显示器显示技术
市面上主要的显示技术目前有 LCD 和 LED
LCD
液晶显示屏幕(Liquid Crystal Display),自身不发光,靠背光层发白光,液晶层控制偏振角度从而控制亮度(控制进光量),再加上红、绿、蓝三色滤光片,混合出各种彩色。
原理:光是一种波,在水平和垂直方向上都是有分量的,让一束光穿过一个垂直偏振片,透过光只在垂直方向有分量。如果在前方再加一个旋转了 90° 的偏振片,则光无法通过。若想让光通过第二偏振片,可以在两层偏振片中加液晶层,对液晶层通电,可让液晶分子产生偏转,也让光偏转一定角度,进而控制通过第二偏振片的光的量,即亮度。此时只能显示黑白画面,再加个彩色滤光片,把白光变成红、绿、蓝三种颜色的光,并分别控制每个子像素的亮度,就能混合出各种各样的颜色了。这就是一个像素点,无数个像素点排列起来,就构成了我们看到的画面,像素点的数量就是屏幕的分辨率。
如果要让所有像素点同步刷新,电路会异常复杂,因此显示器都使用逐行扫描刷新像素点。把像素点逐行拆分,再使用纵向电路控制像素亮度,使用 TFT 薄膜晶体管连通电路与液晶层,再对纵向电路充电,像素电极充电到一定的电压,就会使液晶分子受到电场影响偏转一定的角度,这样就完成了一个像素点的刷新;接着从左至右依次给纵向电路通电,就完成了一行像素点的刷新;完成一行再进行下一行,直至整个画面刷新完毕(即一帧画面)。
分辨率和刷新率越高,留给液晶分子的偏转时间就越短,如果在这个时间内不能充入足够的电量,液晶分子就偏转不完全,会出现色差。为了缩短液晶分子偏转时间,我们会充入一个高于预定偏转角度的电压,接近预定偏转角度时,再降低电压,这样就能以更少的时间偏转到预定角度,这就是 OD(Overdrive)技术。但 OD 技术可能刹不住车,超过预定偏转角度,导致画面出现鬼影拖尾,这就是“过冲”。
LCD 的缺点:所有像素共享一块背光(一条 LED 灯带配合匀光板实现),即使显示黑色,也仅是使液晶分子不偏转背光,背光并不关闭,但实际上液晶分子即便处于关合状态,也对光线产生轻微偏转,导致光线泄露,最终显示的是亮度大幅减少的灰色,并不是纯黑;这样会导致在显示画面时该暗的时候不够暗,对比度低。
漏光:屏幕固定或封装出现瑕疵,导致背光从显示器边框而不是像素点漏出去。(与 LCD 缺点应做区分)
VA IPS TN
都属于 LCD,区别只是液晶层的液晶分子排列和偏转的方向不同
VA | IPS | TN | |
---|---|---|---|
默认状态 | 垂直 | 水平 | 水平螺旋偏转 |
施加电压 | 垂直螺旋偏转 | 水平平行偏转 | 垂直偏转 |
对比度 | 高 | 一般 | 很低 |
可视角度 | 一般 | 广 | 较差 |
响应速度 | 较慢 | 适中 | 最快 |
适合用户 | 电影、3A 单机 | 大多数用户 | FPS 竞技游戏 |
QLED(量子点发光二极管)(Quantum Dot Light Emitting Diodes)
在 LCD 的基础上对背光进行改进,由于用蓝光照射不同粒径的量子点材料,会发出颜色不同的光,那么就在基板上涂上红色和绿色所代表的粒径的量子点材料,用蓝色背光照射,发出纯度非常高的红光和绿光,再加上背光蓝光,得到能实现更广泛色域覆盖的白光,使得亮度更高,色域覆盖更广。QLED 还是属于 LCD 范畴,和 OLED 有本质区别,同时与 VA、IPS、TN 不是一个层级的概念。
Mini-LED(次毫米发光二极管)
原理:Mini-LED 也是 LCD 范畴,区别是将 LCD 一整块的白色背光替换成了数个可单独控制亮度的分区背光。
优点:在显示局部暗色和黑色时,可以单独控制那块区域的背光变暗或关闭,这样实现了更高对比度,黑色更黑更纯,更容易实现高阶 HDR 效果。
缺点:
mini LED 在显示小范围的高亮度时,有大量像素点会共享一块背光,会将那一整块区域的背光都调亮,在显示小范围高亮物体(如鼠标)时,周围会产生光晕现象。
另外普通 LCD 屏幕只要控制液晶层就可以调整屏幕亮度和颜色,而 Mini-LED 要同时控制背光和液晶层,两者如果没有匹配好就会产生背光延迟。背光层不断开关,能耗和发热也会更高。
LED
原理:发光二极管(Light-emitting diode),简单可理解为可发单种光的灯珠,给电极通电,电越多,亮度越高。通过控制灯珠的亮度和开关,就可以组合出图案和文字了。但单颗 LED 灯珠只能显示一种颜色,想要显示彩色就要给一个像素点增加红、绿、蓝三种颜色的灯珠。由于灯珠体积较大,单位面积所能放下的灯珠数量有限,分辨率不足,导致清晰度差。
于是厂商开始研究微型 LED,如 OLED。
OLED 有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode)
给某些有机荧光材料通电后,它们自己会发出红、绿、蓝各种颜色的光线。
原理:我们先印刷好薄膜电路,通过化学蒸镀的方式将红、绿、蓝对应的有机荧光材料附着在薄膜电路上,最后只要给薄膜电路通电就能控制每个红、绿、蓝子像素发光。
优点:
由于 OLED 能单独控制每个子像素的亮度和开关,所以相当于像素级别的分区背光,对比度极高,且不存在光晕现象。
且有机荧光材料通电能发出很浓的三色光,因此色域极高。
没有液晶层,厚度薄,响应极快。
薄膜材料和荧光材料很容易弯曲,容易实现曲面屏、折叠屏。
没有常亮背光,功耗比 LCD 更低。(方便实现熄屏显示)
缺点:
发光材料为有机物,寿命短,易老化;三色材料寿命不同,某像素点长期显示某种颜色,对应颜色亮度会衰减,导致屏幕出现色彩残留和色差,即烧屏。考虑到使用寿命,OLED 亮度不超 1000nit,全屏显示白色时,亮度也会骤降。
PWM 调光问题。LCD 因为背光常亮,只需要 DC 方式调光,即改变电压大小,调整亮度,无频闪伤眼(LCD 产生的蓝光较优化后的 OLED 有机材料多 42%,因此 LCD 会造成蓝光伤眼)。而 OLED 如果使用 DC 调光,电压过低就会出现抹布一样不均匀的效果。因此 OLED 使用 PWM 调光,PWM 通过调整占空比控制亮度,即不断开关,开关频率高了后,肉眼看起来好像是一直亮的,亮度控制只要调整开关时间的比值即可。如果 PWM 频率很低,就会被眼睛捕捉到,造成伤害。
等效分辨率下降问题。考虑到像素点种植成本和材料老化问题,三色子像素点并非像 LCD 一样整齐和面积均等的,这就造成同样像素点数量的 OLED 屏幕实际分辨率不如 LCD 屏幕,显示横平竖直的字体或图片时,边缘模糊,锯齿感明显。
W-OLED 白光有机发光二极体(White Organic Light-Emitting Diode)
原理:用白光荧光材料代替三色荧光材料,再加上红、绿、蓝滤光片,这样避免了三色子像素点老化速度不一的问题。但 RGB 滤光片会过滤掉一部分光线,导致显示纯白色时亮度不足,因此增加了白色子像素来提高 HDR 峰值亮度。
优点:缓解有机材料像素点老化不均匀问题。
缺点:在高亮画面下白色子像素会对红、绿、蓝子像素产生光线串扰,会冲淡屏幕色彩,明亮、鲜艳的场景表现不如 OLED。
QD-OLED
原理:三星参考 QLED,在薄膜电路上蒸镀只能发射蓝色光的荧光材料,在其上面覆盖一层量子点薄膜,通过蓝光激发量子点材料以此来发射红、绿光。
优点:由于没有白色像素点导致的串扰,高亮度下色域不会减少,亮度不会降低,色彩表现上比 W-OLED 好不少。
缺点:由于没有 LCD 偏振片,外界环境光照射到屏幕上,也会激发量子点材料,对屏幕本身的光线进行污染。
因为所有 OLED 使用的都是有机荧光材料,无论如何改良结构和优化材料,都无法避免老化寿命短的问题。要想根治,只能使用无机材料。
Micro-LED 微型发光二极管
原理:将无机材料的 LED 发光二极管做的极小,再将其统一迁移到屏幕基板上。
优点:由于没有液晶和背光,而且可以单独控制像素点亮度和开关,继承了 OLED 的全部优点且解决了所有缺点。
缺点:现有技术已可以把 LED 灯珠做得足够小,但如何把这么多灯珠全部整齐摆放和焊接在控制电路上,是新的难题。这就是巨量转移技术(薄膜技术),现阶段无法低成本完成巨量转移(三星 Micro-LED 电视,89 寸 75 万人民币,110 寸 105 万人民币。
参考资料
硬件茶谈 - 一个视频带你了解 LCD OLED QLED mini-LED 等显示技术的区别