【E課堂】LCD液晶顯示器示技術(shù)大全

　　顏色的生成　　

為了讓液晶屏幕顯示所有的顏色，必須在有光和無(wú)光的通道之間加入一個(gè)中間層。這個(gè)變化的層可以生成所有的顏色?？梢酝ㄟ^(guò)電壓的驅(qū)動(dòng)來(lái)完成液晶狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。液晶轉(zhuǎn)化的速度隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大而加快。因此這樣完全可以控制液晶層的透光量。今天的液晶顯示器中，一般每種原色都使用64種不同的電壓來(lái)表示，最后使用6bit二進(jìn)制數(shù)表示。而液晶顯示器的對(duì)手CRT則可以使用256種不同漸變表示每一種原色，使用8bit的二進(jìn)制數(shù)傳輸和處理。每一個(gè)象素使用3種原色表示，那么我們就可以推算出，在LCD顯示器中最大可以表示262,144種顏色，即18bit。真彩的CRT顯示器最高支持16,777,216種顏色，即24bit。

　　現(xiàn)在的多媒體應(yīng)用已經(jīng)非常普遍和廣泛了。缺乏24bit真彩的平板顯示器是制造商最為頭痛的問(wèn)題。當(dāng)然18bit也能很好的運(yùn)行大多數(shù)應(yīng)用程序，它僅僅在專(zhuān)業(yè)的圖形制作和視頻編輯領(lǐng)域略顯遜色。一些LCD廠商在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)法讓顯示顏色的精度擴(kuò)展為24bit的色深。

　　日立公司開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)：電壓可以影響到相鄰液晶單元的圖形生成，由此可以模擬出非常精細(xì)的漸變。通過(guò)3至4幀圖像，順序的顯示出來(lái)。這就是眾所周知的FRC(Frame Rate Control，幀頻控制)技術(shù)。日立的這種技術(shù)可以使LCD顯示器的每種原色，從理論上可以顯示253種漸變。此“全彩”畫(huà)面對(duì)于顯卡的處理速度和顯存容量的要求都比較高，也并非用戶(hù)的顯卡可支持24bit全彩就能使LCD顯示出全彩，這還需要應(yīng)用程序的支持。實(shí)際上這種技術(shù)也不能讓LCD顯示器完全達(dá)到24bit的顯示精度。和真正24bit的全彩還是有一定的差距的。

　　上期向大家介紹了一些液晶顯示器的基本知識(shí)，這次會(huì)看到液晶顯示器中DSTN與TFT兩大主要技術(shù)的介紹，并且你會(huì)了解到一些提升液晶顯示器性能的重要技術(shù)。

　　DSTN顯示器

　　在一般的被動(dòng)矩陣LCD顯示器中，包含了許多的層。第一層是一片薄薄的玻璃，上面圖有一層金屬氧化物。這層材料具有相當(dāng)高的透光性，因此它不會(huì)對(duì)最終LCD生成的圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響。它呈現(xiàn)出一行行并列的網(wǎng)格，并且可以傳導(dǎo)電流，以激活所要工作的液晶單元。這可以說(shuō)是一層透明的電極。在其下面是一個(gè)聚合物層，聚合物的表面呈現(xiàn)出許多連續(xù)的并行溝槽，液晶分子會(huì)依附于聚合物表面，沿著溝槽的方向排列。在另外一端，還有一層電鍍玻璃。當(dāng)兩片玻璃放置在一起的時(shí)候，也要讓它們保持一定距離。

　　然后邊沿使用還氧材料密封，但是在左邊的一個(gè)邊角處會(huì)留有一個(gè)空隙。可以通過(guò)這里在兩片玻璃之間注入液晶。最后對(duì)玻璃進(jìn)行電鍍，完全的把液晶密封在里面。在早期的產(chǎn)品中，加工處理的工藝有很多缺點(diǎn)，結(jié)果會(huì)在注入液晶材料時(shí)發(fā)生象素的粘連或丟失。一旦局部的象素?fù)p壞，會(huì)影響到整個(gè)屏幕的品質(zhì)。

　　在下面是偏振層，它保證每一快玻璃板的表面與液晶層的方向相匹配。顧名思義DSTN(Dual-Layer Super Twist Nematic)的意思是雙掃描扭曲向列，即通過(guò)雙面加電的方式來(lái)扭曲液晶分子的排列方向。液晶層方向的變化在90度至270度之間，這依靠所有的液晶分子在該層中間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。另外在他們的下面還有一個(gè)背景光層。目前最有代表性的光源就是使用冷陰極熒光管燈。一般安置在面板的頂部和底部。為了讓光線(xiàn)散布在整個(gè)液晶板上，通常會(huì)使用反射率較高的塑膠薄膜或棱鏡。但是上下兩個(gè)燈管的構(gòu)造，會(huì)使得屏幕中間部分的對(duì)比度看上去比上下邊沿的部分低。人們對(duì)液晶顯示器的亮度要求越來(lái)越高，在液晶屏幕四邊都安置了燈管的“四管”液晶顯示器隨之應(yīng)運(yùn)而生。

　　圖像之所以能夠顯示在屏幕上，這是由于光線(xiàn)穿過(guò)了上述液晶板的各種層之后投射出來(lái)的。沒(méi)有光線(xiàn)是直接穿過(guò)液晶板發(fā)散出來(lái)的。熒光管所發(fā)散出的光線(xiàn)是垂直照射在后面的偏振濾光器上的，然后被液晶的鏈條分子折射扭曲了角度。因此這些平行光線(xiàn)的方向就被扭曲了。受電壓控制的重新排列的液晶分子不會(huì)讓光線(xiàn)透過(guò)，因此在屏幕上就產(chǎn)生了黑色的象素。而彩色的液晶顯示器則是簡(jiǎn)單的使用了額外的紅、綠、藍(lán)色過(guò)濾器。這三種基本的原色是從熒光管發(fā)散出的白光中過(guò)濾而來(lái)的。而他們能夠分開(kāi)的原理，其實(shí)是簡(jiǎn)單的將每一個(gè)象素拆分為三個(gè)子象素。

　　然而液晶顯示器的象素，在被動(dòng)式排列的矩陣中響應(yīng)速度是非常緩慢的。如果迅速改變屏幕上的內(nèi)容，例如播放視頻、3D射擊游戲、或者是快速移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，顯示的速度都跟不上內(nèi)容的變化。另外被動(dòng)矩陣屏幕還會(huì)產(chǎn)生托影現(xiàn)象。許多本應(yīng)該呈現(xiàn)出黑色無(wú)光的象素，卻顯露出其他雜色。將屏幕分割成相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域可以有效的減少托影現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)其他一些中立的開(kāi)發(fā)公司也聯(lián)合在一起，為改進(jìn)被動(dòng)式矩陣屏幕的顯示品質(zhì)而努力著。

　　在90年代晚期，幾個(gè)在當(dāng)時(shí)具有技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)地位的公司都著手增加DSTN顯示器的響應(yīng)速度和對(duì)比度。東芝和夏普聯(lián)合研發(fā)了具有HPD(hybrid passive display，混合被動(dòng)顯示)技術(shù)的液晶顯示器。他們使用新型配方的液晶材料，雖然在液晶顯示器的響應(yīng)延時(shí)方面具有重大的改進(jìn)，但是與此同時(shí)也增加了生產(chǎn)的成本和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的復(fù)雜度。更低黏性的液晶材料，意味著它能在電壓的驅(qū)動(dòng)下，更快的做出反映?；谶@種技術(shù)的液晶板，在每一行的象素中需要增加驅(qū)動(dòng)脈沖的功率。這項(xiàng)改進(jìn)使HPD液晶顯示器的顯示效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的DSTN液晶顯示器，在各種性能指標(biāo)上更加接近于主動(dòng)式矩陣液晶顯示器。例如，DSTN中每個(gè)液晶單元的響應(yīng)時(shí)間為300ms，相比而言HPD的液晶單元的響應(yīng)時(shí)間為150ms。目前高檔的TFT液晶單元是16ms。相比早先僅有40:1的顏色比率，HPD提高到了50:1，并且在色溫抗干擾方面也有改善。

　　另一個(gè)提高響應(yīng)時(shí)間的方法叫做“多線(xiàn)選址”技術(shù)(multiline addressing)。它可以自動(dòng)檢測(cè)輸入的視頻信號(hào)，并且更快速控制液晶單元的開(kāi)關(guān)生成圖像。這是由夏普公司率先提出的一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，它被稱(chēng)作“夏普選址”;此后日立發(fā)布的類(lèi)似技術(shù)則叫做“高性能選址”(HPA)。但這種新一代的平板顯示器并未完全消除托影現(xiàn)象，并且無(wú)論從畫(huà)面成像質(zhì)量還是可視角度等方面都無(wú)法同先進(jìn)的TFT液晶顯示器相抗衡。即使在完全靜止的畫(huà)面中，它們的差距仍然可以分辨出來(lái)。

　　TFT顯示器

　　此后，很多公司開(kāi)始使用薄膜晶體管技術(shù)(TFT，Thin Film Transistor)來(lái)改善屏幕的顏色品質(zhì)。在大名鼎鼎的TFT屏幕中，使用了主動(dòng)式矩陣。也就是在液晶板上額外的連接了許多晶體管矩陣。每一個(gè)象素的每一個(gè)原色都有自己的晶體管。由晶體管驅(qū)動(dòng)的象素消除了惱人的托影現(xiàn)象，并且TFT顯示器大大提高了響應(yīng)速度，一般的屏幕都可以達(dá)到25ms。而目前市場(chǎng)上主流的液晶顯示器都可以達(dá)到16ms。顏色的對(duì)比度也提高到了200:1至400:1的水平。亮度也達(dá)到了200至250cd/m2。

　　液晶在顯示器上按照一定的規(guī)則順序排列，形成了一個(gè)個(gè)象素。在未給液晶單元加電的情況下，光線(xiàn)可以穿過(guò)偏振濾光器，由此光線(xiàn)也可以穿透屏幕。當(dāng)給液晶單元加電的時(shí)候，它們會(huì)按照通電電壓的比率旋轉(zhuǎn)90度，由此光線(xiàn)被液晶分子扭曲并傳送給偏振濾光器，完成了轉(zhuǎn)換光線(xiàn)路徑的過(guò)程。那么在TFT顯示器中，由晶體管控制液晶旋轉(zhuǎn)的角度，并且可以獨(dú)立的調(diào)整每個(gè)象素單元內(nèi)紅、綠、藍(lán)三原色顯示的強(qiáng)度。由此TFT顯示器可以更好的控制色彩的生成，圖像更加鮮亮逼真。

　　TFT的屏幕可以比傳統(tǒng)的液晶屏幕作的更輕薄、更亮。并且每秒鐘刷新的速率要超過(guò)DSTN屏幕的10倍，更接近于當(dāng)前流行的CRT顯示器。要顯示一般VGA模式，需要大約921,000 個(gè)晶體管 (640x480x3)，更高一些的1024x768 模式則至少需要 2,359,296個(gè)晶體管。并且每一個(gè)晶體管必須可以完美的工作。屏幕上的所有的晶體管矩陣都必須制作在一塊硅片上。只要硅片上羼雜了一點(diǎn)點(diǎn)雜質(zhì)，那就意味著整快硅片的報(bào)廢。這是導(dǎo)致了TFT良品率不高的主要原因，由此TFT的價(jià)格也就相對(duì)較高。正是因?yàn)楣杵夏承┚w管的失效，我們?cè)诤芏嗥聊簧铣３Ｄ芸吹健傲咙c(diǎn)”和“壞點(diǎn)”。對(duì)于鑒別液晶屏幕上的亮點(diǎn)和壞點(diǎn)有兩種方法：

　　1、 在整個(gè)屏幕上顯示一張全黑的圖片，如果其中有個(gè)別的象素發(fā)出亮光，那么這就是個(gè)有缺陷的象素——亮點(diǎn)。

　　2、 在整個(gè)屏幕上顯示一張全白的圖片，如果其中有個(gè)別的象素不發(fā)光，那么這就是個(gè)壞點(diǎn)。

　　就現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝而言，成品液晶顯示器的象素或多或少都會(huì)有缺陷。可能某些象素的晶體管永遠(yuǎn)處于“開(kāi)”的狀態(tài)，這個(gè)象素會(huì)永遠(yuǎn)顯示為紅、綠或者藍(lán)色。不幸的是，晶體管本身是固定的，它是不可能被修復(fù)的。廠家一般使用激光，將這個(gè)亮點(diǎn)燒毀。這樣它就不會(huì)顯得那么礙眼了。盡管如此，你還是能在全白的屏幕看到它變成了一個(gè)小黑點(diǎn)。在一塊TFT液晶板上出現(xiàn)亮點(diǎn)現(xiàn)象是正常的。LCD制造商會(huì)將亮點(diǎn)控制在一定范圍內(nèi)的。例如一臺(tái)最大分辨率為1024x768的液晶顯示器，在它上面總共包含2,359,296個(gè)象素(1024x768x3)。一般來(lái)說(shuō)損壞率在0.0008%之內(nèi)算是正常的，也就是20個(gè)象素。(2,359,296×0.0008%×100=20)

　　TFT顯示器從原理構(gòu)想到今天的大范圍應(yīng)用經(jīng)歷了很多重大的發(fā)展變革，但無(wú)論如何它的顯示原理都是基于最早的TN形平板液晶技術(shù)。雖然液晶顯示器具有很多CRT顯示器不能比擬的好處，但是LCD在很多成像指標(biāo)上還和傳統(tǒng)的CRT相差很遠(yuǎn)。由此一場(chǎng)轟轟烈烈的提高液晶顯示器性能的變革開(kāi)始了。

　　內(nèi)置平板開(kāi)關(guān)(In-Plane Switching)

　　內(nèi)置平板開(kāi)關(guān)技術(shù)(IPS，In-Plane Switching)主要由日立和NEC聯(lián)合研發(fā)，后來(lái)又稱(chēng)為Super TFT。它可以大大增加TFT液晶屏幕的可視角度，因此在液晶顯示器的發(fā)展史上具有重大意義。它與普通TFT液晶分子在排列方式上有所不同。在一般的TFT顯示器中，液晶的末端是固定的，并且對(duì)液晶加電之后它會(huì)分開(kāi)，通過(guò)改變偏振角度來(lái)傳送光線(xiàn)。在基于TN技術(shù)液晶板中，液晶分子隊(duì)列隨著電壓的增加，扭曲的幅度會(huì)越來(lái)越大。

　　在IPS中，當(dāng)加上電壓之后液晶分子與基板平行排列，液晶分子不會(huì)被扭曲。采用這項(xiàng)技術(shù)的顯示器的可視角度達(dá)到了170度，已經(jīng)可以和CRT顯示器的可視角度媲美了。

　　不過(guò)這項(xiàng)技術(shù)也有缺點(diǎn)：為了能讓液晶分子平行排列，每個(gè)象素由兩個(gè)晶體管驅(qū)動(dòng)。兩個(gè)晶體管使透明區(qū)域的透光度有所下降，這樣導(dǎo)致顯示器的亮度和對(duì)比度明顯的下降，為了提高亮度和對(duì)比度，只有增強(qiáng)背光光源的亮度。這樣一來(lái)，反應(yīng)時(shí)間和對(duì)比度相對(duì)于普通TFT顯示器而言更難提高了。

　　垂直配向技術(shù)(Vertical Alignment)

　　在1996年晚些時(shí)候，富士發(fā)布了一種TFT液晶顯示板所使用的新型液晶材料，在自然環(huán)境下它就是水平排列的，這同IPS加電后的性質(zhì)相同。但它并不需要那些額外的晶體管就能很好的工作。在1997年中期，富士的液晶顯示器就已經(jīng)開(kāi)始使用這種新型的材料了。液晶層中的液晶隊(duì)列分子在沒(méi)有電壓的驅(qū)動(dòng)時(shí)，包括面板邊沿的分子，都會(huì)完全垂直的排列。光線(xiàn)無(wú)法穿透液晶層，從而產(chǎn)生出全黑的圖像。當(dāng)有電壓時(shí)，分子會(huì)變成水平位置排列，光線(xiàn)能夠不間斷的穿過(guò)液晶單元，產(chǎn)生出白色的圖像。因此它的可視角度范圍在140度以上。由于分子之間不再是扭曲結(jié)構(gòu)，它們僅僅起到開(kāi)關(guān)作用，所以它的響應(yīng)時(shí)間也更為迅速。由于液晶面板的透光性得到了增強(qiáng)，它的最大對(duì)比度在沒(méi)有過(guò)多的電力損耗的前提下，提高到了300:1。

　　多重區(qū)域垂直配向技術(shù)(MVA)

　　為了讓垂直配向結(jié)構(gòu)的液晶板更為出色的工作，富士公司在一年之后又提出了多重區(qū)域垂直配向技術(shù)(Multi-domain Vertical Alignment)傳統(tǒng)的垂直配向單元中的液晶分子都是朝一邊傾斜的。因?yàn)橐壕Х肿拥年?duì)列是統(tǒng)一的，主視角度的變換會(huì)影響到屏幕明暗的變化。當(dāng)你在這種類(lèi)型的液晶單元前方觀察時(shí)，左右兩個(gè)邊界的極限可視角度并不平均。在你的入視角度與液晶分子的傾斜角度接近平行時(shí)你就無(wú)法看清屏幕上的內(nèi)容了。

　　在MVA液晶板中，每一個(gè)子象素被拆分到數(shù)個(gè)區(qū)域中，而且偏振濾光器的表面也不再像以前那樣平坦了，它的表面是突起的。由此所有的液晶分子不會(huì)只朝一個(gè)方向傾斜。(如圖6)偏振濾光器突起的部分被形象的稱(chēng)作“ridges”。(山脊)而不同傾斜角度的液晶分子之間互不干擾可以獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)。這種技術(shù)的目的就是盡可能的讓用戶(hù)感到他們是在觀察同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的液晶分子。事實(shí)上隨著觀察角度的改變，作用于你的視覺(jué)的液晶分子也在交替的改變著。由此MVA技術(shù)解決了左右兩個(gè)邊界的可視角度不平均的問(wèn)題。

　　在基于MVA技術(shù)制造的液晶顯示器中，對(duì)比度、染色度、亮度都有很大提高。它的可視角度大約為160度。第一款MVA-TFT顯示器發(fā)布于1997年底。最大對(duì)比度為300:1。在加裝了漏光保護(hù)后最大對(duì)比度為500:1。這大約相當(dāng)于200 cd/m2至 250 cd/m2的明亮度。它的響應(yīng)時(shí)間比上一代TFT顯示器的25ms更快，達(dá)到了15ms，衰變時(shí)間小于10ms。在10ms內(nèi)屏幕就可以由白色變?yōu)楹谏?/p>

　　這個(gè)速度近乎人眼反映的極限，因此MVA-TFT顯示器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)非常適用于視頻播放和3D射擊游戲。

　　耗電量

　　主動(dòng)矩陣式 LCD 顯示器與 CRT 相比僅需要很少的電量。它已經(jīng)變成了便攜式設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)顯示器，在移動(dòng)電話(huà)、PDA、筆記本電腦領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。盡管如此，LCD的光電轉(zhuǎn)換效率非常低下。即使你將屏幕顯示為全白，從背景光源中發(fā)射的光也只有不到 10% 穿過(guò)屏幕發(fā)出，其它的都被吸收掉了。

　　背景光源所耗能量占LCD顯示器總耗電量的絕大部分。更大的屏幕、更高的亮度和更高的分辨率都將使筆記本電腦的耗電量大大增加。廠家通過(guò)降低系統(tǒng)電壓和提高孔徑比使更多的光能通過(guò)液晶單元，降低系統(tǒng)的電源需求。一般將筆記本顯示器的總耗電量維持在2到5瓦之間。一根管子的背景光源大約需要 1.2瓦，所以根據(jù)使用一只或兩只管子一個(gè)屏幕要消耗 1.2 或 2.4 瓦的電量。

　　上述介紹的技術(shù)都是具有背景光源的背光形顯示器。在很多對(duì)于耗電量有苛刻要求的移動(dòng)設(shè)備中也常常使用無(wú)背景光源的反射式液晶顯示器。當(dāng)周?chē)h(huán)境的光線(xiàn)射進(jìn)屏幕中，穿過(guò)極化的液晶層，碰撞反射層，再反射出來(lái)顯示成可見(jiàn)的象素。在此過(guò)程中 80%的光被吸收，只有五分之一的入射光線(xiàn)起作用。這已足夠提供可視影像需要的對(duì)比度。但是這也是它重大的缺陷，反射式液晶屏幕在昏暗的環(huán)境下無(wú)法看清屏幕的內(nèi)容。在目前流行的PDA中又出現(xiàn)了半透射式液晶屏幕。它既可以在環(huán)境光照充足的情況下像反射式屏幕那樣，利用自然光源反射照明，又可以通過(guò)內(nèi)置的背景光源在昏暗的環(huán)境中照亮屏幕。