出品：科普中国
作者：王智豪
监制：中国科普博览
从笨重的大部头显示器、等离子电视，再到当下兴起的激光电视，显示器家族的成员可真的是不少。其中许多显示技术都随着时代发展被逐渐取代了，但是有一位成员从80年代诞生至今一直在“发光发热”，它就是液晶显示器（LCD）。
90年代大行其道的是CRT显示器，它笨重且带有一个大屁股，可能很多人对它印象深刻，但它早已被更加轻便的液晶显示器所取代
（图片来源：维基百科）
LCD显示器在取代了CRT显示器后一直使用广泛
（图片来源：维基百科）
它与等离子电视的出现时间相近，但是明显更有知名度，使用的也更广泛。那么平价亲民的液晶显示器，运用了什么技术，又有着什么特点呢？
兼具固体与液体性质——液晶的特殊结构
液晶显示器在我们的生活中十分常见，电视，电脑，各种各样小家电的显示屏，几乎都采用了液晶显示器。要想了解液晶显示器，我们先要了解什么是 “液晶”材料。
其实从它的名称就能看出它的特点来：“液”表示液体，“晶”表示晶体——也就是一种固态物质，说明液晶同时具有固体和液体的一些性质。
我们都知道水有三种状态：固态（冰）、液态（水）和气态（蒸汽），大部分物质也都具有这三态。液态物质从分子分布上来看是各向同性的，意味着它的物理性质在所有方向上都是一致的，这是分子不断随机运动的结果。固态是晶体，从分子分布来看是各向异性的，不同方向排列不同。这也导致晶体在不同方向上光的折射率、偏振性质、导热性和导电性等物理性质往往也不同。
晶体（左）、液晶（中）以及液体（右）的内部分子结构
（图片来源：Rajak P, Nath L K, Bhuyan B. Liquid crystals: an approach in drug delivery[J]. Indian Journal of Pharmaceutical Sciences, 2019, 81(1): 11-21.）
在以往，人们认为固态、液态是泾渭分明的，但1888年，植物学家菲德烈·莱尼泽（Friedrich Reinitzer）从植物中提炼出一种称为螺旋性甲苯酸盐的化合物，打破了这种认知。它具有两个不同温度的熔点，在熔融状态或被溶剂溶解之后，失去了固态物质的刚性，形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态。由于这类物质独特的状态，人们将其命名为“Liquid Crystal”，就是液晶。
液晶按照其各向异性排列顺序不同，可以分为三种，分别是向列相、近晶相和胆甾相。
向列相液晶的分子是长条形，它们在外力作用下会发生流动，因此向列相液晶分子的长轴方向一般都沿着流动方向，即大致位于同一方向，并且可以互相穿过。
而在近晶相中，液晶分子是分层的。层内分子长轴互相平行，而且垂直于层面。但分子位置无一定规律，这种排列称为方向有序，位置无序。近晶相液晶分子只能在本层内活动，而各层之间可以相互滑动。
胆甾相的液晶分子同样是分层的，每层同样方向有序。但从整体看，层间是以螺旋图案堆叠，每一层与其上下各层以微小角度旋转。
液晶排列种类：向列相、近晶相和胆甾相
（图片来源：郑桂丽. 向列相液晶挠曲电效应和挠曲电系数的研究[D].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2017.）
结构决定性质——液晶的多种效应
液晶分子奇妙的规则排列也带给它不同的性质，比如扭曲向列效应（TN）。
向列相液晶材料被夹在两个玻璃基片之间，就好像一块三明治。玻璃表面有十分精细的平行沟槽，被称为配向膜。上玻璃附近的液晶按照上配向膜沟槽的方向排列，而下玻璃附近的液晶按照下配向膜沟槽的方向排列。两个沟槽如果呈现十字交错，则上下玻璃之间的液晶会分层均匀扭曲。从俯视图来看，上层液晶分子横向排列，下层液晶分子纵向排列，整体沿着不同层级，像螺旋型般均匀扭曲，这样的分子排列可以对光线的偏振方向造成影响。
扭曲向列效应示意图
（图片来源：维基百科）
那什么是偏振呢？我们知道光是一种电磁波，而波其实有两种类型，分别叫横波和纵波。将一根绳子的一端固定，另一端用手拉紧水平的绳子并且上下振动，你看到的绳子的运动状态就是横波。横波的特点是质点的振动方向和波的传播方向相互垂直，电磁波就是典型的横波。而纵波的质点振动方向与传播方向平行，地震波就属于纵波。
横波示意图，我们平时见到的水波就是横波，它会上下起伏，但波的传播方向与上下起伏的方向垂直
（图片来源：维基百科）
纵波示意图，它又被称为密度波或疏密波，它的传播方向与振动方向一致，物质内部是靠疏-密-疏-密的变化来传播波的
（图片来源：维基百科）
光波是一种横波，它由相互垂直的电场（z方向）和磁场（x方向）构成，并且光的振动方向始终在x-z平面内，与光的传播方向（y方向）垂直。
光波的传播示意图，图中E为电场，B为磁场
（图片来源：wikipedia）
这两个不同方向的振动矢量相互叠加，从x-z平面望去，就像是一个质点在做着有规律的运动，根据振动的振幅和相位不同，它的运动可以是呈现圆形，椭圆形或者线形，分别被称为圆偏振光，椭圆偏振光和线偏振光。
圆偏振的示意图，红色和蓝色表示两个不同方向的振动，黑色表示真实的质点的运动状态
（图片来源：维基百科）
假如我们放置一个狭缝，由于光波有振动方向，它就会受到狭缝的限制，如果狭缝方向与振动方向一致，波就能顺利通过狭缝。如果狭缝方向与振动方向垂直，波就会受到阻挡而不能继续传播。如果狭缝方向和振动方向有一个角度，波可以通过狭缝但是光强会受到削弱。这种振动方向和传播方向的不对称就叫做光波的偏振性，而上述的狭缝就是偏振片的原理。
偏振的示意图，右侧为一个圆偏振，在经过中间的狭缝后，振动方向变得跟狭缝一致了
（图片来源：维基百科）
扭曲向列效应正是利用偏振光的这一性质，通过扭曲的液晶分子，改变入射光的偏振角度。那么，这个效应要怎么应用到液晶显示器中，使其成像呢？
在液晶显示器中本来有两片偏振片。这两片膜只能让固定角度的偏振光通过。当我们令这两片膜互为90°排列时，任何光都无法通过。但是由于有扭曲液晶层的存在，来自上偏振片的光线穿透下来，通过液晶分子扭转排列的道路后被旋转90°，使得光线恰好可以从下偏振片穿出，形成了完整的传播途径。
当给液晶层逐渐施加电压时，液晶分子会随着电压的改变而逐渐垂直上升，通过的光会逐渐变弱。当电压最大时，液晶分子变为垂直，光线全部无法通过下偏光片。
TN显示技术原理图
（图片来源：方泽国. 面内转换(IPS)薄膜晶体管(TFT)液晶材料的研究[D].北京化工大学,2015.）
了解了液晶层是如何透光的，接下来就来看看它的成像过程。液晶层实际上包含很小的单元格结构，每一个或多个单元格构成了屏幕上的一个像素。通过电路控制不同像素的光强，就形成了单色的图像。
彩色液晶显示器与单色显示器的原理基本相同，只不过它的每个像素都由三个液晶单元格组成，每个单元格前面分别有红、绿和蓝色滤光片。光经过滤光片的处理，利用空间混色法组合出丰富的色彩。
TN液晶显示器微观结构，每一个像素都是由红蓝绿三色单元格构成的
（图片来源：维基百科）
这种基于扭曲向列效应（TN）的液晶屏幕也就是现在所说的TN屏，它也是LCD中元老级别的技术。它的优势就是响应时间短，但是它也有缺点。TN屏的对比度较低，色彩的还原度较差，可视角度窄，使用者只有在正对屏幕的情况下才能得到最好的观看效果。由于TN屏并不能够提供人们足够好的使用体验，目前处于一种逐渐退出主流市场的趋势。
人们根据不同的液晶排列，对TN屏进行了优化，发明了VA屏（Vertical Alignment）和IPS屏（In-Plane Switching）。
VA屏并没有利用扭曲向列效应令液晶呈现螺旋状，而是让液晶分子全部呈垂直方向排列。
初始时液晶分子垂直于上下基板排列，在液晶盒两侧贴加相互正交的偏振片。不加电压时，透过下偏振片的线偏振光传播方向与液晶分子长轴方向平行，偏振状态不发生改变，无法通过上偏振片，面板呈暗态。加电压时，液晶分子在电场作用下发生旋转，最终液晶分子长轴方向将沿垂直于电场方向排列，透过下偏光片的线偏振光将会在液晶层中产生相位延迟，光的偏振态发生改变，直到线偏振光偏振方向在液晶层内发生90°转动，此时偏振方向与上偏光片透光轴方向平行，面板呈亮态。
由于VA屏的液晶分子是垂直排列的，因此当遇到外界作用时，屏幕会出现大幅度的感染，形成如同水波纹的图案，因此它也被称为软屏。VA屏幕相比TN屏可视角度更大了，但是它的旋转角度更大，导致它的响应时间更长，会产生严重的残影。
IPS显示技术的原理如下图所示，电极分布在下基板一侧，液晶分子平行于基板排列并与电极方向成一定夹角，在液晶盒两侧贴加相互正交的偏振片，下基板偏振片透光方向平行于液晶分子排列方向。不加电压时，透过下偏光片的线偏振光平行于液晶分子长轴方向，偏振状态不发生改变，无法通过上偏振片，面板呈暗态。加电压时，液晶分子在电场作用下发生平面内转动，液晶分子长轴方向与透过下偏振片的线偏振光偏振方向正交，液晶层中发生双折射现象，光的偏振态发生改变，线偏振光偏振方向在液晶层内发生90°转动，此时偏振方向与上偏振片透光方向平行，面板呈亮态。
IPS成像原理图
（图片来源：李治福. TFT-LCD广视角技术研究[D].复旦大学,2011.）
与VA屏相比，IPS屏的液晶分子的排列顺序为水平，因此它能承受较大的压力，不会影响到画面成像，因此IPS又被称为硬屏。
IPS和VA受到压力时的液晶分子状态
（图片来源：李治福. TFT-LCD广视角技术研究[D].复旦大学,2011.）
由于IPS技术从暗态到亮态的变化过程中，液晶分子都是在基板平行的的平面上旋转的，所以从液晶面板的各个角度观察，显示效果都差不多。所以IPS屏可以解决TN屏观看角度有限的问题，提供给人们更广的可视角度。
不能自发光——液晶显示器光源来源
你可能发现了一个问题，液晶的光源从哪来呢？
没错，液晶并不是可以自发光的显示器，它要想发光一定要借助外部光源。
液晶显示器的光源主要有两种，一种是类似于教室照明所使用的长条的荧光灯，它们主要分布在显示器的两侧或者下端。而另一种则是目前广泛使用的发光二极管（LED）光源，市面上常说的LED液晶显示器就源自于此。因为LED非常小，所以用LED做光源可以让显示器更薄。
LED屏幕结构（从下到上分别为：LED背光层，散射片，偏振片，ITO基底，液晶层，RGB滤光片，偏振片，玻璃层）
（图片来源：维基百科）
结语
其实基于LED发光的液晶显示器并不是万能的，它的色彩表现能力就不是非常优秀。但它由于相对低廉的价格，较低的调制电压等优势，从80年代诞生至今，持续活跃于我们的生活中。这么看来，液晶显示器真可谓是显示器家族的常青树了！
编辑：郭雅欣
参考文献：
[1] Iam-choon Khoo. Liquid Crystals. New York: John Wiley & Sons, Inc, 1995
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[3] https://www.zhihu.com/question/22465979
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[7] https://www.sony.com.cn/
[8] https://www.samsung.com/cn/
[9] https://www.eizo.com.cn/
[10]郑桂丽. 向列相液晶挠曲电效应和挠曲电系数的研究[D].中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2017.
[11]李治福. TFT-LCD广视角技术研究[D].复旦大学,2011.
[12]黄晓丽. 液晶显示器中色偏移和Gamma偏移的研究[D].河北工业大学,2021.DOI:10.27105/d.cnki.ghbgu.2021.000464.
[13]方泽国. 面内转换(IPS)薄膜晶体管(TFT)液晶材料的研究[D].北京化工大学,2015.
[14] Polarized Light and Optical Systems By Russell Chipman, Wai Sze Tiffany Lam, Garam Young
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