【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，必須在有光和無光的通道之間加入一個中間層。這個變化的層可以生成所有的顏色。可以通過電壓的驅(qū)動來完成液晶狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。液晶轉(zhuǎn)化的速度隨著驅(qū)動電壓的增大而加快。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種不同的電壓來表示，最后使用6bit二進制數(shù)表示。而液晶顯示器的對手CRT則可以使用256種不同漸變表示每一種原色，使用8bit的二進制數(shù)傳輸和處理。每一個象素使用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題。當然18bit也能很好的運行大多數(shù)應用程序，它僅僅在專業(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)計時，設(shè)法讓顯示顏色的精度擴展為24bit的色深。

　　日立公司開發(fā)了一項專利技術(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的漸變。通過3至4幀圖像，順序的顯示出來。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”畫面對于顯卡的處理速度和顯存容量的要求都比較高，也并非用戶的顯卡可支持24bit全彩就能使LCD顯示出全彩，這還需要應用程序的支持。實際上這種技術(shù)也不能讓LCD顯示器完全達到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，這次會看到液晶顯示器中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。這層材料具有相當高的透光性，因此它不會對最終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，并且可以傳導電流，以激活所要工作的液晶單元。這可以說是一層透明的電極。在其下面是一個聚合物層，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。當兩片玻璃放置在一起的時候，也要讓它們保持一定距離。

　　然后邊沿使用還氧材料密封，但是在左邊的一個邊角處會留有一個空隙?？梢酝ㄟ^這里在兩片玻璃之間注入液晶。最后對玻璃進行電鍍，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，結(jié)果會在注入液晶材料時發(fā)生象素的粘連或丟失。一旦局部的象素損壞，會影響到整個屏幕的品質(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，即通過雙面加電的方式來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行旋轉(zhuǎn)。另外在他們的下面還有一個背景光層。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。為了讓光線散布在整個液晶板上，通常會使用反射率較高的塑膠薄膜或棱鏡。但是上下兩個燈管的構(gòu)造，會使得屏幕中間部分的對比度看上去比上下邊沿的部分低。人們對液晶顯示器的亮度要求越來越高，在液晶屏幕四邊都安置了燈管的“四管”液晶顯示器隨之應運而生。

　　圖像之所以能夠顯示在屏幕上，這是由于光線穿過了上述液晶板的各種層之后投射出來的。沒有光線是直接穿過液晶板發(fā)散出來的。熒光管所發(fā)散出的光線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讓光線透過，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單的使用了額外的紅、綠、藍色過濾器。這三種基本的原色是從熒光管發(fā)散出的白光中過濾而來的。而他們能夠分開的原理，其實是簡單的將每一個象素拆分為三個子象素。

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

　　在90年代晚期，幾個在當時具有技術(shù)領(lǐng)導地位的公司都著手增加DSTN顯示器的響應速度和對比度。東芝和夏普聯(lián)合研發(fā)了具有HPD(hybrid passive display，混合被動顯示)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延時方面具有重大的改進，但是與此同時也增加了生產(chǎn)的成本和實現(xiàn)技術(shù)的復雜度。更低黏性的液晶材料，意味著它能在電壓的驅(qū)動下，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)動脈沖的功率。這項改進使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，在各種性能指標上更加接近于主動式矩陣液晶顯示器。例如，DSTN中每個液晶單元的響應時間為300ms，相比而言HPD的液晶單元的響應時間為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。

　　另一個提高響應時間的方法叫做“多線選址”技術(shù)(multiline addressing)。它可以自動檢測輸入的視頻信號，并且更快速控制液晶單元的開關(guān)生成圖像。這是由夏普公司率先提出的一項專利技術(shù)，它被稱作“夏普選址”;此后日立發(fā)布的類似技術(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，并且無論從畫面成像質(zhì)量還是可視角度等方面都無法同先進的TFT液晶顯示器相抗衡。即使在完全靜止的畫面中，它們的差距仍然可以分辨出來。

　　TFT顯示器

　　此后，很多公司開始使用薄膜晶體管技術(shù)(TFT，Thin Film Transistor)來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。每一個象素的每一個原色都有自己的晶體管。由晶體管驅(qū)動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速度，一般的屏幕都可以達到25ms。而目前市場上主流的液晶顯示器都可以達到16ms。顏色的對比度也提高到了200:1至400:1的水平。亮度也達到了200至250cd/m2。

　　液晶在顯示器上按照一定的規(guī)則順序排列，形成了一個個象素。在未給液晶單元加電的情況下，光線可以穿過偏振濾光器，由此光線也可以穿透屏幕。當給液晶單元加電的時候，它們會按照通電電壓的比率旋轉(zhuǎn)90度，由此光線被液晶分子扭曲并傳送給偏振濾光器，完成了轉(zhuǎn)換光線路徑的過程。那么在TFT顯示器中，由晶體管控制液晶旋轉(zhuǎn)的角度，并且可以獨立的調(diào)整每個象素單元內(nèi)紅、綠、藍三原色顯示的強度。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DSTN屏幕的10倍，更接近于當前流行的CRT顯示器。要顯示一般VGA模式，需要大約921,000 個晶體管 (640x480x3)，更高一些的1024x768 模式則至少需要 2,359,296個晶體管。并且每一個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點雜質(zhì)，那就意味著整快硅片的報廢。這是導致了TFT良品率不高的主要原因，由此TFT的價格也就相對較高。正是因為硅片上某些晶體管的失效，我們在很多屏幕上常常能看到“亮點”和“壞點”。對于鑒別液晶屏幕上的亮點和壞點有兩種方法：

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

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

　　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有缺陷。可能某些象素的晶體管永遠處于“開”的狀態(tài)，這個象素會永遠顯示為紅、綠或者藍色。不幸的是，晶體管本身是固定的，它是不可能被修復的。廠家一般使用激光，將這個亮點燒毀。這樣它就不會顯得那么礙眼了。盡管如此，你還是能在全白的屏幕看到它變成了一個小黑點。在一塊TFT液晶板上出現(xiàn)亮點現(xiàn)象是正常的。LCD制造商會將亮點控制在一定范圍內(nèi)的。例如一臺最大分辨率為1024x768的液晶顯示器，在它上面總共包含2,359,296個象素(1024x768x3)。一般來說損壞率在0.0008%之內(nèi)算是正常的，也就是20個象素。(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用經(jīng)歷了很多重大的發(fā)展變革，但無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在很多成像指標上還和傳統(tǒng)的CRT相差很遠。由此一場轟轟烈烈的提高液晶顯示器性能的變革開始了。

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

　　內(nèi)置平板開關(guān)技術(shù)(IPS，In-Plane Switching)主要由日立和NEC聯(lián)合研發(fā)，后來又稱為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，并且對液晶加電之后它會分開，通過改變偏振角度來傳送光線。在基于TN技術(shù)液晶板中，液晶分子隊列隨著電壓的增加，扭曲的幅度會越來越大。

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

　　不過這項技術(shù)也有缺點：為了能讓液晶分子平行排列，每個象素由兩個晶體管驅(qū)動。兩個晶體管使透明區(qū)域的透光度有所下降，這樣導致顯示器的亮度和對比度明顯的下降，為了提高亮度和對比度，只有增強背光光源的亮度。這樣一來，反應時間和對比度相對于普通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)開始使用這種新型的材料了。液晶層中的液晶隊列分子在沒有電壓的驅(qū)動時，包括面板邊沿的分子，都會完全垂直的排列。光線無法穿透液晶層，從而產(chǎn)生出全黑的圖像。當有電壓時，分子會變成水平位置排列，光線能夠不間斷的穿過液晶單元，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)，它們僅僅起到開關(guān)作用，所以它的響應時間也更為迅速。由于液晶面板的透光性得到了增強，它的最大對比度在沒有過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。因為液晶分子的隊列是統(tǒng)一的，主視角度的變換會影響到屏幕明暗的變化。當你在這種類型的液晶單元前方觀察時，左右兩個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你就無法看清屏幕上的內(nèi)容了。

　　在MVA液晶板中，每一個子象素被拆分到數(shù)個區(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只朝一個方向傾斜。(如圖6)偏振濾光器突起的部分被形象的稱作“ridges”。(山脊)而不同傾斜角度的液晶分子之間互不干擾可以獨立轉(zhuǎn)動。這種技術(shù)的目的就是盡可能的讓用戶感到他們是在觀察同一個區(qū)域內(nèi)的液晶分子。事實上隨著觀察角度的改變，作用于你的視覺的液晶分子也在交替的改變著。由此MVA技術(shù)解決了左右兩個邊界的可視角度不平均的問題。

　　在基于MVA技術(shù)制造的液晶顯示器中，對比度、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。最大對比度為300:1。在加裝了漏光保護后最大對比度為500:1。這大約相當于200 cd/m2至 250 cd/m2的明亮度。它的響應時間比上一代TFT顯示器的25ms更快，達到了15ms，衰變時間小于10ms。在10ms內(nèi)屏幕就可以由白色變?yōu)楹谏?/p>

　　這個速度近乎人眼反映的極限，因此MVA-TFT顯示器獨特的結(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)備的標準顯示器，在移動電話、PDA、筆記本電腦領(lǐng)域中得到了廣泛應用。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。廠家通過降低系統(tǒng)電壓和提高孔徑比使更多的光能通過液晶單元，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。在很多對于耗電量有苛刻要求的移動設(shè)備中也常常使用無背景光源的反射式液晶顯示器。當周圍環(huán)境的光線射進屏幕中，穿過極化的液晶層，碰撞反射層，再反射出來顯示成可見的象素。在此過程中 80%的光被吸收，只有五分之一的入射光線起作用。這已足夠提供可視影像需要的對比度。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，又可以通過內(nèi)置的背景光源在昏暗的環(huán)境中照亮屏幕。