3D新時代 液晶與等離子技術大比拼

LCD原理

    LCD的全稱是Liquid Crystal Display（液晶顯示器），現在已經成為一個耳熟能詳的名詞，其出現要追溯到1888年，奧地利的植物學家F.Renitzer發現了液晶的特殊物理特性。但是LCD實用型的LCD出現則是等到美國無線電公司的喬治.海爾曼制成的基于DSM（Dynamic Scattering Mode，動態反射模式）LCD，在1969年，詹姆士.福格森在美國俄亥俄州肯特州立大學發現了液晶的旋轉向列場效應，這一發現有力推進了LCD發展，基于該技術的LCD迅速取代了DSM LCD，1973年夏普將LCD應用于電子計算機上。在20世紀80年，歐美國家提出了TFF-LCD和STN-LCD顯示技術，后來日本掌握了STN-LCD技術，讓LCD產品得到迅速的普及，在移動電話、筆記本領域上尤其明顯。到了本世紀初，LCD開始淘汰了CRT（Cathode ray tube，陰極射線管），陸續出現在電腦桌或是客廳中。

    經過多年的發展，液晶面板現在擁有TN（Twisted Nematic，扭曲向列型）、STN（Super TN，超扭曲向列型）、DSTN（Dual Scan Tortuosity Nomograph，雙層超扭曲向列型）、TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶體管型）多種不同的物理結構，但是這些物理結構未能離開液晶的物理特性。

LCD結構

    液晶是一種幾乎完全透明的物質，形狀如同液體，擁有了水晶式分子結構的同時卻表現了固體的形態；當受到外界電場作用的時候，液晶的分子排列將會受到改變，人為控制電場下能控制液晶分子遮擋光線或是允許光線通過，最終實現圖像顯示。但是若是制成一臺液晶顯示器，則需要更多的部件。如上圖所示，這是典型的液晶顯示器結構示意圖，由液晶面板、背光模組和驅動電路（含供電電路）三大部件組成。

與CRT、OLED等顯示技術不同，由于液晶自身不發光，需要借助外界光源實現顯示，因此出現了借助外界光源被動式LCD、整合了背光源的主動式LCD和既借助外界光源又自帶光源的半透半反射式的LCD，液晶電視皆為主動式LCD。在液晶電視光源上主要以CCFL（Cold Cathode FluorescentLamps，冷陰極螢光燈管）、White LED和三色LED為主，在早期由于CCFL效率高成了液晶電視的必然選擇，但隨著LED的發光效率的提高，White LED逐漸成為了液晶電視的新寵，而三色LED效果*佳但基于成本考慮極少有液晶電視采用。

液晶分子工作示意圖

    當LED或是CCFL發光后，經過導光板的處理形成了一個與液晶面板等面積的面光源，然后光線通過偏振片時進行極化形成一個偏振態，接著進入液晶分子層中。液晶分子是灌入兩個平衡的玻璃基板之間，液晶分子呈長棒型，按照特定的方向排列，一般設有1至2度的預傾，在沒有電場的情況下阻斷一切通過。當施加電場時，液晶分子形成發生偏轉，光線被液晶分子偏轉并得以通過，最后通過第二層偏光片顯示圖像。若要實現彩色顯示時，在液晶分子層與第二層偏光片之間增加一層包含了RGB三種濾光片的彩色濾光片。

PDP原理

    PDP的全稱是Plasma Display Panel（等離子面板），最早的等離子顯示器于1964年由美國伊利諾伊大學兩位教授Donald L. Bitzer及H. Gene Slottow發明，早期只能單色顯示，一般是綠色或是橙色。在上世紀80年代個人電腦普及之始，PDP曾經用作電腦顯示器，但是由于技術不成熟，電腦顯示器還是由CRT一統天下，PDP更多的還是停留在電視、公共顯示等的領域上。
    在2010年上半年，先鋒宣布完全退出電視市場，先鋒退出電視市場被不少人士認為數年來等離子電視與液晶電視對決的一個標志性事件——液晶電視已經取得了市場決定性領導地位，等離子電視退出市場是遲早的事情。但是在近幾個月里，松下發布一系列新品等離子電視，低端的U20系列的價格更是與同尺寸液晶電視站在一條線上。在電視即將進入3D電視時代的時刻，等離子電視能度過這個困難期，在3D電視時代里重現光輝么。在此，先從技術層面上分析一下。

PDP上的小單元

    如上圖所示，這是PDP中的一個小單元，為了方便理解，我們把這個小單元理解成體積非常細小的紫外光日光燈，里面充滿了由氦（He）、氖（Ne）、氙（Xe）等組成的惰性氣體。對單元施加高壓后，氣體在電離作用下發出了紫外光（受激輻射），接著紫光外會撞擊單元壁上的紅、綠、藍不同的磷光質，產生人眼可見的紅光、綠光與藍光的三原色光，實現電能轉化為光能。PDP的一個像素由RGB三色單元組成，只要控制每個單元的的亮度、色彩，便能讓像素顯示出所需的色彩，而等離子面板正式基于這眾多像素組成。

PDP結構

    在結構上，等離子面板呈現了類似液晶面板的三文治結構，主要由兩部分組成，一個是靠近使用者面的前板制程（Front Process），其中包括玻璃基板（Glass Substrate）、透明電極（Transparent Electrode）、Bus電極（Bus-Electrode）、透明誘電體層（Dielectric Layer）、MgO膜（MgO Thin Film）；另一個是后板制程（Rear Process），其中包括有螢光體層（Phosphor Layer）、隔墻（Barrier Rib）、下板透明誘電體層（Dielectric Layer）、尋址電極（Address Electrode）、玻璃基板（Glass Substrate）。需要注意的是，等離子面板的驅動電路是布置在前板制程與后板制程之前，在制作過程中必須將前后板制程配對，以及將驅動電視放置好，因此對于PDP來說，其驅動電路是一個高成本部件。除此之外，PDP還需要配置高壓供電電路，用來激發離子。

PDP與LCD差異

    從上述描述中不難發現，PDP跟LCD其中一個很大不同的是，LCD自身不會發光，需要背光模組，而PDP則是主動發光。這樣的技術差異導致了一個嚴重的誤解，PDP的功耗比LCD高，實則不然（同樣的誤解同樣發生在LCD與CRT對比上）。主動發光的顯示技術（PDP、CRT、OLED等）在顯示過程中，根據顯示圖像的不同，不斷調節子像素的亮度、色彩，因此功率處于不停變化之中，最低功率與*高功率差值可達數倍。而在LCD上，彩色顯示時是依靠調節液晶面板內的液晶分子來阻止或是允許光線通過，這一過程功率是相當穩定，而背光模組的功率是不受顯示圖像影響的，因此功率亦是穩定的。因此，在環境不變、LCD設置不變的情況，LCD的功耗是呈現的是靜態。

LED背光模塊

    同樣得益于主動發光，造就了PDP在色彩、響應時間、對比度等方面的優勢。對于LCD來說，決定其亮度、色彩根本在于背光模塊，但是在LCD上，可調節亮度不可調節色溫、色域的While LED和CCFL背光模塊占據了絕對的主流。而PDP的則是依靠三原色光的搭配，能夠配搭出豐富奪目（色域廣、飽和度高）的畫面則不用多說了。

    而在對比度上，同樣由于相同的物理結構，PDP可以控制每個獨立單元的開關、離子放電多或少，黑色像素能實現深邃的黑，白色像素能實現明亮的白，獲得超高對比度。（主動顯示技術往往都具有這方面的特性）但是等離子面板里的單元眾多，即使是一個1024×768分辨率的等離子面板也擁有2359296個單元，要精確控制這么都單元，無疑造成驅動電路的成本高昂，尤其在面板中的驅動電路，因此往往能看到高低端等離子電視的對比度差距是以數量級來衡量的。

    而LCD方面，由于是依靠允許或阻止光線實現顯示的，受到技術決定，液晶分子無法完全阻擋光線通過，例如在LCD上觀看黑色畫面時往往會感到畫面發白。因此LCD的對比度長期是落后CRT、PDP等技術，同一時期下LCD的旗艦產品往往只有后者入門產品的對比度。有鑒于此，廠商都著手改善LCD的對比度，但是液晶面板的對比度內無法提高，為了進一步挖掘LCD的潛力，背光模組也成了改善對比度途徑，動態對比度出現了。

    動態對比度是如何工作的呢，在前文說過，LCD上觀看黑色畫面時會感到畫面發白，動態對比度就是在顯示黑色畫面時把背光的亮度降低、減少發白現象，在顯示白色畫面時提高背光亮度、顯得更鮮明，光學版的時分復用技術。但是，如果畫面一半是黑，一半是白的話，如何辦好呢？答案就是，沒辦法。因此動態對比度的改進版本出現了。

    現在，把時分復用改為頻分復用——一個屏幕（導光板）分為多個區域，每個區域擁有自己的亮度控制，每個區域根據自己圖像控制亮度，黑時降低亮度，白時加亮度。問題看似解決了，但是若是碰到上圖中的畫面會如何呢。區域6深藍色，降低亮度，區域22白色，提高亮度，區域20一半是白一半是黑，問題依然無解。LCD要根絕對比度的問題必須是每個像素擁有獨立的背光控制，不過技術與成本無法允許。

3D顯示下的優劣

    前文談及的都是2D顯示下的問題，在3D顯示時，2D的優缺點同在，但是現階段影響3D效果的關鍵問題還是亮度、響應時間與刷新。（解碼編碼方面的問題不屬于光學范疇，屬于各種顯示技術3D顯示時共同面臨的問題，暫且擱置不予討論。）

    首先亮度問題，3D顯示下亮度降低緣由不必多說，無論PDP或是LCD在此問題上都是一夜回到解放前。采用快門3D眼鏡造成的亮度損失無可避免，表面上看減少亮度的損失只能花功夫在3D眼鏡，但是3D眼鏡同屬光學設備，光通量短時間無法提高，因此保證最終亮度的足夠的問題又落在電視上。LED背光模組的普及，對于3D液晶電視來說是一個非常大的福音，LED效率比CCFL更高，LED體積和驅動電路的體積遠比CCFL小，提高亮度更大程度只是一個功耗與成本問題。對于主動發光的等離子電視來說，要提高亮度值必須先提高受激輻射效果，但是受激輻射效率是恒定的，提高紫外光輸出量時往往造成效率的降低。在早前的松下VT2測試中，我們便看到VT2背后的散熱風扇，因此等離子電視面臨著更嚴峻的功耗與成本問題。

    事物往往是一把雙刃劍，主動發光雖然造成了等離子電視亮度的麻煩，但其帶來的高對比度在3D顯示上卻扳回一城。在3D顯示下，液晶電視的對比度問題更顯嚴重，黑暗的場景更加看不清，而在等離子電視上則無此問題。

3D液晶電視實拍

    最后一點是響應時間與刷新，自LCD普及以來，其畫面流暢度始終是一個問題，因此自然也成了廠商宣傳的重點。電腦用的液晶顯示器與液晶電視宣傳方式涇渭不同，前者是宣傳更短響應時間，如2ms，后者則是更高的刷新率，如Motionflow200Hz。從技術層面上看，無論是更短的響應時間，或是更高的刷新率都是有助于改善LCD的畫面流暢度的，但是前者對后者有著決定性的影響的，刷新率提高必須依靠更短響應時間，刷新率的提高更多的是為響應時間縮短錦上添花。因此在3D電視上高刷新要求，本質上是對短響應時間的要求，因此在3D顯示下，強者（PDP）顯得更強，弱者（LCD）顯得更弱。

    縱觀全文，可以得出一個結論，從技術層面上看，在3D顯示下，PDP如同2D顯示一樣，對LCD保持著不少優勢，如對比度、色彩、響應時間等，但是也有著功耗上的劣勢，但總的來說還是占優的。不過市場兇險，當年等離子電視苦于無法小型化，造成了現在在市場上居次要地位。現在到了3D時代，對小型化的需求明顯降低，中大尺寸的3D電視對消費者更具吸引力，未來市場依然難料生死。