Почему жк экраны получили наибольшее распространение в качестве мониторов персональных компьютеров
Обновлено: 09.05.2024
Первый рабочий жидкокристаллический дисплей был создан Фергесоном в 1970 году. До этого жидкокристаллические устройства потребляли слишком много энергии, срок их службы был ограничен, а контраст изображения был удручающим. На суд общественности новый ЖК-дисплей был представлен в 1971 году и тогда он получил горячее одобрение. Жидкие кристаллы (Liquid Crystal) - это органические вещества, способные под напряжением изменять величину пропускаемого света. Жидкокристаллический монитор представляет собой две стеклянных или пластиковых пластины, между которыми находится суспензия. Кристаллы в этой суспензии расположены параллельно по отношению друг к другу, тем самым они позволяют свету проникать через панель. При подаче электрического тока расположение кристаллов изменяется, и они начинают препятствовать прохождению света. ЖК технология получила широкое распространение в компьютерах и в проекционном оборудовании. Отметим, что первые жидкие кристаллы отличались своей нестабильностью и были мало пригодными к массовому производству. Реальное развитие ЖК технологии началось с изобретением английскими учеными стабильного жидкого кристалла - бифенила (Biphenyl). Жидкокристаллические дисплеи первого поколения можно наблюдать в калькуляторах, электронных играх и в часах.
2. Как работает ЖК - монитор
Существует два вида ЖК мониторов: DSTN (кристаллические экраны с двойным сканированием) и TFT (на тонкопленочных транзисторах), также их называют соответственно пассивными и активными матрицами. Такие мониторы состоят из следующих слоев: поляризующего фильтра, стеклянного слоя, электрода, слоя управления, жидких кристаллов, ещё одного слоя управления, электрода, слоя стекла и поляризующего фильтра.
Практически все современные ЖК мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспечивающих яркое, четкое изображение значительно большего размера.
При нормальных условиях, когда нет электрического заряда, жидкие кристаллы находятся в аморфном состоянии. В этом состоянии жидкие кристаллы пропускают свет. Количеством света, проходящего через жидкие кристаллы, можно управлять с помощью электрических зарядов - при этом изменяется ориентация кристаллов.
Как и в традиционных электроннолучевых трубках, пиксель формируется из трех участков - красного, зеленого и синего. А различные цвета получаются в результате изменения величины соответствующего электрического заряда (что приводит к повороту кристалла и изменению яркости проходящего светового потока).
TFT экран состоит из целой сетки таких пикселей, где работой каждого цветового участка каждого пикселя управляет отдельный транзистор. Именно здесь стоит поговорить о разрешении. Для нормального обеспечения экранного разрешения 1024х768 (режим SVGA) монитор должен располагать именно таким количеством пикселей.
3. Основные характеристики ЖК – мониторов
Пять лет назад никто даже не предполагал, что к сегодняшнему моменту ЖК - мониторы практически полностью вытеснят с компьютерного рынка традиционные на то время мониторы, основанные на электронно-лучевой трубке. Выбор ЖК - мониторов на сегодняшний день очень широкий. Но мониторы с одинаковой диагональю экрана могут различаться по цене в несколько раз. На какие основные характеристики стоит обратить внимание при выборе ЖК - монитора? Рассмотрим каждую из них подробнее.
Время отклика
Время отклика является характеристикой, показывающей, насколько быстро каждый пиксель, формирующий изображение на мониторе, может изменить свой цвет на заданный. Извечная проблема ЖК - мониторов в том, что изображение на них изменяется с гораздо меньшей скоростью. В результате, на ЖК - мониторах с большим временем отклика при динамичном изменении картинки можно увидеть "замыливание" картинки, когда границы движущегося объекта размываются и теряют свою четкость. К чести производителей ЖК - мониторов, ситуация с временем отклика за последние годы значительно улучшилась, и современные ЖК - мониторы практически избавились от данной проблемы, за редким исключением.
По общему правилу, чем меньше время отклика, тем лучше. Вместе с тем, стоит отметить, что методы измерения производителями времени отклика различны, и обычно указываемое производителями время отклика мало что может сказать о том, как тот или иной монитор поведет себя в реальных приложениях. Измерить время отклика без специального оборудования не представляется возможным, поэтому потребителям остается два пути – либо прочитать обзоры с объективными измерениями в специализированных изданиях, либо посмотреть данный монитор "вживую" в различных приложениях и сделать вывод "устраивает/не устраивает" самому, на основании увиденного.
Контрастность, яркость и равномерность подсветки
Контрастность ЖК - монитора есть отношение уровня белого цвета (максимальная яркость которого в центре экрана и называется яркостью монитора) к уровню черного. Грубо говоря, от контрастности зависит, насколько черный цвет будет выглядеть черным, а не серым, на экране вашего монитора. Производители указывают контрастность от 500:1 до 3000:1 для своих ЖК - мониторов. Но чаще всего это паспортная контрастность матриц, используемых в данных мониторах, которая измеряется производителями на специальных стендах в специальных условиях и не учитывает влияние электроники конкретной модели монитора. Некоторые производители в качестве значения контрастности монитора указывают так называемую "динамическую" контрастность. Обладающие данной технологией мониторы оценивают отображаемое в данный момент изображение и, в зависимости от преобладания светлых или темных тонов, соответственно изменяют яркость подсветки матрицы. Уровень черного измеряется при минимальном значении яркости, а уровень белого – при максимальном, что не совсем честно, так как недостижимо в реальности в каждый отдельный момент времени. Следует также отметить, что при разных значениях яркости монитора контрастность будет также весьма различна, а яркость, необходимая для комфортной работы с текстом, к примеру, значительно ниже яркости, необходимой для просмотра видеофильмов и игр.
Углы обзора
Еще одной из важнейших характеристик ЖК - мониторов являются углы обзора. Ибо если изображение на мониторах с ЭЛТ практически не изменяется даже при взгляде на него сбоку, то в случае ЖК - мониторов все обстоит совершенно иным образом – изображение существенно меняется, а при взгляде сверху или снизу явно видно падение контрастности и искажение цветопередачи. Вместе с тем, производители указывают в качестве значений углов обзора 160º даже для самых недорогих панелей.
Цветопередача
Цветопередача ЖК - монитора – это характеристика, показывающая, насколько полно и точно монитор отображает видимый человеческому глазу цветовой спектр. Производители в качестве показателя цветопередачи указывают количество цветов, которое способен воспроизводить монитор. Для современных ЖК - мониторов это число традиционно указывается равным 16 миллионам, что совершенно ничего не говорит о качестве цветопередачи в принципе.
Матрица
Теперь поговорим о типе матрицы, ибо именно от нее в подавляющем большинстве случаев зависят все остальные характеристики ЖК - монитора, в том числе и цена. В современных мониторах применяются 3 основных типа матриц – S-IPS, PVA (MVA, в силу небольших отличий от PVA, можно считать упрощенным аналогом PVA с чуть худшими характеристиками) и наиболее распространенный в мониторах – TN+film.
В этом году появился первый тонкоплёночный транзистор (thin-film transistor, TFT), разработанный инженером RCA Полом Веймером — изобретателем, получившим множество патентов, связанных с технологией электронно-лучевых трубок. Его работа, вдохновлённая предыдущими инновациями, стала фундаментом, приведшим к созданию современной технологии производства дисплеев. RCA использовала изобретение в качестве основы технологии создания дисплеев на жидких кристаллах, которую в дальнейшем усовершенствовал её конкурент, компания Westinghouse.
Apple PowerBook G4 — прекрасный пример ЖК-дисплея с активной матрицей
Изобретение ЖК-дисплея с активной матрицей как образец истории изобретателей
В истории электроники не было сюжета прекрасней, чем рассказ об изобретателе (или группе изобретателей), разработавшем что-то великолепное, компания которого отказалась от его проекта из опасений, что оно не соответствует её потребностям.Вот несколько таких историй, ставших известными:
Дэвид Коллинз, новатор в истории штрихкода, многие годы работал в Sylvania над разработкой устройств для железнодорожных вагонов, но в конечном итоге компания отказалась от его идеи, поэтому он решил двигаться самостоятельно и добился огромного успеха.
Xerox Alto, один из первых примеров графического интерфейса пользователя, игнорировался компанией Xerox до начала 1980-х, когда один из посетителей Xerox PARC, руководитель Apple Стив Джобс, не позаимствовал его базовые концепции для Apple Lisa и Macintosh.
Kodak самостоятельно разработала множество базовых концепций цифровой камеры, но изобретателю Стиву Сассону сначала сказали отказаться от его идеи, и только потом Kodak с запозданием начала использовать устройство, изобретённое сотрудником компании.
Наша история будет похожей, только речь в ней идёт о том самом экране, на который, скорее всего, вы сейчас смотрите, особенно если он изготовлен по технологии ЖК-дисплеев.
В 1970-х годах пара инженеров Westinghouse, Питер Броди и Фан Чэнь Ло, разработали первый ЖК-экран на активной матрице. Родившийся в Венгрии Броди заинтересовался новой экспериментальной технологией тонкоплёночных транзисторов, считавшейся потенциальным способом визуального отображения содержимого в более компактном, нежели ЭЛТ, виде.
В заявке на патент изобретатели подчеркнули, что технология реализуема, но требует другого технического базиса вместо кремния, который обычно используется в транзисторах.
«Уже очевидно, что твёрдотельные плоскопанельные дисплеи концептуально реализуемы», — утверждалось в заявке на патент. «Попытки использования для этого кремниевой технологии ограничены размером кремниевых пластин, что не позволяет создавать дисплеи большой площади».
Ничего особенного, просто несколько пикселей под микроскопом.
Поэтому вместо кремния авторы использовали тонкоплёночные транзисторы на стеклянной подложке, что позволило устройству быть прочным, но более тонким, и в то же время пропускать свет. Тонкая плёнка крепилась на слое изолятора с электродом, пропускающим напряжение по экрану. Устройство площадью около сорока квадратных сантиметров могло отображать объекты с разрешением 20 строк на дюйм. (Для сравнения: MacBook Air имеет разрешение примерно 227 строк на дюйм.)
Сегодня увидеть отдельные транзисторы на экране довольно сложно без, допустим, микроскопа, но в 1970-х это было очень легко, поэтому когда журнал «Time» писал об этом изобретении в 1974 году, то описал его как «похожий на бумагу-миллиметровку паттерн, имеющий 14400 точек пересечения».
Питер Броди, сыгравший важную роль в развитии ЖК-панелей на активной матрице
Хотя разработчики признавали, что устройство было довольно грубым, а «разрешение позволяло отображать только силуэты букв, чисел и простых изображений», оно продемонстрировало потенциал плоских экранов, которые однажды заменят громоздкие ЭЛТ-дисплеи. В статье Time Броди сказал, что его скромное устройство является «вероятно, самой крупной в мире интегральной схемой», а не просто экраном.
Как указано в заявке на патент, это был не единственный тип тонкого экрана — например, существовала плазменная технология, получившая популярность в телевизорах в начале 2000-х; на её основе были созданы терминалы компьютерной системы PLATO, известные своим оранжевым оттенком изображения.
Но это стало только отправной точкой технологии, которая осталась с нами. К середине 1990-х цветные дисплеи с активной матрицей стали привычными для ноутбуков благодаря сочетанию ярких цветов и малой толщины. Однако несмотря на то, что концепция была придумана в отделе исследований и разработок американской компании и совершенствовалась другими компаниями, почти все панели даже на самом рассвете их популярности производились японскими изготовителями.
В чём же заключалась проблема? Разработанная Броди и Ло технология так и не получила развития в Westinghouse; частично это было вызвано тем, что компания постепенно уходила с рынка телевизоров, потому что столкнулась на нём со сложностями. Как писал в 1991 году MIT Technology Review, из-за быстрого развития ноутбуков с цветным экраном на компьютерном рынке Westinghouse в начале 1970-х прекратила продавать телевизоры и закрыла исследовательский отдел компании, позволивший Броди и его команде разработать устройство.
На самом деле, эксперименты Westinghouse с плоскопанельными ЖК-дисплеями завершились в 1970-х; то же самое произошло и с другими крупными американскими компаниями. «И крупные корпорации, и стартапы с венчурным капиталом уходили из этой области, обычно это было вызвано производственными сложностями», — писали Ричард Флорида и Дэвид Броуди.
Наблюдатели из Westinghouse, дававшие интервью Time, сказали, что технология была отличной, но разработчики часто пропускали дедлайны; Уильям Коутс, работавший в отделе потребительской электроники, сообщил, что в результате это оттолкнуло компанию от использования инновационной технологии.
«Мы постоянно не укладывались в графики и в бюджеты», — говорит он.
Из этого можно извлечь такой урок: если кто-то не справляется с управлением, но у него есть хорошая идея, то найдите ему менеджера получше.
Такое количество миллисекунд требуется для обновления экрана на пассивной матрице; для сравнения: согласно статье 1991 года в InfoWorld article, в то время экрану на активной матрице требовалось от 15 до 30 миллисекунд. На тот момент в ноутбуках постепенно набирали популярность дисплеи с пассивной матрицей, потому что низкокачественные экраны значительно снижали цену ноутбуков, стоивших тогда как подержанный автомобиль. Однако в статье утверждалось, что успех экранов с пассивной матрицей продлится недолго. «Даже самые упорные сторонники технологии цветных дисплеев с пассивной матрицей признают, что будущее цвета в портативных устройствах скорее всего будет связано с активной матрицей», — писали журналисты Лиза Пикарелле и Том Квинлан. «Как только масштабы производства TFT-дисплеев с активной матрицей станут выше, цены неминуемо начнут снижаться».
Примеры первых компьютерных экранов 1980-х, представленные в статье Popular Science. В некоторых используются жидкие кристаллы; в других — плазма. Распространение цветных экранов началось только в 1990-х.
ЖК-панели в основном производились в Азии из-за нежелания крупных технологических компаний инвестировать в них
Изучая рост популярности ЖК-экранов с активной матрицей, я поразился схожести тенденций между ЖК и eInk. Часто электронные чернила становились решением в поисках задачи, которому не хватало инвестиций, чтобы попасть на мейнстримный рынок вне рынка электронных книг, на котором они медленно совершенствовались в течение многих лет.
Но для популярности eInk недоставало возможности отображения цветов, несмотря на множество попыток, например, при помощи технологий наподобие Mirasol; из-за этого им не удавалось привлечь внимание производителей, несмотря на серьёзные инвестиции крупных компаний.
С другой стороны, проблема ЖК-дисплеев с активной матрицей заключалась не столько в отсутствии интереса к продукту, сколько в нежелании больших компаний вкладываться в него.
В частности, это отразилось и в том, чем занялся Броди, когда Westinghouse навсегда отказалась от его разработок. Броди основал собственную компанию Panelvision, пытаясь развивать и поставить на коммерческие рельсы технологию активных матриц, которую в то время старались разрабатывать и другие компании. Технология активной матрицы имела ключевое преимущество перед многими другими типами дисплейных технологий, использовавшихся в то время в компьютерных экранах — широкие углы обзора. Низкокачественные ЖК-дисплеи, например, те, которые использовали технологии пассивной матрицы, сталкивались с проблемами низкого качества освещения и размытия, и их нельзя было использовать на улице.
«При увеличении количества строк возникает всё больше сложностей с адресацией каждого элемента, между ними возникает взаимное влияние», — объяснял Броди в статье 1985 года в Popular Science. «Другими словами, для активации ЖК-элементов нужно подать на строку достаточно сильный заряд, но не такой сильный, чтобы активировались соседние пиксели».
В статье Броди совершенно верно предсказывает, что при увеличении масштабов производства рынок ЖК-экранов будет становиться всё менее дорогим. Но существовала проблема — в конечном итоге, крупномасштабной разработкой этих технологий стала заниматься не компания Броди. Вскоре после интервью Popular Science его компания была продана, а сам он покинул её, и столкнулся с ещё большими сложностями поиска лиц, заинтересованных в его новой компании Magnascreen.
Частично это было вызвано тем, что появились мировые конкуренты, внедрявшие более мощные инновации. Например, Matsushita (теперь называющаяся Panasonic) и Hitachi в 1980-х начали активно инвестировать средства в собственные технологии TFT-панелей; кульминацией их исследований стала разработка в 1990-х технологии in-plane switching (IPS). Панели IPS используются в ноутбуках даже сегодня.
Но существовали и более обширные культурные проблемы, нанёсшие ущерб американским производителям TFT-дисплеев: как подчёркивается в статье 1991 года в MIT Technology Review, в процессе поиска инвестиций Броди столкнулся со множеством препятствий, потому что технологические компании хотели видеть в Panelvision поставщика, способного создать технологию для их устройств; они не хотели сложностей с инвестициями в разработку самой технологии. (Мешало и то, что Panelvision находилась в Питтсбурге, который из Кремниевой долины казался дальше, чем Япония.)
Эта проблема достаточно широко распространена — как говорится в статье в Electrochemical Society, многие исследовательские работы проводятся в западных странах, но производства в них не так много.
«Некоторые американские и европейские компании активно участвуют в исследованиях и разработках, внося большой вклад в понимание физики устройства и технологии процессов», — объясняет автор Юэ Ко. «Однако они построили очень мало заводов для крупномасштабного производства».
Частично это было вызвано тем, что создать качественный ЖК-дисплей было сложно (позже с подобными сложностями столкнулись и производители цветных eInk-дисплеев).
Признайтесь, сегодня вы считаете это чем-то само собой разумеющимся.
Однако японские компании без сомнений шли на подобные инвестиции, и в результате прежнее поколение крупных технологических компаний попросту уступила фундаментальную технологию другой части мира. Флорида и Броуди пишут:
К сожалению, опыт Magnascreen, Panelvision и Westinghouse неуникален. Как и Westinghouse, другие крупные компании (RCA, GE, Burroughs, IBM, Raytheon, Zenith, Hughes, Texas Instruments, NCR, AT&T и Exxon) взращивали технологии плоских дисплеев, а затем отказывались от них. Остатки работ Panelvision и Magnascreen стали причиной роста множества новых компаний: Plasma Graphics (дочерняя компания Burroughs), Electro-Plasma (Owens-Illinois) и кучи других, большинство из которых провалилось. Ни одна из них не добралась до стадии массового производства.
Неспособность корпораций США заработать на большом изначальном превосходстве в важной технологии позволила иностранным конкурентам их обойти. Сегодня в США нет крупных фабрик ЖК-дисплеев с активной матрицей. За последние несколько лет четыре японские корпорации — Hitachi, Matsushita, Seiko Epson и Sharp — инвестировали в такие заводы в своей стране больше ста миллионов долларов. Hoshiden делает экраны для портативных Macintosh. Sharp создаёт экраны для нового компьютера Texas Instruments в формате ноутбука. IBM недавно организовала совместное предприятие с Toshiba под названием Display Technologies Inc. для создания 10-дюймовых цветных дисплеев с активной матрицей для своих компьютеров в Японии.
Разумеется, изобретённые в одной стране технологии не обязаны в ней оставаться. На самом деле, глобализация чаще всего является благом, потому что её преимущества помогают всем.
Но странно, что потенциал этой фундаментальной технологии, которую вы скорее всего используете для чтения этой статьи, был, по сути, отвергнут целой страной из-за нежелания инвестировать в производство.
В этом году двое исследователей из Eastman Kodak, Чин Тан и Стивен Ван Слайк, разработали первый практичный органический светодиод (organic light-emitting diode, OLED), в котором использовались два слоя тонких органических компонентов для того, чтобы дисплей мог генерировать свет на уровне пикселей, а не благодаря подсветке. Эта технология, разработанная на основе инноваций, созданных десятки лет назад в таких организациях, как RCA, а позже усовершенствованных для обеспечения поддержки полноцветных экранов, стала ключевым элементом современных смартфонов и телевизоров верхнего ценового сегмента. (И в отличие от разработчиков ЖК-технологии с активной матрицей, Kodak сотрудничала с японской компанией Sanyo, однако позже Sanyo купила Kodak.)
Нежелание инвестировать в фабрики и производство помогло американским компаниям избежать естественного риска использования непроверенной технологии. Но в то же время это дало отдельной части мира контроль над процессом производства важнейших компонентов. И это означает, что если возникнут проблемы (как это недавно случилось с большим дефицитом компонентов чипов для дисплеев), такой контроль сделает нас более подверженными риску.
Фабрика по производству смарт-телевизоров в действии.
Очевидно, что я не хочу сказать, что люди, принимающие решения об инвестициях, думают именно так — в первую очередь они думают о собственных нуждах, а не о рынке в целом. Но это заставляет задуматься, как бы выглядела отрасль технологий, если бы её важнейший компонент не был так быстро отдан в руки единственной части мира. Вероятнее всего, мир выиграл бы от того, если бы дисплейные технологии разрабатывались и совершенствовались в разных местах.
По крайней мере, одно можно считать истинным — как справедливо предсказал Питер Броди сорок лет назад в начале статьи в Inc. о своём уходе из Westinghouse: «Электронно-лучевая трубка, подобно динозаврам, скоро вымрет, и причина этого будет такой же: слишком большая масса и слишком маленький мозг».
В этом он был абсолютно прав, и он оказался значительно прозорливее, чем считали его работодатели и инвесторы. Почему они не видели того, что видел он?
Как известно, LCD заняли почётное первое место на рынке, сместив старые ЭЛТ мониторы. В те времена, когда «пузатые ящики» стояли на каждом рабочем столе, выбор монитора был сильно ограничен. И при приобретении компьютерной техники большинство людей брали первый попавшийся дисплей на прилавке. Потому как они практически ничем не отличались друг от друга. «Трубчатые» мониторы имели ряд серьёзных проблем, в том числе и связанные со здоровьем пользователя. Ведь мерцание экрана негативно влияло на глаза. И люди, постоянно работающие за компьютером, регулярно портили себе зрение.
Подобные проблемы и внушительные габариты дисплеев CRT заставляли производителей постоянно улучшать технологии производства. И в результате на свет появились LCD экраны. Разработка получилась настолько удачной, что со временем LCD стали основой для развития всё новых технологий в мониторостроении.
Что означает LCD
Название «Liquid Crystal Display» переводится как «Жидкокристаллический дисплей». Эта технология делает мониторы гораздо тоньше. И при этом значительно увеличивается площадь экрана.
Жидкие кристаллы и управление ими
Liquid Crystal (жидкие кристаллы) представляет собой органические вещества. При воздействии электрического напряжения кристаллы способны менять интенсивность пропускаемого через них света.
LCD матрица устроена так, что между двумя пластинами из стекла или пластика расположена сетка из жидких кристаллов. ЖК кристаллы, в свою очередь, расположены параллельно друг к другу. И это позволяет свету проникать через панель. А когда на матрицу приходит электрический сигнал, кристаллы начинают менять своё положение. И перекрывают проходящий через них свет.
Любой современный ЖК-дисплей, будь то монитор компьютера, экран ноутбука или смартфона, имеет сотни тысяч таких кристаллов. И все они объединены в LCD матрицу. Именно с помощью таких ячеек, размером долей миллиметра, можно формировать изображение. А также менять яркость, контрастность и цветопередачу.
История создания жидкокристаллического дисплея
История ЖК технологий берёт начало с изобретения английскими учёными стабильного жидкого кристалла. Потому как первые жидкие кристаллы были очень нестабильны. А также потребляли огромное количество энергии. И для серийного производства они, мягко говоря, не годились. Однако в 71-м году, благодаря Джеймсу Ли Фергесону (Fergason), работавшему в корпорации RCA (Radio Corporation of America) , мир увидел более совершенную версию ЖК дисплея. Новое открытие вызвало бурю обсуждений, и было принято очень горячё. И с того момента ЖК дисплеи стали распространяться в массы.
Виды ЖК экранов
По типу матрицы мониторы делятся на:
Наибольшее распространение получили как раз TFT дисплеи. Потому как они имеют больший функционал и лучшую стабильность.
Стоит отметить профессиональные LTV мониторы для видеонаблюдения. Такие дисплеи разительно отличаются от обычных компьютерных. Например, могут плавно отображать сразу несколько видеотрансляций на одном экране.
Как устроен LCD дисплей
Устройство LCD дисплея напоминает собой сэндвич. То есть, различные слои наложены друг на друга. В основе лежат пластины из стекла или, редко, из пластика. А между этими пластинами находится «начинка»:
- тонкоплёночный транзистор,
- цветной фильтр, который содержит основные цвета (красный, зелёный и синий),
- слой жидких кристаллов.
Источником света в LCD мониторах являются флуоресцентные лампы или светодиоды.
ЖК матрица
Основой LCD дисплея является матрица. ЖК матрица же состоит из различных слоёв:
- рассеиватель света,
- электроды,
- стекло,
- поляризаторы,
- слой с жидкими кристаллами.
Изображение строится с помощью целого массива пикселей. Которые, в свою очередь, снабжены светодиодами красного, зелёного и синего цвета.
Пассивная матрица
Принцип работы пассивной матрицы состоит в том, что каждая строка и столбец дисплея имеет собственный драйвер. И этот драйвер быстро выполняет анализ сигнала для активации необходимых пикселей. Но в современных реалиях, при увеличении размеров монитора и параметров яркости, изготовление таких матриц становится затруднительным. Потому как приходится увеличивать мощность потока энергии через линию управления. И из-за этого светодиоды в таких дисплеях больше подвержены выгоранию.
Активная матрица
Этот вид матриц решает проблемы с потребляемой энергией за счёт внедрения TFT технологии. Тонкоплёночные транзисторы управляют током через светодиод. А значит, управляют и яркостью отдельного пикселя. В этом случае через матрицу может проходить и более слабый ток для понижения яркости экрана.
Таким образом, яркость, контрастность и отображение цвета на таких матрицах лучше. А потребляемая энергия меньше.
Модуль подсветки
Каждый LCD дисплей снабжён модулем подсветки, который и создаёт свет. Потому что, без дополнительного внутреннего свечения человеческий глаз попросту не распознает изображение.
На базе флуоресцентных ламп
Такой тип подсветки позволяет получить различные цвета, в том числе и белый цвет экрана, который чаще всего используется в LCD дисплеях. Потребление электроэнергии при подсветке флуоресцентными лампами невелико. Однако для стабильной работы нужен источник переменного напряжения 80-100 В.
Дисплеи с такой подсветкой потребляют меньше энергии, но срок службы не так уж и велик.
На базе светодиодов
В отличие от предыдущей схемы подсветки, светодиоды дают более продолжительный срок эксплуатации. А также большую яркость экрана. Такая подсветка может работать и без преобразователей. Но необходима установка токоограничительных транзисторов.
Модуль управления
Плата управления является важным узлом в устройстве дисплея.
Именно на этой плате располагается основная распиновка и два микропроцессора, отвечающие за функционирование монитора.
Первый микропроцессор это восьми битный микроконтроллер. Он отвечает за ряд простых, но очень нужных функций:
- работа кнопочной панели,
- включение и выключение монитора,
- функционирование подсветки.
Для того чтобы настройки монитора не сбивались, к этому микроконтроллеру прилагается схема памяти.
Назначение второго микропроцессора куда обширней. Ведь он отвечает за обработку аналогового сигнала и подготовку его вывода на ЖК-панель.
Таким образом, плату управления можно назвать мозгом дисплея. Потому что всё управление ЖК дисплеем проходит именно в цифровом виде. Сигнал, проходящий с видеокарты, попадает сюда, после чего мы и получаем изображение.
Блок питания
Стоит отметить, что некоторые неисправности ЖК мониторов возникают именно из-за проблем с блоком питания. Потому как из-за сильных скачков напряжения транзисторы перегорают.
Корпус
Всё, что было перечислено выше, упаковано в корпус монитора. В плане характеристик корпуса всё зависит от фантазий разработчиков. Будь то форма или материал, из которого он изготовлен.
Интересной частью корпуса является панель управления монитором. В этой роли выступают как обычные механические кнопки, так и интерактивные иконки на самом экране. А также каждый монитор снабжён всей необходимой распиновкой. А некоторые даже разъёмами для аудиосистемы.
Характеристики ЖК мониторов
Мониторы компьютерные жидкокристаллические имеют ряд присущих им технических характеристик. И по этому выбрать себе подходящий монитор не так просто. Каждый вид дисплея имеет свои плюсы и минусы. Однако выявить явного фаворита практически невозможно.
Тип ЖК матрицы
Преимущества и недостатки ЖК мониторов во многом зависят от типа матрицы. И при выборе нового дисплея к своему компу, стоит учесть то, чем вы занимаетесь. Потому что каждая матрица в той или иной мере отличается по качеству изображения.
- TN матрица. Это наиболее распространённый и самый старый из представленных типов матриц. Экраны с такой матрицей отличаются самой низкой ценой среди конкурентов. А также быстрым временем отклика. Однако страдают малыми углами обзора и плохими показателями цветопередачи и контрастности.
- IPS матрица. Такие дисплеи подойдут тем, кто работает с фото и видео. А также просто любителям посмотреть фильмы или сериалы. Так как IPS матрицы обеспечивают приемлемую цветопередачу и углы обзора. А минусом можно считать высокую цену и повышенное время отклика экрана. . Это нечто среднее между IPS и TN технологиями. Такие экраны обладают отличной контрастностью и неплохим временем отклика. Однако углы обзора заметно ниже, чем у IPS. Так что, эти мониторы хорошо подойдут геймерам.
Отдельно стоит отметить новую прогрессивную технологию LTPS. Она обеспечивает невероятно быстрое время отклика, которое выше показателей IPS в два раза.
Разрешение монитора
Показатель разрешения монитора зависит от соотношения точек с физическими габаритами экрана. И чем больше разрешение экрана, тем больше деталей он отображает.
Яркость
Этот параметр зависит как от типа подсветки, так и от типа самой матрицы. А самыми яркими считаются мониторы со светодиодной подсветкой и IPS матрицами.
Контрастность
Эта характеристика отвечает за баланс чёрного и белого цвета в изображении. И чем выше контрастность, тем глубже отображаются оттенки цветов. Например, хорошей контрастностью отличаются мониторы с MVA матрицей.
Угол обзора
От угла обзора зависит то, с какого положения монитора изображение будет оставаться чётким. Ведь при низких углах обзора цвета начинают отображаться некорректно (затемняются). И тогда приходится смотреть на монитор только под прямым углом. Такого недостатка практически лишены IPS матрицы.
Время реакции пикселя
От этого показателя зависит плавность движения изображения. И при низких его значениях динамическое изображение отображается некорректно. Что проявляется в появлении шлейфов, полос и артефактов. Да, конечно при просмотре обычного видео это не так заметно. А вот при игре в динамичные видеоигры такой недостаток быстро заявит о себе.
Количество отображаемых цветов
Помимо цветных мониторов, и по сей день, продолжает жить монохромный ЖК-дисплей. Такие экраны отображают только один цвет разных оттенков. А используются они, например, в бортовых компьютерах станков, бытовых агрегатов и автомобилей.
Что касается обычных LCD мониторов, то в любом из них используется система RGB Color. Red – красный, Green – зелёный, Blue – синий. При этом, многообразие и качество цветовой гаммы зависит от типа матрицы. А самая качественная цветопередача у IPS матриц.
Бывает, что цветные мониторы отображают не те цвета. Например, встречается такое явление, как инверсия ЖК дисплея. При инверсии цвета начинают отображаться некорректно, а то и вовсе меняются местами.
Интерфейс монитора
Эта характеристика напрямую зависит от модели и производителя. Так, помимо стандартных элементов настройки и управления питанием, мониторы снабжаются дополнительным интерфейсом аудиосистемы. А также управления подсветкой монитора и многим другим.
Послесловие
LCD дисплеи прошли сложный путь и продолжают развиваться по сей день. И на рынке появляются всё новые конкуренты. Например, плазма и amoled технологии. Однако до сих пор LCD мониторы занимают почётное первое место. И, хотя, технические характеристики таких дисплеев ещё не совершенны. Тем не менее, каждый найдёт себе LCD по вкусу.
Каждый день вы видите самые разнообразные экраны. В их числе рекламные дисплеи на улице, состоящие из светодиодов, а также читалки, в пикселях которых черный пигмент перемещается во взвеси белого пигмента. Или экран кинотеатра, который вовсе не простой кусок ткани, а холст со специальной фактурой и покрытием. Но сейчас речь пойдет не о них, а о жидкокристаллических экранах и о том, каким образом электричество превращается в конечное изображение.
Источник света
Изначально источником света для ЖК-экранов были газоразрядные лампы с холодным электродом (CCFL).
Под действием газового разряда ртуть излучает ультрафиолетовое свечение, которое, в свою очередь, возбуждает люминофор на стенках колбы и превращается в видимый свет. В отличие от обычных ламп дневного света, у таких ламп электрод без подогрева (что становится ясно из названия). Для нормальной работы им нужно высокое напряжение — до 900 вольт.
Сейчас вместо газоразрядных ламп используют светодиоды. От их типа сильно зависит конечная цена монитора. Так, в бюджетном сегменте используются обычные белые светодиоды W-Led. Основой для белых светодиодов служат синие светодиоды.
Они покрыты слоем люминофора, который преобразует часть синего спектра в другие цвета. В результате из синих светодиодов получаются белые светодиоды.
Обычный люминофор для белых светодиодов состоит из множества редкоземельных металлов: иттрий, гадолиний, церий, тербий, лантан.
В профессиональных устройствах подсветку из белых светодиодов дополняют зелеными светодиодами (GB-LED). Это дешевле люминофора, дающего нужный спектр. Использование же RGB-светодиодов даже в профессиональных устройствах — редкость, хотя это позволяет регулировать цветовую температуру и яркость без нарушения калибровки гамма-кривых монитора.
В последнее время производители обратили внимание не только на обычные люминофоры, изготавливаемые из редкоземельных металлов, но и на квантовые точки.
Квантовые точки не требуют использования редких компонентов и просты в производстве: достаточно в правильных условиях смешать два дешевых реактива. Из-за того, что идеально выдержать условия невозможно, квантовые точки имеют небольшие различия в размере, поэтому ширина спектра излучения составляет порядка 20 нм.
Такой ширины спектра недостаточно для того, чтобы перекрыть REC.2020 на 100%, но это значение находится очень близко.
Подсветка
Подсветка может быть как боковой (Edge), так и прямой (Direct). Изначально боковая подсветка появилась для ртутных ламп. Потом на нее перешли и светодиоды.
Прямая подсветка ограничена довольно маленькими зонами, за которые отвечают отдельные светодиоды. Она более требовательна к качеству светодиодов, но позволяет хоть как-то реализовать технологию HDR не в OLED-устройствах.
Некоторых производителей при реализации HDR не останавливает наличие боковой подсветки, что приводит к большой площади изменения локальной яркости подсветки.
Полноценный HDR возможен только на OLED — это типичное заблуждение. В студиях кинопроизводства используют все те же самые дисплеи TFT LСD, но с одним маленьким отличием. В таких мониторах дополнительная матрица TFT обеспечивает попиксельное затенение подсветки, за счет чего получается монитор, превосходящий OLED почти по всем показателям, включая нескромную цену.
Рассеиватель
Как можно понять из названия, задача этой части ЖК-экрана — получить равномерное освещение, выдаваемое источником света. Первый слой — отражающий, обычно представляет из себя комбинацию белого пластика и фольги. Следующим идет световод.
Тут используется эффект полного отражения света в диэлектрике, а чтобы свет хоть как-то мог выйти, на поверхность световода наносят мельчайшие линзы.
Аналогичный способ используют и в акриловых вывесках и указателях.
Третий и шестой слои — рассеивающая пленка. Она обладает настолько мелкой и хаотичной структурой поверхности, что снимок был сделан на грани возможностей обычного объектива.
Четвертый и пятый слои отражают большую часть света и обладают либо призматическим, либо полуцилиндрическим рельефом.
Здесь снова используется принцип полного отражения в диэлектрическом материале, но уже как в катафотах.
Свет поочерёдно отражается от двух поверхностей, образованных микроклиньями на плёнке, и возвращается обратно.
Использование двух световозвращающих пленок обусловлено тем, что на производстве, чтобы получить более качественный рельеф, проще вытягивать пленку, чем пытаться штамповать заготовку и получить что-то непригодное.
Прямая подсветка устроена по тому же принципу, только вместо световода установлены рассеивающие линзы на светодиодах.
TFT-панель
Можно подумать, что эффект «капель воды» дает антибликовое покрытие, но нет. Это вид со стороны подсветки. Мельчайшие неровности находятся на поверхности первого слоя TFT-панели — поляризующей пленки, которая приклеена к стеклянной подложке.
Основную работу по поляризации в дешевой поляризующей пленке выполняют атомы йода, вшитые внутрь полимера. А за счет 15-кратного вытягивания пленки молекулы полимера ориентируются в пространстве, и пленка получает свойства линейного поляризатора.
В отличие от демонстрационных моделей со шнурком в решетке, в реальности небольшая проводимость йода вдоль цепочки вызывает поглощение в видимом спектре вдоль ориентации.
После первого слоя преполяризатора идет непосредственно матрица TFT (тонкоплёночных транзисторов). Принцип работы всех панелей заключается в изменении поляризации света на тонкопленочных транзисторах. В зависимости от конфигурации электродов получаются разновидности TN(+film), IPS, VA. Современные панели настолько оптимизированы, что в конечном результате могут иметь как достоинства, так и недостатки панелей других типов.
Расположение слоя жидких кристаллов можно увидеть на приведенной выше схеме. Под действием электрического поля жидкие кристаллы меняют ориентацию и тем самым вращают плоскость поляризации проходящего через них света.
За ним следуют светофильтры. Они обеспечивают разбиение белого цвета на цвета субпикселей. В зависимости от полосы пропускания фильтра, меняется конечная цветопередача всего монитора. Поэтому не факт, что, заменив подсветку W-LED на RGB, вы получите монитор, который станет пригоден для решения полиграфических задач.
Анализатор — это та же самая поляризационная пленка, но ориентированная перпендикулярно поляризатору. Она превращает изображение в видимое. Удалив эту пленку с экрана, можно скрыть изображение от посторонних глаз.
Антибликовое покрытие — последний слой. Вариантов его реализации множество, но основных — не так уж много. В первую очередь, это использование пластика с низким коэффициентом преломления света, что, в свою очередь, уменьшает коэффициент отражения от экрана.
Гладкое покрытие дает более контрастную картинку при условии, что за спиной нет сильных источников света. Матовое покрытие рассеивает свет равномерно и независимо от угла падения, что снижает контраст изображения, но при этом не создает отвлекающих бликов на экране.
Компромиссом является полуматовое/глянцевое покрытие, степень рассеивания отраженного света которого зависит от угла падения.
В самых дорогих моделях встречаются и другие типы антибликовых покрытий: с поляризацией, интерференцией и переменным эффективным коэффициентом преломления.
Ну, и какой экран без управляющей электроники. От электроники зависит интерфейс подключения монитора, частота обновления, глубина цветопередачи и маленькие фичи – разгон матрицы, хранение калибровки в самом мониторе, управление подсветкой, наличие технологий синхронизации и не только.
Несмотря на кажущуюся простоту, жидкокристаллические экраны — это очень сложные устройства, объединяющие в себе множество достижений в области химии, физики и электроники.
Читайте также: