液晶显示器的变迁及发展研究

秦亮亮 董广民

摘  要：因为液晶显示器面板种类繁多，所示在不同应用情况下必须针对性选择。本文对液晶显示器的基本概念、主要原理、应用领、物理特性域、发展背景等进行了介绍;随后将当前LCD的几种常见面板形式进行了比较，从可视面积、可视角度、点距、色域、色温、对比度、亮度、信号响应时间这些方面分析了它们的技术参数，为我们根据用途选择使用液晶显示器提供了参考依据，起到了很大的帮助作用。

关键词：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

显示器最早出现是纯平模式即CRT，又叫阴极射线显像管，它特点鲜明，如视角偏大、无坏点、色彩还原度高、亮度均匀、分辨率可调、响应时间短。随着社会科学技术的发展，现在提起显示器我们自然而然想到的是液晶显示器，即LCD（Liquid Crystal Display）

1  液晶显示器物理特性

液晶面板称为Substrates，它包含了两片无钠玻璃素材，材质极其精致，当光束穿过中间层的液晶时，液晶将会竖立排列或扭转从而现不规则形状，或阻隔光顺利通过。液晶大部分的分子呈长棒状，它们都属于均属有机复合物。这些液晶分子长轴自然情况下大致平行。

液晶显示器1mm厚由两块板构成，其间由5um的液晶材料均匀间隔隔开。液晶分子本身不发光，故液晶显示器需要靠外界光源辅助发光。

LCD屏背面有一块背光板和反光膜，在显示屏下边都设有作为光源的灯管，荧光物质组成了匀光板，可自己发射光线，主要作用是提供均匀的背光源。在穿过第一层偏振过滤层后背光板发出的光线进入里面包含成千上万液晶液滴的液晶层[1]。

2  技术指标

2.1 可视面积

液晶显示器和实际所标示尺寸可用屏幕范围一致。液晶显示器的可视面积要比纯平显示器大。例如，17英寸液晶显示器约等于19英寸纯平屏幕的可视范围。

2.2 点距

液晶显示器的点距这一数值是如何得知，下面我们来举例来说明。一个14英寸LCD的可视面积为215.3mm× 286.9mm，它的最大分辨率为1024×768，那么点距就等于：可视高度/垂直像素 （或者可视宽度/水平像素），即215.3mm/768=0.28mm （或者是286.9mm/1024=0.279mm）。

2.3 色彩度

色彩表现度是LCD最重要的因素。众所周知，自然界的任何一种色彩均由红、绿、蓝三种基本色组成。1024×768个像素点组成显像的LCD面板，每个独立像素色彩基本均由三种基本色（R、G、B）红、绿、蓝来控制。

色域又称色彩空间，我们经常用到的色彩空间主要有Lab、RCMYK、GB等。而RGB色彩空间又分为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开发的一种彩色语言协议，微软联合惠普和爱普生等提供一种标准方法来定义色彩，让显示器、打印机和扫描仪等各种外部设备与应用程序之间关于色彩方面产生一互通语言。

Abode RGB是1998年由Abode Systems开发的一种色彩空间。其目的就是为尽可能在彩色印刷中利用LCD等设备在RGB颜色模式囊括更多颜色。

NTSC是National Television Standards Committee缩写，是“美国家电视标准委员会”的意思。

坊间一直有100%sRGB=72%NTSC，100%Abode RGB=95%NTSC，可见AbodeRGB色域覆盖要比sRGB更广。目前某些高端显示屏（如冠捷AOC），其色域已经可达到127%的广色域[2]。

2.4 对比度

对比度指的是一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的对比程度。制作液晶显示器时选用的集成电路、定向膜、控件滤光片等均与面板对比度有关，随着技术发展的日新月异，无论是专业领域还是一般用户对比度都达到了相当高的程度。

2.5 亮度

液晶显示器的最大亮度通常由背光源（冷阴极射线管）来决定，亮度值一般都在250～400cd/m2之间。目前技术完全可以达到更高，但亮度值并非越高越好，因为液晶显示器太亮反而伤眼。 LCD是本身是不能发光，它就是一种介于固态与液态之间的物质，需要借助额外光源才可以。

2.6 信号响应时间

显示器各像素点对输入信号反应的速度也就是液晶显示器一项很重要的指标，也就是由亮转暗或由暗转亮的液晶反应时间，一般是以ms为单位。响应时间太长，则就可能产生俗称的“拖影”，液晶显示器在显示动态图像时给人有尾影拖拽的感觉。显示运动画面时不产生影像拖尾现象因为相应时间较短。液晶显示器的显示时间为正常范围，一般在2～5ms之间。

2.7 可视角度

液晶显示器可视角度上下虽不一定对称，但却左右对称。例如输出光便具备特定的方向特性，时间则是当背光源入射光通过偏光板、液晶及取向膜后。就是说从屏幕射出的光大多数是都具备了垂直方向的。假如我们从大斜度角观看某全白画面，我们可能会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。比如可视角度为左右60度的话，就表示在始于屏幕法线60度位置，可清晰看见屏幕图像。由于人视力是不同的，即使站在最佳的可视角度范围，看到的颜色和亮度将会有误差。一些厂商为改善液晶显示器的视角特性，就开发出各种广视角技术，如：TN+FILM，MVA，IPS（In Plane Switching）。这些技术均能把液晶显示器可视角度增加到178度以上。

3  液晶面板特性分类对比

如表1所示。

3.1 VA（垂直排列）

Vertical Alignment是VA面板（垂直排列）的全称，它的优势在是所有液晶面板中对比度最高，通常即能达到3000：1，而IPS、TN的对比度只能到1000：1左右，这使得VA 的优势给人直观感受即画面层次感更强，尤其是黑色看起来更纯净。

VA面板在灰阶响应时间上普遍比较慢，一般在8ms左右，而在可视角度上比TN面板要好不少，垂直和水平可视角度均能达到178°，这点上不逊于IPS面板的可视角度，且VA面板独有优点是无漏光问题。

3.2 TN（扭曲向列）

Twisted Nematic是TN面板（扭曲向列型）的全称，是显示屏屏幕的一种类型，原生6bit。目前市面上主流中低端液晶显示器中，TN的生产成本非常低廉、它与Film结合后又增加了可视角度。对比起IPS面板，TN面板的色彩始终是硬伤，泛白明显，可视角度并不好、比较小，适合对于没有刷新率要求的用户，由于其信号响应速度超快，适合一些电竞类的用户使用。

3.3 IPS（平面转换）

In-Plane Switching是IPS屏幕技術（平面转换）技术，它最早是日本日立公司在2001年推出的，亦称“Super TFT”。IPS是硬屏技术，它的屏幕的反应速度更快也更稳定，因为其采用液晶分子颗粒的水平转换方式。

其优势在于色彩表现良好，且可视角广，能达到178°（水平和垂直），劣势在于对比度稍逊于VA面板，有时漏光问题较突出，响应时间更长一些。

4  LCD面板的选择

选择哪种面板还要看具体要求，我们选购液晶显示器时，普通人往往只看显示屏的尺寸大小和分辨率高低，初学者会关注刷新率等等。

首先，先总体简要介绍这三种屏区别，其中IPS屏色彩精准，还原度高，VA面板画面较为柔和，色彩跟IPS比偏淡，而TN屏缺点是色彩表现较差，优点是动态表现比VA和IPS都强，因此市面上很多的高刷新率的电竞显示器均采用TN面板。我们现在来看对比度，毫无疑问VA的对比度表现最好，其次是IPS，最差是TN。我们选择时完全可根据用途来，做设计的话可以选择IPS屏。只是正常办公的话，可以选择VA屏，画面会相对柔和，人眼相对舒适不会太累。如果玩动态游戏，则可以选择TN屏更适合一些。

我们不能简单地认为IPS一定比VA好，或者VA一定比TN好。选择显示器各取所需，知道了三种屏的区别我们基本就大概了解了这三种面板的各自特点。

IPS屏色彩最好。对色苛求特别高的用户可考虑选择。如果你从事的行业是色彩相关的行业（比如设计等），或者你对于使用屏幕看电影、看视频比较有需求，IPS可以是你的不二选择。

TN屏主要用于电竞显示器。看重响应时间喜欢动态游戏的重度用户可选择TN面板显示器，TN色彩与可视角度的确是弱项。如果你是一个游戏玩家，并且日常使用中对色彩没有过于高的要求，TN面板绝对是你的菜。

VA屏一般是用来做曲面显示器的。在日常使用中，VA屏的可视角度和色彩强于TN，弱于IPS。喜欢看电视剧电影的朋友，则可以选择VA面板，因为其对比度更高、更具冲击力，在游戏中，职业玩家也不会选择曲面显示器，因为常常会造成画面的失真。如果就是喜欢看图像的立体感与沉浸感，当然可以使用曲面显示器。

IPS：色彩非常精准、自然，画面明亮，属性平均;但黑位差，黑色黑不下去，对比度低，漏光严重。

VA：画面柔和，黑位佳，对比度高，然色彩质量不如IPS，色彩偏淡;最大亮度太暗。

TN：色彩和可视角度均最差，不过动态比IPS/VA稍强。

IPS适合：家用办公，看电视剧，玩普通游戏，做图像设计，查医学影像。

VA适合：办公打字，看小说，商用。

TN适合做成144HZ电竞显示器，适合对动态要求极高、对色彩0要求的人。

综合评价：CRT=PDP=OLED=IPS>VA>TN

参考文献

[1] 曾少云.LCD显示屏HDR显示技术研究[D].广州：华南理工大学，2019.

[2] 单庆山.液晶显示器背光源光学研究与改进[D].厦门：厦门大学，2018.

[3] 王先盛.直下式LED液晶显示器背光模组的超薄化研究[D].芜湖：安徽师范大学，2019.

[4] 查宝，李吉，陈孝贤.多原色技术在液晶显示器中的应用[J].光电子技术，2019（2）：101-104.

[5] 洪纯.液晶显示器高温环境下显示性能测试方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2019.

[6] 罗垂战.浅析LCD涂层技术的应用[J].电子世界，2020（13）：202.

[7] 常莉莉，张童玉，沉辰.液晶显示器关键测试指标研究[J].环境技术，2020（S1）：74-78.

[8] 王毅.液晶显示器白平衡自动化调整改进研究[J].今日制造与升级，2020（10）：70-72.