新一代液晶显示器技术全面解读

一直以来，显示器都是电脑中最主要的一个组成部份，电脑与使用者之间的信息传递，绝大多数都是通过显示器上所显示的信息得行实现。因此显示器的发展与整个IT行业的发展都有密不可分的关系。目前正处于传统的CRT显示器和新一代的液晶显示器的更新换代阶段，得益于无辐射、无噪音、环保、体积小、重量轻等众多的优点，液晶显示器逐渐成为了口袋较为宽松用户的首选，具全球的统计表明，液晶显示器的出货量已经在去年年底出现了高于CRT显示器的情况，并正在高速的扩张着市场。

体积娇小的液晶显示器看上去也并不是那么“完美”

然而，目前看来技术成熟的CRT还是瓜分了不少的廉价市场和专业市场份额，对比 CRT显示器，现有的液晶显示器也并非完全占据优势，缺陷也显而易见。从主流液晶显示器只有不到24位色的色彩的表现能力、250cd/m2的亮度和 300:1的对比度、140至160度的水平可视角度等方面可以看出，对于最终的显示效果上，现有的液晶显示器还很难和CRT相媲美。此外延迟时间的问题也一直围绕着液晶，这令不少高要求的游戏玩家，也不敢轻易对液晶下手。

值得庆幸的是新一代的液晶技术已经出台，部份技术已经开始进入了实用阶段，它们正是为了解决液晶显示器的众多顽症而来。有的能让液晶显示器可以显示更多的颜色并带来几乎为180度的视角，有的能大幅提高显示器的亮度和对比度，有的能让液晶的延迟时间降低到最小，更有甚者给我们带来了全新的视觉感受。

色彩里程 10bit液晶面板

液晶显示器能够显示出缤纷色彩的原理大致是，每一个像素（可以看做是一个小点，它是组成图像的最小单位）都由三个液晶单元格所组成，其中每一个单元格前面都分都分别装有红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）的过滤器，这些过滤器都是通过内镶与液晶面板中的驱动IC来进行控制，通过对不同单元格所能够通过的光线的控制，从而来达到不同的灰阶，最后再通过偏光板的漫射将颜色混合起来，就最终在屏幕上形成了各自不同的色彩。

市面上常见的中低端显示器均采用6bit的面板，只具备6bit的驱动IC，因此对于每种颜色只能达到2的6次方种，即64级灰阶，这样RGB三色混合起来也不过才能达到64x64x64=262.144k种不同的颜色，即只能达到18 位色深（2的18次方），与电脑中常用的32位色深还有很大差距，当然通过插值或抖动算法，这类液晶显示器能够达到，16.2万种颜色（近24位色深），但实际表现和CRT还相差甚远。而高端所采用的8bit面板，则将颜色提升到，物理水平的16.7万颜色（达到标准的24位色深），仍然和32bit有一定的差距，再说普及在即的HDTV对于每种RGB色彩均要求10bit的灰阶，因此这种情况下开发10bit液晶面板就相对有必要了。

NEC的10bit面板

正是基于这种情况，NEC的10bit面板技术就抢先走出的实验室，开始进入到量产阶段。第一款配置10bit液晶面板的显示器，对于每种RGB颜色它完全具备10bit的1024灰度等级，综合起来即可提供高达30位的色深，即10亿种颜色。同时取得IC内部配备12bit LUT（Look Up Table），能够从约685亿种颜色中筛选出10亿种最佳颜色。这样一来离32位色深的目标也越来越近，已经很难分辨出两者的差别。

同时由于加入了Super Advanced-Super Fine TFT（SA-SFT）技术，将液晶层中的液晶分子平行于电极与基板排列，而液晶分子需要偏转时也同样是在基板平行的平面内进行。此外还将通用电极和像素电极在一块基板上交错排布，而非传统的上下基板分别排布方式。因此使得液晶分子不再出现折射率不同的问题，这样一来液晶的上下视角和左右视角便加宽到 170度，已经完全实现了宽广视角。（用于增加视角的技术还有MVA、PVA、IPS等技术，SA-SFT属于IPS技术的一个分支）

该显示器仅12mm的画面框的宽度，使得在同级产品中达到了最小，此外它还具备 21.3的尺寸、2048×1536像素的高分辨率和235cd/m2的亮度。虽然目前价位还高高在上，仅适用于高端的出版、印刷以及医疗等专业用途，但随着其它厂商的陆续跟进，10bit液晶面板也会逐渐丰富起来。如果实现了大规模的生产，成本也将越来越便宜，因此高色彩的液晶步伐已经离我们越来越近。

用芯之作 巧妙突破响应时间

现有的TFT液晶技术被人诟病的一个缺点就是响应时间过慢，而响应时间这一概念也只是伴随着液晶出现的一个新问题。在CRT显示器中，只要电子束击打荧光粉立刻就能发光，而辉光残留时间极短，因此传统CRT显示器响应时间仅为 1～3ms。所以，响应时间在CRT显示器中一般不会被人们提及。而由于液晶显示器的成像原理是靠面板中的电极通电后，将液晶分子扭转让背光模块的光线通过之后发光，液晶分子的扭转过程教长，因此就导致的响应时间过慢。在显示动态影像的时候，过慢的响应时间让我们的眼睛认为产生了拖尾的现象，对于视觉效果有很大影响。

对于响应时间业界主要有两种定义标准，即黑白响应时间（BTW：black to white）和灰阶响应时间（GTG：gray to gray）。黑白响应时间是指液晶分子从完全开启状态到完全关闭状态，所需要的时间。由于实现这两种状态相对比较容易，所需的时间也较短，并不能完全代表液晶分子在多种色彩间过度的响应时间，因此不少厂商都在今年又提出了灰阶响应时间的概念。在绝大多数应用中，画面并不是彻底的由全黑到全白的变化，起大多数液晶的转动范围维持在10％至90％开启的范围内，由此来实现RGB颜色间灰度的变化，因此在这个范围内的液晶分子转动时间就被定为了灰阶响应时间。

普遍对于灰阶响应时间的测试方法为，液晶分子从90％开启到10％开启所需要时间（即从亮到暗的过程，Tr）和从10％开启到90％开启所需要时间（即从暗到亮的过程，Tf）所相加的和。而取决于响应时间的特性主要来自于：液晶材料的黏滞系数、液晶材料的介电系数、液晶单元盒的间隙、液晶单元盒驱动电压这四个方面，它们之间的关系可以由于以下公式来相互换算。

根据液晶响应时间的计算公式，降低液晶材料的黏滞系数、提高液晶材料的介电系数、减小液晶单元盒的间隙、提高液晶单元盒驱动电压都可以使得响应时间得以提升。但粘滞系数和介电系数是由液晶特性所决定的，而随着灰度等级的提升粘滞系数也同时进一步加大，因为过低的粘滞度会造成液晶的偏转方向不容易精确控制。提高液晶材料的介电系数和增大液晶单元盒的间隙对材料都有众多的要求，目前的材料而言已经基本将这两者的参数发挥到极至，在找到能够继续提升性能的新材料之前，这两点还很难被继续提升。因此最有可能实现的就是提升液晶盒驱动电压。

液晶分子每一种稳定的状态都对应着一定的电压值，不同灰阶的对应电压不同，分子需要转过的角度也不同，这就造成了不同灰阶转换的响应时间的不一样。当在电极上加电压时，液晶分子不是即时转动到目标状态，而是在一定的响应时间之后才能达到这个状态，电压越高，液晶分子转动的速度越快。所以很多厂商就从此处入手，将施加的驱动电压在起始的时候稍高于目标状态的对应电压，使得液晶分子转动的速度更快，在到达目标状态时，电压再回落至目标状态的对应电压以保持状态，这样就有效缩短了反应时间，而且使不同灰阶切换的响应时间平均化。由于液晶面板上的液晶单元盒众多，一个17寸的液晶显示器上就拥有，1280x1024x3=3.9M个这样的单元盒，因此就必需依靠IC芯片来实现了。

钰瀚的OverDrive芯片

目前用于实现液晶盒驱动电压提升控制的IC芯片主要有钰瀚公司的OverDrive 系列和三星的RTA（Response Time Accelerator）芯片。三星的RTA芯片主要用于自家的显示器上，通过改芯片的控制已经达到了最高4ms的灰阶响应时间水平。而钰瀚的 OverDrive系列则被广大的液晶显示器厂商所采用，如：优派、明基等都是基于OverDrive技术。目前通过类似技术，液晶显示器的响应时间已经最快可达到2ms，无疑已经基本达到CRT显示器的水平。我们有充足的理由相信，响应时间的问题未来将不再成为液晶发展的绊脚石。

多技术融合的怪物 HDR技术

决定液晶显示器的画质表现来至于多个方面，除了最重要的颜色数之外，对比度、亮度以及背光灯源的源的色彩范围都对最终的呈现效果有着不可忽视的作用。

对比度是指画面的最亮处和最暗处的比值，能够把亮的部分更亮，暗的地方更暗，就可达到对比度的提高。理论上对比度越高，在画面上也会越，给予我们的视觉感受当然也会更出色。但对于液晶的问题在于其通过背光源发光，而液晶材质本身并不发光，而液晶亦无法100％阻止，光源的通过，尽管可以把把光线关闭掉，但仍有少量的光源通过液晶分子之间细小的间隙透露出来，因此无法做到全暗。这也就是目前市面上的液晶显示器一般只有300:1对比度的原因。

亮度的概念很好理解，它是指的屏幕上发光强弱的物理量，一般用单位cd/m2来表示。同时液晶显示器的亮度值对对比度也有很大的影响，亮度越大，其亮的部分就可以更亮，但问题是由于亮度增大导致透光度增加，这时暗的部份也变得更暗。其次同样是由于透光度增加，对于液晶对于灰阶的控制也变得不准确，开始偏白，最终也影响了色彩的表现力度。此外过大的亮度还容易令眼睛感觉不适，引起视觉疲劳，因此亮度也不宜被过度的提高。但无论如何目前主流的250cd/m2的亮度还是比较低的，在明亮地方同CRT显示器主流的500cd/m2亮度比起来，液晶显示器就很吃亏。

冷阴极荧光管是目前大量采用的液晶显示器背光源

背光灯源是液晶显示器中的发光体，我们在液晶上所看到的所有图像都是由最终的背光灯源过滤而来。目前液晶显示器大都采用冷阴极荧光管（CCFL）作为背光光源，在使用寿命和节电性方面已经令人满意。但CCFL的灯光所产生的色域上还不足以令人满意，目前普遍还只能达到NTSC色域的72％，这样对最终的颜色表现也有不小影响，这也是有些人觉得液晶有些灰蒙蒙的感觉的原因。

正是基于以上种种固有的缺憾，HDR（High Dynamic Range，高动态范围）技术的出现使得大家眼前一亮。HDR液晶技术是由BrightSide这家加拿大公司所首先创造。要说明的是这里所说的“动态范围”是指显示器能达到的最大亮度和最大黑度，也就是我们通常说的对比度之意。HDR技术使用了LED（发光二极管）阵列来代替了传统的CCFL发光。首先 LED具备亮度极高的优点，通过LCD达到达到，1000cd/m2以上亮度是很轻松的事情，在这里采用HDR的液晶就最终达到了3000cd/m2的最大亮度；其次LED的耗电量也极低，寿命更可达10万小时以上，再加上LED色域宽广的优点（可达到NTSC色域的105％），可为液晶显示器色彩的进一步提升保障。因此不少厂商都开始尝试采用LED代替CCFL作为背光灯源，LG-Philips、索尼、三菱等厂商都都在这方面取得了突破性进展，680 亿的色彩和10000:1的对比度正是依靠LED所实现。

HDR显示器的后面有一层密集的LED阵列用作背光源

不同的是HDR技术在这里不光采用了LED技术，而且LED是基于阵列方式排布，即整个LED背光灯源由许多个小的LED灯所组成，由于LED分辨率较低的关系，作为折中，其采取了多个液晶点对应一个LED点的方式。而且对于阵列中的每颗LED都采用了8bit的电压控制器，随着256位的电压变化，LED就具备了256级的灰阶变化。而最前端还是采用已经已经成熟阶段的 8bit液晶面板，这样经过对型号的处理，在判断到最亮的地方，在完全打开该单元格中液晶分子的同时还给后面的LED单元格加最大的电压，使其亮度达到最大；而最暗的地方则把该单元格中液晶分子完全关闭，同时对应LED单元格的电压也降低到最小（或者关闭），因此避免了露光问题的出现，亮度也随之几乎零。因此通过HDR技术，能够达到200000:1的对比度也就不足为奇。

通过256级灰阶变化，再配合上前面的8bit液晶面板，让每种颜色有了（2的8次方）*（2的8次方）=2的16次方种不同的变化，因此这时的液晶显示其也就达到了16bit的色彩等级，RGB三色相融合起来即可以显示出48位的色深，约281万亿种不同的颜色，正好和Photoshop所能够支持到的最大色深度相等，这时液晶所前所未有过的色深度，通过如此丰富的颜色，相信任何专业的应用都可以彻底满足。可以相信等待未来的10bit面板成熟后，通过HDR技术可达到最大54位的色深，1812万亿种色彩，彻底让认为液晶颜色差的人闭嘴。

基于HDR技术的37寸显示器

不过，目前HDR技术的缺点仍然存在，由于需要众多的LED点发光，其37寸的显示器就达到了1680W的功耗，其耗电量不可小视。

彻底颠覆的视觉感受 3D液晶技术

长久以来显示器都只能通过二维的屏幕来表现出各种画面，即使对于显卡可以提供出逼真3D游戏画面，但最终被转换为了一幅幅2D画面来表示，因此我们会感觉到游戏的真实性距离显示的环境还是有很大差别。因此科学家一直没有放弃，通过显示设备呈现出真实的3D世界的努力。

最先出现的3D电影其采用的是偏振镜法，从人眼观察景物的特点出发，利用两台水平并列安置的电影摄影机，分别代表人的左、右眼，同步拍摄出两个画面。而放映时，则将两个胶片分别装入左、右两台具备偏振镜放映机中，而且两个偏振镜互成90 度的偏振轴，这样投放在银幕上时，如果用普通肉眼观看就形成了左右双影。真正的观看还需要借助一幅特制的偏光眼镜，其原理与放映机的偏振镜一致，最终就使得观众的左眼只能看到左边摄影机拍摄到的图像，右眼就只能观看到左边摄影机拍摄到的图像，从而就产生了3D立体的视觉效果。此外还有一种方法是利用了红蓝滤光原理，首先将正常的画面分解为两份，然后分别进行去掉其中的红色和蓝色，然后再把两者交错的组合起来。观看时需要佩戴一边为红色镜片，一边为蓝色镜片的眼镜，这样就迫使左右眼镜只能看到各自的色光图像，从而欺骗大脑以为看到了立体的图像。

依靠液晶原理实现立体感的3D立体眼镜

传统的偏振镜实现效果最好，但对于从录制到播放都对设备有很高要求，因此完全不可能在显示器中采用；而红蓝滤光发，对于颜色的失真很大，因此也逐渐的趋于淘汰。现代的3D液晶技术起源于前几年出现了3D立体眼镜，这种眼镜巧妙的利用了液晶能够实现开启的关闭的原理，让开启和关闭两种状态频繁的进行作切换。即右边开启时，左边关闭，左边开启时，右边又关闭。这样就能在一剎那让一只眼睛看不到任何图像，显示器上的画面只能通过一只眼睛来观看。在不断的快速的轮回交替下，3D眼镜让双眼仅看到各自的图像，从而达到了欺骗大脑误以为看到3D立体图像图像的效果。该方法的缺点同样明显，其一是必需搭配特制的眼睛才能够实现，使用起来麻烦；其二是对CRT显示器的刷新频率要求很高，只有在120Hz 以上时才能保证眼睛的健康；其三是能够实现立体效果因人而异，很多用户反映并不理想。因此3D眼镜并未完全获得用户的认可。

随着液晶技术的发展，很多科学家就开始在考虑是否能够直接运用3D眼镜的这一原理，而直接在液晶显示器上实现该功能。目前最为现实的是由飞利浦和夏普公司共同创导的技术，而采用该技术制造出的第一款成功商品化的3D液晶显示器也已经推出市场。

夏普LL-151-3D 3D立体液晶显示器

该技术在液晶的最表层添加了一层凸透镜阵列，最终的成像就显示在这层凸透镜阵列上。其中每个小的凸透镜以液晶像素间成一个小的角度摆放，而一个凸透镜就对应了7个液晶单元盒。我们知道原本一个液晶像素有三个液晶单元盒组成，分别具备 RGB三色，而采用了3D液晶技术之后，RGB三色并不改变，只是增加了RGB液晶单元盒的数量用于然不同的眼睛通过凸透镜观察到不同的颜色。这样成像时，根据特定的算法，在液晶单元盒中形成不同颜色，而最终形成图像，以保证观察者在左、右眼上形成不同的图像，如此用户就可以看到逼真的立体效果。

采用这种方法的困难在于：

1、密集和精确的凸透镜阵列；

2、液晶单元盒的尺寸必需非常的小，这样才能保证液晶显示器的清晰度能够得到足够的位置，要在同一尺寸下达到同样的分辨率，液晶单元盒的尺寸就必需减小到以前的1/3。

正是基于以上难点，基于此技术的液晶显示器，价格还是比较的昂贵，15寸的夏普LL -151-3D液晶显示器就需要599美元，折合人民币约5000元，不过相对国外的消费能力还是很能够接受的。而且其得到了NVIDIA公司的大力支持，通过NVIDIA的NVStereo驱动程序，所有的NVIDIA显卡都可以支持该液晶实现立体的3D功能，而支持的游戏也达到了几百款，使用已经不再成为最大的问题。

总结

就在液晶以飞速的发展时，最新的OLED（有机发光显示器）技术也发展得非常迅猛，与液晶相比，OLED具有主动发光，无视角问题；重量轻，厚度小；高亮度，高发光效率；发光材料丰富，易实现彩色显示；响应速度快，动态画面质量高；使用温度范围广；可实现柔软显示；工艺简单，成本低；抗震能力强等一系列的优点，因此它被专家称为未来的理想显示器。彩色的OLED屏幕已经已经开始采用在手机、MP3等便携的电子设备上，但因为大尺寸化方面还有不小的困难，因此还很难威胁到液晶在显示器中的地位。而另一主流的显示技术PDP（等离子）虽具备画面大、对比度高、亮度高、可视角度宽、响应时间短的优点，但分辨率和寿命上还很难和液晶相媲美。因此从目前来说液晶在新一代显示技术中还是很具备优势的，特别对于屏幕大小适中的而有对分辨率要求很高的电脑显示器，是其最佳的选择。伴随着一次次液晶技术的飞跃，完美的液晶产品已经离我们越来越近。

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