Из серии «Взгляд изнутри» речь зашла о повседневных вещах, но, не смотря на обилие материала, полученного в этом направлении в течение прошедшего месяца, всё-таки давайте вернёмся к тематике, связанной с IT.
Специально ко Дню Защитника Отечества на препарационный стол легли LCD и E-Ink дисплеи, которые, так или иначе, достались мне в несколько побитом жизнью виде.
Как Антон кидал телефон об стену, а также о результатах скрупулёзного разбора дисплеев читайте под катом.
Так начинается известная песня группы Уматурман. Так же начинается и история с исследованием дисплеев. После первой публикации на Хабре пришёл ко мне мой друг-аспирант ФНМ МГУ и говорит: «Я тут свой мобильник разбил, не хочешь ли ты его распилить?» Я удивился, потому что этот человек всегда носил с собой китаефон, который я считал практически не убиваемым. Придя однажды домой, Антон по привычке кинул телефон в шкаф, но, видимо, что-то не рассчитав попал аккурат дисплеем в ребро полки.
Осознавая свои смехотворные потери от утраты мобильного и ввиду общего плохого настроения в тот день, он поступил, как истинный джентльмен, швыряя вновь и вновь бездыханное тело телефона о бетонную стену. Когда же останки дошли до меня, то половина китаефона просто отсутствовала, дисплей был покрыт мелкой паутинкой трещин.
Пришлось отложить его до лучших времён (как я тогда полагал, пока кто-нибудь таким же образом не поступит с iPhone или другим сенсорным смартфоном) и начать заниматься HDD и CD, потом лампочками, флешками и т.д.
Через некоторое время уже мой сосед приносит мне треснувший E-Ink дисплей. Его друг разбил тонкое стекло в небезызвестной читалке с порядковым номером 601 во время игры в страйкбол, кажется, и отдал читалку практически даром для ремонта и восстановления.
Вот это уже было интереснее, две технологии можно сравнить между собой, попытаться разглядеть RGB-субпиксели и микрокапсулы, в которых плавают заряженные частицы. Но я надеялся на получение смартфона с ёмкостным сенсором, чтобы сравнить заодно его и резистивный сенсор китаефона.
И вот Василий (научный коллега по одной из лабораторий факультета), приехав к нам на ХимФак из Черноголовки и увидев, чем я собственно занимаюсь с электронным микроскопом, сказал, что готов пожертвовать телефон известного корейского производителя с несколько побитым дисплеем для разборки и распила с пометкой «ради науки ничего не жалко».
Несмотря на все заверения, что сенсор ёмкостной, он оказался резистивным, пусть и более продвинутой конструкции, нежели сенсорная панель китаефона. Из этого телефона была добыта важная деталь, которая ждёт своего часа распила – матрица фото/видео камеры…
Всё это стало возможным, благодаря открытиям вековой давности (жидкие кристаллы открыты в 1888 году) и развитию технологий в последние 30-40 лет (1968 год – устройство для отображения информации, использовавшее ЖК, 1970-е – общедоступность жидких кристаллов). Многое о жидких кристаллах и ЖК-мониторах можно подчерпнуть на Wiki.
Итак, практически любой ЖК-монитор состоит из следующих основных частей: активной матрицы, представляющей собой набор транзисторов, с помощью которых и формируется изображение, слоя жидких кристаллов со светофильтрами, которые либо пропускают свет, либо нет, и системы подсветки, которую на сегодняшний день стараются полностью перевести на светодиоды. Хотя на моём «стареньком» Asus G2S дисплей великолепного качества подсвечивается именно люминесцентными лампами.
Как это всё работает? Свет, поступая от источника (LED или лампы) через специальную прозрачную пластину-волновод, рассеивается таким образом, чтобы вся матрица имела равную освещённость по всей свой площади. Далее фотоны проходят поляризационный фильтр, который пропускает только волны с заданной поляризацией . Затем проникнув через стеклянную подложку, на которой находится активная матрица из тонкоплёночных транзисторов, свет попадает на молекулу жидкого кристалла.
Эта молекула получает «команду» от нижележащего транзистора, на какой угол повернуть поляризацию световой волны, чтобы она, пройдя сквозь ещё один поляризационный фильтр, задала интенсивность свечения отдельного субпиксела. А за окраску субпиксела отвечает слой светофильтров (красных, зелёных или синих). Смешиваясь, волны от трёх невидимых глазу человека субпикселей формируют пиксел изображения заданного цвета и интенсивности.
а) Схематическое устройство LCD дисплея, б) устройство жидкокристаллической плёнки в деталях.
Очень наглядно, как мне кажется, это продемонстрировано в ролике компании Sharp :
Помимо хорошо зарекомендовавшей себя технологии LCD + TFT (thin-film transistors – тонкоплёночные транзисторы) существует активно продвигаемая технология органических светодиодов OLED + TFT, то есть AMOLED – active matrix OLED. Основное отличие последней заключается в том, что роль поляризатора, слоя ЖК и светофильтров играют органические светодиоды трёх цветов.
По сути, это молекулы, способные при протекании электрического тока испускать свет, а в зависимости от количества протекшего тока менять интенсивность окраски, подобно тому, как это происходит в обычных LED. Убрав поляризаторы и ЖК из панели, мы потенциально можем сделать её более тонкой, а самое главное – гибкой!
Очень подробное описание танчскринов или сенсорных панелей дано (источник когда-то жил , но почему-то исчез), поэтому я не буду описывать все типы сенсорных панелей, остановлюсь лишь на двух основных: резистивном и ёмкостном.
Начнём с резистивного сенсора. Состоит он из 4 основных компонент: стеклянной панели (1), как носителя всей сенсорной панели, двух прозрачных полимерных мембран с резистивным покрытием (2, 4), слоя микроизоляторов (3), разделяющих эти мембраны, и 4, 5 или 8 проводков, которые и отвечают за «считывание» касания.
Схема устройства резистивного сенсора
Когда мы нажимаем на такой сенсор с определённой силой, то происходит соприкосновение мембран, электрическая цепь замыкается, как показано на рисунке ниже, измеряется сопротивление, которое впоследствии пересчитывается в координаты:
Принцип расчёта координат для 4-х проводного резистивного дисплея ()
Всё предельно просто.
Важно помнить две вещи: а) резистивные сенсоры на многих китайских телефонах не отличаются высоким качеством, это может быть связано как раз с неравномерностью расстояния между мембранами или некачественными микроизоляторами, то есть «мозг» телефона не может адекватно пересчитать измеренные сопротивления в координаты; б) такой сенсор требует именно нажатия, продавливания одной мембраны до другой.
Ёмкостные сенсоры несколько отличаются от резистивных. Стоит сразу оговориться, что речь будет идти лишь о проекционно-ёмкостных сенсорах, которые сейчас применяется в iPhone и прочих портативных устройствах.
Принцип работы такого тачскрина довольно прост. На внутренней стороне экрана наносится сетка электродов, а внешняя покрывается, например, ITO – сложным оксидом индия-олова. Когда мы касаемся стекла, наш палец образует с таким электродом маленький конденсатор, а обрабатывающая электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).
Соответственно, ёмкостной сенсор реагирует только на плотное прикосновение и только проводящими предметами, то есть от касания гвоздём такой экран работать будет через раз, равно как и от руки, вымоченной в ацетоне или обезвоженной. Пожалуй, основным преимуществом данного тачскрина перед резистивным является возможность сделать достаточно прочную основу – особо прочное стекло, как, например, Gorilla Glass.
Схема работы поверхностно-ёмкостного сенсора()
Сверху схема работы E-Ink дисплея, снизу реальные микрофотографии такого работающего дисплея ()
Если кому-то этого недостаточно, то принцип работы электронной бумаги продемонстрирован в этом видео:
Помимо технологии E-Ink существует технологи SiPix, в которой есть только один вид частиц, а сама «заливка» чёрная:
Схема работы SiPix дисплея ()
Тем же, кто серьёзно хочет ознакомиться с «магнитной» электронной бумагой, прошу сюда , в Персте когда-то была отличная статья.
Самсунг и китаефон едины!
Экран разбирал бережно и аккуратно – так, что все поляризаторы остались целыми, поэтому просто не мог не поиграться с ними и с работающим большим братом препарируемого объекта и вспомнить практикум по оптике:
Так работают 2 поляризационных фильтра : в одном положении световой поток практически не проходит через них, при повороте на 90 градусов – полностью проходит
Обратите внимание, что вся подсветка зиждется всего-навсего на четырёх крохотных светодиодах (я думаю, их суммарная мощность не более 1 Вт).
Затем долго искал сенсор, искренне полагая, что это будет довольно толстая панелька. Оказалось совершенно наоборот. Как в китайском, так и в корейском телефоне сенсор представляет из себя несколько листов пластика, которые очень качественно и плотно приклеены к стеклу внешней панели:
Слева сенсор китаефона, справа – корейского телефона
Резистивный сенсор китайского телефона выполнен по схеме «чем проще, тем лучше», в отличие от своего более дорогого собрата из Южной Кореи. Если я не прав, то поправьте меня в комментариях, но слева на картинке – типичный 4-х контактный, а справа – 8-ми контактный сенсор.
Оптическая микрофотография горизонтальных линий LCD-дисплея китайского телефона. Левой верхней фотографии присущ некоторый обман нашего зрения из-за «неправильных» цветов: белая тонкая полоска и есть контакт.
Один провод питает сразу две линии пикселов, а развязка между ними устроена с помощью совершенно необычного «электрического жука» (правая нижняя фотография). За всей это электрической схемой находятся дорожки-светофильтры, выкрашенные в соответствующие цвета: красный (R), зелёный (G) и синий (B).
С противоположного конца матрицы по отношению к месту крепления шлейфа можно найти аналогичную цветовую разбивку, номера дорожек и всё те же переключатели (если бы кто-нибудь просветил в комментариях, как это работает, то было бы очень здорово!):
Номера-номера-номера…
Так вживую выглядит работающий LCD дисплей под микроскопом:
Вот и всё, теперь этой красоты мы уже не увидим, я раскрошил в буквальном смысле этого слова, а немножко помучавшись одну такую кроху «расщепил» на два отдельных кусочка стекла, из которых и состоит основная часть дисплея…
Теперь можно посмотреть на отдельные дорожки светофильтров. О тёмных «пятнах» на них я расскажу чуть позже:
Оптическая микрофотография светофильтров с загадочными пятнами…
А теперь небольшой методический аспект, касающийся электронной микроскопии. Те же самые цветные полосы, но уже под пучком электронного микроскопа: цвет исчез! Как я и говорил ранее (например, в самой первой статье) электронному пучку совершенно «чёрно-бело» взаимодействует ли он с цветным веществом или нет.
Вроде бы те же полоски, но уже без цвета…
Заглянем и на обратную сторону. На ней расположены транзисторы:
В оптический микроскоп – в цвете…
И электронный микроскоп – черно-белое изображение!
В оптический микроскоп это видно чуть хуже, но СЭМ позволяет разглядеть окантовку каждого субпикселя – это довольно важно для нижеследующего вывода.
Итак, что это за странные тёмные области?! Долго думал, ломал себе голову, прочитал много источников (пожалуй, самым доступным оказалась Wiki) и, кстати, по этой причине задержал выпуск статьи в четверг 23 февраля. И вот к какому выводу я пришёл (возможно, я не прав – поправьте!).
В VA- или MVA-технологии – одна из самых простых, и не думаю, что китайцы придумали что-то новое: каждый субпиксел должен быть чёрный. То есть через него не проходит свет ( приведён пример работающего и неработающего дисплея), принимая во внимание то, что в «обычном» состоянии (без приложения внешнего воздействия) жидкий кристалл разориентирован и не даёт «нужной» поляризации, то логично предположить, что каждый отдельный субпиксел имеет свою плёнку с ЖК.
Таким образом, вся панель собрана из единичных микро-ЖК-дисплеев. Сюда органично вписывается и замечание об окантовке каждого отдельного субпиксела. Для меня это стало, своего рода, неожиданным открытием прямо по ходу подготовки статьи!
Дисплей корейского телефона ломать я пожалел: надо ведь что-то показывать детям и тем, кто приходит к нам на факультет на экскурсию. Не думаю, что можно было бы увидеть ещё что-то интересное.
Далее, баловства ради приведу пример «организации» пикселов у двух ведущих производителей коммуникаторов: HTC и Apple. iPhone 3 был пожертвован на безболезненную операцию одним добрым человеком, а HTC Desire HD собственно мой:
Микрофотографии дисплея HTC Desire HD
Небольшое замечание по поводу дисплея HTC: специально не искал, но не может ли быть вот эта полоса посреди верхних двух микрофотографий тем частью того самого ёмкостного сенсора?!
Микрофотографии дисплея iPhone 3
Если мне не изменяет память, то у HTC дисплей – superLCD, а у iPhone 3 – обычный LCD. Так называемый Retina Display, то есть LCD, у которого оба контакта для переключения жидкого кристалла лежат в одной плоскости, In-Plane Switching – IPS, устанавливается уже в iPhone 4.
Надеюсь, что скоро на тему сравнения различных технологий дисплеев выйдет статья при поддержке 3DNews. А пока хочу просто отметить тот факт, что дисплей HTC действительно необычен: контакты на отдельные субпикселы заведены нестандартным образом – как-то сверху, в отличие от iPhone 3.
И напоследок в этом разделе добавлю, что размеры одного субпиксела у китаефона – 50 на 200 микрометров, HTC – 25 на 100 микрометров, а iPhone – 15-20 на 70 микрометров.
Оптическая микрофотография активной матрицы E-Ink дисплея
Размер такой ячейки около 125 микрометров. Так как смотрим мы на матрицу через стекло, на которое она нанесена, то прошу обратить внимание на жёлтый слой на «заднем» плане – это золотое напыление, от которого нам впоследствии предстоит избавиться.
Вперёд на амбразуру!
Сравнение горизонтальных (слева) и вертикальных (справа) «вводов»
Кроме всего прочего, на стеклянной подложке обнаружилось много интересных вещей. Например, позиционных меток и контактов, которые, по всей видимости, предназначены для тестирования дисплея на производстве:
Оптические микрофотографии меток и тестовых контактных площадок
Конечно, такое происходит не часто и обычно является несчастным случаем, но дисплеи иногда ломаются. Например, эта едва заметная трещина толщиной меньше человеческого волоса способна навсегда лишить радости читать любимую книгу о туманном Альбионе в душном московском метро:
Если дисплеи ломают, значит это кому-нибудь нужно… Мне, например!
Кстати, вот оно, то золото, о котором я упоминал – гладкая площадка «снизу» ячейки для качественного контакта с чернилами (о них чуть ниже). Золото удаляем механически и вот результат:
You"ve got a lot of guts. Let"s see what they look like! (с)
Под тонкой золотой плёнкой скрываются управляющие компоненты активной матрицы, если можно её так именовать.
Но самое интересно, конечно же, это сами «чернила»:
СЭМ-микрофотография чернил на поверхности активной матрицы.
Конечно, трудно найти хотя бы один разрушенную микрокапсулу, чтобы заглянуть внутрь и увидеть «белые» и «чёрные» пигментные частицы:
СЭМ-микрофотография поверхности электронных «чернил»
Оптическая микрофотография «чернил»
Или всё-таки внутри что-то есть?!
То ли разрушенная сфера, то ли выдранная из несущего полимера
Размер отдельных шариков, то есть некоторого аналога субпиксела в E-Ink, может составлять всего 20-30 мкм, что значительно ниже геометрических размеров субпикселов в LCD-дисплеях. При условии, что такая капсула может работать в половину своего размера, то и изображение получается на хороших, качественных E-Ink дисплеях гораздо более приятным, чем на LCD.
И на десерт – видео о том, как работают E-Ink дисплеи под микроскопом.
Рассказывающая об отличиях IPS и TN матриц в рамках советов при покупке монитора или ноутбука. Пришло время поговорить о всех современных технологиях производства дисплеев , с которыми мы можем столкнуться и иметь представление о видах матриц в устройствах нашего поколения. Не путайте с LED, EDGE LED, Direct LED — это типы подсветки экранов и к технологии создания дисплеев имеют косвенное отношение.
Наверное, каждый может вспомнить свой монитор с электронно-лучевой трубкой, которым пользовался ранее. Правда и до сих пор встречаются пользователи и поклонники ЭЛТ технологии. В настоящее время экраны увеличились в диагонали, поменялись технологии изготовления дисплеев, стало все больше разновидностей в характеристиках матриц, обозначающихся аббревиатурами TN, TN-Film, IPS, Amoled и т.д.
Информация в данной статье поможет выбрать себе монитор, смартфон, планшет и другую различного рода технику. Помимо этого, позволит осветить технологии создания дисплеев, а также типы и особенности их матриц.
LCD (Liquid Crystal Display — жидкокристаллический дисплей) — это дисплей, изготовленный на основе жидких кристаллов, которые меняют свое расположение при подаче на них напряжения. Если вы близко подойдете к такому дисплею и внимательно присмотритесь к нему, то заметите, что он состоит из маленьких точек – пикселей (жидких кристаллов). В свою очередь каждый пиксель состоит из красного, синего и зеленого субпикселей. При подаче напряжения субпиксели выстраиваются в определенном порядке и пропускают через себя свет, таким образом формируя пиксель определенного цвета. Множество таких пикселей формируют изображение на экране монитора или другого устройства.
Первые мониторы массового производства оснащались матрицами TN — обладающими самой простой конструкцией, но которые нельзя назвать самым качественным типом матрицы. Хотя и среди данного типа матриц имеются весьма качественные экземпляры. Данная технология основана на том, что при отсутствии напряжения субпиксели пропускают через себя свет, формируя на экране белую точку. При подаче напряжения на субпиксели, они выстраиваются в определенном порядке, образуя собой пиксель заданного цвета.
В настоящий момент TN+Film матрицы полностью заменили TN.
Делая выводы, можно утверждать, что при необходимости в недорогом мониторе для офисной работы или серфинга в интернете, мониторы с TN+Film матрицами подойдут наилучшим образом.
Главное отличие технологии IPS матриц от TN — перпендикулярное расположение субпикселей при отсутствии напряжения, которые образуют черную точку. То есть, в состоянии спокойствия экран остается черным.
Подводя итоги, телефоны и планшеты лучше выбирать с IPS-матрицами, и тогда от использования устройства пользователь будет получать огромное эстетическое удовольствие. Матрица для монитора не является столь критичной, современные .
Последние модели смартфонов оснащают AMOLED-дисплеями. Данная технология создания матриц основана на активных светодиодах, которые начинают светиться и отображать цвет при подаче на них напряжения.
Также из-за своей довольно высокой стоимости AMOLED-экраны пока используются только в смартфонах. Мониторы, построенные на такой технологии, стоят неоправданно дорого.
VA (Vertical Alignment) — данную технологию, разработанную Fujitsu, можно рассматривать как компромисс между TN и IPS матрицами. В матрицах VA кристаллы в выключенном состоянии расположены перпендикулярно плоскости экрана. Соответственно черный цвет обеспечивается максимально чистый и глубокий, но при повороте матрицы относительно направления взгляда, кристаллы будут видны не одинаково. Для решения проблемы применяется мультидоменная структура. Технология Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) предусматривает выступы на обкладках, которые определяют направление поворота кристаллов. Если два поддомена поворачивается в противоположных направлениях, то при взгляде сбоку один из них будет темнее, а другой светлее, таким образом для человеческого глаза отклонения взаимно компенсируются. В матрицах PVA, разработанных Samsung нет выступов, и в выключенном состоянии кристаллы строго вертикальны. Для того, чтобы кристаллы соседних субдоменов поворачивались в противоположных направлениях, нижние электроды сдвинуты относительно верхних.
Для уменьшения времени отклика в матрицах Premium MVA и S-PVA применяется система динамического повышения напряжения для отдельных участков матрицы, которую обычно называют Overdrive. Цветопередача матриц PMVA и SPVA почти так же хороша как и у IPS, время отклика немного уступает TN, углы обзора максимально широкие, черный цвет наилучший, яркость и контраст максимально возможные среди всех существующих технологий. Однако даже при небольшом отклонении направления взгляда от перпендикуляра, даже на 5–10 градусов можно заметить искажения в полутонах. Для большинства это останется незамеченным, но профессиональные фотографы продолжают за это недолюбливать технологии VA.
MVA и PVA матрицы обладают отличной контрастностью и углами обзора, но вот с временем отклика дела обстоят похуже – оно растет при уменьшении разницы между конечным и начальным состояниями пиксела. Ранние модели таких мониторов были почти непригодны для динамичных игр, а сейчас они показывают результаты близкие к TN матрицам. Цветопередача *VA матриц, конечно, уступает IPS-матрицам, но остается на высоком уровне. Тем не менее, благодаря высокой контрастности, эти мониторы будут отличным выбором для работы с текстом и фотографией, с чертежной графикой, а также в качестве домашних мониторов.
В заключении могу сказать, что выбор всегда за вами…
Сейчас технология плоскопанельных мониторов, и жидкокристаллических в том числе, является наиболее перспективной. Хотя в настоящее время на долю ЖК-мониторов приходится лишь около 10% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).
Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display,
жидкокристаллические мониторы) сделаны из
вещества (цианофенил), которое находится в жидком
состоянии, но при этом обладает некоторыми
свойствами, присущими кристаллическим телам.
Фактически это жидкости, обладающие
анизотропией свойств (в частности оптических),
связанных с упорядоченностью в ориентации
молекул.
Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ
почти на десять лет, первое описание этих веществ
было сделано еще в 1888 г. Однако долгое время никто
не знал, как их применить на практике: есть такие
вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков,
они не были интересны. Итак,
жидкокристаллические материалы были открыты еще
в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но
только в 1930-м исследователи из британской
корпорации Marconi получили патент на их
промышленное применение. Впрочем, дальше этого
дело не пошло, поскольку технологическая база в
то время была еще слишком слаба. Первый настоящий
прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс
(Williams) 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. И
вот в конце 1966 г. корпорация RCA
продемонстрировала прототип LCD-монитора –
цифровые часы. Значительную роль в развитии
LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих
пор 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.
Так, в 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с
диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе
LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.
Работа ЖКД основана на явлении поляризации
светового потока. Известно, что так называемые
кристаллы поляроиды способны пропускать только
ту составляющую света, вектор электромагнитной
индукции которой лежит в плоскости, параллельной
оптической плоскости поляроида. Для оставшейся
части светового потока поляроид будет
непрозрачным. Таким образом поляроид как бы
"просеивает" свет, данный эффект называется
поляризацией света. Когда были изучены жидкие
вещества, длинные молекулы которых
чувствительны к электростатическому и
электромагнитному полю и способны поляризовать
свет, появилась возможность управлять
поляризацией. Эти аморфные вещества за их
схожесть с кристаллическими веществами по
электрооптическим свойствам, а также за
способность принимать форму сосуда, назвали
жидкими кристаллами.
Основываясь на этом открытии и в результате
дальнейших исследований, стало возможным
обнаружить связь между повышением
электрического напряжения и изменением
ориентации молекул кристаллов для обеспечения
создания изображения. Первое свое применение
жидкие кристаллы нашли в дисплеях для
калькуляторов и в электронных часах, а затем их
стали использовать в мониторах для портативных
компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в
этой области, начинают получать все большее
распространение LCD-дисплеи для настольных
компьютеров.
Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой [см. рис. 2.1]. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).
Плоскость поляризации светового луча
поворачивается на 90° при прохождении одной
панели [см. рис. 2.2].
При появлении электрического поля, молекулы
жидких кристаллов частично выстраиваются
вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости
поляризации света становится отличным от 90
градусов и свет беспрепятственно проходит через
жидкие кристаллы [см. рис. 2.3].
Поворот плоскости поляризации светового луча
незаметен для глаза, поэтому возникла
необходимость добавить к стеклянным панелям еще
два других слоя, представляющих собой
поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают
только ту компоненту светового пучка, у которой
ось поляризации соответствует заданному.
Поэтому при прохождении поляризатора пучок
света будет ослаблен в зависимости от угла между
его плоскостью поляризации и осью поляризатора.
При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так
как 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
[см. рис 2.4а].
В присутствии электрического поля поворота
вектора поляризации происходит на меньший угол,
тем самым второй поляризатор становится только
частично прозрачным для излучения. Если разность
потенциалов будет такой, что поворота плоскости
поляризации в жидких кристаллах не произойдет
совсем, то световой луч будет полностью поглощен
вторым поляризатором, и экран при освещении
сзади будет спереди казаться черным (лучи
подсветки поглощаются в экране полностью) [см.
рис 2.4б]. Если расположить большое число
электродов, которые создают разные
электрические поля в отдельных местах экрана
(ячейки), то появится возможность при правильном
управлении потенциалами этих электродов
отображать на экране буквы и другие элементы
изображения. Электроды помещаются в прозрачный
пластик и могут иметь любую форму.
Технологические новшества позволили ограничить
их размеры величиной маленькой точки,
соответственно на одной и той же площади экрана
можно расположить большее число электродов, что
увеличивает разрешение LCD монитора, и позволяет
нам отображать даже сложные изображения в цвете.
Для вывода цветного изображения необходима
подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы
свет исходил из задней части LCD дисплея. Это
необходимо для того, чтобы можно было наблюдать
изображение с хорошим качеством, даже если
окружающая среда не является светлой. Цвет
получается в результате использования трех
фильтров, которые выделяют из излучения
источника белого света три основные компоненты.
Комбинируя три основные цвета для каждой точки
или пикселя экрана, появляется возможность
воспроизвести любой цвет.
Вообще-то в случае с цветом несколько
возможностей: можно сделать несколько фильтров
друг за другом (приводит к малой доле проходящего
излучения), можно воспользоваться свойством
жидкокристаллической ячейки - при изменении
напряженности электрического поля угол поворота
плоскости поляризации излучения изменяется
по-разному для компонент света с разной длиной
волны. Эту особенность можно использовать для
того, чтобы отражать (или поглощать) излучение
заданной длины волны (проблема состоит в
необходимости точно и быстро изменять
напряжение). Какой именно механизм используется,
зависит от конкретного производителя. Первый
метод проще, второй эффективнее.
Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8
дюймов, в то время как сегодня они достигли 15"
размеров для использования в ноутбуках, а для
настольных компьютеров производятся 20" и
более LCD мониторы. Вслед за увеличением размеров
следует увеличение разрешения, следствием чего
является появление новых проблем, которые были
решены с помощью появившихся специальных
технологий, все это мы опишем далее. Одной из
первых проблем была необходимость стандарта в
определении качества отображения при высоких
разрешениях. Первым шагом на пути к цели было
увеличение угла поворота плоскости поляризации
света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN
технологии.
Среди преимуществ TFT можно отметить отличную
фокусировку, отсутствие геометрических
искажений и ошибок совмещения цветов. Кроме того,
у них никогда не мерцает экран. Почему? Ответ
прост - в этих дисплеях не используется
электронный луч, рисующий слева направо каждую
строку на экране. Когда в ЭЛТ этот луч
переводится из правого нижнего в левый верхний
угол, изображение на мгновение гаснет (обратный
ход луча). Напротив, пиксели дисплея TFT никогда не
гаснут, они просто непрерывно меняют
интенсивность своего свечения.
В таблице 1.1 показаны все главные отличия рабочих
характеристик для разных типов дисплеев:
Условные обозначения: (+
)
достоинство, (~
) допустимо, (-
)
недостаток
| ЖК-мониторы | ЭЛТ-мониторы | |
| Яркость | (+ ) от 170 до 250 Кд/м 2 | (~ ) от 80 до 120 Кд/м 2 |
| Контрастность | (~ ) от 200:1 до 400:1 | (+ ) от 350:1 до 700:1 |
| Угол обзора
(по контрасту) |
(~ ) от 110 до 170 градусов | (+ ) свыше 150 градусов |
| Угол обзора
(по цвету) |
(- ) от 50 до 125 градусов | (~ ) свыше 120 градусов |
| Разрешение | (- ) Одно разрешение с фиксированным размером пикселей. Оптимально можно использовать только в этом разрешении; в зависимости от поддерживаемых функций расширения или компрессии можно использовать более высокое или более низкое разрешение, но они не оптимальны. | (+ ) Поддерживаются различные разрешения. При всех поддерживаемых разрешениях монитор можно использовать оптимальным образом. Ограничение накладывается только приемлемостью частоты регенерации. |
| Частота вертикальной развертки | (+ ) Оптимальная частота 60 Гц, чего достаточно для отсутствия мерцания | (~ ) Только при частотах свыше 75 Гц отсутствует явно заметное мерцание |
| Ошибки совмещения цветов | (+ ) нет | (~ ) от 0.0079 до 0.0118 дюйма (0.20 - 0.30 мм) |
| Фокусировка | (+ ) очень хорошая | (~ ) от удовлетворительной до очень хорошей> |
| Геометрические/ линейные искажения | (+ ) нет | (~ ) возможны |
| Неработающие пиксели | (- ) до 8 | (+ ) нет |
| Входной сигнал | (+ ) аналоговый или цифровой | (~ ) только аналоговый |
| Масштабирование при разных разрешениях |
(- ) отсутствует или используются методы интерполяции, не требующие больших накладных расходов | (+ ) очень хорошее |
| Точность отображения цвета | (~ ) Поддерживается True Color и имитируется требуемая цветовая температура | (+ ) Поддерживается True Color и при этом на рынке имеется масса устройств калибровки цвета, что является несомненным плюсом |
| Гамма-коррекция
(подстройка цвета под особенности человеческого зрения) |
(~ ) удовлетворительная | (+ ) фотореалистичная |
| Однородность | (~ ) часто изображение ярче по краям | (~ ) часто изображение ярче в центре |
| Чистота цвета/качество цвета | (~ ) хорошее | (+ ) высокое |
| Мерцание | (+ ) нет | (~ ) незаметно на частоте выше 85 Гц |
| Время инерции | (- ) от 20 до 30 мсек. | (+ ) пренебрежительно мало |
| Формирование изображения | (+ ) Изображение формируется пикселями, число которых зависят только от конкретного разрешения LCD панели. Шаг пикселей зависит только от размера самих пикселей, но не от расстояния между ними. Каждый пиксель формируется индивидуально, что обеспечивает великолепную фокусировку, ясность и четкость. Изображение получается более целостным и гладким | (~ ) Пиксели формируются группой точек (триады) или полосок. Шаг точки или линии зависит от расстояния между точками или линиями одного цвета. В результате четкость и ясность изображения сильно зависит от размера шага точки или шага линии и от качества ЭЛТ |
| Энергопотребление и излучения | (+ ) Практически никаких опасных электромагнитных излучений нет. Уровень потребления энергии примерно на 70% ниже, чем у стандартных CRT мониторов (от 25 до 40 Вт). | (- ) Всегда присутствует электромагнитное излучение, однако их уровень зависит от того, соответствует ли ЭЛТ какому-либо стандарту безопасности. Потребление энергии в рабочем состоянии на уровне 60 - 150 Вт. |
| Размеры/вес | (+ ) плоский дизайн, малый вес | (- ) тяжелая конструкция, занимает много места |
| Интерфейс монитора | (+ ) Цифровой интерфейс, однако, большинство LCD мониторов имеют встроенный аналоговый интерфейс для подключения к наиболее распространенным аналоговым выходам видеоадаптеров | (- ) Аналоговый интерфейс |
Из таблицы 1.1 следует, что дальнейшее развитие ЖК-мониторов будет связано с повышением четкости и яркости изображения, увеличением угла обзора и уменьшением толщины экрана. Так, например, уже существуют перспективные разработки LCD-мониторов, выполненных по технологии с использованием поликристаллического кремния. Это позволяет, в частности, создавать очень тонкие устройства, поскольку микросхемы управления размещаются в этом случае непосредственно на стеклянной подложке дисплея. Кроме того, новая технология обеспечивает высокую разрешающую способность на сравнительно небольшом по размеру экране (1024x768 точек на 10,4-дюймовом экране).
STN - это сокращение, означающее "Super Twisted
Nematic".Технология STN позволяет увеличить
торсионный угол (угол кручения) ориентации
кристаллов внутри LCD дисплея с 90° до 270°, что
обеспечивает лучшую контрастность изображения
при увеличении размеров монитора.
Часто STN ячейки используются в паре. Такая
конструкция называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), в
которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2
STN-ячеек, молекулы которых при работе
поворачиваются в противоположные стороны. Свет,
проходя через такую конструкцию в
"запертом" состоянии, теряет большую часть
своей энергии. Контрастность и разрешающая
способность DSTN достаточно высокая, поэтому
появилась возможность изготовить цветной
дисплей, в котором на каждый пиксель приходится
три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных
цветов. Цветные дисплеи не способны работать от
отраженного света, поэтому лампа задней
подсветки -- их обязательный атрибут. Для
сокращения габаритов лампа находится с боку, а
напротив нее зеркало [см. рис. 2.5], поэтому
большинство LCD-матриц в центре имеют яркость
выше, чем по краям (это не относится к настольным
ЖК мониторам).
Также STN ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super
Twisted Nematic), когда два тонких слоя полимерной
пленки добавляются для улучшения цветопередачи
цветных дисплеев или для обеспечения хорошего
качества монохромных мониторов.
Термин пассивная матрица (passive matrix) появился в
результате разделения монитора на точки, каждая
из которых, благодаря электродам, может задавать
ориентацию плоскости поляризации луча,
независимо от остальных, так что в результате
каждый такой элемент может быть подсвечен
индивидуально для создания изображения. Матрица
называется пассивной, потому что технология
создания LCD дисплеев, которая была описана выше,
не может обеспечить быструю смену информации на
экране. Изображение формируется строка за
строкой путем последовательного подвода
управляющего напряжения на отдельные ячейки,
делающего их прозрачными. Из-за довольно большой
электрической емкости ячеек напряжение на них не
может изменяться достаточно быстро, поэтому
обновление картинки происходит медленно. Такой
дисплей имеет много недостатков с точки зрения
качества, потому что изображение не отображается
плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость
изменения прозрачности кристаллов не позволяет
правильно отображать движущиеся изображения.
Для решения части вышеописанных проблем
применяют специальные технологии, Для улучшения
качества динамического изображения было
предложено увеличить количество управляющих
электродов. То есть вся матрица разбивается на
несколько независимых подматриц (Dual Scan DSTN - два
независимых поля развертки изображения), каждая
из которых содержит меньшее количество пикселей,
поэтому поочередное управление ими занимает
меньше времени. В результате чего можно
сократить время инерции ЖК.
Также лучших результатов с точки зрения
стабильности, качества, разрешения, гладкости и
яркости изображения можно добиться, используя
экраны с активной матрицей, которые, впрочем,
стоят дороже.
В активной матрице (active matrix) используются
отдельные усилительные элементы для каждой
ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости
ячеек и позволяющие значительно уменьшить время
изменения их прозрачности. Активная матрица (active
matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с
пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и
возможность смотреть на экран даже с отклонением
до 45° и более (т.е. при угле обзора 120°-140°) без
ущерба качеству изображения, что невозможно в
случае с пассивной матрицей, которая позволяет
видеть качественное изображение только с
фронтальной позиции по отношению к экрану.
Заметим, что дорогие модели LCD мониторов с
активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160°
[см рис. 2.6], и есть все основания предполагать, что
технология будет совершенствоваться и в
дальнейшем. Активная матрица может отображать
движущиеся изображения без видимого дрожания,
так как время реакции дисплея с активной
матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной
матрицы, кроме того, контрастность мониторов с
активной матрицей выше, чем у ЭЛТ-мониторов.
Следует отметить, что яркость отдельного
элемента экрана остается неизменной на всем
интервале времени между обновлениями картинки, а
не представляет собой короткий импульс света,
излучаемый элементом люминофором ЭЛТ-монитора
сразу после похождения по этому элементу
электронного луча. Именно поэтому для LCD
мониторов достаточной является частота
вертикальной развертки, равная 60 Гц.
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 разные электроды получают
электрический заряд циклическим методом при
построчном обновлении дисплея, а в результате
разряда емкостей элементов изображение
исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей
изначальной конфигурации. В случае с активной
матрицей к каждому электроду добавлен
запоминающий транзистор, который может хранить
цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в
результате изображение сохраняется до тех пор,
пока не поступит другой сигнал. Частично
проблема отсрочки затухания изображения в
пассивных матрицах решается за счет
использования большего числа
жидкокристаллических слоев для увеличения
пассивности и уменьшения перемещений, теперь же,
при использовании активных матриц появилась
возможность сократить число
жидкокристаллических слоев. Запоминающие
транзисторы должны производиться из прозрачных
материалов, что позволит 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, называемые "Thin Film Transistor"
(или просто TFT).
Thin Film Transistor (TFT), т.е. тонкопленочный транзистор -
это те управляющие элементы, при помощи которых
контролируется каждый пиксель на экране.
Тонкопленочный транзистор действительно очень
тонкий, его толщина 0,1 - 0,01 микрона.
В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972г.,
использовался селенид кадмия, обладающий
высокой подвижностью электронов и
поддерживающий высокую плотность тока, но со
временем был осуществлен переход на аморфный
кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением
используется поликристаллический кремний (p-Si).
Технология создания TFT очень сложна, при этом
имеются трудности с достижением приемлемого
процента годных изделий из-за того, что число
используемых транзисторов очень велико. Заметим,
что монитор, который может отображать
изображение с разрешением 800х600 пикселей в SVGA
режиме и только с тремя цветами имеет 1440000
отдельных транзисторов. Производители
устанавливают нормы на предельное количество
транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD
дисплее. Правда, у каждого производителя свое
мнение о том, какое количество транзисторов
могут не работать.
Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в
стеклянной пластине друг за другом
интегрировано три цветных фильтра (красный,
зеленый и синий). Каждый пиксель представляет
собой комбинацию трех цветных ячеек или
субпиксельных элементов [см. рис. 2.7]. Это
означает, например, что у дисплея, имеющего
разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024
транзистора и субпиксельных элемента. Размер
точки (пикселя) для 15.1" дисплея TFT (1024x768)
приблизительно равен 0.0188 дюйма (или 0.30 мм), а для
18.1" дисплея TFT - около 0.011 дюйма (или 0.28 мм).
TFT обладают рядом преимуществ перед ЭЛТ-мониторами, среди которых - пониженное потребление энергии и теплоотдача, плоский экран и отсутствие следа от движущихся объектов. Последние разработки позволяют получить изображение более высокого качества, чем обычные TFT.
Совсем недавно специалистами компании Hitachi была создана новая технология многослойных ЖК-панелей Super TFT, которая значительно увеличила угол уверенного обзора ЖК панели. Технология Super TFT использует простые металлические электроды, установленные на нижней стеклянной пластине и заставляет молекулы вращаться, постоянно находясь в плоскости, параллельной плоскости экрана [см. рис. 2.8]. Так как кристаллы обычной ЖК-панели поворачиваются к поверхности экрана оконечностями, то такие ЖКД более зависимы от угла зрения, чем ЖК-панели Hitachi с технологией Super TFT, В результате изображение на дисплее остается ярким и четким даже при больших углах обзора, достигая качества, сопоставимого с изображением на ЭЛТ-экране.
Японская компания NEC недавно объявила, что по качеству изображения ее LCD дисплеи вскоре достигнут уровня лазерных принтеров, перешагнув порог в 200 ppi, что соответствует 31 точке на мм 2 или шагу точек 0,18 мм. Как сообщили в NEC, применяемые сегодня многими производителями жидкие кристаллы TN (twisted nematic) позволяет строить дисплеи с разрешение до 400 точек на дюйм. Однако главным сдерживающим фактором в повышении разрешения является необходимость создания соответствующих светофильтров. В новой технологии "color filter on TFT" светофильтры, закрывающие тонкопленочные транзисторы, формируются с помощью фотолитографии на нижней стеклянной подложке. В обычных дисплеях светофильтры наносятся на вторую, верхнюю подложку, что требует очень точного совмещения двух пластин.
На прошедшей в 1999 году в США конференции "Society for information Display" было сделано несколько докладов, свидетельствующих об успехах в создании жидкокристаллических дисплеев на пластиковой подложке. Компания Samsung представила прототип монохромного дисплея на полимерном субстрате с диагональю 5,9 дюйма и толщиной 0,5 мм. Толщина самой подложки составляет около 0,12 мм. Дисплей имеет разрешение 480х320 точек и контрастность 4:1. Вес - всего 10 грамм.
Инженеры из Лаборатории кинотехники Университете Штуттгарта использовали не тонкопленочные транзисторы (TFT), а диоды MIM (металл-изолятор-металл). Последнее достижение этой команды - двухдюймовый цветной дисплей с разрешением 96х128 точек и коэффициентом контрастности 10:1.
Группа специалистов IBM разработала технологию производства тонкопленочных транзисторов с применением органических материалов, позволяющую изготавливать гибкие экраны для электронной книги и других устройств. Элементы разработанных IBM транзисторов напыляются на пластиковую подложку при комнатной температуре (традиционные LCD-дисплеи изготавливаются при высокой температуре, что исключает применение органических материалов). Вместо обычного диоксида кремния для изготовления затвора используется цирконат титоната бария (BZT). В качестве полупроводника применяется органическое вещество под названием пентацен (pentacene), представляющее собой соединение фенилэтиламмония с иодидом олова.
Для повышения разрешения LCD-экранов компания Displaytech предложила не создавать изображение на поверхности большого LCD-экрана, а вывести картинку на маленький дисплей высокого разрешения, а затем с помощью оптической проекционной системы увеличить ее до нужных размеров. При этом Displaytech использовала оригинальную технологию Ferroelectric LCD (FLCD). Она основана на так называемых кирально-смектических жидких кристаллах, предложенных для использования еще в 1980 г. Слой материала, обладающего ферроэлектрическими свойствами и способного отражать поляризованный свет с вращением плоскости поляризации, наносится на подающую управляющие сигналы CMOS-подложку. При прохождении отраженного светового потока через второй поляризатор возникает картинка из темных и светлых пикселов. Цветное изображение получается за счет быстрого чередования освещения матрицы красным, зеленым и синим светом.. На базе FLCD-матриц можно производить экраны большого размера с высокой контрастностью и качеством цветопередачи, с широкими углами обзора и малым временем отклика. В 1999 году альянс корпораций Hewlett-Packard и DisplayTech объявил о создании полноцветного микродисплея на базе технологии FLCD. Разрешение матрицы составляет 320х240 точек. Отличительными особенностями устройства являются малое энергопотребление и возможность воспроизведения полноцветного “живого” видео. Новый дисплей предназначен для использования в цифровых камерах, камкодерах, портативных коммуникаторах и мониторах для надеваемых компьютеров.
Развитием низкотемпературной технологии с использованием поликристаллического кремния LTPS занимается Toshiba. По словам представителей этой корпорации, они позиционируют новые устройства пока только как предназначенные для рынка мобильных устройств, не включая сюда ноутбуки, где господствует технология a-Si TFT. Уже выпускаются VGA-дисплеи размером 4 дюйма, а на подходе 5,8-дюймовые матрицы. Специалисты полагают, что 2 млн. пикселов на экране - это далеко не предел. Одной из отличительных черт данной технологии является высокая разрешающая способность.
По оценкам экспертов корпорации DisplaySearch, занимающейся исследованиями рынка плоских дисплеев, в настоящее время при изготовлении практически любых жидкокристаллических матриц происходит замена технологий: TN LCD (Twisted Nematic Liquid Crystal Display) на STN (Super TN LCD) и особенно на a-Si TFT LCD (amorphous-Silicon Thin Film Transistor LCD). В ближайшие 5-7 лет во многих областях применения обычные LCD-экраны будут заменены или дополнены следующими устройствами:
Взято с http://monitors.narod.ru
LCD дисплей – это самый распространенный вид экранов телевизоров и мониторов, а также дисплеев телефонов и других устройств. Такое распространение данный вид экрана получил благодаря целому ряду неоспоримых преимуществ.
Для того чтобы понять все положительные качества ЖК дисплеев следует понять, что это такое, а также знать принцип работы и устройства таких экранов. Именно об этом и пойдет речь в данной статье.
ЖК-дисплей означает – жидкокристаллический экран, если перевести на английский язык - Liquid crystal display. Из этого следует, что ЖК и LCD – это одно и тоже. Данная технология получила такое название благодаря применению уникального вещества, которое всегда находится в жидком состоянии и обладает оптическими свойствами, присущими кристаллам.
Современный ЖК экран отличается рядом преимуществ, которые обеспечиваются именно жидкими кристаллами. Постоянное жидкое состояние молекул жидких кристаллов позволяет управлять их оптическими свойствами, воздействуя на них электричеством. При этом молекулы меняют свое расположение, преломляя проходящий свет под нужным углом, отсеивая определенный спектр излучения.
Практически все существующие сегодня ЖК дисплеи имеют идентичное устройство. Если говорить о конструкции, то любой LCD монитор или телевизор состоит из следующих компонентов:
ЖК матрица представляет собой две стеклянные пластины, между которыми располагается тонкий слой жидких кристаллов. По сути – это массив, состоящий из огромного множества ячеек, называемых пикселями. Каждый пиксель матрицы состоит из нескольких молекул жидких кристаллов и двух поляризационных фильтров. Причем плоскости этих фильтров расположены перпендикулярно относительно друг друга.
Каждый пиксель матрицы расположен между двумя специальными прозрачными электродами, что дает возможность управлять расположением молекул в каждом пикселе отдельно. LCD технология может основываться на прохождении либо отражении света, в зависимости от устройства монитора, через молекулы жидких кристаллов. Разницы между этими типами матриц практически нет. Однако стоит отметить, что большинство ЖК дисплеев работают на прохождение света через слой жидких кристаллов.
Принцип работы LCD дисплея заключается в том, что при условии отсутствия молекул жидких кристаллов свет пропускается первым поляризационным фильтром и полностью блокируется – вторым.
Сами жидкие кристаллы расположены между этими фильтрами таким образом, чтобы преломлять свет, проходящий через первый фильтр так, чтобы он беспрепятственно проходил через второй. Так устроены TN матрицы. Жидкокристаллические дисплеи с другими типами матриц могут действовать наоборот, однако принцип работы при этом не меняется. То есть в спокойном состоянии излучение блокируется и не проходит через матрицу, а при возбуждении электромагнитного поля плоскость излучения меняется так, чтобы свет проходил без препятствий
Для того чтобы молекулы жидких кристаллов располагались в нужном порядке без воздействия электричеством, на контактирующую поверхность электродов нанесены специальные микроскопические бороздки, выстраивающие молекулы в нужном порядке. Таким образом, если воздействовать на определенные области матрицы получается изображение.
Каждый современный жидкокристаллический экран имеет высокое разрешение. Это означает, что матрица состоит из огромного количества пикселей, при этом управлять ими можно каждым в отдельности. Другими словами, если увеличить какую-либо область экрана можно заметить мелкие ячейки, меняя напряжение каждой из этих ячеек можно изменить угол преломления света именно в данной точке. Путем создания необходимого напряжения в каждой из ячеек и создается определенное изображение.
Современные LCD дисплеи могут использовать два варианта подсветки:
Конечно же, тип подсветки существенно влияет на качество изображения. Люминесцентные лампы считаются устаревшим методом подсветки. Главной проблемой данного типа подсветки является невозможность равномерного распределения света по всей плоскости экрана, что не позволяет достичь высокого качества изображения. Он использовался в первых ЖК матрицах и сегодня встречается все реже.
Светодиодная подсветка, более известная под название LED, является последней разработкой, которая позволила достичь более высокого качества изображения. Такой тип подсветки отличается рядом преимуществ.
Во-первых – это низкое потребление электроэнергии. Во-вторых, LED подсветка излучает более интенсивный свет, который позволяет более равномерно распределить излучение. Благодаря компактным размерам такая подсветка не занимает много места, что позволяет делать экраны еще более тонкими.
В мире существует несколько типов LCD матриц, однако на отечественном рынке встречается только два вида:
Оба варианта имеют достаточно высокие характеристики. Если говорить о том, какой вариант лучше выбрать, то следует отметить, что все больше производителей отдают предпочтение IPS матрицам, так как они позволяют передать более естественные цвета.
Конечно, как и в любой другой технологии, здесь также есть свои плюсы и минусы. IPS матрицы отличаются отличным качеством изображения, высокой четкостью и прекрасной цветопередачей. Однако при этом имеют медленный отклик. Современные технологии позволили улучшить этот показатель до высокого уровня.
TN+Film матрицы уступают по качеству и четкости изображения. Однако при этом они имеют быстрый отклик, который позволяет таким мониторам отображать самые яркие спецэффекты и быстрые видео записи. Однако стоит понимать, что все эти измерения проводятся при помощи специальной техники. В домашних условиях вы вряд ли сможете заметить существенную разницу между этими матрицами. Поэтому выбор остается за вами.
Конечно, зная все эти нюансы, люди, которые занимаются обработкой фотографий, предпочитают IPS матрицы, так как им не требуется быстрый отклик, но при этом необходима максимально естественная цветопередача. В других случаях, тип матрицы не играет роли.
Ну и, конечно же, все характеристики зависят и от производителя, а также от используемой технологии и материалов. Не стоит думать, что все IPS матрицы одинаковы, они также могут отличаться между собой. Стоит понимать, что чем дороже монитор (или телевизор) тем более высокое качество изображения вы сможете получить. То же самое можно сказать и о TN+Film матрицах.
Какой бы жидкокристаллический дисплей вы не выбрали, стоит обязательно ознакомиться с его возможностями и техническими характеристиками. На сегодняшний день ЖК-дисплеи являются самыми распространенными по ряду причин. Их преимущества вы уже знаете. Благодаря этому они являются прямыми конкурентами плазменным панелям, но при этом они имеют более низкую стоимость, что делает их более доступными для пользователей. Кроме того, они имеют больший ресурс. Другими словами, ЖК-дисплей служит существенно дольше плазменной панели.
А также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на каждый RGB-канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .
Вначале маленькие ЖК-дисплеи (с малым временем службы) нашли применение в наручных часах , калькуляторах, индикаторах и тп.
Большие экраны стали широко применяться с распространением набирающих спрос лэптопов и ноутбуков .
Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:
Субпиксел цветного ЖК-дисплея
Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки , контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового , с металлической рамкой жёсткости.
Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. Если бы жидких кристаллов не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.
Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.
Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля , что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение , можно управлять степенью прозрачности.
Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).
Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.
Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.
С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:
Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.
Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS (SFT, PLS) и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённого в конкретных разработках.
Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display - кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс.
TN + film (Twisted Nematic + film) - самая простая технология. Слово film в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90 до 150°). В настоящее время приставку film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. Способа улучшения контрастности и углов обзора для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.
Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И поскольку направление поляризации фильтра на второй пластине составляет как раз угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.
К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость. Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.
AS-IPS (Advanced Super IPS - расширенная супер-IPS) - также была разработана корпорацией Hitachi в 2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации NEC (например, NEC LCD20WGX2) созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом LG.Philips.
H-IPS A-TW (Horizontal IPS with Advanced True Wide Polarizer ) - разработана LG.Philips для корпорации NEC. Представляет собой H-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White - «настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и увеличения углов обзора без искажения изображения (исключается эффект свечения ЖК-панелей под углом - так называемый «глоу-эффект»). Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов высокого качества.
AFFS (Advanced Fringe Field Switching , неофициальное название - S-IPS Pro) - дальнейшее улучшение IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК , на матрицах производства Hitachi Displays.
| Название | Краткое обозначение | Год | Преимущество | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Super Fine TFT | SFT | 1996 | Широкие углы обзора, глубокий чёрный цвет | . При улучшении цветопередачи яркость стала немного ниже. |
| Advanced SFT | A-SFT | 1998 | Лучшее время отклика | Технология эволюционировала до A-SFT (Advanced SFT, Nec Technologies Ltd. в 1998), значительно уменьшив время отклика. |
| Super-Advanced SFT | SA-SFT | 2002 | Высокая прозрачность | SA-SFT, разработанная Nec Technologies Ltd. в 2002, позволила улучшить прозрачность в 1,4 раза по сравнению с A-SFT. |
| Ultra-Advanced SFT | UA-SFT | 2004 | Высокая прозрачность Цветопередача Высокая контрастность |
Позволила достичь в 1,2 раза большей прозрачности по сравнению с SA-SFT, 70 % охвата цветового диапазона NTSC и увеличения контрастности. |
| Название | Краткое обозначение | Год | Преимущество | Прозрачность/ Контрастность |
Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| Super TFT | IPS | 1996 | Широкие углы обзора | 100/100 Базовый уровень |
Большинство панелей также поддерживают реалистичную цветопередачу (8-бит на канал) . Эти улучшения появились ценой более медленного времени отклика, изначально около 50 мс. IPS панели также были очень дороги. |
| Super-IPS | S-IPS | 1998 | Отсутствует цветовой сдвиг | 100/137 | IPS был вытеснен S-IPS (Super-IPS, Hitachi Ltd. в 1998), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика |
| Advanced Super-IPS | AS-IPS | 2002 | Высокая прозрачность | 130/250 | AS-IPS, также разработанный Hitachi Ltd. в 2002, улучшая, главным образом, контрастность традиционных S-IPS панелей до уровня, при котором они стали вторыми после некоторых S-PVA. |
| IPS-Provectus | IPS-Pro | 2004 | Высокая контрастность | 137/313 | Технология панелей IPS Alpha с более широкой цветовой гаммой и контрастностью, сравнимой с контрастностью PVA и ASV дисплеев без углового свечения. |
| IPS alpha | IPS-Pro | 2008 | Высокая контрастность | Следующее поколение IPS-Pro | |
| IPS alpha next gen | IPS-Pro | 2010 | Высокая контрастность | Hitachi передает технологию Panasonic |
| Название | Краткое обозначение | Год | Примечания |
|---|---|---|---|
| Super-IPS | S-IPS | 2001 | LG Display остается одним из главных производителей панелей, основанных на технологии Hitachi Super-IPS. |
| Advanced Super-IPS | AS-IPS | 2005 | Улучшена контрастность с расширенной цветовой гаммой. |
| Horizontal IPS | H-IPS | 2007 | Достигнута ещё большая контрастность и визуальная более однородная поверхность экрана. Также дополнительно появилась технология Advanced True Wide Polarizer на основе поляризационной плёнки NEC, для достижения более широких углов обзора, исключения засветки при взгляде под углом. Используется в профессиональной работе с графикой. |
| Enhanced IPS | e-IPS | 2009 | Имеет более широкую апертуру для увеличения светопроницаемости при полностью открытых пикселях, что позволяет использовать более дешевые в производстве лампы подсветки, с более низким энергопотреблением. Улучшен диагональный угол обзора, время отклика уменьшено до 5 мс. |
| Professional IPS | P-IPS | 2010 | Обеспечивает 1,07 млрд цветов (30-битная глубина цвета). Больше возможных ориентаций для субпикселя (1024 против 256) и лучшая глубина true color-цветопередачи. |
| Advanced High Performance IPS | AH-IPS | 2011 | Улучшена цветопередача, увеличено разрешение и PPI , повышена яркость и понижено энергопотребление. |
Матрицы MVA/PVA (VA - сокр. от vertical alignment - вертикальное выравнивание) считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским свойствам.
Технология MVA (Multi-domain Vertical Alignment ) разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях мониторов до 176-178°), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика. Они значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.
MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.
Достоинствами технологии MVA являются глубокий чёрный цвет (при перпендикулярном взгляде) и отсутствие как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля . Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения.
Аналогами MVA являются технологии:
PLS-матрица (Plane-to-Line Switching ) была разработана компанией Samsung как альтернатива IPS и впервые продемонстрирована в декабре 2010 года. Предполагается, что эта матрица будет на 15 % дешевле, чем IPS.
Достоинства:
Недостатки:
Сами по себе жидкие кристаллы не светятся. Чтобы изображение на жидкокристаллическом дисплее были видимым, нужен . Источник может быть внешним (например, Солнце), либо встроенным (подсветка). Обычно лампы встроенной подсветки располагаются позади слоя жидких кристаллов и просвечивают его насквозь (хотя встречается и боковая подсветка, например, в часах).
Монохромные дисплеи наручных часов и мобильных телефонов большую часть времени использует внешнее освещение (от Солнца, ламп комнатного освещения и т. д.). Обычно позади слоя пикселей из жидких кристаллов находится зеркальный или матовый отражающий слой. Для использования в темноте такие дисплеи снабжаются боковой подсветкой. Существуют также трансфлективные дисплеи , в которых отражающий (зеркальный) слой является полупрозрачным, а лампы подсветки располагаются позади него.
В прошлом в некоторых наручных часах с монохромным ЖК-дисплеем использовалась сверхминиатюрная лампа накаливания . Но из-за высокого энергопотребления лампы накаливания являются невыгодными. Кроме того, они не подходят для использования, например, в телевизорах, так как выделяют много тепла (перегрев вреден для жидких кристаллов) и часто перегорают.
Монохромные ЖК-дисплеи некоторых часов и приборных индикаторов используют для подсветки электролюминесцентную панель. Эта панель представляет собой тонкий слой кристаллофосфора (например, сульфида цинка), в котором происходит электролюминесценция - свечение под действием тока. Обычно светится зеленовато-голубым или жёлто-оранжевым светом.
В течение первого десятилетия XXI века подавляющее большинство LCD-дисплеев имело подсветку из одной или нескольких газоразрядных ламп (чаще всего с холодным катодом - CCFL, хотя недавно стали использоваться и EEFL). В этих лампах источником света является плазма, возникающая при электрическом разряде через газ. Такие дисплеи не следует путать с плазменными дисплеями , в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрной газоразрядной лампой.
В начале 2010-х получили распространение ЖК-дисплеи, имеющие подсветку из одного или небольшого числа светодиодов (LED). Такие ЖК-дисплеи (в торговле нередко называемые LED TV или LED-дисплеями) не следует путать с настоящими LED-дисплеями , в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрным светодиодом.
|
|
|
