1.2　TFT-LCD的基本概念

TFT-LCD的基本概念用来描述TFT-LCD产品的基本规格，主要包括物理上的规格和光学上的规格。物理上的规格涉及产品的整体概念，是决定产品用途的基本规格。光学上的概念涉及使用者的视觉感受，是体现TFT-LCD产品显示画质的根本规格。

1.2.1　与物理相关的概念

TFT-LCD与物理相关的概念主要用来确认产品的外观、功耗、寿命等硬件信息。根据产品用途等的不同，这些硬件信息的规格会有所不同。本小节主要介绍几个通用的产品概念。

1. 显示尺寸

TFT-LCD的显示尺寸是指实际可视区域的对角线长度，单位为英寸，（1英寸＝2.54厘米）。早期阴极射线显像管（Cathode Ray Tube，CRT）的尺寸是指显像管的对角线长度，但是CRT显示设备的外壳要包住显像管边缘一定的显示范围，这就使得CRT实际的可视尺寸比标注尺寸要小。通常，17英寸CRT的可视尺寸范围为15.6～15.9英寸，而17英寸的TFT-LCD可视尺寸就是17英寸。

2. 长宽比

长宽比就是TFT-LCD可视区域的长度和宽度之比，也叫作纵横比或屏幕比例。TFT-LCD的实际可视区域面积取决于显示屏的长宽比。TFT-LCD的长宽比与显示尺寸定义如图1-7所示。TFT-LCD的长宽比主要有4:3和16:9两种。受到CRT显像管物理尺寸等的限制，早期影视画面比例都是标准的1.33:1（4:3），所以适合用4:3的TFT-LCD来观看。但16:9的比例更接近人眼视野范围水平方向和垂直方向的黄金分割比，可使人眼观看更舒服。因为显示屏的长度一般处于水平方向，宽度处于垂直方向，所以在TFT-LCD产品设计时，一般用H表示长度，V表示宽度。

3. 有效显示区域

有效显示区域是指TFT-LCD可显示画面的总面积，对应图1-7用于定义TFT-LCD对角线的所有白色区域。如果知道TFT-LCD的显示尺寸和长宽比，利用勾股定理则可以计算出有效显示区域的具体长度和宽度。对于相同显示尺寸的TFT-LCD，长宽比为16:9的TFT-LCD有效显示区域比4:3的TFT-LCD有效显示区域要小。因此，在同样大小的玻璃基板上，可以切割更多的16:9的TFT-LCD宽屏。比如，在1100mm×1300mm的玻璃基板上，只能切割9片4:3的19英寸显示屏，但却能切割12片16:9的19英寸显示屏。

4. 分辨率

TFT-LCD的分辨率表示有效显示区域内可以用作画面显示的发光点数目，TFT-LCD中的发光点称为像素。分辨率一般以乘法形式表现，如1024×768的分辨率，其中1024表示有效显示区域水平方向显示的像素数，768表示垂直方向显示的像素数。分辨率体现的是有效显示区域的像素总数，分辨率越高，画面的解析度也就越高。通常，人眼对垂直方向的像素数更敏感。拥有更高的垂直方向分辨率，则画面的清晰度就更高。表1-1罗列了一些基本的标准化分辨率规格。在实际使用时，显卡输出的分辨率（屏幕分辨率）和该TFT-LCD面板的固有分辨率（物理分辨率）相同时，显示效果最好，即实现了“点对点”显示。

5. 像素节距

像素节距是指TFT-LCD有效显示区内相邻两个像素间的距离，即像素重复单元的最小长度。TFT-LCD的像素节距类似CRT的点距。TFT-LCD的节距是固定的，节距是以面板尺寸除分辨率后所得到的数值，具体计算会在本书显示屏设计章节中详细介绍。彩色TFT-LCD的像素包含R、G、B三个子像素。普通的RGB条状排列时的节距标识如图1-8（a）所示。对于特殊的像素排列方式，节距的标识不同，图1-8（b）给出了RGB矩形排列时的节距标识。“点对点”显示时，像素节距和字体的大小是对应的，像素节距越小，则文字就越小。画面的细腻度由节距来决定，像素节距越小，则画面越细腻。更准确地体现画面细腻度的指标是PPI（Pixel Per Inch）值或DPI（Dots Per Inch）值，即单位尺寸（25.4mm）内的像素数目。像素节距越小，则PPI值（或DPI值）就越大。PPI值（或DPI值）越高，则相同显示尺寸的TFT-LCD能够传播的信息量就越大。

6. 功耗

TFT-LCD的功耗分为背光源的功耗和驱动电路的功耗两部分。50%～80%的TFT-LCD功耗来自背光源。TFT-LCD具体功耗的高低与亮度等光学规格及显示内容相关。降低TFT-LCD功耗的主要方法是提高LED等发光体的发光效率；提高显示屏的像素透光率；采用更低功耗的驱动方式。

7. 寿命

TFT-LCD的寿命主要取决于发光体的寿命，单位是小时（hrs）。通常，TFT-LCD使用几万小时没有问题，按照每天使用5h计算，大概可以使用10年。TFT-LCD的寿命也叫作平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures，MTBF），根据高温、高湿动作实验推算获得，这是一种加速寿命的信赖性实验。在该加速实验过程中，发光体的亮度在逐渐下降，将亮度下降到原始亮度的一半（50%）所用的时间定义为TFT-LCD的寿命。加速实验的条件一般为环境温度50℃、环境湿度80%、点灯处于工作状态。用多个样品进行加速实验时，其样品的寿命不同，最终取一个平均时间。加速实验的寿命折算到25℃室温环境下的寿命，会乘一个系数（5.73）。如果加速实验的寿命为7000h，那么TFT-LCD的实际寿命就是40110h。

8. 视听距离

在不同的应用领域，TFT-LCD使用者的心态不同。TFT-LCD用作显示器时，使用者会身体前倾主动地查找内容，人眼离开显示器的距离在40cm左右比较合适。显示器的视听距离设计如图1-9（a）所示。为了让显示器的画面完全容纳于使用者30°～36°的视野范围内，TFT-LCD的尺寸不能过大，一般在30英寸以下。计算机显示器一般用作细小的文字编辑处理，TFT-LCD的像素节距要在0.3mm以下。高清电视的视听距离设计如图1-9（b）所示。TFT-LCD用作电视时，使用者身体后仰，被动地欣赏内容，最佳的视听距离要同时保证使用者观赏到的画面品质和获得身临其境的感觉。视听距离太近，则画面看起来粗糙，并会造成眼疲劳。视听距离太远，则缺少身临其境的感觉。通常，高清电视HDTV（画面分辨率为720p或1080i）的最佳视听距离为有效显示区域高度的3倍左右。

1.2.2　与光学相关的概念

TFT-LCD与光学相关的概念体现了TFT-LCD的画质水平，以及服务于人的主观感觉。这些项目规格的高低体现了产品设计的水平，指引着TFT-LCD技术的发展。本小节简单介绍部分常见的光学相关概念。

1. 亮度

亮度是指TFT-LCD画面的明亮程度，其单位是堪德拉每平方米（cd/m2）。画面过亮容易引起视觉疲劳，画面过暗会使纯黑画面与纯白画面的对比降低，影响色阶和灰阶的表现。亮度的均匀性非常重要，品质较佳的显示器其画面亮度均匀，无明显的暗区。可以通过测量如图1-10所示中的5个点（A～E）的亮度，按照公式（1-1）或公式（1-2）计算衡量亮度均匀性的指标δw。通常，δw1控制在1.25以下，δw2控制在0.75以上。亮度测量点，可以根据实际需要选择9点法、13点法等。

δw1=（A～E的最大亮度）÷（A～E的最小亮度）　（1-1）

δw2=（A～E的最小亮度）÷（A～E的最大亮度）　（1-2）

2. 对比度

对比度（Contrast Ratio，CR）是全白亮度与全黑亮度的比值，即CR=全白亮度÷全黑亮度。比如，TFT-LCD在显示全白画面时的亮度值为200cd/m2，全黑画面的亮度为0.2cd/m2，那么它的对比度就是1000:1。对比度越高，则画面层次感越鲜明。TFT-LCD的对比度主要取决于液晶显示模式。具体设计时，降低全黑画面的亮度比提高全白画面的亮度更能有效提高TFT-LCD的对比度。

3. 视野角

通常，把对比度下降到10°时的观察角度定义为TFT-LCD的视野角，因为如果在视野角范围外观察，那么黑白已经不易分辨。如图1-11所示，垂直于TFT-LCD显示屏设置一条法线，从法线到上、下、左、右四个方向的视野角依次定义为θUp、θDown、θLeft、θRight，简单表示为UDLR。通常，水平方向的视野角θLeft、θRight要设计得比垂直方向的视野角θUp、θDown大。

4. 响应时间

响应时间tRT的概念涉及开通时间ton、关断时间toff、上升时间tr、下降时间tf和延迟时间td等概念的关系如公式（1-3）～公式（1-5）所示。响应时间的时序图如图1-12所示。开通时间ton表示从断电关闭状态到通电开启状态过程中，亮度从100%下降到10%（常白模式）的时间间隔或亮度从0上升到90%（常黑模式）的时间间隔。其中，0是全黑的最小亮度，100%是全白的最大亮度。关断时间toff表示从通电开启状态到断电关闭状态过程中，亮度从0上升到90%（常白模式）的时间间隔或亮度从100%下降到10%（常黑模式）的时间间隔。上升时间tr表示由断电关闭状态到通电开启状态过程中，亮度由90%下降到10%（常白模式）的时间间隔或亮度由10%上升到90%（常黑模式）的时间间隔。下降时间tf表示由通电开启状态到断电关闭状态过程中，亮度由10% 上升到90%（常白模式）的时间间隔或亮度由90%下降到10%（常黑模式）的时间间隔。延迟时间td表示通断电过程中，亮度达到最大亮度的10%时的时间间隔。响应时间的单位为毫秒（ms），响应时间越小，画面切换时的响应速度就越快，且画面切换更为流畅。

ton=td+tr　（1-3）

toff=td+tf　（1-4）

tRT=tr+tf　（1-5）

5. 色度域

色度域是指TFT-LCD能表现的颜色范围在色度图上构成的区域。自然界中可见光谱的颜色组成了最大的色度域空间，该色度域空间中包含了人眼所能见到的所有颜色。国际照明协会制定了一个描述TFT-LCD色度域的方法：CIE-xy色度图，如图1-13（a）所示。在用二维色彩空间描述的CIE-xy色度图中，各种显示设备能表现的色度域范围用R、G、B三点连线组成的三角形区域来表示，三角形的面积越大，则表示显示设备的色度域范围越大。这个三角形的面积与色度图总面积之比就是色度域的规格值。CIE-xy色度图是CIE-xy Y三维色彩空间的二维映射，CIE-xy Y色彩空间的色度域如图1-13（b）所示。

6. 颜色深度

颜色深度简称色深，表示TFT-LCD在显示不同画面时，一个像素能够使用的颜色数量，单位为二进制数的位（bit）。显示黑白画面时，从最亮到最暗之间的亮度等级用bit表示，8bits表示有256（28）个亮度等级。每个亮度等级对应一个灰阶，每个灰阶对应的像素电压称为灰阶电压。当用红色（R）、绿色（G）、蓝色（B）三原色合成彩色画面时，每个基本色（R、G、B）都能表现256种颜色等级，那么每个独立的像素进行R、G、B三种颜色等级的组合成后就能表现256×256×256=16 777 216种颜色。色深（位数）越大，最亮和最暗之间明暗度的层次（灰阶）就越多，彩色显示的色数就越多，所能够呈现的画面效果也就越细腻。