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    技術應用

    手機屏幕的拆解和分析
    來源:科健儀器 時間:2017-05-27

    手機屏幕作為一個手機的面子,人機交互的窗口,它的重要性不言而喻。能夠把生活中的圖像活靈活現地展現出來有點神奇,我一直懷有好奇,既然好奇,那就拆一個屏幕來探個究竟。

     

    因為平時接觸的手機屏幕 TFT-LCD(Thin film transistor liquid crystal display 薄膜晶體管液晶顯示屏)類型的比較多,這里就拆個 TFT-LCD 型的 MX4 屏幕。

     

    ▲15:9 比例,分辨率 1920X1152,這是一個單純的屏幕,沒有保護玻璃觸屏。

    ▲整體厚度 1.29mm

    ▲黑邊僅為 0.8mm

     

    點亮后,前所未有的通透感,0.8mm 的黑邊不算世界最窄,夏普那個「無邊框」的手機黑邊更窄,為 0.6mm。

     

    真正無邊框手機能不能做出來這些問題,文章最后發表一點看法。

     

    ▲太美了,忍不住多拍了幾張。

    ▲可視角度不成問題

    ▲通透

     

    四周透光的是背光模組固定框,光從導光板四周透出來,這種現象不是漏光,因為只是個單純的顯示屏,當跟觸屏貼合裝機后,有防漏光措施。廢話就不扯了,開拆。

     

    ▲遮光片

     

    黑色,防止背光透出來,下面那張是反光片。

     

    ▲反光片

     

    跟鏡子一樣,它的作用是盡量把光線反射回去,作為 LCD 屏幕,最大效率地利用好光能有效提高屏幕亮度。

     

    ▲把反光片抽出來一半,看得出下半部分亮度明顯高于上半部。

    ▲導光板

     

    導光板的作用是把 LED 從側面平行方向入射的光變成非平面方向,這樣平行光照射到上面就會變成散射光,往上下方向行進,往下的光則被反光片反射回來。

     

    ▲圖1為無導光板,圖2有導光板,圖3為導光板背面

     

    看圖就明白了導光板的作用,圖3可以看出來導光板把光導向了屏幕各個方向。

     

    ▲LED 背光

     

    導光板拆下后,LED 背光燈就露出來了,16 顆均勻分布,作為 LCD 型屏幕,光是它的命根,LED 越亮屏幕就越亮,但手機續航就堪憂,所以在保證 LED 顆數不變的情況下,屏幕廠商改善液晶技術和工藝,提高開口率來改善屏幕亮度,LED 光的冷暖在一定程度上影響著屏幕的色溫。

    ▲柔光片,顧名思義是讓光線變得柔和。

     

    ▲增光片

     

    通過導光板散射出來的光,方向是任意的,增光片把射出角度偏離垂直方向太多的光給反射回去,這就是它的功能。至此背光模組拆完了,各種片片,一個字,聚光。

     

    聚攏這么多光干嘛,那就是接下來要長篇幅談到的 LCD 顯示原理,沒興趣的朋友可以直接跳到文末。

     

    ▲TFT-LCD 結構示意圖

     

    TFT-LCD 顯示屏由背光模組和液晶面板兩大部分組成,剛剛上面拆卸的是背光模組。

     

    ▲顯示屏結構示意圖

     

    TFT-LCD 屏幕就是光線的神奇之旅,通俗點解釋就是:背光模組聚集的光線來到第一片偏光片后,與偏光片垂直方向的光波就被阻擋,只剩下一個與偏光片平行方向的光,光接著前進投射到由 TFT 控制的液晶上面,TFT 通過電流電場來控制液晶規則旋轉排列,液晶旋轉角度決定了光線能否通過第二片偏光片,所以產生了透光度的差別。

     

    而液晶本身沒有顏色,因此要用彩色濾光片產生各種顏色,一個像素點由 3 個 R G B 基本色構成,依此原理控制每個像素的明暗,便可構成所需彩色圖像。大意原理看起來可能晦澀難懂,下面用幾張圖來輔助理解。

     

    偏光片

     

    從圖中我們可以看到,由光源發出的自然光是包含多個振動方向,通過偏光片之后變成了只有一個振動方向的偏振光。

     

     

    如果光波的振動方向垂直于偏光片的方向,那么就會被完全阻攔下來,光強最弱,幾乎看不到光線,如果是平行的則可以直接通過,光強最強。

     

    當然如果既不垂直也不平行,則通過的光的強度則取決于光的振動方向和偏光片方向的夾角,夾角越小通過的光的強度越大。

     

    液晶的作用就在于,通過 TFT 陣列加電之后能改變光的方向,使偏振光能夠通過第二塊偏光片,從而能在屏幕上看到各種強度不同的光,當然想要顯示不同顏色的光則通過相應的彩色濾光片合成各種顏色就可以了。

     

    從圖中我們可以看到液晶扭轉了光的方向,使之能通過第二塊偏光片。

     

    而 LCD 中有前后兩塊偏光片,一片水平偏光片,一片垂直偏光片,把兩塊偏光片成垂直放置在一起,理論上所有光線都被阻擋了,如上圖中的黑色塊。

     

     

    LCD 能夠精準地顯示,拜托了夾在兩片偏光片中間的液晶,它就像光的使者一樣。

     

    左圖是斷電狀態,液晶沒有發生偏轉,從垂直偏光片透進來的光經過液晶折射后,恰好可以通過水平偏光片,屏幕為亮。

     

    右圖則相反,通電后液晶發生了偏轉,成垂直狀態,光線射到液晶上面后不會被折射,光波的偏振方向也就沒有被改變,剛好被上面水平偏正片把垂直偏振方向的光遮擋,顯示為暗。

     

    ▲去掉背光模組的 LCD

     

    當把背光模組去掉后,屏幕還是會顯示內容,只是有光就看得到顯示內容,沒光就沒戲。

     

    TFT

     

    ▲TFT 玻璃基板顯微圖

     

    TFT 叫做薄膜晶體管,對屏幕上的各個獨立的像素進行控制驅動,相當于一個開關,也就是通電與斷電來驅動液晶旋轉。如果要問 TFT-LCD 顯示屏哪部分最難做,毫無疑問就是 TFT。

     

    TFT 作為控制電路,蝕刻在玻璃基板上面,那就需要把電路制作好,用作導電的線路是 ITO(Indium Tin Oxide,透明導電金屬),ITO 是透明的,這樣才不會阻擋背光。

     

    例如 MX4 的屏幕,5.36 英寸分辨率為 1920X1152,換算成像素就是有 2211840 個像素點,一個像素點包括三個(RGB)子像素, 那就是 2211840 X 3 =6635520,每一個子像素都需要單獨的 TFT 來控制,制作這樣一塊屏幕也就需要 660 多萬 TFT, 再計算一下后得到 1mm²內就要 811 個 TFT 單元, 這還只是 1080P 分辨率,以此類推算一下 MX4 Pro 2K 分辨率,1mm²內就要堆 1390 個 TFT 單元。

     

    而且在 TFT 單元內,TFT 線路所占 TFT 單元的面積大概也就十分之一,可想而知 TFT 有多小,要在非常薄的玻璃上面蝕刻這么微小的電路,對工藝要求非常高,而且彼此 TFT 之間不能產生干擾。

     

     

    ▲LCD 顯示示意圖

     

    說了這么多,最后回顧梳理一下 LCD 顯示原理。

     

    從左邊開始,一開始有三束光從左邊打入,第一片濾光片把垂直方向的偏振光過濾掉,只剩下水平方向,光穿過玻璃基板,到達液晶層,由 TFT 開關加電驅動液晶旋轉。

     

    最底下那道光因為液晶沒有旋轉,光線沒有被折射沿原來方向前進,穿過彩色濾光片,到達第二片偏正片前被完全阻擋,所以前面板對應的子像素顯示黑色;

     

    中間那道則經過偏轉產生了一定的折射角度,但是因為角度沒有跟第二片偏正片完全平行,光線能夠透出一些,但是比較弱,顯示效果也較暗;最上面那道光經由液晶偏轉完全形成了跟偏正片完全平行的光線,全部通過后前面板顯示最亮的紅色。

     

    這就是由 TFT 電壓強弱控制液晶旋轉角度,導致光線穿過的明暗強度,最終顯示出不同灰階的色彩,構成了屏幕顯示內容。

    ▲LCD 雙玻璃厚度

     

    上面彩色濾光片玻璃,下面 TFT 玻璃基板,中間液晶,總厚度 0.32mm, 玻璃厚度只有 0.15mm, 薄如蟬翼,可以摸一下 A4 紙的厚度感受一下。

     

    最后上一張屏幕拆解全圖:

    最最后來說一下,無邊框手機能否實現。

     

    無邊框手機聽起來很美好,要想做無邊框手機,那就得先有無邊框屏幕出現,就目前的屏幕制造技術而言,無邊框屏幕沒法實現,這里討論的無邊框是無顯示黑邊的意思。

     

    顯示屏左右兩邊的黑邊窄度(BM 區)也就是所謂的窄邊框,這兩邊也有 TFT 電路線,例如 1920X1080 分辨率的屏幕,縱向就有 1920X3=5760 個子像素,每一行的 TFT 采用串聯,也就要布 5760 條線,有兩邊框就除以 2, 一邊也要 2880 條,再者,這個線又不能做成 TFT 玻璃基板上的 ITO 透明線。

     

    因為這么密集的布線,要考慮到電路之間的干擾性,而 ITO 的抗干擾性滿足不了這么密集的布線,必須采用有色金屬,所以這個黑色的區域必不可少。

     

    分辨率越高,這個布線的寬度就要越寬,除了布線的技術性局限,顯示黑邊還有防漏光作用。
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