液晶显示器LCD 全攻略 详解.docx
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液晶显示器LCD全攻略详解
液晶显示器全攻略
作者:
HermannEidenUdoSchroeder
转载
时间:
2002年09月
薄膜晶体管液晶显示器指南第一部份--平面显示器
导论
由于平面显示器市场的兴起，使显示器制造商回想起过去那段边际利益丰厚及市场需求强劲的时光。
因为需求快速地上升、缺乏量产的投资及产品的成品率始终不高这三个因素，为液晶显示器制造商创造了一个理想的环境。
顾客需要多付出一大笔的钱来买液晶显示器只为了节省桌上的空间及电力的消耗。
然而这个情况却不会持续很久，因为市场方向已经转变及价位将会随着市场的机制而降低。
显示器指南的第一部份将带给读者目前薄膜晶体管液晶显示器（FTF-LCD）的市场情况、价位及未来市场市场的趋势。
不管你是硬件的新手或老鸟，你都可以从这篇文章中得到一些有用的信息，主题包括液晶显示器的各项功能、独特的性能及详尽的技术资料等。
如果你最近有购买液晶显示器的计划，这篇文章也可提供你一些购买的诀窍。
第二部份与第三部份是针对对液晶显示器技术有兴趣的读者，它们的内容包含各种最新的广视角技术、数字界面的演变（DFP及DVI）及像素大小、分辨率与屏幕最大可视范围这三者之间的关连。
在往后的系列报导中我们将为你报告液晶显示器制造商的最新动态及产品的最新信息，而各种机型的报价也会依市场价格而为你随时更新。
市场现状
笔记本电脑的风行奠定了平面显示器发展的基础，也对桌上型的平面显示器产生了一个正面的效应。
平面显示器（通常指的是薄膜晶体管液晶显示器,TFT-LCD）在欧洲与日本一直是个热门的话题。
这个现象并不令人惊讶，而在1998年平面显示器的销售量也比CRT监视器低很多，所以TFT-LCD的需求是很强劲的，而且其产量也不能满足市场的需求。
这代表TFT-LCD的情况是很吃紧的，使得它在PC市场上变得很稀少。
但是，对LCD的市场来说却是不一样的。
有几个原因可以用来解释目前LCD供货吃紧的情况：
玻璃基板的缺货、供应商的产量受限制及LCD制造商不愿意将大钱投资在他们看来是很有风险的产业。
目前大部分的TFT-LCD都是用在商业办公环境中，特别是那些对空间、噪音、电力消耗及健康方面特别要求的地方。
以下是使TFT-LCD也能在家用市场成功的一些要素：
∙价格必须与CRT监视器一样
∙最小可视面积需大于15吋，其对应的分辨率应为1024X768
∙可获得性高
∙数字界面的标准
∙可适合于任何应用的性能及功能兼容性
制程与成品率
有源矩阵薄膜晶体管的结构与制程就如同它们的工作原理一样复杂，在制程中包含了许多化学材料及非常薄的玻璃基板---在一块对角长为30吋的玻璃上，所以生产的过程中发生瑕疵的机会相当大。
非常薄的晶体管被用来控制三原色（RGB）子像素（Sub-Pixel）的明亮程度以显示不同的色彩，故线宽必须被控制地相当精准。
与晶圆片及集成电路制程一样，薄膜晶体管的量产也与制程成品率有关。
虽然LCD厂一直对TFT的成品率做改善，但一个不变的定理是:
小尺寸的液晶模块比较容易制造而且成品率较高。
所以LCD厂一直在思考到底是生产大尺吋（15吋以上）的薄膜晶体管液晶显示器或者是拿来生产笔记本电脑需要的小尺吋面板模块（12.1吋）及其他小尺寸的应用哪者会比较划算。
在同一块玻璃基板上，大尺寸面板能切出的片数较少，成品率也低，但单价极高；小尺寸能切出较多块的面板，成品率高，但单价较低。
但在1999年第二季，不管是大尺寸或小尺寸都面临了短缺的困境，但笔记本电脑明显地有较多的产量而显示器系统厂始终处于严重缺货的状态。
目前价格及未来价格趋势
目前液晶显示器的价格大约为同尺寸CRT监视器的2~3倍，也就是说一个15吋的液晶屏幕（对应到17吋的CRT屏幕），价格在美金850~1300元之间；而18吋的液晶屏幕（约等于21吋的CRT屏幕）要价美金2800~3500元间。
在1999年上半季，面板的价格曾在短期间内有小幅的上扬，而这是违反价格趋势的。
在那时许多液晶面板制造商将售价从美金500元调升至600元，会有这样的发展是因为IT（InformationTechnology）的趋势而带动了面板的需求，造成供不应求的情形。
荒谬的是，要是液晶厂没有沉重的财力负担的话，一块15吋的面板可能只需要美金80元，而理论上，液晶显示器可以比CRT显示器更便宜。
除非笔记型电脑的面板供应量可以移转到液晶显示器来，不然目前的价格趋势将会一直延续下去。
什么是薄膜晶体管液晶显示器?
一起来了解这项技术吧！
现代的显示器技术可分为阴极射线管显示器及平面显示器两种。
阴极射线管装置较大且占空间，而平面显示器---顾名思义，是平面的且省空间。
平面显示器技术又可分为液晶显示器、等离子显示器、发光二极管显示器和其他设备等等。
在这些平面显示器中又可分为两类，一类为能主动发光的元件，另一类为需要背光源而由像素元件控制光通过状态的显示器。
我们将讨论这些平面显示器--特别是针对所谓的薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD），会更有意义些。
而这些类型的显示器都是属于那些需要背光源通过它们的那一类。
STN及DSTN（被动矩阵液晶显示器）也在使用，但现在只有在低价位应用才看得到，如笔记本电脑。
图1各种不同的平面显示器。
有源矩阵液晶显示器已经在市场上占有极大的优势。
TFT是如何工作的?
TFT也就是薄膜晶体管，是用来主动控制每一个像素光通过量的元件。
由于这个原因，我们也就称它是“有源矩阵薄膜晶体管”。
影像是如何产生的?
其实原理很简单:
让面板上的每一个独立像素都能产生你想要的色彩。
为了达成这个目的，多个冷阴极灯管必须被使用来当作显示器的背光源。
为了要让光通过每一个像素，面板必须被分割且制造成一个个的小门或开关来让光通过。
这项技术的实现是相当复杂的且比我们上面提到的都深。
液晶显示器（LCD）也就是使用液晶元件来调变光的屏幕。
液晶可以改变它的分子结构，因此可以让不同程度的光量通过它本身（也可完全阻断光线）。
液晶显示器理含有两片偏极片、彩色滤光片阵列及取向膜，它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。
液晶层位于两片玻璃片之间，当施以一个电压给取向层，则产生一个电场，使取向层界面的液晶朝某一个方向排列。
每一个像素都由红、绿、蓝三个子像素（Subpixel）所组成，就如同显像管一样。
最普遍的液晶模式为扭转向列液晶TFT（TFF-TN）。
下面将解释这种结构的工作原理。
目前已有许多其他的技术，将在第二部份---广视角技术中介绍。
图2a.标准的TNLCD工作原理（亮）
当液晶层不施任何电压降时，液晶是在它的初始状态，会把入射光的方向扭转90度，因此让背光源的入射光能够通过整个结构。
图2b.标准的TNLCD工作原理（暗）
当液晶层施以某一电压差，液晶会改变它的初始状态，使液晶的排列方向不扭转，而不改变光的极化方向，因此经过液晶的光会被第二层偏极片吸收而整个结构呈现不透光的状态。
TFT的结构
彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色的滤片，有规律地制作在一块大玻璃基板上。
每一个像素（点）是由三种颜色的单元或称为子像素所组成。
这也代表说，假如有一块面板的分辨率为1280X1024，则它实际拥有3840X1024个晶体管及子像素。
ㄧ个15.1吋的液晶显示器（分辨率为1024x768）其点距为0.0118英吋（0.3mm）；而18.1吋的液晶显示器（分辨率为1280x1024）其点距为0.01英吋（0.28mm）。
图4一个TFT像素。
每个子像素的左上角（灰色矩形）为不透光的薄膜晶体管，
彩色滤光片能产生RGB三原色。
显示器的点距越小，分辨率也就越高。
然而，因为显示器的可视范围有限，一旦扩展分辨率，则透光率势必降低。
如一个15吋的显示器（对角长度为38cm），点距为0.0118英吋（0.297mm），当分辨率增加为1280x1024时，则每个像素的透光量减少而变得无意义。
在这份文件的第四部份将会列出点距与对角线长度间的关系。
是什么引起了令人不适的缩放误差？
一个面板的像素位置及分辨率在制造完成后都是固定的，所以没有所谓的画面几何失真问题产生。
因此，面板的最大分辨率对应到像素总数。
大部分的游戏、视频及其它应用的分辨率都不会大于面板的最大分辨率。
一旦信号源提供较低的分辨率时面板的视觉效果将会变得如何呢？
在这个情况下，电路需要将较小的画面放大成与面板的最大分辨率一样。
假如电路不能有效地进行这项工作，显示在液晶面板上的画面将严重失真与不符合人体工程学。
从技术的观点来看，这并不像处理CRT时一样容易。
为什么？
当CRT面临这样的问题时，只要调整电子束枪的偏转电压，就可接收新的分辨率。
除此之外，你也不用去考虑到电子束会同时地打在屏幕上相邻的两个点。
这一点与TFTLCD的驱动方式有很大的不同：
由于是主动控制每一个独立的像素，影像放大电路需要对较小的分辨率做更复杂的计算。
这一点对于放大倍数为整数（例如，从800X600到1600X1200，放大倍数为2）的情况较为简单：
只要将画面的高与宽都放大一倍即可，即可得到正确的放大画面。
但是，从800X600放大到1024X768就没这么简单了。
它的放大倍数为1.28（不是整数），所以并不是原画面的每一个像素都等量放大。
显示器中的电路必须去决定哪一个像素该放大一倍而哪一个不须放大。
当显示文字时，数学上的模糊误差将导致令人不舒适的效应（见下图）。
为了要得到更好的效果，放大电路通常使用一个小技巧（AdvancedScaling）减低光学上的压迫性，那就是，假如画面资料不能整数倍放大时，减低某些像素的放大后的亮度将可改善画面的不舒适性。
图5字母“m“的放大情况。
非整数倍的放大变数将引起视觉上的失真。
评估一个显示器时，你应考虑哪些参数?
我们先来解释一些最重要的概念
解释何谓屏幕对角长度
显像管屏幕的对角可视范围总是比显像管的实际对角范围小。
然而，液晶显示器则无边缘不用的区域。
面板的对角范围与真正可视范围一致。
例如，一个15.1吋的液晶屏幕约等于17吋CRT屏幕的可视范围。
视角
与CRT屏幕相比，视角仍是平面显示器一个相当不一样的地方。
当背光源的入射光通过偏极片、液晶及所谓的取向膜后，输出光便具备了特定的方向特性，也就是说，大多数从屏幕射出的光具备了垂直方向。
假如从一个非常斜的角度观看一个全白的画面，我们可能会看到黑色或是色彩失真。
这个效应在某些场合有用，但在大部份的应用上是我们不想要的。
制造商们已经花了很多时间来试图改善液晶显示器的视角特性，有数种广视角技术被提出：
IPS（IN-PLANE-SWITCHING、MVA（MULTI-DOMAINVERTICALALIGNMENT）、TN+FILM。
这些技术都能把液晶显示器的视角增加到160度，甚至更多，就如同CRT屏幕的视角特性一样。
最大视角的定义是对比值至少能达到10:
1的视角（通常有四个方向，上/下/左/右）。
对比
对比的定义为最大亮度值（全白）除以最小亮度值（全黑）的比值，对比值越大则此显示器越好。
对比的问题不会发生在CRT屏幕因为它们的对比值通常高达500:
1，以致于CRT显示器的画面品质可以与冲洗照片比美。
在CRT显示器上呈现真正全黑的画面是很容易的，但对TFT-LCD来说是相当不容易的。
由冷阴极射线管所构成的背光源是很难去做快速的开关动作，因此背光源始终处于点亮的状态。
为了要得到全黑画面，液晶模块必须完全把由背光源而来的光完全阻挡，但在物理特性上，这些元件并无法完全达到这样的要求---总是会有一些漏光发生。
制造商也一直致力于漏光现象的改善。
一个人眼可以接受的对比值约为250：
1
亮度
这是TFT-LCD少数领先CRT的地方。
最大亮度通常由冷阴极射线管（背光源）来决定，TFT-LCD的亮度值一般都在200~250cd/m2。
虽然技术上可以达到更高亮度，但是这并不代表亮度值越高越好，因为太高亮度的显示器有可能使观看者眼睛受伤。
CRT显示器的最大亮度约为100to120cd/m2。
要达到更高亮度值是很困难的，因为显像管枪须要更大的加速电压，而这样做的结果会造成较高的辐射量及降低激发磷光的生命周期等两个负面效应。
像素误差
这是由于有缺陷的薄膜晶体管而在屏幕上可看到小色点。
由于像素晶体管不能正常工作，背光有可能永远不能穿透或是维持固定的穿透光量。
假如些缺陷晶体管整群在出现，烦扰现象会恶化下去。
不幸地，并没有标准来规定屏幕上最大可允许的像素误差或误差群数目，所以到目前为止，各家制造商还是用它们自己的缺陷定义。
一个面板上有3~5个像素缺陷是正常的，当消费者购买液晶显示器时需要注意任何这点。
值得安慰的是，显示器出场后，缺陷数目不会再增加下去了，除非你用力压屏幕表面。
响应时间
许多TFT-LCD在动画显示上会出现问题，其原因为液晶的响应时间太长了。
合用的显示器响应时间应该在20~30ms之间，与标准电影格式来相比，电影一秒钟可以显示25个画面（每个画面约40ms）。
当以液晶显示器播放高速（如喷气式机飞过村庄或旗帜飘扬）的动画时，会出现模糊拖影的画面。
然而，这并不代表液晶显示器不能拿来当作视频播放装置，对大部分的应用而言，它的响应速度已经足够。
彩色品质--模拟或数字输入信号
与数字平面显示器相比，模拟显示器需要一张标准的VGA显示卡来配接，首先将由VGA输出的模拟信号转换成数字信号，而这个步骤将导致彩色品质的降低。
有些显示器厂商坚持只使用低档的模拟/数字转换器，只能处理18bits的资料（每个颜色通道6bits）。
因此，只有262,144colors（pseuducolor）能被显示，然而，真正全彩至少需要16.7million种颜色。
TFT-LCD的优缺点
各位读者应该已经很熟悉传统CRT屏幕的特性与规格，在本章我们将强调CRT与TFT-LCD最主要的差异性：
TFT-LCD是以有源矩阵晶体管的驱动方式，因此可提供较佳的聚焦特性。
另一个比CRT好的优点是没有画面几何图形的失真及收敛性的误差，这项优点是TFT-LCD本身的特性。
为何么TFT-LCD不会有闪烁现象发生?
道理非常简单，因为它不像CRT的扫描方式是由左至右，逐行扫描。
当电子枪从右下到左上（水平及垂直消隐）时，屏幕会出现短暂的黑暗（无光点产生），因此造成闪烁现象的发生。
想反的，TFT-LCD的像素是不会熄灭的，它们会平缓地改变到对应的强度。
以下的列表是一些重要的检验项目
平面显示器（TFTs）
阴极射线管屏幕（CRTs）
亮度
（+）170to250cd/m2
（~）80to120cd/m2
对比
（~）200:
1至400:
1
（+）350:
1至700:
1
视角（对比>10:
1）
（~）110到170度
（+）超过150度
视角（色彩）
（-）50度125度
（~）超过120度
收敛误差
（+）无
（~）0.0079至0.0118inch（0,20到0,30mm）
对焦
（+）极佳
（~）可满足需要或极佳
几何线性误差
（+）无
（~）可能发生
像素误差
（-）不超过8个
（+）无
输入信号源
（+）模拟或数字
（~）只接受模拟
不同分辨率的调整缩放
（-）无或不佳的内差法
（+）极佳
Gamma（色彩品质）
（~）令人满意
（+）达相片品质
均匀性
（~）在两侧较亮
（~）在中心较亮
色彩纯度/品质
（~）佳
（+）高
画面闪烁
（+）无
（~）在85Hz以上的闪烁
响应时间
（-）20至30msec
（+）人眼无感觉
功率消耗
（+）25t至40瓦
（-）60至150瓦
空间需求/重量
（+）平面设计，轻
（-）需要大空间,极重
表1TFT-LCD与CRT的比较
标记:
（+）好（~）平均之上，可接受（-）差
理想的液晶显示器：
购买时的考虑要素
想要买一部平面显示器吗?
你该做的第一件事就是询问供应商及翻阅操作手册来确认它的规格是不是合你的需要。
只要下列的规格都符合，你就可以考虑买这一部了：
亮度
高于200cd/m2
对比
高于300:
1
像素误差
在5个以下
视角
超过140度
表2最重要的购买考虑事项
未来能带我们到什么地方?
新科技
目前显示器界有两个发展的方向。
第一是面板制造商们极力改良并发展广视角技术。
除了发展标准的TFT-TN液晶外，制造商们也积极地投资在不同的显示领域上。
广视角的新技术，如IPS及MVA，将在下一章有关于广视角的文章中详细讨论。
第二个潮流是数字控制及驱动，有关这些数字界面的细节将在第三章详细讨论。
结论
平面显示器提供了极佳的聚焦特性及色彩品质，对标准的办公应用如文字处理已经可以胜任了。
TFT-LCD提供了许多符合人体工学的项目，如较少的空间配置、只要CRT监视器三分之一的电力消耗，当然，还有低辐射量。
但是TFT-LCD不适合需要高画质的图像设计工作来使用。
目前的液晶响应时间当然还未达到理想的规格，但是已经足够在大部分的应用如视频播放、DVD及简报用途等。
只要当价格降低而且更容易获得时候，平面显示器将如同CRT般地深入家庭。
薄膜液晶显示器指南第二部份--广视角技术
导言
在显示器指南的第一部份---平面显示器中，已经详细的讨论TFT-LCD的基本原理及市场现况。
本章则特别针对对技术方面有兴趣的读者，内容包含用来改进TFT-LCD视角及响应时间的最新技术。
现况
与传统的CRT显示器相比，薄膜电晶体液晶显示器有两个重大的缺点:
（1）当你从某个角度观看TFT-LCD时，你将发现显示器的亮度急遽的损失（变暗）及显示颜色的典型变化。
较旧型的平面显示器通常只有90度的视角，左/右两边各45度。
但只要只有一位观看者的话，就不存在什么问题。
但增加了观看者，比如你想要给客户展示某个画面或是多人一起在家里玩游戏，你很快就能听见他们抱怨显示器的质量是多么的糟糕。
（2）在影片回放和游戏中，经常出现画面的快速切换，但这样的需求却是目前响应时间较慢的液晶所无法提供的。
太慢的响应时间会导致画面失真及次序错乱。
最明显的例子就是股票市场中的交易显示器及游戏中飞机飞过山谷的画面。
液晶显示器厂商并没有停下他们的脚步，而在最近引入了第一个可以改善视角特性的新技术。
这些最重要的技术是TN+Film，IPS（也称为超级液晶显示器）及MVA。
这些技术的细节都会在以下的章节中讨论。
IPS（板内切换orSuper-TFT）
图2在施加电压后，液晶分子平行于基板。
IPS或者“板内切换”是由Hitachi最先开发的，但现在NEC及Nokia也采用这项技术生产TFT。
IPS与使用TN+Film（扭转向列液晶+视角扩大膜组合）技术不同的地方是液晶分子的方向平行于基板。
使用IPS或SuperTFT技术可以使视角扩大到170度，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，安放在下层玻璃基质板上，而不能像TN模式一样，安置在两层玻璃基质板上。
但是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。
IPS模式的对比度及响应时间与传统的TFT-TN相比并无多大改善。
MVA（Multi-DomainVerticalAlignment,多区域垂直排列）
图3富士通开发的MVA。
从技术的上来看，MVA是广视角及短响应时间最好的解决方案。
依我们的看法，富士通已经找到理想的解决方案。
MVA可以获得160度的视角，而且，也可提供高对比和快速响应。
MVA的原理是什么呢?
在MVA中，M代表“multi-domain”，是一个色彩单元里面的区域。
图3说明了以突出物来形成多区域。
富士通最近已经开发出单个色彩单元有四个区域的的平板显示器。
VA代表“VerticalAlignment“（垂直排列），这会有一些误导。
由于突出的关系，液晶分子在静态时并不完全是的垂直排列的。
（见上图，在off的时候）。
当施加电压产生电场之后，液晶分子变成水平排列，这样背光就能通过各个层。
MVA可以提供比TN+视角扩大膜及IPS技术较短的响应时间，这对视频和游戏表现很重要。
对比度一般来说也很好，但会由于视角不同而有所变化。
评估各种广视角技术
图4MVA提供较快的响应时间及非常大的视角，然而，富士通这种技术的市场份额目前相当的小。
TN+视角扩大膜对响应时间并无太多的改善。
前面提到过，这种技术较为廉价并且成品率较高，仅能把视角提升到人眼可接受的程度。
使用这种技术的显示器将会渐渐退出市场。
IPS已经被包括Hitachi和NEC在内的多家制造商所采用，因而市场份额最大。
这个技术成功的关键是它提供了170度的视角及可接受的响应速度。
从技术的观点来看，MVA是最佳的解决方案。
它的视角能高达160度，达到CRT一样的水平。
它的响应时间约为20msec，很适合视频回放。
这种技术的市场份额还很小，但正在增长。
TFT指南第三部份——数字接口
谁位于领先地位?
以标准的VGA显示卡与TFT显示器配接是一件很荒谬的事。
由显示卡产生的数字信号在传输中被转换成模拟信号，在进入显示器后，再转回数字信号。
这种双重转换不仅会明显地会降低影像品质而且会增加硬件的消耗。
而采用数字接口面将使TFT-LCD更有意义。
然而，今天却面临着进退两难的处境。
共存的好几种数字接口标准都在积极的争取多数使用者的青睐。
本文将讨论数字接口发展的历史与重点，并且想您推荐我们青睐的。
数字或模拟?
这两者最重要的差别
搭配模拟VGA接口的平面显示器仍是市场的主流。
数字接口还不能深入市场的主要原因为消费者的不确定性。
这点并不奇怪---只要我们看一下几种数字接口的规格，如LVDS、LMDS、GVIF、P&D、DVI及DFP---而这还只是其中一部份，就够你眼花撩乱了，而且市场上还有更多的规格。
相同的情形有也曾发生在80年代，当时各种video标准，如VHS、Beta及Video2000争取市场的主流地位。
尽管Beta系统在技术上较占优势，但最后的市场仍属于VHS系统。
虽然TFT-LCD的数字接口最后赢家似乎已经有了，但首先让我们先来看一些关键因素。
模拟界面的平面显示器已经合理存在多时，因为数字接口的显示器不曾存在。
缺乏的合适数字接口标准，以及显示卡厂商追求产量的动机，都帮助模拟接口成为一时的主流。
从今天的技术观点来看，模拟TFT是完全不需要的，但是它仍然成功地存在于市场。
原因是这些模拟显示卡一般是给特定的项目的，而且通常是属于大型机器的一部份。
这些属于大公司或政府机关的买家，通常已经有了主机了，而这是他们不想变动。
他们只是想把旧有的CRT监视器换成平面显示器，因此，他们的需求是能够兼容他们已有的图形卡的模拟VGA接口。
在这个方向上已经没有希望了，因为他们在未来是不可能再升级到数字接口的。
在这个层面上我们将讨论到pixeljitter（像素抖动）这个话题，它是模拟TFT最令人不舒服的一个必然现象。
当时钟及相位没有100%地与模拟输入信号同步时，就会产生闪烁现象。
然后每个像素开始亮度震荡，在整条线及字母显示时很明显，也很让人生气。
数字TFT则不需要时钟和相位的完全同步，所以不会出现这个效应。
假如你拥有这样的数字显示器的话，你只需要按照你的需要调整亮度及对比，完全不用再去管那些深奥的技术名词，而这非常方便你的使用。
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