示数字和部分字母，如要显示其他少量字符、汉字，需要厂家将所要显示的内容固化在指定的位置。字符型液晶用于显示字符和数字的，也可用上述方法显示少量字符、汉字。
TN类液晶用于生产字符型液晶模块；STN(DSTN)类液晶模块一般为中小型，既有单色的，也有伪彩色的；TFT类液晶，则从小到大都有，基本上为真彩色显示模块。除了TFT类液晶外，一般小液晶屏都内置控制器，直接提供MPU接口；而大中液晶屏，要想控制其显示，都需要外加控制器。
动态显示汉字和图形需要选择图形点阵式液晶，如果使用单片机控制（控制能力有限），可选择640×480以下的单色、320×240以下的伪彩色；如果使用PC、IPC，只要有液晶显示部分或外加显示控制，就可选择不带内置控制器的单色、伪彩色和真彩色液晶。由于LCD的分辨率在物理上是固定的，满屏显示一般只能以其固有的分辨率显示，与CRT不同。
工作温度范围一般指常温（0℃～50℃）或宽温（-20℃～70℃范围以外），很多字符型液晶及小图形点阵液晶有常温型和宽温型的，而大图形点阵的液晶宽温型比较少见。
亮度单位为cd/m2或叫Nit(尼特)，大部分TN、STN(DSTN)液晶的亮度不超过100cd/m2，但是目前比较常用的5～6英寸的伪彩色STN屏的亮度为130cd/m2左右，TFT类液晶的亮度一般为150cd/m2以上。另外夏普公司的LVM系列投影类产品，其亮度可以高达1000 cd/m2以上。
根据笔者调研和查询情况，夏普公司可以提供较为全面的各系列液晶显示平板，并且国内各大代理公司也可以提供与之配套的各种附件（控制接口电路和逆变器等）和技术支持，其产品分类可见本文附录。
EPSON公司可以提供针对各类显示屏的图形控制接口芯片，这些芯片可以为开发者提供极大的方便，大大减少了开发周期和代价，并且可以使最终产品具有非常灵活的使用范围。例如该公司最新推出的SED1354\55\56系列产品，可以使需要显示的数据通过数据总线传送到该芯片，根据寄存器设置，可以驱动包括数字RGB、模拟RGB和普通视频接口的各种显示器件。具体型号和技术指标见附录。
四、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器，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。
字符类液晶一般为LED背光，以黄颜色（红、绿色调）为主。一般为 + 4.2V驱动。LED背光寿命可达10万小时。
单色STN中小点阵液晶，多用LED或EL背光，EL背光具有低功耗、面光源、成型容易、色彩美观等特点，需要高压交流电驱动，以黄绿色（红、绿、白色调）常见。是功耗最低的一种背光。一般用400～800Hz、70～100V的交流驱动，建议使用专业逆变电源驱动，如：SDEC1003。
中大点阵STN液晶和TFT类液晶，多为冷阴极背光灯管（CCFL/CCFT），需要高压交流电源供电，背光颜色为白色（红、绿、蓝色调）。300V以上的交流驱动，建议使用日本TDK公司专用逆变电源，如：CXA-L10A、CXA-L10L等。
五、触摸屏介绍
目前触屏的制造商包括美国的ELO、MicroTouch、Keytec公司；英国的Intasolve公司；日本的Minato和Carrolltouch、中国台湾的Ingenious Technology公司等，主要面向电阻、电容和表面声波屏。中国内地开发红外触屏的主要有北京汇冠。五线电阻屏较为流行的是美国Elo和Microtouch品牌。四线电阻屏较流行的是中国台湾的四线电阻屏和内地南方的国产四线电阻屏。
1．电阻式触屏
（1）四线触屏的原理和控制
四线电阻式触屏的结构如图 1所示。
四线式触屏的控制主要由A/D转换器(ADC)，一个二极管(D1)和四个开关管（Q1、Q2、Q3、Q4）组成。在触屏不处在触摸状态时，将Q1、Q2、Q3置为截止态，Q4为导通。一旦出现触摸动作，触屏经由D1产生一中断信号给MPU，MPU立即使Q1导通，在X轴方向上形成电流回路，启动ADC的CH0通道经由Y1即可读到X轴的坐标值；同样关闭Q1和Q4，打开Q2和Q3，启动ADC的CH1通道经由X1可读到Y轴的坐标值。用户购买触屏时，可直接选配控制器，常见控制器接口有COM串口、PS/2和PC-BUS几种类型，一般厂家可提供DOS、WINDOWS9X和WINDOWSNT的驱动程序。
常见ADC有：①MAXIM公司的MAX1249或MAX1247-四通道12位A/D转换器，串行输入输出，带内部时钟；低功耗，转换速度为133ksps。②TI公司的ADS7843/7846—内置一只二极管用于中断通道和四个开关管，开关状态通过控制字设置，串行输入输出。③MICROCHIP公司的PIC16C71X系列带MPU、EPROM、RAM、8位4通道ADC、13个I/O口及4个中断口的微处理器，在线串口编程。
（2）五线电阻触屏
五线电阻触屏的结构见图 4，除具有四线触屏的特点外，还具有高分辨率和高速传输反应、只需一次校正、稳定性高、MTBF(单点点击)＞3500万次等特性。
常见ADC有TI公司的ADS7845—12位A/D转换器，最高到125kHz的转换率。
2．表面声波触屏
表面声波触屏的触屏部分是一块强化玻璃板，安装在屏幕的前面。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。工作原理以右上角的X轴发射换能器为例：发射换能器把控制器通过触屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X 轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。当手指或其他能够吸收或阻挡声波能量的物体（不能为坚硬的物体）触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，控制器再根据相应的数据计算出手指的位置。除了能响应X、Y坐标外，它还响应Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小。其主要特点是：性能稳定、反应速度快、清晰美观、抗暴、超高透光率，触摸准确，但容易受灰尘和水的干扰。主要为国产TPS触屏和进口ELO触屏两种。
3．电容式触屏
电容式触屏是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。此外，在附加的触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。用户触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个“耦合电容”，【www.fpdclub.net】四边电极发出的电流会流向触点，而电流的强弱与手指及电极间的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。其特点为触摸准确度较高，抗干扰能力较强（但怕静电干扰）。主要代表为美国MicroTouch公司。
4．红外线触屏
该技术是指通过红外线发射与接收感测元件在透明介质上形成红外线探测网，利用触摸体阻隔红外线的工作方式进行坐标点测定工作的技术。现在的红外触屏在技术性能参数上已基本达到其他触屏的水平。红外线式触屏安装简单，只需为显示器加上光点距架框，无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器。光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，计算机便可即时算出触摸点位置。外界光线变化，如阳光或室内射灯等均会影响红外线触屏的准确度，且它不防水及污物，甚至细小的外来物也会导致误差，不适宜放置于户外。
液晶显示器件的特点及其原理
文章来源：广州市光学光电子行业协会
在平板显示器件领域，目前应用较广泛的有液晶(LCD)、电致发光显示(EL)、等离子体(PDP)、发光二极管(LED)、低压荧光显示器件(VFD)等。
液晶显示器件有以下一些特点 ①低压微功耗，②平板型结构，③被动显示型（无眩光，不刺激人眼，不会引起眼睛疲劳），④显示信息量大（因为像素可以做得很小），⑤易于彩色化（在色谱上可以非常准确的复现），⑥无电磁辐射（对人体安全，利于信息保密），⑦长寿命（这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长，但是液晶背光寿命有限，不过背光部分可以更换）。
液晶，是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。一般可分热致液晶和溶致液晶两类。在显示应用领域，使用的是热致液晶，超出一定温度范围，热致液晶就不再呈现液晶态，温度低了，出现结晶现象，温度升高了，就变成液体；液晶显示器件所标注的存储温度指的就是呈现液晶态的温度范围。液晶由于它的各向异性而具有的电光效应，尤其扭曲向列效应和超扭曲效应，所以能制成不同类型的显示器件(Liquid Crystal Display 简称LCD)。下面就介绍几种常见液晶类型的原理：
TN（Twist Nematic）即扭曲向列型液晶。将涂有透明导电层的两片玻璃基板间夹上一层正介电异向性液晶，液晶分子沿玻璃表面平行排列，排列方向在上下玻璃之间连续扭转90°。然后上下各加一偏光片，底面加上反光片，基本就构成了TN型液晶。
STN（Super TN）型液晶，跟TN型液晶结构大体相同，只不过液晶分子不是扭曲90°而是扭曲180°，还可以扭曲210°或270°等，其特点是电光响应曲线更好，可以适应更多的行列驱动。
TN或STN型液晶，一般是对液晶盒施加电压，达到一定电压值，对行和列进行选择，出现“显示”现象，所以行列数越多，要求驱动电压越高，因此，往往TN或STN型液晶要求有较高的正极性驱动电压或较低的副极性电压，也因为如此，TN和STN型液晶难以做成高分辨率的液晶模块。
STN(Double STN)液晶，上下屏分别由两个数据通道传送数据，很多液晶屏由于其内部增加了驱动电源的变换部分，所以外部无须输入高驱动电压，通常可以实现单电源供电。
到目前为止，STN(DSTN)液晶只可以实现伪彩色(一般人眼可以分辨218色即262144色，所以达到218色和超过218色的被称之为真彩色，否则称之为伪彩色)显示，可以实现VGA、SVGA等一些较高的分辨率，但由于构成它们的矩阵方式是无源矩阵，每个象素实际上是个无极电容，容易出现串扰现象，从而不能显示真正的活动图像，而TFT液晶则彻底解决了这个问题。
TFT（Thin Film Transistor）为薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器件，在每个像素点上设计一个场效应开关管，这样就容易实现真彩色、高分辨率的液晶显示器件。现在的TFT型液晶一般都实现了18bit以上的彩色(218色)，在分辨率上，实现VGA(640×480)、SVGA(800×600)、XGA(1024×768)、SXGA(1280×1024)甚至UXGA(1600×1200)都已成为现实。 |
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发表于 2004-12-6 13:15:05
