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标题: TFT全面导读(第一部分) [打印本页]

作者: devinli2003    时间: 2003-11-4 20:23
标题: TFT全面导读(第一部分)
TFT全面导读(第一部分)

1、简介  
  目前平板显示器发展前景十分看好,特别是这几年,随着笔记本电脑的普及,平板显示器的需求急剧上升,而由于投资不足导致产能较小,再加上成品率低这个一直困扰厂商的头痛问题,市场始终处于供不应求的态势,所以目前的平板显示器的价格一直居高不下,于是需要平板显示器的消费者不得不为购买平板显示器付出昂贵的代价。当然这个现象只是暂时的,随着市场方向的变化和市场对价格的调节机制,情况会慢慢改观。
  本文分为三部分,第一部分主要介绍TFT目前的市场形式、价格和市场潮流。不论是熟悉TFT还是不熟悉TFT的朋友都会从本文找到有用的东西。本文将会详细的讲述平板显示器的功能、重要的特点和技术。对于购买平板显示器的用户,将会从本文中获益匪浅。
  第二部分和第三部分主要是针对技术型的读者。这两个部分中,我们将详述诸如用于增大视角的最新技术、最新的数字接口(DFP、DVI)、象素间距同最大对角线的联系等等问题。
2、市场形势
  笔记本电脑的迅速普及为平板显示器带来了巨大的商机,而且也把影响扩大到了台式电脑使用的平板显示器的领域。平板显示器(一般简称为TFT或者LCD显示器,不过这样称呼还有些不准确,特别是把平板显示器称为TFT有些片面,后文会对此做进一步的解释)在欧洲和日本已经成为讨论的热门话题。然而面对日益增长的需求,平板显示器的产量却始终跟不上去,特别是在需求最大的PC市场这个矛盾更加的突出。造成这个局面的原因有很多:比如厂商人为的限制产量、虽然利润丰厚但市场风险巨大导致厂商对于此产业投资保守、另外生产TFT所需要的特种玻璃产量不足也是一个因素。总之,由于种种原因,TFT目前还主要用于商业环境,比如对于桌面空间、噪声水平、散热、辐射等因素要求较高的场所。
  平板显示器要顺利的进入个人用户的桌面还至少需要满足以下几个条件:
·价格基本与目前的CRT显示器持平
·最小尺寸为15且分辨率达到1024x768
·适用面更广
·数字TFT标准接口
·满足目前所有应用程序要求的质量和功能

3、制造与产量

  平板显示器的生产制造如同它的工作原理一样复杂。就拿主动矩阵TFT显示器(active matrix TFTs)的制造过程来说,它的显示屏一般由多层材料复合而成:首先需要厚度极薄并且斜对角线的长度达到30英寸的特种玻璃,这种玻璃因为工艺的复杂以及难以控制所以成品率较低;然后需要把一层极薄的晶体管层附着于玻璃层之后作为色彩控制子系统,这两层之间的距离要同技术规范中的要求分毫不差。在硅片市场中,TFT所使用的大原片属于特型硅片,这无疑又增加了TFT的成本。虽然各个厂商的制作工艺和技术不同,但是遇到的情况基本都是一样的,所以成品率低,成本高这个问题一直是业界的棘手难题——无论是生产面积较大的平板显示器的厂商还是只为笔记本电脑以及其它应用领域提供较小显示屏的厂商。生产大显示屏意味着更高的利润,但是用于笔记本电脑领域的较小的显示屏的需求量却是最大的,在目前产能不足的大前提下,对于厂商而言的确是个为难的选择——好在现在这两个领域的需求缺口都很大,选择哪个都是对的。前两年,还经常听到笔记本生产商因为缺少显示屏而不得不等待的新闻,近来这样的新闻少多了,可见平板显示器的产量也已经有了很大的提高。
4、目前的价格情况和价格趋势
  目前TFT的价格一般是同样尺寸的CRT显示器的2-3倍。也就是说,一台15.1英寸的TFT价格大约是850美元到1300美元(同高端的CRT 17显像管差不多)。18.1英寸TFT价格大约是2300美元到2800美元(同21CRT价格相当) 。
  在目前IT产品普遍呈持续走低的趋势的时候,TFT产品的价格却是一直居高不下,甚至随着市场需求的增长在个别的阶段还有有略微的涨幅——目前基本仍会保持平稳,除非产量急剧减低或者需求急剧升高。其中各个厂商在初期投资于这个行业的资金所造成的巨大财务负担也是使得这类产品价格逆势而行的原因之一。其实从原理上来讲,平板显示器是可以做到比CRT成本低的。个人认为在TFT所面临的诸多问题全面解决之前,这种情况仍然会较长时间的持续。
5、什么是TFT?——初步了解这门技术
  现代显示器技术基本可以分为阴极射线管显示器(CRT:cathode ray tube)和平板显示器两大类。CRT装置因物理结构的限制,体积较大所以会占用比较大的空间;而平板显示器因为不需要阴极射线管,所以如同它的名字一样是平的,可以少占用空间。
  平板显示器根据所利用的技术的原理不同也分为LCD(液晶显示器:Liquid Crystal Display)、PDP(等离子显示器:plasma displays)、LED(Light Emitting Diode)等等。根据发光技术的不同可以分为发散光平板显示器和背光平板显示器。
  而本文要讨论的TFT其实是平面显示器的液晶显示器(LCD)中的一种,由于这是目前应用最广的平板显示器所以也有的人干脆把平板显示器叫做TFT。为了让大家对这个问题理解的更加透彻,这里我把LCD的分类简单的讲一下,下面是常见的液晶显示器的分类:
TN-LCD(TwistedNematic-LCD,扭曲向列LCD)
STN-LCD(SuperTN-LCD,超扭曲向列LCD)
DSTN-LCD(Double layer STN-LCD,双层超扭曲向列LCD)
TFT-LCD(Thin FilmTransistor-LCD,薄膜晶体管LCD)
  其中的TN系列基本原理差不多,不过由于技术落后,已经濒临淘汰,TN因为无法显示细腻的细节,通常应用在电子表、计算器等对于细节要求不高的场合。STN显示细节比TN细腻,而且支持基本色彩显示,通常用于液晶电视、摄像机的液晶显示器、掌上游戏机等。DSTN和TFT被广泛制作成电脑中的液晶显示设备, DSTN液晶显示屏用于早期的笔记本电脑(如386,486等),因为色位数有限,所以称为伪彩显。TFT则既应用在笔记本电脑上,又用于主流台式显示器市场。图1显示的是平板显示器分类的示意图。

图1
6、TFT是如何工作的
  前面已经说过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,为了能精确的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。当然,在技术上实际上实现起来就不像刚才说的这么简单了。LCD (Liquid Crystal Display)就是利用了液晶的特性(当加热时为液态,冷却时就结晶为固态),一般液晶有三种形态:
·类似粘土状的层列(Smectic)液晶
·类似细火柴棒的丝状(Nematic)液晶
·类似胆固醇状的脂状(Cholestic)液晶
  液晶显示器使用的是丝状液晶,当外界环境变化,它的分子结构也会变化,从而具有不同的物理特性——就能达到让光线通过或者阻挡光线的目的——也就是刚才比方的百叶窗。
  下面我就图2a、b来讲解一下TFT的基本原理。一个成品TFT显示屏,一般由一个夹层组成,组成这个夹层的每一层大致是偏光板、彩色滤光镜等组成,这两层之间就是液晶层。偏光板、彩色滤光镜决定了多少光可以通过通过、以及生成何种颜色的光。这个夹层位于两层玻璃基板之间。在上层玻璃基板上有FET晶体管,而下层是共同电极,它们共同作用可以生成能精确控制的电场,电场决定了液晶的排列方式。
  大家一定知道三原色,所以构成显示屏上的每一个象素需要上面介绍的三个类似的基本组件来构成,分别控制红、绿、蓝三种颜色。
  目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器(Twisted Nematic TFT LCD),下图就是解释的此类TFT显示器的工作原理。现存的技术差别很大,我们将会在本文的第二部分中详细介绍。

图2a:扭曲向列TFT显示器工作原理图示意图
  在上、下两层上都有沟槽,其中上层的沟槽是纵向排列,而下层的沟槽是横向排列的。当不加电压的时候,液晶处于自然状态,从背光层发散过来的光线通过夹层之后,会发生90度的扭曲,从而能在下层顺利透过。

图2b:扭曲向列TFT显示器工作原理图示意图
  当两层之间加上电压之后,就会生长一个电场,这时液晶都会垂直排列,所以光线不会发生扭转——结果 就是光线无法通过下层。
7、TFT象素基本架构
  如图4所示,彩色滤光镜依据颜色分为红、绿、蓝三种,依次排列在玻璃基板上组成一组(dot pitch)对应一个象素,每一个单色滤光镜称之为子象素(sub-pixel)。也就是说,如果一个TFT显示器最大支持1280 x 1024分辨率的话,那么至少需要1280×3×1024个子象素和晶体管。对于一个15英寸的TFT显示器(1024 x 768)那么一个象素大约是0.0188英寸(相当于0.30 mm),对于18.1英寸的TFT显示器而言(1280 x 1024),就是 0.011英寸(相当于0.28 mm)。

图4
  大家都知道,象素对于显示器是有决定意义的,每个象素越小显示器可能达到的最大分辨率就会越大。不过由于晶体管物理特性的限制,目前TFT每个象素的大小基本就是0.0117英寸(0.297mm),所以对于15英寸的显示器来说,分辨率最大只有1280 x 1024。
8、引起缩放错误的原因
  因为TFT的象素是固定的,所以不存在CRT显示器的几何失真的问题。我们也知道最大象素数目决定TFT显示器的最大分辨率,不过当显示器在低于最大分辨率的时候,究竟是怎样工作的呢?比如说,你需要看VCD影片,它的分辨率只有大约300×200,所以如何让这副“小”图象放大到全屏,就是技术的关键了。如果TFT显示器不能正确有效的完成这项工作,那么画面可能会有很多错误。从技术的角度看,CRT在这种情况正确的显示图象就比较容易了。
  为什么这么说呢?CRT显示器遇到这种情况时,通过改变偏转电压就可以适应新的分辨率。另外,它不必担心电子束打在两个象素之间这样的问题。因为原理不一样,所以TFT同CRT差别是很大的:它需要主动控制每一个独立的象素、而且需要对的分辨率的图象通过计算进行电磁缩放。当缩放倍数是整数倍时(比如从800 x 600放到1600 x 1200时,倍数真好是2倍),处理起来很简单,在图象高、宽方向的每一个象素都变成双倍的,缩放之后的图形同原来一样。不过当从800 x 600缩放到1024 x 768时,情况就复杂了,缩放倍数是1.28——不是整数。所以在这种情况下,就会出现显示器象素和图形象素不能一一对应的情况,在图形中颜色的临界点,就需要决定把图形象素用1个还是2个象素表示的问题。计算的结果肯定会同原图不同,这就是TFT显示文本在有的情况下看着不那么锐利的原因。一般TFT遇到这种情况会做一些技术处理,就是把无法一一对应的象素的亮度弱化。下图能够帮助你这个问题有个更加直观的认识:

图5:以字母“M”为例,演示引起缩放错误的原因
9、评估TFT的几个首要要素
  可视尺寸:

  CRT显示器的可视面积往往小于实际可视尺寸。而TFT因为没有CRT显示器所谓的边缘地区,所以它的面积大小就是实际的可视尺寸。可以理解,一台15.1英寸的TFT显示器的实际可视面积等同于一台17英寸的CRT显示器。
  可视角度:

  如果你刚刚放弃CRT开始使用TFT显示器,可能会觉得不太习惯,因为TFT的可视角度比CRT可视角度局限了很多。由于TFT显示器的成像原理所致,它的光线方向性很强——如果你从一边看TFT显示器,很可能看到屏幕一片漆黑或者色彩失真,这个特性用于银行提款机等需要保密的场合很有用,可是用于大多说场合就不适合了。为了解决这个问题,曾经让厂商大伤脑筋。IPS 、MVA、TN+film等技术都是用来解决这个问题的。这些技术的应用已经基本把可视角度提高到了160度以上了——基本达到了CRT显示器的水平。最大可视角度,就是指当在某一个角度,显示某一个点的对比度降低10:1时,这个角度就是显示器的最大可视角度。
  对比度:

  对比度指的就是最大亮度和最小亮度之间的比值,这个数值越大越好。对于具有500:1对比度和图象质量达到相片级的CRT显示器这个指标已经不是问题了,特别是显示一副全是黑色的图片,CRT可以好的反应出来原来图片的具体细节,但是对于TFT就不是这么简单了。TFT显示器的背光光源的亮度很难控制,所以在进行具体操作的时候,背光光源是一直打开的。为了得到黑色的图象,液晶必须完全阻挡住背光光源发出的光。然而实际上,完全做到这一点非常不容易——总有部分光能渗透过来。目前这个课题也是厂商急需要解决的问题。人眼对于对比度可接受范围至少要大于250:1。
  亮度 :

  在这个指标中,TFT超过了目前CRT显示器。最大亮度决定于背光的亮度。目前TFT最大亮度是200到250坎得拉/平方米(cd/m2 )。CRT显示器最大亮度是100——120 cd/m2,这个值取决于阴极射线管电子枪加速电压得大小。虽然加速越大亮度会越亮,但是相应的显示屏的磷的寿命也会缩短——也就是说CRT显示器老化的就越快。
  象素错误 :

  引起这种现象的原因主要是构成显示屏的晶体管的硬故障,对于这种情况,光线或者不能穿过使得某点屏幕总是黑色,或者总是白色。由于制造技术的局限,目前厂商无法保证所有象素的晶体管都是好的,而且这种故障无法维修,所以一般厂商都规定了在一定数目的坏象素范围内,显示屏可以认为是好的。不过对于究竟超过几个坏象素就能确定显示屏好坏的标准并没有确定——每个厂家都有自己的标准,一般在3到5个,甚至有的是7个。对于消费者来说,购买此类商品时,要格外注意这个问题。值得庆幸的是,这几个在生产中就具有的坏象素并不会进一步发展到更多的坏象素,假如你不总是用手指或者别的物品按压显示屏的话。
  反应时间:

  许多TFT显示器都有一个值得注意的问题:残象。引起这种现象的原因就是因为液晶具有反应时间,目前TFT显示器的反应时间是20到30毫秒。例如标准电影大约每秒播放25帧图象,也就是说每帧图象有40毫秒的时间,TFT的20到30毫秒看山去并不算快,所以液晶显示器在执行高于反应时间的任务时一般会有些残像,不过对于视频播放而言已经足够了。
  色彩质量:

  对于数字平板显示器而言,一般都配备一个VGA转换器,用于把模拟图象信号转换成为数字表格,这个过程中会损失部分图象的细节。所以显示器厂商使用的A/D转换器对于这个指标的影响非常大。
10、TFT显示器的优缺点
  对于CRT显示器的特性一般都比较熟悉了,我在这里主要强调一下TFT和CRT之间的主要不同:
  TFT通过晶体管对于象素的主动控制能通提供优良的聚焦特性,另外没有CRT具有的几何失真等缺点。而且TFT没有闪烁,因为它不是利用电子束从左到右逐行扫描显示屏的而是直接从一种状态转换到另一种状态,所以没有CRT显示器的行消隐时间,所以当然不存在闪烁的问题。具体的不同请看下表:
平板显示器(TFT)显像管显示器(CRT)
亮度(Brightness)(+) 170——250 cd/m2(~) 80——120 cd/m2
对比度(Contrast ratio)(~) 200:1——400:1(+) 350:1——700:1
可视角度:对比度(Viewing angle :contrast)(~) 最大110——170 度(+) 高于150 度
可视角度:色彩(Viewing angle:color)(-) 最大50——125 度(~) 高于120 度
聚敛错误(Convergence errors)(+) 无(~) 0.0079——0.0118 英寸(0.20——0.30 mm)
聚焦(Focus)(+) 很好(~) 满意——很好
几何/线性失真(Geometry/linearity errors)(+) 无(~) 可能发生
象素错误(Pixel errors)(-) 大于8(+) 无
输入信号(Input signal)(+) 模拟或者数字信号(~) 模拟信号
不同分辨率下切换时的缩放性能(-) 没有或者轻微影响质量(+) 很好
Gamma(~) 满意(+) 照片级
一致性(~) 一般边缘部分较亮(~) 一般中心部分较亮
色彩纯度/色彩质量(Color purity/quality)(~) 好(+) 很好
闪烁(+) 无(~) 85 Hz以上基本感觉不到
反应时间(Response time)(-) 20——30 毫秒(+) 可以忽略
耗电量(+) 25——40 瓦特(-) 60——150 瓦特
空间需求/重量(+) 一般平板设计,占用空间少,重量轻(-) 需要较大的空间,重量较重
注释: (+) 代表令人满意的程度(~) 可以接受的程度 (-) 不满意的程度
11、目前购置TFT显示器的应达到的基本要求
  购买TFT显示器首先确定品牌和生产厂家,然后至少复合一下要求,才能基本满足你的各方面的应用要求:
·亮度200 cd/m2
·对比度300 : 1
·坏象素5
·可视角度140度
12、小结
  平板显示器以其良好的聚焦和色彩数目特别适用于标准办公应用程序比如Word和电子表格。另外TFT还有其它的优点,比如占用空间少、耗电量只有CRT的1/3、低辐射等等。不过仍然不适于对于图象细节要求很高的图形设计师使用。而且目前的TFT显示器因为反应时间的缘故,对于想在TFT显示器上玩游戏的用户还不合适,不过对于视频播放等已经完全可以胜任了。
  可以预见随着平板显示器价格不断下降、适用面越来越广,走进家庭是理所应当的。







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