Из чего состоит монитор компьютера жк. Как работает жидкокристаллический монитор. Основные пользовательские характеристики мониторов

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.

Принято выделять три агрегатные состояния вещества твердое, жидкое и газообразное. Но некоторые органические вещества способны при плавлении в определенной фазе проявлять свойства, присущие как кристаллам, так и жидкостям. Приобретая текучесть, свойственную жидкостям, они в этой фазе не теряют упорядоченности молекул, свойственной твердым кристаллам. Эту фазу вполне можно назвать четвертым агрегатным состоянием. Правда, не следует забывать, что имеют ее только некоторые вещества и только в определенном диапазоне температур.

Пространственная ориентация молекул ЖК в так называемом положении отдыха называется порядком жидких кристаллов. Согласно классификации Фриделя, различают три основные категории порядка ЖК: смектический, нематический и холестерический (рис.1).

Смектические ЖК наиболее упорядочены и ближе по структуре к обычным твердым кристаллам. У них, кроме простой взаимной ориентации молекул, присутствует еще и деление их на плоскости.

Направление преимущественной ориентации длинных осей молекул в жидких кристаллах обозначается вектором единичной длины, называемым директором.

Основной интерес представляют материалы с нематическим порядком, они применяются в современных жидкокристаллических панелях всех типов (TN, IPS и VA). В нематиках нормальным состоянием является положение молекул с упорядоченной по всему объему ориентацией молекул, свойственной кристаллам, но с хаотическим положением их центров тяжести, свойственным жидкостям. Молекулы в них сориентированы относительно параллельно, а вдоль оси директора смещены на различные расстояния.

Жидкие кристаллы с холестерическим порядком по структуре напоминают нематики, разбитые на слои. Молекулы в каждом последующем слое повернуты относительно предыдущего на некоторый небольшой угол и директор плавно закручивается по спирали. Эта слоистая природа, образуемая оптической активностью молекул, и является основным признаком холестерического порядка. Холестерики иногда называют «скрученными нематиками».

Граница между нематическим и холестерическим порядками является в некоторой степени условной. Холестерический порядок можно получить не только у холестерического материала в чистом виде, но и при помощи добавления к нематическому материалу специальных добавок с содержанием хиральных (оптически активных) молекул. Такие молекулы содержат асимметрический атом углерода и, в отличие от молекул нематиков, являются зеркально-несимметричными.

Порядок в жидких кристаллах определяется междумолекулярными силами, которые создают упругость ЖК материала. Да, здесь можно говорить именно об упругих свойствах, хотя природа их отлична от упругих свойств обычных кристаллов, так как жидкие кристаллы все же обладают текучестью. В нормальном (или основном) состоянии молекулы стремятся вернуться в свое «положение отдыха», например, в нематическом материале в положение с одинаковой ориентацией директора.

Упругость ЖК меньше упругости обычных кристаллов на несколько порядков и дает совершенно уникальную возможность управлять их положением при помощи внешних воздействий. Таким воздействием может служить, к примеру, электрическое поле.

Теперь подробней о том, каким образом это поле может влиять на ориентацию молекул.

Возьмем образец, состоящий из двух стеклянных пластин, пространство между которыми заполнено нематическим материалом. Расстояние между верхней и нижней пластиной и, соответственно, толщина слоя жидких кристаллов составляет несколько микрон. Для задания нужной ориентации директора молекул в материале применяется специальная обработка поверхности подложек. Для этого на поверхность наносится тонкий слой прозрачного полимера, после чего специальной протиркой (rubbing) поверхности придается рельеф тончайшие бороздки в одном направлении. Вытянутые молекулы кристаллов в слое, непосредственно соприкасающемся с поверхностью, ориентируются вдоль рельефа. Межмолекулярные силы заставляют все остальные молекулы принимать такую же ориентацию.

Упорядоченное расположение молекул жидких кристаллов определяет анизотропию их некоторых физических свойств (напомню, анизотропией называется зависимость свойств среды от направления в пространстве). Жидкости с их хаотичным расположением молекул являются изотропными. А вот жидкие кристаллы уже обладают анизотропией, что является важным качеством, позволяющим влиять на характеристики проходящего через них света.

Для управления положением молекул используется анизотропия диэлектрической проницаемости. Она представляет собой разность

Δε = ε || + ε ⊥ где ε || диэлектрическая проницаемость в направлении, параллельном вектору директора, ε ⊥ диэлектрическая проницаемость в направлении, перпендикулярном вектору директора. Значение Δε может быть как положительным, так и отрицательным.

Возьмем образец, состоящий из двух стеклянных пластин с расстоянием между пластинами в несколько микрон, заполненный нематическим материалом и запечатанный. Для задания нужной ориентации директора молекул в материале применяется специальная обработка поверхности подложек, для этого на поверхность наносится тонкий слой прозрачного полимера, после чего специальной протиркой поверхности придается рельеф тончайшие бороздки в одном направлении. Вытянутые молекулы кристаллов в слое, непосредственно соприкасающемся с поверхностью, ориентируются вдоль рельефа, межмолекулярные силы заставляют все остальные молекулы принимать такую же ориентацию. Если создать в образце электрическое поле, энергия жидких кристаллов в этом поле будет зависеть от положения молекул относительно направления поля. В случае, если положение молекул не соответствует минимальной энергии, произойдет их поворот на соответствующий угол. В материале с положительным значением диэлектрической проницаемости (положительной диэлектрической анизотропией) молекулы будут стремиться повернуться вдоль направления электрического поля, в материале с отрицательной диэлектрической анизотропией поперек направления поля. Угол поворота, соответственно, будет зависеть от приложенного напряжения.

Пусть материал в образце имеет положительную диэлектрическую анизотропию, направление электрического поля перпендикулярно исходной ориентации молекул (рис.2). При подаче напряжения молекулы будут стремиться повернуться вдоль поля. Но они изначально сориентированы по рельефу внутренних поверхностей образца, созданных протиркой и связаны с ними довольно значительным сцеплением. Как следствие, при изменении ориентации директора будут возникать крутящие моменты обратного направления. Пока поле достаточно слабое, силы упругости удерживают молекулы в неизменном положении. При увеличении напряжения, начиная с некоторого значения E c , ориентационные силы электрического поля превышают силы упругости, и начинает происходить поворот молекул. Эта переориентация под воздействием поля носит название перехода Фредерикса. Переход Фредерикса является фундаментальным для организации управления жидкими кристаллами, на нем основан принцип работы всех ЖК-панелей.

Образуется работоспособный механизм:

с одной стороны, электрическое поле будет заставлять молекулы жидких кристаллов поворачиваться на нужный угол (в зависимости от значения приложенного напряжения);
с другой стороны, упругие силы, вызванные межмолекулярными связями, будут стремиться вернуть исходную ориентацию директора при сбросе напряжения.

Если исходная ориентация директора и направления электрического поля не строго перпендикулярны, то пороговое значение поля E c снижается, благодаря чему становится возможным воздействовать на положение молекул значительно меньшим полем.

В этом месте придется немного отвлечься от жидких кристаллов, для того, чтобы пояснить понятия «поляризация света» и «плоскость поляризации» без них дальнейшее изложение будет невозможно.

Свет можно представить, как поперечную электромагнитную волну, электрическая и магнитная составляющие которой колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.3).

Естественный свет (называемый также естественно поляризованным или неполяризованным) содержит колебания вектора E , равновероятные во всех направлениях, перпендикулярных вектору k (рис.4).

Частично поляризованный свет имеет преимущественное направление колебания вектора E . У частично поляризованного света в поле световой волны амплитуда проекции Е на одно из взаимно перпендикулярных направлений всегда больше, чем на другое. Отношение между этими амплитудами определяет степень поляризации.

Линейно поляризованный свет это свет, имеющий единое направление вектора E для всех волн. Понятие линейно поляризованного света является абстрактным. На практике, говоря о линейно поляризованном свете, обычно имеют в виду частично поляризованный свет с высокой степенью поляризации.

Плоскость, в которой лежат вектор E и вектор направления волны k , называется плоскостью поляризации.

Теперь вернемся к ЖК.

Вторым после диэлектрической анизотропии важнейшим физическим свойством жидких кристаллов, используемым для управления световым потоком через них, является оптическая анизотропия. Жидкие кристаллы имеют различные значения коэффициента преломления света для параллельного и перпендикулярного директору направления распространения. То есть, скорость распространения светового луча параллельно или перпендикулярно директору будет различной при более высоком коэффициенте она, как известно, будет ниже. Оптическая анизотропия или анизотропия коэффициента преломления есть разность между двумя коэффициентами:

Δ n = n || + n ⊥ где n || коэффициент преломления для плоскости поляризации, параллельной директору; n ⊥ коэффициент преломления для плоскости поляризации, перпендикулярной директору.

Присутствие в материале двух различных значений для n || и n ⊥ вызывает эффект двойного лучепреломления. Когда свет попадает в двулучепреломляющий материал, каким является нематик, происходит разбиение электрического полевого компонента световой волны на два векторных компонента вибрирующий в «быстрой» оси и вибрирующий в «медленной» оси. Эти компоненты носят название соответственно обыкновенного (ordinary) и необыкновенного (extraordinary) лучей. Направления поляризации обыкновенного и необыкновенного лучей взаимно ортогональны. А наличие в материале «быстрой» и «медленной» осей обусловлено тем, о чем говорилось выше различными коэффициентами преломления для лучей, распространяющихся соответственно параллельно или перпендикулярно направлению директора.

На рис.5 показано распространение волн вдоль «быстрой» и «медленной» осей. Нужно подчеркнуть, что ось в данном случае это не фиксированная прямая, а направление плоскости, в которой происходят колебания волны.

Поскольку фазовые скорости обыкновенного и необыкновенного луча различны, разность их фаз будет меняться по мере распространения волны. Изменение разности фаз этих ортогональных компонентов вызывает изменение направления поляризации световой волны. На рисунке для наглядности сумма ортогональных компонентов представлена результирующим вектором E r . Можно видеть, что по мере распространения волны происходит вращение направления вектора E r . Таким образом, сложение волн на выходе из двулучепреломляющего материала даст волну с измененным относительно исходного направлением поляризации.

Угол поворота плоскости поляризации будет зависеть от ориентации молекул в материале.

Конструкция панели

Существует несколько технологий ЖК-панелей. Для иллюстрации конструкции в данном случае приведена TN, как наиболее распространенная (рис.6).

Все жидкокристаллические панели для мониторов являются трансмиссивными изображение в них формируется за счет преобразования светового потока от расположенного сзади источника. Модуляция светового потока осуществляется за счет оптической активности жидких кристаллов (их способности вращать плоскость поляризации проходящего света). Реализуется это следующим образом. При прохождении через первый поляризатор свет от ламп подсветки становится линейно поляризованным. Далее он следует через слой жидких кристаллов, заключенный в пространстве между двумя стеклами. Положение молекул ЖК в каждой ячейке панели регулируется электрическим полем, создаваемым за счет подачи напряжения на электроды. От положения молекул зависит поворот плоскости поляризации проходящего света. Таким образом, за счет подачи на ячейки нужного значения напряжения происходит управление поворотом плоскости поляризации.

Для доставки напряжения к субпикселю служат вертикальные (data line) и горизонтальные (gate line) линии данных, представляющие собой металлические токопроводящие дорожки, нанесенные на внутреннюю (ближайшую к модулю подсветки) стеклянную подложку. Электрическое поле, как уже говорилось, создается напряжением на электродах общем и пиксельном. Напряжение используется переменное, поскольку применение постоянного напряжения вызывает взаимодействие ионов с материалом электродов, нарушение упорядоченности расположения молекул ЖК-материала, и приводит к деградации ячейки. Тонкопленочный транзистор играет роль переключателя, который замыкается при выборе адреса требуемой ячейки на линии сканирования, разрешает «записать» требуемое значение напряжения и по окончании цикла сканирования вновь размыкается, позволяя сохранять заряд в течение некоторого периода времени. Зарядка происходит в течение времени T = T f /n , где T f время вывода кадра на экран (например, при частоте обновления 60 Гц время вывода кадра составляет 1 с / 60 = 16.7 мс), n количество строк панели (например, 1024 для панелей с физическим разрешением 1280х1024). Однако, собственной емкости жидкокристаллического материала недостаточно для сохранения заряда в интервале между циклами обновления, что должно вести к спаду напряжения и, как следствие, снижению контрастности. Поэтому, кроме транзистора, каждая ячейка оснащается запоминающим конденсатором, который также заряжается при открытии транзистора и помогает компенсировать потери напряжения до начала очередного цикла сканирования.

Вертикальные и горизонтальные линии данных при помощи подклеенных плоских гибких шлейфов соединены с управляющими микросхемами панели драйверами, соответственно столбцовым (source driver) и строчным (gate driver), которые обрабатывают поступающий с контроллера цифровой сигнал и формируют соответствующее полученным данным напряжение для каждой ячейки.

После слоя жидких кристаллов расположены цветовые фильтры, нанесенные на внутреннюю поверхность стекла панели и служащие для формирования цветной картинки. Используется обычный трехцветный аддитивный синтез: цвета образуются в результате оптического смешения излучений трех базовых цветов (красного, зелёного и синего). Ячейка (пиксель) представляет собой три раздельных элемента (субпикселя), каждому из которых сопоставлен расположенный над ним цветовой фильтр красного, зеленого или синего цвета, комбинациями из 256 возможных значений тона для каждого субпикселя можно получить до 16,77 миллионов цветов пикселя.

Структура панели (металлические вертикальные и горизонтальные линии данных, тонкопленочные транзисторы) и пограничные области ячеек, где нарушена ориентация молекул, должны быть скрыты под непрозрачным материалом, чтобы избежать нежелательных оптических эффектов. Для этого применяется так называемая черная матрица (black matrix), которая напоминает тонкую сетку, заполняющую промежутки между отдельными цветовыми фильтрами. В качестве материала для черной матрицы используется хром или черные смолы.

Заключительную роль в формировании картинки играет второй поляризатор, часто называемый анализатором. Его направление поляризации смещено относительно первого на 90 градусов. Чтобы представить назначение анализатора, можно условно удалить его с поверхности подключенной панели. В этом случае мы увидим все субпиксели максимально освещенными, то есть ровную белую заливку экрана вне зависимости от выведенной на него картинки. От того, что свет стал поляризованным, и плоскость его поляризации вращается каждой ячейкой по-разному, в зависимости от приложенного к ней напряжения, для наших глаз пока ничего не изменилось. Функция анализатора как раз и состоит в отсечении нужных компонентов волн, что позволяет увидеть на выходе требуемый результат.

Теперь о том, как это отсечение нужных компонентов происходит. Возьмем для примера поляризатор с вертикальным направлением поляризации, т.е. пропускающий волны, ориентированные в вертикальной плоскости.

На рис.7 показана волна, распространяющаяся в плоскости, лежащей под некоторым углом относительно вертикального направления поляризации. Вектор электрического поля падающей волны можно разложить на две взаимно перпендикулярных составляющих: параллельную оптической оси поляризатора и перпендикулярную ей. Первая составляющая, параллельная оптической оси, проходит, вторая (перпендикулярная) блокируется.

Отсюда очевидны и два крайних положения:

волна, распространяющаяся в строго вертикальной плоскости, будет пропускаться без изменений;
волна, распространяющаяся в горизонтальной плоскости, будет блокироваться, как не имеющая вертикальной составляющей.

Эти два крайних положения соответствуют полностью открытому и полностью закрытому положению ячейки. Подытожим:

Для максимально полной блокировки проходящего света ячейкой (субпикселем) требуется, чтобы плоскость поляризации этого света была ортогональна плоскости пропускания анализатора (направлению поляризации);
Для максимального пропускания света ячейкой плоскость его поляризации должна совпадать с направлением поляризации;
Плавно регулируя напряжение, подаваемое на электроды ячейки, можно управлять положением молекул жидких кристаллов и, как следствие, поворотом плоскости поляризации проходящего света. И тем самым изменять количество пропускаемого ячейкой света.

Так как угол поворота плоскости поляризации зависит от расстояния, пройденного светом в слое жидких кристаллов, этот слой должен иметь строго выдержанную толщину по всей панели. Для поддержания равномерности расстояния между стеклами (со всей нанесенной на них структурой) применяются специальные распорки (spacers).

Простейшим вариантом являются так называемые шариковые распорки (ball spacers). Они представляют собой прозрачные полимерные или стеклянные шарики строго определенного диаметра и наносятся на внутреннюю структуру стекла путем распыления. Соответственно, располагаются они хаотично по всей площади ячейки и их наличие отрицательно влияет на ее однородность, так как распорка служит центром для дефектной области и непосредственно возле нее молекулы ориентируются неправильно.

Применяется и другая технология распорки колонного типа (column spacer, photo spacer, post spacer). Располагаются такие распорки с фотографической точностью под черной матрицей (рис.8). Преимущества такой технологии очевидны: повышение контрастности за счет отсутствия световых утечек возле распорок, более точный контроль однородности зазора за счет упорядоченного расположения распорок, повышение жесткости панели и отсутствие ряби при нажиме на поверхность.

Панель TN, конструкция которой была приведена на рис.6, является самой недорогой в производстве, что определяет ее доминирование на рынке массовых мониторов. Кроме нее существует еще несколько технологий, различающихся расположением, конфигурацией и материалом электродов, ориентацией поляризаторов, используемыми ЖК-микстурами, исходной ориентацией директора в жидкокристаллическом материале и т.д. Согласно исходной ориентации директора все существующие технологии можно разделить на две группы:

1. Планарная ориентация

Сюда относятся все IPS-технологии (S-IPS, SA-SFT и др.), а также FFS (в настоящее время AFFS), разработанная и продвигаемая компанией Boe HyDis. Молекулы выравниваются горизонтально, параллельно основанию подложек, в направлении, заданном протиркой, верхняя и нижняя подложки протерты в одном направлении. Все электроды, как пиксельные, так и общие, находятся на одной стеклянной подложке панели внутренней, вместе с линиями данных и транзисторами. В IPS-технологиях пиксельные и общие электроды расположены параллельно, чередуясь друг с другом (рис.9). Силовые линии поля проходят горизонтально, но под некоторым углом относительно направления протирки. Поэтому при подаче напряжения молекулы, обладающие в данном случае положительной диэлектрической анизотропией, стремясь выстроиться по направлению приложенного поля, поворачиваются в той же плоскости на угол, зависящий от его (поля) напряженности. В случае FFS общий электрод расположен под пиксельным при такой конструкции приложенное к электродам напряжение образует электрическое поле, имеющее как горизонтальную, так и вертикальную составляющие. Если для IPS в приведенных на рис.9 координатных осях поле можно охарактеризовать как E y , то для FFS соответствующие значения будут выглядеть как E y и E z . Такое расположение силовых линий поля позволяет использовать ЖК-материалы как с положительной, так и с отрицательной диэлектрической анизотропией. Поворот молекул, аналогично IPS, происходит в той же плоскости по направлению горизонтальной составляющей поля, но при этом из-за меньшего количества пограничных зон поворачивается значительно большее количество молекул, что позволяет сузить ширину решетки черной матрицы и достичь более высокого отношения апертуры панели.

Одним из основных плюсов технологий с планарной ориентацией директора является крайне незначительный цветовой сдвиг (color shift) палитры при изменении угла обзора. Эта стабильность объясняется конфигурацией спирали, образуемой молекулами жидкокристаллического материала под действием поля, которая в данном случае имеет симметричную форму. На рис.9 схематично показано положение ЖК-молекул при поступлении напряжения на электроды очевидно, что максимальный угол поворота достигается в средних слоях. Такая неоднородность обусловлена тем, что, как уже говорилось, ориентация молекул в нужном направлении параллельно основанию подложек получена за счет предварительной обработки (протирки) их поверхностей. Поэтому подвижность молекул в непосредственно граничащем с подложкой слое ограничивается рельефом подложки, а последующих близлежащих слоях межмолекулярными силами. В результате под воздействием поля молекулы образуют спираль, напоминающую форму ленты с зафиксированными в одной плоскости концами и повернутой центральной частью. Существует понятие оптического пути, зависящего от коэффициента преломления среды, в которой распространяется луч и результирующего фазового набега по направлению его следования. Световые лучи, проходящие через слой жидких кристаллов, имеют различную длину оптического пути в зависимости от угла прохождения. Симметричная форма спирали молекул позволяет получить для каждого серого уровня точное дополнение длины оптического пути в своих верхней и нижней половинках, следствием является практически полное отсутствие зависимости отображаемых оттенков от углов обзора. Благодаря такому свойству, IPS-панели используются в подавляющем большинстве мониторов, ориентированных на работу с графикой.

При прохождении световой волны направление врашения результирующего вектора (см. рис.5) частично повторяет форму изгиба спирали, образуемой молекулами. Поэтому вращение плоскости поляризации при прохождении волны через первую часть ЖК-материала происходит в одном направлении, а через вторую в противоположном. Различное, в зависимости от приложенного напряжения, запаздывание по фазе одного из компонентов волны приводит к тому, что направление результирующего вектора E r на выходе из слоя жидких кристаллов отличается от исходного, это позволяет определенной части светового потока пройти через анализатор. Светопропускающие плоскости поляризатора и анализатора, как и во всех остальных технологиях смещены относительно друг друга на угол 90 градусов.

Во всех выпускаемых в настоящее время вариациях (S-IPS, AFFS, SA-SFT) используется 2-доменная конструкция ячейки. Для этого применяются электроды зигзагообразной формы, которые вызывают поворот молекул в двух направлениях. Первоначальные версии, обозначавшиеся как просто «IPS» и «FFS», без приставок «Super» и «Advanced», были монодоменными, поэтому имели цветовой сдвиг и меньшие углы обзора (от 140/140 по падению контрастности до 10:1 у первых IPS).

К планарной ориентации обычно причисляется и твист-ориентация (или закрученная ориентация). Выравнивание молекул вдоль основания подложек в этом случае также достигается протиркой их поверхностей, с той разницей, что направления протирки верхней и нижней подложек смещены друг относительно друга. В результате такого выравнивания в нематическом материале директор образует спираль, напоминающую холестерическую, для правильного формирования спирали в ЖК-микстурах применяются специальные добавки с содержанием хиральных молекул. Твист-ориентация используется в наиболее широко распространенной TN (или TN+Film) технологии. Описывать и иллюстрировать конструкцию TN здесь не имеет смысла, это неоднократно сделано в многочисленных материалах на аналогичные темы можно сказать, что она хорошо известна.

2. Гомеотропная ориентация

К этой группе принадлежат MVA и PVA. Директор ориентирован перпендикулярно основанию стеклянной подложки, это достигается применением в покрытии подложки поверхностно-активных веществ. Общие и пиксельные электроды расположены на противоположных подложках, поле ориентировано вертикально. Здесь используются жидкокристаллические материалы с отрицательной диэлектрической анизотропией, поэтому приложенное напряжение вызывает поворот молекул ЖК против силовых линий поля. MVA отличается наличием микроскопических продольных выступов (protrusion) для преднаклона молекул на верхней, либо на обеих подложках, поэтому исходное вертикальное выравнивание не является полным. Молекулы, выравниваясь по этим выступам получают небольшой преднаклон, что позволяет задать для каждой области (домена) ячейки определенное направление, в котором будет происходить поворот молекул под воздействием поля. В PVA такие выступы отсутствуют и в отсутствие напряжения директор ориентирован строго перпендикулярно поверхности, а пиксельный и общий электроды смещены друг относительно друга так, что создаваемое поле не строго вертикально, а содержит наклонный компонент (рис.10).

К технологиям с гомеотропной ориентацией директора относится также ASV, разработанная компанией Sharp. В пределах субпикселя здесь располагается несколько пиксельных электродов, имеющих форму квадратов со скругленными краями. Основные принципы те же: общий электрод расположен на противоположной подложке, молекулы в отсутствие поля ориентированы вертикально, используются жидкокристаллические материалы с отрицательной диэлектрической анизотропией. Создаваемое поле имеет выраженный наклонный компонент и молекулы, поворачиваясь против направления поля, создают структуру, направление директора в которой напоминает форму зонтика с центром в середине пиксельного электрода.

Существует также деление ЖК-модулей по типам в зависимости от состояния ячеек в отсутствие напряжения. Нормально белыми (normally white) называются панели, у которых при нулевом напряжении на ячейках они полностью открыты соответственно, на экране воспроизводится белый цвет. Нормально белыми являются все панели, изготовленные по технологии TN. Панели, блокирующие прохождение света при отсутствии напряжения, относятся к нормально черным (normally black), к этому типу принадлежат все остальные технологии.

Модуль подсветки

...на базе флюоресцентных ламп

Сквозь тело панели (поляризаторы, электроды, цветофильтры и пр.) проходит лишь незначительная часть изначального светового потока от ламп подсветки, не более 3%. Поэтому собственная яркость модуля подсветки должна быть довольно значительной как правило, применяемые лампы имеют яркость свыше 30000 кд/м 2 .

Для подсветки применяются CCFL флуоресцентные лампы с холодным катодом (без нитей накала катодов). CCFL-лампа представляет собой запечатанную стеклянную тубу, наполненную инертным газом с небольшой примесью ртути (рис.11). Катоды в данном случае являются равноправными электродами, так как для питания используется переменный ток. В сравнении с лампами с накаливаемым (горячим) катодом, электроды у CCFL имеют другое строение и больший размер. Рабочая температура катода существенно отличается: 80-150 o C против приблизительно 900 o C у ламп с горячим катодом, при близкой температуре самой лампы 30-75 o C и 40 o C соответственно. Рабочее напряжение для CCFL составляет 600-900 В, пусковое напряжение 900-1600 В (цифры достаточно условные, так как спектр применяемых ламп очень широк). Образование света происходит при ионизации газа, а необходимым условием ее возникновения в лампе с холодным катодом является высокое напряжение. Поэтому для запуска такой лампы требуется на несколько сотен микросекунд подать на электроды напряжение, значительно превышающее рабочее. Приложенное высокое переменное напряжение вызывает ионизацию газа и пробой зазора между электродами, возникает разряд.

Пробой разрядного промежутка происходит по следующим причинам. В обычных условиях наполняющий лампу газ является диэлектриком. При появлении электрического поля небольшое количество ионов и электронов, всегда присутствующее в объеме газа, приходит в движение. Если подать на электроды достаточно высокое напряжение, электрическое поле сообщает ионам настолько высокую скорость, что при столкновении с нейтральными молекулами происходит выбивание из них электронов и образование ионов. Вновь образовавшиеся электроны и ионы, двигаясь под воздействием поля, также вступают в процесс ионизации, процесс принимает лавинообразный характер. После того, как ионы начинают получать достаточную энергию, чтобы выбивать электроны ударами о катод, возникает самостоятельный разряд. В отличие от ламп с горячим катодом, где разряд является дуговым, тип разряда в CCFL тлеющий.

Поддержание разряда происходит за счет так называемого катодного падения потенциала. Основная часть падения потенциала (напряжения) в разряде приходится на прикатодную область. Ионы, пробегая этот промежуток с высокой разностью потенциалов, приобретают большую кинетическую энергию, достаточную для выбивания электронов из катода. Выбитые электроны за счет той же разности потенциалов ускоряются обратно в разряд, производя там новые пары ионов и электронов. Ионы от этих пар возвращаются к катоду, ускоряются падением напряжения между разрядом и катодом, и снова выбивают электроны.

Энергия электрического тока вызывает переход находящейся в лампе ртути из жидкого состояния в газообразное. При столкновении электронов с атомами ртути происходит выделение энергии, вызванное возвращением атомов из нестабильного состояния в стабильное. При этом возникает интенсивное излучение в ультрафиолетовой области доля ультрафиолета составляет около 60% общего излучения.

Видимый свет образуется за счет люминофорного покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность стекла. Ультрафиолетовые фотоны, выпущенные ртутью, возбуждают атомы в люминофорном покрытии, повышая уровень энергии электронов. Когда электроны возвращаются к первоначальному уровню энергии, атомы в покрытии производят энергию в виде фотонов видимого света. Люминофор является важнейшим компонентом лампы, от него зависят характеристики спектра излучения. Спектр CCFL крайне неровный, в нем присутствуют ярко выраженные узкие пики. Даже использование многослойного люминофорного покрытия (в ущерб максимальной яркости) не позволяет «обогнать» кинескопные мониторы по цветовому охвату. Поэтому при производстве панели для достижения приемлемого цветового охвата необходим еще и точный подбор цветовых фильтров, полосы пропускания которых должны максимально соответствовать пикам спектра излучения ламп.

Максимальный цветовой охват в идеале могла бы обеспечить комбинация монохроматических источников основных цветов и качественных цветофильтров. На роль «квазимонохроматических» источников света могут претендовать так называемые лазерные светодиоды, но технология производства пока не обеспечивает рентабельность их применения в модулях подсветки. Поэтому на данный момент луший цветовой охват позволяют достичь модули подсветки на основе RGB-пакетов светодиодов (см. ниже).

Для формирования напряжения в несколько сотен вольт, необходимого для работы ламп, используются специальные преобразователи инверторы. Регулировка яркости CCFL осуществляется двумя способами. Первый заключается в изменении тока разряда в лампе. Значение тока в разряде составляет 3-8 мА, значительная часть ламп имеет еще более узкий диапазон. При меньшем токе страдает равномерность свечения, при большем существенно сокращается срок службы лампы. Недостаток этого способа регулировки состоит в том, что он позволяет изменять яркость в очень небольшом диапазоне, существенное ее снижение при этом невозможно. Поэтому мониторы с такой регулировкой при работе в условиях слабого внешнего освещения часто оказываются излишне яркими даже при нулевом значении яркости. При втором способе генерируется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) питающего лампы напряжения (осуществляется управление шириной, т.е. длительностью импульса, за счет изменения ширины единичного импульса регулируется средний уровень напряжения.). В недостатки такому способу иногда приписывается появление мерцания ламп при реализации ШИМ на низкой частоте 200 Гц и ниже, по сути же регулировка с помощью ШИМ представляет собой наиболее разумный подход, так как позволяет изменять яркость в широком диапазоне.

Для равномерного распределения света ламп применяется система из световодов, рассеивателей и призм. Вариантов организации распределения света существует множество, один из них показан на рис.12.

Решения с расположением ламп по верхней и нижней торцевым сторонам панели являются наиболее распространенными, такая компоновка позволяет значительно снизить общую толщину изделия. В 17- и 19-дюймовых модулях, как правило, устанавливается четыре лампы: две по верхней стороне и две по нижней. В торцевой части корпуса подобных панелей существуют специальные технологические отверстия, поэтому разбирать корпус для извлечения ламп не требуется (рис.13-б). Лампы при такой компоновке часто объединены в блоки из двух штук (рис. 13-а).

Другим вариантом является расположение ламп по всей площади обратной стороны модуля (рис.13-в) такое решение применяется в многоламповых панелях с количеством ламп восемь штук и более, а также при использовании U-образных CCFL.

Минимальный срок службы ламп производителями панелей в настоящее время обычно указывается от сорока до пятидесяти тысяч часов (срок службы определяется как время, за которое светимость ламп снижается на 50%).

...на базе светодиодов

Наибольший цветовой охват дают пакеты RGB-LED. Дело в том, что «белый» светодиод представляет собой синий светодиод с желтым люминофорным покрытием, либо ультрафиолетовый светодиод с комбинацией «красного», «зеленого» и «синего» люминофорного покрытия. Спектр «белых» светодиодов не избавлен от всех недостатков спектра флюоресцентных ламп. Кроме того, в отличие от «белых» светодиодов, пакет RGB-LED позволяет в оперативном режиме корректировать цветовую температуру подсветки за счет раздельного управления интенсивностью свечения каждой группы светодиодов основных цветов.

В итоге, достигаются две цели:

расширяется цветовой охват за счет более идеального спектра подсветки,
расширяются возможности цветокалибровки: к типовому методу на основе таблиц пересчета цветовых координат для пикселей изображения добавляется возможность корректировки цветового баланса задней подсветки.

Большая крутизна вольт-амперной характеристики светодиодов не позволяет плавно регулировать яркость излучения в широких диапазонах. Но поскольку прибор допускает работу в импульсном режиме, на практике для регулировки яркости светодиодов (как и для флюоресцентных ламп) чаще всего применяется метод широтно-импульсной модуляции.

Олег Медведев, Максим Проскурня

Монитор (дисплей) компьютера – это устройство, предназначенное для вывода на экран текстовой и графической информации. Конечно, монитор — важная часть персонального компьютера, но важна она именно для человека, а не для работы самого компьютера.

По типу внутреннего устройства (технологии) мониторы разделяют на:

ЭЛТ - на основе электронно-лучевой трубки (англ. CRT - cathode ray tube)
ЖК - жидкокристаллические мониторы (англ. LCD - liquid crystal display)

По типу интерфейсного кабеля в мониторах разделяют на:

D-SUB

Мониторы CRT (Cathode Ray Tube) – сейчас практически полностью исчезли с прилавков магазинов. Как видно из названия, в основе всех подобных мониторов лежит катодно-лучевая трубка, но это дословный перевод, технически правильно говорить электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Иногда CRT расшифровывается и как Cathode Ray Terminal, что соответствует уже не самой трубке, а устройству, на ней основанному.

Используемая в этом типе мониторов технология была разработана немецким ученым Фердинандом Брауном в 1897г. и первоначально создавалась в качестве специального инструмента для измерения переменного тока, то есть для осциллографа. Самым важным элементом монитора является кинескоп, называемый также электроннолучевой трубкой. Кинескоп состоит из герметичной стеклянной трубки, внутри которой находится вакуум, то есть весь воздух удален. Один из концов трубки узкий и длинный — это горловина, а другой — широкий и достаточно плоский — это экран. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла трубки покрыта люминофором (luminophor). В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов — иттрия, эрбия и т.п. Люминофор — это вещество, которое испускает свет при бомбардировке его заряженными частицами. Для создания изображения в ЭЛТ-мониторе используется электронная пушка, откуда под действием сильного электростатического поля исходит поток электронов. Сквозь металлическую маску или решетку они попадают на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора, которая покрыта разноцветными люминофорными точками.

Поток электронов (луч) может отклоняться в вертикальной и горизонтальной плоскости, что обеспечивает последовательное попадание его на все поле экрана. Отклонение луча происходит посредством отклоняющей системы. Отклоняющие системы подразделяются на седловидно-тороидальные и седловидные. Последние предпочтительнее, поскольку создают пониженный уровень излучения. Отклоняющая система состоит из нескольких катушек индуктивности, размещенных у горловины кинескопа. С помощью переменного магнитного поля две катушки создают отклонение пучка электронов в горизонтальной плоскости, а другие две — в вертикальной. Так как эти мониторы уже не используются в больших масштабах, рассматривать более подробно не имеет смысла.

ЖК-мониторы

История жидких кристалов

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.

Принцип работы жидкокристаллических экранов

Работа жидкокристаллических матриц основана на таком свойстве света, как поляризация. Обычный свет является неполяризованным, т.е. амплитуды его волн лежат в огромном множестве плоскостей. Однако существуют вещества, способные пропускать свет только с одной плоскости. Эти вещества называют поляризаторами, поскольку прошедший сквозь них свет становится поляризованным только в одной плоскости. Если взять два поляризатора, плоскости поляризации которых расположены под углом 90° друг к другу, свет через них пройти не сможет. Если же расположить между ними что-то, что сможет повернуть вектор поляризации света на нужный угол, мы получим возможность управлять яркостью свечения, гасить и зажигать свет так, как нам хочется. Таков, если описывать вкратце, принцип работы ЖК-матрицы. В упрощенном виде матрица жидкокристаллического дисплея состоит из следующих частей:

галогенная лампа подсветки;
система отражателей и полимерных световодов, обеспечивающая равномерную подсветку;
фильтр-поляризатор;
стеклянная пластина-подложка, на которую нанесены контакты;
жидкие кристаллы;
ещё один поляризатор;
снова стеклянная подложка с контактами.

Строение ЖК-матрицы

В цветных матрицах каждый пиксель формируется из трёх цветных точек (красной, зелёной и синей), поэтому добавляется ещё и цветной фильтр. В каждый момент времени каждая из трёх ячеек матрицы, составляющих один пиксель, находится либо во включённом, либо в выключенном положении. Комбинируя их состояния, получаем оттенки цвета, а включая все одновременно – белый цвет. Глобально матрицы делятся на пассивные (простые) и активные. В пассивных матрицах управление производится попиксельно, т.е. по порядку от ячейки к ячейке в строке. Проблемой, встающей при производстве ЖК-экранов по этой технологии, стало то, что при увеличении диагонали увеличиваются и длины проводников, по которым передаётся ток на каждый пиксель. Во-первых, пока будет изменён последний пиксель, первый успеет потерять заряд и погаснуть. Во-вторых, большая длина требует большего напряжения, что приводит к росту помех и наводок. Это резко ухудшает качество картинки и точность цветопередачи. Из-за этого пассивные матрицы применяются только там, где не нужны большая диагональ и высокая плотность отображения. Для преодоления этой проблемы были разработаны активные матрицы. Основой стало изобретение технологии, известной всем по аббревиатуре TFT, что означает Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор.

Благодаря TFT, появилась возможность управлять каждым пикселем на экране отдельно. Это резко сокращает время реакции матрицы и делает возможными большие диагонали матриц. Транзисторы изолированы друг от друга и подведены к каждой ячейке матрицы. Они создают поле, когда им приказывает управляющая логика – драйвер матрицы. Для того, чтобы ячейка не потеряла заряд преждевременно, к ней добавляется небольшой конденсатор, который играет роль буферной ёмкости. С помощью этой технологии удалось радикально уменьшить время реакции отдельных ячеек матрицы.

Виды матриц

Различия между разными типами матриц обусловлены расположением жидких кристаллов и, как следствие, особенностями прохождения через них света. TN+film Кристаллы в TN-матрице Первой и наиболее простой технологией производства матриц была технология TN (Twisted Nematic, скрученные нематические), представленная в далёком 1973 году. Особенностью нематических кристаллов является то, что они выстраиваются друг за другом, как солдаты в колонне. Организация их в матрице выглядит как спираль. Для этого на стеклянных подложках делаются специальные бороздки, благодаря которым первый кристалл в спирали всегда расположен в одной и той же плоскости. Следующие за ним кристаллы располагаются друг за другом по спирали, пока последний не укладывается в аналогичную бороздку на второй подложке, расположенную под углом 90° к первой. К каждому концу спирали подведены электроды, которые и влияют на расположение кристаллов созданием электрического поля. При отсутствии напряжения и поля кристаллы поворачивают ось поляризации света, прошедшего через первый поляризатор, на 90°, чтобы он оказался в одной плоскости со вторым поляризатором и беспрепятственно прошёл сквозь него. Так получается белый пиксель. Если подать напряжение на электроды, спираль начинает сжиматься. Максимальное значение напряжения соответствует такому положению, при котором кристаллы не поворачивают поляризованный свет, и он поглощается вторым поляризатором (чёрный пиксель). Для получения градаций (оттенков серого) напряжение варьируется, тогда кристаллы занимают такое положение, при котором свет проходит через фильтры неполностью.

Принцип работы ЖК-матриц на примере TN

Из-за особенностей TN чёткое формирование оттенков сильно затруднено, и по сей день цветопередача является их ахиллесовой пятой. Проблемой первых TN-матриц были очень небольшие углы обзора, при которых ячейка была видна с нужным цветом. Поэтому была разработана специальная плёнка, которая накладывается сверху на матрицу и расширяет углы обзора. Технология стала называться TN+film. В этом исполнении она существует и по сей день. Разъясним её. Угол между нормалью фронта световой волны и углом директора молекул ЖК (так научно называются те самые бороздки) равен j. Интенсивность пропущенного через 2 поляризатора света равна sin2 j. С практической точки зрения эти построения означают, что при полностью включённом пикселе угол j составляет не более 30°, а интенсивность света меняется в пределах 10%. А вот в среднем положении при уровне серого 50% угол j составит 45°, а изменение интенсивности – примерно 90%. Естественно, вряд ли кого устроит то, что, пошевелившись на стуле, он увидит вместо красного цвета зелёный. Поэтому сверху на матрицу клеится плёнка, имеющая другое значение j, из-за чего изменение интенсивности при смене угла обзора уже не так заметно. Сегодняшние матрицы обеспечивают нормальное изображение при отклонении от центра примерно на 50-60° по горизонтали (угол обзора 100-120°), а вот с вертикальными углами дело обстоит хуже. При отклонении от центра по вертикали хотя бы на 30 градусов нижняя часть матрицы начинает светлеть, иногда появляются тёмные полосы и т.д.

Ещё одна особенность TN состоит в том, что положением пикселя по умолчанию (т.е. при отключённом токе на электродах) является белый цвет. При этом, если транзистор сгорает, мы получаем всегда ярко горящую точку на мониторе. А если учесть, что добиться абсолютно точного положения кристаллов невозможно, на TN-матрицах невозможно добиться и хорошего отображения чёрного цвета. В связи с ограниченной скоростью пассивных матриц для уменьшения скорости реакции была разработана технология STN (Super Twisted Nematic). Смысл её заключается в том, что бороздки на стеклянных подложках, ориентирующие первый и последний кристалл, расположены под углом более 200° друг к другу, а не 90°, как в обычной TN. В таком случае переход между крайними состояниями резко ускоряется, однако становится крайне сложно управлять кристаллами в средних положениях. Более-менее стабильными они были при углах между бороздками около 210°. Однако без недостатков не обошлось и тут: при отклонении от центра ячейки белый свет становился либо грязно-жёлтым, либо голубоватым. Чтоб хоть как-то сгладить эту проблему, инженеры Sharp разработали DSTN – Dual-Scan Twisted Nematic. Суть технологии состоит в том, что экран делится на две части, каждая из которых управляется отдельно. Помимо увеличения скорости, преимуществом технологии было смягчение искажений цветов, а недостатком – большой вес и высокая стоимость.

S-IPS матрицы

Компания Hitachi решила не бороться с недостатками TN, а просто применить другую технологию. За основу было взято открытие Гюнтера Баура, датируемое 1971 годом. Разработанная технология получила название Super-TFT, а при коммерциализации – IPS (In-Plane Switching). Кардинальное отличие данной технологии от TN состоит в расположении кристаллов: они не скручены в спираль, а расположены параллельно друг другу вдоль плоскости экрана. Оба электрода находятся на нижней стеклянной подложке. При отсутствии напряжения на электродах свет не пропускается через второй поляризационный фильтр, плоскость поляризации которого расположена под углом 90° к первому.

Таким образом, IPS обеспечивает в разы лучшую контрастность, а чёрный цвет остается чёрным, а не тёмно-серым. Кроме того, углы обзора составляют 170° как по горизонтали, так и по вертикали. Недостатки технологии обусловлены её достоинствами.

Во-первых, чтобы повернуть весь массив расположенных параллельно кристаллов, требуется время. Поэтому время реакции у мониторов на базе IPS, а также эволюционных продолжений этой технологии S-IPS (Super-IPS) и DD-IPS (DualDomain-IPS) выше, чем у TN+film. Среднее значение для этого типа матриц – 35-25 мс.
Во-вторых, расположение электродов на одной подложке требует большего напряжения для создания достаточного поля, чтобы повернуть кристаллы в нужное положение. Поэтому мониторы на основе IPS-матриц потребляют больше электроэнергии. В-третьих, требуются более мощные лампы, чтобы просветить панель и при этом обеспечить достаточную яркость.
В-четвёртых, эти панели банально дороги, и до недавнего времени устанавливались только в мониторы с большими диагоналями. Одним словом, мониторы на основе матриц этого типа остаются идеальным выбором для дизайнеров и других специалистов, работа которых критична к качеству цветопередачи и некритична к скорости переключения ячеек.

MVA/PVA матрицы

Поскольку с недостатками TN+film бороться стало практически невозможно, а повысить быстродействие S-IPS – так и просто нереально, компания Fujitsu разработала и представила в 1996 году технологию VA (Vertical Alignment). Для коммерческого использования, впрочем, эта технология не подходила и была развита до MVA (Multi-Domain Vertical Alignment). Технология должна была служить компромиссом между быстродействием TN и качеством изображения S-IPS. Потому и реализация во многом схожа с IPS. В этих матрицах кристаллы располагаются параллельно друг к другу и под углом 90° ко второму фильтру. Таким образом, свет попадает во второй фильтр с осью поляризации, направленной под углом 90° к плоскости поляризации фильтра, и поглощается. В результате мы получаем незасвеченный чёрный цвет на экране.

Подавая напряжение на ячейку, мы поворачиваем кристаллы и получаем светящийся пиксель. Недостатком первых матриц VA было то, что цвет резко изменялся при смене угла обзора по горизонтали. Для того, чтобы понять это явление, представьте себе, что кристаллы повернуты на 45 градусов и показывают светло-красный цвет. Теперь смещаемся в одну сторону. Угол обзора растёт, и мы получаем уже намного более насыщенный красный цвет. Смещаясь в другую сторону, мы видим, как цвет уходит в противоположную часть спектра и становится зелёным. Поэтому и была разработана MVA. Суть её состоит в том, что поляризационные фильтры были значительно усложнены, а на стеклянную подложку стали наноситься не плоские электроды, а своеобразные треугольники.

Строение MVA

При отключённом токе кристаллы всегда выстраиваются перпендикулярно подложке, так что, с какой бы стороны мы ни смотрели, всегда будет чёрный. При включённом же токе, как всегда, кристаллы поворачиваются на нужный угол и поворачивают вектор поляризации света. Вот только угол этот – между плоскостью электрода и кристалла. Если мы смотрим под углом, мы всегда увидим только одну зону, кристаллы в которой расположены как раз в таком положении, чтобы не искажать цвет. Вторая зона видна не будет. Нужный цвет под любым углом Подобное решение значительно усложняет как фильтры-поляризаторы, так и сами панели, потому что каждую точку на экране нужно дублировать для двух зон. Как и в S-IPS, у MVA недостатки обусловлены достоинствами. Налицо всё та же инерционность – время отклика выше, чем у TN. Впрочем, на данный момент отличие уже абсолютно некритично: значение достигло 8 мс. Контрастность и яркость намного лучше S-IPS, до 1000:1. Цветопередача матриц MVA считается компромиссной между TN и S-IPS: она не настолько хороша, чтобы применять её для серьёзной работы с полиграфией и дизайном, но намного превышает жутковатые показатели TN+film.

Компания Samsung не пожелала платить лицензионные отчисления Fujitsu и разработала PVA. Впрочем, технологии эти очень похожи, а отличия незначительны. Единственное существенное – большая контрастность, что только плюс. Поэтому довольно часто в характеристиках монитора в графе «тип матрицы» пишут MVA/PVA.

Сравнение типов ЖК-матриц

Параметры ЖК-мониторов Несмотря на то, что время отклика ячейки – далеко не самый важный показатель, чаще всего при выборе монитора покупатель обращает внимание только на этот фактор. Собственно, именно поэтому TN+film и доминирует. Однако при выборе конкретной модели стоит обдуманно взвешивать все характеристики монитора. Время отклика Этот показатель означает минимальное время, за которое ячейка жидкокристаллической панели изменяет цвет. Существуют два способа измерения скорости матрицы: black to black, чёрный-белый-чёрный, и gray to gray, между градациями серого. Эти значения очень сильно различаются. При изменении состояния ячейки между крайними положениями (чёрный-белый) на кристалл подаётся максимальное напряжение, поэтому он поворачивается с максимальной скоростью. Именно так получены значения в 8, 6, а иногда и 4 мс в характеристиках современных мониторов.

При смещении кристаллов между градациями серого на ячейку подаётся намного меньшее напряжение, потому что позиционировать их нужно точно для получения нужного оттенка. Поэтому и времени для этого затрачивается намного больше (для матриц 16 мс – до 27-28 мс). Лишь недавно в конечных продуктах смогли воплотить достаточно логичный способ решения этой проблемы. На ячейку подаётся максимальное напряжение (или сбрасывается до нуля), а в нужный момент моментально выводится на нужное для удержания положения кристалла. Сложностью является чёткое управление напряжением с частотой, превышающей частоту развёртки. Кроме того, импульс нужно высчитывать с учётом начального положения кристаллов. Однако Samsung уже представила модели с технологией Digital Capacitance Compensation, дающей показатели 8-6 мс для матриц PVA.

Контрастность

Значение контрастности определяется по соотношению яркости матрицы в состоянии «чёрный» и «белый». Т.е. чем меньше засвечен чёрный цвет и чем выше яркость белого, тем выше контрастность. Этот показатель критичен для просмотра видео, изображений и, в принципе, для хорошего отображения любого изображения. Выглядит как, например, 250:1, т.е. яркость матрицы в «белом» состоянии – 250 кд/м 2, а в «чёрном» – 1 кд/м 2. Впрочем, такие значения возможны только в случае TN+film, для S-IPS среднее значение – 400:1, а для PVA – до 1000:1. Впрочем, заявленным в характеристиках монитора значениям стоит верить только с натяжкой, потому что это значение замеряется для матрицы, а не для монитора. И замеряется оно на специальном стенде, когда на матрицу подаётся строго стандартное напряжение, подсветка питается строго стандартным током и т.д.

Яркость

Измеряется в кд/м 2. Важна для работы с изображениями, для красочных игр и видео. Зависит от мощности лампы подсветки и, косвенно, от типа матрицы (помните недостатки S-IPS?).

Углы обзора

Обычно указываются значения 170°/170°, впрочем, для TN+film это значение – не больше чем декларация. Требованием при определении углов обзора является сохранение контрастности не ниже 10:1. При этом абсолютно безразлична цветопередача в таком положении, даже если цвета будут инвертированы. Также учитываем, что углы определяются в центре матрицы, а на углы мы, естественно, изначально смотрим под углом.

Цветопередача

До пересечения рубежа в 25 мс при переключении ячейки в порядке чёрный-белый-чёрный все матрицы TN отображали честный 24-битный цвет. Однако в гонке скоростей AU Optronics решила честную цветопередачу отбросить. Начиная с матриц со скоростью 16 мс, все TN+filmобеспечивают только 262 тысячи оттенков (18 бит). Большее же количество оттенков обеспечивается двумя путями: либо перемешиванием точек с разными цветами (дизеринг), либо сменой цвета ячейки при каждом обновлении картинки (Frame Rate Control, FRC). Второй способ «честней», потому как человеческий глаз всё равно не успевает заметить смены цвета на каждом кадре. Подчеркиваем, только матрицы TN+film – 18-битные, матрицы, произведённые по другим технологиям, поддерживают 24-битную цветопередачу.

Модуль подсветки

На базе флюоресцентных ламп

Сквозь тело панели (поляризаторы, электроды, цветофильтры и пр.) проходит лишь незначительная часть изначального светового потока от ламп подсветки, не более 3%. Поэтому собственная яркость модуля подсветки должна быть довольно значительной - как правило, применяемые лампы имеют яркость свыше 30000 кд/м2. Через ЖК-панель проходит около 3% светового потока.

Для подсветки применяются CCFL - флуоресцентные лампы с холодным катодом (без нитей накала катодов). CCFL-лампа представляет собой запечатанную стеклянную тубу, наполненную инертным газом с небольшой примесью ртути. Катоды в данном случае являются равноправными электродами, так как для питания используется переменный ток. В сравнении с лампами с накаливаемым (горячим) катодом, электроды у имеют другое строение и больший размер. Рабочая температура катода существенно отличается: 80-150°C против приблизительно 900°C у ламп с горячим катодом, при близкой температуре самой лампы - 30-75°C и 40°C соответственно. Рабочее напряжение для CCFL составляет 600-900 В, пусковое напряжение - 900-1600 В (цифры достаточно условные, так как спектр применяемых ламп очень широк). Образование света происходит при ионизации газа, а необходимым условием ее возникновения в лампе с холодным катодом является высокое напряжение. Поэтому для запуска такой лампы требуется на несколько сотен микросекунд подать на электроды напряжение, значительно превышающее рабочее. Приложенное высокое переменное напряжение вызывает ионизацию газа и пробой зазора между электродами, возникает разряд.

Для формирования напряжения в несколько сотен вольт, необходимого для работы ламп, используются специальные преобразователи - инверторы. Регулировка яркости CCFLосуществляется двумя способами. Первый заключается в изменении тока разряда в лампе. Значение тока в разряде составляет 3-8 мА, значительная часть ламп имеет еще более узкий диапазон. При меньшем токе страдает равномерность свечения, при большем - существенно сокращается срок службы лампы. Недостаток этого способа регулировки состоит в том, что он позволяет изменять яркость в очень небольшом диапазоне, существенное ее снижение при этом невозможно. Поэтому мониторы с такой регулировкой при работе в условиях слабого внешнего освещения часто оказываются излишне яркими даже при нулевом значении яркости. При втором способе генерируется широтноимпульсная модуляция (ШИМ) питающего лампы напряжения (осуществляется управление шириной, т.е. длительностью импульса, за счет изменения ширины единичного импульса регулируется средний уровень напряжения.). В недостатки такому способу иногда приписывается появление мерцания ламп при реализации ШИМ на низкой частоте - 200 Гц и ниже, по сути же регулировка с помощью ШИМ представляет собой наиболее разумный подход, так как позволяет изменять яркость в широком диапазоне.

Для равномерного распределения света ламп применяется система из световодов, рассеивателей и призм. Вариантов организации распределения света существует множество. Решения с расположением ламп по верхней и нижней торцевым сторонам панели являются наиболее распространенными, такая компоновка позволяет значительно снизить общую толщину изделия. В 17- и 19-дюймовых модулях, как правило, устанавливается четыре лампы: две по верхней стороне и две по нижней. В торцевой части корпуса подобных панелей существуют специальные технологические отверстия, поэтому разбирать корпус для извлечения ламп не требуется. Лампы при такой компоновке часто объединены в блоки из двух штук. Другим вариантом является расположение ламп по всей площади обратной стороны модуля- такое решение применяется в многоламповых панелях с количеством ламп восемь штук и более, а также при использовании U-образных CCFL.Минимальный срок службы ламп производителями панелей в настоящее время обычно указывается от сорока до пятидесяти тысяч часов (срок службы определяется как время, за которое светимость ламп снижается на 50%).

На базе светодиодов

Помимо флюоресцентных ламп в качестве источника света могут также использоваться светодиоды (LED). Модули подсветки на базе светодиодов строятся либо на «белых» светодиодах, либо на пакетах светодиодов основных цветов (RGB-LED). Наибольший цветовой охват дают пакеты RGB-LED. Дело в том, что «белый» светодиод представляет собой синий светодиод с желтым люминофорным покрытием, либо ультрафиолетовый светодиод с комбинацией «красного», «зеленого» и «синего» люминофорного покрытия. Спектр «белых» светодиодов не избавлен от всех недостатков спектра флюоресцентных ламп. Кроме того, в отличие от «белых» светодиодов, пакет RGB-LED позволяет в оперативном режиме корректировать цветовую температуру подсветки за счет раздельного управления интенсивностью свечения каждой группы светодиодов основных цветов. В итоге, достигаются две цели: - расширяется цветовой охват за счет более идеального спектра подсветки, - расширяются возможности цветокалибровки: к типовому методу на основе таблиц пересчета цветовых координат для пикселей изображения добавляется возможность корректировки цветового баланса задней подсветки. Большая крутизна вольт-амперной характеристики светодиодов не позволяет плавно регулировать яркость излучения в широких диапазонах. Но поскольку прибор допускает работу в импульсном режиме, на практике для регулировки яркости светодиодов (как и для флюоресцентных ламп) чаще всего применяется метод широтно-импульсной модуляции.

Жидкие кристаллы были открыты в 1888 году австрийским ученым Фридрихом Рейнитцером, а в 1927 году русским физиком Всеволодом Фредериксом был обнаружен переход, названный его именем и ныне широко используемый в LCD-дисплеях. В 1970-х годах компанией RCA был впервые представлен жидкокристаллический монохромный экран. Жидкокристаллические дисплеи начали использоваться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах. Затем стали появляться матричные дисплеи, воспроизводящие черно-белое изображение. В 1987 году компания Sharp разработала первый цветной жидкокристаллический дисплей диагональю 3 дюйма. Как же работает LCD-дисплей — об этом в сегодняшнем выпуске!

LCD или жидкокристаллического дисплея основана на поляризации светового потока. Жидкие кристаллы «просеивают» свет, пропуская лишь определенные волны светового пучка с соответствующей осью поляризации, и оставаясь непрозрачными для всех остальных волн. Изменение вектора поляризации осуществляется жидкими кристаллами в зависимости от приложенного к ним электрического поля. Иными словами при помощи электричества можно изменять ориентацию молекул кристаллов и тем самым обеспечивать создание изображения.

Практически любой LCD-дисплей имеет активную матрицу из транзисторов, с помощью которых формируется изображение, слой жидких кристаллов со светофильтрами, выборочно пропускающих свет, и систему подсветки (как правило, из светодиодов). Последняя необходима для показа цветных изображений. LCD-дисплей имеет несколько слоев, основными из которых являются две стеклянные панели, которые и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им ориентацию. Бороздки расположены параллельно на каждой панели, но перпендикулярно между двумя панелями. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах одинаково ориентируются во всех ячейках.

Непосредственно экран LCD-дисплея представляет собой массив маленьких сегментов — пикселей. На каждый пиксель приходится по три транзистора, каждый из которых отвечает за один из трех цветов, и конденсатор, поддерживающий необходимое напряжение. Комбинируя три основных цвета для каждого пикселя экрана, можно получить любой цвет.

Наиболее распространенными в настоящее время являются жидкокристаллические TFT-дисплеи, в активной матрице которых используются тонкоплёночные прозрачные транзисторы. Количество транзисторов в таких дисплеях может достигать несколько сотен тысяч.

Среди преимуществ LCD-дисплеев сравнительно невысокая стоимость, отличная фокусировка, очень высокая четкость изображения и яркость. А также отсутствие ошибок совмещения цветов и мерцания экрана. Дело в том, что в таких дисплеях не используется электронный луч, рисующий каждую строку на экране. Из недостатков LCD — появление мертвых пикселей из-за сгорания транзисторов, малое количество оттенков цвета, неоднородность яркости картинки (зачастую освещение у края дисплея сильнее) и сравнительно малый угол обзора.

Приветствую, друзья! Единственное устройство вывода информации, с которым удобно работать пользователю – монитор, которым комплектуется любой компьютер. Принципиальное отличие этого девайса от телевизора, несмотря на подобие конструкции, в том, что компьютерный монитор никогда не оснащается тюнером.

Из этой статьи вы узнаете:

А если вы хотите смотреть телепередачи на компьютере, то придется установить тюнер как отдельный модуль, но уже в сам системный блок.

За длительную историю своего развития, монитор претерпел множественные конструкционные изменения, «мутировав» от примитивной электронно‐лучевой трубки, гибрида радара и осциллографа, в высокотехнологичный жидкокристаллический экран, который в том числе удобно вешать на стену.

В сегодняшнем посте я расскажу из чего состоит монитор и какие функции выполняют его внутренности. Речь пойдет о современных ЖК‐дисплеях. Как устроен ЭЛТ‐монитор, мы рассматривать не будем: технология морально устарела, а у меня все‐таки передовой и прогрессивный блог.

Матрица

«Сердцевина» любого монитора – жидкокристаллическая матрица. Представляет она собой несколько слоев стеклянных пластин, между слоями которых расположены жидкие кристаллы – особая смесь, которая может изменять угол преломления света, в зависимости от подаваемого напряжения.

Какой именно цвет будет отображаться, зависит от направленности поля, индуцируемого электрическим током.

Большинство мониторов использует аддитивную схему цветопередачи RGB, при которой любой из миллионов цветов в палитре, генерируется сочетанием в различных пропорциях трех основных цветов – красного, синего и зеленого.

Высокотехнологичная матрица – самая дорогостоящая деталь в мониторе или экране ноутбука. При повреждении, отремонтировать ее невозможно – только полная замена, поэтому не стоит подвергать экран физическим воздействиям.

Подсветка

Сами по себе кристаллы не излучают свет, а только преломляют его. Для того, чтобы пользователь мог видеть кристалл, его нужно подсветить с обратной стороны. Существуют «экзотические» экраны без всякой подсветки, где матрица ничем нигде не прикрыта, а изображение видно, благодаря естественному освещению в помещении.

Блок питания

Естественно, ни одно электронное устройство не будет работать без подачи электрического тока. Блок питания преобразует переменный ток, напряжением 220 В из сети и преобразует его в постоянный.

Этот модуль обычно расположен внутри корпуса монитора, но может и быть внешним. В последнем случае ремонт более удобен: не нужно лишний раз разбирать монитор, для доступа к электрической схеме блока питания.

Модуль управления

Назначение этого компонента – преобразование сигнала, подаваемого с видеоадаптера, в последовательность сигналов для покадровой развертки.

Обычно в работу этого модуля может вмешаться пользователь, отрегулировав параметры картинки: яркость, контрастность, режим просмотра, положение изображения на экране и многое другое.

Этот же модуль отвечает за активацию режима 3D, начиная попеременно демонстрировать кадры для левого и правого глаза.

Однако учитывайте, что, если вы даже приобрели монитор с такой «фичей», для просмотра объемных фильмов, потребуются специальные поляризационные очки, которые могут не поставляться в комплекте с монитором.
Кроме того, такой режим работы дисплея требует наличия мощной видеокарты на ПК: кадры в этом режиме обновляются с частотой 120 в секунду, при этом быстро чередуются кадры для левого и правого глаза, создавая объемную картинку.

Корпус

Логично, что всю электронную начинку необходимо впихнуть в прочный корпус для ее сохранности. Тут уже прикладывают руку дизайнеры, назначение которых – создать привлекательный для потребителей девайс.

Именно внешний вид может стать решающим фактором при покупке монитора, ведь в большинстве случаев, в одном ценовом сегменте, дисплеи имеют одинаковые технические характеристики.

Вариантов реализации несколько: в «классическом» виде монитор покоится на подставке, которая должна обеспечивать необходимый угол наклона. Некоторые модели ставятся на рабочий стол прямо нижней кромкой, а сзади выдвигается специальный упор, не дающий устройству упасть.
Кроме того, существует ряд моделей, с уже готовыми кронштейнами для крепления монитора на стене. На корпусе же крепятся слоты для подключения видеокарты и кабеля питания.

Послесловие

Как видите, несмотря на сложность реализации, современный монитор имеет простое и логичное строение. Однако, чтобы прийти к этой простоте, инженерам потребовалось не одно десятилетие.

Возможно, со временем изобретут еще более совершенную конструкцию. Как устроен будет монитор будущего, можно только строить догадки.