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大屏幕液晶显示器技术内幕全揭密!

来源:安博app下载    发布时间:2024-10-15 08:46:11

正如大屏幕液晶显示器是许多人的梦想一样,“大屏幕”也曾经是液晶显示业界的一个梦想。在液晶显示器发展初期,由于技术和工艺原因限制,液晶只能以小屏幕显示器件(譬如:电子表、计算器、掌上游戏机)的形式出

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详细介绍

  正如大屏幕液晶显示器是许多人的梦想一样,“大屏幕”也曾经是液晶显示业界的一个梦想。在液晶显示器发展初期,由于技术和工艺原因限制,液晶只能以小屏幕显示器件(譬如:电子表、计算器、掌上游戏机)的形式出现。

  到八十年代初期,液晶显示器应用领域开始扩大,但当时TN型液晶显示器其被动的液晶驱动技术导致屏幕越大响应时间越慢以及颜色数量极少,液晶显示器要大屏化尚欠火候。后来,随着工艺的进步,技术上允许将TFT(薄膜晶体管)技术应用在液晶面板上,这样子就能够直接把控制信号加到相应的像素上并可保留信号,实现快速而精确地控制液晶分子的扭转角度,这在某种程度上预示着大屏幕全彩液晶显示器的诞生成为可能。

  可惜由于TN型液晶属于“常亮”(液晶像素在没有电压驱动时该像素显示为亮)显示模式,生产的基本工艺中出现的瑕疵轻易造成TFT故障而无法把驱动电压加到液晶像素上,这在屏幕上就会显示成一个“亮点”。良品率向来就不高的液晶生产线只能尽量避开“亮点”集中的部位来切割液晶面板,可以成功切割出亮点较少的大屏幕面板并不多,不改进工艺的话,生产大屏幕液晶并不经济。

  当时,液晶显示器大屏化成本过高让业界曾一度认为液晶显示器只能与CRT在小屏幕显示器领域竞争,FPD(平板显示器)业界新秀之一的PDP(等离子显示器)也因此沾沾自喜,认为LCD(液晶显示器)根本不可能威胁到PDP在大屏幕显示领域的非常大的优势。而事实上,在近年蒸蒸日上的液晶显示器领域,小屏幕的15英寸液晶显示器确实是绝对的主流,17英寸的液晶显示器也尚且能被媒体定义为“大屏幕液晶显示器”。

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  随着TFT-LCD工艺的进一步成熟,各制造商良率的逐步上升,特别是VA及IPS类的广视角液晶技术的普及从根本上降低了亮点产生的可能(具体原理我们随后将介绍),大屏幕液晶显示器得到迅猛发展。全球液晶显示器产量前两名的三星(Samsung)SDI和LG.Philips LCD竞争非常激烈,交替着频繁刷新最大尺寸液晶面板的世界记录。到今天,三星已经有57英寸超大屏幕的液晶显示器成品展出。这不但把目前24英寸的CRT显示器最大记录(注:NEC曾生产特殊用途的低分辨率37英寸CRT Monitor,Sony也曾经于1987年生产45英寸CRT)远远抛在身后,而且让一直以为将独霸大屏幕市场的PDP倒吸了一口凉气。液晶显示器终于得圆大屏幕之梦!

  然而,液晶显示器并不满足于现状,它的最大尺寸还将继续增加。其中一个因素便是2003年液晶电视的热销和未来几年里大尺寸平板电视的美好前景大大鼓舞了液晶厂商的信心。

  为了降低面板成本,需要在同一块基板上切割出更多更大尺寸的面板,各大厂商陆续上马更新一代的液晶生产线。液晶面板产量已经跃居全球之冠的三星更是迫不及待,联合CRT时代的王者Sony跳过第六代而直接投资第七代面板生产线。第七代面板生产线英寸)大小的玻璃基板,大多数都用在生产19英寸和21英寸大屏幕液晶显示器面板以及32英寸和40英寸大屏幕液晶电视面板。大尺寸生产线的普及让单位面积的液晶成本得到一定效果下降,届时大屏幕液晶显示器及液晶电视在PC终端和平板电视领域的竞争优势将越发明显,让更多的消费者受益。

  除了新一代生产线陆续投产推进大屏幕普及的利好外,另一个令人兴奋的消息是液晶屏幕无缝结合的技术也取得了实质进展!英国Seamless Display Ltd.在今年春季的IDF 2004展览会场上展示了由三块20英寸液晶面板无缝结合成的类似三面镜的大屏幕液晶显示器。

  该公司采用在屏幕结合处使用凸镜原理来折射光线专利技术以消除间隙。让3张20英寸屏幕无缝结合成一个画面尺寸相当于40英寸并且像素达到576万(3600×1600)的大屏幕宽屏显示器。这为液晶显示技术向大屏幕发展另辟蹊径。

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  在CRT时代,一提到大屏幕显示器,大家必然会联想起Sony的21英寸、24英寸、三菱的22英寸等产品,它们给人的感觉是价格高昂,只适合专业技术人员和少数发烧玩家。这是由于高分辨率的大屏幕CRT关键技术迄今为止仍只集中在日本少数厂商手中,没形成有效竞争因而造成产品价格居高不下,一般消费者难于接受。而且CRT显示器缺点也比较突出,即便是有消费能力的用户也要考虑拥挤的桌子是不是适合再放上一庞然大物,再加上CRT显示器耗电高且具备一定有害辐射等因素,导致大屏幕CRT一直无法普及,和众多购买的人距离甚远。

  ViewSonic P225fB,340MHz带宽的22英寸梦幻“钻石珑”

  而在LCD时代,液晶显示器相比CRT显示器除了在亮度、调节、环保、健康等全面胜出,在大屏幕方面,液晶显示器还具备一些独特的优势。

  大屏幕液晶显示器轻薄的机身对提高桌面利用率是显而易见的。21英寸的CRT显示器其厚度普遍有50cm之巨,而相同尺寸的液晶显示器厚度不超过5cm,大大节约了桌面空间。随着双头输出显卡的普及,慢慢的变多的用户要同时使用两台显示器,笨重硕大的CRT显示器显然不再适合,液晶显示器才是非常好的对象。

  大屏幕液晶显示器大多数均设有VESA标准的悬臂接口,可以方便与各种各样的悬臂支架配合应用在特殊的场合中,而液晶显示器特有的窄边框设计使其在拼接成屏幕墙的时候更加完美。而CRT由于重量及外形原因,悬挂及拼接电视墙相对成本要高很多,且效果并不理想。

  大屏幕CRT显示器仅有19、21、22、24寥寥几个尺寸供选择,这是由于高精度的大屏幕显像管对工艺技术要求较高,能生产的厂商极少。目前市面上的大屏幕CRT显示器所需之显像管主要由日本的索尼(Sony)和三菱(Mitsubishi)提供,因主要配件受限于这两家而使得大屏幕CRT产品线显得异常单调。部分特殊的应用场合比如航空、医疗、气象需要特殊尺寸的显示器,显像管厂商只好另外开模小批量生产,这种成本高昂的显示器显然非常不经济。

  而液晶显示器所需要的液晶面板则是由日本韩国及中国(包括台湾省)十数家面板厂提供,各厂家还拥有不同世代的数条生产线,可以生产各种尺寸的产品。所以液晶显示器如果按尺寸来分的话,产品非常丰富。单单供PC用的大屏幕液晶就有从18英寸到30英寸内不下十余种不同尺寸的产品。而且面板切割灵活,可以方便按用户要求来切割成其所需要的特殊尺寸。屏幕比例也有4:3,5:4,16:9,16:10,15:9等等之多。相比之下,大屏幕CRT显示器屏幕比例只有4:3和16:10(Sony生产的FW900)。另外,由于大屏幕液晶显示器往往具备屏幕90度旋转的“肖像显示”功能,所以,其屏幕比例又可随之灵活地变成3:4或者4:5等。

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  以往即使是高端大屏幕CRT显示器,最多也就具备D-Sub和BNC两种模拟输入接口(个别厂商采用独特的接口,如Sun经常用的13W3也属于模拟接口),其显示器的用途只定位于个人电脑或者图形工作站的显示终端。而大屏幕液晶显示器则不局限于此,除了具备D-Sub和DVI接口外,多数产品还另外配备了更多的视频输入接口,譬如复合视频(AV)、S端子、分量输入等,个别附带立体声喇叭的产品还具备音频输入功能。大屏幕液晶显示器俨然成了一个多媒体视频终端,几乎可以连接家庭所有具备视频输出端口的电器。

  由上可知,大屏幕液晶显示器相对CRT而言,并不只是简单的把笨重的显像管换成了轻薄的液晶面板那么简单,它在很多方面较CRT均有过之而无不及,而且设计定位也不再跟CRT一样只适合专业应用,它为了迎合普通消费者增添一些实用的功能。以往阻碍普通消费者接受大屏幕显示器的种种因素随大屏幕液晶的诞生而逐渐消失,诱惑令人无法抗拒,选择大屏幕液晶显示器,将显著提高用户的工作效率和视觉体验。

  L2320AL搭配的Media Station,支持的音/视频接口极其丰富

  当然,大屏幕液晶显示器也并不是十全十美,如果你对动态视频还原和颜色还原的效果要求比较高的话,那现在的大屏幕液晶显示器跟其它液晶显示器一样仍旧没办法让你非常的满意。另外,虽然液晶显示器属于新一代的显示器,但大屏幕的液晶显示器在带宽上仍然不及传统的CRT显示器,例如:18~22英寸的液晶显示器带宽一般为165MHz(最大支持1600×1200@60Hz)左右,而19英寸的CRT其带宽就已达到205MHz(最大支持1920×1440@64Hz),高端的22英寸CRT的带宽甚至达到340MHz(最大支持2048×1536@79Hz)。

  不过,有一个利好的消息就是液晶电视的热销大大促进了各厂商生产大屏幕液晶的进度和增加研发高速响应广视角液晶的投入。随着新一代生产线的陆续投产,大屏幕的产量将很快超过中、小屏幕,届时大屏幕液晶与中、小屏幕液晶成本差距自然会促进压缩,液晶显示器的各项性能指标也将越来越接近甚至超过CRT显示器。另外,随着新一代液晶背光技术(譬如LED背光)的逐渐成熟,液晶显示器的颜色还原数将达到更高的NTSC比,超过CRT已不是梦想。而在带宽问题上,液晶虽然普遍不及CRT,但也有个别特殊的产品利用可拼接的DVI接口实现高解析力,例如ViewSonic VP2290b在其22英寸的屏幕上就可支持3840×2400惊人的分辨率!

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  大屏幕液晶显示器的优势不仅仅在跟CRT显示器对比中反映出来,相比小屏幕液晶显示器,它在以下几个方面也具备明显优势。

  传统的D-Sub模拟接口和数字化的DVI视频接口慢慢的变成了目前大屏幕液晶显示器事实上的标准配置。用户不仅能通过数字化的视频接口享受无信号失真的干净画面和操控的便利性,还能够最终靠传统D-Sub接口兼容旧显卡让两台主机共用同一台显示器。多数大屏幕液晶显示器还配备了其它模拟视频输入接口和3.5毫米音频输入接口以供多媒体应用,部分产品甚至还配备USB Hub。而小屏幕液晶显示器由于产品普遍定位较低和可供利用空间有限,只有在某些高端型号才配备部分上述接口。

  在像素间距相同的情况下,大屏幕液晶显示器比小屏幕液晶显示器有着更高的分辨率,20英寸以上普遍支持1600×1200,个别更大的液晶显示器如23英寸的LG L2320A支持1920×1200。更高的分辨率可以在屏幕上显示更多的资讯,即使以后观看1920×1080的HDTV节目源也不至于丢失太多的像素。另外,更大显示面积令用户在欣赏电影时候不再只局限于一个视觉效果非常好的的“皇帝位”,即便是2~3人也能同时看到相同质量的画面。

  虽然目前液晶面板主要由我国台湾省、韩国和日本三地提供,但由于较迟介入液晶生产的关系,我国台湾省在大屏幕液晶面板的产能上明显较韩国日本要低,所以目前市面上的大屏幕液晶显示器所采用的面板绝大多数来自日韩厂商。但另一方面,由于我国台湾省厂商中、小屏幕液晶显示器用面板产能较高,成本也稍低廉,所以在市面上中、小屏幕液晶显示器市场的占有率非常高。

  产地的不同间接导致了大屏幕液晶显示器的面板在各方面的性能要比小屏幕液晶稍高一些。譬如大屏幕液晶显示器所采用的液晶面板最大色彩还原数基本都是16.7M色(线位),而小屏幕液晶显示器的最大色彩还原数往往都是通过抖动或者时间分割等技术手段把6位色屏幕“加工”成16M色。

  大屏幕液晶显示器由于设计定位不同,它往往应用于公共信息展示,必须要有较高的可视角度以使各角度观看到的效果不至于相差太大。所以目前的大屏幕液晶显示器几乎都采用了各种不同类型的广视角技术(在下一节我们将详细介绍),水平垂直方向的可视角度不低于170°是最起码的水平,越来越多的新产品其可视角度都已经达到了176°!而小屏幕液晶虽然也有采用广视角技术,但多数为较落后的技术,可视角度从140°~170°参差不齐,实际效果相比大屏幕液晶显示器有较大差距。

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  如果让你去选择一台高端CRT显示器,你一定会毫不犹豫地把目光投向采用了“特丽珑”技术或者“钻石珑”技术的产品,因为“珑管”是所有优品CRT显示器必然的选择。一般来说,“珑管”显示器在画面质量上较其它类型的显示器有着明显的优势,是否采用“珑管”已经成为有经验的消费者判定一台CRT显示器等级的首要标准。

  那液晶显示器又该如何判定好坏呢?如果看响应时间的话,你会发现市面上响应时间仅16ms的产品其色彩却不尽人意。看可视角度?部分标榜水平垂直各170°的产品其实在90°就已经出现明显失真了。看品牌?哪怕是有“液晶之王”美称的Sharp其液晶显示器产品也未必一定采用高品质的Sharp面板。看亮度?事实上目前大多数“高亮”液晶细节表现令人失望。看对比度?标称对比度奇高的产品或许其可视角度又一塌糊涂……

  那么,到底该依靠什么来判断液晶显示器的高下呢?其实跟高端CRT显示器都采用“珑管”这一共性类似,目前高端的大屏幕液晶显示器都无一例外地采用了以宽视角为主要诉求点的各种“广视角技术”。从某一特定技术在行业里所代表的意义来看,我们可以这样断言:采用了广视角技术的液晶面板在LCD时代的地位就相当于CRT时代的“珑管”!

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  液晶显示器经过近年的高速发展,其各项性能指标都有了显著的提高:在亮度、对比度上已经不亚于CRT,分辨率也基本相当,最大颜色还原数发展到目前的16.7M色已经完全可以接受。因此,要想全面超越CRT显示器,LCD显示器目前最为迫切需要解决的问题就是响应时间过长和可视角度过窄。

  在响应时间问题上,虽然主流产品16ms~30ms的水平相比CRT尚有不小差距,但由于目前绝大多数消费者对液晶显示器的应用仍然以静态画面显示为主,LCD的响应时间虽然不及CRT但也不是对任何游戏都有都不可接受的负面影响。另外,迄今为止每一次技术更新为主流液晶显示器带来的响应时间小幅度缩短实际上对动态画面还原效果的改善并不明显,再加上LCD随视角增大而出现画面明显失真的顽疾对使用者影响实在太大——特别是液晶电视热销和越来越多的便携数码产品采用TFT-LCD显示屏之后让用户对液晶的可视角度更加敏感……所以,如何有效改善液晶显示器的可视角度成为各面板厂商目前最重要的研发项目之一。

  对于大屏幕液晶显示器而言,由于其主要定位于高端市场,功能配备齐全:最典型的例子是屏幕可旋转功能。对于早期视角较差的TN模式液晶显示器来说,屏幕由“风景”模式纵向旋转成“肖像”模式之后,原来较差的垂直方向视角遂转变成水平视角,用户稍微水平转动视线就会观察到非常明显的失真。所以,只有基于广视角技术的液晶面板才能真正体现可旋转功能的使用价值。此外,大屏幕液晶显示器更加适合在中、远距离观看,此时视线的偏转不可避免,视角问题再度凸显。

  跟小屏幕显示器不一样,大屏幕液晶显示器往往是多人同时使用,譬如同事之间研究问题、跟朋友或者家人一起玩游戏、看电影等,这些用途都对显示器的可视角度有较高要求,只有采用广视角技术的液晶显示器才能保证各使用者在不同角度看到的画面基本一样。

  另外,大屏幕液晶显示器显示区域大,在使用距离一定的情况下,人眼在观察屏幕中心区域和边角区域时视角有一定的差别,视角不良的显示器将直接导致使用者在任意角度同时看到的屏幕中心区域与边角区域画面相差甚远,这对于要求严格的平面设计工作者以及其他一些高端用户而言是绝对无法接受的——并且,液晶显示器的屏幕越大,这个问题就越突出。因此,广视角技术也是让用户能看到画面均匀的大屏幕显示器的重要保证。

  综上所述,广视角技术对液晶显示器、特别是大屏幕液晶显示器是非常重要的。

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  在研究广视角技术之前,我们先重新理解一下“可视角度”这个即熟悉又陌生的液晶关键性能指标。液晶显示器的可视角度定义了液晶显示器保持画面失真不超过一定范围时候的最大观看角度。

  随观看角度的增加,屏幕上出现对比度锐减(黑色变白,白色变黑)的现象,一般定义对比下降到10的时候该角度为最大可视角度,这也是目前我们看到的可视角度最常用的表征方法,不同厂商对对比度下降的最低值有不同的要求(有些厂商在标注可视角度指标时会说明CR≥5或10)。

  随观看角度增加屏幕上颜色锐变,当这种变化即将超过一个“无法接受”值的时候,定义该角度为最大可视角度。

  随观看角度增加导致屏幕上出现灰阶逆转(低灰阶比高灰阶还要亮),定义即将产生逆转的临界点时的观看角度为最大可视角度。

  显然,根据对比度来表述的可视角度是目前各厂商普遍采用的方式。由于各厂商对对比度下降的最低值有不同的要求,籍由此而表征的可视角度自然标准各异,参考意义不大。有鉴于此,日立显示器(Hitachi Display)在去年11月日本横滨举办的FPD International 2003上提出采用中间色阶对比度的视角、基于视角的灰阶变化率及色彩变化率三种变化结合来表述液晶显示器的可视角度的新方法。这种更科学更实用的可视角度定义标准如果能被业界采纳,将会是消费者的一大福音。

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  如何改善液晶显示器随观看角度变化而失真的现象呢?首先我们得了解导致失真现象的根本原因。

  为什么CRT显示器不存在可视角度的限制?这是因为CRT显示器是靠电子撞击屏幕上的磷光粉来发光的,在玻璃介质下各像素发光的时候其光线都是毫无遮拦地向所有方向发射,这样,眼睛在任意角度观看的时候都能看到完全一样的画面。当有强光通过CRT屏幕表面反射入眼睛时,眼睛所看到的画面就是屏幕上正常的画面与强光反射所造成的白色画面两者的叠加,这样会造成画面对比度和色饱和度下降。为了解决这个问题,现在的CRT显示器在屏幕表面都有特别的涂层(防反射、防眩光,简称AR、AG)来改善这种受强光干扰而导致的画面失真。

  液晶显示器也有能实现上述功能的表面处理,所以正常的室内光线对液晶屏幕所显示的画面影响不大,不至于造成明显的对比度和色饱和度的下降。但致命的是,由于液晶显示器是一种被动发光的显示器件,其光源是显示器内部以面光源形式存在的背光模组,因此这种表面处理只对屏幕外的干扰光线有效,而不能有效抑制从液晶内部产生的杂乱光线对正常光线的干扰。这样,当从某一个角度斜向观看液晶屏幕的时候,这些本来不应该被看到的杂乱光线因为液晶分子的折射和其他原因而进入眼睛,造成画面失真。

  那么,又是什么原因导致这些杂乱光线的产生呢?这得归咎于液晶分子的光学特性和排列方式。

  如图,液晶分子的形状类似于一个被拉长了的橄榄球,所以又称棒状液晶或者线状液晶,它跟大多数晶体一样都具有双折射率的特性,就是说光线进入液晶分子内部以后会被分成两条折射线。我们把遵守Snell定律的光线叫寻常光线(o线),不遵守Snell定律的光线叫做非常光线(e线),在棒状液晶分子上的o线速度no要比e线的ne快,因为折射率跟光速成反比,所以长轴方向的折射率要大于短轴方向的折射率,即双折射率△n=ne-no>0,光学上把它称作正型液晶。

  当入射光与液晶分子长轴方向成一定角度进入液晶时,液晶中光速的合成方向与液晶分子的长轴的夹角将变小,也就是说,光线进入液晶分子之后,其方向将向液晶分子长轴方向靠拢。

  如图,当被偏振片“过滤”后的直线偏振光进入液晶分子时,它的状态将按直线、椭圆、圆、椭圆、直线偏振光的顺序变化,偏光方向也发生变化。

  如图,通过特殊的工艺把两块玻璃基板制成方向互相垂直的沟槽,灌入液晶后,液晶分子按照扭曲的方式排列,当扭曲螺距大于入射光波长时,入射光将被液晶分子“扭转”。

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  最常见的TN模式液晶显示器就是利用液晶分子的上述光学特性,通过调制光线来达到显示图像的目的的。

  如图,在平行于玻璃基板并按照扭曲向列排列的液晶分子两端加上偏振方向互相垂直的偏振片,在玻璃电极板未通电时,光线受到扭曲排列的液晶分子所“扭转”,顺利地通过两片偏振片。通电后,玻璃电极板之间的液晶分子的长轴将按照电场方向排列,即全部垂直于玻璃基板,这样光线将无法受到任何的“扭转”,偏振方向不会改变,所以不能通过第二块偏振片,也就无法到达用户的眼睛。通过控制玻璃电极板之间的电压来控制液晶分子长轴方向的改变幅度,从而调制光线通过的量,这样就可以显示不同灰阶的图像,配合彩色滤光片就可以还原彩色的画面了。

  TN模式液晶利用液晶分子的光学特性来显示图像,但这种特性也正是导致TN模式液晶显示器可视角度狭窄的根本原因。我们看到,在显示不同灰阶的时候,液晶分子的长轴跟玻璃基板的角度是不一样的,用户从不同角度观看屏幕时,有时看到的是液晶分子的长轴,有时则是短轴。由于液晶分子在光学上表现为各向异性,我们在不同角度所看到的亮度就会不一样,这就是TN模式液晶显示器的视角依存性。

  另外,理论上在玻璃电极板通电时,光线透过垂直于基板的液晶分子后是无法穿透第二块偏振片的,但实际上此时若在某些特定角度范围内会看到液晶分子的长轴,即该角度上的透光率反而增加了,这样低灰阶的画面看上去可能比高灰阶的亮度还高,这就是TN模式液晶显示器所固有的灰阶逆转现象。

  如图,在B处正视屏幕看到的是正常的中灰阶画面,而在A或者C处看到的却是高灰阶和低灰阶,这样所看到的画面其灰阶也随观看角度不同而渐变。

  从上面的视角特性图我们可以看出,TN模式液晶的视角特性很不均匀,其垂直方向视角远比水平视角要差,而且在屏幕下方较大的角度范围内都会看到灰阶逆转。

  要改善液晶显示器的视角依存性,必须采用相应的技术手段降低或者消除这些由于液晶分子固有的光学特性对显示效果的负面影响。一些简单的处理方法对改善视角也是颇有成效的。其中一例如图所示,在背光模组之后采用一纵一横的两块棱镜玻璃板来聚光,把面光源转成线光源再聚成点光源直射入液晶盒,这种准直背光源对提高对比度和可视角度皆有帮助。

  另外,针对TN模式液晶显示器对某一特定视角的依存性特性,采用多组长轴方向不同的液晶分子来合成一个像素,这样用不同朝向的液晶分子来补偿不同方向的视角,精确地设计好它们之间的排列,其合成的视角也可以达到比较理想的效果。这种方式叫做多畴TN模式,畴越多所能补偿的视角也越多,当然这样对工艺要求也更高。

  上图是一种双畴模式的原理图,畴A和畴B的液晶分子取向正好相反,这样可以解决好水平或者垂直方向的视角问题。下面我们将重点介绍目前几种主流的广视角技术。

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  TN+Film这种技术仍然基于传统的TN模式液晶,只是在制造过程中增加一道贴膜工艺,可以沿用现有的生产线,对TN模式液晶Panel的生产工艺改变不大,因此不会导致良品率下降,成本得到有效控制。由此可见,TN+Film广视角技术最大的特点就是价格低廉,技术准入门槛低,应用广泛。

  由于TN模式液晶显示器在加电后呈暗态,未加电时呈亮态,因此它属于NW(Normal White常亮)模式液晶。当由于各种因素造成某些像素上的TFT(薄膜晶体管)损坏时,电压就无法加到该像素上,这样该像素上的液晶分子无法得到扭转的动力,在任何情况下光线都将穿透液晶盒两端的偏振片使该像素永远处于亮态,这就是我们常说的亮点。TN+Film模式的广视角技术没有对此进行任何改进,所以仍然存在亮点较多的问题。

  应用TN+Film广视角技术的液晶显示器除了在视角上比普通TN液晶显示器有所进步之外,TN模式液晶的其他缺点如响应时间长、开口率低、最大色彩数少等等也毫无遗漏地继承了下来。虽然通过精密的扩展膜可以有效提高可视角度,但由于扩展膜毕竟是固定的,不能对任意灰阶任意角度进行补偿,所以总体来说TN+Film还是不够理想,TN模式的液晶显示器所固有的灰阶逆转现象依旧存在。充其量它只是一种过渡性质的广视角模式。

  虽然TN+Film广视角技术效果有限,但并不代表视角补偿膜就是一种落后技术,相反,视角补偿膜在各种模式的液晶显示器下均有关键性作用。事实上,不同模式的液晶显示器都会因为液晶分子的状态不同而衍生出不同的光学畸变,要实现完美的视角特性,光学补偿膜必不可少。为了达到更好的补偿效果,一种利用液晶聚合物(LCP)取向性来设计的光学补偿膜已经开始实用化。要实现良好的可视角度,跟合理的液晶模式设计和精密的视角补偿膜是分不开的。

  TN+Film广视角技术是基于TN液晶显示器的改进技术,液晶分子的排列还是TN模式,运动状态仍然是在加电后由面板的平行方向向垂直方向扭转。它是采用双折射率△n<0的透明薄膜来补偿由于TN液晶盒(△n>0)造成的相位延迟以实现广视角的目的,所以这个Film又叫相差膜或者补偿膜(也有视角拓宽膜之称)。相差膜是将透明薄膜经过拉伸等处理后做成预定形变的构件。

  如图是补偿膜的补偿原理图。补偿膜并不只贴在液晶面板表面侧,而是液晶盒的两侧,当光线从下方穿过补偿薄膜后便有了负的相位延迟(因为补偿薄膜△n<0),进入液晶盒之后由于液晶分子的作用,在到液晶盒中间的时候,负相位延迟给正延迟抵消为0。当光线继续向上进行又因为受到上部分液晶分子的作用而在穿出液晶盒的时候有了正的相位延迟,当光线穿过上层补偿薄膜后,相位延迟刚好又被抵消为0。这样用精确的补偿薄膜配合TN模式液晶可以取得很好的改善视角效果。

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  顾名思义,MVA(Multi-domain Vertical Alignment)模式的液晶显示器,其液晶分子长轴在未加电时不像TN模式那样平行于屏幕,而是垂直于屏幕,并且每个像素都是由多个这种垂直取向的液晶分子畴组成。当电压加到液晶上时,液晶分子便倒向不同的方向。这样从不同的角度观察屏幕都可以获得相应方向的补偿,也就改善了可视角度。

  在未进行光学补偿的前提下,MVA模式对视角的改善仅限上下左右四个方向,而其他方位角视角仍然不理想。如果采用双轴性光学薄膜补偿,将会得到比较理想的视角。

  尽管在某个特殊方位以很大的角度观察屏幕还可能会看到灰阶逆转的现象,但总的来说,MVA广视角模式已经很大程度解决了TN模式的这一痼疾。由于这种模式的液晶显示器在未受电时,屏幕显示是黑色,所以又叫做NB(Normal Black,常黑)模式液晶显示器,这种方式有个最大好处就是当TFT损坏时,该像素则永远呈暗态,也就是我们常说的“暗点”。虽然它也属于“坏点”,不过相对TN模式上常见的“亮点”来说,“暗点”要更难发现,也就是说对画面影响更小,用户也较容易接受。

  MVA模式由于液晶分子的运动幅度没有TN模式那么大,相对来说加电后液晶分子要转动到预定的位置会更快一些,而且在靠近电极斜面的液晶分子在受电时会迅速转动,带动离电极更远的液晶分子运动。因此改变液晶分子的排列后的MVA广视角技术有利于提高液晶的响应速度。

  液晶分子垂直取向意味着Panel两端的液晶分子无需平行于Panel排列,也就是说MVA在制造上不再需要摩擦处理,提高了生产效率。配合光学补偿膜后的MVA模式液晶显示器正面对比度可以做得非常好,即使要达到1000:1也并不难。遗憾的是MVA液晶会随视角的增加而出现颜色变淡的现象,如果以色差变化来定义可视角度的话,MVA模式会比较吃亏,但总的来说它对于传统的TN模式还是改进比较大。

  MVA模式并不是完美的广视角技术。它特殊的电极排列让电场强度并不均匀,如果电场强度不够的话,会造成灰阶显示不正确。因此需要把驱动电压增加到13.5V,以便精确控制液晶分子的转动。另外由于它的液晶分子排列完全不同于传统的TN模式,在灌入液晶时如果采用传统工艺,所需要的时间会大大增加,因此现在普遍应用一种叫ODF(One-Drop Fill,滴下式注入法)的高速灌入工艺,因此综合来看,相对传统的TN模式液晶,MVA的成本有所提高。

  TN模式液晶显示器视角狭窄的主要原因是液晶分子在运动时长轴指向变化太大,让观察者看到的分子长轴在屏幕的“投影”长短有明显差距,在某些角度看到的是液晶长轴,某些角度则看到短轴。VA模式则可改善这种液晶工作时长轴变化的幅度,VA即Vertical Alignment(垂直取向)。

  如图,它依靠叫做Protrusion的屋脊状凸起物来使液晶本身产生一个预倾角(Pre-tilt Angle)。这个凸起物顶角的角度越大,则分子长轴的倾斜度就越小。早期的VA模式液晶凸起物只在一侧,后期的MVA凸起物则在上下两端。

  如图是一种双畴VA模式液晶。未加电时,液晶分子长轴垂直于屏幕,只有在靠近凸起物电极的液晶分子略有倾斜,光线此时无法穿过上下两片偏光板。当加电后,凸起物附近的液晶分子迅速带动其他液晶转动到垂直于凸起物表面状态,即分子长轴倾斜于屏幕,透射率上升从而实现调制光线。

  在这种双畴模式中相邻的畴分子状态正好对称,长轴指向不同的方向,VA模式就是利用这种不同的分子长轴指向来实现光学补偿。

  如图,在B处看到的是中灰阶,在A和C处能同时看到的高灰阶和低灰阶,混色后正好是中灰阶。

  当把双畴模式液晶中的直条三角棱状凸起物改成90°来回曲折的三角棱状凸起物后(如图),液晶分子就可巧妙分成四个畴,也即多畴模式。四畴模式液晶在受电后,A、B、C、D各畴的液晶分子分朝四个方向转动,这就对液晶显示器的上下左右视角都同时补偿,因此MVA模式的液晶显示器在这四个方向都有不错的视角。基于这样的补偿原理,可以更改凸起物的形状,用更多不同方向的液晶畴来补偿任意视角可以取得很好效果。

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  PVA广视角技术同样属于VA技术的范畴,实际上它跟MVA极其相似,可以说是MVA的一种变形。PVA采用透明的ITO层代替MVA中的凸起物,制造工艺与TN模式相容性较好。透明电极可以获得更好的开口率,最大限度减少背光源的浪费。

  PVA和MVA毕竟一脉相承,在实际性能表现上两者都是相当的。PVA也属于NB(常暗)模式液晶,在TFT受损坏而未能受电时,该像素呈现暗态。这种模式大大降低了液晶面板出现“亮点”的可能性。

  不用屋脊形的凸起物如何生成倾斜的电场呢?PVA很巧妙的解决了这一问题。如图,PVA上的ITO不再是一个完整的薄膜,而是被光刻了一道道的缝,上下两层的缝并不对应,从剖面上看,上下两端的电极正好依次错开,平行的电极之间也恰好形成一个倾斜的电场来调制光线。

  CPA模式广视角技术严格来说也属于VA阵营的一员。在未加电状态下,液晶分子跟VA模式一惯特性一样都是分子长轴垂直于面板方向互相平行排列。如图,CPA模式的每个像素都具有多个方形圆角的次像素电极,当电压加到液晶层次像素电极和另一面的电极上时,形成一个对角的电场驱使液晶向中心电极方向倾斜。各液晶分子朝着中心电极呈放射的焰火状排列。由于像素电极上的电场是连续变化的,所以这种广视角模式被称作“连续焰火状排列(CPA)”模式。

  在性能上,CPA模式与MVA基本相当,而且CPA也属于NB(常黑)模式液晶,在未受电情况下屏幕为黑色,在生产导致TFT损坏时也同样不易产生“亮点”。因为CPA模式在各个方向均有相应的液晶分子作补偿,所以在视角表现上除了水平和垂直两方向外在其他倾斜角也有不错的表现。

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  跟MVA广视角技术一样,IPS(In Plane Switching)模式的广视角技术也是在液晶分子长轴取向上做文章,不同的是应用IPS广视角技术的液晶显示让观察者任何时候都只能看到液晶分子的短轴,因此在各个角度上观看的画面都不会有太大差别,这样就比较完美地改善了液晶显示器的视角。

  第一代IPS技术针对TN模式的弊病提出了全新的液晶排列方式,实现较好的可视角度。第二代IPS技术(S-IPS即Super-IPS)采用人字形电极,引入双畴模式,改善IPS模式在某些特定角度的灰阶逆转现象。第三代IPS技术(AS-IPS即Advanced Super-IPS)减小液晶分子间距离,提高开口率,获得更高亮度。

  目前而言,IPS在各个方位都有着最好的可视角度,而不象其他模式那样只是在上下左右四个角度上视角特别突出。应用IPS技术的液晶显示器在左上和右下角45度会出现灰阶逆转现象,这能够最终靠光学补偿膜改善。

  IPS广视角技术也属于NB常黑模式液晶。在未加电时其表现为暗态,所以应用IPS广视角技术的液晶显示器相对来说出现“亮点”的可能性也较低。跟MVA模式一样,IPS广视角的暗态透过率也非常低,所以它的黑色表现是非常好的,不会有什么漏光。

  IPS一个最大特点就是它的电极都在同一面上,而不象其他液晶模式的电极是在上下两面。因为只有这样才能营造一个平面电场以驱使液晶分子横向运动。这种电极对显示效果有负面影响:当把电压加到电极上后,靠近电极的液晶分子会获得较大的动力,迅速扭转90度是没问题的。但是远离电极的上层液晶分子就无法获得一样的动力,运动较慢。只有增加驱动电压才可能让离电极较远的液晶分子也获得不小的动力。所以IPS的驱动电压会较高,一般需要15伏。由于电极在同一平面会使开口率降低,减少透光率,所以IPS应用在LCD TV上会需要更多的背光灯。

  如图,细条型的正负电极间隔排列在基板上,有些类似早期的VA模式液晶。把电压加到电极上,原来平行于电极的液晶分子会旋转到与电极垂直的方向,但液晶分子长轴仍然平行于基板,控制该电压的大小就把液晶分子旋转到需要的角度,配合偏振片就可以调制极化光线的透过率,以显示不同的色阶。IPS的工作原理有些类似于TN模式液晶,不同的是IPS模式的液晶分子排列不是扭曲向列而且其长轴方向始终平行于基板。

  针对IPS模式在斜45°方向的灰阶逆转现象,除了可以采用光学薄膜来补偿,还可以依照MVA的特性来对IPS“优化”。如图,把IPS原来直条形的电极改成像MVA模式那样的曲折电极“人形电极”,这种改进后的IPS吸取了IPS和MVA的优点,可以称之为“双畴IPS”,也就是新一代的Super-IPS。

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  如同PVA模式跟MVA模式的关系一样,FFS(Fringe Field Switching)严格来说应该IPS模式的一个分支,主要改进是采用透明电极以增加透光率。相对于已经比较完美的IPS模式,FFS可谓是“百尺竿头,更进一步”。

  第一代FFS技术主要解决IPS模式固有的开口率低造成透光少的问题,并降低了功耗。第二代FFS技术(Ultra FFS)改善了FFS色偏现象,并缩短了响应时间。第三代FFS技术(Advanced FFS)则在透光率、对比度、亮度、可视角度、色差上均有明显提高。

  FFS一个致命的缺陷就是由于电场的畸变导致灰阶逆转,但新一代的FFS技术AFFS(Advanced Fringe Field Switching)通过修改楔状电极和黑矩阵解决了这一问题。AFFS拥有极高的透光率,可以最大限度的利用背光源得到高亮显示。无论是水平还是垂直方向,AFFS都能实现惊人的180°视角。如图,如果在其他方向的视角也能有效得到提高的话,那液晶显示器可视角度不如CRT的说法就要成老皇历,也许以后的液晶显示器参数上再也不用标可视角度一项。

  由于AFFS具自补偿特性,在不同视角下不会发生色差变化。采用透明电极和舍弃黑矩阵有利提高开口率和高清晰度。事实上AFFS除了响应时间稍逊之外,在其他方面它都代表着目前液晶显示器高画质和广视角兼得的最高水平。

  如图,FFS结构跟IPS模式大同小异,正负电极不再是间隔排列。透明电极不会遮挡光线,所以可以实现达到较高的开口率。新一代的FFS技术在其他方面也有革命性的改进,譬如负型液晶光效率高,但扭转黏性较大,响应时间慢;而正型液晶响应时间虽然较快,但光效率很低。FFS技术通过优化液晶,在正型液晶上也获得了负型液晶90%左右的光效率,使得透光率和响应时间可兼得。优化后的楔形电极可以自动抑制光泄露,这样连滤色片固有的黑矩阵也可以舍去,这又大大增加了透光率。所以,相对其他广视角模式的液晶极低的背光利用率,FFS模式是非常“环保”的。

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  在自补偿和双轴光学膜的补偿下,OCB模式的液晶可以实现不错的可视角度,而且视角均匀性非常好。如图,在不同的方位也不会出现TN模式固有的灰阶逆转现象。

  OCB模式在常态下(无电场)也显示暗态,属于“常黑”模式液晶,因此OCB出现“亮点”的几率也不高。OCB还原的黑色特别纯,这是由于OCB在“常黑”状态下的黑色在各方位上观察都不会出现漏光。这也有利于实现较高的对比度。

  OCB最大的特点就是响应速度快,即使是Tr+Tf也不会超过10ms,目前已经有1ms到5ms的产品。所以OCB模式的液晶显示器最适合应用于还原动态图像。

  OCB最大的缺陷在于,由于OCB模式在无电场情况下分子是平行于Panel的,这样为了实现液晶分子的弯曲排列,每次开机都需要一定的预置时间来让液晶分子扭动到合适位置之后才能正常工作。相信大多数的消费者都很难接受这个致命缺陷。

  OCB模式的液晶排列看上去非常象两层TN模式液晶相叠,但它的液晶分子排列是上下对称的,这样由下面液晶分子双折射性导致的相位偏差正好可以利用上部分的液晶分子自行抵消,相对其他配向分割模式,OCB的制造工艺更简单一些。

  在弯曲排列的液晶分子中,中间的液晶分子始终处于跟基板垂直的状态。由于液晶分子是紧密排列在一起的,当加电后,中间液晶分子的动作将牵拉或推动整个液晶盒,起到加速的作用。另外,OCB模式的液晶分子长轴始终在一个平面,不需要象TN模式那样做扭曲的动作而只需“弯曲”,相对来说,只需做很小的改变就可以达到预定的位置,所以OCB模式液晶显示器有着明显的速度优势。

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  回首CRT时代,可供我们选择的显像管不外乎是荫罩管和荫栅管两种,即使再细分也不过是索尼的“特丽珑”、三菱的“钻石珑”、三星的“丹娜”、LG的“未来窗”等为数不多的显像管。通过了解显像管技术的原理并结合亲身体验,大多数人对各种显像管的特性都有了自己的主观见解。

  然而在LCD方面,虽然液晶显示器已经开始普及,但在之前的各种液晶产品中大多数都是TN模式和一些性能并不突出的早期宽视角技术产品,直至近年由于液晶行业竞争日趋激烈,曾经因为环保健康的要求而选择液晶产品的消费者多数无法忍受早期液晶产品在某些瓶颈性能上远远落后于传统的CRT,因此慢慢的变多体验过CRT和LCD的消费者在下一台显示器到底该选择前者还是后者的问题上更加理性。各大液晶生产商为了获得更多的关注和加强液晶的性能优势适时开始推广各自的以广视角为主要诉求的新一代液晶技术。面对百花争艳的各种采用新技术的液晶产品,如何才能从中找到你心目中的“特丽珑”或者是“钻石珑”呢?让我们了解一下各种新技术的优劣。

  TN+Film模式的广视角产品由于成本低廉,可沿用以往的生产线,因此仍然会占据不小的市场份额,即便以后各种新型宽视角技术成熟后,TN依然可能会象今天的荫罩管一样稳居低端市场。不过也不要小看这种发展多年的传统模式液晶,由于它技术相对成熟所以只要采用精度更高的驱动IC和一些简单的优化技术,TN+Film模式的广视角产品在响应时间和最大颜色还原数上较其他新型广视角技术仍有明显优势——毕竟一直以来,真正量产的液晶显示器产品中最快响应时间记录都是由TN模式产品创造的。当然,就目前的产品而言,采用各种优化技术的TN液晶显示器价格也不低。

  目前大多数的液晶生产厂商均有TN模式液晶产品,只需贴上以日本富士写真为主要供货商的视角扩展膜就可获得更广的视角。

  如果你对液晶显示器的响应时间比较敏感,目前市面上已经有12ms的TN模式液晶产品供你选择,或者你也可以选择其他更加经济的16ms产品——不过要注意的是某些响应时间短的产品其最大颜色还原数往往只有262K。

  拥有12ms响应时间和超酷3U外观的三星SyncMaster 172X

  如果你更在意液晶显示器的“坏点”,那么在挑选TN模式产品时就得格外小心,因为TN模式是最易产生“亮点”的。虽然目前的像素修正技术已经可以把“亮点”改成“灰点”,但无论如何,谁都不会希望在自己的液晶显示器屏幕上看到恼人的“坏点”。

  判别液晶显示器是否TN模式其实非常简单,只需贴近显示器,从下往上或者从上往下观察屏幕。如果看到原来画面亮的地方明显变暗,而原来暗的地方反而更亮了(即原来白底黑字的地方变成了灰底亮字),就可以肯定这是一台TN模式的产品了,因为垂直方向存在明显的灰阶逆转现象是TN模式最大的特性,即使贴了视角扩展膜也无法完全消除。

  当年荫罩管CRT显示器产品由于电子透过率无法得到进一步突破而导致性能止步不前,Sony革命性地推出了不再采用荫罩来分色的荫栅型显像管——“特丽珑”和之后三菱的“钻石珑”,让CRT发展迎来一个新的巅峰。如今面对TN模式视角狭窄的情况,富士通和日立也各自推出与TN模式的液晶分子排列方式完全不同的VA和IPS技术。

  VA广视角模式阵营强大,衍生出各种各样的新技术。其开山鼻祖富士通近年跟台湾厂商合作,为VA的进一步普及奠定了坚实基础。其中台湾友达光电(AUO)发展的是基于富士通2000提出的Premium MVA技术改良,而奇美(CMO)则生产富士通1996年提出的Super MVA改良产品。

  目前MVA产品应用广泛,它可以显示很好的“黑色”,在显示画面时的暗部细节也表现良好。最大的遗憾就是它随观看角度的增大会出现颜色变淡的现象,这也是判定MVA模式的重要特性。如果你坐姿固定,不需要很多人同时观看屏幕的话,MVA模式的液晶会比较合适。

  富士通和友达、奇美生产的高端Panel都会有MVA产品,选用MVA模式Panel的厂商非常多,几大日系高端品牌均有相关产品,明基BenQ和优派(ViewSonic)的大屏也有部分采用MVA技术。

  至于三星主推的PVA模式广视角技术,由于其强大的产能和稳定的质量控制体系,被欧美IT厂商广泛采用。而CPA则由“液晶之父”——夏普主推,这里需要注意的是夏普一向所宣扬的ASV(Advance Super View也有称Axial Symmetric View)其实并不是指某一种特定的广视角技术,它把所采用过TN+Film、VA、CPA广视角技术的产品统称为ASV。其实只有CPA模式才是夏普自己创导的广视角技术,该模式的产品与MVA和PVA基本相当。也就是说,夏普品牌的液晶显示器未必就是采用夏普自己生产的CPA模式液晶面板,它有可能采用台湾厂家的VA或者其他Panel。

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  而IPS阵营中,由于有LG.Philips LCD这种全球LCD产能数一数二的厂商支持,所以占据的市场份额也不小。由于性能突出,不少日韩高端品牌的部分高端产品都采用这种技术。IPS这种横向控制模式是一种比较完美的宽视角解决方案,基本上画面不会随视角的变化而出现明显失真;不过它所还原的黑色要比MVA稍差,因此需要依靠光学膜的补偿来实现更好的黑色;在画面细节表现上IPS也要略逊于MVA,所以IPS模式的液晶产品更适合于普通液晶电视和公共展示场合。

  IPS模式的液晶显示器由于液晶分子长轴始终平行于屏幕,所以即使受到外力压迫其长轴方向也不会有太大变化。依靠这个特性,我们可以很好地判定一台显示器是否采用IPS模式的面板,比如用手指尖端稍稍用力压迫屏幕,如果是TN模式和VA模式的液晶显示器,屏幕上受力会出现明显的失真波纹,而IPS模式的液晶显示器相对来说这种现象要轻微很多。另外,IPS模式的液晶显示器还有一个特性就是在斜45°角上观察的话会看到有类似TN模式那样的灰阶逆转现象,虽然这对日常使用影响不大,不过也可以作为判别IPS的标志。

  另外一个值得我们自豪的是我国京东方(BOE,北京东方电子)集团收购韩国现代显示技术株式会社(Hydis)的TFT-LCD部门后成立的BOE-Hydis所主推的FFS技术。它属于IPS阵营,但它几乎改善了IPS的所有致命缺陷。从它所公布的Panel产品资料来看,各项参数确实达到一个前所未有的高度,譬如最大可视角度已达到180°。由于它相比IPS有着更高的透光率,所以在实现同等亮度的条件下,它所需要的背光灯会更少,在目前大屏幕液晶显示器和LCD TV由于功耗大幅度上升有违液晶当初所宣扬的节能环保特性的尴尬局面下,就凭这点就有理由让FFS在未来赢得更多关注。遗憾的是由于各种各样的原因,性能出色的FFS一直未能有更大的产量和应用面。

  判别FFS产品非常方便,目前市面上的液晶显示器产品,只要在可视角度上标注为180°或者178°,几乎都是采用FFS技术,另外在耗能上它也会相比其他IPS技术要小一些——当然,最关键的一点是,在市场上看到采用FFS技术液晶显示器的机会可谓微乎其微。

  至于由日本松下主推的OCB技术,严格来说它应该更象一个响应时间的解决方案。目前各厂商实验室或者试产的产品中非常好的响应时间均由OCB所创造,就发展趋势来看,采用OCB模式液晶产品在近期要突破1ms的响应时间进军微秒级也并非天方夜谭。在这里要提醒一下那些信奉“唯响应时间论” 的游戏玩家和动态视频玩家们,由于显示原理所限,液晶显示器要在动态画面还原方面赶上主动发光显示器件(如CRT,PDP),只靠简单地改善响应时间效果并不太好。在响应时间达到一定程度的前提下,采用黑屏插入会更有效地改善液晶显示器在还原动态画面时出现粘滞感,或许在不久的将来,我们会看见由于采用黑屏插入而导致画面闪烁但动态还原效果接近CRT的液晶显示器。

  采用OCB技术的产品目前在国内市场较难见到,不过由于它出色的响应时间表现,从技术层面看来也是可以让我们期待的。

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