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LCD 的原理及规格
浏览次数:2376次 发布日期:2011-04-21
 
何谓 LCD
LCD(Liquid Crystal Display)也就是我们俗称的液晶显示器,液晶显示器的原料主要就是"液晶",液晶材料早在 1888 年就被发现了,但是真正在生活中应用已是 1970 年以后的事情了。液晶显示器被广泛应用于一般的电子产品中,比如电子表、手机屏幕、仪器或是数码相机等产品,但是 LCD 究竟是怎样成像的呢?
液晶的物理化学性质笔者觉得有点像冰,它具备液态流体的流动性与固态晶体的光学性质,简单的说,当液晶受到电压的影响,液晶就会改变它的物理性质而产生变形,于是折射出的角度就会有所不同,进而产生色彩的变化。液晶显示器的概念,从技术面来说,液晶面板包含两片无钠玻璃素材(Substrates),中间夹着一层液晶,当光束通过这层液晶时,液晶体会并排或呈不规则扭转形状,所以液晶更像是一个个闸门,选择光线穿透是否,我们才能在屏幕看到深浅不一,错落有致的图像。
 
 
 
液晶屏幕显像基本原理
LCD 本身只有黑白双色,并没有色彩的变化(我们常用的手机、电子表等屏幕就是它的原色),其色彩之产生原理相似于传统阴极射线 CRT 屏幕的磷光点作用机制,液晶屏幕一定有一个背光,这个光源一定会打在第一层偏光板上,然后来光到液晶体,而当光线穿过液晶体时,就会产生光线的色泽改变,穿过液晶体射出来的光线,还必需经过一个彩色滤光片以及第二块偏光板,第一块的偏光板和第二块的偏光板分别在液晶的前方和后方,两块偏光板相差的 90 度,加上根据液晶的物理特性我们可以知道,液晶体可以利用电压来改变它的晶体形状,这同时通过加电,我们就能从屏幕上看到色彩变化了。
也正因为液晶屏幕的显示方式和 CRT 的电子枪完全不同,所以多半液晶屏幕在角度过大的时候会呈现不清楚或看不到的情况,虽然能加装一些设备改良,但可视角度依然比不上传统的阴极射线管,这也是未来 LCD 显示器技术上要积极解决的问题。
 
 
主动及被动 LCD
接触过 LCD 的人,多少都应该听说过 DSTN、TFT 等规格,这两种显示方式究竟有何不同?
严格来说,LCD 分成主动矩阵式(又称薄膜电晶体 Active Matrix),也就是 TFT 的 LCD,另一种就是被动矩阵式(又称超转距显示 Passive Matrix)。主动式屏幕一般为 TFT,而被动式的平民百姓则有 TN、STN、DSTN 等分别(其间有过如 ESTN 等规格,但并没有成为主流),首先我们来了解一下比较早期的被动式屏幕。
 
被动式屏幕的显像原理比较复杂,简单的说,就是原来的液晶体的排列顺序可供背版的光线顺利通过,但一但有电压改变,液晶体就会产生扭曲变形,将背板的光线做相当程度的改变,我们此时看到的画面就会产生颜色上的变化了。被动式屏幕常见于一些小型的电子产品上象是电子表或手机的屏幕,多半是采用被动式屏幕中的 TN 显示,也就是纯粹的黑白双色显示,但是后来应需求上的定位,又研发出了 STN(super TN)以及 DSTN(Double layer Super TN)。DSTN 是将 TN、STN 的液晶体的变形扭曲角度变大,让液晶屏幕能以更多色彩来表达画面的精致度,所以笔记本电脑大约在一、两年前还被分为 DSTN和 TFT 两种,当时由于 TFT 的价格较高,所以 DSTN 产品一度地位很高。至于主动式屏幕TFT(Thin Film Transistor 薄膜电晶体)的显像方式就和 DSTH 有所不同,但大致的显像原理是相同的,不过在背光源以及偏光板等设计位置及方向有所改变,而且使用 FET场效电晶体以及共通电极,所以 TFT 屏幕可以让液晶体保持电位状态,直到下一次的电压改变,这种设计上的不同,让 TFT 屏幕不会产生像 DSTN 的鬼影、或是画面延迟的残像。由于排列及设计和用料上的不同,所以 TFT 屏幕的色彩或是可视角度都比 DSTN 来得好。
 
 
LCD 的可视角度
说到可视角度,对于液晶显示器相当重要,如果一台液晶显示器的可视角度只有 60 度, 那么使用者就得不停的改变眼睛的位置,也就是说得不停的转头,才能看到最正常的色彩表现。可视角度的算法是当液晶显示器放在桌面上时,在多大的角度您能清楚的看到屏幕显像,确切的说你当时站在液晶显示器的左右两方各 50 度时可以看到清楚的画面,那这个 LCD 的水平可视角度就是 100 度(可视角度是指左右相加、上下相加的和),垂直可视角度也是如此。
 
 
LCD 的分辨率和点距
点距在 CRT 显示器上的解释是两个相邻像素点之间的最短距离,目前 CRT 的显示器点距大部分都是 0.28-0.25 左右,但是目前 LCD 显示器的设计和技术和 CRT 不同,以点距多半为 0.32-0.297mm 左右(仔细看 LCD 显示器的表面,可以看到一颗一颗的小光点)。
至于 LCD 显示器的分辨率解释起来就相当有意思了,显示器的影像主要是图素(Pixels)所组成的点和线所产生,因此图素的多少便是影响分辨率的重要因素了。一般 CRT 显示器是采用阴极射线,一个支持到 1024×768 的 CTR 显示器,它无论在 640×480 还是 800×600 的分辨率下,都可以表现出比较出色的色彩画面(使用电子光束做弹性调整),但是 LCD 就不能这样了,因为 LCD 液晶显示器只支持所谓的"真实分辨率"(分辨率为定点形式),其余都是模拟显示(scaling),可比喻为一般显像管显示器的最高分辨率。
所以 LCD 液晶显示器只有在真实分辨率下才能显示最佳的效果。一但分辨率低于真实分辨率时,图像虽然可以显示,只是效果不佳而已,LCD 对于真实分辨率的设定,有两种显示方式,按照 LCD 的设计不同,一种是居中显示,也就是图像显示在屏幕中央,其它没有被显示出来的像素与网格纹,就维持黑暗背景,于是整个画面看起来就好像是居中缩小,而且图像外围还有阴影环绕。
另一种显示方式为扩展显示,这种显示方法是将图像扩展至屏幕上的每一个像素,就不会产生阴影边缘环绕,但是一但所设置的分辨率要比真实分辨率低,那么 LCD 呈现的图像就会受到影响,不但像素容易扭曲,画面的精致清晰也会被破坏,这也是 LCD 技术先天上比 CRT 弱的地方。
 
 
LCD 显示器的刷新率问题
由于设计原理上的不同,LCD 显示器不会像 CRT 因为刷新率的高低而产生闪烁的状况,对于 CRT 显示器来说,刷新率关系到画面显示的稳定性,刷新越高画面越不容易闪烁,一般 CRT 刷新率在 75Hz 以上,使用者就不会感受到图像明显的闪烁,CRT 显示器之所以如此,是因为在于 CRT 上的荧光质通过电子束的扫描而不断的产生亮暗的光线反应,而此变化的频率若过低,使用者就会察觉出来。对于 LCD 显示器来说,刷新率在 60Hz 时画面就能得到比较好的效果了,为什么这么说呢?因为 LCD 中每个像素都在持续不断的发光,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。 LCD 的亮度与对比度
我们在之前的 LCD 原理中说过,液晶显示器的显示功能主要是有一个背光的光源,这个光源的亮度主宰整台 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)亦被称作 NIT 流明。目前 TFT屏幕的亮度大部分都是从 150Nits 起跳,通常情况下 200Nits 才能表现出比较好的画面,但在 CRT 上就不太一样,同为 150Nits 亮度,CRT 显示效果就会比 LCD 好;但在 200Nits的亮度下,LCD 的画质要比 CRT 来得艳丽。
如果 LCD 屏幕在制造或设计上有暇疵的话,亮度的表现也会大打折扣,一般表现不好的LCD 会有四周边缘稍暗的情况,所以在购买 LCD 时要让屏幕呈现反白的状况,这样就最能看出亮度的差异了。对比度也就是黑与白两种色彩不同层次的对比测量度,好的对比度120:1 就可以显示生动、丰富的色彩(因为人眼可分辨的对比约 100:1 左右),对比率高达 300:1 时便可以支持各阶度的颜色,这样以来画面在我们的肉眼当中就会显得更加丰富生动!我们可以用 CPU Mark 来测试 CPU,可以用 3D Mark 来测试显示卡,但目前却没有一套公正的标准值来衡量亮度与对比的反差值(原因有多方面的,比如东西方人生理
上的不同决定了对色度对比适应的不同,东方人色调偏冷,西方人色调偏暖,再加上每个人的视力状况的不同,根本无法找到一个平衡点,所以在几乎所有的显示器上都有色温调节及调节度很大的亮度及对比度项),所以购买 LCD 全靠一双锐利的眼睛。
 
 
坏点、相位和水波纹问题
LCD 显示器最怕的就是坏点,所谓的坏点,就是不管屏幕显示出来的图像如何,LCD 上某一点永远显示同一种颜色(一般坏点以绿色及蓝色为多,不过也见过彩色和灰色的色斑),检查坏点的方式很简单,只要将 LCD 显示器的亮度及对比度调节到最大(让屏幕呈反白画面),以及调成最小(让屏幕呈全黑画面),就可以轻易找出无法显示颜色的坏点。
以 LCD 生产量最大的地区之一台湾 LCD 检验标准为例(L CD 生产量台湾 2000 年居全球第二),一个 LCD 显示器中有三个以内的坏点都算是合格的产品;而日本就要严格得多,只能有一个以内的坏点存在,所以两地 LCD 产品的价格和品质的口碑还是有一定差距的。
另外,LCD 显示器制造的成本不菲,其中绝大部分的成本都是在液晶面板上。液晶面板的面积越大就越贵,这个价格差距要远高于 CRT 显示器尺寸差别上价格的比例,你知道这是为什么吗?工厂所制造的液晶屏都是有一定规格的,如果要制造一大片液晶为 40 寸,就可以分割成四片 18、19 寸的液晶面板,但是这么大一片的液晶屏幕总会有坏点的产生,如果坏点过多,厂商就会选择将其切割成较小的尺寸,以免流失大量的成本,这样以来,没有坏点或坏点较少的大屏幕液晶屏幕就显得比较珍贵了,价格奇高也是自然的。
LCD 的基本检测项除了坏点外,还有所谓的"相位"和"波纹"。相位(Phase)是可以通过LCD 上的 OSD 功能来调整,最容易看出相位不好的时机是观察 Windows 中选择关机的画面,这时屏幕画面应被一曾阴影遮罩,如果相位不佳,这时显示器就会像电视的收视画面的不良效果一样,如果这种情况通过 OSD 菜单无法调整的话,劝你还是不要购买这个 LCD为好,不过相位差异好坏,在一般情况下是看不出来的。 水波纹(Moire),也和相位一样在普通情况下是看不出来的,它所表现出的症状是在屏幕上显示出像水波漣渏一般的效果,有时候只要站远一点就能观察出来,当然有水波纹并不是一件好事,应该尽量避免,通过 OSD 菜单可以消除这种状况。
 
 
液晶显示器的特殊接头
 
显示卡的 DFP 接口
液晶显示器为了更逼真的效果,有一套特殊的接头标准,这种标准名为"DFP"(Digital Flat Panel 即数码影像讯号接头),目前 DFP 已进入第二代,不过笔者在使用支持 DFP 接头的 LCD 和显示卡时(多款都是如此),效果却不近人意,总是有轻微的鬼影和色偏现象,而且目前的显示卡支持 DFP 接头的很少,所以未来 DFP 的发展及导向笔者也说不清楚。
 
LCD 与 CRT 之完全比较
先让我们来看看 CRT 和 LCD 各自的工作原理吧:
LCD(Liquid Crystal Display)也就是我们俗称的液晶显示器,LCD 不光应用在显示器方面,象电子表、手持游戏机以及 PDA 等产品中都能见到 LCD 的影子。LCD 可分为扭曲向列型(TN-LCD)、超扭曲向列型(STN-LCD)、薄膜晶体管(TFT-LCD)等几种,现在笔记本电脑上和绝大多数桌面型 LCD 都是 TFT-LCD,它已经成为目前液晶显示器的主要发展方向。就象 CRT 的主要部件是显像管一样,LCD 的主要部件是它的液晶板,液晶板包含两片无钠玻璃素材(Substrates),中间夹着一层液晶,当光束通过这层液晶时,液晶体会并排或呈不规则扭转形状,所以液晶更像是一个个闸门,选择光线穿透是否,我们才
能在屏幕看到深浅不一,错落有致的图像。
 
而 CRT 则完全不同,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象。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。
 
 
现在我们来比较一下 LCD 和 CRT 的各个方面:
 
一、点距。
所谓点距就是指同一象素中两个颜色相近的磷光体之间的距离。屏幕是由许多个像素组成,而每个像素又是由红绿蓝三个磷光体组成,因为像素与像素是挨着的,所以相临的像素中相同颜色的磷光体之间的距离就是点距。目前 CRT 显示器的点距大多为 0.22-0.26毫米,而 LCD 由于其技术与 CRT 不同,点距多为 0.297-0.32 毫米。
 
二、分辨率。
分辨率是一个非常重要的性能指标。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 15 寸 LCD,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 个点会显示图象,其他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。
 
 
三、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。
 
 
四、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 CRT 的 180 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。
 
 
五、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,17 寸 CRT 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,15 寸 LCD 的可视面积大约有 14.9 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。
 
 
六、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 100:1~300:1左右,动态对比度达到几万甚至几百万比一。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。
 
 
七、反应速度。
测量反应速度的时间单位是毫秒(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 2~5ms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 等全屏高速动态影象时,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。
 
 
八、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。绝大部分产品宣称能够显示 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 15 寸 LCD,同时显示一幅 1677 万色的图象。CRT 显示出来的画面十分鲜艳,而 LCD 则显得有些"假",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。
 
 
九、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他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。
 
 
十、其它问题。
CRT 都宣称自己通过了"TCOXX"认证,以表明其辐射之低,对人体危害之小,但辐射无论怎么小,也是一定会有的。而 LCD 的工作原理决定了它根本不存在任何辐射,所以 LCD往往都标明自己"零辐射"等字样。在体积方面,CRT 的深度约等于它的对角线长度,也就是说,CRT 的显示面积越大,它的体积也越大,往往占据了用户们大量桌面空间。而 LCD无论是 15 寸的还是 19 寸的,其厚度都只有几厘米或十几厘米,甚至可以挂在墙上,这是 CRT 无论如何也做不到的。
 
 
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