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LCD技术详细介绍

2015-9-22 12:36:15点击:

关于液晶

物质有三种形态:固态、液态和气态。

 

1888年,澳大利亚植物学者莱尼茨尔(Reinitzer)研究胆甾醇在植物中的作用时,用胆甾基苯进行试验,无意间发现了液晶,但液晶的实际应用直到二十世纪五十年代才开始。 顾名思义,液晶是固液态之间的一种中间类状态。 液晶是一种有机化合物,在一定的温度范围内,它既具有液体的流动性、粘度、形变等机械性质,又具有晶体的热(热效应)、光(光学各向异性)、电(电光效应)、磁(磁光效应)等物理性质。 光线穿透液晶的路径由构成它的分子排列所决定。人们发现给液晶充电会改变它的分子排列,继而造成光线的扭曲或折射。

 

液晶按照分子结构排列的不同,分为三种:晶体颗粒粘土状的称为近晶相(Smectic)液晶、类似细火柴棒的称为向列相(Nematic)液晶、类似胆固醇状的称为胆甾相(Cholestic)液晶。这三种液晶的物理特性都不尽相同,用于液晶显示器的是第二类的向列相(Nematic)液晶。

 

LCD的原理

只有先认识了它的结构和原理,了解了它的技术和工艺特点,才能在选购时有的放矢,在应用和维护时更加科学合理。液晶是一种有机复合物,由长棒状的分子构成。在自然状态下,这些棒状分子的长轴大致平行。LCD第一个特点是必须将液晶灌入两个列有细槽的平面之间才能正常工作。这两个平面上的槽互相垂直(90度相交),也就是说,若一个平面上的分子南北向排列,则另一平面上的分子东西向排列,而位于两个平面之间的分子被强迫进入一种90度扭转的状态。由于光线顺着分子的排列方向传播,所以光线经过液晶时也被扭转90度。但当液晶上加一个电压时,分子便会重新垂直排列,使光线能直射出去,而不发生任何扭转。LCD的第二个特点是它依赖极化滤光片和光线本身,自然光线是朝四面八方随机发散的,极化滤光片实际是一系列越来越细的并行线。这些线形成一张网,阻断不与这些线平行的所有光线,极化滤光片的线正好与第一个垂直,所以能完全阻断那些已经极化的光线。 只有两个滤光片的线完全平行,或者光线本身已扭转到与第二个极化滤光片相匹配,光线才得以穿透。LCD正是由这样两个相互垂直的极化滤光片构成,所以在正常情况下应该阻断所有试图穿透的光线。但是,由于两个滤光片之间充满了扭曲液晶,所以在光线穿出第一个滤光片后,会被液晶分子扭转90度,最后从第二个滤光片中穿出。另一方面,若为液晶加一个电压,分子又会重新排列并完全平行,使光线不再扭转,所以正好被第二个滤光片挡住。总之,加电将光线阻断,不加电则使光线射出。当然,也可以改变LCD中的液晶排列,使光线在加电时射出,而不加电时被阻断。但由于液晶屏幕几乎总是亮着的,所以只有"加电将光线阻断"的方案才能达到最省电的目的。

 

LCD的分类

可以将LCD分为被动技术和主动技术两种,代表性的产品分别是DSTNdouble-layer supertwist nematic双层超扭曲向列相液晶)和TFTthin film transistor薄膜晶体管)。 DSTN一直是被动式笔记本显示器的标准,HPACSTN则是被动技术的最新改进。HPA也被称为高性能寻址或快速DSTNHPACSTN皆比DSTN提供了更好的对比度和亮度。CSTN的反应时间现在已下降到100ms,并提供140度视角。

 

DSTN是由超扭曲向列型显示器(STN)发展而来的,由于DSTN采用双扫描技术,因而显示效果较STN有大幅度的提高。笔记本计算机刚出现时主要是使用STNSTN的反应时间较慢,一般为300ms左右,用户能感觉到拖尾(余辉)。由于DSTN 分上下两屏同时扫描,所以在使用中有可能在显示屏中央出现一条亮线。

 

主动矩阵显示屏通过薄膜晶体管直接寻址,这也是该技术名称的由来,即TFT(薄膜晶体管)。TFT属于有源矩阵液晶显示器中的一种,反应时间大大提高,已达到25ms。其具有更高的对比度和更丰富的色彩。相对DSTN而言,TFT的主要特点是每个像素都配置一个半导体开关器件,其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每个像素都可通过点脉冲直接控制,因而每个节点相对独立,并可连续控制,这样不仅提高了反应时间,同时在灰度控制上可以非常精确,这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。目前绝大部分笔记本计算机厂商的主流产品都是采用TFT显示屏。

 

LCDCRT(传统显示器)的比较以及购买时的注意事项

LCD的工作原理我们介绍过了,那么再介绍一下CRT,然后我们好比较。CRT的工作原理是由灯丝、阴极、控制栅组成电子枪,通电后灯丝发热,阴极被激发,发射出电子流,电子流受到带有高电压的内部金属层的加速,经过透镜聚焦形成极细的电子束,打在荧光屏上,使荧光粉发光。电子束在偏转线圈产生的磁场作用下,可以控制其射向荧光屏的指定位置,电子束打在荧光屏上后会形成一个发光点,若干个发光点就可以组成图像。RGB三色荧光点被不同强度的电子束击中,就会产生各种色彩,通过控制电子束的强弱和通断,则可以形成各种绚丽多彩的画面。一般荫罩式显像管的内部有一层类似筛子的网罩,电子束通过网眼打在呈三角形排列的荧光点上,三把电子枪分别对应RGB三色,所以叫做"三枪三束"显像管。荫栅式显像管(例如特丽珑与钻石珑)的原理也是一样,只不过此类显像管的网罩是将许多光栅纵向固定在框里形成的。

 

接下来就是详细介绍它们的不同之处了:

分辨率

分辨率是一个非常重要的性能指针。它指的是屏幕上水平和垂直方向所能够显示的点数(屏幕上显示的线和面都是由点构成的)的多少,分辨率越高,同一屏幕内能够容纳的信息就越多。对于一台能够支持1280x1024分辨率的CRT来说,无论是320x240还是1280x1024分辨率,都能够比较完美地表现出来(因为电子束可以做弹性调整)。但它的最大分辨率未必是最合适的分辨率,因为如果17寸显示器上到1280x1024分辨率的话,WINDOWS的字体会很小,时间一长眼睛就容易疲劳,所以17寸显示器的最佳分辨率应为1024x768

 

但对LCD来说则不然。LCD的最大分辨率就是它的真实分辨率,也就是最佳分辨率。一旦所设定的分辨率小于真实分辨率(比如说15LCD,其真实分辨率为1024x768,而WINDOWS中设定分辨率为800x600)的话,将有两种显示方式。一是居中显示,只有LCD中间的800x600个点会显示图像,其它没有用到的点不会发光,保持黑暗背景,看起来画面是居中缩小的。另一种是扩展显示,这种方式会使用到屏幕上每一个像素,但由于像素很容易发生扭曲,所以会对显示效果造成一定影响。所以说无论如何在选择LCD时要注意分辨率不是越大越好而是适当好用。

 

刷新率

对于CRT来讲,屏幕上的图形图像是由一个个因电子束击打而发光的荧光点组成,由于显像管内荧光粉受到电子束击打后发光的时间很短,所以电子束必须不断击打荧光粉使其持续发光。电子枪从屏幕的左上角的第一行(行的多少根据显示器当时的分辨率所决定,比如800X600分辨率下,电子枪就要扫描600行)开始,从左至右逐行扫描,第一行扫描完后再从第二行的最左端开始至第二行的最右端,一直到扫描完整个屏幕后再从屏幕的左上角开始,这时就完成了一次对屏幕的刷新,周而复始。这样我们就能够理解,为什么显示器的分辨率越高,其所能达到的刷新率最大值就越低。一般来讲,屏幕的刷新率要达到75HZ以上,人眼才不易感觉出屏幕的闪烁,CRT显示器的刷新率是由其行频和当时的分辨率决定的,行频越高,同一分辨率下的刷新率就越高;而行频一定的情况下,分辨率越高则它所能达到的刷新率越低。对于LCD来说则不存在刷新率的问题,它根本就不需要刷新。因为LCD中每个像素都在持续不断地发光,直到不发光的电压改变并被送到控制器中,所以LCD不会有"不断充放电"而引起的闪烁现象。

 

视角

目前大多数纯平显示器的视角都能达到180度,也就是说,从屏幕前的任意一个方向都能清楚地看到所显示的内容。而LCD则不同,它的可视角度根据工艺先进与否而有所不同,部分新型产品的可视角度已经能够达到160左右,跟CRT180度已经非常接近。也有一些LCD虽然标称视角为160度,但实际上却达不到这个标准。用户在使用过程中一旦视角超出其实际可视范围,画面的颜色就会减退、变暗,甚至出现正像变成负像的情况。很可能大家为飞利浦的广告所迷惑其实LCD的视角并不是很大,反而比CRT的小许多,是一个明显比CRT弱的地方,所以不用担心被同事看见小笨熊的爱称。当然如果厂商将产品中加上增加视角的技术的话情况会好一点。下面介绍一下。

 

TN+FilmTN+视角扩大膜)技术

从结构上来讲,液晶显示器使用了"液晶"作为显示材料。液晶是一种介于固态和液态之间的物质,在一定的温度下会呈现出透明的液体状态,而冷却以后又会变成带结晶颗粒的混浊固体状态。液晶按照分子结构排列的不同分为三种:类似粘土状的Smectic液晶、类似细火柴棒的Nematic液晶、类似胆固醇状的Cholestic液晶,。这三种液晶的物理特性都不尽相同,通常用于液晶显示器的是第二类的Nematic液晶,采用此类液晶制造的液晶显示器也就称为LCDLiquid Crystal Display)。 普通液晶屏上层的液晶分子的排列是横向的,下层的液晶分子排列是纵向的,而位于上下层之间的液晶分子接近上层的就呈横向排列,接近下层的则呈纵向排列。整体看起来,液晶分子的排列方式就像是一个螺旋形的旋转排列,但是基于TN+视角扩大膜技术的液晶显示器的液晶分子是垂直于显示屏排列的,这样在上层的表面加一层特殊的薄膜即可增加可视的角度。 从技术上来讲,该技术是基于较成熟的标准TFT-Twisted Nematic(扭转向列式)液晶技术发展起来的。只要在基板的上表面加上一层特殊的薄膜(转向膜)就可以将水平视角从90度增加到140度。该技术的优点不言而喻,那就是相对的廉价和发展较为成熟的技术,成品率高。但是该技术的缺点也同样明显,就是对对比度较低和响应速度较慢的固有缺点仍没有质的改变。

 

IPS (板内切换 or Super-TFT)技术

IPS"板内切换"技术最先是由Hitachi(日立)开发的,现在NECNokia(诺基亚)也采用这项技术生产TFT

 

原理:

IPSTN+Film(扭转向列液晶+视角扩大膜组合)技术的最大不同点在于液晶分子的方向是平行于基板而不是垂直于基板。这一点是通过施加电压来实现的。

使用IPSSuper TFT技术可以使视角扩大到170度,基本上可以达到CRT监视器一样的视角。但是这项技术也有缺点,因为液晶分子的排列方向,使得电极必须做成梳子状,安放在下层玻璃基板上,而不能像TN模式一样(成型的TN液晶显示屏通常包括玻璃基板、ITO膜、配向膜、偏光板等制成的夹板,共有两层,称为上下夹层,每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽,上下夹层中的是液晶分子),安置在两层玻璃基板上。这样做会降低对比度,因此必须加大背光源来达到要求的的亮度。同TN+FilmTN+视角扩大膜)技术相同 IPS模式下的对比度及响应时间与传统的TFT-TN 相比也并无多大改善。

 

3 MVAMulti-Domain Vertical Alignment,多区域垂直排列)技术

MVA技术是由富士通公司开发的。从技术的上来看,MVA目前来看应该是液晶显示器广视角及短响应时间最好的解决方案。MVA技术使可视角度可达到160度,响应时间可达到20ms。在MVA技术中,M代表 "multi-domain",是指单个色彩单元里面用凸出的物体来形成多区域。 VA代表"Vertical Alignment"(垂直排列),由于凸出物的关系,液晶分子在静态时并不完全是的垂直排列的。当施加电压产生电场之后,液晶分子变成水平排列,这样背光源发出的光就能通过各个层。MVA技术能够提供比TN+视角扩大膜技术及IPS技术更短的响应时间,这对视频和游戏的表现来说很重要。对比度方面也有提高,但是会随视角的变化而变化。

 

TN+FilmTN+视角扩大膜)技术

成本低廉,成品率高,可视角度140度,对比度和响应时间无太大提高。 IPS(内切换 or Super-TFT)技术:可视角度170度,对比度和响应时间无太大提高。MVAMulti-Domain Vertical Alignment,多区域垂直排列)技术可视角度160度,对比度和响应时间有较大的提高,适合对视频和游戏的回放。

 

可视面积

可视面积指的是在实际应用中,可以用来显示图像的那部分屏幕的面积。因为CRT显示器的尺寸实际上是其显像管的尺寸,可以用来显示图像的部分根本达不到这个尺寸,因为显像管的边框占了一部分空间。一般来讲,17CRT显示器的可视面积约在15.8-16英寸左右,而15寸显示器的可视面积则只有13.8英寸左右。但对于LCD来说,标称的尺寸大小基本上就是可视面积的大小,被边框占用的空间非常小,15LCD的可视面积大约有14.5英寸左右,这也是为什么LCD看起来要比同样尺寸CRT更大一些的原因。所以选购LCD的时候15村就基本上够了.

 

亮度与对比度

液晶显示器的显示功能主要是有一个背光的光源,这个光源的亮度决定整台LCD的画面亮度及色彩的饱和度。理论上来说,液晶显示器的亮度是越高越好,亮度的测量单位为cd/m2(每公尺平方烛光),也叫NIT流明。目前TFT屏幕的亮度大部分都是从150Nits开始起步,通常情况下200Nits才能表现出比较好的画面。对比度也就是黑与白两种色彩不同层次的对比测量度。对比度120:1时就可以显示生动、丰富的色彩(因为人眼可分辨的对比度约在100:1左右),对比率高达300:1时便可以支持各阶度的颜色。目前大多数LCD显示器的对比度都在100:1300:1左右。目前还没有一套公正的标准值来衡量亮度与对比的反差值,所以购买LCD全靠一双锐利的眼睛。所以在选购LCD时要注意这个指标,它也是LCD产品上性能差异最大的一环估计选购上有些难度。

 

反应速度

测量反应速度的时间单位元是毫秒(ms),指的是象素由亮转暗并由暗转两所需的时间。这个数值越小越好,数值越小,说明反应速度越快。目前主流LCD的反应速度都在25ms以上,在一般商业用途中(例如字处理或文本处理)没有什么太大关系,因为此类用途不必太在意LCD的反应时间。而如果是用来玩游戏、观看VCD/DVD等全屏高速动态影像时,反应时间就尤其重要了,如果反应时间较长的话,画面就会出现拖尾、残影等现象。举个简单的例子,现在市场上绝大多数LCD显示器在玩QUAKE3时都会有不同程度的拖尾现象,在画面高速更新时尤其明显。而CRT则完全没有这个问题,因为CRT的反应时间只有1ms,是绝对不会出现拖尾现象的。

 

色彩

说到色彩,LCD也比不上CRT,从理论上讲,CRT可显示的色彩跟电视机一样为无限。而LCD只能显示大约26万种颜色,绝大部分产品都宣称能够显示1677万色(16777216色,32位),但实际上都是通过抖动算法(dithering)来实现的,与真正的32位色相比还是有很大差距,所以在色彩的表现力和过渡方面仍然不及传统CRT。同样的道理,LCD在表现灰度方面的能力也不如CRT。大家有条件的话可以自己比较一下:找一台17英寸特丽珑显像管的显示器,再摆一台15LCD,同时显示一幅1677万色的图像。CRT显示出来的画面十分鲜艳,而LCD则显得有些"",虽然说不上来哪里不对,但看着就是没有那台珑管的CRT舒服。

 

显示效果

先说CRT,目前绝大部分家用级CRT都不同程度地存在着聚焦、汇聚、呼吸效应等方面的问题,这与厂家的技术工艺是分不开的。如果生产厂家设计的相关控制电路不够先进,就很容易出现前面所说的那些问题。这也是为什么同样都是特丽珑显像管,SONY原厂生产的显示器和其它一些厂家所生产的显示器表现截然不同的原因。而LCD则完全没有聚焦等问题,因为它根本就不需要聚焦。不过在线形与非线形失真等问题,LCD也有可能会出现,只不过CRT更容易出现罢了。

 

辐射

因为CRT显示器的光线会通过阴极管发出,同时也发出了辐射,所以对人体是很不利,但是后来TCO9X的要求是CRT在这方面得到了极大的改善。但是LCD由于其工作原理的缘故,工作时更本不会发出一点辐射,比之CRT强了很多。所以在下认为一般家庭还是使用CRT比较合适,多媒体效果会更好而且价格相对来说较便宜,LCD液晶显示器更适合在商业上用途上,股票交易、媒体编辑更适合使用LCD