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大屏幕液晶显示器技术内幕披露与选购谈(5)

http://www.sina.com.cn 2004年05月14日 13:40 PCPOP-电脑时尚

  导致视角狭窄的根本原因

  如何改善液晶显示器随观看角度变化而失真的现象呢?首先我们得了解导致失真现象的根本原因。

  为什么CRT显示器不存在可视角度的限制?这是因为CRT显示器是靠电子撞击屏幕上
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的磷光粉来发光的,在玻璃介质下各像素发光的时候其光线都是毫无遮拦地向所有方向发射,这样,眼睛在任意角度观看的时候都能看到完全一样的画面。当有强光通过CRT屏幕表面反射入眼睛时,眼睛所看到的画面就是屏幕上正常的画面与强光反射所造成的白色画面两者的叠加,这样会造成画面对比度和色饱和度下降。为了解决这个问题,现在的CRT显示器在屏幕表面都有特别的涂层(防反射、防眩光,简称AR、AG)来改善这种受强光干扰而导致的画面失真。

  液晶显示器也有能实现上述功能的表面处理,所以正常的室内光线对液晶屏幕所显示的画面影响不大,不至于造成明显的对比度和色饱和度的下降。但致命的是,由于液晶显示器是一种被动发光的显示器件,其光源是显示器内部以面光源形式存在的背光模组,因此这种表面处理只对屏幕外的干扰光线有效,而不能有效抑制从液晶内部产生的杂乱光线对正常光线的干扰。这样,当从某一个角度斜向观看液晶屏幕的时候,这些本来不应该被看到的杂乱光线因为液晶分子的折射和其他原因而进入眼睛,造成画面失真。

  那么,又是什么原因导致这些杂乱光线的产生呢?这得归咎于液晶分子的光学特性和排列方式。


液晶分子的形状类似于一个被拉长了的橄榄球

  如图,液晶分子的形状类似于一个被拉长了的橄榄球,所以又称棒状液晶或者线状液晶,它跟大多数晶体一样都具有双折射率的特性,就是说光线进入液晶分子内部以后会被分成两条折射线。我们把遵守Snell定律的光线叫寻常光线(o线),不遵守Snell定律的光线叫做非常光线(e线),在棒状液晶分子上的o线速度no要比e线的ne快,因为折射率跟光速成反比,所以长轴方向的折射率要大于短轴方向的折射率,即双折射率△n=ne-no>0,光学上把它称作正型液晶。

  当入射光与液晶分子长轴方向成一定角度进入液晶时,液晶中光速的合成方向与液晶分子的长轴的夹角将变小,也就是说,光线进入液晶分子之后,其方向将向液晶分子长轴方向靠拢。


  如图,当被偏振片“过滤”后的直线偏振光进入液晶分子时,它的状态将按直线、椭圆、圆、椭圆、直线偏振光的顺序变化,偏光方向也发生变化。


  如图,通过特殊的工艺把两块玻璃基板制成方向互相垂直的沟槽,灌入液晶后,液晶分子按照扭曲的方式排列,当扭曲螺距大于入射光波长时,入射光将被液晶分子“扭转”。

  最常见的TN模式液晶显示器就是利用液晶分子的上述光学特性,通过调制光线来达到显示图像的目的的。


  如图,在平行于玻璃基板并按照扭曲向列排列的液晶分子两端加上偏振方向互相垂直的偏振片,在玻璃电极板未通电时,光线受到扭曲排列的液晶分子所“扭转”,顺利地通过两片偏振片。通电后,玻璃电极板之间的液晶分子的长轴将按照电场方向排列,即全部垂直于玻璃基板,这样光线将无法受到任何的“扭转”,偏振方向不会改变,所以不能通过第二块偏振片,也就无法到达用户的眼睛。通过控制玻璃电极板之间的电压来控制液晶分子长轴方向的改变幅度,从而调制光线通过的量,这样就可以显示不同灰阶的图像,配合彩色滤光片就可以还原彩色的画面了。


  TN模式液晶利用液晶分子的光学特性来显示图像,但这种特性也正是导致TN模式液晶显示器可视角度狭窄的根本原因。我们看到,在显示不同灰阶的时候,液晶分子的长轴跟玻璃基板的角度是不一样的,用户从不同角度观看屏幕时,有时看到的是液晶分子的长轴,有时则是短轴。由于液晶分子在光学上表现为各向异性,我们在不同角度所看到的亮度就会不一样,这就是TN模式液晶显示器的视角依存性。

  另外,理论上在玻璃电极板通电时,光线透过垂直于基板的液晶分子后是无法穿透第二块偏振片的,但实际上此时若在某些特定角度范围内会看到液晶分子的长轴,即该角度上的透光率反而增加了,这样低灰阶的画面看上去可能比高灰阶的亮度还高,这就是TN模式液晶显示器所固有的灰阶逆转现象。


  如图,在B处正视屏幕看到的是正常的中灰阶画面,而在A或者C处看到的却是高灰阶和低灰阶,这样所看到的画面其灰阶也随观看角度不同而渐变。


  从上面的视角特性图我们可以看出,TN模式液晶的视角特性很不均匀,其垂直方向视角远比水平视角要差,而且在屏幕下方较大的角度范围内都会看到灰阶逆转。

  要改善液晶显示器的视角依存性,必须采用相应的技术手段降低或者消除这些由于液晶分子固有的光学特性对显示效果的负面影响。一些简单的处理方法对改善视角也是颇有成效的。其中一例如图所示,在背光模组之后采用一纵一横的两块棱镜玻璃板来聚光,把面光源转成线光源再聚成点光源直射入液晶盒,这种准直背光源对提高对比度和可视角度皆有帮助。


  另外,针对TN模式液晶显示器对某一特定视角的依存性特性,采用多组长轴方向不同的液晶分子来合成一个像素,这样用不同朝向的液晶分子来补偿不同方向的视角,精确地设计好它们之间的排列,其合成的视角也可以达到比较理想的效果。这种方式叫做多畴TN模式,畴越多所能补偿的视角也越多,当然这样对工艺要求也更高。


双畴模式原理图

  上图是一种双畴模式的原理图,畴A和畴B的液晶分子取向正好相反,这样可以解决好水平或者垂直方向的视角问题。下面我们将重点介绍目前几种主流的广视角技术。

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