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Wie funktioniert das LCD?

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Um eine umfassende Darstellung der Funktionsweise des LCD zu geben, werden wir zunächst die Struktur und dann die Zusammenarbeit der einzelnen Teile erklären, um die Farben zu erzeugen.

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I. Was ist LCD?

Zitat aus Wikipedia: "Ein Flüssigkristalldisplay (LCD) ist ein Flachbildschirm oder ein anderes elektronisch moduliertes optisches Gerät, das die lichtmodulierenden Eigenschaften von Flüssigkristallen in Kombination mit Polarisatoren nutzt. Flüssigkristalle emittieren kein Licht direkt, sondern verwenden eine Hintergrundbeleuchtung oder einen Reflektor, um Bilder in Farbe oder Schwarzweiß zu erzeugen."

Es gibt verschiedene Arten und Konfigurationen von LCD-Displays, die meisten sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut. Aber nicht alle können Farbe darstellen.

Da die Farb-LCD-Anzeige der am häufigsten verwendete Typ auf dem Markt ist, gehen wir bei der Beantwortung der Frage von der Farbanzeige aus, um herauszufinden, "wie die Flüssigkristallanzeige Farbbilder erzeugt"

TFT-LCD ist das gängigste Farb-LCD, auch bekannt als Aktivmatrix-Display.

Lassen Sie uns die Reise beginnen.

Um eine umfassende Darstellung der Funktionsweise von LCDs zu geben, werden wir zuerst die Struktur und dann die Zusammenarbeit der einzelnen Teile zur Erzeugung des Farbbildes erklären.

II. Aufbau und die 5 wichtigsten Schichten des LCDs

Ein LCD besteht hauptsächlich aus 5 Einheiten

● BLU（Hintergrundbeleuchtungseinheit)

● POL (Polarisator)

● LCD (Flüssigkristallanzeige) Panel

● IC（Integrierte Schaltung)

● FPC (Flexible gedruckte Schaltung)

In der folgenden Abbildung 2 ist das Strukturdiagramm des TFT-LCD-Moduls dargestellt. Wir werden kurz die Hauptfunktionen der einzelnen Anzeigen vorstellen.

(1) BLU（Hintergrundbeleuchtungseinheit）

Die Hintergrundbeleuchtungseinheit ist eine der wichtigsten Komponenten des LCD. Sie besteht aus mehreren Schichten optischer Folien und der Lichtquelle.

Die Aufgabe der Hintergrundbeleuchtung besteht darin, für ausreichende Helligkeit zu sorgen und die Lichtquelle gleichmäßig auf das LCD-Panel zu verteilen, da die Flüssigkristallmoleküle selbst kein Licht aussenden können.

Die Lichtquelle sind in der Regel LED-Streifen, daher auch die Bezeichnung LED-Backlit.

Die Qualität der Hintergrundbeleuchtung bestimmt einige wichtige Eigenschaften des Bildschirms, wie z. B. die Helligkeit, die Gleichmäßigkeit des austretenden Lichts und das Farbniveau des LCD-Bildschirms. Im Allgemeinen bestimmt die BLU weitgehend die Lichtwirkung des LCD-Bildschirms.

(2) POL (Polarisator)

Ein Polarisator wandelt natürliches Licht ohne Polarisation in polarisiertes Licht um und steuert, welche Lichtmuster den LCD-Bildschirm passieren können

Ohne diese Filter haben die vom LCD-Bildschirm erzeugten visuellen Bilder ein schlechtes Kontrastverhältnis.

(3) IC (Integrierte Schaltung)

Ein integrierter Schaltkreis (IC) ist ein Chip, der aus einer Reihe von integrierten Schaltkreisen besteht.

Er wird verwendet, um die Phase, den Spitzenwert, die Frequenz und andere Parameter der potentiometrischen Signale an der transparenten Elektrode einzustellen und zu kontrollieren, um das elektrische Feld aufzubauen und schließlich die auf dem Bildschirm angezeigten Informationen zu realisieren.

(4) FPC (Flexible gedruckte Schaltung)

FPC ist die Abkürzung für eine flexible Leiterplatte.

Durch die Verbindung mit dem LCD-Panel kann die FPC das Funktionsprinzip des Schaltkreises realisieren und die Schnittstelle ausgeben, die das Motherboard erfüllen muss, so dass das LCD aus elektrischer Sicht funktionieren kann.

(5) LCD-Panel (Flüssigkristallanzeige) / Zellschicht

Die Zellschicht ist eine Verpackung von Flüssigkristallen, die zwischen zwei Glassubstraten eingebettet ist, einem oberen Glassubstrat mit dem Farbfilter (CF) und einem unteren Glassubstrat mit dem Dünnfilmtransistor-Array (TFT-Array).

Sie wird auch als LCD-Panel bezeichnet und ist eine wesentliche Einheit des Farbdisplays.

Auf dem TFT-Substrat kann es die Pixelspannung auf dieser Seite genau steuern. Und es ist die an den Flüssigkristall angelegte Pixelspannung, die die Drehung des Flüssigkristalls steuert.

Auf dem CF-Substrat ist ein Pixel in drei Unterpixel unterteilt: Rot (R), Grün (G) und Blau (B).

Der Flüssigkristall (LC), der als Lichtventil fungiert, regelt die Lichtmenge der drei RGB-Primärfarben, die durch das CF-Substrat dringt, so dass die gewünschte Farbdarstellung erzielt werden kann.

Um ein Bild zu erzeugen, müssen alle oben genannten Schichten wie ein Orchester zusammenarbeiten.

III. Funktionsweise des LCD

LCD ist ein Produkt der Optoelektronik

Wir können die Funktionsweise eines LCD sowohl aus optischer als auch aus elektrischer Sicht verstehen.

(1) Optoelektronisches Funktionsprinzip des LCD

► Optische Perspektive

● Licht kann in verschiedene Polarisationsrichtungen aufgeteilt werden.

licht mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen durchläuft den Flüssigkristall, und es entstehen unterschiedliche optische Pfade.

nachdem das Licht durch diesen optischen Pfadunterschied rekombiniert wurde, ändert es seine Polarisationsform.

wenn der Polarisator das Licht in einer bestimmten Polarisationsrichtung blockiert, kann der Transmissionsgrad des Lichts bestimmt werden.

►Elektrische Perspektive

● Bei unterschiedlichen Spannungen weist der Flüssigkristall unterschiedliche Anordnungen auf.

unterschiedliche Flüssigkristallanordnungen bewirken unterschiedliche optische Wegunterschiede, wodurch sich der Transmissionsgrad ändert.

● So kann das Videosignal (Strom) in eine helle und dunkle Anzeige (Licht) umgewandelt werden.

(2) Funktionsweise des LCDs

Im Folgenden sehen wir uns an, wie die einzelnen Schichten im Inneren zusammenarbeiten, um die Farbanzeige zu erzeugen.

▲ Flüssigkristallmoleküle

der in TFT-LCD verwendete Flüssigkristall ist ein Flüssigkristall vom Typ TN (Twist Nematic), siehe Abbildung 3.

die Flüssigkristallmoleküle sind elliptisch; Flüssigkristalle des TN-Typs sind im Allgemeinen entlang der Längsachse in Reihe geschaltet, und die Längsachsen sind parallel zueinander angeordnet.

③ Wenn die Flüssigkristallmoleküle die gerillte Oberfläche berühren, reihen sie sich parallel entlang der Rillen auf, wie in Abbildung 4 dargestellt.

④ Wenn sich der Flüssigkristall in der Mitte der beiden gerillten Oberflächen befindet (siehe Abbildung 5) und die Rillenrichtungen senkrecht zueinander stehen, ist die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle wie folgt:

● Moleküle auf der unteren Oberfläche: entlang der "b"-Richtung

● Moleküle auf der oberen Oberfläche: entlang der 'a'-Richtung

● Moleküle dazwischen: Es entsteht ein Rotationseffekt, so dass die Flüssigkristallmoleküle zwischen den beiden gerillten Oberflächen um 90° gedreht werden.

▲ Auswirkungen von Licht und Flüssigkristallmolekülen

① Wenn das linear polarisierte Licht in die obere gerillte Oberfläche eintritt, dreht sich das Licht zusammen mit der Drehung der Flüssigkristallmoleküle, so dass das Licht durchdringen kann.

② Wenn linear polarisiertes Licht die untere gerillte Oberfläche verlässt, hat sich das Licht bereits um 90° gedreht, wie in Abbildung 6 dargestellt.

▲Polarisator

① Filtert unpolarisiertes Licht (allgemeines Licht) in linear polarisiertes Licht;

② Wenn das unpolarisierte Licht den Polarisator in Richtung "a" passiert, wird das Licht in linear polarisiertes Licht parallel zur Richtung "a" gefiltert;

③ Das linear polarisierte Licht bewegt sich weiter vorwärts (wie in Abbildung 7 dargestellt), und

● wenn es den Polarisator in der gleichen Richtung (a) durchläuft, geht das Licht durch;

● wenn das Licht den Polarisator in der Richtung b durchläuft, wird das Licht vollständig blockiert.

(3) Optischer Effekt bei der Kombination von Polarisatoren, gerillten Oberflächen und Flüssigkristall

Wenn der obere und der untere Polarisator senkrecht zueinander stehen：

① Wenn keine Spannung angelegt wird, kann das Licht durchdringen, wie in Abbildung 8 dargestellt.

② Wird eine Spannung angelegt, wird das Licht vollständig blockiert (Abbildung 9). Weil sich die Flüssigkristallmoleküle aus ihrem Helixmuster herausbewegen und den Winkel des Lichts nicht mehr umlenken, kann das Licht nicht durch den unteren Filter gelangen.

(4) Bilderzeugung durch TFT-LCD

① Der Scan-Treiber-IC (auch Gate-Treiber-IC genannt) überträgt die Scansignale und vervollständigt die Bildsignaleingabe;

② Datentreiber-IC (auch bekannt als Source-Treiber-IC) überträgt Bildsteuerungssignale und steuert TFT-Schalter:

● Wenn ein Subpixel eingeschaltet ist, erscheint das Subpixel schwarz, da es kein Licht durchlassen kann.

wenn das Subpixel ausgeschaltet ist, wird die Farbe angezeigt, da das Licht durch den Farbfilter (CF) fällt.

nachdem es den CF passiert hat, wird rotes, grünes und blaues Licht erzeugt, das schließlich durch den oberen Polarisator gelangt.

④ Durch den Syntheseeffekt des Lichts werden verschiedene Farben gebildet und angezeigt (siehe Abbildung 10 und 11).

Jetzt haben wir unsere Reise darüber beendet, wie ein LCD funktioniert und wie das Display ein Farbbild erzeugt.

Wenn Sie mehr über die spezifischen Merkmale von TFT-LCD wissen möchten, können Sie die entsprechenden Artikel lesen: Was sind Aktivmatrix-LCD und TFT-LCD?