LCD液晶顯示器示技術大全

液晶顯示器在顯示器市場的主流。很多用戶在裝機或升級的時候，有希望選購一台液晶顯示器。然而廠商的誇大宣傳，和不正確的小道消息經常會影響到消費者的正確判斷。在此筆者撰寫了一個關於液晶顯示器技術的系列文章，希望大家對它有個正確而完整的認識。

CRT的弊端

CRT顯示器技術誕生於100多年以前，早在計算機發明以前它便廣泛的應用在各種領域。今天CRT仍然是非常強大的技術。它的實現原理非常簡單，而且製造所使用的原材料也非常便宜。它可以穩定而真實的顯示高解析度的圖像。無論它有多好，CRT顯示器的缺點也是眾所周知的。

高功耗

單一電子槍結構不容易聚焦，會使圖形扭曲

易受周圍磁場影響，顏色失真

危險的高電壓電路，電磁輻射

體積太大

由於材料的電器和物理特性的制約，CRT顯示器的性能指標已經很難再有較大幅度的提高。我們現在使用的CRT顯示器的基本原理還是100多年以前發明的。研究人員開始重新設計新的顯示器技術，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顯示器還是一個相當長的時間。市場分析家指出到2004年平板顯示器出貨量僅僅占整個顯示器市場的50%。

液晶顯示器(Liquid crystal displays)

19世紀澳大利亞的植物學家弗里德里克首次發現了液晶。此後不久德國物理學家，奧托•萊曼發現了液晶的物理特性。

液晶幾乎是透明的物質，它有著近乎在液體與固體之間的特性。當液晶的分子有秩序的排列在一起時它就呈現固體的特性，光線可以直接穿過它。在60年代科學家們發現可以用通電的方式改變液晶分子的排列秩序，液晶材料就呈現液體的性質。這時液晶材料對光線穿透有抑制作用。可以通過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領域。今天液晶已經深入到了微型攝像機、數碼相機、顯示器等各種圖像顯示產品中。很多人都相信LCD是最有希望的顯示技術，它最終會代替CRT顯示器。因此相關的液晶技術也得到了大力發展，今天的產品已經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被首先應用於筆記本和掌上電腦領域。雖然同屬於液晶顯示的範疇，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

高畫質的TFT(thin film transistor，薄膜晶體管)技術

液晶顯示原理

LCD可以說是一種光線傳送技術。其原理是通過一個有源濾波器來調整固定強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。通過對白色光線的簡單過濾，得到紅、綠、藍的基本原色，這就能構成顯示的基本元素——象素。

大多數液晶材料在自然狀態下都是一種分子化合物。液晶按照分子結構排列的不同分為三種：粘土狀的Smectic液晶，細柱形的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，而第二類的細柱形的Nematic液晶最適於用來製造液晶顯示器。

液晶分子會沿著一條中軸平行的排列。為了可以控制分子的列隊讓他們保持一定的順序，人們讓液晶分子依附於更大一些的溝槽狀板的表面。液晶分子可以沿著溝槽滑動，在接觸到溝槽的表面後會沿著溝槽的方向順序排列。因此如果溝槽之間緊密的平行，那麼液晶分子的列隊也可以緊密的平行。

LCD就像三明治一樣，液晶夾在兩塊精細的溝槽板之間，兩個溝槽的方向互相保持90度的垂直。如果其中一個溝槽面板中的溝槽是按照南北方向并行排列的，那麼與它相對應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破扭曲為90度排列。光線可以穿過分子隊列和被扭曲90度的液晶層。

此後美國無線電公司(RCA)發現電壓可以作用於液晶。電壓可以使液晶分子重新排列，並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散。偏振濾光器可以簡單的控制光譜的發散方向。

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

LCD的顯示特點

LCD有很多先進的特性，當然LCD也有很多不足之處，比如狹窄的可視角度，可顯示的顏色數等等。

CRT顯示器在額定帶寬的範圍內，可以工作在多種解析度模式中。通過對電子槍聚焦的調節，可以縮放屏幕顯示的面積。而一台LCD平板顯示器中的液晶單元的數量是固定不變的。實際上，使用所有的液晶單元在全屏模式下，它僅僅可以顯示一種解析度。但是它可以通過聯合相鄰的液晶單元的形式，顯示更低的解析度。例如一台最大解析度為1024X768的LCD顯示器，它可以顯示640X480的解析度，但是這樣屏幕上僅僅使用了66%的液晶單元。大多數LCD顯示器可以通過聯合象素的形式，降低屏幕的解析度。但是這種技術更適合顯示精細的照片，對於文本和簡單的圖形來說它的顯示效果並不理想。比如經過額外補償的象素，會在文字的邊沿產生一些鋸齒和贗象。為了得到更為清晰銳利的文本和圖形，研究人員發明了反鋸齒(anti-aliasing)技術。它可以智能的對要顯示的文本進行象素填充。但是目前不是所有的LCD顯示器都支持這項技術，它也需要硬體和軟體的聯合支持。

當然支持多種解析度並不能算是LCD顯示器的一項優點。它表現出的無扭曲的畫面更像是一副風景畫，這種肖像模式才是平板顯示器的一項重大的優點。一般CRT的顯示器由於顯像管的製造工藝的限制，在沒有純平顯示器的時代，那些燈泡一樣的「鼓肚兒」屏幕讓從事平面設計的專業人員大傷腦筋。在90年代中期，平板顯示器技術慢慢的完善起來，今天這項技術已經得到了全世界的顯示器和筆記本廠商的認可。LCD顯示器已經融會到許多計算機的應用中，比如文字處理，Web和圖片瀏覽。並且它似乎已經成為了一台先進的多媒體電腦的標準配置。在Windows XP中的「我的電腦」圖標已經明確的告訴消費者，Windows已經進入了液晶時代。有更多的軟體從編碼底層開始對LCD顯示器做了優化。從2000年初，很多平板顯示器廠商都開始支持SXGA顯示標準。SXGA是非常有趣的標準，它使用5:4的屏幕高寬比，不同於其他的顯示解析度標準，它的解析度為1280X1024，這是非常獨特而時尚的Web瀏覽方式。水平解析度為1280，許多網站都支持這一標準，這樣可以在一個屏幕內容下更多的信息。

不同於CRT顯示器，LCD使用對角線測量法來表示屏幕的可見區域面積。由於使用這樣的測量法屏幕的可視面積不會像CRT顯示器那樣，和標稱的面積相差太多。同樣標稱尺寸的顯示器中，CRT與LCD大約相差3英寸。

早在1999年，很多TFT技術的領導廠商就已經研發出了18.1英寸的超大屏幕液晶顯示器，它的解析度為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。它的每一個液晶單元都是一個相對獨立的開關。因此用LCD來顯示文本字元非常的清晰。CRT顯示器是以整個屏幕為單位刷新顯示的內容。這樣就需要達到很高的刷新速率，人眼才不會感到屏幕的閃爍。LCD則不需要不斷的對整個屏幕進行刷新。為什麼LCD顯示器並不存在閃爍問題呢?其實LCD顯示器上的每一個液晶單元都是獨立刷新的。因此顯示圖像時的刷新率會比標準的85MHz無閃爍標準低很多，大約在40~60MHz之間。但是你的眼睛決不會在這種刷新率下感覺到整個屏幕的閃爍。

相反，LCD中一個或者多個液晶單元可能存在缺陷。就以1024x768解析度的顯示器為例，每一個象素由3個液晶單元組成(紅、綠、藍)。所有液晶單元的總和大約為240萬個(1024x768x 3 =2,359,296)。最嚴格的製造工藝技術也不能保證每一個液晶單元都工作良好。很多LCD顯示器上都存在「亮點」或「暗點」。很多廠商在產品宣傳中提到自己的產品是「無壞點」的極品LCD顯示器。但不幸的是這樣的顯示器太少了。細小的液晶原色壞點人眼是很難識別的。

LCD顯示器中還有很多與CRT顯示器不同之處。在液晶板後面置有熒光管。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顯示器中你會看到重影和托尾現象。重影是由於屏幕中發亮與發暗的液晶單元對臨近單元的影響所致。而托尾是由於液晶單元的響應延遲所致。

可視角度也是衡量LCD顯示器優劣的重要指標之一。設計人員通過調節光線透過液晶的角度，來增大LCD的可視角度範圍。CRT是一种放射式顯示器，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，呈現出最終的象素。在光線發散開來時光線也會穿過臨近的象素，造成彩色畸變。最早的液晶層都是扭轉90度，為了擴大可視角度，此後的液晶層多是扭轉180度以上，有的更達到了270度。

在很長一段時間之內，LCD顯示器還沿用著我們熟悉的15針標準VGA顯示介面。自90年代以後有幾個研究小組提出了不同的LCD數字介面解決方案，但是沒有一個標準佔據絕對的上風獲得廣泛的支持。僵局最後被DDWG(Digital Display Working Group，數字顯示工作小組)打破。這個小組包括很多業界知名的大公司：Intel, Compaq, Fujitsu,Hewlett-Packard, IBM, NEC, Silicon Image。在1998年春天DDWG被獲准發布了DVI(Digital Visual Interface，數字視頻介面)的第一個版本。這些規範說明包括：地址控制，電力與機械相關定義等等。它可以升級支持更高的解析度，也可以同時支持模擬和數字格式的信號。

現在越來越多的顯卡都配備了DVI介面。這兩種介面之間的信號是可以通過特殊的電路自由轉換的。事實上，在現代的VGA介面中也採用了很多平板顯示器的信號傳送技術，因此他們之間的信號互換才如此簡單。

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中間層。這個變化的層可以生成所有的顏色。可以通過電壓的驅動來完成液晶狀態的轉換。液晶轉化的速度隨著驅動電壓的增大而加快。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，最後使用6bit二進位數表示。而液晶顯示器的對手CRT則可以使用256種不同漸變表示每一種原色，使用8bit的二進位數傳輸和處理。每一個象素使用3種原色表示，那麼我們就可以推算出，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。

現在的多媒體應用已經非常普遍和廣泛了。缺乏24bit真彩的平板顯示器是製造商最為頭痛的問題。當然18bit也能很好的運行大多數應用程序，它僅僅在專業的圖形製作和視頻編輯領域略顯遜色。一些LCD廠商在設計時，設法讓顯示顏色的精度擴展為24bit的色深。

日立公司開發了一項專利技術：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。日立的這種技術可以使LCD顯示器的每種原色，從理論上可以顯示253種漸變。此「全彩」畫面對於顯卡的處理速度和顯存容量的要求都比較高，也並非用戶的顯卡可支持24bit全彩就能使LCD顯示出全彩，這還需要應用程序的支持。實際上這種技術也不能讓LCD顯示器完全達到24bit的顯示精度。和真正24bit的全彩還是有一定的差距的。