【E课堂】LCD液晶显示器示技术大全

　　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(Frame Rate Control，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-Layer Super Twist Nematic)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(hybrid passive display，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(multiline addressing)。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，Thin Film Transistor)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-Plane Switching)

　　内置平板开关技术(IPS，In-Plane Switching)主要由日立和NEC联合研发，后来又称为Super TFT。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(Vertical Alignment)

　　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-domain Vertical Alignment)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，它的表面是突起的。由此所有的液晶分子不会只朝一个方向倾斜。(如图6)偏振滤光器突起的部分被形象的称作“ridges”。(山脊)而不同倾斜角度的液晶分子之间互不干扰可以独立转动。这种技术的目的就是尽可能的让用户感到他们是在观察同一个区域内的液晶分子。事实上随着观察角度的改变，作用于你的视觉的液晶分子也在交替的改变着。由此MVA技术解决了左右两个边界的可视角度不平均的问题。

　　在基于MVA技术制造的液晶显示器中，对比度、染色度、亮度都有很大提高。它的可视角度大约为160度。第一款MVA-TFT显示器发布于1997年底。最大对比度为300:1。在加装了漏光保护后最大对比度为500:1。这大约相当于200 cd/m2至 250 cd/m2的明亮度。它的响应时间比上一代TFT显示器的25ms更快，达到了15ms，衰变时间小于10ms。在10ms内屏幕就可以由白色变为黑色。

　　这个速度近乎人眼反映的极限，因此MVA-TFT显示器独特的结构非常适用于视频播放和3D射击游戏。

　　耗电量

　　主动矩阵式 LCD 显示器与 CRT 相比仅需要很少的电量。它已经变成了便携式设备的标准显示器，在移动电话、PDA、笔记本电脑领域中得到了广泛应用。尽管如此，LCD的光电转换效率非常低下。即使你将屏幕显示为全白，从背景光源中发射的光也只有不到 10% 穿过屏幕发出，其它的都被吸收掉了。

　　背景光源所耗能量占LCD显示器总耗电量的绝大部分。更大的屏幕、更高的亮度和更高的分辨率都将使笔记本电脑的耗电量大大增加。厂家通过降低系统电压和提高孔径比使更多的光能通过液晶单元，降低系统的电源需求。一般将笔记本显示器的总耗电量维持在2到5瓦之间。一根管子的背景光源大约需要 1.2瓦，所以根据使用一只或两只管子一个屏幕要消耗 1.2 或 2.4 瓦的电量。

　　上述介绍的技术都是具有背景光源的背光形显示器。在很多对于耗电量有苛刻要求的移动设备中也常常使用无背景光源的反射式液晶显示器。当周围环境的光线射进屏幕中，穿过极化的液晶层，碰撞反射层，再反射出来显示成可见的象素。在此过程中 80%的光被吸收，只有五分之一的入射光线起作用。这已足够提供可视影像需要的对比度。但是这也是它重大的缺陷，反射式液晶屏幕在昏暗的环境下无法看清屏幕的内容。在目前流行的PDA中又出现了半透射式液晶屏幕。它既可以在环境光照充足的情况下像反射式屏幕那样，利用自然光源反射照明，又可以通过内置的背景光源在昏暗的环境中照亮屏幕。