浅谈液晶显示器的广视角技术（转）

lybain

　　很多使用过液晶显示器的朋友都知道，在液晶显示器的参数指标中有一项可视角度的参数，通常是例如 左右 45+45 上下35+15这样的话，它意味着当你和显示器之间的夹角大于这个标称角度时。你将无法看清显示的内容。在实际使用中，这样的角度只适合于一个人观看，当有其他的人和你一起观看的时候，他们会很难看清液晶显示器上的内容，这也是液晶显示器相对于CRT显示器的一个很明显而且很难被人接受的缺陷。 　　 　　这样的缺陷同样也是生产厂商无法接受的，所以解决这一缺陷的技术应运而生。 　　1 TN+Film(TN+视角扩大膜)技术 　　从结构上来讲，液晶显示器使用了“液晶”作为显示材料。液晶是一种介于固态和液态之间的物质，在一定的温度下会呈现出透明的液体状态，而冷却以后又会变成带结晶颗粒的混浊固体状态。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：类似粘土状的Smectic液晶、类似细火柴棒的Nematic液晶、类似胆固醇状的Cholestic液晶，。这三种液晶的物理特性都不尽相同，通常用于液晶显示器的是第二类的Nematic液晶，采用此类液晶制造的液晶显示器也就称为LCD（Liquid Crystal Display）。 　　 　　普通液晶屏上层的液晶分子的排列是横向的，下层的液晶分子排列是纵向的，而位于上下层之间的液晶分子接近上层的就呈横向排列，接近下层的则呈纵向排列。整体看起来，液晶分子的排列方式就像是一个螺旋形的旋转排列，但是基于TN+视角扩大膜技术的液晶显示器的液晶分子是垂直于显示屏排列的，这样在上层的表面加一层特殊的薄膜即可增加可视的角度。 　　从技术上来讲，该技术是基于较成熟的标准TFT-Twisted Nematic (扭转向列式)液晶技术发展起来的。只要在基板的上表面加上一层特殊的薄膜(转向膜)就可以将水平视角从90度增加到140度。该技术的优点不言而喻，那就是相对的廉价和发展较为成熟的技术，成品率高。但是该技术的缺点也同样明显，就是对对比度较低和响应速度较慢的固有缺点仍没有质的改变。 　　2 IPS (板内切换 or Super-TFT)技术 　　IPS或“板内切换”技术最先是由Hitachi（日立）开发的，现在NEC及Nokia（诺基亚）也采用这项技术生产TFT。 　　原理： 　　IPS与TN+Film(扭转向列液晶+视角扩大膜组合)技术的最大不同点在于液晶分子的方向是平行于基板而不是垂直于基板。这一点是通过施加电压来实现的。 　　 　　使用IPS或Super TFT技术可以使视角扩大到170度，基本上可以达到CRT监视器一样的视角。但是这项技术也有缺点，因为液晶分子的排列方向，使得电极必须做成梳子状，安放在下层玻璃基板上，而不能像TN模式一样（成型的TN液晶显示屏通常包括玻璃基板、ITO膜、配向膜、偏光板等制成的夹板，共有两层，称为上下夹层，每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽，上下夹层中的是液晶分子），安置在两层玻璃基板上。这样做会降低对比度，因此必须加大背光源来达到要求的的亮度。同TN+Film(TN+视角扩大膜)技术相同 　　IPS模式下的对比度及响应时间与传统的TFT-TN 相比也并无多大改善。 3 MVA(Multi-Domain Vertical Alignment,多区域垂直排列)技术 　　MVA技术是由富士通公司开发的。从技术的上来看，MVA目前来看应该是液晶显示器广视角及短响应时间最好的解决方案。MVA技术使可视角度可达到160度，响应时间可达到20ms。 　　在MVA技术中，M代表 “multi-domain”，是指单个色彩单元里面用凸出的物体来形成多区域。 VA代表“Vertical Alignment“(垂直排列)，由于凸出物的关系，液晶分子在静态时并不完全是的垂直排列的。 　　 　　当施加电压产生电场之后，液晶分子变成水平排列，这样背光源发出的光就能通过各个层。MVA技术能够提供比TN+视角扩大膜技术及IPS技术更短的响应时间，这对视频和游戏的表现来说很重要。对比度方面也有提高，但是会随视角的变化而变化。 　　总结 　　TN+Film(TN+视角扩大膜)技术 ：成本低廉，成品率高，可视角度140度，对比度和响应时间无太大提高。 IPS (板内切换 or Super-TFT)技术 ：可视角度170度，对比度和响应时间无太大提高。 　　MVA(Multi-Domain Vertical Alignment,多区域垂直排列)技术 ：可视角度160度，对比度和响应时间有较大的提高，适合对视频和游戏的回放。

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IPS平面控制模式广视角技术原理分析 2006-9-14

跟MVA广视角技术一样，IPS(In Plane Switching)模式的广视角技术也是在液晶分子长轴取向上做文章，不同的是应用IPS广视角技术的液晶显示让观察者任何时候都只能看到液晶分子的短轴，因此在各个角度上观看的画面都不会有太大差别，这样就比较完美地改善了液晶显示器的视角。第一代IPS技术针对TN模式的弊病提出了全新的液晶排列方式，实现较好的可视角度。第二代IPS技术(S-IPS即Super-IPS)采用人字形电极，引入双畴模式，改善IPS模式在某些特定角度的灰阶逆转现象。第三代IPS技术(AS-IPS即Advanced Super-IPS)减小液晶分子间距离，提高开口率，获得更高亮度。

目前而言，IPS在各个方位都有着最好的可视角度，而不象其他模式那样只是在上下左右四个角度上视角特别突出。应用IPS技术的液晶显示器在左上和右下角45度会出现灰阶逆转现象，这可以通过光学补偿膜改善。




IPS广视角技术也属于NB常黑模式液晶。在未加电时其表现为暗态，所以应用IPS广视角技术的液晶显示器相对来说出现“亮点”的可能性也较低。跟MVA模式一样，IPS广视角的暗态透过率也非常低，所以它的黑色表现是非常好的，不会有什么漏光。

IPS一个最大特点就是它的电极都在同一面上，而不象其他液晶模式的电极是在上下两面。因为只有这样才能营造一个平面电场以驱使液晶分子横向运动。这种电极对显示效果有负面影响：当把电压加到电极上后，靠近电极的液晶分子会获得较大的动力，迅速扭转90度是没问题的。但是远离电极的上层液晶分子就无法获得一样的动力，运动较慢。只有增加驱动电压才可能让离电极较远的液晶分子也获得不小的动力。所以IPS的驱动电压会较高，一般需要15伏。由于电极在同一平面会使开口率降低，减少透光率，所以IPS应用在LCD TV上会需要更多的背光灯。

IPS广视角技术原理分析




如图，细条型的正负电极间隔排列在基板上，有些类似早期的VA模式液晶。把电压加到电极上，原来平行于电极的液晶分子会旋转到与电极垂直的方向，但液晶分子长轴仍然平行于基板，控制该电压的大小就把液晶分子旋转到需要的角度，配合偏振片就可以调制极化光线的透过率，以显示不同的色阶。IPS的工作原理有些类似于TN模式液晶，不同的是IPS模式的液晶分子排列不是扭曲向列而且其长轴方向始终平行于基板。




针对IPS模式在斜45°方向的灰阶逆转现象，除了可以采用光学薄膜来补偿，还可以依照MVA的特性来对IPS“优化”。如图，把IPS原来直条形的电极改成像MVA模式那样的曲折电极“人形电极”，这种改进后的IPS吸取了IPS和MVA的优点，可以称之为“双畴IPS”，也就是新一代的Super-IPS。

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摘 要：在TFT-LCD厂商不断的更新显示结构、提升制程技术及提高大型化量产能力的努力下，把产品应用引向更大尺寸之电视领域。进入LCD-TV应用后，如何提升影像品质，提供更高正向对比、更大视角、更快速反应、更高色彩度、更高亮度，以及解决动态影像的模糊问题，已成为未来广视角技术更应投注的开发课题。

多年来薄膜电晶体液晶显示器（TFT-LCD）一直是被寄予厚望的科技产品，延伸转变到今天已成为现实产品。厂商不断的更新显示结构、提升制程技术及提高大型化量产能力，而今产品应用终能落实扩展到完整的领域。
完整的TFT-LCD家族应该涵盖有手机、数码相机、数码摄影机（Digital Video Camera,DVC）、个人数码助理（Personal Digistal Assistant，PDA）、AV、车用浏览器面板（Car Navigator）、平板电脑（Tablet PC）、笔记型电脑、显示器、液晶电视（LCD TV）等应用。在此之前的液晶显示器采用的多是传统的扭转向列式（Twisted Nematic,TN）显示模式，此模式的产品确也撑起了这行业的几年兴衰，但当多家面板厂商前仆后继的投入生产后，供需的起伏确实让此产品有着强烈的景气循环依存性，不过这样的状况到了最近一两年已经改观。多样性的显示技术和面板大型化，让TFT LCD产业破网而出，似乎想就此向景气循环划清界限。其中所谓的多样性显示技术，受瞩目的两大新课题即为广视角（Wide Viewing Angle）和反射式（Reflective Type）技术。本文即针对一般不常提到的广视角补偿原理和广视角技术的产品应用情形加以说明。
广视角补偿原理及技术发展
TFT-LCD使用液态晶体做为光切换介质，事实上晶体就是有方向性的物质，因此在光线切换上也有角度依存性，这也是为什么液晶显示器有视角上的问题。此外，液晶在不同电压下的排列不同，看到的光学结果也随之变化。也就是说，液晶光学特性是同时随视角和电压所影响。
对比（Contrast Ratio,CR）的定义，一般不特别说明是指垂直方向对比，乃垂直方向所视最亮状态TB除以最暗状态TD的比值，分别是操作在两个电压下。以寻常白（Normally White,NW）操作模式而言，最小电压Vmin的是最亮状态，而最大电压Vmax的是最暗状态；寻常黑（Normally Black,NB）操作模式则相反。同样以此两电压操作液晶，斜向观察到的亮度会各和垂直方向有异，也代表斜向对比跟着改变，通常斜向角度越大观察到的CR越小。
基本的视角（Viewing Angle）定义，就是在CR仍有10的最大斜向角度。事实上一个液晶显示器的视角好坏，应该仍有依照色偏（Color Shift）、灰阶反转（Gray Level Inversion）、穿透率均匀性（Transmittance Uniformity）等因素之最差可接受程度所在斜向角来定义，只是目前的视角定义几乎仍以CR为判断依据。而CR值的好坏受暗态TD影响最大，因其位于分母，故欲补偿液晶盒（LC Cell）的视角应专挑暗态来补。
增加液晶显示器视角有补偿膜（Compensation Film）、多域画素配置、本质上液晶配置以及自我补偿等四种方式，以下将分别讨论。
补偿膜方式增大视角
利用补偿膜补偿视角的目的有二，一是补偿上下互为正交（Orthogonal）的偏光片组之斜向暗态漏光；二是补偿液晶本身在斜向角度观察下会有的暗态漏光。前者的补偿相当简单，可在两偏光片的某一片上加上a-plate，如图1所示；后者在理论上可用一个层层向上对称于液晶层光学折射率异方性（Refractive Anisotropy）分布但异型的光学晶体补偿，如图2所示。至于补偿视角所用的补偿膜是固定不动的晶体，不若液晶本身可施加电压改变晶体分布状态，因此针对第二种情况，便只能选择某一液晶层分布状态为基准来补。故以垂直本身配向（Vertically Aligned或称Homeotropically Aligned，一般用在Normally Black）和水平配向（Homogeneously Aligned，一般用在Noormally White）两种方式类的显示模式，若要使用补偿膜来补偿暗态斜向漏光以扩增视角，就需分别使用负型的c-plate和负型的o-late（见图1）。几乎所有的液晶显示模式想要达成广视角，都必须加上补偿膜，基中扭转向列式液晶配合补偿膜的Film TN则单独使用此种方式来增大视角。
多域画素配置方式
有了补偿膜方式，事实上只能针对某一液晶层倾倒分布状态（通常为最暗状态），故此状态之外的其他灰阶状态并无法靠补偿膜补，补偿膜顶多只能说是做到暗状态TD的补偿，在灰阶间的液晶分子倾倒排列，需另觅途径补偿，使用液晶本身的多域（Multi Domain）补偿，是个再好不过的方式。这种方式虽说不能完美的补掉各不同视角下看到的液晶位相差值（Phase Retardation）不同的问题，但可以达到不同灰阶会自动调整不同补偿之优点，特别对于视角变大时之灰阶反转特性有极大的改善，这是补偿膜所做不到的。因此一个真正好的广视角液晶显示技术除了要有补偿膜补偿视角，还要有多域画素配置方式。
一般的TN显示模式顶多做到补偿膜补偿视角方式，因此此种模式想要再增加多域设计，会在实际量产制程上遇到技术瓶颈，也就是需要让一个画素的各种领域（Domain）有不同的配向（Rubbing）方向，然而并非没有此方式的结构，只有限于文献报导或留于原型（Prototype）的层次。但在垂直配向（VA）上的应用则非常实用，且堪称TV的标准配备，这乃因为VA的配向可用画素本身结构设计达到的非操作时之多域预倾（Pretilt）及操作时的多预横向电场倾倒驱动，解决了需靠Rubbing来达成多域的实际量产难题。因此VA都可轻易导入多域的设计，即所谓的MVA（Multi-Domain VA），让大视角（Polar Angle）下之不同方位角（Azimuthal Angle）看到的光学在任何方向平均，没有强烈的方向依存性。由富士通（Fujitsu）提出的MVA即是此种增大视角方式的代表性显示模式，其他如Samsung提出的PVA（Patterned VA）、Sharp提出的CPA（Continuous Pine-Wheel）也都属于这种技术。
共平面切换显示模式
晶体是有方向性的物质，在光学上一定有角度依存性，这也是为什么液晶显示器有视角上的问题，不过众多的液晶显示模式中，一定存在一种液晶分子切换排列配置是有本质上较好的视角特性，这种模式就是让液晶分子只在同一平行于偏光片平面上切换的方式，称之为共平面切换（In-Plane Switching,IPS）模式。从晶体光学的角度来看，它有着本质上的广视角，并不需要补偿膜做光学补偿就可在各个大视角达到很缓和的光学差异变化。事实上，IPS于方位角上的光学差异变化并非同样如此缓和，只不过就人体工学而言，人们去看一个显示器时，在大视角上变换的机会远多于在方位角上的变换。况且IPS仍可藉由楔型电极的安排以一次Rubbing配向达成Azimuthal上的多域设计，一般设计成2 Domain的方式，即为Matsu违规内容，请立即收回，否则不管身份都会受到处理a提出的Super-IPS（S-IPS）结构。当然，IPS的广视角使得我们不需补偿液晶本身在斜向角度观察下的暗态漏光，也就是说IPS完全不用补偿膜在广视角表现上就已相当好，但毕竟上下互为正交的偏光片组斜向暗态漏光仍然存在，为求更完美的视角特性表现，Hitachi进一步把此补偿加在其Advanced Super-IPS（AS-IPS）上。
自我补偿方式

上述的三种方式几乎都是整个广视角技术上的运用主流，事实上，广视角还存在一种光学补偿方式，即为自我补偿（Self-Compensated）方式，见图3。光学补偿弯曲（Optically Compensated Bend,OCB）模式则是此代表性广视角技术，它也是一个反应速度极快（～5ms）的液晶模式。这种方式和Multi-Domain很类似，特别对于视角变大时之灰阶反转特性有极大的改善。但相对应还需很复杂的光学补偿，特别在正向对比及视角色偏上补偿不易。

lybain

广视角技术分类
广视角技术可分为四大类，即（1）Film TN；（2）MVA系列：Conventional MVA、Premium-MVA（P-MVA）、PVA、CPA、SVA…都属此类；（3）IPS系列：Conventional IPS、Super-IPS（S-IPS）、Ad vanced Super IPS（AS-IPS）、Fringe-Field Switching（FFS）Ultra-FFS…都属此类；（4）OCB。
几个常见的MVA和IPS的各种广视角显示模式的画素结构如图4所示，其中图4（a）为Conventional MVA，图4（b）为Premium MVA，其画素基本上由Conventional MVA衍生而来，但在下基板的透明电极ITO Slit上多表现出锯齿状结构Fine Slit结构，可提升各种光学特性。图4（c）为Super IPS，已是Conventional IPS的改版，楔型结构使液晶有Azimuthal方向上的2Domain效果。图4（d）为AS-IPS，其使用了高开口率设计及制程，增加了整体光穿透率，并采用了补偿膜方式以求光学特性更精进。
以上详述了各类广视角补偿原理及其目的，事实上，现在存在的几种产品化技术中，只有运用到前三项，而MVA和IPS两项则是开发大尺寸电视应用之液晶显示器的唯二选择。OCB因光学补偿不易，制程稳定性不够，加上其特有的快速反应时间也渐渐被IPS和MVA以外部驱动讯号技巧拉近差距，故前途未卜。现存可产品化的各种广视角技术发展详见表1
广视角液晶显示器的光学要求要点
除了以对比仍有10的最大斜向角度值为基本的视角定义外，要让液晶显示器的视角特性好，还要考虑色偏、灰阶反转、穿透率均匀性等因素。利用补偿膜、多域画素配置、本质上液晶配置、自我补偿四种技巧来达成这些光学特性上的广视角要求。
1.穿透率均匀性的广视角要求
不同液晶显示模式之穿透率均匀性和视角的关系，表现的优劣程度依序为IPS（2-Domain）＞IPS（Single Domain)＞VA（2-Domain）＞TN＞VA（Single Domain），这是因为IPS从晶体光学的角度来看，本质上在各个大视角上有很缓和的光学差异变化。事实上，IPS于方位角上的光学差异变化并非同样如此缓和，但无论如何Single Domain已够好，若还要更好，Azimuthal上的2-Domain设计可更加强其穿透率均匀性。图5则是TN、MVA、IPS显示模式在穿透率均匀角度依存性上的示意图。
2.对比、色偏、灰阶反转的广视角要求
表2即针对对比、色偏等各种广视角液晶显示器的光学要求比较了TN、MVA、IPS系列之广视角技术水准。其中的对比和灰阶反转两项和液晶晶体的视角有强相关性，可由上述多个示意图清楚推敲，至于色偏的种类及原因在本文不多讨论，但最新、最需继续精进的广视角改善课题，却是色偏。因为篇幅所限，不在此论述。
广视角技术在大型液晶电视的最新产品应用
广视角技术将产品应用扩展到完整的领域，等待的是大尺寸电视应用的产品到位，这场烟硝味极重的LCD TV之争，也只不过是最近一年左右的事，虽然目前家用电视市场仍以CRT为主，电浆显示器PDP的出现让消费者尝试到面积大、体积小的平面显示（Flat Panel Display,FPD）电视，但其有电力消耗过大，解析度不高、平均对比不足，明室对比不佳、平均亮度等加强的问题，液晶电视在50寸以下的胜出指日可待。
开发广视角技术的轨迹可描述如下：初始滥于日本，南韩后来居上，而台湾紧跟在后。日本几乎以原始显示及制程技术开发为大宗、台湾则以不断提升大尺寸基板产能为优势，但可怕的是南韩兼具两者的发展。以MVA来说，最早在1998年由富士通（Fujitsu）提出，一直发展至今，仍稳居MVA的技术龙头，而台湾厂商，如友达、奇美持续投资建立更大基板生产线，提供其相对应产能，使日本与台湾合作的模式不断出现，台湾也因此于技术上获益不少，韩国三星则紧追日本，比台湾更积极投入显示技术研发，提出类似MVA的PVA模式。又以IPS为例，最早在1995年由Hitachi提出，后于1997年由Matsushiat改善提出2-Domain的S-IPS，解决了方位角的Blue/Yellow Shift问题，尔后似乎停摆了一阵子，但南韩LG电子则在此时悄悄继续改进，造就今天的LG.Philips Display（LGP）在IPS上的重要地位。台湾的友达、奇美、瀚宇彩晶、广辉等公司则在这一两年内持续投入五代厂或更大的六、七代厂投资，且各有日本的Fujitsu Display Technologies（FDTC）、Hitachi Display和Sharp的技术支援，这场激烈的竞赛看来还要持续一阵子。
现行真正量产的大型广视角技术，可分为：
（1）MVA系列：
a.Conventional MVA：奇美电子（CMO）；
b.P-MVA：友达光电（AUO）、FDTC；
c.PVA：Samsung；
d.CPA：Sharp。
（2）IPS系列：
a.Conventional IPS：无；
b.S-IPS：LG.Philips；
c.AS-IPS：Hitachi Display。
表3所列为2002年以来所有大型LCD-TV的产品规格及使用之广视角技术。
总结
在TFT LCD厂商不断的更新显示结构、提升制程技术及提高大型化量产能力的努力下，把产品应用拉往更大尺寸之电视领域，所有家电厂商无不积极推出液晶电视，以投入这场由上游液晶显示面板厂商延续下来的战场。在各类广视角技术中，明显只剩MVA和IPS两项是往大尺寸电视应用发展的选择。应用方向的转变，使得昔日的广视角技术专注点由各式各样琳郎满目的结构转变为致力影像改善，如何提供更高正向对比、更大视角（包括对比、色偏、灰阶反转、穿透率均匀性等特性）、更快速反应（Rising Time、Falling time和灰阶间反应）、更高色浓度、更高亮度，以及解决态影像的模糊（Blurring）问题反而成为现今广视角技术更应投注的开发课题。

lybain

{huffy:]这么好的技术贴居然没有人看

fanjianhua

顶顶顶!!!!!!!!!!!!!!!!!!多谢楼主.

orpheus123

受教了，谢谢楼主

504vskid

虽然看过了
还是顶个

lybain

谢谢LS的几位兄弟{lol:]