液晶顯示器的變遷及發展研究

秦亮亮 董廣民

摘? 要：因為液晶顯示器面板種類繁多，所示在不同應用情況下必須針對性選擇。本文對液晶顯示器的基本概念、主要原理、應用領、物理特性域、發展背景等進行了介紹;隨后將當前LCD的幾種常見面板形式進行了比較，從可視面積、可視角度、點距、色域、色溫、對比度、亮度、信號響應時間這些方面分析了它們的技術參數，為我們根據用途選擇使用液晶顯示器提供了參考依據，起到了很大的幫助作用。

關鍵詞：LCD? IPS? TN? VA

Abstract： Because of the wide variety of LCD panel， it is necessary to select the LCD panel according to different application conditions. This paper introduces the basic concept， main principle， application， physical characteristic domain and development background of LCD; then compares several common LCD panel forms， and analyzes their technical parameters from visual area， visual angle， dot distance， color gamut， color temperature， contrast， brightness and signal response time. It provides a reference basis for us to choose the use of liquid crystal display according to the use， which plays a great help role.

Key Words： LCD; IPS; TN; VA

顯示器最早出現是純平模式即CRT，又叫陰極射線顯像管，它特點鮮明，如視角偏大、無壞點、色彩還原度高、亮度均勻、分辨率可調、響應時間短。隨著社會科學技術的發展，現在提起顯示器我們自然而然想到的是液晶顯示器，即LCD（Liquid Crystal Display）

1? 液晶顯示器物理特性

液晶面板稱為Substrates，它包含了兩片無鈉玻璃素材，材質極其精致，當光束穿過中間層的液晶時，液晶將會豎立排列或扭轉從而現不規則形狀，或阻隔光順利通過。液晶大部分的分子呈長棒狀，它們都屬于均屬有機復合物。這些液晶分子長軸自然情況下大致平行。

液晶顯示器1mm厚由兩塊板構成，其間由5um的液晶材料均勻間隔隔開。液晶分子本身不發光，故液晶顯示器需要靠外界光源輔助發光。

LCD屏背面有一塊背光板和反光膜，在顯示屏下邊都設有作為光源的燈管，熒光物質組成了勻光板，可自己發射光線，主要作用是提供均勻的背光源。在穿過第一層偏振過濾層后背光板發出的光線進入里面包含成千上萬液晶液滴的液晶層[1]。

2? 技術指標

2.1 可視面積

液晶顯示器和實際所標示尺寸可用屏幕范圍一致。液晶顯示器的可視面積要比純平顯示器大。例如，17英寸液晶顯示器約等于19英寸純平屏幕的可視范圍。

2.2 點距

液晶顯示器的點距這一數值是如何得知，下面我們來舉例來說明。一個14英寸LCD的可視面積為215.3mm× 286.9mm，它的最大分辨率為1024×768，那么點距就等于：可視高度/垂直像素 （或者可視寬度/水平像素），即215.3mm/768=0.28mm （或者是286.9mm/1024=0.279mm）。

2.3 色彩度

色彩表現度是LCD最重要的因素。眾所周知，自然界的任何一種色彩均由紅、綠、藍三種基本色組成。1024×768個像素點組成顯像的LCD面板，每個獨立像素色彩基本均由三種基本色（R、G、B）紅、綠、藍來控制。

色域又稱色彩空間，我們經常用到的色彩空間主要有Lab、RCMYK、GB等。而RGB色彩空間又分為Apple RGB、NTS、CsRGB、Abode RGB等。

SRGB：英文是standard Red Green Blue，它是由微軟影像巨擘共同開發的一種彩色語言協議，微軟聯合惠普和愛普生等提供一種標準方法來定義色彩，讓顯示器、打印機和掃描儀等各種外部設備與應用程序之間關于色彩方面產生一互通語言。

Abode RGB是1998年由Abode Systems開發的一種色彩空間。其目的就是為盡可能在彩色印刷中利用LCD等設備在RGB顏色模式囊括更多顏色。

NTSC是National Television Standards Committee縮寫，是“美國家電視標準委員會”的意思。

坊間一直有100%sRGB=72%NTSC，100%Abode RGB=95%NTSC，可見AbodeRGB色域覆蓋要比sRGB更廣。目前某些高端顯示屏（如冠捷AOC），其色域已經可達到127%的廣色域[2]。

2.4 對比度

對比度指的是一幅圖像中明暗區域最亮的白和最暗的黑之間不同亮度層級的對比程度。制作液晶顯示器時選用的集成電路、定向膜、控件濾光片等均與面板對比度有關，隨著技術發展的日新月異，無論是專業領域還是一般用戶對比度都達到了相當高的程度。

2.5 亮度

液晶顯示器的最大亮度通常由背光源（冷陰極射線管）來決定，亮度值一般都在250～400cd/m2之間。目前技術完全可以達到更高，但亮度值并非越高越好，因為液晶顯示器太亮反而傷眼。 LCD是本身是不能發光，它就是一種介于固態與液態之間的物質，需要借助額外光源才可以。

2.6 信號響應時間

顯示器各像素點對輸入信號反應的速度也就是液晶顯示器一項很重要的指標，也就是由亮轉暗或由暗轉亮的液晶反應時間，一般是以ms為單位。響應時間太長，則就可能產生俗稱的“拖影”，液晶顯示器在顯示動態圖像時給人有尾影拖拽的感覺。顯示運動畫面時不產生影像拖尾現象因為相應時間較短。液晶顯示器的顯示時間為正常范圍，一般在2～5ms之間。

2.7 可視角度

液晶顯示器可視角度上下雖不一定對稱，但卻左右對稱。例如輸出光便具備特定的方向特性，時間則是當背光源入射光通過偏光板、液晶及取向膜后。就是說從屏幕射出的光大多數是都具備了垂直方向的。假如我們從大斜度角觀看某全白畫面，我們可能會看成黑色或失真色彩。一般而言，上下角度要等于或小于左右角度。比如可視角度為左右60度的話，就表示在始于屏幕法線60度位置，可清晰看見屏幕圖像。由于人視力是不同的，即使站在最佳的可視角度范圍，看到的顏色和亮度將會有誤差。一些廠商為改善液晶顯示器的視角特性，就開發出各種廣視角技術，如：TN+FILM，MVA，IPS（In Plane Switching）。這些技術均能把液晶顯示器可視角度增加到178度以上。

3? 液晶面板特性分類對比

如表1所示。

3.1 VA（垂直排列）

Vertical Alignment是VA面板（垂直排列）的全稱，它的優勢在是所有液晶面板中對比度最高，通常即能達到3000：1，而IPS、TN的對比度只能到1000：1左右，這使得VA 的優勢給人直觀感受即畫面層次感更強，尤其是黑色看起來更純凈。

VA面板在灰階響應時間上普遍比較慢，一般在8ms左右，而在可視角度上比TN面板要好不少，垂直和水平可視角度均能達到178°，這點上不遜于IPS面板的可視角度，且VA面板獨有優點是無漏光問題。

3.2 TN（扭曲向列）

Twisted Nematic是TN面板（扭曲向列型）的全稱，是顯示屏屏幕的一種類型，原生6bit。目前市面上主流中低端液晶顯示器中，TN的生產成本非常低廉、它與Film結合后又增加了可視角度。對比起IPS面板，TN面板的色彩始終是硬傷，泛白明顯，可視角度并不好、比較小，適合對于沒有刷新率要求的用戶，由于其信號響應速度超快，適合一些電競類的用戶使用。

3.3 IPS（平面轉換）

In-Plane Switching是IPS屏幕技術（平面轉換）技術，它最早是日本日立公司在2001年推出的，亦稱“Super TFT”。IPS是硬屏技術，它的屏幕的反應速度更快也更穩定，因為其采用液晶分子顆粒的水平轉換方式。

其優勢在于色彩表現良好，且可視角廣，能達到178°（水平和垂直），劣勢在于對比度稍遜于VA面板，有時漏光問題較突出，響應時間更長一些。

4? LCD面板的選擇

選擇哪種面板還要看具體要求，我們選購液晶顯示器時，普通人往往只看顯示屏的尺寸大小和分辨率高低，初學者會關注刷新率等等。

首先，先總體簡要介紹這三種屏區別，其中IPS屏色彩精準，還原度高，VA面板畫面較為柔和，色彩跟IPS比偏淡，而TN屏缺點是色彩表現較差，優點是動態表現比VA和IPS都強，因此市面上很多的高刷新率的電競顯示器均采用TN面板。我們現在來看對比度，毫無疑問VA的對比度表現最好，其次是IPS，最差是TN。我們選擇時完全可根據用途來，做設計的話可以選擇IPS屏。只是正常辦公的話，可以選擇VA屏，畫面會相對柔和，人眼相對舒適不會太累。如果玩動態游戲，則可以選擇TN屏更適合一些。

我們不能簡單地認為IPS一定比VA好，或者VA一定比TN好。選擇顯示器各取所需，知道了三種屏的區別我們基本就大概了解了這三種面板的各自特點。

IPS屏色彩最好。對色苛求特別高的用戶可考慮選擇。如果你從事的行業是色彩相關的行業（比如設計等），或者你對于使用屏幕看電影、看視頻比較有需求，IPS可以是你的不二選擇。

TN屏主要用于電競顯示器。看重響應時間喜歡動態游戲的重度用戶可選擇TN面板顯示器，TN色彩與可視角度的確是弱項。如果你是一個游戲玩家，并且日常使用中對色彩沒有過于高的要求，TN面板絕對是你的菜。

VA屏一般是用來做曲面顯示器的。在日常使用中，VA屏的可視角度和色彩強于TN，弱于IPS。喜歡看電視劇電影的朋友，則可以選擇VA面板，因為其對比度更高、更具沖擊力，在游戲中，職業玩家也不會選擇曲面顯示器，因為常常會造成畫面的失真。如果就是喜歡看圖像的立體感與沉浸感，當然可以使用曲面顯示器。

IPS：色彩非常精準、自然，畫面明亮，屬性平均;但黑位差，黑色黑不下去，對比度低，漏光嚴重。

VA：畫面柔和，黑位佳，對比度高，然色彩質量不如IPS，色彩偏淡;最大亮度太暗。

TN：色彩和可視角度均最差，不過動態比IPS/VA稍強。

IPS適合：家用辦公，看電視劇，玩普通游戲，做圖像設計，查醫學影像。

VA適合：辦公打字，看小說，商用。

TN適合做成144HZ電競顯示器，適合對動態要求極高、對色彩0要求的人。

綜合評價：CRT=PDP=OLED=IPS>VA>TN

參考文獻

[1] 曾少云.LCD顯示屏HDR顯示技術研究[D].廣州：華南理工大學，2019.

[2] 單慶山.液晶顯示器背光源光學研究與改進[D].廈門：廈門大學，2018.

[3] 王先盛.直下式LED液晶顯示器背光模組的超薄化研究[D].蕪湖：安徽師范大學，2019.

[4] 查寶，李吉，陳孝賢.多原色技術在液晶顯示器中的應用[J].光電子技術，2019（2）：101-104.

[5] 洪純.液晶顯示器高溫環境下顯示性能測試方法研究[D].合肥：合肥工業大學，2019.

[6] 羅垂戰.淺析LCD涂層技術的應用[J].電子世界，2020（13）：202.

[7] 常莉莉，張童玉，沉辰.液晶顯示器關鍵測試指標研究[J].環境技術，2020（S1）：74-78.

[8] 王毅.液晶顯示器白平衡自動化調整改進研究[J].今日制造與升級，2020（10）：70-72.