Asuka小讲座之八：液晶显示技术通识

Asuka · 发表于 2012-9-14 22:23

本帖最后由 Asuka 于 2012-9-14 22:38 编辑

哟呵，大家好，Asuka小讲座坑了好一段时间了的说，这其中是有非常错综复杂的原因的，主要是，Asuka过暑假去了，→_→，呵呵。反正呢，以前的那页我们揭过去，新学期伊始，让我们开启新的篇章，所以今天的内容就是液晶显示技术啦！过去的大家就不要追究啦！喵！

那是中华民族历史上最黑暗的时刻，1888年，一直做着天朝上国迷梦的……以下省略。奥地利生物学家Friedrich Reinitzer（弗雷德里希雷因策尔？碉堡啊这名字）观察到一种晶体竟然有两个熔点，这与我们初中所知的知识是相悖的。科学总是在这种不经意的瞬间萌发生机，每每看到这种故事总是很鼓舞，以此为契机，物质的一种新的相态被发现了，这种相态介于固态（solid）与液态（liquid）之间，被命名为液晶（liquid crystal）。诚如半导体之于导体与绝缘体，这种中间态的东西往往会同时拥有左右两态的一些属性，而通过利用这种有趣的性质，液晶也像半导体一样，成为了一个生机勃勃的学科，让我们来看图。

左边的是固体，右边的是液体，而居于其间的就是液晶，同时拥有一定程度的流动性，又被限制在了一个有限的框架里面，这个框架被称作“相”（phase）。我们介绍其中的一种相，叫做向列相（nematic），哎，敏锐的读者已经发现了，这个nematic就是TN中的N哦！这个相的示意图如下，

如大家所见，分子基本都趋于一个方向排列，呈现非常均一的一种状态。这个非常好啊！如果分子是极性分子，并且这种极性正好分布在分子两端的时候，亦即，一头带正电，一头带负电的话，那么在电场的作用下，分子就会随着人的控制转动，这个电磁性质正是液晶可以拿来做显示的关键因素，我们来看为什么。

大家知道，光也是电磁波的一种，通过不断的电磁变化实现传播，我们不妨把它类比成一种物质波，就像一根绳子。

就比如上图，光波朝右侧传播，这时候遇到了一团分子。

这个分子簇的排列非常巧合的，正好没有阻挡到光的传播，皆大欢喜，这个就可以作为显示器的on状态；当然，要是不巧，如下图这样的话呢？

啪叽，光虽然穿过了前面一层，却撞到了后面那面墙上，过不去了，那么我们就把他当作显示器的off状态。那么，其实我们只要调整液晶的分子朝向，就可以大致控制光的通过量，从而产生灰度，恭喜你，你已经拥有了一只，额，计算器。

到这里，液晶的基础知识基本普及完毕，各种大家所知的名词，都是利用了液晶的这种易于控制的性质而产生的技术，我们慢慢道来。现在，让我们先来看看一只液晶面板的基本组成，

从上到下分别是，前面板（front plate）、水平极化滤波器？（horizontal polarizing filter）、前玻璃面板（front glass plate）、彩色滤光层（color filter layer）、液晶层（liquid crystal layer）、控制电路层（subpixel electrodes）、后玻璃面板（rear glass plate）、垂直极化滤波器（vertical polarizing filter）、背光（backlighting）。我们就从下往上来慢慢解读，液晶面板究竟如何发光好了。

最底下的是背光层，上图中使用的是荧光管，我们知道，液晶自己是不会发光的，所以光源需要通过其他光源来提供，这就是所谓的主动矩阵（active-matrix）的来源了，被动式就是无人工光源的，所谓主动就是人工光源式了，方式有很多种，比如大家都知道的CCFL（Cold Cathode Fluorescent Lamp，冷阴极荧光灯？），LED（Light Emitting Diode，发光二极管）。不过呢，CCFL正在慢慢退向幕后，原因在于CCFL更费电，需要把其他设备需要的低电压直流供电转换成高电压，因此也大大限制了显示器的厚度减小。

LED的部分，由于LED小巧灵活，所以其实可以有很多种不同组合，让我们慢慢看。
第一种是EL-WLED，这种配置方式是将白光LED分布在显示器的边缘，通过一系列手段将光铺满整个液晶背板，布置上最接近CCFL，可以理解为从以前的灯管换成了LED串，采用这种背光方式的LED一直鼓吹，他们可以做到所谓的动态对比度，原理很简单，如果画面偏黑的话，那么LED可以调暗，以实现传统液晶做不到的高对比度，从“1000:1”进步到“30000:1”哦！不过这种状态其实不怎么多了，尤其液晶显示器，基本上一直都会有部分是亮的，所以大家听过就罢，别太当回事。

第二种是WLED array，这种配置方式就下血本了，前面的技术你说我忽悠是吧，嘿，我把整个液晶面板背面铺满白光LED，不仅可以全局的调亮调暗，还可以部分调亮调暗哦！这是真动态对比度，有木有！不过呢，到目前为止，这种下血本的背光大部分只在液晶电视领域才有采用。

第三种是RGB-LED，这是究极的，不仅采用了上一种中的排布方式，还将白光LED换成了三原色LED实现了非常可观的色域表现，因而基本只应用在了专业领域，基本上属于1000美元以上玩家俱乐部才可能拥有的。
呼，终于讲完了一层，喵了个咪的。这下要变成长篇了。我们来往上看，背光层上面是极化滤波器，可以看到上下一共有水平和竖直的一组，这个滤波器就像前面所述的对于电磁波的两堵墙，垂直排布，彻底遮蔽一切我们不希望透出来的电磁波段，比如说长波的声波，短波的X光等等。这层快，爽！

继续往上我们看到了，又是一组两只的前后玻璃面板，其作用是用来作为液晶面板的基底，类似机箱一样的存在，但是要透光，所以就用玻璃了。哎！别小看玻璃哦，就像大家都别小看机箱一样，玻璃的好坏在一定程度上决定了显示器本身的好坏哦！使玻璃基板变成这么重要角色的原因在于，首先，玻璃也是光学元件，我们肯定是希望光在经过玻璃的时候不要发生任何变化才好，所以玻璃的瑕疵控制要求非常高。并且，还有一个甚至是更加重要的原因一直阻挠着液晶显示设备，尤其是液晶电视的发展，一直有说法，大家都知道，液晶做不大，等离子做不小，关键就在这了。玻璃的平面度要求同样是非常高的，而大块的，能达到平面度要求的玻璃更是难以加工，所以，这家用康宁的玻璃，就是要花更高的成本，自然最终会反映在售价上，所以虽然不能说好的液晶显示器玻璃一定好，但我一定可以反过来说，买玻璃好的显示器一定是好显示器。之前我有请教我光电专业的一个同学，液晶显示器怎么挑，他丢过来了一句非常简洁的，“买贵的就好。”我想大家都和我一样的想法：靠！

然后我们到了中间的三层，正中间的液晶层虽然前面有简单带过基本原理了，但其实学问非常深，什么TN、IPS、VA什么的都是这里面的学问，我们就先不展开了。在液晶层上面的是色彩滤光层，其目的就是从白光的整个频谱中律出RGB红绿蓝三原色，可以注意到，每个像素点中都有这么三个滤光次像素，所以真正看进去，任何的显示器其实都有标称的3倍的分辨率，1080P是两百万像素左右，那么实际上就有接近600万的次级像素，非常恐怖。近日，虽然苟延残喘的夏普提出，要在三原色基础上加上黄色的第四色，这意味着什么想必大家现在就更加明白了吧！不妨让我们来做个计算题，以8bit显示技术为例，每个次级像素每一帧都要获得一个8bit数据，以1080P显示器为例，那么次级像素约莫是六百万个，大家屏幕的刷新率基本上是60Hz，如果是3D的话更是高达120Hz，那么每秒有多大的数据量，请大家自行计算，兄弟我就不蛋疼了。现在大家知道那些显示接口如DP，HDMI带宽为何如此可怕了。

次级像素密度如此可观，可想而知，要对这么庞大的像素矩阵进行控制会有多难，虽然控制的对象只是液晶分子簇的朝向而已，但如此小范围高密度的电路控制，也就只能交给半导体集成电路来实现了，这就是subpixel electrodes的真面目，TFT（Thin-film transistor）薄层式晶体管电路，这个部分的加工就又落入之前小讲堂所讲述的半导体工艺的范畴了，和芯片制造有些许差别，但是在这个应用领域又有其不一样的难度，我们不做展开。但是，百密一疏，难以避免，如此庞大的集成电路，终究难以避免出现个别瑕疵，而偏偏显示器这个东西是难以像芯片那样具有容错功能的。这就产生了我们深恶痛绝的坏点，暗点或亮点的产生也正是因为集成电路瑕疵导致的off和on，最近Asuka给自己的T510换了一块友达的1080P广色域显示器，本以为追究坏点神马的纯属蛋疼，所以图便宜买了块不包无点的，结果么，T_T。

3000字了，大家能坚持到这里的话，Asuka真是要非常感谢了。作为技术通识来说这样也就够了吧！至于今天没有开展的很多内容，Asuka会继续努力在之后的进阶篇里为大家呈现，敬请期待。

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gmx168 · 发表于 2012-9-14 23:42

谢谢，今天又学到新知识了~~~加油哦，楼主。

junweb · 发表于 2012-9-15 00:00

不错。天天向上

DR.tang · 发表于 2012-9-15 00:04

学习了。。。。

rekashin · 发表于 2012-9-15 00:08

找个螺旋排列的图更有助于理解

gmx168 · 发表于 2012-9-15 00:09

rekashin 发表于 2012-9-15 00:08
找个螺旋排列的图更有助于理解

你也写一篇吧~~~

wsy2220 · 发表于 2012-9-15 00:17

看罢，表示完全无法接受有坏点的显示器

ggxuelei · 发表于 2012-9-15 10:04

LED感觉就是坑爹的存在，比CCFL节约了成本，但是很多低端LED好像都有过亮或者看久了眼不舒服的情况

leatiannu · 发表于 2012-9-15 10:42

看看~~

rekashin · 发表于 2012-9-15 11:01

gmx168 发表于 2012-9-15 00:09
你也写一篇吧~~~

人家写的差不多了，我还能写什么。。。

nighttob · 发表于 2012-9-15 11:33

W-LED能把背光做薄，但是色彩还原不到位。RGB-LED成本过高，不好普及。
CCFL死的真惨……

顺便转两篇CB上的文章吧，虽然标题是写手机的，但屏幕是通用的，[图]浅层手机屏幕技术叙述。
然后CB传统，有普及文就一定要有驳……驳《浅层手机屏幕技术叙述》。
以上两篇请搭配食用……

gangkang · 发表于 2012-9-15 11:35

两个熔点。。。。顶了再细看。

HiTom · 发表于 2012-9-15 11:52

看不懂--太高深了

韩细细 · 发表于 2012-9-15 12:16

学习了，我蛋疼的算了下，然后我不由自主的捂住了我下体。。。。。带宽好KB~

a02000904 · 发表于 2012-9-15 12:37

每次买显示器或笔记本都带点。。。

发表于 2012-9-15 12:57

还有oled 要介绍吧

神马时候电脑显示屏能用上 OLED呢..

flhssnake · 发表于 2012-9-15 14:34

Asuka跑来这边了啊.................看来我关注不够啊

幻目之童 · 发表于 2012-9-15 15:20

学习了，虽然“大家都知道的……”我都不知道

Asuka · 发表于 2012-9-15 15:45

flhssnake 发表于 2012-9-15 14:34
Asuka跑来这边了啊.................看来我关注不够啊

哦？！知道我哦，給個提示你是哪位吧~

aican · 发表于 2012-9-15 17:02

分辨率那块真是碉堡了。。。。

想想后面的4K显示器，三色就要乘3倍。。。。

Asuka小讲座之八：液晶显示技术通识

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