LCD液晶顯示器示技術(shù)大全（上）

液晶顯示器在顯示器市場的主流。很多用戶在裝機(jī)或升級(jí)的時(shí)候，有希望選購一臺(tái)液晶顯示器。然而廠商的夸大宣傳，和不正確的小道消息經(jīng)常會(huì)影響到消費(fèi)者的正確判斷。在此筆者撰寫了一個(gè)關(guān)于液晶顯示器技術(shù)的系列文章，希望大家對(duì)它有個(gè)正確而完整的認(rèn)識(shí)。

CRT的弊端

CRT顯示器技術(shù)誕生于100多年以前，早在計(jì)算機(jī)發(fā)明以前它便廣泛的應(yīng)用在各種領(lǐng)域。今天CRT仍然是非常強(qiáng)大的技術(shù)。它的實(shí)現(xiàn)原理非常簡單，而且制造所使用的原材料也非常便宜。它可以穩(wěn)定而真實(shí)的顯示高分辨率的圖像。無論它有多好，CRT顯示器的缺點(diǎn)也是眾所周知的。

高功耗

單一電子槍結(jié)構(gòu)不容易聚焦，會(huì)使圖形扭曲

易受周圍磁場影響，顏色失真

危險(xiǎn)的高電壓電路，電磁輻射

體積太大

由于材料的電器和物理特性的制約，CRT顯示器的性能指標(biāo)已經(jīng)很難再有較大幅度的提高。我們現(xiàn)在使用的CRT顯示器的基本原理還是100多年以前發(fā)明的。研究人員開始重新設(shè)計(jì)新的顯示器技術(shù)，平板顯示器(flat panel display)由此誕生。但是平板顯示器要全面取代CRT顯示器還是一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間。市場分析家指出到2004年平板顯示器出貨量僅僅占整個(gè)顯示器市場的50%。

液晶顯示器(Liquid crystal displays)

19世紀(jì)澳大利亞的植物學(xué)家弗里德里克首次發(fā)現(xiàn)了液晶。此后不久德國物理學(xué)家，奧托•萊曼發(fā)現(xiàn)了液晶的物理特性。

液晶幾乎是透明的物質(zhì)，它有著近乎在液體與固體之間的特性。當(dāng)液晶的分子有秩序的排列在一起時(shí)它就呈現(xiàn)固體的特性，光線可以直接穿過它。在60年代科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)可以用通電的方式改變液晶分子的排列秩序，液晶材料就呈現(xiàn)液體的性質(zhì)。這時(shí)液晶材料對(duì)光線穿透有抑制作用?？梢酝ㄟ^這種方法控制液晶分子的透光率。

直到1971年中，液晶顯示器才殺入這個(gè)領(lǐng)域。今天液晶已經(jīng)深入到了微型攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、顯示器等各種圖像顯示產(chǎn)品中。很多人都相信LCD是最有希望的顯示技術(shù)，它最終會(huì)代替CRT顯示器。因此相關(guān)的液晶技術(shù)也得到了大力發(fā)展，今天的產(chǎn)品已經(jīng)不再像從前那樣笨拙了，艷麗的色彩取代了單色黑白。無疑超薄的平板屏幕技術(shù)被首先應(yīng)用于筆記本和掌上電腦領(lǐng)域。雖然同屬于液晶顯示的范疇，但是他們有兩種顯示方式：

低成本的DSTN(dual-scan twisted nematic，雙掃描螺旋液晶)技術(shù)

高畫質(zhì)的TFT(thin film transistor，薄膜晶體管)技術(shù)

液晶顯示原理

LCD可以說是一種光線傳送技術(shù)。其原理是通過一個(gè)有源濾波器來調(diào)整固定強(qiáng)度的背景光線穿過液晶，從而使液晶板上可以顯示出不同的圖形。通過對(duì)白色光線的簡單過濾，得到紅、綠、藍(lán)的基本原色，這就能構(gòu)成顯示的基本元素——象素。

大多數(shù)液晶材料在自然狀態(tài)下都是一種分子化合物。液晶按照分子結(jié)構(gòu)排列的不同分為三種：粘土狀的Smectic液晶，細(xì)柱形的Nematic液晶和軟膠膽固醇狀的Cholestic液晶。這三種液晶的物理特性各不相同，而第二類的細(xì)柱形的Nematic液晶最適于用來制造液晶顯示器。

液晶分子會(huì)沿著一條中軸平行的排列。為了可以控制分子的列隊(duì)讓他們保持一定的順序，人們讓液晶分子依附于更大一些的溝槽狀板的表面。液晶分子可以沿著溝槽滑動(dòng)，在接觸到溝槽的表面后會(huì)沿著溝槽的方向順序排列。因此如果溝槽之間緊密的平行，那么液晶分子的列隊(duì)也可以緊密的平行。

LCD就像三明治一樣，液晶夾在兩塊精細(xì)的溝槽板之間，兩個(gè)溝槽的方向互相保持90度的垂直。如果其中一個(gè)溝槽面板中的溝槽是按照南北方向并行排列的，那么與它相對(duì)應(yīng)的另一快溝槽板中的溝槽就是按照東西方向并行排列的。在兩塊溝槽板中的液晶層被強(qiáng)破扭曲為90度排列。光線可以穿過分子隊(duì)列和被扭曲90度的液晶層。

此后美國無線電公司(RCA)發(fā)現(xiàn)電壓可以作用于液晶。電壓可以使液晶分子重新排列，并且可以抑制某些光線的通過。LCD顯示圖像需要依靠偏振濾光器和光源。自然的光譜可以向任何的角度發(fā)散。偏振濾光器可以簡單的控制光譜的發(fā)散方向。

當(dāng)上下兩個(gè)溝槽板表面之間呈一定的角度時(shí)，液晶隨著兩個(gè)不同方向的表面進(jìn)行排列，就會(huì)發(fā)生扭曲。結(jié)果便是這個(gè)扭曲了的螺旋狀液晶層，使穿過它的光線也發(fā)生了扭曲。如果電流通過液晶，所有的分子將會(huì)按照電流的方向進(jìn)行排列，這樣就會(huì)將某些波段光線的扭轉(zhuǎn)。如果將一個(gè)偏振濾光器放置在液晶層的上表面，扭轉(zhuǎn)的光線就可以被還原了，而沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)的光線將被阻礙。通過這一過程液晶屏幕便能把白色光線過濾成其他顏色，最終在屏幕上呈現(xiàn)出艷麗的色彩。

LCD的顯示特點(diǎn)

LCD有很多先進(jìn)的特性，當(dāng)然LCD也有很多不足之處，比如狹窄的可視角度，可顯示的顏色數(shù)等等。

CRT顯示器在額定帶寬的范圍內(nèi)，可以工作在多種分辨率模式中。通過對(duì)電子槍聚焦的調(diào)節(jié)，可以縮放屏幕顯示的面積。而一臺(tái)LCD平板顯示器中的液晶單元的數(shù)量是固定不變的。實(shí)際上，使用所有的液晶單元在全屏模式下，它僅僅可以顯示一種分辨率。但是它可以通過聯(lián)合相鄰的液晶單元的形式，顯示更低的分辨率。例如一臺(tái)最大分辨率為1024X768的LCD顯示器，它可以顯示640X480的分辨率，但是這樣屏幕上僅僅使用了66%的液晶單元。大多數(shù)LCD顯示器可以通過聯(lián)合象素的形式，降低屏幕的分辨率。但是這種技術(shù)更適合顯示精細(xì)的照片，對(duì)于文本和簡單的圖形來說它的顯示效果并不理想。比如經(jīng)過額外補(bǔ)償?shù)南笏?，?huì)在文字的邊沿產(chǎn)生一些鋸齒和贗象。為了得到更為清晰銳利的文本和圖形，研究人員發(fā)明了反鋸齒(anti-aliasing)技術(shù)。它可以智能的對(duì)要顯示的文本進(jìn)行象素填充。但是目前不是所有的LCD顯示器都支持這項(xiàng)技術(shù)，它也需要硬件和軟件的聯(lián)合支持。

當(dāng)然支持多種分辨率并不能算是LCD顯示器的一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。它表現(xiàn)出的無扭曲的畫面更像是一副風(fēng)景畫，這種肖像模式才是平板顯示器的一項(xiàng)重大的優(yōu)點(diǎn)。一般CRT的顯示器由于顯像管的制造工藝的限制，在沒有純平顯示器的時(shí)代，那些燈泡一樣的“鼓肚兒”屏幕讓從事平面設(shè)計(jì)的專業(yè)人員大傷腦筋。在90年代中期，平板顯示器技術(shù)慢慢的完善起來，今天這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)得到了全世界的顯示器和筆記本廠商的認(rèn)可。LCD顯示器已經(jīng)融會(huì)到許多計(jì)算機(jī)的應(yīng)用中，比如文字處理，Web和圖片瀏覽。并且它似乎已經(jīng)成為了一臺(tái)先進(jìn)的多媒體電腦的標(biāo)準(zhǔn)配置。在Windows XP中的“我的電腦”圖標(biāo)已經(jīng)明確的告訴消費(fèi)者，Windows已經(jīng)進(jìn)入了液晶時(shí)代。有更多的軟件從編碼底層開始對(duì)LCD顯示器做了優(yōu)化。從2000年初，很多平板顯示器廠商都開始支持SXGA顯示標(biāo)準(zhǔn)。SXGA是非常有趣的標(biāo)準(zhǔn)，它使用5:4的屏幕高寬比，不同于其他的顯示分辨率標(biāo)準(zhǔn)，它的分辨率為1280X1024，這是非常獨(dú)特而時(shí)尚的Web瀏覽方式。水平分辨率為1280，許多網(wǎng)站都支持這一標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以在一個(gè)屏幕內(nèi)容下更多的信息。

不同于CRT顯示器，LCD使用對(duì)角線測量法來表示屏幕的可見區(qū)域面積。由于使用這樣的測量法屏幕的可視面積不會(huì)像CRT顯示器那樣，和標(biāo)稱的面積相差太多。同樣標(biāo)稱尺寸的顯示器中，CRT與LCD大約相差3英寸。

早在1999年，很多TFT技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商就已經(jīng)研發(fā)出了18.1英寸的超大屏幕液晶顯示器，它的分辨率為1280x1024。

LCD顯示器就沒有聚焦的問題，它同樣可以顯示出銳利的圖像。它的每一個(gè)液晶單元都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的開關(guān)。因此用LCD來顯示文本字符非常的清晰。CRT顯示器是以整個(gè)屏幕為單位刷新顯示的內(nèi)容。這樣就需要達(dá)到很高的刷新速率，人眼才不會(huì)感到屏幕的閃爍。LCD則不需要不斷的對(duì)整個(gè)屏幕進(jìn)行刷新。為什么LCD顯示器并不存在閃爍問題呢?其實(shí)LCD顯示器上的每一個(gè)液晶單元都是獨(dú)立刷新的。因此顯示圖像時(shí)的刷新率會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)的85MHz無閃爍標(biāo)準(zhǔn)低很多，大約在40~60MHz之間。但是你的眼睛決不會(huì)在這種刷新率下感覺到整個(gè)屏幕的閃爍。

相反，LCD中一個(gè)或者多個(gè)液晶單元可能存在缺陷。就以1024x768分辨率的顯示器為例，每一個(gè)象素由3個(gè)液晶單元組成(紅、綠、藍(lán))。所有液晶單元的總和大約為240萬個(gè)(1024x768x 3 =2,359,296)。最嚴(yán)格的制造工藝技術(shù)也不能保證每一個(gè)液晶單元都工作良好。很多LCD顯示器上都存在“亮點(diǎn)”或“暗點(diǎn)”。很多廠商在產(chǎn)品宣傳中提到自己的產(chǎn)品是“無壞點(diǎn)”的極品LCD顯示器。但不幸的是這樣的顯示器太少了。細(xì)小的液晶原色壞點(diǎn)人眼是很難識(shí)別的。

LCD顯示器中還有很多與CRT顯示器不同之處。在液晶板后面置有熒光管。他們像蛇一樣盤繞在液晶板上。這樣在一塊屏幕中就可以顯示出幾種不同的亮度。也許在低端的LCD顯示器中你會(huì)看到重影和托尾現(xiàn)象。重影是由于屏幕中發(fā)亮與發(fā)暗的液晶單元對(duì)臨近單元的影響所致。而托尾是由于液晶單元的響應(yīng)延遲所致。

可視角度也是衡量LCD顯示器優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。設(shè)計(jì)人員通過調(diào)節(jié)光線透過液晶的角度，來增大LCD的可視角度范圍。CRT是一種放射式顯示器，光線透過屏幕射向顯示器的前方，因此透過顯示器前的任意角度，你都可以看到屏幕的內(nèi)容。在LCD顯示器中，光線間接通過液晶層的扭曲和偏振濾光器的還原，呈現(xiàn)出最終的象素。在光線發(fā)散開來時(shí)光線也會(huì)穿過臨近的象素，造成彩色畸變。最早的液晶層都是扭轉(zhuǎn)90度，為了擴(kuò)大可視角度，此后的液晶層多是扭轉(zhuǎn)180度以上，有的更達(dá)到了270度。

在很長一段時(shí)間之內(nèi)，LCD顯示器還沿用著我們熟悉的15針標(biāo)準(zhǔn)VGA顯示接口。自90年代以后有幾個(gè)研究小組提出了不同的LCD數(shù)字接口解決方案，但是沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)占據(jù)絕對(duì)的上風(fēng)獲得廣泛的支持。僵局最后被DDWG(Digital Display Working Group，數(shù)字顯示工作小組)打破。這個(gè)小組包括很多業(yè)界知名的大公司：Intel, Compaq, Fujitsu,Hewlett-Packard, IBM, NEC, Silicon Image。在1998年春天DDWG被獲準(zhǔn)發(fā)布了DVI(Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口)的第一個(gè)版本。這些規(guī)范說明包括：地址控制，電力與機(jī)械相關(guān)定義等等。它可以升級(jí)支持更高的分辨率，也可以同時(shí)支持模擬和數(shù)字格式的信號(hào)。

現(xiàn)在越來越多的顯卡都配備了DVI接口。這兩種接口之間的信號(hào)是可以通過特殊的電路自由轉(zhuǎn)換的。事實(shí)上，在現(xiàn)代的VGA接口中也采用了很多平板顯示器的信號(hào)傳送技術(shù)，因此他們之間的信號(hào)互換才如此簡單。

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(gè)中間層。這個(gè)變化的層可以生成所有的顏色?？梢酝ㄟ^電壓的驅(qū)動(dòng)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(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。

日立公司開發(fā)了一項(xiàng)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(xì)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(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。