液晶原理（深入浅出液晶显示系列）
Author: Jackie Long
液晶显示器（Liquid Crystal Display, LCD）是以液晶（Liquid Crystal）为基本材料的显示组件，它通过控制液晶分子两端的电压来控制液晶分子的转动方向，继而控制每个像素点偏振光透射度而达到显示目的。而液晶显示模组（Liquid Crystal Display Module, LCD Module, LCM）是指将液晶显示器（LCD）、控制驱动芯片、PCB板、背光源、结构件及连接件等诸多部分装配在一起的组件，因此，LCM与LCD是”包含”关系，LCD只是组成LCM的其中一个部件，如下图所示：
我们常见的电子计算器、手表、电话（座机）、电子钟、电子秤、数字万用表等产品所以使用的笔段式数字显示屏都是液晶显示器件，如下图所示：
大多数电子工程师（特别是单片机嵌入式软件工程师）最先接触到的液晶模组就是LCM1602（其次是LCM12864），也是使用最为广泛的一种，如下图所示：
液晶电视、智能手机、MP4、平板电脑等产品使用的显示屏也是液晶显示器件，LCD应用场合真心不要太多。
那液晶显示器是如何显示字符或图像的呢？我们先来了解一下液晶显示器的显示原理，它的基本结构如下图所示：
液晶分子被上下两块制作有透明电极（Electrode）的玻璃（Glass）及四周的环氧树脂封装起来（在真空环境下，将液晶分子通过封接边框上预留的注入口填充，然后使用树脂胶将注入口封堵），然后在上下玻璃外表面各贴上一块偏振方向相互垂直的偏光膜（Polarizer），底部再配一块反射板（Reflector），基本的液晶显示器件就这样大功告成了。
在TN液晶屏中（什么是TN？），玻璃内表面还涂有配向膜（Polymer），并进行了定向处理，配向膜处理的方向与相邻偏光膜的偏振方向是一致的，液晶分子沿玻璃表面平行排列，由于上下两片玻璃内表面配向膜定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈 90度的扭曲，这就是扭曲向列（Twisted Nematic, TN）液晶显示器件名称的由来。
虾米？你没看懂！没关系，继续往下看！
要理解液晶显示器的显示原理，首先得了解一下光与偏光膜。我们知道，光是一种电磁波（横波），光波的前进方向与电场及磁场是相互垂直的，同时光波本身的电场与磁场分量，彼此之间也是相互垂直的，而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，如下图所示：
偏光膜也叫偏振片（Polarizer），它的作用跟百叶窗一般，会滤掉与百叶窗垂直的光分量，仅允许与百叶窗平行的光分量通过（通俗地说，偏振片就是一块滤镜）。
当你拿起一块偏振片对着光源看，感觉像是戴了太阳眼镜一样，光线会变得较暗，如下图所示：
上图中，光源所产生的光为自然光，它的振动方向是任意角度的，在经过某一偏振方向的偏振片后，透出来的光的振动面就只限于某一固定方向，因此，我们将从偏振片透出来的光叫做平面偏振光或线偏振光（polarized light）。
同样的光源，我们换另一个偏振方向的偏振片，其效果如下图所示：
如果两块偏振片重叠在一起，且偏振方向的相对角度发生变化时，你会发现透过偏振片的光线亮度也会随之而变化，相对角度越大（最大90度），则光线越暗，如下图所示：
当两块偏振片互相垂直（90度）时，自然光就完全无法透过了，如下图所示：
这就是液晶显示器的基本结构中偏光膜存在的意义，如下图所示：
我们都知道，人的眼睛之所以能看到物体，是因为物体表面有光线的反射，液晶显示的基本原理也是这样：只要我们能够控制两片偏光膜的相对角度，就可以控制透光量的大小，继而达到控制亮度（灰阶）的目的，简单吧，么么哒！
但是实际应用中，你总不能手动或自动控制偏振片的相对角度来控制透光度吧？因此，我们通常在两块偏振片中间注入液晶分子，利用液晶分子的特性来控制透光度！那液晶分子又是如何控制光线的透光量呢？我们先来简单了解一下液晶。
液晶是一种介于固态和液态之间的有机化合物，不但具有固态晶体光学特性，又具有液态流动特性，它具有黏性（visco-sity）、弹性（elasticity）、极化性（polarizalility）等物理特性。
目前发现的液晶物质已有近万种，构成液晶物质的分子，大体上呈细长棒状或扁平片状，并且在每种液晶相中形成特殊排列。由杆形分子形成的液晶，其液晶相共有三大类：近晶相（Smectic liquid crystals）、向列相（Nematic liquid crystals）和胆甾相（Cholesteric liquid crystals）。【我们主要了解向列相液晶就可以了，其它类型可自行参考相关资料】。
向列相液晶的粘度小且富于流动性，主要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动，不少向列相液晶的粘滞系数是水的粘滞百思特网系数的数倍。向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界作用相当敏感，因而应用广泛。
从流体力学的观点来看，液晶的黏性和弹性使其成为具有一定排列性质（有序性）的液体，因此，液晶会依照外部施加作用力量的不同方向，从而会有不同的效果，正如同一堆长木棍扔进流动的河水中，起初会显得很凌乱，但过了一会儿，随着长木棍在河水中飘流，所有长木棍的长轴方向都自然的变成与河水流动的方向一致，如下图所示：
与液晶分子最接近的那一层为配向膜（定向层），当我们将这种液晶分子注入到两片配向膜之间后，液晶分子就会自然排列成如下图所示：
上图中，配向膜可以看成是一道道的槽（沟），槽的方向与邻近的偏光膜的偏振方向是相同的（也就是说，两片配向膜的槽也是相互垂直），最接近配向膜的液晶分子就会恰好躺在配向膜1或配向膜2的槽中间，由于液晶分子固有的黏性，液晶分子的状态就是从上到下扭曲的（就像两个人给家里洗完后的被单拧水一样，一人抓一头反向用力扭），如下图所示：
此时液晶分子没有被施加电场：当入射自然光照射到偏光膜1时，透过偏光膜1的偏振光本来是不能透过偏光膜2的，但是由于液晶分子的存在，自然光透过偏光膜1后，偏振光顺着扭曲的液晶分子到达偏光膜2（就像潜望镜一样，液晶分子充当导光材料），此时偏振光由于被液晶分子扭曲，其偏光方向恰与另一侧偏光膜2的方向一致，这样偏振光就可以透过偏光膜2了，如下图所示：
换言之，由于两片配向膜上的槽互相垂直，位于两个平面之间的液晶分子被强迫进入90度角的扭转状态，当光线顺着液晶分子的排列方向传播时，光线经过液晶分子时也被扭转了90度。
液晶显示器的基本结构中有两层电极层（液晶分子在中间），我们可以利用它对液晶分子施加交流电压，此时的状态如下图所示：
当液晶分子受到外加电场的作用，便很容百思特网易的被极化产生感应偶极性（induced dipolar），液晶分子之间将产生相互作用力，继而使得液晶分子重新排列。此种状态下的自然光通过偏光膜1后，偏振光不再有液晶分子对光的扭曲传导（这与偏光膜之间没有液晶分子的效果是一样的），偏振光穿过偏光膜1后直射百思特网出去，而不发生任何扭转，但偏振光的偏振方向与另一侧偏光膜2的偏振方向是垂直的，因而无法透过偏光膜2。
只要我们控制液晶分子两端的电压，就可以控制液晶分子的重新排列程度，就可以控制对光线的偏转能力来获得亮暗差别（或者称为可视光学的对比），继而达到控制显示灰阶的目的。
如果进一步将电极制作成不同的字段形状，就可以看到不同的”黑”色字，这种”黑”色字不是由液晶分子的变色形成的（液晶本身是不发光的），而是光线被遮挡或透射的结果，如下图所示
由于反射板的存在，当液晶分子两端没有施加交流电压时，入射光直达反射板从而将光线反射出来，我们称其为”白”状态。
相反，当液晶分子两端施加交流电压时，入射光无法到达反射板，也就没有反射光的存在，我们称其为”黑”状态，如下图所示：
综上所述，液晶显示器件的显示原理是：液晶棒状分子在外加电场的作用下，其排列状态发生变化，使得穿过液晶显示器件的透光量（也有些文献上称为”调制”），从而呈现明与暗的显示效果。通过控制电压的大小，改变液晶转动的角度和光的行进方向，进而达到改变字符亮度的目的。
如果你阅读得足够仔细的话，会发现施加在液晶分子两端的是交流电压，为什么不能是直流电压呢？什么是”常黑”与”常白”型液晶屏？什么是STN屏、FSTN屏、CSTN屏、TFT屏？它们与TN屏有什么联系与区别？为什么有些LCM有背光源，而有些没有呢？LCM的接口有多少种？什么是可视角度？后续我们将一一详细讨论：
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