硬件科普系列之显示篇——LCD与OLED知多少

前言

无论是手机还是电脑，作为机器与人交互最为频繁的硬件设备，显示屏一直是决定用户体验最为关键的因素之一。大家近几年在购买手机的时候，可以发现目前大部分手机都在使用OLED屏幕，那么你有没有思考过为什么各大厂商都在大力推广OLED屏幕？你可能在日常浏览论坛或者在买手机之前收集情报的过程中还看到过一种说法，“LCD永不为奴”，那么LCD屏幕又有什么样的魅力，让一部分用户念念不忘？这篇文章会从LCD与OLED的原理出发，比较两者的优缺点，详细讲述LCD与OLED的那些事儿。

一、知识准备

1.像素点

数字图像将图像分割成非常细小的点，称为像素点（pixel），像素点是显示器显示画面的最小发光单位，由红、绿、蓝三个像素单元组成，我们耳熟能详的分辨率其实就是像素点的数量。

2.三基色

上面说过每个像素点是由红、绿、蓝三个子像素单元组成，我们知道红、绿、蓝三种颜色是三基色，通过混合三种像素的颜色比例可以实现显示所有想要的颜色。

二、LCD与OLED工作原理

1.LCD（Liquid Crystal Display）

为了方便理解，我们以一个像素点为例。LCD屏幕的结构如下图所示：

如果在高中物理没有选修过偏振光的相关知识，你可能比较难理解液晶层与偏光片的作用，因此，这里我们可以把这两个结构想象成百叶窗，将整个结构简化为下图：

当我们给正极电路施加电压，它会通过液晶层联通负极电路构成回路，驱使液晶层发生偏转。如果将液晶层与偏光片想象成百叶窗结构的话，那么相应的电压会使百叶窗的叶片发生不同程度的偏转，使得通过相应区域的白光量变小，从而降低某个子像素的亮度。这样，我们就可以通过电压的改变来控制液晶分子的偏转角度，从而调整子像素的亮度，最终使像素点显示想要的颜色。

要注意的是LCD屏幕的背光层并不是每一个像素点下面一个单独的灯珠，而是所有像素点共享一整块大的背光层。

2.OLED（Organic Light-Emitting Diode）

OLED的全称是有机自发光二极管，区别于LCD屏幕控制液晶分子的偏转来实现不同颜色的显示，OLED屏幕使用有机自发光材料，通过控制注入子像素发光材料的电流大小，实现不同颜色的显示。OLED像素的结构如下图所示：

OLED屏幕的每个像素点都可以理解成一颗独立控制的灯珠，因此不必像LCD屏幕那样，需要显示时要将整个背光层亮起，而是仅仅需要开启需要进行显示的像素点即可。

三、LCD与OLED到底要选哪个呢？

1.OLED一统天下

（1）息屏显示

在上面的原理部分，我们特意提到了LCD屏幕的所有像素点共享一整块大的背光层，而OLED屏幕的每个像素点都可以独立控制开启与关闭，因此这里就可以看出OLED屏幕的第一个优势，那就是可以实现息屏显示。大家都知道现在的很多手机可以在息屏状态下以较低的电量消耗显示手机的电量、时间、通知或一些其他的自定义信息，不少厂商都把息屏显示作为手机的买点。显然，这个功能LCD是无法实现的，因为LCD屏幕如果想要显示内容，需要把整个背光层打开。

（2）高对比度带来的鲜艳画面

对比度指的是一幅图像中明暗区域最亮的白和最暗的黑之间的比值，通常，对比度越高的画面看起来越鲜艳，色彩越浓郁。

LCD屏幕如果想要显示黑色，根据上面的原理，理想状态下需要将红、绿、蓝三个子像素的液晶分子完全闭合，完全遮挡住背光层发射出来的白光。但实际情况中，液晶分子并不能做到完全闭合，背光层发出的白光会有一部分漏出，因此最终黑色在LCD屏幕的显示效果并不是纯黑色，而是亮度大幅度递减的灰色。

而OLED屏幕的原理是通过有机自发光材料的通电来发出相应颜色的光，而且不存在背光层，因此当需要显示黑色时，只要完全断掉像素点的供电，这样就可以做到完全不发光，从而显示真正意义上的纯黑。从这个意义上，我们可以认为OLED屏幕的对比度接近于无限，高对比度也会使OLED屏幕的显示效果明显强于LCD屏幕。

（3）漏光问题

LCD屏幕具有一整块大的背光层，在装配时屏幕和边框的衔接处很容易会出现背光层的白光漏出，在边框附近出现大面积的光晕，这就是我们所说的漏光。而OLED屏幕由于没有背光层的存在，因此也就从根本上解决了漏光问题。

（4）屏幕响应时间带来的拖影问题

我们在显示动态画面时，每个像素点显示的颜色需要快速切换，而像素点从一种颜色切换到另一种颜色是需要一定时间的，这个时间就是所谓的屏幕响应时间。响应时间如果过长，就会导致在显示动态画面的时候，像素的颜色来不及切换，上一帧画面还没有完全消失，在屏幕上留下残影。

LCD屏幕的颜色切换是通过液晶分子的偏转来完成的，因此液晶层的偏转速度直接决定了LCD屏幕的响应时间，而液晶分子的偏转速度会很大程度上受到温度的影响，温度越低，偏转越慢，这也就是为什么冬天室外LCD屏幕会出现严重的拖影现象。

OLED屏幕在进行颜色切换时，不存在液晶分子的偏转问题，也不会受到外界温度的影响，因此OLED屏幕的响应时间往往比LCD屏幕短得多。可以说OLED屏幕在显示动态画面的时候是有天生优势的。

（5）物理性能优越

OLED屏幕不需要LCD屏幕复杂的多层结构，因此可以做薄。另一方面，OLED屏幕可以实现更大角度的弯折，因此近几年随着OLED屏幕的发展，各种曲面屏、折叠屏手机开始大行其道，我们在这里不讨论这些技术的实用性，仅从技术实现的角度来说，OLED屏幕为各种设计提供了更多的可能性。

另一方面，OLED屏幕由于不需要整个背光层同时亮起，因此在耗电方面也明显优于LCD屏幕。

2.LCD永不为奴

说了这么多OLED的优点，那么LCD真的就一无是处吗？显然不是的，OLED屏幕的优点显而易见，但它同样也具有非常极端的缺点，导致直到现在，仍然有一部分用户不愿放弃LCD屏幕。

（1）使用寿命

近几年我们常常听到一个词“烧屏”，它的意思其实并不是屏幕被烧毁损坏，而是OLED屏幕老化导致的一种显示失真现象。

前面讲过，OLED屏幕的原理是有机自发光材料通电发光，高中化学知识告诉我们，有机物相比于无机物更容易老化，发生性质的改变。OLED屏幕的有机自发光材料由于频繁的电子迁移，发出的颜色会逐渐发生改变。而由于屏幕上不同区域使用频率不同，OLED屏幕各个区域的老化速度就会产生差异，在显示纯色内容时，老化程度较深的区域就会出现残影，比如电池显示区域，长时间显示电池图标，如果再显示纯色的话就会留下一个电池形状的残影，这就是所谓的“烧屏”。

而LCD屏幕由于发光部分是整个背光层，因此屏幕的不同区域即使老化，老化程度也相同，虽然会出现整体的色差，但不会出现由于老化程度不同而产生的“烧屏”现象。

（2）调光方式带来的视力损害

我们在使用屏幕时，需要根据环境光的情况对屏幕的亮度进行调整，而目前主流的调光方式主要有两种，即DC调光与PWM调光。

DC调光：通过改变对屏幕供电的电压或电流来实现对屏幕的亮度调节。

PWM调光：脉冲宽度调制（Pulse width modulation），通过“亮屏-灭屏-亮屏-灭屏”这种亮暗不断交替，而人眼有个视觉暂留效应，大约是1/16秒，在这个时间内人眼看的效果还会停留，PWM就是用这个原理来不断调光的，而PWM调光的频率指的就是亮屏-灭屏的速度。

LCD屏幕使用DC调光没有任何问题，而OLED屏幕由于其显示原理，如果使用DC调光，在亮度较低时会产生屏幕显示色彩不均匀的情况，也就是我们所说的“抹布屏”。因此目前市面上大多数OLED屏幕都采用了PWM调光，如果PWM调光的频率较低，屏幕就会产生频闪，造成视力损害，这也是为什么很多人在用惯了LCD屏幕，在刚使用OLED屏幕时会觉得眼睛疼，流泪，从而产生了OLED“瞎眼屏”的说法。

实际上，高频PWM调光可以有效解决频闪问题，但限于技术和成本，目前市面上许多OLED屏幕还是使用了低频PWM调光。

（3）LCD屏幕的细分（IPS，TN和VA屏）

电脑和电视上的IPS，TN还有VA都是属于LCD屏幕，他们的区别就是液晶层结构不同，TN可以是实现很快的偏转速度但是色彩比较差，VA可以实现很高的对比度但是响应速度很慢，IPS对比度虽然没有VA那么高但是色彩也还不错，响应时间介于VA和TN，比较适中，所以IPS的综合体验是最好的，这也就是为什么买电脑都推荐买IPS面板的屏幕。