LCD液晶显示器示技术大全

LCD液晶显示器示技术大全液晶显示器在显示器市场的主流。很多用户在装机或升级的时候，有希望选购一台液晶显示器。然而厂商的夸大宣传，和不正确的小道消息经常会影响到消费者的正确判断。在此笔者撰写了一个关于液晶显示器技术的系列文章，希望大家对它有个正确而完整的认识。CRT的弊端CRT显示器技术诞生于100多年以前，早在计算机发明以前它便广泛的应用在各种领域。今天CRT仍然是非常强大的技术。它的实现原理非常简单，而且制造所使用的原材料也非常便宜。它可以稳定而真实的显示高分辨率的图像。无论它有多好，CRT显示器的缺点也是众所周知的。高功耗单一电子枪结构不容易聚焦，会使图形扭曲易受周围磁场影响，颜色失真危险的高电压电路，电磁辐射体积太大由于材料的电器和物理特性的制约，CRT显示器的性能指标已经很难再有较大幅度的提高。我们现在使用的CRT显示器的基本原理还是100多年以前发明的。研究人员开始重新设计新的显示器技术，平板显示器（flatpaneldisplay）由此诞生。但是平板显示器要全面取代CRT显示器还是一个相当长的时间。市场分析家指出到2004年平板显示器出货量仅仅占整个显示器市场的50％。液晶显示器（Liquidcrystaldisplays）19世纪澳大利亚的植物学家弗里德里克首次发现了液晶。此后不久德国物理学家，奥托•莱曼发现了液晶的物理特性。液晶几乎是透明的物质，它有着近乎在液体与固体之间的特性。当液晶的分子有秩序的排列在一起时它就呈现固体的特性，光线可以直接穿过它。在60年代科学家们发现可以用通电的方式改变液晶分子的排列秩序，液晶材料就呈现液体的性质。这时液晶材料对光线穿透有抑制作用。可以通过这种方法控制液晶分子的透光率。直到1971年中，液晶显示器才杀入这个领域。今天液晶已经深入到了微型摄像机、数码相机、显示器等各种图像显示产品中。很多人都相信LCD是最有希望的显示技术，它最终会代替CRT显示器。因此相关的液晶技术也得到了大力发展，今天的产品已经不再像从前那样笨拙了，艳丽的色彩取代了单色黑白。无疑超薄的平板屏幕技术被首先应用于笔记本和掌上电脑领域。虽然同属于液晶显示的范畴，但是他们有两种显示方式：低成本的DSTN（dual-scantwistednematic，双扫描螺旋液晶）技术高画质的TFT（thinfilmtransistor，薄膜晶体管）技术液晶显示原理LCD可以说是一种光线传送技术。其原理是通过一个有源滤波器来调整固定强度的背景光线穿过液晶，从而使液晶板上可以显示出不同的图形。通过对白色光线的简单过滤，得到红、绿、蓝的基本原色，这就能构成显示的基本元素——象素。大多数液晶材料在自然状态下都是一种分子化合物。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：粘土状的Smectic液晶，细柱形的Nematic液晶和软胶胆固醇状的Cholestic液晶。这三种液晶的物理特性各不相同，而第二类的细柱形的Nematic液晶最适于用来制造液晶显示器。液晶分子会沿着一条中轴平行的排列。为了可以控制分子的列队让他们保持一定的顺序，人们让液晶分子依附于更大一些的沟槽状板的表面。液晶分子可以沿着沟槽滑动，在接触到沟槽的表面后会沿着沟槽的方向顺序排列。因此如果沟槽之间紧密的平行，那么液晶分子的列队也可以紧密的平行。LCD就像三明治一样，液晶夹在两块精细的沟槽板之间，两个沟槽的方向互相保持90度的垂直。如果其中一个沟槽面板中的沟槽是按照南北方向并行排列的，那么与它相对应的另一快沟槽板中的沟槽就是按照东西方向并行排列的。在两块沟槽板中的液晶层被强破扭曲为90度排列。光线可以穿过分子队列和被扭曲90度的液晶层。此后美国无线电公司（RCA）发现电压可以作用于液晶。电压可以使液晶分子重新排列，并且可以抑制某些光线的通过。LCD显示图像需要依靠偏振滤光器和光源。自然的光谱可以向任何的角度发散。偏振滤光器可以简单的控制光谱的发散方向。当上下两个沟槽板表面之间呈一定的角度时，液晶随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲。结果便是这个扭曲了的螺旋状液晶层，使穿过它的光线也发生了扭曲。如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样就会将某些波段光线的扭转。如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭转的光线就可以被还原了，而没有发生扭转的光线将被阻碍。通过这一过程液晶屏幕便能把白色光线过滤成其他颜色，最终在屏幕上呈现出艳丽的色彩。LCD的显示特点LCD有很多先进的特性，当然LCD也有很多不足之处，比如狭窄的可视角度，可显示的颜色数等等。CRT显示器在额定带宽的范围内，可以工作在多种分辨率模式中。通过对电子枪聚焦的调节，可以缩放屏幕显示的面积。而一台LCD平板显示器中的液晶单元的数量是固定不变的。实际上，使用所有的液晶单元在全屏模式下，它仅仅可以显示一种分辨率。但是它可以通过联合相邻的液晶单元的形式，显示更低的分辨率。例如一台最大分辨率为1024X768的LCD显示器，它可以显示640X480的分辨率，但是这样屏幕上仅仅使用了66％的液晶单元。大多数LCD显示器可以通过联合象素的形式，降低屏幕的分辨率。但是这种技术更适合显示精细的照片，对于文本和简单的图形来说它的显示效果并不理想。比如经过额外补偿的象素，会在文字的边沿产生一些锯齿和赝象。为了得到更为清晰锐利的文本和图形，研究人员发明了反锯齿（anti-aliasing）技术。它可以智能的对要显示的文本进行象素填充。但是目前不是所有的LCD显示器都支持这项技术，它也需要硬件和软件的联合支持。当然支持多种分辨率并不能算是LCD显示器的一项优点。它表现出的无扭曲的画面更像是一副风景画，这种肖像模式才是平板显示器的一项重大的优点。一般CRT的显示器由于显像管的制造工艺的限制，在没有纯平显示器的时代，那些灯泡一样的“鼓肚儿”屏幕让从事平面设计的专业人员大伤脑筋。在90年代中期，平板显示器技术慢慢的完善起来，今天这项技术已经得到了全世界的显示器和笔记本厂商的认可。LCD显示器已经融会到许多计算机的应用中，比如文字处理，Web和图片浏览。并且它似乎已经成为了一台先进的多媒体电脑的标准配置。在WindowsXP中的“我的电脑”图标已经明确的告诉消费者，Windows已经进入了液晶时代。有更多的软件从编码底层开始对LCD显示器做了优化。从2000年初，很多平板显示器厂商都开始支持SXGA显示标准。SXGA是非常有趣的标准，它使用5:4的屏幕高宽比，不同于其他的显示分辨率标准，它的分辨率为1280X1024，这是非常独特而时尚的Web浏览方式。水平分辨率为1280，许多网站都支持这一标准，这样可以在一个屏幕内容下更多的信息。不同于CRT显示器，LCD使用对角线测量法来表示屏幕的可见区域面积。由于使用这样的测量法屏幕的可视面积不会像CRT显示器那样，和标称的面积相差太多。同样标称尺寸的显示器中，CRT与LCD大约相差3英寸。早在1999年，很多TFT技术的领导厂商就已经研发出了18.1英寸的超大屏幕液晶显示器，它的分辨率为1280x1024。LCD显示器就没有聚焦的问题，它同样可以显示出锐利的图像。它的每一个液晶单元都是一个相对独立的开关。因此用LCD来显示文本字符非常的清晰。CRT显示器是以整个屏幕为单位刷新显示的内容。这样就需要达到很高的刷新速率，人眼才不会感到屏幕的闪烁。LCD则不需要不断的对整个屏幕进行刷新。为什么LCD显示器并不存在闪烁问题呢？其实LCD显示器上的每一个液晶单元都是独立刷新的。因此显示图像时的刷新率会比标准的85MHz无闪烁标准低很多，大约在40~60MHz之间。但是你的眼睛决不会在这种刷新率下感觉到整个屏幕的闪烁。相反，LCD中一个或者多个液晶单元可能存在缺陷。就以1024x768分辨率的显示器为例，每一个象素由3个液晶单元组成（红、绿、蓝）。所有液晶单元的总和大约为240万个（1024x768x3=2,359,296）。最严格的制造工艺技术也不能保证每一个液晶单元都工作良好。很多LCD显示器上都存在“亮点”或“暗点”。很多厂商在产品宣传中提到自己的产品是“无坏点”的极品LCD显示器。但不幸的是这样的显示器太少了。细小的液晶原色坏点人眼是很难识别的。LCD显示器中还有很多与CRT显示器不同之处。在液晶板后面置有荧光管。他们像蛇一样盘绕在液晶板上。这样在一块屏幕中就可以显示出几种不同的亮度。也许在低端的LCD显示器中你会看到重影和托尾现象。重影是由于屏幕中发亮与发暗的液晶单元对临近单元的影响所致。而托尾是由于液晶单元的响应延迟所致。可视角度也是衡量LCD显示器优劣的重要指标之一。设计人员通过调节光线透过液晶的角度，来增大LCD的可视角度范围。CRT是一种放射式显示器，光线透过屏幕射向显示器的前方，因此透过显示器前的任意角度，你都可以看到屏幕的内容。在LCD显示器中，光线间接通过液晶层的扭曲和偏振滤光器的还原，呈现出最终的象素。在光线发散开来时光线也会穿过临近的象素，造成彩色畸变。最早的液晶层都是扭转90度，为了扩大可视角度，此后的液晶层多是扭转180度以上，有的更达到了270度。在很长一段时间之内，LCD显示器还沿用着我们熟悉的15针标准VGA显示接口。自90年代以后有几个研究小组提出了不同的LCD数字接口解决方案，但是没有一个标准占据绝对的上风获得广泛的支持。僵局最后被DDWG（DigitalDisplayWorkingGroup，数字显示工作小组）打破。这个小组包括很多业界知名的大公司：Intel,Compaq,Fujitsu,Hewlett-Packard,IBM,NEC,SiliconImage。在1998年春天DDWG被获准发布了DVI（DigitalVisualInterface，数字视频接口）的第一个版本。这些规范说明包括：地址控制，电力与机械相关定义等等。它可以升级支持更高的分辨率，也可以同时支持模拟和数字格式的信号。现在越来越多的显卡都配备了DVI接口。这两种接口之间的信号是可以通过特殊的电路自由转换的。事实上，在现代的VGA接口中也采用了很多平板显示器的信号传送技术，因此他们之间的信号互换才如此简单。颜色的生成为了让液晶屏幕显示所有的颜色，必须在有光和无光的通道之间加入一个中间层。这个变化的层可以生成所有的颜色。可以通过电压的驱动来完成液晶状态的转换。液晶转化的速度随着驱动电压的增大而加快。因此这样完全可以控制液晶层的透光量。今天的液晶显示器中，一般每种原色都使用64种不同的电压来表示，最后使用6bit二进制数表示。而液晶显示器的对手CRT则可以使用256种不同渐变表示每一种原色，使用8bit的二进制数传输和处理。每一个象素使用3种原色表示，那么我们就可以推算出，在LCD显示器中最大可以表示262,144种颜色，即18bit。真彩的CRT显示器最高支持16,777,216种颜色，即24bit。现在的多媒体应用已经非常普遍和广泛了。缺乏24bit真彩的平板显示器是制造商最为头痛的问题。当然18bit也能很好的运行大多数应用程序，它仅仅在专业的图形制作和视频编辑领域略显逊色。一些LCD厂商在设计时，设法让显示颜色的精度扩展为24bit的色深。日立公司开发了一项专利技术：电压可以影响到相邻液晶单元的图形生成，由此可以模拟出非常精细的渐变。通过3至4帧图像，顺序的显示出来。这就是众所周知的FRC（FrameRateControl，帧频控制）技术。日立的这种技术可以使LCD显示器的每种原色，从理论上可以显示253种渐变。此“全彩”画面对于显卡的处理速度和显存容量的要求都比较高，也并非用户的显卡可支持24bit全彩就能使LCD显示出全彩，这还需要应用程序的支持。实际上这种技术也不能让LCD显示器完全达到24bit的显示精度。和真正24bit的全彩还是有一定的差距的。上期向大家介绍了一些液晶显示器的基本知识，这次会看到液晶显示器中DSTN与TFT两大主要技术的介绍，并且你会了解到一些提升液晶显示器性能的重要技术。DSTN显示器在一般的被动矩阵LCD显示器中，包含了许多的层。第一层是一片薄薄的玻璃，上面图有一层金属氧化物。这层材料具有相当高的透光性，因此它不会对最终LCD生成的图像质量产生影响。它呈现出一行行并列的网格，并且可以传导电流，以激活所要工作的液晶单元。这可以说是一层透明的电极。在其下面是一个聚合物层，聚合物的表面呈现出许多连续的并行沟槽，液晶分子会依附于聚合物表面，沿着沟槽的方向排列。在另外一端，还有一层电镀玻璃。当两片玻璃放置在一起的时候，也要让它们保持一定距离。然后边沿使用还氧材料密封，但是在左边的一个边角处会留有一个空隙。可以通过这里在两片玻璃之间注入液晶。最后对玻璃进行电镀，完全的把液晶密封在里面。在早期的产品中，加工处理的工艺有很多缺点，结果会在注入液晶材料时发生象素的粘连或丢失。一旦局部的象素损坏，会影响到整个屏幕的品质。在下面是偏振层，它保证每一快玻璃板的表面与液晶层的方向相匹配。顾名思义DSTN（Dual－LayerSuperTwistNematic）的意思是双扫描扭曲向列，即通过双面加电的方式来扭曲液晶分子的排列方向。液晶层方向的变化在90度至270度之间，这依靠所有的液晶分子在该层中间进行旋转。另外在他们的下面还有一个背景光层。目前最有代表性的光源就是使用冷阴极荧光管灯。一般安置在面板的顶部和底部。为了让光线散布在整个液晶板上，通常会使用反射率较高的塑胶薄膜或棱镜。但是上下两个灯管的构造，会使得屏幕中间部分的对比度看上去比上下边沿的部分低。人们对液晶显示器的亮度要求越来越高，在液晶屏幕四边都安置了灯管的“四管”液晶显示器随之应运而生。图像之所以能够显示在屏幕上，这是由于光线穿过了上述液晶板的各种层之后投射出来的。没有光线是直接穿过液晶板发散出来的。荧光管所发散出的光线是垂直照射在后面的偏振滤光器上的，然后被液晶的链条分子折射扭曲了角度。因此这些平行光线的方向就被扭曲了。受电压控制的重新排列的液晶分子不会让光线透过，因此在屏幕上就产生了黑色的象素。而彩色的液晶显示器则是简单的使用了额外的红、绿、蓝色过滤器。这三种基本的原色是从荧光管发散出的白光中过滤而来的。而他们能够分开的原理，其实是简单的将每一个象素拆分为三个子象素。然而液晶显示器的象素，在被动式排列的矩阵中响应速度是非常缓慢的。如果迅速改变屏幕上的内容，例如播放视频、3D射击游戏、或者是快速移动鼠标时，显示的速度都跟不上内容的变化。另外被动矩阵屏幕还会产生托影现象。许多本应该呈现出黑色无光的象素，却显露出其他杂色。将屏幕分割成相对独立的区域可以有效的减少托影现象的发生。同时其他一些中立的开发公司也联合在一起，为改进被动式矩阵屏幕的显示品质而努力着。在90年代晚期，几个在当时具有技术领导地位的公司都着手增加DSTN显示器的响应速度和对比度。东芝和夏普联合研发了具有HPD(hybridpassivedisplay，混合被动显示)技术的液晶显示器。他们使用新型配方的液晶材料，虽然在液晶显示器的响应延时方面具有重大的改进，但是与此同时也增加了生产的成本和实现技术的复杂度。更低黏性的液晶材料，意味着它能在电压的驱动下，更快的做出反映。基于这种技术的液晶板，在每一行的象素中需要增加驱动脉冲的功率。这项改进使HPD液晶显示器的显示效果要优于传统的DSTN液晶显示器，在各种性能指标上更加接近于主动式矩阵液晶显示器。例如，DSTN中每个液晶单元的响应时间为300ms，相比而言HPD的液晶单元的响应时间为150ms。目前高档的TFT液晶单元是16ms。相比早先仅有40:1的颜色比率，HPD提高到了50:1，并且在色温抗干扰方面也有改善。另一个提高响应时间的方法叫做“多线选址”技术（multilineaddressing）。它可以自动检测输入的视频信号，并且更快速控制液晶单元的开关生成图像。这是由夏普公司率先提出的一项专利技术，它被称作“夏普选址”；此后日立发布的类似技术则叫做“高性能选址”（HPA）。但这种新一代的平板显示器并未完全消除托影现象，并且无论从画面成像质量还是可视角度等方面都无法同先进的TFT液晶显示器相抗衡。即使在完全静止的画面中，它们的差距仍然可以分辨出来。TFT显示器此后，很多公司开始使用薄膜晶体管技术（TFT，ThinFilmTransistor）来改善屏幕的颜色品质。在大名鼎鼎的TFT屏幕中，使用了主动式矩阵。也就是在液晶板上额外的连接了许多晶体管矩阵。每一个象素的每一个原色都有自己的晶体管。由晶体管驱动的象素消除了恼人的托影现象，并且TFT显示器大大提高了响应速度，一般的屏幕都可以达到25ms。而目前市场上主流的液晶显示器都可以达到16ms。颜色的对比度也提高到了200:1至400:1的水平。亮度也达到了200至250cd/m2。液晶在显示器上按照一定的规则顺序排列，形成了一个个象素。在未给液晶单元加电的情况下，光线可以穿过偏振滤光器，由此光线也可以穿透屏幕。当给液晶单元加电的时候，它们会按照通电电压的比率旋转90度，由此光线被液晶分子扭曲并传送给偏振滤光器，完成了转换光线路径的过程。那么在TFT显示器中，由晶体管控制液晶旋转的角度，并且可以独立的调整每个象素单元内红、绿、蓝三原色显示的强度。由此TFT显示器可以更好的控制色彩的生成，图像更加鲜亮逼真。TFT的屏幕可以比传统的液晶屏幕作的更轻薄、更亮。并且每秒钟刷新的速率要超过DSTN屏幕的10倍，更接近于当前流行的CRT显示器。要显示一般VGA模式，需要大约921,000个晶体管(640x480x3)，更高一些的1024x768模式则至少需要2,359,296个晶体管。并且每一个晶体管必须可以完美的工作。屏幕上的所有的晶体管矩阵都必须制作在一块硅片上。只要硅片上羼杂了一点点杂质，那就意味着整快硅片的报废。这是导致了TFT良品率不高的主要原因，由此TFT的价格也就相对较高。正是因为硅片上某些晶体管的失效，我们在很多屏幕上常常能看到“亮点”和“坏点”。对于鉴别液晶屏幕上的亮点和坏点有两种方法：1、在整个屏幕上显示一张全黑的图片，如果其中有个别的象素发出亮光，那么这就是个有缺陷的象素——亮点。2、在整个屏幕上显示一张全白的图片，如果其中有个别的象素不发光，那么这就是个坏点。就现在的生产工艺而言，成品液晶显示器的象素或多或少都会有缺陷。可能某些象素的晶体管永远处于“开”的状态，这个象素会永远显示为红、绿或者蓝色。不幸的是，晶体管本身是固定的，它是不可能被修复的。厂家一般使用激光，将这个亮点烧毁。这样它就不会显得那么碍眼了。尽管如此，你还是能在全白的屏幕看到它变成了一个小黑点。在一块TFT液晶板上出现亮点现象是正常的。LCD制造商会将亮点控制在一定范围内的。例如一台最大分辨率为1024x768的液晶显示器，在它上面总共包含2,359,296个象素(1024x768x3)。一般来说损坏率在0.0008%之内算是正常的，也就是20个象素。（2,359,296×0.0008%×100＝20）TFT显示器从原理构想到今天的大范围应用经历了很多重大的发展变革，但无论如何它的显示原理都是基于最早的TN形平板液晶技术。虽然液晶显示器具有很多CRT显示器不能比拟的好处，但是LCD在很多成像指标上还和传统的CRT相差很远。由此一场轰轰烈烈的提高液晶显示器性能的变革开始了。内置平板开关（In-PlaneSwitching）内置平板开关技术（IPS，In-PlaneSwitching）主要由日立和NEC联合研发，后来又称为SuperTFT。它可以大大增加TFT液晶屏幕的可视角度，因此在液晶显示器的发展史上具有重大意义。它与普通TFT液晶分子在排列方式上有所不同。在一般的TFT显示器中，液晶的末端是固定的，并且对液晶加电之后它会分开，通过改变偏振角度来传送光线。在基于TN技术液晶板中，液晶分子队列随着电压的增加，扭曲的幅度会越来越大。在IPS中，当加上电压之后液晶分子与基板平行排列，液晶分子不会被扭曲。采用这项技术的显示器的可视角度达到了170度，已经可以和CRT显示器的可视角度媲美了。不过这项技术也有缺点：为了能让液晶分子平行排列，每个象素由两个晶体管驱动。两个晶体管使透明区域的透光度有所下降，这样导致显示器的亮度和对比度明显的下降，为了提高亮度和对比度，只有增强背光光源的亮度。这样一来，反应时间和对比度相对于普通TFT显示器而言更难提高了。垂直配向技术（VerticalAlignment）在1996年晚些时候，富士发布了一种TFT液晶显示板所使用的新型液晶材料，在自然环境下它就是水平排列的，这同IPS加电后的性质相同。但它并不需要那些额外的晶体管就能很好的工作。在1997年中期，富士的液晶显示器就已经开始使用这种新型的材料了。液晶层中的液晶队列分子在没有电压的驱动时，包括面板边沿的分子，都会完全垂直的排列。光线无法穿透液晶层，从而产生出全黑的图像。当有电压时，分子会变成水平位置排列，光线能够不间断的穿过液晶单元，产生出白色的图像。因此它的可视角度范围在140度以上。由于分子之间不再是扭曲结构，它们仅仅起到开关作用，所以它的响应时间也更为迅速。由于液晶面板的透光性得到了增强，它的最大对比度在没有过多的电力损耗的前提下，提高到了300:1。多重区域垂直配向技术(MVA)为了让垂直配向结构的液晶板更为出色的工作，富士公司在一年之后又提出了多重区域垂直配向技术（Multi-domainVerticalAlignment）传统的垂直配向单元中的液晶分子都是朝一边倾斜的。因为液晶分子的队列是统一的，主视角度的变换会影响到屏幕明暗的变化。当你在这种类型的液晶单元前方观察时，左右两个边界的极限可视角度并不平均。在你的入视角度与液晶分子的倾斜角度接近平行时你就无法看清屏幕上的内容了。在MVA液晶板中，每一个子象素被拆分到数个区域中，而且偏振滤光器的表面也不再像以前那样平坦了，它的表面是突起