Принцип действия ЭЛТ-монитора

Принцип действия ЖК-монитора

Принцип действия сенсорного монитора

Существует три вида сенсорных технологий:

Резистивные: резистивные сенсорные панели покрыты металлической пластинкой проводящей электричество и резистивным слоем, вызывающим изменение в электрическом потоке который распознается как прикосновение и посылает его в диспетчер для обработки. Резистивные сенсорные панели обычно наиболее доступные, но выдают только 85% ясности, к тому же их можно повредить любым острым предметом. Попадание пыли или воды, не влияют на работу резистивных сенсорных панелей.

Поверхностно акустически волновые (ПАВ): ПАВ технологии используют ультразвуковые волны, проходящие через поверхность сенсорной панели. Когда к панели прикасаются, часть волн поглощается. Это изменение в ультразвуковых волнах фиксируется как прикосновение и посылает информацию в контроллер для обработки. ПАВ панели наиболее прогрессивны.

Емкостный: емкостные сенсорные панели покрыты материалом, содержащие электрический заряд. Когда к панели прикасаются, точка соприкосновения получает небольшой заряд. Цепь расположена по всем углам панели, измеряет заряд и посылает информацию в диспетчер для обработки. Емкостные сенсорные панели должны быть использованы прикосновением пальцев, в отличие от резистивных и ПАВ панелей, которые могут быть использованы пальцем или пером. Попадание пыли или воды, не влияют на работу емкостных сенсорных панелей.

Более подробную информацию о сенсорных экранах можно получить по адресу: http://digitaldevice.ua/project/tehnologii-sensornih-ekranov

Принцип действия 3D -монитора

Технические характеристики мониторов:

Разрешение LCD-мониторов одно, и его еще называют native, оно соответствует максимальному физическому разрешению CRT-мониторов. Именно в native разрешении LCD-монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей, который у LCD-монитора фиксирован. Например, если LCD-монитор имеет native разрешение 1024x768, то это значит, что на каждой из 768 линий расположено 1024 электродов, читай: пикселей. При этом есть возможность использовать и более низкое, чем native, разрешение. Для этого есть два способа. Первый называется "Centering" (центрирование); суть метода в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселей, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели остаются черными, т.е. вокруг изображения образуется широкая черная рамка. Второй метод называется "Expansion" (растяжение). Суть его в том, что при воспроизведении изображения с более низким, чем native, разрешением используются все пиксели, т.е. изображение занимает весь экран. Однако, из-за того, что изображение растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения, и ухудшается резкость. Поэтому при выборе LCD-монитора важно четко знать, какое именно разрешение вам нужно.

Разрешение экрана монитора:

Яркость и контрастность LCD-мониторов не стандартизованы. При этом в центре яркость LCD-монитора может быть на 25% выше, чем у краев экрана. Контрастность LCD-монитора определяется отношением яркостей между самым ярким белым и самым темным черным цветом, является одним из основных параметров дисплея.

По отношению к свету матрица ЖК-дисплея является не активным, а пассивным элементом, она не способна излучать свет, а лишь способна модулировать проходящий через нее. Поэтому позади ЖК-матрицы всегда размещается модуль подсветки, а матрица лишь управляет своей прозрачностью. Регулировка прозрачности осуществляется за счет поворота плоскости поляризации – жидкие кристаллы расположены между двумя сонаправленными поляризаторами: сонаправленность означает, что если свет между ними не изменил свою плоскость поляризации, то он проходит через второй поляризатор без потерь.

Сравнение LCD-мониторов и CRT-мониторов:

Стандарты безопасности:

На всех современных мониторах можно встретить наклейки с аббревиатурой TCO или MPRII. На очень старых моделях встречаются еще и надписи "Low Radiation", которые на самом деле ни о чем не говорят. Просто когда-то, исключительно в маркетинговых целях, производители из Юго-Восточной Азии привлекали этим внимание к своей продукции. Никакой защиты подобная надпись не гарантирует.

Большинство измерений во время тестирований на соответствие стандартам TCO проводятся на расстоянии 30 см спереди от экрана и на расстоянии 50 см вокруг монитора. Для сравнения: во время тестирования мониторов на соответствие другому стандарту MPRII все измерения производятся на расстоянии 50 см спереди экрана и вокруг монитора. Это объясняет то, что стандарты TCO более жесткие, чем MPRII.

TCO’99 предъявляет более жесткие требования, чем все остальные стандарты, в следующих областях: эргономика (физическая, визуальная и удобство использования), энергия, излучение (электрических и магнитных полей), окружающая среда и экология, а также пожарная и электрическая безопасность. Стандарт TCO’99 распространяется на традиционные CRT-мониторы, плоскопанельные мониторы (Flat Panel Displays), портативные компьютеры (Laptop и Notebook), системные блоки и клавиатуры. Спецификации TCO’99 содержат в себе требования, взятые из стандартов TCO’95, ISO, IEC и EN, а также из EC Directive 90/270/EEC и Шведского национального стандарта MPR 1990:8 (MPRII) и из более ранних рекомендаций TCO. В разработке стандарта TCO’99 приняли участие TCO, Naturskyddsforeningen и and Statens Energimyndighet (The Swedish National Energy Administration, Шведское Национальное Агентство по Энергетике).

Экологические требования включают в себя ограничения на присутствие тяжелых металлов, броминатов и хлоринатов, фреонов (CFC) и хлорированных веществ внутри материалов.

Любой продукт должен быть подготовлен к переработке, а производитель обязан иметь разработанную политику по утилизации, которая должна исполняться в каждой стране, в которой действует компания.

Требования по энергосбережению включают в себя необходимость того, чтобы компьютер и/или монитор после определенного времени бездействия снижали уровень потребления энергии на одну или более ступеней. При этом период времени восстановления до рабочего режима потребления энергии, должен устраивать пользователя

Создание жидкокристаллического дисплея

Первый рабочий жидкокристаллический дисплей был создан Фергесоном (Fergason) в 1970 году. До этого жидкокристаллические устройства потребляли слишком много энергии, срок их службы был ограничен, а контраст изображения был удручающим. На суд общественности новый ЖК-дисплей был представлен в 1971 году и тогда он получил горячее одобрение. Жидкие кристаллы (Liquid Crystal) - это органические вещества, способные под напряжением изменять величину пропускаемого света. Жидкокристаллический монитор представляет собой две стеклянных или пластиковых пластины, между которыми находится суспензия. Кристаллы в этой суспензии расположены параллельно по отношению друг к другу, тем самым они позволяют свету проникать через панель. При подаче электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению света. ЖК технология получила широкое распространение в компьютерах и в проекционном оборудовании. Первые жидкие кристаллы отличались своей нестабильностью и были мало пригодными к массовому производству. Реальное развитие ЖК технологии началось с изобретением английскими учеными стабильного жидкого кристалла - бифенила (Biphenyl). Жидкокристаллические дисплеи первого поколения можно наблюдать в калькуляторах, электронных играх и в часах. Современные ЖК мониторы также называют плоскими панелями, активными матрицами двойного сканирования, тонкопленочными транзисторами. Идея ЖК мониторов витала в воздухе более 30 лет, но проводившиеся исследования не приводили к приемлемому результату, поэтому ЖК мониторы не завоевали репутации устройств, обеспечивающих хорошее качество изображения. Сейчас они становятся популярными - всем нравится их изящный вид, тонкий стан, компактность, экономичность (15-30 ватт), кроме того, считается, что только обеспеченные и серьезные люди могут позволить себе такую роскошь

Характеристики ЖК мониторов

Виды ЖК мониторов

Составные слои монитора

Существует два вида ЖК мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic - кристаллические экраны с двойным сканированием) и TFT (thin film transistor - на тонкопленочных транзисторах), также их называют соответственно пассивными и активными матрицами. Такие мониторы состоят из следующих слоев: поляризующего фильтра, стеклянного слоя, электрода, слоя управления, жидких кристаллов, ещё одного слоя управления, электрода, слоя стекла и поляризующего фильтра. В первых компьютерах использовались восьмидюймовые (по диагонали) пассивные черно-белые матрицы. С переходом на технологию активных матриц, размер экрана вырос. Практически все современные ЖК мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспечивающих яркое, четкое изображение значительно большего размера.

Разрешение монитора

От размера монитора зависят и занимаемое им рабочее пространство, и, что немаловажно, его цена. Несмотря на устоявшуюся классификацию ЖК-мониторов в зависимости от размера экрана по диагонали (15-, 17-, 19-дюймовые), более корректной является классификация по рабочему разрешению. Дело в том, что, в отличие от мониторов на основе ЭЛТ, разрешение которых можно менять достаточно гибко, ЖК-дисплеи имеют фиксированный набор физических пикселей. Именно поэтому они рассчитаны на работу только с одним разрешением, называемым рабочим. Косвенно это разрешение определяет и размер диагонали матрицы, однако мониторы с одинаковым рабочим разрешением могут иметь разную по размерам матрицу. Например, мониторы с диагональю от 15 до 16 дюймов в основном имеют рабочее разрешение 1024Ѕ768, а это означает, что у данного монитора действительно физически содержится 1024 пикселя по горизонтали и 768 пикселей по вертикали. Рабочее разрешение монитора определяет размер иконок и шрифтов, которые будут отображаться на экране. К примеру, 15-дюймовый монитор может иметь рабочее разрешение и 1024Ѕ768, и 1400Ѕ1050 пикселей. В последнем случае физические размеры самих пикселей будут меньшими, а поскольку при формировании стандартной иконки в обоих случаях используется одно и то же количество пикселей, то при разрешении 1400Ѕ1050 пикселей иконка по своим физическим размерам окажется меньше. Для некоторых пользователей слишком маленькие размеры иконок при высоком разрешении монитора могут оказаться неприемлемыми, поэтому при покупке монитора нужно сразу обращать внимание на рабочее разрешение. Конечно же, монитор способен выводить изображение и в другом, отличном от рабочего разрешении. Такой режим работы монитора называют интерполяцией. В случае интерполяции качество изображения оставляет желать лучшего. Режим интерполяции заметно сказывается на качестве отображения экранных шрифтов.

Интерфейс монитора

ЖК-мониторы по своей природе являются цифровыми устройствами, поэтому «родным» интерфейсом для них считается цифровой интерфейс DVI, который может обладать двумя видами конвекторов: DVI-I, совмещающим цифровой и аналоговый сигналы, и DVI-D, передающим только цифровой сигнал. Считается, что для соединения ЖК-монитора с компьютером более предпочтителен интерфейс DVI, хотя допускается подключение и через стандартный D-Sub-разъем. В пользу DVI-интерфейса говорит и то, что в случае аналогового интерфейса происходит двойное преобразование видеосигнала: сначала цифровой сигнал преобразуется в аналоговый в видеокарте (ЦАП-преобразование), который затем трансформируется в цифровой электронным блоком самого ЖК-монитора (АЦП-преобразование), вследствие чего возрастает риск различных искажений сигнала. Многие современные ЖК-мониторы обладают как D-Sub-, так и DVI-коннекторами, что позволяет одновременно подключать к монитору два системных блока. Также можно найти модели, имеющие два цифровых разъема. В недорогих офисных моделях в основном присутствует только стандартный D-Sub-разъем.

Тип ЖК матрицы

Базовым компонентом ЖК-матрицы являются жидкие кристаллы. Существует три основных типа жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические. По электрическим свойствам все жидкие кристаллы делятся на две основные группы: к первой относятся жидкие кристаллы с положительной диэлектрической анизотропией, ко второй - с отрицательной диэлектрической анизотропией. Разница заключается в том, как эти молекулы реагируют на внешнее электрическое поле. Молекулы с положительной диэлектрической анизотропией ориентируются вдоль силовых линий поля, а молекулы с отрицательной диэлектрической анизотропией - перпендикулярно силовым линиям. Нематические жидкие кристаллы обладают положительной диэлектрической анизотропией, а смектические, наоборот, - отрицательной. Другое замечательное свойство ЖК-молекул заключается в их оптической анизотропии. В частности, если ориентация молекул совпадает с направлением распространения плоскополяризованного света, то молекулы не оказывают никакого воздействия на плоскость поляризации света. Если же ориентация молекул перпендикулярна направлению распространения света, то плоскость поляризации поворачивается таким образом, чтобы быть параллельной направлению ориентации молекул. Диэлектрическая и оптическая анизотропия ЖК-молекул дает возможность использовать их в качестве своеобразных модуляторов света, позволяющих формировать требуемое изображение на экране. Принцип действия такого модулятора довольно прост и основан на изменении плоскости поляризации проходящего через ЖК-ячейку света. ЖК-ячейка располагается между двумя поляризаторами, оси поляризации которых взаимно перпендикулярны. Первый поляризатор вырезает плоскополяризованное излучение из проходящего от лампы подсветки света. Если бы не было ЖК-ячейки, то такой плоскополяризованный свет полностью поглотился бы вторым поляризатором. ЖК-ячейка, размещенная на пути проходящего плоскополяризованного света, может поворачивать плоскость поляризации проходящего света. В таком случае часть света проходит через второй поляризатор, то есть ячейка становится прозрачной (полностью или частично). В зависимости от того, каким образом осуществляется управление поворотом плоскости поляризации в ЖК-ячейке, различают несколько типов ЖК-матриц. Итак, ЖК-ячейка, помещаемая между двумя скрещенными поляризаторами, позволяет модулировать проходящее излучение, создавая градации черно-белого цвета. Для получения цветного изображения необходимо применение трех цветных фильтров: красного (R), зеленого (G) и голубого (B), которые, будучи установленными на пути распространения белого цвета, позволят получить три базовых цвета в нужных пропорциях. Итак, каждый пиксель ЖК-монитора состоит из трех отдельных субпикселов: красного, зеленого и голубого, представляющих собой управляемые ЖК-ячейки и различающихся только используемыми фильтрами, установленными между верхней стеклянной пластиной и выходным поляризующим фильтром

Классификация TFT-LCD дисплеев

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS (SFT) и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённый в конкретных разработках.

TN-матрица

Структура TN-ячейки

Жидкокристаллическая матрица TN-типа (Twisted Nematic) представляет собой многослойную структуру, состоящую из двух поляризующих фильтров, двух прозрачных электродов и двух стеклянных пластинок, между которыми располагается собственно жидкокристаллическое вещество нематического типа с положительной диэлектрической анизотропией. На поверхность стеклянных пластин наносятся специальные бороздки, что позволяет создать первоначально одинаковую ориентацию всех молекул жидких кристаллов вдоль пластины. Бороздки на обеих пластинах взаимно перпендикулярны, поэтому слой молекул жидких кристаллов между пластинами изменяет свою ориентацию на 90°. Получается, что ЖК-молекулы образуют скрученную по спирали структуру (рис. 3), из-за чего такие матрицы и получили название Twisted Nematic. Стеклянные пластины с бороздками располагаются между двух поляризационных фильтров, причем ось поляризации в каждом фильтре совпадает с направлением бороздок на пластине. В обычном состоянии ЖК-ячейка является открытой, поскольку жидкие кристаллы поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света. Поэтому плоскополяризованное излучение, образующееся после прохождения первого поляризатора, пройдет и через второй поляризатор, так как ось его поляризации будет параллельна направлению поляризации падающего излучения. Под воздействием электрического поля, создаваемого прозрачными электродами, молекулы жидкокристаллического слоя меняют свою пространственную ориентацию, выстраиваясь вдоль направления силовых линий поля. В этом случае жидкокристаллический слой теряет способность поворачивать плоскость поляризации падающего света, и система становится оптически непрозрачной, так как весь свет поглощается выходным поляризующим фильтром. В зависимости от приложенного напряжения между управляющими электродами можно менять ориентацию молекул вдоль по полю не полностью, а лишь частично, то есть регулировать степень скрученности ЖК-молекул. Это, в свою очередь, позволяет менять интенсивность света, проходящего через ЖК-ячейку. Таким образом, установив лампу подсветки позади ЖК-матрицы и меняя напряжение между электродами, можно варьировать степень прозрачность одной ЖК-ячейки. TN-матрицы являются наиболее распространенными и дешевыми. Им свойственны определенные недостатки: не очень большие углы обзора, невысокая контрастность и невозможность получить идеальный черный цвет. Дело в том, что даже при приложении максимального напряжения к ячейке невозможно до конца раскрутить ЖК-молекулы и сориентировать их вдоль силовых линий поля. Поэтому такие матрицы даже при полностью выключенном пикселе остаются слегка прозрачными. Второй недостаток связан с небольшими углами обзора. Для частичного его устранения на поверхность монитора наносится специальная рассеивающая пленка, что позволяет увеличить угол обзора. Данная технология получила название TN+Film, что указывает на наличие этой пленки. Узнать, какой именно тип матрицы применяется в мониторе, не так-то просто. Однако если на мониторе имеется «битый» пиксель, возникший вследствие выхода из строя управляющего ЖК-ячейкой транзистора, то в TN-матрицах он всегда будет ярко гореть (красным, зеленым или синим цветом), поскольку для TN-матрицы открытый пиксель соответствует отсутствию напряжения на ячейке. Распознать TN-матрицу можно и посмотрев на черный цвет при максимальной яркости - если он скорее серый, чем черный, то это, вероятно, именно TN-матрица.

IPS-матрицы

Структура IPS-ячейки

Мониторы с IPS-матрицей называют также Super TFT-мониторами. Отличительной особенностью IPS-матриц является то, что управляющие электроды расположены в них в одной плоскости на нижней стороне ЖК-ячейки. При отсутствии напряжения между электродами ЖК-молекулы расположены параллельно друг другу, электродам и направлению поляризации нижнего поляризующего фильтра. В этом состоянии они не влияют на угол поляризации проходящего света, и свет полностью поглощается выходным поляризующим фильтром, поскольку направления поляризации фильтров перпендикулярны друг другу. При подаче напряжения на управляющие электроды создаваемое электрическое поле поворачивает ЖК-молекулы на 90° так, что они ориентируются вдоль силовых линий поля. Если через такую ячейку пропустить свет, то за счет поворота плоскости поляризации верхний поляризующий фильтр пропустит свет без помех, то есть ячейка окажется в открытом состоянии (рис. 4). Варьируя напряжение между электродами, можно заставлять ЖК-молекулы поворачиваться на любой угол, меняя тем самым прозрачность ячейки. Во всем остальном IPS-ячейки подобны TN-матрицам: цветное изображение также формируется за счет использования трех цветовых фильтров. IPS-матрицы имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с TN-матрицами. Преимуществом является тот факт, что в данном случае получается идеально черный цвет, а не серый, как в TN-матрицах. Другим неоспоримым преимуществом данной технологии являются большие углы обзора. К недостаткам IPS-матриц стоит отнести большее, чем для TN-матриц, время реакции пикселя. Впрочем, к вопросу о времени реакции пикселя мы еще вернемся. В заключение отметим, что существуют различные модификации IPS-матриц (Super IPS, Dual Domain IPS), позволяющие улучшить их характеристики.

MVA-матрицы

Доменная структура MVA-ячейки

MVA является развитием технологии VA, то есть технологии с вертикальным упорядочиванием молекул. В отличие от TN- и IPS-матриц, в данном случае используются жидкие кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией, которые ориентируются перпендикулярно к направлению линий электрического поля. В отсутствие напряжения между обкладками ЖК-ячейки все жидкокристаллические молекулы ориентированы вертикально и не оказывают никакого влияния на плоскость поляризации проходящего света. Поскольку свет проходит через два скрещенных поляризатора, он полностью поглощается вторым поляризатором и ячейка оказывается в закрытом состоянии, при этом, в отличие от TN-матрицы, возможно получение идеально черного цвета. Если к электродам, расположенным сверху и снизу, прикладывается напряжение, молекулы поворачиваются на 90°, ориентируясь перпендикулярно к линиям электрического поля. При прохождении плоскополяризованного света через такую структуру плоскость поляризации поворачивается на 90° и свет свободно походит через выходной поляризатор, то есть ЖК-ячейка оказывается в открытом состоянии. Достоинствами систем с вертикальным упорядочиванием молекул являются возможность получения идеально черного цвета (что, в свою очередь, сказывается на возможности получения высококонтрастных изображений) и малое время реакции пикселя. С целью увеличения углов обзора в системах с вертикальным упорядочиванием молекул используется мультидоменная структура, что и приводит к созданию матриц типа MVA. Смысл этой технологии заключается в том, что каждый субпиксел разбивается на несколько зон (доменов) с использованием специальных выступов, которые несколько меняют ориентацию молекул, заставляя их выравниваться по поверхности выступа. Это приводит к тому, что каждый такой домен светит в своем направлении (в пределах некоторого телесного угла), а совокупность всех направлений расширяет угол обзора монитора. К достоинствам MVA-матриц следует отнести высокую контрастность (благодаря возможности получения идеально черного цвета) и большие углы обзора (вплоть до 170°). В настоящее время существует несколько разновидностей технологии MVA, например PVA (Patterned Vertical Alignment) компании Samsung, MVA-Premium и др., которые в еще большей степени повышают характеристики MVA-матриц.

Яркость

Сегодня в ЖК-мониторах максимальная яркость, заявляемая в технической документации, составляет от 250 до 500 кд/м2. И если яркость монитора достаточна высока, то это обязательно указывается в рекламных буклетах и преподносится как одно из основных преимуществ монитора. Впрочем, как раз в этом кроется один из подводных камней. Парадокс заключается в том, что ориентироваться на цифры, указанные в технической документации, нельзя. Это касается не только яркости, но и контраста, углов обзора и времени реакции пикселя. Мало того, что они могут вовсе не соответствовать реально наблюдаемым значениям, иногда вообще трудно понять, что означают эти цифры. Прежде всего, существуют разные методики измерения, описанные в различных стандартах; соответственно измерения, проводимые по разным методикам, дают различные результаты, причем вы вряд ли сможете выяснить, по какой именно методике и как проводились измерения. Вот один простой пример. Измеряемая яркость зависит от цветовой температуры, но когда говорят, что яркость монитора составляет 300 кд/м2, то возникает вопрос: при какой цветовой температуре достигается эта самая максимальная яркость? Более того, производители указывают яркость не для монитора, а для ЖК-матрицы, что совсем не одно и то же. Для измерения яркости используются специальные эталонные сигналы генераторов с точно заданной цветовой температурой, поэтому характеристики самого монитора как конечного изделия могут существенно отличаться от заявленных в технической документации. А ведь для пользователя первостепенное значение имеют характеристики собственно монитора, а не матрицы. Яркость является для ЖК-монитора действительно важной характеристикой. К примеру, при недостаточной яркости вы вряд ли сможете играть в различные игры или просматривать DVD-фильмы. Кроме того, окажется некомфортной работа за монитором в условиях дневного освещения (внешней засветки). Однако делать на этом основании вывод, что монитор с заявленной яркостью 450 кд/м2 чем-то лучше монитора с яркостью 350 кд/м2, было бы преждевременно. Во-первых, как уже отмечалось, заявленная и реальная яркость - это не одно и то же, а во-вторых, вполне достаточно, чтобы ЖК-монитор имел яркость 200-250 кд/м2 (но не заявленную, а реально наблюдаемую). Кроме того, немаловажное значение имеет и тот факт, каким образом регулируется яркость монитора. С точки зрения физики регулировка яркости может производиться путем изменения яркости ламп подсветки. Это достигается либо за счет регулировки тока разряда в лампе (в мониторах в качестве ламп подсветки используются лампы дневного света с холодным катодом Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL), либо за счет так называемой широтно-импульсной модуляции питания лампы. При широтно-импульсной модуляции напряжение на лампу подсветки подается импульсами определенной длительности. В результате лампа подсветки светится не постоянно, а только в периодически повторяющиеся интервалы времени, но за счет инертности зрения создается впечатление, что лампа горит постоянно (частота следования импульсов составляет более 200 Гц). Очевидно, что, меняя ширину подаваемых импульсов напряжения, можно регулировать среднюю яркость свечения лампы подсветки. Кроме регулирования яркости монитора за счет лампы подсветки, иногда это регулировка осуществляется самой матрицей. Фактически, к управляющему напряжению на электродах ЖК-ячейки добавляется постоянная составляющая. Это позволяет полностью открывать ЖК-ячейку, но не позволяет полностью ее закрывать. В этом случае при увеличении яркости черный цвет перестает быть черным (матрица становится частично прозрачной даже при закрытой ЖК-ячейке).

Контрастность

Не менее важной характеристикой ЖК-монитора является его контрастность, которая определяется как отношение яркости белого фона к яркости черного фона. Теоретически контрастность монитора не должна зависеть от установленного на мониторе уровня яркости, то есть при любом уровне яркости измеренный контраст должен иметь одно и то же значение. Действительно, яркость белого фона пропорциональна яркости лампы подсветки. В идеальном случае отношение коэффициентов пропускания света ЖК-ячейкой в открытом и закрытом состоянии является характеристикой самой ЖК-ячейки, однако на практике это отношение может зависеть и от установленной цветовой температуры, и от установленного уровня яркости монитора. За последнее время контрастность изображения на цифровых мониторах заметно выросла, и сейчас этот показатель нередко достигает значения 500:1. Но и здесь все не так просто. Дело в том, что контраст может указываться не для монитора, а для матрицы. Впрочем, как показывает опыт, если в паспорте указывается контраст более 350:1, то этого вполне достаточно для нормальной работы.

Угол обзора

Максимальный угол обзора (как по вертикали, так и по горизонтали) определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения в центре составляет не менее 10:1. Некоторые производители матриц при определении углов обзора используют контрастность не 10:1, а 5:1, что также вносит некоторую путаницу в технические характеристики. Формальное определение углов обзора довольно туманно и, что самое главное, не имеет прямого отношения к правильности цветопередачи при просмотре изображения под углом. На самом деле для пользователей куда более важным обстоятельством является тот факт, что при просмотре изображения под углом к поверхности монитора происходит не падение контрастности, а цветовые искажения. К примеру, красный цвет превращается в желтый, а зеленый - в синий. Причем подобные искажения у разных моделей проявляются по-разному: у некоторых они становятся заметными уже при незначительном угле, много меньшем угла обзора. Поэтому сравнивать мониторы по углам обзора в принципе неправильно. Сравнить-то можно, но вот практического значения такое сравнение не имеет.

Время реакции пикселя

Типичная временная диаграмма включения пикселя для TN+Film-матрицы

Типичная временная диаграмма выключения пикселя для TN+Film-матрицы

Время реакции, или время отклика пикселя, как правило, указывается в технической документации на монитор и считается одной из важнейших характеристик монитора (что не совсем верно). В ЖК-мониторах время реакции пикселя, которое зависит от типа матрицы, измеряется десятками миллисекунд (в новых TN+Film-матрицах время реакции пикселя составляет 12 мс), а это приводит к смазанности меняющейся картинки и может быть заметно на глаз. Различают время включения и время выключения пикселя. Под временем включения пикселя понимается промежуток времени, необходимый для открытия ЖК-ячейки, а под временем выключения - промежуток времени, необходимый для ее закрытия. Когда же говорят о времени реакции пикселя, то понимают суммарное время включения и выключения пикселя. Время включения пикселя и время его выключения могут существенно различаться. Когда говорят о времени реакции пикселя, указываемом в технической документации на монитор, то имеют в виду время реакции именно матрицы, а не монитора. Кроме того, время реакции пикселя, указываемое в технической документации, различными производителями матриц трактуется по-разному. К примеру, один из вариантов трактовки времени включения (выключения) пикселя заключается в том, что это время изменения яркости пикселя от 10 до 90% (от 90 до 10%). До сих пор, говоря об измерении времени реакции пикселя, подразумевается, что речь идет о переключениях между черным и белым цветами. Если с черным цветом вопросов не возникает (пиксель просто закрыт), то выбор белого цвета не очевиден. Как будет меняться время реакции пикселя, если измерять его при переключении между различными полутонами? Этот вопрос имеет огромное практическое значение. Дело в том, что переключение с черного фона на белый или, наоборот, в реальных приложениях встречается сравнительно редко. В большинстве приложений реализуются, как правило, переходы между полутонами. И если время переключения между черным и белым цветами окажется меньше, чем время переключения между градациями серого, то никакого практического значения время реакции пикселя иметь не будет и ориентироваться на эту характеристику монитора нельзя. Какой же вывод можно сделать из вышеизложенного? Все очень просто: заявляемое производителем время реакции пикселя не позволяет однозначно судить о динамической характеристике монитора. Более правильно в этом смысле говорить не о времени переключения пикселя между белым и черным цветами, а о среднем времени переключения пикселя между полутонами.

Количество отображаемых цветов

Все мониторы по своей природе являются RGB-устройствами, то есть цвет в них получается за счет смешения в различных пропорциях трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Таким образом, каждый ЖК-пиксель состоит из трех цветных субпикселов. Кроме полностью закрытого или полностью открытого состояния ЖК-ячейки, возможны и промежуточные состояния, когда ЖК-ячейка частично открыта. Это позволяет формировать цветовой оттенок и смешивать цветовые оттенки базовых цветов в нужных пропорциях. При этом количество воспроизводимых монитором цветов теоретически зависит от того, сколько цветовых оттенков можно сформировать в каждом цветовом канале. Частичное открытие ЖК-ячейки достигается за счет подачи требуемого уровня напряжения на управляющие электроды. Поэтому количество воспроизводимых цветовых оттенков в каждом цветовом канале зависит от того, сколько различных уровней напряжений можно подавать на ЖК-ячейку. Для формирования произвольного уровня напряжения потребуется использование схем ЦАП с большой разрядностью, что крайне дорого. Поэтому в современных ЖК-мониторах чаще всего применяют 18-битные ЦАП и реже - 24-битные. При использовании 18-битной ЦАП на каждый цветовой канал приходится по 6 бит. Это позволяет сформировать 64 (26=64) различных уровня напряжения и соответственно получить 64 цветовых оттенка в одном цветовом канале. Всего же за счет смешения цветовых оттенков разных каналов возможно создание 262 144 цветовых оттенков. При использовании 24-битной матрицы (24-битная схема ЦАП) на каждый канал приходится по 8 бит, что позволяет сформировать уже 256 (28=256) цветовых оттенков в каждом канале, а всего такая матрица воспроизводит 16 777 216 цветовых оттенков. В то же время для многих 18-битных матриц в паспорте указывается, что они воспроизводят 16,2 млн. цветовых оттенков. В чем же тут дело и возможно ли такое? Оказывается, что в 18-битных матрицах за счет всяческих ухищрений можно приблизить количество цветовых оттенков к тому, что воспроизводится настоящими 24-битными матрицами. Для экстраполяции цветовых оттенков в 18-битных матрицах используются две технологии (и их комбинации): dithering (дизеринг) и FRC (Frame Rate Control). Суть технологии дизеринга заключается в том, что недостающие цветовые оттенки получают за счет смешения ближайших цветовых оттенков соседних пикселов. Рассмотрим простой пример. Предположим, что пиксель может находиться только в двух состояниях: открытом и закрытом, причем закрытое состояние пикселя формирует черный цвет, а открытое - красный. Если вместо одного пикселя рассмотреть группу из двух пикселов, то, кроме черного и красного, можно получить еще и промежуточный цвет, осуществив тем самым экстраполяцию от двухцветного режима к трехцветному. В результате если первоначально такой монитор мог генерировать шесть цветов (по два на каждый канал), то после такого дизеринга он будет воспроизводить уже 27 цветов. Схема дизеринга имеет один существенный недостаток: увеличение цветовых оттенков достигается за счет уменьшения разрешения. Фактически при этом увеличивается размер пикселя, что может негативно сказаться при прорисовке деталей изображения. Суть технологии FRC заключается в манипуляции яркостью отдельных субпикселов с помощью их дополнительного включения/выключения. Как и в предыдущем примере, считается, что пиксель может быть либо черным (выключен), либо красным (включен). Каждый субпиксел получает команду на включение с частотой кадровой развертки, то есть при частоте кадровой развертки 60 Гц каждый субпиксел получает команду на включение 60 раз в секунду. Это позволяет генерировать красный цвет. Если же принудительно заставлять включаться пиксель не 60 раз в секунду, а только 50 (на каждом 12-м такте производить не включение, а выключение пикселя), то в результате яркость пикселя составит 83% от максимальной, что позволит сформировать промежуточный цветовой оттенок красного. Оба рассмотренных метода экстраполяции цвета имеют свои недостатки. В первом случае - это возможное мерцание экрана и некоторое увеличение времени реакции, а во втором - вероятность потери деталей изображения. Отличить на глаз 18-битную матрицу с экстраполяцией цвета от истинной 24-битной довольно сложно. При этом стоимость 24-битной матрицы значительно выше.

Принцип действия TFT-LCD дисплеев

Общий принцип формирования изображения на экране хорошо иллюстрирует рис. 1. А вот как управлять яркостью отдельных субпикселей? Новичкам обычно объясняют так: за каждым субпикселем стоит жидкокристаллическая заслонка. В зависимости от приложенного к ней напряжения она пропускает больше или меньше света от задней лампы подсветки. И все сразу представляют себе некие заслонки на маленьких петельках, которые поворачиваются на нужный угол... примерно так:

На самом деле, конечно, всё гораздо сложнее. Нет никаких материальных заслонок на петлях. В реальной жидкокристаллической матрице световой поток управляется примерно так:

Свет от лампы подсветки (идём по картинке снизу вверх) первым делом проходит сквозь нижний поляризующий фильтр (белая заштрихованная пластина). Теперь это уже не обычный поток света, а поляризованный. Дальше свет проходит через полупрозрачные управляющие электроды (жёлтые пластинки) и встречает на своём пути слой жидких кристаллов. Изменением управляющего напряжения поляризацию светового потока можно менять на величину до 90 градусов (на картинке слева), или оставлять неизменной (там же справа). Внимание, начинается самое интересное! После слоя жидких кристаллов расположены светофильтры и тут каждый субпиксель окрашивается в нужный цвет – красный, зелёный или синий. Если посмотреть на экран, убрав верхний поляризующий фильтр – мы увидим миллионы светящихся субпикселей – и каждый светится с максимальной яркостью, ведь наши глаза не умеют различать поляризацию света. Иными словами, без верхнего поляризатора мы увидим просто равномерное белое свечение по всей поверхности экрана. Но стоит поставить верхний поляризующий фильтр на место – и он «проявит» все изменения, которые произвели с поляризацией света жидкие кристаллы. Некоторые субпиксели так и останутся ярко светящимися, как левый на рисунке, у которого поляризация была изменена на 90 градусов, а некоторые погаснут, ведь верхний поляризатор стоит в противофазе нижнему и не пропускает света с дефолтной (той, что по умолчанию) поляризацией. Есть и субпиксели с промежуточной яркостью – поляризация потока света, прошедшего через них, была развёрнута не на 90, а на меньшее число градусов, например, на 30 или 55 градусов.

Плюсы и минусы

Литература

• А.В.Петроченков “Hardware-компьютер и периферия “, -106стр.ил.
• В.Э.Фигурнов “IBM PC для пользователя “, -67стр.
• “HARD "n" SOFT “ (компьютерный журнал для широкого круга пользователей) №6 2003г.
• Н.И.Гурин “Работа на персональном компьютере “,-128стр.

Здравствуйте, уважаемые читатели блога сайт. Сегодня поговорим об устройстве жидкокристаллического (жк) монитора, точнее о его дисплее. Ведь именно экран монитора, это то место, на которое мы с вами дольше всего смотрим при работе за компьютером.

Надо сказать, современные жидкокристаллические мониторы в значительной степени отличаются от своих "предшественников" - ЭЛТ мониторов (мониторов с электронно-лучевыми трубками), которые сейчас уже нигде не продаются. Вообще, мониторы с электронно-лучевой трубкой стали активно исчезать с прилавков магазинов электроники уже начиная года так с 2007. И это было обусловлено рядом причин, о которых будет сказано чуть ниже.

Рано или поздно это должно было произойти, я имею ввиду массовый переход на жидкокристаллические мониторы, несмотря на скептическое отношение к ним большинства пользователей, уже владеющих ЭЛТ. И действительно, первые модели ЖК мониторов обладали рядом недостатков, которых лишены современные модели, и главным недостатком пожалуй были очень небольшие углы обзора, в основном по горизонтали. Картинка инвертировалась и уходила в негатив буквально при малейшем отклонении головы от положения, когда взгляд падал строго перпендикулярно плоскости экрана.

Вторым аргументом "в пользу" мониторов с электронно-лучевыми трубками служило то, что жк мониторы на первых порах обладали действительно малым временем отклика матрицы, причем это было заметно невооруженным взглядом, когда динамическая смена картинки (например при просмотре фильма) сопровождалась всевозможными шлейфами и артефактами на экране.

Но почему же несмотря на "сырость" тогдашних ЖК мониторов, они все же получили массовую популярность? Я думаю дело в том, что ЭЛТ тоже не были лишены недостатков, они имели большие габариты, часто их глубина (толщина) была примерно равна диагонали самого экрана. К тому же, длительное пребывание за ними приводило к быстрому утомлению, в основном из-за мерцания и интенсивного электромагнитного излучения. Ну а поскольку прогресс идет в направлении уменьшения устройств и их технологического совершенствования, то логично было бы предсказать такую популярность, какую на сегодняшний день имеют LCD мониторы.

Главное отличие ЭЛТ от ЖК мониторов

В основе работы ЭЛТ монитора лежит специальная стеклянная трубка, внутри которой вакуум. Так же, внутри стеклянной колбы находятся электронные пушки, испускающие поток заряженных частиц (электронов).

Эти электроны заставляют светиться точки люминофора, которым тонким слоем изнутри покрыта передняя стенка электронно-лучевой трубки. То есть энергия электронов превращается в свет, вот эти самые светящиеся точки и формируют изображение.

Принцип работы ЖК монитора совершенно иной. Здесь уже нет никаких трубок, а изображение формируется совершенно другим способом. Жидкокристаллические дисплеи уже имеют в своем названии указание на то, с помощью чего создается изображение на экране. Да да, именно жидкие кристаллы, которые были открыты еще в 1888 году, играют ключевую роль в формировании картинки.

Устройство LCD монитора больше напоминает слоеный пирог, каждый слой имеет свое назначение. Итак, можно выделить несколько слоев, из которых и состоит наш монитор.

Первый слой - это система подсветки ЖК матрицы, она может быть выполнена с применением люминесцентных ламп с холодным катодом, либо светодиодов. Вторым слоем идет рассеивающий фильтр, который позволяет повысить уровень равномерности подсветки всей матрицы. Далее идет первый вертикальный поляризационный фильтр, который пропускает только вертикально направленные световые волны. Четвертым слоем представлена сама матрица, представляющая собой две прозрачные стеклянные пластины, между которыми расположены молекулы поляризационного вещества - жидкие кристаллы. Пятым слоем идут специальные цветофильтры, отвечающие за окрас каждого субпикселя. Ну и последним слоем идет второй, уже горизонтальный поляризационный фильтр, который, как вы уже наверное догадались, пропускает только лишь горизонтальные волны. Вот и все устройство ЖК монитора. Разберем подробнее.

В жидкокристаллической матрице каждый кристалл отвечает за определенную точку в изображении на экране. Когда монитор работает, свет от системы подсветки проходит через слой жидких кристаллов и зритель видит некую "мозаику" из пикселей, окрашенных в разные цвета. Каждый пиксель состоит из трех субпикселей, красного, зеленого и синего.

С помощью этих трех базовых цветов экран способен отображать до 17 млн. различных оттенков цветов. Такая глубина цвета достигается различным количеством света, проходящего через каждый пиксель. 17 миллионов возможных сочетаний - 17 млн. возможных цветов.

Даже видео имеется, где крупным планом показана структура пикселей LCD монитора.

Любой свет, как известно, имеет направление, поскольку это еще и электромагнитная волна, она еще имеет поляризацию. Луч может быть вертикальным, горизонтальным, иметь любой промежуточный угол.

Очень важно, учитывая, что первый фильтр пропускает только вертикально направленные лучи. Излучение проходит сквозь каждый субпиксель и достигает второго поляризационного фильтра, который пропускает только горизонтальные лучи. Иначе говоря, не весь свет, излученный системой подсветки способен дойти до пользователя.

Кристаллы изменяют поляризацию световой волны , чтобы она прошла через второй фильтр. Вообще, жидкие кристаллы - крайне интересная субстанция. Их молекулы действительно ведут себя, как молекулы жидкого вещества, находясь в постоянном движении. Но как и положено кристаллам, их ориентация остается неизменной.

Модуль поиска не установлен.

Жидкокристаллические дисплеи(технологии TN, TN+Film и TFT)

Сергей Ярошенко

Непрерывно возрастающее количество пользователей меняют свои ЭЛТ-мониторы на LCD. Если для 19-дюймовых ЭЛТ-мониторов значительный размер корпуса, комфортно не помещавшийся на офисный стол, привел к фатальным последствиям, то снижение цены и минимальные размеры 19-дюймовых LCD-собратьев сегодня повышают их привлекательность.

Принцип работы LCD-мониторов (Liquid Crystal Display - жидкокристаллический дисплей) основан на использовании вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда назвали "жидкими кристаллами".

Происхождение LCD-мониторов

Жидкокристаллические материалы были открыты в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Дальше патента дело не пошло, поскольку в то время технологическая база была еще слишком слаба для создания надежных и функциональных устройств. Первый прорыв совершили ученые Фергесон и Вильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. В результате, в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала цифровые часы с LCD-прототипом.

Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Именно этой корпорацией:

В 1964 году был произведен первый в мире калькулятор CS10A;
- в 1975 году по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы;
- в 1976 году был выпущен черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселей.

Принцип работы LCD-дисплеев

Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию, и вследствие этого, изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них.

Экран LCD-монитора представляет собой массив сегментов (пикселей), которыми можно манипулировать для отображения информации. Дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Между панелями находится тонкий слой жидких кристаллов. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, придавая им нужную ориентацию. На каждой панели бороздки параллельны, а между панелями перпендикулярны. Продольные бороздки образуются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы жидких кристаллов принимают одинаковую ориентацию. Стеклянные панели расположены очень близко друг к другу. Они освещаются источником света (в зависимости от того, где он расположен, LCD-дисплеи работают на отражение или на прохождение света). При прохождении панели плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90°. Появление электрического тока заставляет молекулы жидких кристаллов выстраиваться вдоль электрического поля, а угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90°.

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникает необходимость добавить к стеклянным панелям еще два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному направлению поляризации. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, т.к. первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем.

В присутствии электрического поля поворот вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для света. Если разность потенциалов будет такова, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, а дисплей будет казаться черным.

Расположив большое число электродов, создающих электрические поля в локальных местах дисплея (ячейки), получим возможность (при правильном управлении потенциалами этих электродов) отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Технологические новшества позволили ограничить размеры электродов до точки, соответственно, на одной и той же площади панели стало возможным расположить большее число электродов, что увеличивало разрешение LCD-монитора и позволяло отображать сложные изображения в цвете.

Для формирования цветного изображения LCD-дисплей подсвечивали сзади. Цвет получался в результате использования трех фильтров, которые выделяли из белого света три основные компоненты. Комбинируя эти компоненты для каждой точки (пикселя) дисплея, появилась возможность воспроизвести любой цвет.

Пассивная (passive matrix) и активная матрицы (active matrix)

Функциональные возможности LCD-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея.

В случае с пассивной матрицей электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея. В результате разряда емкостей ячеек изображение исчезает, т. к. кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. Из-за большой электрической емкости ячеек напряжение на них не способно изменяться быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно.

В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (0 или 1), и в результате изображение сохраняется только до тех пор, пока не поступит другой сигнал.

Тусклые и "тормозные" жидкокристаллические мониторы с пассивной матрицей давно ушли в прошлое, в магазинах можно встретить лишь модели на основе активной матрицы, обеспечивающей яркое, четкое изображение.

При использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы производят из прозрачных материалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки - Thin Film Transistor (TFT).

Технология изготовления TN

Исторически первой технологией изготовления LCD-дисплеев была т.н. технология Twisted Nematic (TN). Название произошло из-за того, что в выключенном состоянии кристаллы в ячейках образовывали спираль. Эффект возникал в результате размещения кристаллов между выравнивающими панелями с бороздками, направленными перпендикулярно друг другу. При приложении электрического поля все кристаллы выстраивались одинаково, т.е. спираль распрямлялась, а при снятии кристаллы вновь стремились ориентироваться вдоль бороздок.

У TN-дисплеев было несколько существенных недостатков:

Во-первых, естественным состоянием дисплея, когда кристаллы образуют спираль, было прозрачное, т.е. она пропускала свет. Благодаря этому, при выходе из строя одного из тонкопленочных транзисторов свет беспрепятственно выходил наружу, образуя весьма заметную постоянно горящую точку;
- во-вторых, развернуть все жидкие кристаллы перпендикулярно фильтру оказалось практически невозможно, поэтому контрастность таких дисплеев оставляла желать лучшего, а уровень черного мог превышать 2 кд/м2 . Такой цвет выглядел как темно-серый, но отнюдь не как черный;
- в-третьих, низкая скорость реакции, первые дисплеи имели время отклика около 50 мс. Впрочем, второй и третий недостатки удалось преодолеть с внедрением технологии Super Twisted Nematic (STN), которая позволила уменьшить время отклика до 30 мс.
- в-четвертых, маленькие углы обзора, всего около 90°. Однако нанесение на поверхность экрана полимерной пленки с большим показателем преломления позволило расширить углы обзора до 120-160° без существенного изменения технологии. Такие дисплеи получили название TN+Film.

Технология изготовления STN

Технология STN позволяла увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивало лучшую контрастность изображения при увеличении размеров панели.

Режим DSTN. Часто STN-ячейки использовались в паре. Такая конструкция называлась Double Super Twisted Nematic (DSTN). В ней одна двухслойная DSTN-ячейка состояла из 2 STN-ячеек, молекулы, которых при работе поворачивались в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в "запертом" состоянии, терял большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN-дисплеев повысилась, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходилось три LCD-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не были способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки - их обязательный атрибут.

Для многих жидкокристаллические дисплеи (LCD) ассоциируются, прежде всего, с плоскими мониторами, "крутыми" телевизорами, ноутбуками, видеокамерами и сотовыми телефонами. Некоторые добавят сюда КПК, электронные игры, банковские автоматы. Но существует еще множество областей, где необходимы дисплеи с высокой яркостью, прочной конструкцией, работающие в широком диапазоне температур.

Плоские дисплеи нашли применение там, где критичными параметрами являются минимальные энергопотребление, вес и габариты. Машиностроение, автомобильная промышленность, железнодорожный транспорт, морские буровые установки, горное оборудование, наружные торговые точки, авиационная электроника, морской флот, специальные транспортные средства, системы безопасности, медицинское оборудование, вооружение - вот далеко не полный перечень применений жидкокристаллических дисплеев.

Постоянное развитие технологий в этой области позволило снизить стоимость производства LCD до такого уровня, при котором произошел качественный переход: дорогая экзотика стала обыденным явлением. Важным фактором быстрого распространения ЖК-дисплеев в промышленности стала и простота применения.

В этой статье рассматриваются основные параметры различные типов жидкокристаллических дисплеев, что позволит сделать осознанный и правильный выбор LCD для каждого конкретного применения (метод "побольше и подешевше" практически всегда оказывается слишком дорогим).

Все многообразие ЖК-дисплеев можно разделить на несколько типов в зависимости от технологии производства, конструкции, оптических и электрических характеристик.

Технология

В настоящее время при производстве LCD применяются две технологии (рис.1): пассивная матрица (PMLCD-STN) и активная матрица (AMLCD).

Технологии MIM-LCD и Diode-LCD не получили широкого распространения и поэтому не будем на них тратить время.

Рис. 1. Виды технологий жидкокристаллических дисплеев

STN (Super Twisted Nematic)- матрица, состоящая из ЖК-элементов с изменяемой прозрачностью.

TFT (Thin Film Transistor)- активная матрица, в которой каждый пиксел управляется отдельным транзистором.

По сравнению с пассивной матрицей, TFT LCD имеет более высокую контрастность, насыщенность, меньшее время переключения (нет "хвостов" у движущихся объектов).

Управление яркостью в жидкокристаллическом дисплее основано на поляризации света (курс общей физики): свет поляризуется, проходя через поляризационный фильтр (с определенным углом поляризации). При этом наблюдатель видит только снижение яркости света (почти в 2 раза). Если за этим фильтром поставить еще один такой фильтр, то свет будет полностью поглощаться (угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу поляризации первого) или полностью проходить (углы поляризации совпадают). При плавном изменении угла поляризации второго фильтра интенсивность проходящего света будет также плавно изменяться.

Принцип действия и "бутербродная" структура всех TFT LCD примерно одинакова (рис. 2). Свет от лампы подсветки (неоновая или светодиоды) проходит через первый поляризатор и попадает в слой жидких кристаллов, управляемых тонкопленочным транзистором (TFT). Транзистор создает электрическое поле, которое формирует ориентацию жидких кристаллов. Пройдя такую структуру, свет меняет свою поляризацию и будет - или полностью поглощен вторым поляризационным фильтром (черный экран), или не будет поглощаться (белый), или поглощение будет частичным (цвета спектра). Цвет изображения определяют цветовые фильтры (аналогично электронно-лучевым трубкам, каждый пиксел матрицы состоит из трех субпикселов - красного, зеленого и голубого).

Рис. 2. Структура TFT LCD

Пиксел TFT

Цветные фильтры для красного, зелёного и синего цветов интегрированы в стеклянную основу и расположены близко друг к другу. Это может быть вертикальная полоса, мозаичная структура или дельта-структура (рис. 3). Каждый пиксел (точка) состоит из трёх ячеек указанных цветов (субпикселей). Это означает, что при разрешении m x n активная матрица содержит 3m x n транзисторов и субпикселов. Шаг пиксела (с тремя субпикселами) для 15.1" TFT ЖК-дисплея (1024 x 768 точек) составляет примерно 0.30 мм, а для 18.1" (1280 x 1024 точки)- 0.28 мм. TFT LCD имеют физическое ограничение, которое определяется максимальной площадью экрана. Не ждите разрешения 1280 x 1024 при диагонали 15" и шаге точки 0.297 мм.

Рис. 3. Структура цветного фильтра

На близком расстоянии точки явственно различимы, но это не беда: при формировании цвета используется свойство человеческого глаза смешивать цвета при угле зрения менее 0,03°. На расстоянии 40 см от ЖК-дисплея при шаге между субпикселами 0,1 мм угол зрения составит 0,014° (цвет каждого субпиксела различит только человек с орлиным зрением).

Типы ЖК-дисплеев

TN (Twist Nematic) TFT или TN+Film TFT - первая технология, появившаяся на рынке ЖК-дисплеев, основное достоинство которой& - дешевизна. Недостатки: черный цвет больше похож на темно-серый, что приводит к низкой контрастности изображения, "мертвые" пиксели (при выходе из строя транзистора) очень яркие и заметные.

IPS (In-Pane Switching) (Hitachi) или Super Fine TFT (NEC, 1995 год). Характеризуется наибольшим углом обзора и высокой точностью цветопередачи. Угол обзора расширен до 170°, остальные функции - как у TN+Film (время отклика порядка 25мс), практически идеальный черный цвет. Преимущества: хорошая контрастность, "мертвый" пиксель - черный.

Super IPS (Hitachi), Advansed SFT (производитель - NEC). Достоинства: яркое контрастное изображение, искажения цвета почти незаметны, увеличены углы обзора (до 170° по вертикали и по горизонтали) и обеспечена исключительная четкость.

UA-IPS (Ultra Advanced IPS), UA-SFT (Ultra Advanced SFT) (NEC). Время реакции достаточно для обеспечения минимальных искажений цвета при просмотре экрана под разными углами, повышенная прозрачность панели и расширение цветовой гаммы при достаточно высоком уровне яркости.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) (Fujitsu).Основное преимущество - наименьшее время реакции и высокая контрастность. Главный недостаток - высокая стоимость.

PVA (Patterned Vertical Alignment) (Samsung). Микроструктурное вертикальное размещение ЖК.

Конструкция

Конструкция жидкокристаллического дисплея определяется расположением слоев в "бутерброде" (включая и светопроводящий слой) и имеет наибольшее значение для качества изображения на экране (в любых условиях: от темного помещения до работы при солнечном свете). В настоящее время используются три основных типа цветных LCD:

• пропускающий (transmissive), предназначенный в основном для оборудования, работающего в помещении;
• отражающий (reflective) применяется в калькуляторах и часах;
• проекционный (projection) используется в ЖК-проекторах.

Компромиссной разновидностью пропускающего типа дисплея для работы, как в помещении, так и при внешнем освещении, является полупрозрачный (transflective) тип конструкции.

Пропускающий тип дисплея (transmissive) . В этом типе конструкции свет поступает сквозь жидкокристаллическую панель с задней стороны (подсветка) (рис. 4).По этой технологии сделаны большинство ЖК-дисплеев, используемых в ноутбуках и карманных компьютерах. Transmissive LCD имеет высокое качество изображения в помещении и низкое (черный экран) при солнечном свете, т.к. отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, излучаемый подсветкой. Эта проблема решается (в настоящее время) двумя способами: увеличением яркости задней подсветки и уменьшением количества отраженного солнечного света.

Рис. 4. Конструкция жидкокристаллического дисплея пропускающего типа

Для работы при дневном освещении в тени необходима лампа подсветки, обеспечивающая 500 кд/м2, при прямом солнечном свете - 1000 кд/м 2 . Яркости в 300 кд/м 2 можно добиться путем предельного увеличения яркости одной лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) или добавлением второй лампы, расположенной напротив. Модели жидкокристаллических дисплеев с повышенной яркостью используют от 8 до 16 ламп. Однако увеличение яркости подсветки увеличивает расход энергии батарей (одна лампа подсветки потребляет около 30% энергии, используемой устройством). Следовательно, экраны с повышенной яркостью можно использовать только при наличии внешнего источника питания.

Уменьшение количества отраженного света достигается нанесением антиотражающего покрытия на один или несколько слоев дисплея, заменой стандартного поляризационного слоя на минимально отражающий, добавлением пленок, повышающих яркость и, таким образом, увеличивающих эффективность источника света. В ЖК-дисплеях Fujitsu преобразователь заполняется жидкостью с коэффициентом рефракции, равным коэффициенту рефракции сенсорной панели, что значительно сокращает количество отраженного света (но сильно сказывается на стоимости).

Полупрозрачный тип дисплея (transflective) похож на пропускающий, но у него между слоем жидких кристаллов и подсветкой имеется т. н. частично отражающий слой (рис.5). Он может быть или частично серебряным, или полностью зеркальным со множеством маленьких отверстий. Когда такой экран используется в помещении, он работает аналогично transmissive LCD, в котором часть освещения поглощается отражающим слоем. При дневном освещении солнечный свет отражается от зеркального слоя и освещает слой ЖК, при этом свет проходит жидкие кристаллы дважды (внутрь, а затем наружу). Как следствие, качество изображения при дневном освещении ниже, чем при искусственном освещении в помещении, когда свет проходит LCD один раз.

Рис. 5. Конструкция жидкокристаллического дисплея полупрозрачного типа

Баланс между качеством изображения в помещении и при дневном освещении достигается подбором характеристик пропускающего и отражающего слоев.

Отражающий тип дисплея (reflective) имеет полностью отражающий зеркальный слой. Все освещение (солнечный свет или свет передней подсветки) (рис. 6), проходит сквозь ЖКИ, отражается от зеркального слоя и снова проходит сквозь ЖКИ. В этом случае качество изображения у дисплеев отражающего типа ниже, чем у полупропускающего (так как в обоих случаях используются сходные технологии). В помещении передняя подсветка не так эффективна, как задняя, и, соответственно, качество изображения - ниже.

Рис. 6. Конструкция жидкокристаллического дисплея отражающего типа

Основные параметры жидкокристаллических панелей

Разрешение. Цифровая панель, число пикселей в которой строго соответствует номинальному разрешению, должна корректно и быстро масштабировать изображение. Простой способ проверки качества масштабирования - изменение разрешения (на экране текст, написанный мелким шрифтом). По контурам букв легко заметить качество интерполяции. Качественный алгоритм дает ровные, но немного размытые буквы, тогда как быстрая целочисленная интерполяция обязательно вносит искажения. Быстродействие - второй параметр разрешения (для масштабирования одного кадра требуется время на интерполяцию).

Мертвые пиксели. На плоской панели могут не работать несколько пикселей (они всегда одного цвета), которые появляются в процессе производства и восстановлению не подлежат.

Стандарт ISO 13406-2 определяет предельные значения количества дефектных пикселов на миллион. В соответствии с таблицей ЖК-панели делятся на 4 класса.

Таблица 1

Угол обзора. Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Но в первую очередь при изменении угла обзора от 90(видны искажения цвета. Поэтому, чем больше угол обзора, тем лучше. Различают горизонтальный и вертикальный угол обзора, рекомендуемые минимальные значения - 140 и 120 градусов соответственно (наилучшие углы обзора даёт технология MVA).

Время отклика (инерционность)- время, за которое транзистор успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов (чем меньше, тем лучше). Для того чтобы быстро движущиеся объекты не казались смазанными, достаточно времени отклика 25 мс. Этот параметр состоит из двух величин: времени на включение пикселя (come-up time) и времени на выключение (come-down time). Время отклика (точнее, время выключения как наибольшее время, за которое отдельный пиксель максимально изменяет свою яркость) определяет частоту обновления изображения на экране

FPS = 1 с/время отклика.

Яркость - преимущество ЖК-дисплея, которая в среднем в два раза выше показателей ЭЛТ: с увеличением интенсивности лампы подсветки сразу возрастает яркость, а в ЭЛТ необходимо усиливать поток электронов, что приведёт к значительному усложнению её конструкции и повысит электромагнитное излучение. Рекомендуемое значение яркости - не менее 200 кд/м 2 .

Контрастность определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Основная проблема заключается в сложности получения точки чёрного цвета, т.к. лампа подсветки включена постоянно и для получения тёмных тонов используется эффект поляризации. Чёрный цвет зависит от качества перекрытия светового потока подсветки.

ЖК-дисплеи как сенсоры. Снижение стоимости и появление моделей LCD, работающих в жестких условиях эксплуатации, позволило совместить в одном лице (в лице жидкокристаллического дисплея) средство вывода визуальной информации и средство ввода информации (клавиатура). Задача построения такой системы упрощается использованием контроллера последовательного интерфейса, который подключается, с одной стороны, к ЖК-дисплею, а с другой - непосредственно к последовательному порту (СОМ1 - СОМ4) (рис.7). Для управления, декодирования сигналов и подавления "дребезга" (если так можно назвать определение прикосновения) применяется PIC-контроллер (например, IF190 фирмы Data Display), обеспечивающий высокое быстродействие и точность определения точки прикосновения.

Рис. 7. Блок-схема TFT LCD на примере NL6448BC-26-01 дисплея фирмы NEC

Завершим на этом теоретические изыскания и перейдем к реалиям сегодняшнего дня, а точнее - к тому, что имеется сейчас на рынке жидкокристаллических дисплеев. Среди всех изготовителей TFT LCD рассмотрим продукцию NEC, Sharp, Siemens и Samsung. Выбор этих фирм обусловлен

1. лидерством на рынке ЖК-дисплеев и технологий производства TFT LCD;
2. доступностью продукции на рынке стран СНГ.

Компания NEC Corporation выпускает жидкокристаллические дисплеи (20% рынка) практически с момента их появления и предлагает не только широкий выбор, но и различные варианты исполнения: стандартный (Standard), специальный (Special) и особый (Specific). Стандартный вариант - компьютеры, офисное оборудование, домашняя электроника, коммуникационные системы и т.п. Специальное исполнение применяется на транспорте (любом: наземном и морском), системах управления движением, системах безопасности, медицинском оборудовании (не связанном с системами жизнеобеспечения). Для систем вооружений, авиации, космического оборудования, систем управления ядерными реакторами, систем жизнеобеспечения и других аналогичных предназначен особый вариант исполнения (понятно, что стоит это недешево).

Перечень выпускаемых ЖК-панелей для промышленного применения (инвертер для лампы подсветки поставляется отдельно) приведен в таблице 2, а блок-схема (на примере 10-дюймового дисплея NL6448BC26-01)- на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид дисплея

Таблица 2. Модели ЖК-панелей фирмы NEC

Сыграла значительную роль в развитии LCD-технологий. Компания Sharp и сейчас находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. В 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселов. Краткий перечень продукции - в таблице 3.

Таблица 3. Модели ЖК-панелей фирмы Sharp

Выпускает жидкокристаллические дисплеи с активной матрицей на низкотемпературных поликремниевых тонкопленочных транзисторах. Основные характеристики дисплеев с диагональю 10,5" и 15" приведены в таблице 4. Обратите внимание на диапазон рабочих температур и стойкость к ударам.

Таблица 4. Основные характеристики ЖК-дисплеев фирмы Siemens

Примечания:

I - встроенный инвертор l - в соответствии с требованиями стандарта MIL-STD810

Фирма выпускает жидкокристаллические дисплеи под торговой маркой "Wiseview™". Начав с выпуска 2-дюймовой TFT панели для поддержки Интернета и анимации в мобильных телефонах, Samsung теперь производит гамму дисплеев от 1,8" до 10,4" в сегменте малых и средних TFT LCD, причем некоторые модели предназначены для работы при естественном освещении (таблица 5).

Таблица 5. Основные характеристики ЖК-дисплеев Samsung малых и средних размеров

Примечания:

LED - светодиодная; CCFL - флуоресцентная лампа с холодным катодом;

В дисплеях используется технология PVA.

Выводы.

В настоящее время выбор модели жидкокристаллического дисплея определяется требованиями конкретного применения и в значительно меньшей степени - стоимостью LCD.