NBUser.com 2001年LCD液晶显示器技术谈 - Powered by Discuz!NT Archiver

小虫 - 2001/8/26 23:04:00

众所周知，液晶是介于固态和液态之间，具有晶体光学性和液态流动性的一种特殊物质。它具有黏性、弹性和极化性的特点，液晶显示器（LCD）是以液晶材料为基本组件的显示器产品，它利用液晶的光电效应，通过外部的电压控制，再依靠液晶分子的折射特性从而达到显像的目的。长期以来，液晶显示器以其优异的性能质量获得了不少用户的青睐，但其制造价格过高，成品率低也是长期阻碍其发展的重要因素。随着液晶切割面板技术的成熟和成品率的不断提高，液晶显示器也逐渐进入了许多人的生活中，目前，液晶显示器的产量和市场占有率正以高速迅猛的趋势向前发展，在国内市场，随着大量中低价位液晶显示器产品的上市，不少用户也开始选择这种新型显示器产品。那么，液晶显示器相对于传统的CRT（荫罩式）显示器有些什么技术优势呢？如何全面认识了解液晶显示器的特色技术呢？相信下文会给您一个满意答复的。

液晶显示器的优势：

如今我们见到的显示器产品大多为传统的CRT显示器系列，这是一种十分成熟的产品，经过了几十年的发展，CRT显示器已经拥有了诸如生产成本低，显示色彩好等优点，但由于其技术原理以及构造限制，CRT显示器固有的一些缺陷很难通过自身改造继续完善。相比之下，新型的液晶显示器就具有不少优势了。

1. 体积轻巧，移动方便：

传统CRT显示器大多拥有笨重的体形，即使是采用了所谓短颈管技术也不能改善其硕大的设计结构。而液晶显示器就大为不同了，由于其制造结构相对简单，且显示用的LCD液晶模块工艺精巧，因此生产的成品轻薄耐用。在体积厚度上，目前一台主流的17寸CRT显示器大多在40CM左右，重量多为20KG以上，而拥有基本同等可视面积的15寸液晶显示器体积厚度大多都在8－10CM左右甚至更少，重量也只有4－6KG。相比之下，液晶显示器的优势是十分明显的。对于空间相对紧张的办公及家居单位来说，一台液晶显示器无疑是节省空间和提高使用效率的最佳选择。并且液晶显示器相对CRT显示器来说搬卸更为简单轻松，有的甚至还可以安装在墙壁上。

2. 能耗较低，环保低辐：

液晶显示器由于摒弃了笨重的显像管及高压包设计而采用相对简单的液晶面板和驱动电路技术，因而拥有极低的能耗。目前一台主流15寸液晶显示器的工作功率大多在45W以内，好的产品甚至可以达到30W以下。而拥有基本同等可视面积的17寸CRT显示器动辄上百瓦的功率，相比之下无疑让人心疼不已．此外，液晶显示器的发热效应也不高，其机身最大发热配件为背光灯，长时间工作后基本无明显热感。而CRT显示器内部拥有纷繁复杂的电路设计和众多大功耗元器件，在短时间内即可达到一定温度，长时间后发热量惊人。

在防辐环保方面，CRT显示器同样也是大大逊色于液晶显示器，CRT显示器内部由于拥有庞大复杂的显像管及相关电路，且工作电压电频不定，非常容易产生各种对人体有潜在危害的电磁及X射线干扰，从而危害用户的身体健康，导致诸如皮肤病及其他电脑综合症问题出现。虽然目前随着技术的发展，不少CRT显示器采用了诸如全电路屏蔽设计、抗静电辐射涂层等技术，并不断宣扬自身通过了诸如MPRII、TCO99安规的认证测试。，但由于CRT显示器自身的局限性，仍然不可避免的会出现一些电磁污染和辐射干扰的现象。再看液晶显示器，与前者相比无疑是优势非常明显了。液晶面板的工作原理决定了其不存在任何辐射效应，即使是在其驱动电路上有可能存在极其轻微的电磁泄漏，但通过相关屏蔽工艺也可以基本上完全杜绝。因此，目前市面上主流液晶显示器产品都非常轻松的通过了 “零辐射”测试和TCO99相关认证。

3. 图像清晰，完全平面：

传统CRT显示器都是采用电子枪设计技术，当电子枪发出的光束打在屏幕中心和四角的时候，由于电子运动路径的长短不一，因而电子从电子枪发射到屏幕中心和四角所用的时间也大不相同，角度也会有所偏差。再加上CRT显示器内部元器件长时间工作后，产生的高温效应使电子束通过荫罩或荫栅后产生发射偏差，所以很容易导致显示画面出现几何失真、摩尔纹及图像模糊、字体虚脱、四角不匀等问题。而液晶显示器则完美的解决了上述麻烦，由于液晶显示器的显示面板是由众多液晶单元组成，其显示画面的变化是靠众多独立液晶显示单元的变化而成的，因此就不可能出现诸如电子枪聚焦不匀等现象，同时还可以很精确的表现图像效果，其文本显示尤为出色。此外，传统CRT显示器采用的是逐行刷新原理，为了保持画面的稳定性，就必须持续以85HZ（即每秒85次的刷新速率）刷新显示屏，虽然暂时使人感觉到画面稳定，但长期使用后人眼同样容易出现疲劳干涩的症状。液晶显示器则不同，由于液晶的显示功能是通过屏幕上排列有序的液晶单元工作来达到的，而其背光板以完全不间断的方式工作，因此显示画面非常稳定，因为不存在刷新这个概念。

在显示画面的几何平整上，传统CRT显示器就更不是液晶产品的对手了。可以毫不夸张的说，液晶显示器生来就是绝对纯平效果的，由于液晶的特殊工作原理，完全可以精确而毫无失真的还原图像。无论是四周还是中央，都可以做到处处平坦，完美如一。反观各类“纯平CRT显示器”，不是所谓的“视觉纯平设计”就是到处标榜的“物理纯平设计”，其实CRT显示器的各类纯平技术说到底都不完美，由于受到显像管的高压安全限制，显像管的外部玻璃层不能设计得太为平坦和超薄．再加上电子枪发出的电子束信号在传输过程中也容易受到各类电磁及磁场干扰。因而传统CRT显示器并不能100％的达到完全的平面效果。这无疑是一个巨大的遗憾。

4、控制便捷，使用轻松：

由于液晶显示器采用的是较为特殊的液晶单元阵列显示处理方式，这就决定了它的图象显示具有独特的效果，因而并不需要如传统CRT显示器那样复杂多变的几何调节方式以达到。一般来说，液晶显示器产品只需要提供基本的调节功能和一定的几何相位调节就完全能够满足显示需要了。而且目前不少厂商还为液晶显示器提供了一些非常便利的操作方法，如明基Acer的液晶显示器还自带独特的“i-key”智能调节键技术，用户在日常调节特别是更改了显示分辨率后，只需轻轻按下该智能调节键，液晶显示器就会自行改变当前工作状态，经过内部精密计算后调整到最佳显示效果。这无疑大大方便了用户的需求。

主流液晶显示器关键技术：

目前，液晶显示器正以前所未有的趋势发展着，同样也越来越多的被广泛应用于各行各业。为了让读者更为全面的了解液晶显示器的工作原理和技术特征，方便各行业的选购和使用。结合传统CRT显示器的结构和目前市场主流产品的发展趋势，下面笔者就来谈谈液晶显示器的关键技术。

物理结构及工作原理：

液晶显示器按照物理结构来说，可以分为双扫描无源阵列显示器(DSTN)和薄膜晶体管有源阵列显示器(TFT)两种，

DSTN（Dual Scan Tortuosity Nomograph）是由超扭曲向列型显示器（STN）发展而来的，它的工作原理是用电场改变原为180度以上扭曲的液晶分子的排列，从而改变旋光状态，而电场的改变又由外加电场逐行扫描而成。这样，显示屏上的像素信息是由屏幕两侧的晶体管来控制，而每个液晶单元（像素点）的亮度和对比度均不能独立工作，因而导致显示器的对比度和亮度低，色彩呆板且响应时间慢。所以DSTN液晶显示器价格相对低廉，目前以趋于淘汰。此外，DSTN还有一种改进型HPA被称为高性能寻址或快速DSTN，它能提供比DSTN更快的反应时间、更高的亮度、对比度和可视角度，而价格成本差距不大，主要用于低端笔记本电脑。

TFT（Thin Film Transistor）是目前的主流液晶显示器设备，俗称“真彩”液晶显示屏。它是目前及未来液晶显示器的发展趋势，也是本文所重点介绍的产品种类，TFT属于有源矩阵液晶显示器（Active Matrix LCD）中的一种，和DSTN不同，TFT利用背光灯管发出光源，经过偏光板和滤光膜后投射在液晶单元上，TFT为每个液晶单元配置一个半导体开关器件，通过点脉冲改变电压控制最后出现的光线强度与色彩。这种技术不但大大提高了屏幕的响应时间和可视角度，其灰度、色彩、亮度和对比度都较DSTN更为出色，而且显示分辨率高，效果更为清晰。

液晶显示接口类型：

如今液晶显示器接口技术主要分为模拟接口和数字接口两种。前者是目前市场的主流，可完全兼容于业界标准VGA视频信号接口显示卡。而后者更有技术优势，是未来的发展趋势。在目前来说，采用模拟接口技术的液晶显示器仍占多数，但它的缺点在于其液晶显示的时钟频率与输入的模拟信号可能有不同步的情况发生，这样就很容易导致液晶像素闪烁的问题发生，特别是在显示字符和线条的时候更为明显。同时，电缆中传输的信号易受干扰，而液晶显示器内部也要加入负责模数转换的电路，这样就会导致信号转换损耗问题，无形中也增加了用户的成本负担。但模拟接口的液晶显示器不需要购买特殊数字接口的显卡，这样无疑也方便了许多用户的需要。

而数字接口则是一种很有前途的技术，它解决了时钟频率与模拟信号匹配的问题，配合液晶显示器能得到十分优异的显示效果，但问题在于目前数字接口技术规范和标准尚未完全统一，如今至少存在三种主流接口标准即P&D, DFP 和DVI，其他还有LVDS, TDMS, GVIF等。而且数字接口液晶显示器时用户还需要带有特定接口的显示卡来配合使用，因而在目前无法得到广泛推广。不过笔者相信在不久的将来，随着技术的发展和产品更新换代的需要，这一规范技术将会有着更为长远的发展趋势。

显示色位与可视面积：

这里要说明的是，在显示色位的还原效果上，虽然经过多年发展，目前液晶显示器距离高端CRT显示器还是有一定差距的。由于液晶显示器在每个液晶单元上只能获得64种不同的亮度级(6位)，这样再加上每个液晶单元采用三原色设计，液晶显示最多只能产生262144种颜色(18位)，所谓“完全能够支持1600万真彩24位颜色”只是使用了FRC（Frame Rate Control）技术进行抖动模拟的结果，因此在显示图象特别是色彩细节上效果不如真正24位真彩的CRT显示器。但两者差距目前已较以前缩小了许多，在一般的应用中，用户是不会感到有非常大的差异的。

可视面积是指显示屏的实际显示图像的屏幕面积，在这方面液晶显示器与传统的CRT显示器的技术概念相差较大。 CRT显示器的尺寸是指其显像管的尺寸，但实际上由于显像管边框占了一部分面积。可以显示图像的面积根本达不到标称尺寸，如主流17寸CRT显示器的可视面积多在16寸左右，而15寸CRT显示器的可视面积则多在14寸左右。但对于液晶显示器来说，标称尺寸是多少，实际的可视面积就是多少。如15.1寸LCD的可视面积基本上就有15寸左右，所以用户在选购时也必须充分了解到这一点。不过目前也有厂商声称15寸的液晶显示器和17寸的CRT显示面积差不多，但通过上面的介绍可以得知，实际上15寸液晶显示器可视面积是17寸CRT显示器的90％左右，它们之间还有具有一部分差距的。

分辨率及点距：

分辨率即屏幕上行列的像素点数目，一般用矩阵行列式来表示。液晶显示器的显示分辨率与CRT显示器并不相同，从物理结构上看，由于液晶单元时被单独控制的，因此液晶显示器一般只有一个最佳分辨率，用户在使用时可以设置低于该最佳分辨率的分辨率参数，但一般不能高于该分辨率。如15寸液晶显示屏的最佳分辨率为1024X768，而更低尺寸的液晶显示屏也有800X600的。

目前也有一些程序运行在特定低分辨下（相对液晶的高分辨率而言），这样的话只能通过特定算法解决问题，办法一般有两种：一是缩小显示面积，即保证屏幕中央部分区域显示图像而周边其它部分保持黑暗状态，这样的话使得整个显示画面看起来缩水不少，效果也大打折扣。二是只用重复或插值算法扩大显示画面，使其保证显示图像覆盖屏幕上的每一个像素单元，这样的话既能保证可视面积，同时效果也还过得去，当然其画面清晰度和准确度会受一定的影响，一般是无法和CRT显示器相比的。

点距即显示屏单位物理长度上显示的点的数目，对于液晶显示器来说它并不是一个非常重要的参数。前面我们得知，由于LCD具有特殊的工作原理，相同尺寸液晶显示屏的点距是固定的。同时由于受到生产工艺限制，为了保证液晶显示器在对比度、亮度及可视角度的效果，也是保证在最佳分辨率下的效果，主流液晶显示器的点距一般在0.28-0.30之间，如14.1英寸液晶显示屏的点距为0.279左右，而15.0英寸液晶显示屏的点距为0.297。反观CRT显示器，一般要求是点距越小越好，这明显就和液晶显示器的固定点距技术概念不同。因此用户在选购及使用液晶显示器时更应该把握这一特殊点。

亮度及对比度

亮度是液晶显示器中重要的技术参数，它是反映显示器屏幕发光程度的重要指标。亮度分为最大亮度和最小亮度，其中最大亮度是液晶显示器上一个十分显著的技术特色，CRT显示器由于必须考虑防辐射和荧光粉寿命问题，所以其最大亮度设计一般不及液晶显示器最大亮度的一半，而高亮度无疑对图象色彩和文本表现更有帮助。但在最小亮度问题上，由于CRT显示器可以通过关闭激发荧光粉发光的电流从而降低亮度，所以其最小亮度可以达到极低的数值。而液晶显示器的物理结构决定了它的背光亮度无法迅速达到最低数值，因而其最小亮度比CRT显示器的要大得多。但总的来说，液晶显示器的亮度效果还是非常出色的。目前，主流液晶显示器的亮度大多在200CD/M2以上，最低也不能低于150CD/M2。

对比度则是指在规定的照明条件和观察条件下，显示器亮区与暗区的亮度之比。它与每个液晶单元后TFT晶体管的控制能力有关，一般来说对比度等于最大亮度比上最小亮度，对比度越大则图像也就越清晰。目前主流液晶显示器的对比度应该多在300：1以上，著名品牌如明基、PHILIPS、ViewSonic等主流产品大多达到了350：1甚至400：1，这对于充分发挥液晶显示器的显示效果是十分重要的。但由上文可知，由于液晶显示器的亮度差不及CRT显示器，因此总的来说，其对比度效果也不如CRT显示器，这就造成了在色彩表达的效果上液晶显示器也不如后者。

最短响应时间

这是液晶显示器设计制造中一个最重要的参数技术，也是目前液晶显示器的一个重大“缺陷”问题。响应时间是指液晶单元在明和暗两种状态下切换所需的时间，它由液晶上升时间和下降时间组成。一般来说响应时间越短，高速动态画面显示效果就越平滑，就越不会出现诸如拖影及残影现象，反之亦然。响应时间的单位一般以毫秒（ms）计算，按照人眼反应时间和动画帧数的最低要求，液晶显示器最短响应时间应该不能超过40毫秒（即保证每秒25FPS帧数），否则就容易出现运动图像的拖影迟滞问题，因此也就产生了最短响应时间这一概念。目前主流液晶显示器最短响应时间大多在40ms左右，性能好点的产品如明基和EMC的某些系列能达到25ms甚至20ms左右，这样无疑就能保证较为完美的动态画面显示效果，不过液晶显示器即使有20ms的超低响应时间，比起CRT显示器的1ms来说，还是有一定距离的。

用户可视角度

可视角度也是液晶显示器的重要技术参数之一，一般分为水平视角和垂直视角两种，目前液晶显示器水平视角都是左右对称的，但垂直角度并不一定，所以水平视角一般大于垂直视角，相对来说更为重要。不过目前越来越多的液晶显示器拥有了可旋转面板的功能，这样势必要求其水平与垂直可视角度就必须接近或者相同。

这里要注意的是，我们所说的可视角度其实是指总体可视角度，而部分厂商声称的左右角度则分别为总体可视角度的一半，如目前主流15寸液晶显示器大多拥有120度的水平可视角度及100度左右的垂直可视角度，这就意味着其左右可视角度为60度左右，即用户在位于屏幕法线60度以内的位置可以清晰看见屏幕图像，这对于一般的显示来说是完全足够了的。目前也有部分厂商如SHARP、NEC、Acer的产品由于采用了诸如TN+Film、IPS、MVA等特殊技术，其水平可视角度可以达到160度以上。

显示刷新率及带宽：

显示刷新率和带宽参数是CRT显示器中比较重要的技术参数。但前面我们曾反复提到，由于液晶显示器采用的是较为特殊的液晶单元阵列显示处理方式，因此刷新率并不是一个十分重要的技术问题了，同样，和刷新率紧密相关的带宽问题也就不显得那么重要了。

未来技术发展展望：

目前液晶显示器的发展已相对成熟许多，而各大厂商也不闲着，正争先恐后的开发出各类新型液晶显示新产品和新技术。

提到显示器的分辨率问题大家几乎都能想到诸如1024×768或800×600等特殊数值，而目前以东芝为代表的厂商却提出了一种称作“PPI”（Pixel Per Inch）的新型分辨率指标。PPI所表示的是每平方英寸所拥有的像素（Pixel）数目，PPI数值越高，显示屏显示的图像就越精密，拟真度也就越高。按照这一概念，目前主流的TFT液晶显示屏大多只有100PPI的分辨率，而目前东芝公司已经批量生产出200PPI的新一代TFT显示屏产品，更高PPI参数的产品也在紧锣密鼓的筹划中。在分辨率显示效果上，IBM、三星和日立等三家厂商推出了SXGA+显示标准，它所代表的显示分辨率为1400×1050。而三菱公司也推出了一种采用名为“Quad-VGA”的新型显示标准，其分辨率为1280×960，主要用于诸如4：3显示格式的产品中。

在显示面积上，众多厂商也有突破，东芝公司19.6寸1600×1200 UXGA分辨率的产品已经面世，而富士通更是推出了23.1寸 1600×1200分辨率的特大型号。在物理结构上，东芝推出了拥有15寸显示面积并具备1600×1200分辨率的低温多晶硅TFT显示屏。低温多晶硅技术的运用，不但提高了TFT显示器的显示效果，而且也达到了更为节能的目的。

此外，美国摩托罗拉实验室也宣布了名称为ETC（Electrically Tunable Color）的技术。这是一种可提高反射型液晶显示器图像质量的新技术，它通过平行电场改变来自两层玻璃板间的液晶所反射的光线，籍此以改变反射光线的颜色。其优点在于其构造简单，可以大幅度降低液晶显示器的成本。而美国IBM研究中心也宣布开发出了新型液晶排列技术，该技术用离子束对集中在玻璃底板上的类金钢碳（Diamond-Like-Carbon）进行照射，使碳分子沿一定方向集结，从而使其上的液晶分子定向排列，达到加快显示速度，提高显示效果的目的。

液晶显示器是一种新型的显示器产品，它拥有诸多特殊完善的优点，而其有限的不足也正在不断的被克服。值得一提的是，笔者的这篇文章正是在本人所拥有的Acer FP563液晶显示器上完成的，它对笔者文章的顺利完成起到了十分重要的作用。目前，液晶显示器的产量和市场占有率正以高速迅猛的趋势不断的向前发展，随着国际国内市场液晶显示器的价格越来越低和人们追求环保和健康意识的不断提高，液晶显示器必将走入千家万户，拥有更为广泛的发展天地。

人人有本用