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不只是面子 笔记本液晶技术20年发展史

 百眼通 2014-09-25
液晶类型的发展

  从笔记本诞生的那一天起,液晶显示器变便成为了当时区别于桌上电脑的一个显著标志。除了Notebook,笔记本型计算机还有另外一个广为人知的名字,Laptop,直译过来就是膝上型电脑。既然是放在膝上使用,配置一个CRT显然是一个不可理喻的昏头设计,这一点我们从1985年Toshiba发布的世界上第一部笔记本身上就可以得到验证。随着性能的提高,PC的外形越来越人性化,最新的IBM Desktop PC也仅有四个网球的大小。笔记本和桌面计算机(台式机)之间的差距也越来越不明显。比起CPU等关键技术的时间延迟,在显示器领域,笔记本则是引领整个PC平台液晶显示器最新技术的实施者。

  液晶类型的发展

    总体来说,笔记本液晶显示器经历了单色显示器-DSTN彩色显示器-TFT彩色显示器-LTPS TFT(低温多晶硅)这样一个发展历程,而现在我们正处于TFT-LTPS TFT的过渡阶段。

1、单色显示器

    液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性。在通电时导通,使液晶排列变得有秩序,使光线容易通过;不通电时,排列则变得混乱,阻止光线通过。LCD显示屏不同于台式机的CRT显示屏,它是由一种既非固体,决非液体,介于二者之间的中间状态。当给LCD两以排列角度的变化而可对光线进行反射或端施加电压时,其内部分子就会沿着一定角度排列,折射。如果有外界光源,如背光,通过LCD的反射和折射,人的眼睛就可以看到不同颜色的像素点,形成图象。因为液晶本身不发光,而是反射和折射光线,所以LCD的视觉感觉就比台式机显示屏看起来舒适,无闪烁感,同时也不会对人体造成辐射。

    1985年,日本东芝公司制造出了世界上第一台笔记本电脑T1100,它把主机和显示器完美地结合到了一起,第一次使移动办公成为可能。而这一创新的设计,则是基于一块9英寸的单色液晶显示器。

    对于当时个人计算机(PC),由于其数据处理能力还很低,并不像今天的NB一样会涉及很多多媒体信息的处理,所以单色灰度显示器在当时足以满足人们的需求。而世界上第一款配有彩色显示器的笔记本则是1989年,NEC生产出的。至于是何种型号以及使用的是何种颜色的彩色屏幕,现已无法考证。我们只知道,在单色显示器由单色发展到多灰度16个灰度单色显示器、VGA单色显示器之后,在颜色方面也由单色的绿色黄色琥珀色纸白色发展到彩色单色显示器,而后发展为VGA多频单色显示器。

    2、DSTN彩色显示器(伪彩)

    在单色显示器和DSTN彩色显示器之间,液晶发展史上还存在着扭曲向列型(TN-Twisted Nematic)超扭曲向列型(STN-Super TN)彩色显示器,但是由于其均为过渡性产品,并没有在笔记本上得以大规模采用(STN曾用于笔记本),最终第一代彩色显示器笔记本使用的是DSTN(双层超扭曲向列型DSTN-Dual Scan Tortuosity Nomograph)。

    TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD的基本显示原理都相同,只是液晶分子的扭曲角度不同而已。STN-LCD的液晶分子扭曲角度为180度甚至270度。TN型采用的是液晶显示器中最基本的显示技术,而之后其它种类的液晶显示器也是以TN型为基础来进行改良。而且,它的运作原理也较其它技术来的简单。图中所表示的是TN型液晶显示器的简易构造图,包括了垂直方向与水平方向的偏光板,具有细纹沟槽的配向膜,液晶材料以及导电的玻璃基板。

    ---在不加电场的情况下,入射光经过偏光板后通过液晶层,偏光被分子扭转排列的液晶层旋转90度。在离开液晶层时,其偏光方向恰与另一偏光板的方向一致,所以光线能顺利通过,使整个电极面呈光亮。

    ---当加入电场的情况时,每个液晶分子的光轴转向与电场方向一致。液晶层也因此失去了旋光的能力,结果来自入射偏光片的偏光,其方向与另一偏光片的偏光方向成垂直的关系,并无法通过,这样电极面就呈现黑暗的状态。

DSTN彩色显示器(伪彩)续

而DSTN-LCD也不是真正的彩色显示器,它只能显示一定的颜色深度。与CRT的颜色显示特性相距较远,因而又称为“伪彩显”。DSTN的工作特点是这样的:扫描屏幕被分为上下两部分,CPU同时并行对这两部分进行刷新(双扫描),这样的刷新频率虽然要比单扫描(STN)重绘整个屏幕快一倍,提高了占空率,改善了显示效果。而且当DSTN分上下两屏同时扫描时,上下两部分就会出现刷新不同步的问题。所以当内部电子元件的性能不佳时,显示屏中央可能会出现一条模糊的水平亮线。不过,现在采用DSTN-LCD的电脑因CPU和RAM速率高且性能稳定,这种不同步现象已经很少碰见到了。

另外,由于DSTN显示屏上的像素信息是由屏幕左右两侧的一整行晶体管控制下的像素来显示,而且每个像素点不能自身发光,是无源像点。所以反应速度不快,屏幕刷新后更可能留下幻影,其对比度和亮度也比较低,看到的图像要比CRT显示器里的暗得多。但是有于造价低廉而且耗电量上的优势,DSTN现在仍然存在于数码设备领域。

1990年,东芝公司又推出了第一台DSTN彩色笔记本电脑T5200,很大程度上适应了人们对高品质视频效果的需求。但是,DSTN显示器并没有很好地满足用户对色彩的要求,因为这种类型的显示器存在着一些令人难以忍受的缺点,如色彩不够逼真、亮度较低、耗电量较大。应该说,笔记本电脑显示屏的问题仍然没有得到很好的解决。

而由于DSTN的亮度和可视角度问题,欧美市场在90年代初开始流行这样一种笔记本附加工具(如下图)。此附件称之为Visor,翻译成中文就是“帽舌”,由此可以知道它的功能是用来挡住强光,以满足室外等明亮环境的使用需要^_^

TFT彩色显示器

相信对于TFT显示器,大家已经比较熟悉了。从1992年东芝推出的第一台TFT显示屏笔记本电脑T4400SXC开始,TFT从初现市场到得到认同到成为主流,已经经历了12个年头。至今仍是市场上的绝对主力。

那么为什么在这样快速发展的IT技术领域一种技术能够这样长盛不衰呢,我们先来看一下它的特性和工作原理。

TFT就是“Thin Film Transistor”的简称,一般代指薄膜液晶显示器,而实际上指的是薄膜晶体管(矩阵)—— 可以“主动的”对屏幕上的各个独立的象素进行控制,这也就是所谓的主动矩阵TFT(active matrix TFT)的来历。那么图象究竟是怎么产生的呢?基本原理很简单:显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的象素组成,只要控制各个象素显示相应的颜色就能达到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技术,为了能精确地控制每一个象素的颜色和亮度就需要在每一个象素之后安装一个类似百叶窗的开关,当“百叶窗”打开时光线可以透过来,而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。

在众多的平板显示器激烈竞争中,何以TFT-LCD能够脱颖而出,成为新一代的主流显示器决不是偶然的,是人类科技发展和思维模式发展的必然。液晶先后避开了困难的发光问题,利用液晶作为光阀的优良特性把发光显示器件分解成两部分,即光源和对光源的控制。作为光源,无论从发光效率、全彩色,还是寿命,都已取得了辉煌的成果,而且还在不断深化之中。LCD发明以来,背光源在不断地进步,由单色到彩色,由厚到薄,由侧置荧光灯式到平板荧光灯式。在发光光源方面取得的最新成果都会为LCD提供新的背光源。

随着光源科技的进步,会有更新的更好的光源出现并为LCD所应用。余下的就是对光源的控制,把半导体大规模集成电路的技术和工艺移植过来,研制成功了薄膜晶体管(TFT)生产工艺,实现了对液晶光阀的矩阵寻址控制,解决了液晶显示器的光阀和控制器的配合,从而使液晶显示的优势得以实现。

LTPS-TFT(低温多晶硅)

准确的讲,低温多晶硅并非是一种独立的显示技术,而是一种制造工艺。低温多晶硅(Low Temperature Poly-Silicon;LTPS)是新一代薄膜电晶体液晶监视器(TFT LCD)的制造流程。

LTPS TFT LCD与常规非晶硅(a-Si)TFT-LCD最大的差异在于,LTPS的薄膜电晶体经过激光回火(Laser Anneal)的制程步骤,将a-Si的薄膜转变为多晶硅(Poly-Si)薄膜层,可大幅提升电晶体的载子移动率达200倍以上。这就赋予了它接点少、零组件少、材料成本低、耗电低、开口率高、高分辨率、高亮度等优良特性。在参数上,低温多晶硅已经有了很大的突破,水平和垂直可视角度都达到170度;显示亮度达到500尼特,对比度500:1。

分辨率的发展

早期的笔记本液晶显示器并没有一个标准的分辨率,由于当时其应用的领域还比较狭窄,市场对于这方面的要求也没有那么苛刻。但是随着CPU处理能力的增强,多媒体的介入,微软的操作系统成为PC机的主流,这一情况发生了改变。1990年微软会同多家厂商召开多媒体开发者会议,制订了MPC规格。随着微软系统的更新,这一标准先后出台了三个版本,其中便有对于分辨率的详细规定,最低为640*480即VGA,这一系列标准所确定的4:3的比例对此后的PC显示技术发展产生了巨大的影响。而今天,随着用户对笔记本电脑使用层次的加深,对于显示系统提出了更多的要求,也就导致了分辨率的多样化。

宽屏是相对已经在视频领域被广泛接受的4:3比例而言的,宽屏以接近DVD视频的16:9最佳视觉比例作为卖点.但由于VESA(Video Eletronics Standard Association, 视频电子标准协会)刚刚才制定好16:9标准,因此目前以15:10和16:10比例推出的宽屏笔记本还是准宽屏笔记本。无论是宽屏笔记本还是准宽屏笔记本,他们总会和4:3的屏幕有所不一。因此大大丰富了市场的产品线。

(1920*1200分辨率的SonyA19笔记本)>

而在尺寸上,由于生产工艺的进步,大尺寸LCD面板的价格逐步下跌,笔记本市场原来的12.1/13.3/14.1/15.4的几种主流尺寸开始呈现两极分化的趋势。在分辨率基本保持的情况下,能够显示1024象素的液晶显示器已经出现在使用10.4寸的笔记本上。

而苹果引领的17寸宽屏狂潮,也越来越多出现在市场当中。像上面图片所展示的使用两块13.3寸显示器来增大可视面积的设计,在今后市场中将会更加少见。

其他方面的发展

1、光泽液晶

目前的液晶屏与原来的防炫(涂层)型液晶屏相比,表面光滑的“光泽液晶”屏越来越多。原来的液晶屏,为了防止荧光灯及室外光线反射,在屏幕上出现物体映像,在表面做了“防炫”处理。不过,防炫液晶屏存在色彩还原差、比原来颜色要暗等缺点。如果要用笔记本电脑看DVD或电视,防炫型就不太合适。因此,现在又推出了未经防炫处理、能够真实还原色彩的“光泽液晶”。如果购买笔记本电脑以观赏影像为主要目的,建议选择光泽液晶屏;如果不看DVD或电视、只是处理公务的话,建议选择原来那种无光泽、经过防炫处理的液晶屏。由于防炫型液晶屏的表面没有光泽、光泽液晶屏表面光光溜溜,因此很容易分辨。

2、触控液晶

微软主推的Tablet PC出现在市场上已经有些日子了,这款当初叫嚣着要终结Notebook的概念产品并没有获得市场的认同。不过它到时带给了我们另一项技术:触控。

触控屏主要使用了以下两种技术:

触控式液晶显示器的显示单元与普通的显示器是完全一样的,只是在屏幕前方添加了负责定位的透明面板,再配合相应的解码芯片以及软件,实现屏幕绝对坐标的定位。但是也带来一个问题,这样的架构会使液晶显示器的亮度比原来要低20%。

结语:

我们常在科幻电影中看到可以三维显示的电子设备,那些离我们似乎还有很远。但是回想小时候看到科幻书上,能够穿在身上的“电视”现在OLED已经能够实现了。无论今后笔记本的显示技术由谁主导,我们都有理由相信,想象中的未来设备迟早会出现在我们的身边!

 

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