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有更大的突破?LCD響應時間的極限

2020-10-26 18:48:03
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供稿:網友
  一種技術從運用到成熟竟然長達20年之久,這種現象在計算機領域里是罕見的。從1986年NEC制造了第一款有液晶屏幕的便攜式計算機,到2005年末液晶顯示器的市場占有率首次與CRT持平,液晶顯示技術在PC中的應用經歷了20年的緩慢成長過程。
  液晶顯示器的歷史雖然不算太短,但因長期只用于便攜設備的靜態圖文顯示,響應速度慢的問題沒有引起足夠重視。近年來,液晶顯示器在臺式機中應用越來越普遍,視頻播放、游戲的應用也呈爆發性增長,此時響應時間問題才因此倍受關注。
  有人曾提出,電腦的速度已經足夠快,不用再花力氣去提高CPU頻率了。這樣的預言家現在仍不乏其人,幾年前就有些人認為,響應時間已經到了終極,而事實并非如此。雖然液晶顯示器響應時間從早期上百ms縮短到了4ms,但與CRT顯示器相比依然遜色不少。就目前來說,3D加速顯示卡每秒可以運算出的畫面幀數都在200以上,要玩Quake3等游戲,更是需要300幀/s的刷新率才會非常流暢,4ms的響應時間顯然是不夠的。而在即將到來的高清電視時代,短響應時間仍然是液晶電視的賣點。


圖1 響應時間由上升時間(Rise time)和下降時間(Fall time)兩部分構成   響應時間,這個看似簡單的問題為何遲遲不能一下子搞定,為什么會歷時多年仍緩慢前進,是哪些因素阻礙了LCD響應速度的提升?這還得從頭說起。
  響應時間的三種表述   響應時間是描述顯示器亮度變化滯后于電場變化(施加或撤除)一個參數,業界對這個參數有三種表述法:   (1)黑白響應時間,也稱作全程響應時間,是上升時間tr(全黑到全白)與下降時間td(全白到全黑)之和;   (2)ISO響應時間,既國際標準化組織發布的ISO13406-2;   (3)灰階響應時間(GTG,gray to gray),由于畫面變化是由灰階到灰階的轉換,因此這時的LCD響應時間則應該被稱為從灰階到灰階的響應時間,表示液晶單元從一個角度轉到另一角度所需時間,而非全開/全閉這種極端狀態。   用不同標準去衡量同一臺顯示器,會得出不同的結果。例如,對于圖2所示的常黑型顯示面板,按照“全黑到全白”的計算方法,上升時間應該是40ms,而按照ISO標準,計算亮度從10%上升到90%時的響應時間,上升時間就只有28.5-12=16.5ms。


圖2 ISO定義的響應時間   響應時間與刷新率之間既有聯系,又有區別。應該說,任何響應時間的顯示器,都可以相同的刷新率工作,只是響應時間低于要求的數值時,會產生拖尾。因此,與刷新率所對應的響應時間數值,只是對響應時間的最低要求。譬如,當刷新率為60Hz時,對應的響應時間為1/60≈0.017s(17ms)。   應該指出的是:(1)刷新率所要求的響應時間數值,應是全程響應時間,而不是上升時間tr或下降時間td。(2)從數值上看,某些顯示器給出響應時間可能已經符合刷新率的要求,但還是出現了拖尾現象,這是灰階響應時間較長的緣故。正因為如此,即使是4ms的液晶顯示器,也仍然存在響應時間的問題。   生性笨拙的顯示介質
  液晶作為彈性連續體,具有可沿展性、可扭曲性和可彎曲性。液晶顯示主要利用了液晶分子能夠扭曲的特性,以及扭曲液晶的旋光性,入射光的偏振面沿液晶的扭曲螺旋軸旋轉,液晶旋轉角度就決定了液晶盒的透光量,從而決定了該像素的亮度高低。
  液晶材料可以分成高分子液晶與低分子液晶兩種,想要提高液晶顯示器的響應速度,就要選擇分子量較小的液晶。這好比跳水運動員,小巧的身體能使動作更敏捷,能夠更靈活地完成空中轉體等高難度動作。
  液晶是一種有機分子,由于其分子結構具有對稱性,使得分子集合體在沒有外界干擾的情況下形成分子相互平行排列,以使系統自由能最小。液晶按結構的不同可分為三類:向列相、膽甾相和近晶相,目前用于顯示器件中的通常為向列相液晶和膽甾相液晶。向列相液晶的排列方式是分子重心無平移周期性,具有分子取向有序性。膽甾相實際是向列相的特殊形式,分子重心無平移周期性,具有分子取向有序性。
  無論向列相,還是膽甾相液晶,均存在響應速度慢的問題,其中轉矩大小和粘性高低是影響LCD動態性能的兩個內在因素。雖然在實際應用上,通常選擇的都是低分子液晶,其分子長2~3納米,直徑約0.5納米,但利用這種分子級別的材料制成的顯示器,其響應速度只能達到ms級,而CRT、OLED等屬于電子級別工作原理,響應速度一般都可達到μs級別,PDP為原子級,速度稍慢,也不存在響應時間問題。
  首選TN型,只因扭曲角度小
  向列相液晶沿分子的長軸方向運動自如,粘滯系數只是水的粘滯系數的數倍。未加電壓時,液晶扭曲的角度由液晶盒兩端相互平行的配向膜上的溝槽方向決定,TN(Twisted Nematic,扭曲向列)型液晶盒中兩個配向模呈正交(兩個面在空間垂直但不相交)分布,液晶分子相應地扭曲了90°。一旦有電壓施加于液晶盒兩端,線狀液晶的扭曲度會依電場的強弱在0°~90°之間變化,這就是液晶的“扭轉式場效應”。當電場強度達到一定數值時,液晶的扭曲度變為0°,此時扭曲的線被完全拉直,因為透明電極外面兩片正交偏光板的作用,所以幾乎不透光。

  STN(Super Twisted Nematic,超扭曲向列)LCD與TN型LCD主要差別在于,TN型LCD的液晶分子排列由上到下旋轉的角度總共為90°,而STN型LCD的液晶分子排列,其旋轉的角度會大于180°~270°。在扭曲向列顯示器件中,除了TN和STN這兩種主要的類型,還有扭曲角在100°~120°之間的HTN(High Twist Nematic),以及扭曲角為70°的LTN(Low Twist Nematic)等,他們的制作工藝基本相同,只是配向膜的角度有所不同而已。

  TN與STN旋轉角度的差異,造成特性上的差別,具體表現在:TN型液晶扭曲角度小,圖像對比度較低,響應時間較短(50ms以下),而STN型LCD因為液晶分子扭曲角度大,圖像質量明顯提高,但響應時間較長(100ms以上)。

  常言道,有得必有失。TN與STN之間各有短長,選擇時就只有“擇其善而從之”了。筆記本電腦史上,一個時期內曾大量使用STN型液晶顯示器,不過后來TN型顯示器的圖像質量問題通過使用更好的液晶材料解決了,所以STN被TFT-TN所取得,STN以及它的變種DSTN、CSTN液晶面板目前仍在手機和PDA這些不太強調速度的設備中占有一席之地。

  向列相液晶
  “向列相液晶”的介電常數具有各向異性的特點,這使得用電場來控制光學性能成為可能,而且其粘滯系數小,流動性好,因而成為液晶顯示器常用的材料,TN型、STN型及TFT顯示器所用的液晶材料均屬向列相液晶。




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