有更大的突破?LCD响应时间的极限

　　一种技术从运用到成熟竟然长达20年之久，这种现象在计算机领域里是罕见的。从1986年NEC制造了第一款有液晶屏幕的便携式计算机，到2005年末液晶显示器的市场占有率首次与CRT持平，液晶显示技术在PC中的应用经历了20年的缓慢成长过程。
　　液晶显示器的历史虽然不算太短，但因长期只用于便携设备的静态图文显示，响应速度慢的问题没有引起足够重视。近年来，液晶显示器在台式机中应用越来越普遍，视频播放、游戏的应用也呈爆发性增长，此时响应时间问题才因此倍受关注。
　　有人曾提出，电脑的速度已经足够快，不用再花力气去提高CPU频率了。这样的预言家现在仍不乏其人，几年前就有些人认为，响应时间已经到了终极，而事实并非如此。虽然液晶显示器响应时间从早期上百ms缩短到了4ms，但与CRT显示器相比依然逊色不少。就目前来说，3D加速显示卡每秒可以运算出的画面帧数都在200以上，要玩Quake3等游戏，更是需要300帧/s的刷新率才会非常流畅，4ms的响应时间显然是不够的。而在即将到来的高清电视时代，短响应时间仍然是液晶电视的卖点。

图1 响应时间由上升时间(Rise time)和下降时间(Fall time)两部分构成 　　响应时间，这个看似简单的问题为何迟迟不能一下子搞定，为什么会历时多年仍缓慢前进，是哪些因素阻碍了LCD响应速度的提升？这还得从头说起。
　　响应时间的三种表述 　　响应时间是描述显示器亮度变化滞后于电场变化(施加或撤除)一个参数，业界对这个参数有三种表述法： 　　(1)黑白响应时间，也称作全程响应时间，是上升时间tr(全黑到全白)与下降时间td(全白到全黑)之和； 　　(2)ISO响应时间，既国际标准化组织发布的ISO13406-2； 　　(3)灰阶响应时间(GTG，gray to gray)，由于画面变化是由灰阶到灰阶的转换，因此这时的LCD响应时间则应该被称为从灰阶到灰阶的响应时间，表示液晶单元从一个角度转到另一角度所需时间，而非全开/全闭这种极端状态。 　　用不同标准去衡量同一台显示器，会得出不同的结果。例如，对于图2所示的常黑型显示面板，按照“全黑到全白”的计算方法，上升时间应该是40ms，而按照ISO标准，计算亮度从10％上升到90％时的响应时间，上升时间就只有28.5-12=16.5ms。

图2 ISO定义的响应时间 　　响应时间与刷新率之间既有联系，又有区别。应该说，任何响应时间的显示器，都可以相同的刷新率工作，只是响应时间低于要求的数值时，会产生拖尾。因此，与刷新率所对应的响应时间数值，只是对响应时间的最低要求。譬如，当刷新率为60Hz时，对应的响应时间为1/60≈0.017s(17ms)。 　　应该指出的是：(1)刷新率所要求的响应时间数值，应是全程响应时间，而不是上升时间tr或下降时间td。(2)从数值上看，某些显示器给出响应时间可能已经符合刷新率的要求，但还是出现了拖尾现象，这是灰阶响应时间较长的缘故。正因为如此，即使是4ms的液晶显示器，也仍然存在响应时间的问题。 　　生性笨拙的显示介质
　　液晶作为弹性连续体，具有可沿展性、可扭曲性和可弯曲性。液晶显示主要利用了液晶分子能够扭曲的特性，以及扭曲液晶的旋光性，入射光的偏振面沿液晶的扭曲螺旋轴旋转，液晶旋转角度就决定了液晶盒的透光量，从而决定了该像素的亮度高低。
　　液晶材料可以分成高分子液晶与低分子液晶两种，想要提高液晶显示器的响应速度，就要选择分子量较小的液晶。这好比跳水运动员，小巧的身体能使动作更敏捷，能够更灵活地完成空中转体等高难度动作。
　　液晶是一种有机分子，由于其分子结构具有对称性，使得分子集合体在没有外界干扰的情况下形成分子相互平行排列，以使系统自由能最小。液晶按结构的不同可分为三类：向列相、胆甾相和近晶相，目前用于显示器件中的通常为向列相液晶和胆甾相液晶。向列相液晶的排列方式是分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性。胆甾相实际是向列相的特殊形式，分子重心无平移周期性，具有分子取向有序性。
　　无论向列相，还是胆甾相液晶，均存在响应速度慢的问题，其中转矩大小和粘性高低是影响LCD动态性能的两个内在因素。虽然在实际应用上，通常选择的都是低分子液晶，其分子长2～3纳米，直径约0.5纳米，但利用这种分子级别的材料制成的显示器，其响应速度只能达到ms级，而CRT、OLED等属于电子级别工作原理，响应速度一般都可达到μs级别，PDP为原子级，速度稍慢，也不存在响应时间问题。
　　首选TN型，只因扭曲角度小
　　向列相液晶沿分子的长轴方向运动自如，粘滞系数只是水的粘滞系数的数倍。未加电压时，液晶扭曲的角度由液晶盒两端相互平行的配向膜上的沟槽方向决定，TN(Twisted Nematic，扭曲向列)型液晶盒中两个配向模呈正交(两个面在空间垂直但不相交)分布，液晶分子相应地扭曲了90°。一旦有电压施加于液晶盒两端，线状液晶的扭曲度会依电场的强弱在0°～90°之间变化，这就是液晶的“扭转式场效应”。当电场强度达到一定数值时，液晶的扭曲度变为0°，此时扭曲的线被完全拉直，因为透明电极外面两片正交偏光板的作用，所以几乎不透光。

　　STN(Super Twisted Nematic，超扭曲向列)LCD与TN型LCD主要差别在于，TN型LCD的液晶分子排列由上到下旋转的角度总共为90°，而STN型LCD的液晶分子排列，其旋转的角度会大于180°～270°。在扭曲向列显示器件中，除了TN和STN这两种主要的类型，还有扭曲角在100°～120°之间的HTN(High Twist Nematic)，以及扭曲角为70°的LTN(Low Twist Nematic)等，他们的制作工艺基本相同，只是配向膜的角度有所不同而已。

　　TN与STN旋转角度的差异，造成特性上的差别，具体表现在：TN型液晶扭曲角度小，图像对比度较低，响应时间较短(50ms以下)，而STN型LCD因为液晶分子扭曲角度大，图像质量明显提高，但响应时间较长(100ms以上)。

　　常言道，有得必有失。TN与STN之间各有短长，选择时就只有“择其善而从之”了。笔记本电脑史上，一个时期内曾大量使用STN型液晶显示器，不过后来TN型显示器的图像质量问题通过使用更好的液晶材料解决了，所以STN被TFT-TN所取得，STN以及它的变种DSTN、CSTN液晶面板目前仍在手机和PDA这些不太强调速度的设备中占有一席之地。

　　向列相液晶
　　“向列相液晶”的介电常数具有各向异性的特点，这使得用电场来控制光学性能成为可能，而且其粘滞系数小，流动性好，因而成为液晶显示器常用的材料，TN型、STN型及TFT显示器所用的液晶材料均属向列相液晶。