3D新时代 液晶与等离子技术大比拼

LCD原理

    LCD的全称是Liquid Crystal Display（液晶显示器），现在已经成为一个耳熟能详的名词，其出现要追溯到1888年，奥地利的植物学家F.Renitzer发现了液晶的特殊物理特性。但是LCD实用型的LCD出现则是等到美国无线电公司的乔治.海尔曼制成的基于DSM（Dynamic Scattering Mode，动态反射模式）LCD，在1969年，詹姆士.福格森在美国俄亥俄州肯特州立大学发现了液晶的旋转向列场效应，这一发现有力推进了LCD发展，基于该技术的LCD迅速取代了DSM LCD，1973年夏普将LCD应用于电子计算机上。在20世纪80年，欧美国家提出了TFF-LCD和STN-LCD显示技术，后来日本掌握了STN-LCD技术，让LCD产品得到迅速的普及，在移动电话、笔记本领域上尤其明显。到了本世纪初，LCD开始淘汰了CRT（Cathode ray tube，阴极射线管），陆续出现在电脑桌或是客厅中。

    经过多年的发展，液晶面板现在拥有TN（Twisted Nematic，扭曲向列型）、STN（Super TN，超扭曲向列型）、DSTN（Dual Scan Tortuosity Nomograph，双层超扭曲向列型）、TFT（Thin Film Transistor，薄膜晶体管型）多种不同的物理结构，但是这些物理结构未能离开液晶的物理特性。

LCD结构

    液晶是一种几乎完全透明的物质，形状如同液体，拥有了水晶式分子结构的同时却表现了固体的形态；当受到外界电场作用的时候，液晶的分子排列将会受到改变，人为控制电场下能控制液晶分子遮挡光线或是允许光线通过，最终实现图像显示。但是若是制成一台液晶显示器，则需要更多的部件。如上图所示，这是典型的液晶显示器结构示意图，由液晶面板、背光模组和驱动电路（含供电电路）三大部件组成。

与CRT、OLED等显示技术不同，由于液晶自身不发光，需要借助外界光源实现显示，因此出现了借助外界光源被动式LCD、整合了背光源的主动式LCD和既借助外界光源又自带光源的半透半反射式的LCD，液晶电视皆为主动式LCD。在液晶电视光源上主要以CCFL（Cold Cathode FluorescentLamps，冷阴极萤光灯管）、White LED和三色LED为主，在早期由于CCFL效率高成了液晶电视的必然选择，但随着LED的发光效率的提高，White LED逐渐成为了液晶电视的新宠，而三色LED效果*佳但基于成本考虑极少有液晶电视采用。

液晶分子工作示意图

    当LED或是CCFL发光后，经过导光板的处理形成了一个与液晶面板等面积的面光源，然后光线通过偏振片时进行极化形成一个偏振态，接着进入液晶分子层中。液晶分子是灌入两个平衡的玻璃基板之间，液晶分子呈长棒型，按照特定的方向排列，一般设有1至2度的预倾，在没有电场的情况下阻断一切通过。当施加电场时，液晶分子形成发生偏转，光线被液晶分子偏转并得以通过，最后通过第二层偏光片显示图像。若要实现彩色显示时，在液晶分子层与第二层偏光片之间增加一层包含了RGB三种滤光片的彩色滤光片。

PDP原理

    PDP的全称是Plasma Display Panel（等离子面板），最早的等离子显示器于1964年由美国伊利诺伊大学两位教授Donald L. Bitzer及H. Gene Slottow发明，早期只能单色显示，一般是绿色或是橙色。在上世纪80年代个人电脑普及之始，PDP曾经用作电脑显示器，但是由于技术不成熟，电脑显示器还是由CRT一统天下，PDP更多的还是停留在电视、公共显示等的领域上。
    在2010年上半年，先锋宣布完全退出电视市场，先锋退出电视市场被不少人士认为数年来等离子电视与液晶电视对决的一个标志性事件——液晶电视已经取得了市场决定性领导地位，等离子电视退出市场是迟早的事情。但是在近几个月里，松下发布一系列新品等离子电视，低端的U20系列的价格更是与同尺寸液晶电视站在一条线上。在电视即将进入3D电视时代的时刻，等离子电视能度过这个困难期，在3D电视时代里重现光辉么。在此，先从技术层面上分析一下。

PDP上的小单元

    如上图所示，这是PDP中的一个小单元，为了方便理解，我们把这个小单元理解成体积非常细小的紫外光日光灯，里面充满了由氦（He）、氖（Ne）、氙（Xe）等组成的惰性气体。对单元施加高压后，气体在电离作用下发出了紫外光（受激辐射），接着紫光外会撞击单元壁上的红、绿、蓝不同的磷光质，产生人眼可见的红光、绿光与蓝光的三原色光，实现电能转化为光能。PDP的一个像素由RGB三色单元组成，只要控制每个单元的的亮度、色彩，便能让像素显示出所需的色彩，而等离子面板正式基于这众多像素组成。

PDP结构

    在结构上，等离子面板呈现了类似液晶面板的三文治结构，主要由两部分组成，一个是靠近使用者面的前板制程（Front Process），其中包括玻璃基板（Glass Substrate）、透明电极（Transparent Electrode）、Bus电极（Bus-Electrode）、透明诱电体层（Dielectric Layer）、MgO膜（MgO Thin Film）；另一个是后板制程（Rear Process），其中包括有萤光体层（Phosphor Layer）、隔墙（Barrier Rib）、下板透明诱电体层（Dielectric Layer）、寻址电极（Address Electrode）、玻璃基板（Glass Substrate）。需要注意的是，等离子面板的驱动电路是布置在前板制程与后板制程之前，在制作过程中必须将前后板制程配对，以及将驱动电视放置好，因此对于PDP来说，其驱动电路是一个高成本部件。除此之外，PDP还需要配置高压供电电路，用来激发离子。

PDP与LCD差异

    从上述描述中不难发现，PDP跟LCD其中一个很大不同的是，LCD自身不会发光，需要背光模组，而PDP则是主动发光。这样的技术差异导致了一个严重的误解，PDP的功耗比LCD高，实则不然（同样的误解同样发生在LCD与CRT对比上）。主动发光的显示技术（PDP、CRT、OLED等）在显示过程中，根据显示图像的不同，不断调节子像素的亮度、色彩，因此功率处于不停变化之中，最低功率与*高功率差值可达数倍。而在LCD上，彩色显示时是依靠调节液晶面板内的液晶分子来阻止或是允许光线通过，这一过程功率是相当稳定，而背光模组的功率是不受显示图像影响的，因此功率亦是稳定的。因此，在环境不变、LCD设置不变的情况，LCD的功耗是呈现的是静态。

LED背光模块

    同样得益于主动发光，造就了PDP在色彩、响应时间、对比度等方面的优势。对于LCD来说，决定其亮度、色彩根本在于背光模块，但是在LCD上，可调节亮度不可调节色温、色域的While LED和CCFL背光模块占据了绝对的主流。而PDP的则是依靠三原色光的搭配，能够配搭出丰富夺目（色域广、饱和度高）的画面则不用多说了。

    而在对比度上，同样由于相同的物理结构，PDP可以控制每个独立单元的开关、离子放电多或少，黑色像素能实现深邃的黑，白色像素能实现明亮的白，获得超高对比度。（主动显示技术往往都具有这方面的特性）但是等离子面板里的单元众多，即使是一个1024×768分辨率的等离子面板也拥有2359296个单元，要精确控制这么都单元，无疑造成驱动电路的成本高昂，尤其在面板中的驱动电路，因此往往能看到高低端等离子电视的对比度差距是以数量级来衡量的。

    而LCD方面，由于是依靠允许或阻止光线实现显示的，受到技术决定，液晶分子无法完全阻挡光线通过，例如在LCD上观看黑色画面时往往会感到画面发白。因此LCD的对比度长期是落后CRT、PDP等技术，同一时期下LCD的旗舰产品往往只有后者入门产品的对比度。有鉴于此，厂商都着手改善LCD的对比度，但是液晶面板的对比度内无法提高，为了进一步挖掘LCD的潜力，背光模组也成了改善对比度途径，动态对比度出现了。

    动态对比度是如何工作的呢，在前文说过，LCD上观看黑色画面时会感到画面发白，动态对比度就是在显示黑色画面时把背光的亮度降低、减少发白现象，在显示白色画面时提高背光亮度、显得更鲜明，光学版的时分复用技术。但是，如果画面一半是黑，一半是白的话，如何办好呢？答案就是，没办法。因此动态对比度的改进版本出现了。

    现在，把时分复用改为频分复用——一个屏幕（导光板）分为多个区域，每个区域拥有自己的亮度控制，每个区域根据自己图像控制亮度，黑时降低亮度，白时加亮度。问题看似解决了，但是若是碰到上图中的画面会如何呢。区域6深蓝色，降低亮度，区域22白色，提高亮度，区域20一半是白一半是黑，问题依然无解。LCD要根绝对比度的问题必须是每个像素拥有独立的背光控制，不过技术与成本无法允许。

3D显示下的优劣

    前文谈及的都是2D显示下的问题，在3D显示时，2D的优缺点同在，但是现阶段影响3D效果的关键问题还是亮度、响应时间与刷新。（解码编码方面的问题不属于光学范畴，属于各种显示技术3D显示时共同面临的问题，暂且搁置不予讨论。）

    首先亮度问题，3D显示下亮度降低缘由不必多说，无论PDP或是LCD在此问题上都是一夜回到解放前。采用快门3D眼镜造成的亮度损失无可避免，表面上看减少亮度的损失只能花功夫在3D眼镜，但是3D眼镜同属光学设备，光通量短时间无法提高，因此保证最终亮度的足够的问题又落在电视上。LED背光模组的普及，对于3D液晶电视来说是一个非常大的福音，LED效率比CCFL更高，LED体积和驱动电路的体积远比CCFL小，提高亮度更大程度只是一个功耗与成本问题。对于主动发光的等离子电视来说，要提高亮度值必须先提高受激辐射效果，但是受激辐射效率是恒定的，提高紫外光输出量时往往造成效率的降低。在早前的松下VT2测试中，我们便看到VT2背后的散热风扇，因此等离子电视面临着更严峻的功耗与成本问题。

    事物往往是一把双刃剑，主动发光虽然造成了等离子电视亮度的麻烦，但其带来的高对比度在3D显示上却扳回一城。在3D显示下，液晶电视的对比度问题更显严重，黑暗的场景更加看不清，而在等离子电视上则无此问题。

3D液晶电视实拍

    最后一点是响应时间与刷新，自LCD普及以来，其画面流畅度始终是一个问题，因此自然也成了厂商宣传的重点。电脑用的液晶显示器与液晶电视宣传方式泾渭不同，前者是宣传更短响应时间，如2ms，后者则是更高的刷新率，如Motionflow200Hz。从技术层面上看，无论是更短的响应时间，或是更高的刷新率都是有助于改善LCD的画面流畅度的，但是前者对后者有着决定性的影响的，刷新率提高必须依靠更短响应时间，刷新率的提高更多的是为响应时间缩短锦上添花。因此在3D电视上高刷新要求，本质上是对短响应时间的要求，因此在3D显示下，强者（PDP）显得更强，弱者（LCD）显得更弱。

    纵观全文，可以得出一个结论，从技术层面上看，在3D显示下，PDP如同2D显示一样，对LCD保持着不少优势，如对比度、色彩、响应时间等，但是也有着功耗上的劣势，但总的来说还是占优的。不过市场凶险，当年等离子电视苦于无法小型化，造成了现在在市场上居次要地位。现在到了3D时代，对小型化的需求明显降低，中大尺寸的3D电视对消费者更具吸引力，未来市场依然难料生死。