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【原创文章】浅谈液晶显示技术

发布时间:2019-12-30

作者:谷雨

“世界要是没有光,
也就没有扬花飞絮的春天,
也就没有百花争艳的夏天,
也就没有金果满园的秋天,
也就没有大雪纷飞的冬天。”

艾青在一首《光的赞歌》里,热情洋溢地赞美了光。在他的笔下,光是照亮世界的媒介,是看透本质的帮手,是发人觉醒的指引。光的重要性不言而喻,它给人以温暖与光明,倘若这世上没了光,人类的生活将无法想象。

那么光究竟是什么呢?这是一个争论了几个世纪的话题。早期惠更斯提出了光的波动理论,认为光的运动不是物质微粒而是媒介的运动,即波动,并由此推导出了经典的反射与折射定律。随后,大科学家牛顿认为,光就是一束束粒子,由一些非常小的看不见的粒子构成。于是,波动派和粒子派的支持者们各自做了大量的研究,试图说服对方,但由于各自的理论存在着无法解释的现象,光的本质一直未下定论。正当两派争辩火热的时候,德布罗意站了出来,他指出,光既具有波动性,也具有粒子性,即光具有波粒二象性。由于这种理论能够很好地解释一些现象,慢慢的,光的波粒二象性逐渐被大家熟知和接受。

光是一种特殊的电磁波,可见光的波长范围约为380nm~780nm,我们所看到的颜色其实是大脑对不同波长光的一种编码[1],波长不同,大脑对光的感知不同。以前人们认为太阳光是一种单色光,后来牛顿做了一个实验,将一个三棱镜放在太阳光底下,由于三棱镜对不同波长的光的折射角度不一样,导致接收屏上出现了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色,这就是著名的牛顿色散实验。牛顿的实验表明,日常看到的白光是由不同波长的光混合而成,或者说所有不同颜色的光等比例的混合就形成了白光,且混合光越多,亮度越亮,这就是加法混色原理。

众所周知,红绿蓝是光的三原色,何为“原色”呢?因为它们之间通过不同比例的混合可以得到任意的其他颜色,当然,对颜色的感知是针对人眼而言的,因为人的视网膜上分布着三种不同的视锥细胞,并分别对红绿蓝三种颜色的光敏感。当一束光线作用于视网膜上时,可以以一定的比例使三种视锥细胞分别产生不同程度的兴奋,并将信息传至中枢[2],就产生对某一种颜色的感受了。人类对未知的探索是永不停歇的,我们不满足于仅仅能看到丰富多彩的世界,还希望通过一些手段来记录、传播画面或视频,以此来快速获取信息、传播信息,推动社会发展。这一目的的达成离不开显示技术,传统的显像利用的是阴极射线显像管(CRT),但是由于这种显像管体积大,功耗大,已逐渐被淘汰,液晶显示就是随后涌现出的一种新的显示技术。

在了解液晶显示技术之前,先了解一下偏振这种现象。光的振动方向与传播方向不一致,只在某一个方向上振动的现象叫做光的偏振。怎么理解呢?就是宏观上看到一束光往一个方向走,靠近仔细一看,发现光子们往各个方向振动的都有,就是光束传播的方向振动。对于自然光来说,由于光源中每个原子发光具有独立性、间隙性、随机性,没有一个方向上的光振动占优势,各个方向上光矢量的振幅相等,按照矢量分解的方法,一束自然光可以分解为两束振动方向互相垂直的、等幅的光振动。理论上讲,自然光是具有偏振性的,但光源发射这些随机偏振的电磁波,其偏振持续的时间太短,因此这种光波称为非偏振光。

有非偏振光就有偏振光,其中光矢量只沿某一特定方向上振动的偏振光叫做线偏振光,一般的光源,如太阳、白炽灯等等,它们发出的光都是非偏振的,怎么形成线偏振光呢?有一种器件叫做偏振片,它一般是由高分子薄膜制成,只允许某个特定方向上振动的光完全通过,并称这个方向为透振方向,对于振动方向垂直于透振方向的光,偏振片将完全阻隔,而其他振动方向的光将部分通过。检验光的偏振性需要用到两个偏振片,一束自然光入射到偏振片后变为线偏振光,此时这个偏振片称为起偏器,线偏振光再入射到第二个偏振片后,旋转第二个偏振片,可以看到后方接收屏上光强随着偏振片的旋转发生明暗变化,原因是线偏振光的振动方向与第二个偏振片之间的夹角在变化,夹角为0°时光强最大,夹角为90°时光强最暗,此时第二个偏振片称为检偏器。

此外,部分偏振光指的是在某个方向上的光振动占优势光,可分解为两束振动方向互相垂直、不等幅的线偏振光;圆偏振光的光振动随时间变化,光矢量端点的运动轨迹是圆;椭圆偏振光的光振动和幅度都随时间变化,光矢量端点的运动轨迹是椭圆。               

说回液晶显示技术,当拿着放大镜观察显示屏时,会观察到每一个像素下面都有一组红绿蓝彩色滤光阵列,这就是液晶显示器和图像传感器滤光层中最重要的核心器件——彩色滤光片,它可以在可见光范围内选择性的透射或反射特定波长的光而呈现颜色。彩色滤光层主要由几个部分组成:玻璃基底对整个结构起到支撑的作用;透明保护层对滤光片起到保护的作用;透明导电膜层用于连通电路;黑色矩阵可以遮蔽像素外的光源发射光,防止漏光,同时防止相邻RGB像素混色,提高颜色对比度;RGB层则是将白光光源发射的光过滤为三原色。

彩色滤光层的制备工艺主要包括黑色矩阵的制备和彩色像素的制备。在黑色矩阵的制备中,首先涂覆一层铬膜,再旋涂光刻胶,然后掩膜曝光、显影、刻蚀,最后去除光刻胶,得到黑色矩阵结构。由于彩色像素包含红绿蓝三个通道,所以分三个步骤来制备,首先涂覆一层用于制备红色像素的光刻胶,然后利用红色子像素的掩膜板进行曝光、显影,得到红色像素;以此类推,绿色像素和蓝色像素的制备分别用到各自颜色的光刻胶以及掩膜板,这样就完成了红绿蓝三个通道的彩色像素制备。

液晶显示面板中除了彩色滤光层,还包括背光源、两个透振方向互相垂直的偏振片、液晶层和TFT基板。TFT基板主要用于给结构施加电控制,当液晶分子受到电场的作用时会发生旋转,进而会导致改变入射到液晶层的光的偏振态。当背光光源发出的光经过下方偏振片后变为线偏振光,若不施加电压,由于上方偏振片的阻隔将没有光出射,电压的变化改变了液晶分子的排列状态,使光的偏振方向发生变化。此时通过控制电压的大小来控制偏振光的偏振角,从而控制通过上偏振片后的通光量,当不同亮度的RGB像素混色在一起时,利用加法混色原理即可得到一个像素点的颜色,成千上万的像素点即可组成我们所看到的图像。

人类无时无刻不在获取信息,其中百分之七十的信息都是由视觉获得,液晶显示技术的出现无疑使得这一感官的优势更加明显,它在影响我们获取信息方式的同时,也影响着我们的生活。

参考引用
[1]http://blog.sina.com.cn/s/blog_6279a4350102wo1k.html
[2]朱文玉. 人体解剖生理学[M]. 北京医科大学出版社, 2002.

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