LCD类型和原理

LCD 类型和原理

所谓液晶其实就是一种介乎于液体和晶体之间的物质。他的奇妙之处是可以通过电流来改

变他的分子结构。正因为如此，我们可以为液晶加上不同的工作电压，让他控制光线的通

过量。从而显示变化万千的图像。液晶本身并不会发光，因此所有的液晶显示器都需要背

光照明。背光灯管在液晶显示器打开的同时就一直被点亮的。为了控制透光率，人们把液

晶单元放在了两片偏振玻璃片之间。这样，当液晶单元没有被加上电压的时候，处于初始

状态，这样背光在通过时就会被被液晶单元的特殊分子结构所极化，光线被扭曲，从而通

过前面的偏振玻璃被人们所感知，即产生“白色”效果。

同理，当液晶单元被加上电压之后，他的分子结构会被改变，这样光线的角度并不会被扭

曲。于是光被显示器前面的偏振玻璃所阻隔，无法被人们所感知，即产生“黑色”效果。

手机的彩色屏幕因为LCD 因品质和研发技术不同而有所差异，其种类大致有STN、UFB 、

TFD 、TFT、和OLED 几种。一般来说能显示的颜色越多越能显示复杂的图象，画面的

层次也更丰富。目前市面上能见到的手机能够显示的色彩数目已经达到了26 万色。

STN 是Super Twisted Nematic 的缩写，是我们接触得最多的LCD 了，因为我们过去使用

的灰阶手机的屏幕都是STN 的（即FSTN）。和TFT 相比STN 型液晶属于被动矩阵式LCD

器件，它的好处是功耗小，具有省电的最大优势。

彩色STN 的显示原理是在传统单色STN 液晶显示器上加一彩色滤光片，并将单色显示矩

阵中的每一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，就可显示

出彩色画面。和TFT 不同STN 属于被动矩阵式LCD，一般最高能显示65536 种色彩，色

泽不是特别好，亮度不高，所以一般在阳光强的地方，图像看起来比较费劲。由于价格低

廉，是众多中底端彩屏手机的选择，少量高端机型也采用STN。

撇开灰阶STN 不提，现在STN 主要有CSTN 和DSTN 之分。

CSTN 即Color STN，一般采用传送式（transmissive）照明方式，传送式屏幕要使用外加

光源照明，称为背光（backlight），照明光源要安装在LCD 的背后。传送式LCD 在正常

光线及暗光线下，显示效果都很好，但在户外，尤其在日光下，很难辩清显示内容而背光

需要电源产生照明光线，要消耗电功率。

DSTN（double-layer super-twisted nematic）即双层STN，过去主要应用在一些笔记本电脑

上。也是一种无源显示技术，使用两个显示层，这种显示技术解决了传统STN 显示器中

的漂移问题，而且由于DSTN 还采用了双扫描技术，因而显示效果较STN 有大幅度的提

高。由于DSTN

分上下两屏同时扫描，所以在使用中有可能在显示屏中央出现一条亮线。

UFB 是Ultra Fine & Bright 的缩写。2002 年3 月，作为占有LCD 世界第一市场份额的三

星电子发布了一款手机用的UFB LCD，其特点为超薄和高亮度。在设计上UFB-LCD 还

采用了特别的光栅设计，可减小像素间距，以获得更佳的图像质量。通常UFB LCD 可显

示65536 种色彩，能够达到128x160 像素的分辨率，同时，UFB LCD 的对比度还是STN

液晶显示屏的两倍，在65536 色时亮度与TFT 显示屏不相上下，而耗电量比TFT 显示屏

少，并且售价与STN 显示屏差不多，可说是结合这两种现有产品的优点于一身。

现在采用UFB LCD 的手机主要是三星手机，总体而言UFB 相对TFT 来说，在功耗和成

本上确实有了一定的改善，但显示效果也很无奈地打了折扣。

TFD 是Thin Film Diode 薄膜二极管的缩写。由于TFT 耗电而且成本高昂，这无疑增加了

可用性和手机成本，因此TFD 技术被手机屏幕巨头精工爱普生开发出来专门用在手机屏

幕上。它是TFT 和STN 的折衷，有着比STN 更好的亮度和色彩饱和度，却又比TFT 更

省电。TFD 的着重特点在于在”高画质、超低功耗、小型化、动态影象的显示能力以及

快速的反应时间”。TFD 的显示原理在于它为LCD 上每一个像素都配备了一颗单独的二

极管来作为控制源，由于这样的单独控制设计，使每个像素之间不会互相影响，因此在

TFD 的画面上能够显现无残影的动态画面和鲜艳的色彩。和TFT 一样TFD 也是有源矩阵

驱动。

最初开发出来的TFD 只能显示4096 色，但如果采用图像处理技术可以显示相当于26 万

色的图像。不过相对TFT 在色彩显示上还是有所不及。但是从实际显示效果来看，TFD

的屏幕色彩饱和度和反应时间做的还不错，因此部分高端机型采用了TFD。

TFT （ Thin Film Transistor 薄膜晶体管），是有源矩阵类型液晶显示器（AM-LCD）中的

一种，TFT 在液晶的背部设置特殊光管，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。

TFT 液晶为每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。由于每

个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并可以进行连续控制，

这样的设计可以大大的提高反应时间，一般TFT 的反映时间比较快约80ms，而STN 则为

200ms 如果要提高就会有闪烁现象发生。而且由于TFT 是主动式矩阵LCD 可让液晶的排

列方式具有记忆性，不会在电流消失后马上恢复原状。TFT 还改善了STN 会闪烁（水波

纹）-模糊的现象，有效的提高了播放动态画面的能力。和STN 相比TFT 有出

色的色彩饱

和度、还原能力和更高的对比度，色彩更逼真，细腻，层次感更强。但是缺点就是比较耗

电，而且成本也比较高。不少厂家在高端机型上采用了TFT。

下图为一款主动矩阵型LCD 的基本原理：

由白色背面光源（背光管状似一般家庭用日光灯管）的入射光照在左偏光板上，经偏光板

的光即被偏极化后穿透液晶，由于液晶可由外部电压来控制液晶分子的排列，因此可改变

偏极管的偏光角度。随着偏光角度的改变，它经过右偏光板的强度也因而改变，各个不同

强度的光径彩色滤光膜的红、蓝、绿次画元，就会显示出各种不同颜色及亮度的画素，再

由各画素组成一幅我们所看到的色彩缤纷的图案或影像。

在显示技术中OLED 是有机电致发光显示及其显示器件的意思，这种技术通过电流驱动

有机半导体薄膜来达到发光和显示的目的，其发光原理同LED（发光二极管）相似，因

此才有“OLED（Organic Light Emitting Display）” 有机发光显示器一词的叫法。OLED

显示技术与传统的LCD 显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃

基板，每一个像素点都是发光体，而且发光体的颜色可调，当有电流通过时，这些有机材

料就会发光，这样就可以制成象彩屏一样的显示器。目前已经应用在双屏手机的外显示屏

上。OLED 显示屏幕可以做得更轻更薄，可视角度更大，并且能够显著节省电能。尤其是

其具备柔性设计的神奇特征，使得令人神往的可折叠电视、电脑的制造成为可能。

目前在OLED 的二大技术体系中，低分子OLED 技术为日本掌握，而高分子的PLED（LG

手机的所谓OEL 就是这个体系的产品）的技术及专利则由英国的科技公司CDT 的掌握，

两者相比PLED 产品的彩色化上仍有困难。而低分子OLED 则较易彩色化。不过，虽然

将来技术更优秀的OLED 会取代TFT 等LCD，但有机发光显示技术还存在使用寿命短、

屏幕大型化难等缺陷，目前主要应用在双屏手机的外显示屏上。

除去上面这几大类LCD 外，我们还能在一些手机上看到其他的一些LCD，比如日本

SHARP 的GF 屏幕和CG（连续结晶硅）LCD。两种LCD 相比较属于完全不同的种类，

GF 为STN 的改良，能够提高LCD 的亮度，而CG 则是高精度优质LCD 可以达到QVGA

（240×320 像素规格的分辨率。

综合来说，无论从材质，耗电量来说，还是从成本，显示效果来看，都

呈现这样一种性能差异，既：OLED＞TFT＞TFD＞UFB＞DSTN＞CSTN＞STN。LCD 颜色数

光学知识上的颜色，归根结底是由红（RED），绿（GREEN），蓝（BLUE）三原色所构成

的，也就是我们常见的RGB Color。三原色相互混合形成三间色，如图：

三间色

的混合又形成了许许多多的复色。我们肉眼所看到的色彩，其实就是三原色和三间

色以及各种各样的复色所形成的复合色彩。而在电脑和手机等产品中使用的色彩，则是把

上述理论数字话，如图所示：

把R，G，B 三种原色按照饱和度的不同分成若干分，假如每种原色各分成256 份的话，

按照0~255 的顺序给每一个色阶编上号，用16 进制来表示就是00~FF，而256 种红色和

256 种绿色和256 种蓝色中的任意一种颜色混合，就能形成一种新的复色，如图所示：

左上角的湖蓝色就是R：0，G：124，B：184 这三种颜色所构成的，那么总共能形成多少

总颜色呢？答案是256*256*256=16777216 色，也就是常见的1677 万色。这一色彩已经达

到了人类肉眼所能分辨的极限，如果用16 进制来表示的话就是FFFFFF 种颜色，即每种

颜色8bit，共24bit。此类图形又可称为24 位图。

如果每个基本色（R、G、B）达到6 位，即64 种表现度，那么所形成的色彩总数就是

64*64*64=262144 色。此类图形又可称为18 位图。

如果把三种原色按照饱和度各分为16 级，再加上16 级的明暗来表示，那么所形成的色彩

总数就是16*16*16*16=65536 色，对于绝大多数人来说，16 级的色彩用肉眼已经难以分

辨，因此65536 色被称为“真彩色” 用十六进制来表示就是FFFF，总共占用16 个字节，

所以又称为16 位真彩色，又由于1024bit 为1k，所以又称为64k 色。

同样，4096 色就是16 级的三原色所能形成的色彩总数，与65536 色相比，它缺少了色彩

明度的变化。256 色亦是如此。

现在彩屏手机常见的颜色有262144 色、65536 色、4096 色和256 色，4096 色和256 色是

伪彩色，不能真实地表现大自然的色彩。目前1678 万色的彩屏也已经出现。

通过肉眼来进行以下不同颜色数情况的比较，取用一张滨崎步为Panasonic 拍的平面广告，

原始色数是1678 万色（2^24=16777216），再转换成几种手机目前用的色数。我们可以发

现：

转换成256 色我們可以很明显的看出其中的层次差别，到了4096 色后色阶差异

就没有那么明显了，但仍可用肉眼看出其中差异，放大后更明显。但到了6.5 万

色、26 万色后就很难辨别其中的差异，要放大后才发现一些区别。 插图风格图片，由于使用颜色较少，4096 色后差异就不太大了。所以目前很多

颜色数较少的手机一般喜欢提供很多的动画插图，看似美丽，其实就是利用了颜

色这个特点。

照相手机差别很大，最好要有6.5 万色，这样才能看清楚照片的层次。

1.1.1 屏幕分辨率

荧幕尺寸分为物理尺寸和显示分辨率两个概念。

物理尺寸是指荧幕的实际大小。这是用户的直观感受，同时感觉效果还和屏幕周边

设计有

关系，自然是越大越好。

我们若把影像放大数倍，会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成，单

位面积内点数越多影像就越清晰。屏幕分辨率就是将LCD 格数（单位是点[dot] ）除以屏

幕单位面积的指标，这个指标决定了画面的好坏。

大的荧幕必须要配备高分辨率，表现的色彩才能够细腻丰富，也就是在这个尺寸下可以显

示多少个点，显示的点越多，可以表现的余地自然越大。例如诺基亚6230 的屏幕分辨率

为128*128，即整个屏幕共有16384 个点，这么多点共同构造出6230 的屏幕。两台手机

的荧幕大小差不多大，为什么一个只能显示两行汉字，一个却可以显示五行汉字，抛开字

体大小差别，关键就是荧幕的分辨率，后者分辨率大一些，自然在同样字体大小下可以显

示更多行的汉字。彩屏手机低分辨率会产生较明显的颗粒感，拥有高分辨率图象才会边角

平滑，效果逼真，显示出图像的细腻。然而，这个指标却往往为消费者忽视，而不少厂商

也在这个问题上避而不谈。一款彩屏手机如果没有足够大分辨率的屏幕表现，再高的颜色

质量都没有用。

屏幕点阵为128*128（或（128+-x）*（128+-x），x 在1 到32 之间），宽度和高度的比例

为1：1（或4：3、3：4），是手机屏幕最通用、最适合的显示分辨率标准，相当于电脑屏

幕上的800*600 的显示分辨率。

目前日本产手机出现了一种所谓QVGA 液晶技术，这种说法是借用了图片分辨率的VGA

（Video Graphics Array）规范。以VGA 为标准，各式各样的画面尺寸如下表所示：

QVGA 液晶技术（“Quarter VGA”，指VGA 的4 分之一尺寸）就是在液晶屏幕上输出的

分辨率是240 ×320（也可以认为是320×240）的液晶输出方式。这个分辨率和屏幕本身的

大小没有关系。比如说，如果2.1 英寸液晶显示屏幕可以显示240×320 分辨率的图象，就

叫做“QVGA2.1 英寸液晶显示屏”。如果3.8 英寸液晶显示屏幕可以显示240×320 的图

象，就叫做“QVGA3.8 英寸液晶显示屏”，如果采用的是TFT 液晶屏幕，那么就叫做

“QVGA3.8 英寸TFT 液晶显示屏”。以上两种情况虽然具有相同的分辨率，但是由于尺

寸的不同实际的视觉效果也不同。屏幕小的一个画面自然也会小一些。

VGA 规范也应用于屏幕和摄像头表示，例如电脑LCD VGA 屏幕表示支持最大分辨率为

640×480。例如30 万像素的VGA 摄像头能够拍出最大尺寸为640×480 QVGA 尺寸的图

片（640×480＝307200 像素，就表明这摄像头的像素值为30 万的了）。