液晶显示原理
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液晶(Liquid Crystal)的形成及种类
我们一般认为物体有三态：固态、液态、气态，其实这只是针对水而言，有一些有机化和物
还有介于固态和液态中间的状态就是液晶态，如下图（一）
从成分和出现液晶的物理条件来看液晶可分为热致液晶和溶致液晶两大类：
热致液晶：把某些有机物加热溶解，由于加热破坏了液晶晶格形成的液晶。
溶致液晶：把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏液晶晶格而形成的液晶。
用于显示的液晶材料都是热致液晶，生物系统中存在大量的溶致液晶，目前发现的液晶物质有近万种，构成液晶物质的分子，大体上成长棒状或扁平状，并且在每种液晶相中呈现不同的排列。
有杆形分子形成的液晶（热致液晶）其液态晶相共有三类如图(二）：
近晶相液晶（smectic liquid crystals）
向列液晶（nematic liquid crystals）
胆固醇液晶（cholesteric liquid crystals）
近晶相液晶分子呈二维有序性，分子排列成层，这种液晶粘度和表面张力比较大，对外界电、磁、温度等变化不敏感。
向列液晶分子呈一维有序性，它能上下、左右、前后滑动，分子排列和运动比较*，对外界磁场、温度、应力都比较敏感，是目前显示器的主要材料。
胆固醇液晶很像线状液晶，但从Z轴看会发现他的指向矢随着一层层不同像螺旋状分布，一定的电场、磁场也使它转变为向列液晶。
图(二）
液晶的光学特性和电学特性
提到光学电学就会跟着复杂的原理和计算公式，简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具有异方性，因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度, 以便形成灰阶, 来应用于显示器组件上.
显示器中用到了液晶会引发光的矢量方向发生变化的特性。
光也是电磁波也有矢量性，自然光是四面八方的方向，但经过偏光片过滤后只剩下同一方向的光。
图（四）
图（五）
液晶屏的结构
两块偏光的栅栏角度相互垂直时光线就完全无法通过，图（六）是用偏光太阳镜做的测试。
图（六）
液晶显示器就是利用偏光板这个特性来完成的，利用上下两片栅栏互垂直的偏光板之间充满了液晶，在利用电场控制液晶分支的旋转，来改变光的行进方向，如此一来，不同的电场大小，就会形成不同颜色度了，如图（七）。
图（七）
当入射的光线经过下面的偏光板(起偏器)时, 会剩下单方向的光波,通过液晶分子时, 由于液晶分子总共旋转了90度, 所以当光波到达上层偏光板时, 光波的极化方向恰好转了90度。下层的偏光板与上层偏光板, 角度也是恰好差异90度。 所以光线便可以顺利的通过，如果光打在红色的滤光片上就显示为红色。 如果液晶分子都站立着，光路没有改变，光就无法通过上偏光板，也就无法显示，如图（七）蓝色滤光片下面的液晶。
Normally white及
normally black 结构：
所谓的NW(Normally white),是指当我们对液晶面板不施加电压时, 我们所看到的面板是亮的画面, 所以才叫做normally white。另外一种, 当对液晶面板不施加电压时, 面板无法透光, 看起来是黑色的, 就称之为NB(Normally black)
反过来,NB的应用环境大多是属于显示屏为黑底的应用了。
lcd 切面的结构
图（八）
lcd 切面的结构：
TFT：
TFT LCD的中文翻译名称就叫做薄膜晶体管液晶显示器, 我们从一开始就提到 液晶显示器需要电压控制来产生灰阶. 而利用薄膜晶体管来产生电压,以控制液晶转向的显示器, 就叫做TFT LCD. 从图（八）的切面结构图来看, 在上下两层玻璃间, 夹着液晶, 便会形成平行板电容器, 我们称之为CLC(capacitor of liquid crystal). 它的大小约为0.1pF, 但是实际应用上, 这个电容并无法将电压保持到下一次再更新画面数据的时候. 也就是说当TFT对这个电容充好电时, 它并无法将电压保持住, 直到下一次TFT再对此点充电的时候.(以一般60Hz的画面更新频率, 需要保持约16ms的时间.) 这样一来, 电压有了变化, 所显示的灰阶就会不正确. 因此一般在面板的设计上, 会再加一个储存电容CS(storage capacitor 大约为0.5pF), 以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候. 不过正确的来说, 长在玻璃上的TFT本身,只是一个使用晶体管制作的开关. 它主要的工作是决定LCD source driver上的电压是不是要充到这个点来. 至于这个点要充到多高的电压, 以便显示出怎样的灰阶. 都是由外面的LCD source driver来决定的.
框胶与spacer：
框胶与spacer两种结构成分. 其中框胶的用途,就是要让液晶面板中的上下两层玻璃, 能够紧密黏住, 并且提供面板中的液晶分子与外界的阻隔,所以框胶正如其名,是围绕于面板四周, 将液晶分子框限于面板之内. 而spacer主要是提供上下两层玻璃的支撑, 它必须均匀的分布在玻璃基板上, 不然一但分布不均造成部分spacer聚集在一起, 反而会阻碍光线通过, 也无法维持上下两片玻璃的适当间隙(gap), 会成电场分布不均的现象, 进而影响液晶的灰阶表现.
彩色滤光片：
放大镜下的液晶
图（九）
如果你有机会, 拿着放大镜, 靠近液晶显示器的话. 你会发现如图（九）中所显示的样子. 我们知道红色, 蓝色以及绿色, 是所谓的三原色. 也就是说利用这三种颜色, 便可以混合出各种不同的颜色. 很多平面显示器就是利用这个原理来显示出色彩. 我们把RGB三种颜色, 分成独立的三个点, 各自拥有不同的灰阶变化, 然后把邻近的三个RGB显示的点, 当作一个显示的基本单位, 也就是pixel. 那这一个pixel,就可以拥有不同的色彩变化了. 然后对于一个需要分辨率为1024*768的显示画面, 我们只要让这个平面显示器的组成有1024*768个pixel, 便可以正确的显示这一个画面. 在图（九）中,每一个RGB的点之间的黑色部分, 就叫做Black matrix. 我们回过头来看图（九）就可以发现, black matrix主要是用来遮住不打算透光的部分. 比如像是一些ITO的走线, 或是Cr/Al的走线, 或者是TFT的部分. 这也就是为什么我们在图（九）中, 每一个RGB的亮点看起来, 并不是矩形, 在其左上角也有一块被black matrix遮住的部分, 这一块黑色缺角的部份就是TFT的所在位置.
常见的滤光片排列
图（十）
条状排列最常使用于笔记本电脑,或是台式计算机。其原因是现在的软件,多半都是窗口化的, 我们所看到的屏幕内容,就是一大堆大小不等的方框所组成的,条状排列,恰好可以使这些方框边缘, 看起来更直, 而不会看起来有毛边或是锯齿状的感觉。
AV产品上, 因为电视信号多半是人物, 其轮廓大部分是不规则的曲线, 因此AV产品都
是使用马赛克排列,现在已改进到使用三角形排列。
像素：
液晶面板上每个像素都分成红、绿、蓝三种颜色，RGB就是所谓的三原色，利用这三种颜色可以混合出各种不同的颜色，我们把RGB三种颜色分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把邻近的三个RGB显示的点当作一个显示的基本单元，就是像素，这个像素就可以拥有不同的色彩变化了。
颜色深度
256 Color 8（R）*8（G）*4（B）=256 Color
High Color
32（R）*64（G）*32（B）=65536 Color
Full Color
64（R）*64（G）*64（B）=262144 Color
True Color
256（R）*256（G）*256（B）=167
开口率：
液晶显示器中有一个很重要的参数就是亮度, 而决定亮度最重要的因素就是开口率。开口率就是光线能透过的有效区域比例。
当光线经背光板发射出来时,并不是所有的光线都能穿过面板, 象给LCD 驱动芯片用的信号走线、 以及TFT本身、 还有储存电容等, 这些地方除了不完全透光外, 也由于经过这些地方的光线 并不受到电压的控制,而无法显示正确的灰阶, 所以都需加以遮蔽, 以免干扰到其它透光区域的正确亮度。
图（十一）
所以有效的透光区域, 就只剩下如同图（十一）右边所显示的区域而已。 这一块有效的透光区域, 与全部面积的比例就称之为开口率。光线从背光板发射出来, 会依序穿过偏光板、玻璃、液晶、彩色滤光片等等。假设各个零件的穿透率如以下所示:
偏光板: 50%(因为其只准许单方向的光波通过)
玻璃:95%(需要计算上下两片)
液晶:95%
开口率:50%(有效透光区域只有一半)
彩色滤光片:27%(设材质本身的穿透率为80%,由于滤光片本身涂有色彩, 只能容许该色彩 的光波通过,所以仅剩下三分之一的亮度,总共只能通过80%*33%=27%.)
以上述的穿透率来计算, 从背光板出发的光线只会剩下6%, 实在是少的可怜。这也是为什么在TFT LCD的设计中, 要尽量提高开口率的原因,只要提高开口率, 便可以增加亮度, 同时背光板的亮度也不用那么高, 可以节省耗电及花费。
LCD内部电路
图（十二）
主要的驱动TFT工作的部分有以下几个：
1、source driver 源驱动， 负责供电。
2、gate driver 栅驱动， 负责打开关闭。
3、时序控制电路，负责控制gate driver
4、灰度、gamma控制电路
图（十三）
从图（十三）中我们可以看到整片面板的等效电路, 其中每一个TFT与 两个电容所并联, 代表一个显示的点. 而一个基本的显示单元 pixel,则需要三个这样显示的点,分别来代表 RGB 三原色. 以一个 1024*768 分辨率的 TFT LCD 来说, 共需要 1024*768*3 个这样的点组合而成. 整片面板的大致结构就是这样, 然后再藉由如图中 gate driver 所送出的波形, 依序将每一行的 TFT 打开, 好让整排的 source driver 同时将一整行的显示点, 充电到各自所需的电压, 显示不同的灰阶. 当这一行充好电时, gate driver 便将电压关闭, 然后下一行的 gate driver 便将电压打开, 再由相同的一排 source driver 对下一行的显示点进行充放电. 如此依序下去, 当充好了最后一行的显示点, 便又回过来从头从第一行再开始充电. 以一个 1024*768 SVGA 分辨率的液晶显示器来说, 总共会有 768 行的 gate 走线, 而 source 走线则共需要 1024*3=3072 条. 以一般的液晶显示器多为 60Hz 的更新频率来说, 每一个画面的显示时间约为 1/60=16.67ms. 由于画面的组成为 768 行的 gate 走线, 所以分配给每一条 gate 走线的开关时间约为 16.67ms/768=21.7us. 所以在图（十三）gate driver 送出的波形中, 我们就可以看到, 这些波形为一个接着一个宽度为 21.7us 的脉波, 依序打开每一行的 TFT. 而 sourcedriver 则在这 21.7us 的时间内, 经由 source 走线, 将显示电极充放电到所需的电压, 好显示出相对应的灰阶.
先开放第一行，其他关闭。
图（十四)
接着关闭第一行，电压已经固定，固颜色也固定，然后开放第二类，其余关闭，以此类推。
图（十五）
由于液晶分子还有一种特性,就是不能够一直固定在某一个电压不变, 不然时间久了, 你即使将电压取消掉, 液晶分子会因为特性的破坏, 而无法再因应电场的变化来转动, 以形成不同的灰阶. 所以每隔一段时间, 就必须将电压恢复原状, 以避免液晶分子的特性遭到破坏. 但是如果画面一直不动, 也就是说画面一直显示同一个灰阶的时候怎么办? 所以液晶显示器内的显示电压就分成了两种极性, 一个是正极性, 而另一个是负极性. 当显示电极的电压高于 common 电极电压时, 就称之为正极性. 而当显示电极的电压低于 common 电极的电压时, 就称之为负极性. 不管是正极性或是负极性, 都会有一组相同亮度的灰阶. 所以当上下两层玻璃的压差绝对值是固定时, 不管是显示电极的电压高, 或是 common 电极的电压高, 所表现出来的灰阶是一模一样的. 不过这两种情况下, 液晶分子的转向却是完全相反, 也就可以避免掉上述当液晶分子转向一直固定在一个方向时, 所造成的特性破坏. 也就是说, 当显示画面一直不动时, 我们仍然可以藉由正负极性不停的交替, 达到显示画面不动, 同时液晶分子不被破坏掉特性的结果. 所以当您所看到的液晶显示器画面虽然静止不动, 其实里面的电压正在不停的作更换, 而其中的液晶分子正不停的一次往这边转, 另一次往反方向转呢!
下图为几种面板的反转方式
图（十六）
综合显示效果和电路设计成本 多数LCD选用 common不变 dot inversion的方式。
背光
图（十七）
手机上用的TFT 类型的LCD 大部分是用 LED来作为光源的，现有高通手机上背光有三种方式：
1、PWM 方式， 根据输出方波的占空比来控制电流大小
2、一线脉冲方式， 根据输入方波的逻辑连控制输出电流大小
3、dcs方式，有LCD反馈给背光控制芯片来控制输出电流大小
一般手机上都会有个背光控制芯片来升压控制电流，以8x25上的背光芯片TPS61161为例（其他的背光芯片也类似）
TPS61161的连接方式：
CTRL 需要连接到平台上的GPIO或则 PMIC上的GPIO。
这款芯片是pwm方式和一线脉冲方式两用的芯片，工作模式如下：
图（十八）
上图，上半部分就是PWM方式，控制就由GPIO直接连到背光芯片上即可，有一点需要注意，一般用PWM方式都是由PMIC直接控制的因为如果用AP控制在系统负载大的时候PWM波形会失真。下半部分为一线脉冲方式输入需要有一个逻辑来触发一线脉冲方式
数据格式如下：
数据对应的电流值如下（只给出部分电流值）
图（二十）
DCS方式则是LCD本身可以支持CABC 或则 LABC功能
图（二十一）
原理，如图， 平台这边用mipi dcs 命令控制CABC功能，LCD的寄存器为
51H（默认背光亮度 0 ～ 255）
53 H（打开关闭）
在DCS方式下有个LCD输出的PWM频率和背光芯片的输入频率是陪的问题在调试的时候需要注意，一般LCD端输出的PWM频率都可调。