Технологии современных ЖК-дисплеев
 
Автор Виктор Куц (Все статьи)
Опубликовано26.05.2003
Источник http://www.comprice.ru/
РазделМониторы
Просмотров13174
Оцените статью!
  • Рейтинг статьи - 4.81 из 5
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5

Современные компьютерные мониторы делятся на две большие группы: обычные CRT-мониторы (Cathode Ray Tube) на базе традиционной электронно-лучевой трубки, и плоские дисплеи, наиболее ярким представителем которой являются жидкокристаллические, или LCD-мониторы (Liquid Crystal Display). Причем в последнее время былому безраздельному господству CRT-мониторов приходит конец, так как бурное развитие технологий, лежащих в основе ЖК-мониторов, вкупе с серьезным снижением их стоимости, привели к постепенному, но неуклонному снижению рыночной доли CRT-мониторов и, соответственно, росту доли их LCD-собратьев.

Технологии современных ЖК-дисплеевЖидкие кристаллы были открыты более 100 лет назад в 1888 году, однако долгое время они не только практически не использовались в технических целях, но и воспринимались не иначе, как любопытный научный курьез. Первые серийные устройства с использованием жидких кристаллов появились лишь только в начале семидесятых годов прошлого века. Это были небольшие монохромные сегментные индикаторы для цифровых часов и калькуляторов. Следующим важным шагом в развитии ЖК-технологии стал переход от сегментных индикаторов к дискретным матрицам, состоящим из набора точек, расположенных вплотную друг к другу. Впервые подобный дисплей был использован корпорацией Sharp в карманном монохромном телевизоре. В дальнейшем новая технология быстро прижилась в портативных ПК, открыв жидким кристаллам дорогу на компьютерный рынок. И понеслось...

От всех остальных типов электронных дисплеев ЖК-матрицы отличаются тем, что сами не излучают свет, а являются всего-навсего преобразователями светового потока, излучаемого внешним источником (чаще всего - неоновой лампой подсветки). Принцип их действия основан на эффекте поляризации света, пропущенного через жидкокристаллическое вещество в электромагнитном поле. Жидкий кристалл, в отличие от обычного, не имеет упорядоченной внутренней структуры, молекулы в нем расположены хаотично и могут свободно перемещаться. Пропущенный через такой кристалл свет не изменяет своей поляризации. Однако если на молекулы жидкого кристалла воздействовать внешним электрическим полем, то они выстраиваются в упорядоченную структуру, и свет, пропущенный через такую среду, приобретает направленную поляризацию. Но человеческий глаз не способен зафиксировать изменение плоскости поляризации светового потока без дополнительных устройств, поэтому на внешнюю часть ЖК-матрицы обычно ставится еще один поляризованный слой, который не пропускает свет поляризации другой направленности (отличной на 90 градусов), но пропускает неполяризованный свет.

Таким образом, если через такую конструкцию пропустить свет, то сначала он, пройдя через первый поляроид, поляризуется в плоскости первого поляроида. Далее направление поляризации светового потока, проходящего через слой жидких кристаллов, будет поворачиваться, пока не совпадет с оптической плоскостью второго поляроида. После чего второй поляроид пропустит большую долю оставшейся части светового потока. Но стоит только приложить к электродам переменный потенциал, как молекулы вытянутся вдоль силовых линий электромагнитного поля. Проходящий поляризованный свет не изменит ориентации векторов электромагнитной и электростатической индукции. Поэтому второй поляроид не пропустит такой поток света. Соответственно, при отсутствии потенциала ЖК-ячейка "прозрачна" для проходящего света. А при установленном управляющем напряжении ЖК-ячейка "выключается", т.е. теряет свою прозрачность. А если направление оптической плоскости второго поляроида будет совпадать с первым, то ячейка будет работать наоборот: при отсутствии потенциала - прозрачная, при наличии - темная. Изменяя уровень управляющего напряжения в пределах допустимого диапазона, можно модулировать яркость светового потока, проходящего через ячейку.

Самыми первыми появились ЖК-мониторы с так называемой пассивной матрицей, в которых вся поверхность экрана разделена на отдельные точки, объединенные в прямоугольные сетки (матрицы), управляющее напряжение на которые, с целью уменьшения количества контактов матрицы, подается поочередно: в каждый момент времени на одном из вертикальных и одном из горизонтальных управляющих электродов выставляется напряжение, адресованное ячейке, которая расположена в точке пересечения этих электродов. Сам термин "пассивная" указывал на то, что электроемкость каждой ячейки требовала определенного времени на смену напряжения, что в результате приводило к тому, что все изображения перерисовывалось довольно долго, буквально строка за строкой. Для предотвращения мерцания в таких матрицах применяют жидкие кристаллы с большим временем реакции. Изображение на экране таких дисплеев было очень бледным, а быстроменяющиеся участки изображения оставляли за собой характерные "хвосты". Поэтому пассивные матрицы в своем классическом виде практически не использовались, а первыми более-менее массовыми стали монохромные пассивные матрицы, использующие технологию STN (сокращение от Super Twisted Nematic), с помощью которой стало возможно увеличить угол "закручивания" ориентации кристаллов внутри LCD-ячейки с 90° до 270°, что позволило обеспечить лучшую контрастность изображения в мониторах.

Дальнейшим усовершенствованием стала технология DSTN (Double STN), 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 значительно большую часть своей энергии, чем раньше. Контрастность и разрешающая способность DSTN оказались настолько высоки, что появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых подматриц, каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время инерции кристаллов.

Более дорогой, чем в случае с DSTN, но и более качественный способ отображения на жидкокристаллическом мониторе - это применение так называемых активных матриц. В этом случае также действует принцип один электрод - одна ячейка, однако каждый пиксель экрана обслуживает еще и дополнительный усилительный элемент, который, во-первых, значительно снижает время, в течение которого происходит смена напряжения на электроде и, во-вторых, компенсирует взаимное влияние соседних ячеек друг на друга. Благодаря "прикрепленному" к каждой ячейке транзистору, матрица "помнит" состояние всех элементов экрана, и сбрасывает его только в момент получения команды на обновление. В результате повышаются практически все параметры экранной картинки - четкость, яркость и скорость перерисовки элементов изображения, увеличивается угол обзора.

Естественно, что 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), то есть тонкопленочный транзистор. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина составляет всего 0,1-0,01 мкм.

Тем не менее, эффект поляризации света, лежащий в основе всех технологий современных ЖК-мониторов, все еще не позволяет им приблизиться к своим электронно-лучевым братьям по ряду важных параметров. Среди них наиболее важными являются все еще неудовлетворительные углы обзора жидкокристаллического дисплея и все еще слишком большое время реакции элементов ЖК-матрицы, не позволяющие использовать их в современных динамичных играх, да и для просмотра высококачественного видео. А ведь оба этих направления являются приоритетными в развитии современного компьютера, поэтому в настоящее время совершенствование технологий ЖК-мониторов идет по трем основным направлениям, позволяющим если не искоренить, то хотя бы значительно уменьшить эти недостатки. Дальше мы рассмотрим все эти технологии более подробно.

TN+Film TFT (Twisted Nematic + Film)

Технологии современных ЖК-дисплеевСамый распространенный тип цифровых панелей основан на технологии, сокращенно называемой TN TFT или TN+Film TFT (Twisted Nematic + Film), в основе которой лежит традиционная технология скрученных кристаллов. Термин Film обозначает дополнительное наружное пленочное покрытие, позволяющее увеличить угол обзора со стандартных 90 градусов (по 45 с каждой стороны) до примерно 140 градусов.

Когда транзистор находится в выключенном состоянии, то есть не создает электрическое поле, молекулы жидких кристаллов находятся в своем нормальном состоянии и выстроены так, чтобы менять угол поляризации проходящего через них светового потока на 90 градусов (жидкие кристаллы образуют спираль). Поскольку угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого, то проходящий через неактивный транзистор свет будет без потерь выходить наружу, образуя яркую точку, цвет которой задается световым фильтром. Когда транзистор генерирует электрическое поле, все молекулы жидких кристаллов выстраиваются в линии, параллельные углу поляризации первого фильтра, и тем самым никоим образом не влияют на проходящий через них световой поток. Второй поляризующий фильтр поглощает свет полностью, создавая черную точку на месте одной из трех цветовых компонент.

TN TFT - первая технология, появившаяся на рынке LCD, которая до сих пор чувствует себя уверенно в категории бюджетных решений, поскольку создание подобных цифровых панелей в настоящее время обходится относительно дешево. Но, как и многие другие дешевые вещи, LCD-мониторы на матрице TN TFT не лишены недостатков. Во-первых, черный цвет, особенно в старых моделях таких дисплеев, больше похож на темно-серый (поскольку очень трудно развернуть все жидкие кристаллы строго перпендикулярно к фильтру), что приводит к низкой контрастности картинки. С годами технологический процесс совершенствовался, и новые TN-панели демонстрируют значительно увеличившуюся глубину темных оттенков. Во-вторых, если транзистор перегорает, он более не может прикладывать напряжение к своим трем субпикселям. Это важно, поскольку нулевое напряжение на нем означает яркую точку на экране. По этой причине "мертвые" ЖК-пиксели очень яркие и заметные.

Но эти два основных недостатка не мешают данной технологии занимать лидирующие позиции среди 15-дюймовых панелей, поскольку главным фактором для бюджетных решений все равно остается невысокая стоимость.

IPS (In-Plane Switching)

Технологии современных ЖК-дисплеевОдной из первых ЖК-технологий, призванных сгладить недостатки TN+film, стала технология Super-TFT или IPS (In-Plane Switching - приблизительно это можно перевести как "плоскостное переключение"), разработанная японскими компаниями Hitachi и NEC. IPS представляет собой своеобразный компромисс, когда за счет снижения одних характеристик цифровых панелей оказалось возможным улучшить другие: расширить угол обзора до примерно 170 градусов (что, практически, соотносимо с аналогичными показателями ЭЛТ-мониторов) за счет более точного механизма управления ориентацией жидких кристаллов, что и явилось ее главным достижением. Такой важный параметр, как контрастность, остался на уровне TN TFT, а время отклика даже немного увеличилось.

Суть технологии Super-TFT в том, что разнополярные электроды располагаются не в разных плоскостях, а в одной. При отсутствии электрического поля молекулы жидких кристаллов выстроены вертикально и не влияют на угол поляризации проходящего через них света. Поскольку углы поляризации фильтров перпендикулярны, то свет, идущий через выключенный транзистор, полностью поглощается вторым фильтром. Создаваемое электродами поле поворачивает молекулы жидких кристаллов на 90 градусов относительно позиции покоя, меняя тем самым поляризацию светового потока, который пройдет второй поляризующий фильтр без помех.

Среди плюсов технологии IPS можно отметить четкий черный цвет, большой угол обзора, достигающий 170 градусов, и тот факт, что "битые" пиксели теперь выглядят черными, а потому они и достаточно малозаметны. Минус не столь очевиден, но существенен: электроды располагаются на одной плоскости, по паре на цветовой элемент, и закрывают собой часть проходящего света. В результате страдает контрастность, которую приходится компенсировать более мощной подсветкой. Но это мелочь по сравнению с главным недостатком, состоящим в том, что создание электрического поля в подобной системе требует больших затрат энергии и занимает больше времени, из-за чего растет время отклика.

Дальнейшее совершенствование технологии IPS породило целое семейство технологий: S-IPS (Super IPS), SFT (Super Fine TFT), A-SFT (Advanced SFT), SA-SFT (Super A-SFT).

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)

Технологии современных ЖК-дисплеевИ, наконец, наиболее перспективная на сегодня технология, разработанная компанией Fujitsu, - MVA (Multi-Domain Vertical Alignment - многодоменное вертикальное размещение) - является дальнейшим развитием технологии VA, разработанной еще в 1996 году. Дисплеи, созданные на основе этой технологии, отличаются достаточно большим углом обзора - до 160 градусов и малым временем реакции на изменение изображения (менее 25 мс).

Суть технологии MVA заключается в следующем: для расширения угла обзора все цветовые элементы панели разбиты на ячейки (или зоны), образуемые выступами на внутренней поверхности фильтров. Цель такой конструкции - дать возможность жидким кристаллам двигаться независимо от своих соседей в противоположном направлении. Это позволяет наблюдателю, вне зависимости от угла обзора, видеть один и тот же оттенок цвета - отсутствие такой возможности было главным недостатком предыдущей технологии VA. В выключенном положении молекулы жидких кристаллов ориентированы перпендикулярно второму фильтру (каждому его выступу), что на выходе дает точку черного цвета. При слабом электрическом поле молекулы немного поворачиваются, образуя на выходе точку половинной интенсивности серого цвета. Стоит заметить, что интенсивность света для наблюдателя не зависит от угла обзора, поскольку более яркие ячейки, попавшие в поле зрения, будут компенсироваться находящимися рядом более темными. В полном электрическом поле молекулы выстроятся так, чтобы при разных углах наблюдения на выходе была видна точка максимальной интенсивности.

Используя достижения технологии MVA, некоторые производители создали свои технологии производства ЖК-матриц. Так, компания Samsung во всех своих последних разработках использует технологию PVA (Patterned Vertical Alignment - микроструктурное вертикальное размещение). Принцип действия PVA заключается в выстраивании молекул жидкого кристалла под прямым вертикальным углом по отношению к управляющим электродам и формировании картинки за счет их малых отклонений от указанного положения, гораздо меньших, чем в традиционных ЖК-дисплеях. Это, как отмечает Samsung, позволяет снизить инерционность и обеспечивает широкий конический угол обзора (170 градусов), высокий уровень контрастности (500:1) и улучшенное качество цветопередачи.

Потенциал технологии MVA и ее клонов значителен. Один из главных ее плюсов - сокращенное время отклика. Кроме этого, также можно отметить и такое преимущество MVA, как очень хороший черный цвет. Однако сложное устройство панели не только серьезно увеличивает стоимость готового LCD-дисплея на ее основе, но и не позволяет производителю в полной мере реализовать все возможности MVA по причине сложностей технического характера. Будет ли данная технология доминировать на рынке LCD или ее место займет новая разработка, покажет время. Пока же MVA является самым технически совершенным LCD-решением.

Выводы

В последние годы параметры изображения ЖК-панелей существенно улучшились и по таким показателям, как яркость и контрастность, практически приблизившись к результатам ЭЛТ-мониторов. По такому важнейшему параметру, как количество отображаемых цветов, тоже был сделан большой шаг вперед: произошел переход от 16- к 24-битному цвету даже в массовых моделях ЖК-мониторов, хотя с практической точки зрения этому 24-битному цвету еще достаточно далеко до ЭЛТ-мониторов. А вот время реакции пикселей (т.е. с какой скоростью пиксели принимают нужный цвет) на быструю смену изображения в ЖК-дисплеях существенно больше, чем у ЭЛТ, что сильно сказывается на качестве динамических изображений (видео, игры). Ведь, если точки не успевают устанавливать цвет адекватно динамическому изображению, то наблюдатель отметит, что изображение имеет ненасыщенный и "грязный" цвет.

Для оценки этого параметра производители мониторов ввели термин "время отклика", который, впрочем, используется с рядом оговорок: полное время отклика, типичное и максимальное время отклика. Итак, полное время отклика - это сумма времени включения (активации) и выключения отдельного пикселя (Full Response Time = Time Rise + Time Fall). Эта характеристика означает скорость реакции пикселя на переключение в крайние значения: белый и черный. Для нормального воспроизведения видео время отклика не должно превышать длительность одного кадра - 20 (16) мс при кадровой частоте 50 (60) Гц.

Теоретически, самыми быстрыми должны быть панели, выполненные по технологии MVA, самыми медленными - IPS, а обычные TN-панели должны находиться где-то посередине. На практике наблюдается существенный разброс значений времени отклика, обеспечиваемых разными технологиями, вплоть до их перекрытия.

Не менее серьезной проблемой современных ЖК-дисплеев является и проблема обеспечения приемлемой величины угла обзора формируемого изображения, контрастность и цветовые параметры которого заметно искажаются при изменении угла обзора наблюдателем. Только в том случае, когда наблюдатель смотрит на изображение почти перпендикулярно, оно выглядит наиболее естественно.

Хотя заявляемые производителями матриц углы обзора их изделий на бумаге выглядят вполне удовлетворительными, на деле это не всегда так. Так, большинство производителей матриц TN+Film указывают, что угол обзора по вертикали у них составляет 90 градусов, но при этом умалчивается, что на самом деле в этом диапазоне пользователь может наблюдать более чем 10-кратное изменение яркости (и более чем 15-кратное - для темных тонов). Поэтому реальные углы обзора, при которых сохраняется высокий уровень комфортности работы, для TN+Film-мониторов составляют по вертикали не более +/- 10 градусов (а для темных градаций серого - и того меньше), а по горизонтали эти цифры могут быть увеличены до +/- 30 градусов.

У технологий MVA и IPS все обстоит немного лучше, однако все равно имеются большие провалы по темным градациям, особенно у MVA. Темное поле будет становиться заметно ярче при отклонении от нормали, а потом снова станет темнеть. Это объясняет, почему на MVA-панели заметно искажается цветопередача изображения, так как не только уменьшается контрастность изображения, но и сам этот процесс происходит нелинейно. В общем, реальные углы обзора у MVA-панелей составляют как по вертикали, так и по горизонтали не более +/- 20 градусов (это особенно заметно для темных градаций серого), а для IPS-панели эти углы примерно в два раза больше.

Отзывы о статье Технологии современных ЖК-дисплеев

Александр [28-06-2007]

очень примитивно написано.Автор абсолютно не владеет предметом. Много ляпов.Например, про работу ЖК-ячейки - полная чушь.Уровень пятиклассников. Да и старая очень информация. перепевы тогго что было уже написано кемто лет 10-15 назад..
| | Ответить

Ахма [20-11-2006]

Да это давно пора обновить! Где IPS?
| | Ответить

BORRR1S [22-05-2006]

Не интересно, старо. Моя бабуля больше знает
| | Ответить

Смотреть все отзывы (12) / Добавить отзыв
 
Категории
SOFT Обозрение
Безопасность
Игры
Общие темы
Операционки
Программирование
Раскрутка сайтов
Сотовые
STAR LABS
Hardware
CD/DVD ROM
HDD
 
Лучшие авторы
SoftPortal.com
Security Lab
Gray
Павел Ряйкконен
AMS Software
Все авторы
Наш канал на YouTube
Топ 10 европейских стран где можно недорого или бесплатно получить образование