液晶显示器——LCD技术指南.doc

拨开液晶显示器迷雾 LCD技术指南作者:刘泽申 来源:gzeasy 类别:硬件文库-计算机组装与维修 日期:2003.05.18 前言：也许就是在今年，一连串的液晶价格大战和各种液晶促销活动才让大众知道了液晶显示器这个新名词。同时，这一连串的宣传也让液晶的概念深入人心。在大家买电脑的时候，往往问得最多的就是：显示器是液晶的吗？但是大家又是否了解在液晶显示器背后的各种技术？液晶显示器是否真的适合你？除了液晶显示器还有什么新的显示技术？现在，就让我们来告诉你答案.原理篇：大家或许都对液晶的优点和缺点略知一二。他优点在于没有辐射，体积小巧、耗电量低等，当然视角窄、响应速度慢而且颜色表现力不佳也是众所周知的。但是为什么会有这些优点和缺点呢？恐怕我们就需要从液晶显示器的原理入手。呵呵，不要担心，我们所说的原理只是皮毛而已，浅显易懂：POK，现在就让我们来看看液晶显示器的基本原理。大家在看液晶显示器的时候一定能发现TFT这个缩写，实际上这个就是液晶显示器的控制单元薄膜晶体管的缩写。当然，在一些彩屏手机和PDA上，也使用显示效果较差，但更为省电的STN及DSTN(被动矩阵液晶显示器)。我们日常电脑上用的液晶显示器通过TFT来控制每一个像素的通光量从而显示图形。正因为如此，我们也把它称作主动矩阵薄膜晶体管液晶显示器(Active Matrix TFT LCD)。LCD的基本构造LCD显示器的侧面构造既然是这样，我们又为什么称他为液晶显示器呢？呵呵，所谓液晶其实就是一种介乎于液体和晶体之间的物质。他的奇妙之处是可以通过电流来改变他的分子结构。正因为如此，我们可以为液晶加上不同的工作电压，让他控制光线的通过量。从而显示变化万千的图像。液晶本身并不会发光，因此所有的液晶显示器都需要背光照明。一般来说背光源就是多个冷阴极灯管。背光灯管在液晶显示器打开的同时就一直被点亮的。而为了控制透光率，人们把液晶单元放在了两片偏振玻璃片之间。这样，当液晶单元没有被加上电压的时候，处于初始状态，这样背光在通过时就会被被液晶单元的特殊分子结构所极化，光线被扭曲90度，从而通过前面的偏振玻璃被人们所感知。同理，当液晶单元被加上电压之后，他的分子结构会被改变，这样光线的角度并不会被扭曲。于是光被显示器前面的偏振玻璃所阻隔，无法被人们所感知。左边的液晶单元没被加上电压。因此光线被偏转90度之后通过前面的偏振玻璃而右面的液晶单元被加上电压后并不会使光线偏转，因此光线无法通过前面的偏振玻璃，因此无法被人们看到这幅图中我们看到了光线是如何通过整个LCD显示器，从而被人感知的但是因为背光源不能高速的关闭和打开。而最前面的偏振玻璃也不可能完全阻隔光线的透过。因此要在LCD上实现全黑的画面就非常困难了。随之而来的就是液晶显示器的对比度问题。人眼可以接受的对比度一般在250：1左右。而CRT显示器可以轻易的达到500：1甚至更高。但是LCD至今还在400：1的线上挣扎。对比度的降低，图像的锐利程度也就会随之降低。在液晶单元受到电压直到完成分子结构的变化，存在一定的延迟。这样也就有了众人所关注的液晶响应延迟。一般来说为液晶显示器从全黑到全白和从全白到全黑的时间并不是对称的。这样我们就多出了所谓的液晶响应时间的上升延迟和下降延迟。与此同时当背光偏振玻璃、液晶及取向膜后，最终的输出光就有了特定的方向特性，而其中绝大多数的光俱备了垂直的方向性。这样，当我们从非垂直的方向上去观看液晶显示器的时候，往往因为射出光的垂直方向性，并不是所有光都能通过我们的眼睛，于是这时候往往液晶显示器会呈现一片漆黑或者是颜色失真。这也就是液晶显示器的视角问题。不过，现在针对LCD的视角问题已经有了众多改进的技术，譬如MVA等。而LCD显示器在使用中也很少会遇到多人同时观看的场合。所以视角问题的严重性相对较小。让人头痛的LCD视角问题同时为了表现颜色，面板必须被分割且制造成一个个的小门或开关来让光通过。这个步骤看起来很简单，但是实现起来就非常困难了。而且涉及到的技术非常深奥。这里就不多说了。当我们的液晶面板有了众多的开关和小门之后。为了得到我们想要的颜色，我们还需要为每个像素安上滤色片。这样背光透过之后就会有了各种不同的颜色。大家知道，三原色可以构成我们所需要的各种其他颜色。于是液晶面板上的每个像素都被再次分成红、绿、蓝三种颜色。我们把每个这样的单元称做液晶像素的子像素。单个像素中包含RGB 3个子象素尽管三原色几乎能够构成我们现实生活中的所有颜色。但是LCD从本质上来说是数字的！当我们把它和显卡D-SUB连接的时候，D-SUB输出的模拟信号将会被LCD内部模拟数字转换器转换成数字信号，从而产生加在液晶单元上的电压。这也就是说液晶显示器所能表现的颜色将会受到液晶本身的模拟/数字转换器位数的限制。而在模拟数字的转换过程中，也将会导致色彩品质的降低。在绝大部分主流液晶显示器中模拟数字转换器都是18Bit的，也就是说他们能够表现的颜色只有262144种（2的18次方）。而能够让人满意的颜色表现能力的底线一般为24Bit，也就是16777216种颜色。相比之下传统的CRT显示器的32Bit颜色表现能力实在是出类拔萃。当然，市场上也存在每通道8Bit每通道甚至是10Bit每通道的液晶显示器，但是他们的价格实在是惊人。或许受限于电压控制的精度有限，和可用的电位数目有限。在颜色表现力方面LCD或许永远不是CRT的对手。呵呵，这也是少见的模拟设计优胜于数字设计的例子。大家不要以为模拟的东西一无是处哦：）值得注意的是，液晶所能表现的像素是由制造时有多少小门和开关决定的。这也就意味着液晶显示器的的物理分辨率总是固定不变的。一般15寸的液晶显示器分辨率被定为1024x768。这样，在液晶上也就是有3072x768个小门（因为一个像素需要3个子像素才能表现颜色，所以在这里的1024需要乘以3）。那你或许会问：我的液晶显示器也可以工作在800x600甚至1280x1024的分辨率下呀？事实上，在日常应用中不可能永远都是用一个相同的分辨率。家庭用户更是如此。在传统的CRT显示器中，只要只要调整电子束枪的偏转电压，就可接收新的分辨率。但是对于液晶显示器就复杂得多了。为了让液晶显示器的适用范围更广，因此我们必须通过插值运算来支持其他分辨率，这时显示器中的处理器会通过运算决定哪一个像素该放大而那一个不须放大。而实际上液晶显示器的分辨率并不会因此而改变。因为所有的像素并不是同时放大（从640x480分辨率到1024x768分辨率放大倍数为1.5），这就存在了缩放误差。实际上很多人都觉得在液晶显示器上使用非标称分辨率时，文本显示的效果强差人意的原因正在于此。让人不适的缩放误差正来源于此呵呵，到这里，LCD的理论大家已经掌握得差不多了，现在让我们一起去实践一下吧：）实战篇：为了更好的说明问题，我们随便找了某厂商的LCD产品技术参数：现在就让我们逐一看看这款LCD显示器的能耐:P首先我们自然就看到了LCD显示器的最重要的参数LCD面板尺寸。LCD面板尺寸和CRT的不同之处在于。LCD面板是计算可视尺寸的。因此15寸LCD显示器的实际显示面积往往和17寸的CRT显示器的显示面积相差无几（17寸CRT显示器的可视面积在15.615.9之间）。同理，一台17寸的LCD显示器的实际显示面积也就和一个19寸CRT显示器差不多了：）之后我们便看到了这款液晶显示器的最大分辨率。还记得我们上面所说的吗？液晶显示器的分辨率是固定的。因此在日常使用中我们应该尽量使用和他最大分辨率相同的分辨率工作，这样才不会产生让人不适的缩放误差。最大分辨率我们了解了之后，就轮到可视角度了。这款显示器的可视角度在左右上下分别达到了75757555度。这是非常不错的成绩了。当然，受限于LCD的工作原理，我们似乎永远也无法作出全视角的LCD显示器？液晶显示器的视角困扰看完LCD显示器的视角之后，我们还要对LCD显示器的亮度进行考察。这款显示器的亮度为250Cdm2。但这是什么意思呢？实际上Cdm2是亮度的单位。也有人把它称作平方烛光。事实上，在以前我们无法精确计量亮度的时候，往往把被测物和国际标准鲸鱼脂蜡烛的亮度进行对比，从而得出的数字。时至今日，虽然我们有了更先进的测量方法，对比的发光物也从原始的蜡烛换成了绝对黑体的2045K的发光强度。但是很多人依然没有改变对这个单位的称呼。对于液晶显示器来说，亮度往往和他的背板光源有关。背板光源越亮，整个液晶显示器的亮度也会随之提高。而在早期的液晶显示器中，因为使用2个冷光源灯管，往往会造成亮度不均匀等现象，同时明亮度也不尽人意。一直到后来使用4个冷光源灯管产品的推出，才有了不小的改善。这里有一点要提醒各位的是，LCD的背光源的寿命也是有限的，往往长时间使用之后，亮度会逐渐下降。当然，很多的LCD厂商都在产品的保修承诺中对失效的冷光源灯管进行更换。所以大家也不必太担心。液晶显示器冷光源灯管 对比度是我们不可忽略的参数。之前的原理篇中我们已经讨论过对比度的重要性，而LCD的对比度往往因为自身工作原理的限制难以和CRT显示器相提并论。日常使用的经验告诉我们，在绝大多数的情况下，对比度能够达到350:1就能更让人十分满意了。而这款产品的400：1的对比度相信能够更加符合人们的需求。所谓的整体讯号反应时间也就是上面我们所说的液晶显示器的液晶单元响应延迟。这里的16（4+12）ms数字则告诉我们这款液晶显示器的整体响应时间为16ms，其中上升时间需要4MS，而下降时间需要12MS。这里的上升和下降时间，实际上就是指的液晶单元从一种分子结构转变成另外一种分子结构所需要的时间。当然，我们可以通俗的说是液晶显示器由明转暗和由暗转明所需要的时间。我们常常看的电影是按照25FPS播放的，也就是在1秒中内要显示25张图片。于是每个图片停留的时间只有40ms。当然，在玩譬如CS之类的第一人称射击的游戏的时候，往往需要60FPS甚至更高的速度。因此液晶显示器的响应时间越短越好。那CRT显示器呢？实际上CRT显示器也有响应时间延迟，只是这种延迟低于1MS，所以我们难以察觉而已。鼠标指针高速移动之后因为响应延迟带来的拖尾 信号输入模式对于液晶显示器来说也很重要。绝大部分中低档的液晶显示器是通过显卡的D-SUB接口接受模拟信号，然后通过内部的处理器转换成数字信号的。而显卡本身输出的也是数字信号，数字信号通过RAMDAC之后才转变为模拟信号。但是在转换和信号传输的过程会对色彩造成一定的损失。而模拟信号通过显卡的低通过滤电路之后，画质更会受到不小的影响。为了避免这样的反复转换，就诞生了直接使用数字进行传输的DVI接口。可是因为成本等原因，还有不少的LCD显示器并没有提供DVI接口。这样无疑阻碍了LCD画质的提高。如果你预算不紧张，同时显卡有DVI接口，那在购买LCD显示器的时候记得选择有数字信号输入的产品。DVI信号传输流程好像很少有人关心LCD的耗电量？我们从这个参数中可以看出LCD的最大耗电量也才仅仅40W，相对于CRT显示器可以说是节能环保了。事实上这也是众多大机构全面采用LCD的重要理由之一。TCO99认证恐怕通过媒体的宣传早已经深入人心了吧？且慢！LCD不是没有辐射的吗？为什么还要有个TCO99认证？不是多此一举？呵呵，事实上TCO99认证除了对显示器的辐射提出了严格的要求之外，还对显示器的制造材料和制造过程提出了众多的要求。TCO99要求用来制造显示器的材料不能对人体有害，同时也不能损害环境。现在市场上绝大部分液晶显示器都已经通过TCO99的认证。所以这点我们也不用过于担心。未来篇：液晶将会在不久的将来一统天下？或许这样的一天永远都不会到来。尽管在2002年，各种关于液晶显示器的宣传铺天盖地。同时，液晶显示器令人诟病的响应时间在16ms液晶面板大量投产之后显著改善，而MVA、IPS等技术也让液晶显示器的可视角度大大提高。生产技术的成熟再次让液晶显示器的价格大幅下滑。如果说2002年只是液晶风暴的前奏的话，那2003年无疑是液晶显示器实现飞跃的时间。来自友达光电LCD制造流程（点击放大）不过液晶显示器在很多方面尽管有了长足的进步，但相比传统的CRT显示器，依然存在不少劣势。颜色表现力和价格都是阻碍液晶显示器全面推进的绊脚石。这些缺点同时还阻碍了LCD向高端市场的进军。面对这些问题，LCD生产上已经全力在改进这个问题，除了上面提到的MVA等技术之外，Samsung等电子厂商已经开发出了10ms响应时间的LCD面板，以及更高分辨率的LCD面板。过不了多久就能全面投产。不过与此同时在LCD后面早已经聚集了一大群有力的竞争者。OLED（有机发光显示屏）如果研发进展顺利，恐怕是其中最具竞争力的挑战者。这项技术相对于传统的TFT LCD而言，有着众多的优势：超薄，厚度只有1毫米左右，超轻，广视角，自发光，不需要背景光源，刷新速度快是液晶的1000倍，高清晰，低能耗，低温特性优良（零下40摄氏度性能依然良好），制造成本低，可以实现柔软显示（即屏幕可以卷曲）。OLED的关键元件包括ITO导电玻璃、小分子有机材料、封装相关材料、高纯度金属材料、低温多晶矽TFT技术及驱动IC。以材料需求面来说，TFT-LCD需要玻璃基板、背光板、偏光板、彩色滤光片及液晶材料等，总计加起来的面板厚度约近1公分左右，但OLED的材料则仅包括1片约1.3mm的玻璃基板以及小于0.3mm的高纯度金属材料及ITO导电玻璃等，合计总厚度小于2mm，二相比较下，OLED的面板厚度仅约TFT LCD的1020%，因此OLED不但比TFT LCD减少许多材料，也因此降低了生产成本，此外由于OLED与TFT LCD的发光源不同，因此也设有视角上的顾虑。目前。很多日本厂商已经开始试生产OLED的产品。一旦全面量产，对于LCD的冲击可想而之。实验室中的OLED 在大幅面显示领域，PDP技术则有着绝对的控制力。PDP的全名是等离子显示器（Plasma Display Panel）是利用惰性气体电子放电，产生紫外线激发所涂布的红、绿、蓝萤光粉，呈现各种彩色光点的画面。PDP的出现，使得中大型尺寸（约4070寸）显示器的发展应用产生极大变化，以其超薄体积与重量远小于传统大尺寸 CRT电视，在高解析度、不受磁场影响、视角广及主动发光等胜于TFT-LCD的特点，完全符合多媒体产品轻、薄、短、小的需求。最为关键的是，PDP显示器相对于LCD能够更容易制造出超大幅面的