| 出版日期：2001-10-22 总期号：1065 本年期号：80 |
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探密“平净”世界
于亮 显示器是计算机中不可或缺的配备，它所扮演的角色是一个表现画面和文字信号的输出装置。通常用户会通过它来了解程序的执行结果或是窗口的操作情况，以便决定下一步的使用行为。传统的计算机显示器大多是使用显像管结构，也就是所谓的CRT阴极射线管结构。计算机显示器的发展早期只能显示单色画面，但随着显示技术的进步，演变成CGA、EGA、VGA、SVGA和目前最受用户关注的液晶显示器。 在技术进步的过程中，我们拥有了更复杂的色彩表现，在分辨率、画质、带宽和健康等方面也有了长足的进步。由于CRT技术的日趋成熟，长期以来一直在电视显示器和计算机显示器中维持着不可替代的地位。不过，到了90年代，CRT在技术上出现了难以克服的瓶颈。例如，在大尺寸显示面积和显示器尺寸及能耗等方面，CRT的发展前景都不容乐观。同时，在一些特殊用途中，如军事、野外科研等方面，CRT也不能满足人们对轻、小的需求。于是，人们开始寻求它的替代品，FPD平板显示器被公认为CRT的最佳接替人。另外，传统CRT显示器在物理特性上的限制，它产生的有害射线对人类健康有直接的影响，而FPD平板显示器的出现也正好克服了这方面的缺陷。在众多的FPD平板显示器技术中，LCD液晶显示器由于技术相对成熟，价格也不断下降，正在各种应用领域与CRT显示器展开全面的竞争。 液晶显示器工作原理 液晶具备两个非常有价值的特性。第一，晶体可以排列为扭曲的形式，使得通过它的光线也随之扭曲。第二，当有电流通过时，晶体会改变排列方式。 光是由电磁波构成的，大多数光源发出的波是朝着各个方向振动的。偏振层将分离出某个单一方向的波。如果你将两个允许适当角度的光通过的偏振层叠放在一起，则不会有光线通过。第一层允许某个方向的偏振光通过，而第二层将阻挡该光线。将两组偏振透镜叠放在一起，然后旋转其中一个，能够证明这一点。当液晶分子扭曲90度时，来自第一个过滤器的偏振光本身也会扭曲90度，这使得它能够以正确的方向通过顶层偏振层。顺着一个方向打磨与液晶相邻的玻璃将使玻璃表面出现微小的凹槽，这样就能够获得扭曲的效果。与玻璃相邻的液晶是按照凹槽方向排列的。放置玻璃层时要保证凹槽有适当的角度，而且玻璃之间的液晶形成螺旋形通道，并且结束在前面的玻璃层。对于从面板的背面射入的光束，它将被第一偏振层过滤，被液晶层扭曲（或折射），然后通过前面的偏振层。其结果是在显示器的相应点上形成一个“亮”的像素。 要使像素变暗，只需给单元通电，其中单元是指LCD上构成像素的区域。单元顶端和底部的电极是由角上的晶体管控制的。加电时，液晶按照电流方向排列。在这种情况下，晶体的方向是与前后玻璃层垂直的，光束能够不受影响地通过液晶层。然而，由于光束没有扭曲，因此它无法通过顶层偏振层，你在显示器上看到的就是“黑”点。 由于所有液晶都是朝着显示器前面板的方向排列的，因此从前面观看图像的效果最好。假设你的手里拿着一根吸管。如果你用管口对着眼睛，就能够看到另一端的物体。然而，如果你将吸管扭转一个小角度，吸管壁就会阻挡你的视线。液晶也存在类似的现象。如果你离屏幕的中心轴过远，图像质量会迅速下降。 增大可视角度 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: 首先，当你从某个角度观看TFT-LCD时，你将发现显示器的亮度变暗及显示色彩的典型变化。较旧型的液晶显示器通常只有90度的可视角度，左/右两边各45度。 其次，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，或者出现所谓的残影现象。 针对以上缺点，液晶显示器厂商引入了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技术。 TN+Film(TN+视角扩大膜) 这种方法是最简单的。液晶显示器的制造商使用较成熟的标准TFT-Twisted Nematic (扭转向列式)液晶技术，在显示器顶层增加漫射胶片后，从面板射出的光束会改变方向，它们以各种角度离开屏幕。这种方式类似于在光源周围罩上粗糙的玻璃球，使光线能够向各个方向发散。这种方法可以将水平视角从90度增加到140度。但是，低对比度及响应时间慢这两大问题依旧无法改善。TN+Film法也许不是最佳的解决方案，但对制造成本相对较高的的生产厂商来说它却是最廉价的方法(几乎与标准TFT-TN一样)。 IPS (面内交换) 这种方法需要彻底改变液晶层的结构。面内交换（in-plane switching，IPS）将电极放在单元的两侧，而不是原来的顶端和底部，使得电流能够水平通过液晶层。在这些面板中，顶层偏振层通常与底层偏振层对齐，使得未扭曲的光束能够通过。 关闭电源时，液晶分子排列的方向与电极保持适当的角度，它作为偏振层阻挡光束。加电时，晶体旋转90度，与电极对齐，使得光束能够通过。与扭曲晶体相比，水平对齐方式使光线更易于向两侧传播，因此它扩大了观看的视角。使用IPS技术可以使视角扩大到170度，可以达到与CRT显示器相当的视角。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(多区域垂直排列) 这种方法称为多域垂直对齐（Multidomain Vertical Aligned，MVA）。在MVA中，M代表 “multi-domain”，是一个色彩单元里面的区域。图中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平板显示器。 VA代表“Vertical Alignment“(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。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。 
TN+Film的显示器的液晶垂直于基板，与标准的TFT-LCD一样。在上层表面的一层膜就可以增加视角。 这种技术采用特殊的液晶材料，它自然倾向于垂直方向，当关闭单元的电压时，光线被阻挡。给单元加上全部电压时，晶体朝水平方向旋转，使得光线能够通过。如果给单元加上中间电压，晶体旋转一半，使得部分光线能够通过，这将产生灰色阴影。 但是，这种方法存在一个问题：如果晶体都朝一个方向旋转，从不同的角度观看时，灰度级会有很大的变化。为了克服这个缺点，可以让一个单元中的晶体朝着多个方向转动。为此，要将单元分为两个或更多的区域，称为域，并且利用玻璃表面的突起让晶体分子预先向指定的方向倾斜。因此，当你从任何角度看一个灰度单元时，看到的结果将是不同方向的晶体的混合作用，它能够实现灰色阴影的平衡。 在以上三种方法中，TN+Film方式虽然不如其它两种方法有效，但它所需的费用最低。IPS方法相对简单，虽然单元反应较慢，而且增加的电极会妨碍某些光线通过单元，但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。MVA设计的速度最快，而且效果最好，但是它实现起来比较困难，市场份额还很小。 多晶硅显示屏 多晶硅由玻璃体构成，它能够更好地对液晶显示体进行控制，从而减小了多晶硅的电阻，提升了LCD显示屏的性能。多晶硅玻璃体可以提高电子活性，这使TFT可以制作得更小。更小的TFT意味着更小的间隙、更高的显示亮度，或者在相同亮度下更低的电源消耗，更高的分辨率。对于笔记本电脑来说，这意味着更少的能量消耗和更长的电池使用时间，并且笔记本电脑也可以设计得更薄。而当笔记本电脑采用小尺寸显示屏时，采用多晶硅液晶显示屏还可以确保更高的分辨率（11.3英寸时达到1024×768）。 
在施加电压后，液晶分子平行于基板。 多晶硅技术还具有更高的耐用性。东芝公司在生产前采用严格测试方法：在LCD上盖的20个点上使用245牛顿的力，用一个直径30mm的垫子进行挤压；接着，在角部的12个点上用147牛顿的力，用一个直径为16mm的垫子进行挤压，这证实多晶硅显示屏的耐用性——耐冲击阻力比不定型硅显示屏提高了近3倍；抗扭曲力提高了10倍。由于多晶硅显示屏比无定型硅显示屏减少了95%的焊接点，从而减少了故障率及外部设备数量，增加了稳定性，也降低了设备重量。 采用多晶硅LCD的产品还能够提供更高的亮度、更快的响应速度、更高的对比度以及更宽的视角。多晶硅技术采用了2.5D显示技术，使得图像可以从不同角度表现，使图像变得更为生动。 多晶硅TFT LCD提高了使用时的显示质量，可首先应用于手持设备如PDA、数码照相机、视频摄像机等，在使用外部光源（如在日光下使用笔记本电脑）显示图像时，常用的背光将自动关闭以节省能量。不过多晶硅技术的一大技术难点就是如何将其做到大尺寸，目前被正式应用到实际产品的多晶硅显示屏的最大尺寸只有10.4英寸，显然还无法被应用到桌面级显示器中，但是由于其技术优势已被众多显示器厂商所认可，各家也在加紧研发切割大尺寸低温多晶硅显示屏的技术，相信在不久的将来，该技术一定会被广泛地应用于液晶显示器中，那时我们会使用到更加完美的液晶显示器。 数字接口 目前，LCD显示器存在的最大差异是连接接口问题。大多数显示卡为了搭配CRT显示器而采用了模拟输出信号模式。尽管LCD显示器采用的数字输出信号模式更为先进，但为了与通用显示卡相配合，很多LCD显示器提供了模拟接口（通过内部的转换电路将模拟信号转换为数字信号）。由于模拟/数字转换过程中不可避免地会出现信号损失导致影像失真，因此一些新型LCD显示器开始直接支持数字式接口。这样做不仅可以节省模拟/数字信号转换电路的费用，有助于降低成本，而且可以简化产品设计工作，所带来的问题是必须要有带数字支持功能的显示卡与之相配合。 LCD显示器的数字视频接口至今尚未完成标准化工作。目前处于审查等待批准的几个标准有VESA发表的Plug and Display标准和正在进行最终制定工作的Digital Flat Panel标准。这两种标准是以Silicon Image公司研发的PanelLink或TMDS 信号传输标准为基础。 
富士通开发的MVA技术。从技术的上来看，MVA是目前广视角及短响应时间最好的解决方案。 其中，DFP是由PC厂商为首组成的数字接口规格联盟，其中最有名的厂商为ATI。而ATI也是第一家生产具有DFP界面显示卡的公司。VESA曾经过渡性地采用DFP当标准。DFP基本上是修改过的P&D，它们的电气规格实际上都一样，只是少了模拟信号、USB及IEEE1394等界面，所以是一个较便宜的解决方案。它唯一的缺点是它的信号解析度被限制在SXGA(1280×1024)。虽然在市面上已经可以找到具有DFP界面的显示卡，如ATI的 Range Pro LV、Voodo的3500及Number Nine的 SR9，但DFP所受限的SXGA解析度将宣告它是个即将过时的规格。 目前最被看好的是DVI。Digital Visual Interface是由DDWG所发展，在幕后推动它的则是那些以前致力于DFP的公司。虽然它不是VESA的标准之一，但DVI仍有相当好的远景，因为它的数字传输协定仍是TMDS (PanelLink)。与只有一个channel link 的DFP和P&D比较，DVI有两个channel link，所以可以使传输速度加倍，也可让解析度超过1280×1024。另一个优点是它也可以传输模拟信号，所以原本的CRT也可以配接。
假如你仔细的比较这三种数字接口，你会发现结论是非常简单的：昂贵的P&D已经成了陈旧的往事；DFP只能配接到数字的平面显示器而且解析度限制在SXGA。这代表具有模拟VGA接头的显示器不能被配接，因为同时具有模拟及数字接口的连接头在技术上是比较复杂的。未来的世界是属于DVI的，它不只有较高的解析度，而且也能配接到模拟的显示器。除此之外，DVI获得足够多的工业界支持，因此具有长期的优势。 液晶来了 要追溯液晶显示器的来源，可以从液晶的诞生谈起。1888年，奥地利植物学家Friedrich Reinitzer从植物中提炼出一种称为螺旋性甲苯酸盐的化合物，在给这种化合物做加热实验时，意外地发现这种化合物有两种不同温度的熔点，而它的状态介于液态与固态物质之间，但它在某一温度范围内却具有液体和结晶双重性质，正是由于这种独特的状态，它被命名为“Liquid Crystal”（液态结晶物质）。但它真正被使用却是在1968年。在美国RCA公司的研发中心，工程师发现液晶分子会受到电压的影响，改变其分子的排列状态，并可以让射入的光线产生偏转。利用这一原理，RCA公司发明了世界上第一台使用液晶显示的显示器。 液晶显示器是以液晶材料为基本组件，它根据分子结构排列不同分为三种：黏土状的Smectic液晶、细柱形的Nematic液晶、软胶胆固醇状的Cholestic液晶。这三种液晶的物理特性不同，其中细柱形的Nematic液晶最适合用来制造液晶显示器。在一般的电子产品所使用的液晶显示器，就是利用液晶的光电效应，借助外部的电压控制，再通过液晶分子的折射特性，以及对光线的旋转能力来获得亮、暗效果，进而达到显像的目的。 液晶显示器，英文称为LCD（Liquid Crystal Display），根据驱动方式可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix，也称无源矩阵）以及主动矩阵驱动（Active Matrix，也称有源矩阵）三种。而无源矩阵驱动又可分为扭转式向列阵（TN）、超扭转式向列阵（STN）及双层扭转式向列阵（DSTN）；而有源矩阵驱动大致可分为薄膜式晶体管型（TFT）和二端子二极管型（MIM）两种方式。 TN、STN及TFT型液晶显示器因其利用液晶分子扭转原理不同，在视角、色彩、对比度及动画显示品质上有很大差别，使其在产品应用范围和分类上有明显的区分界限。TFT型液晶显示器是目前的主流，多应用在计算机显示器和动画、图像处理产品上。 |
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