Идеальный плоский дисплей

В настоящее время ЖКД составляют почти 85% от объема выпуска всех плоских информационных дисплеев. Это объясняется их высокими характеристиками и конструктивным многообразием этих устройств. Развитие ЖКД определяется острой конкуренцией различных технологий и использованием новых материалов. Различают просветные, отражательные и полупрозрачные (прозрачно-отражательные) жидкокристаллические дисплеи. Просветные используют заднюю подсветку для освещения ЖК экрана, обеспечивающую высокую яркость и высокое контрастное отношение. Они имеют ограниченный угол обзора и более пригодны для индивидуального пользования, например, в ноутбуках и игровых приставках. На рисунке слева показана схема просветных (а) и отражательных (б) дисплеев.

Абсолютно идеальный прибор для отображения визуальной информации пока не придуман. Пока самым подходящим средством для показа статических и движущихся картинок считается плоский прямоугольник диагональю дюймов около двадцати, расположенный в полуметре от глаз сидящего человека. Картинка на этом прямоугольнике (будем называть его экраном) формируется из миллиона-двух дискретных точек (будем называть их пикселями). Классические пропорции сторон экрана – 4:3, то есть высота картинки составляет 0.75 от ширины, однако в последнее время применяется пропорции 16:9 (телевидение высокой четкости). Чаще всего сейчас распространены разрешения от 640 х 480 до 7680 х 4800 пикселей.

Рассмотрим изображение у идеального плоского жидкокристаллического дисплея. Возьмём какую-нибудь картинку и увеличим в десять раз:

рис.3

И в сорок раз:

рис.4

Если бы идеальный плоский дисплей существовал, и мы посмотрели на него в лупу с сорокакратным увеличением, то увидели бы именно это: квадратные пиксели разного цвета, из которых состоит изображение. Впрочем, сделать пиксели такими идеальными, чтобы у них совсем не было границ, очень трудно, а может даже и невозможно.

рис.5

Каждый пиксель идеального плоского дисплея должен представлять из себя маленький квадратик, способный принимать любой цвет – хоть красный, хоть синий, хоть белый - по команде управляющей схемы. Однако дисплеев с такими пикселями пока не существует.

рис.6

Именно так формируется изображение практически на всех существующих типах дисплеев: жидкокристаллических, ЭЛТ и плазменных (разве что форма и порядок расположения субпикселей могут слегка различаться). Каждый субпиксель отвечает за свой первичный цвет – красный, зелёный или синий (Red, Green, Blue - RGB). Если зажечь все субпиксели на максимум, то получается белый цвет, если зелёный и синий субпиксели приглушить, а красный оставить гореть ярко – получается красный цвет, ну и так далее. Расстояния между центрами пикселей достаточно малы (от 0.2 до 0.3 мм – в зависимости от конкретной модели монитора), а уж субпиксели и вовсе микроскопические, поэтому издали мы не видим всей этой разноцветной мешанины и три ярко горящих субпикселя воспринимаем как одну белую точку.
Итак, будь жидкокристаллический монитор хоть чемпионом по цветопередаче, контрастности, скорости реакции и т. д. – ему далеко до идеала. Хотя бы потому, что картинка на нём формируется так, как показано на рис. 4, а не так, как на рис.2. Из-за того, что субпиксели разнесены в пространстве, возможны неприятные артефакты, например цветные окантовки у чёрных букв на белом фоне. Белый фон не выглядит идеально однородным из-за того, что субпиксели и пиксели разделены чёрной сеткой (BM – Black Matrix – она нужна для того, чтобы соседние субпиксели не засвечивались друг от друга). Но ничего не поделаешь – ведь идеальный дисплей, пусть даже и плоский, изобретут ещё не скоро.

3.Разрешение дисплея.

От размера дисплея зависят и занимаемое им рабочее пространство, и, что немаловажно, его цена. Несмотря на устоявшуюся классификацию ЖК-дисплеев в зависимости от размера экрана по диагонали (от 3 до 30дюймов), более корректной является классификация по рабочему разрешению. Дело в том, что, в отличие от мониторов на основе ЭЛТ, разрешение которых можно менять достаточно гибко, ЖК-дисплеи имеют фиксированный набор физических пикселей. Именно поэтому они рассчитаны на работу только с одним разрешением, называемым рабочим. Косвенно это разрешение определяет и размер диагонали матрицы, однако мониторы с одинаковым рабочим разрешением могут иметь разную по размерам матрицу. Например, мониторы с диагональю от 15 до 16 дюймов в основном имеют рабочее разрешение 1024Ѕ768, а это означает, что у данного монитора действительно физически содержится 1024 пикселя по горизонтали и 768 пикселей по вертикали.

Рабочее разрешение монитора определяет размер иконок и шрифтов, которые будут отображаться на экране. К примеру, 15-дюймовый монитор может иметь рабочее разрешение и 1024Ѕ768, и 1400Ѕ1050 пикселей. В последнем случае физические размеры самих пикселей будут меньшими, а поскольку при формировании стандартной иконки в обоих случаях используется одно и то же количество пикселей, то при разрешении 1400Ѕ1050 пикселей иконка по своим физическим размерам окажется меньше. Для некоторых пользователей слишком маленькие размеры иконок при высоком разрешении монитора могут оказаться неприемлемыми, поэтому при покупке монитора нужно сразу обращать внимание на рабочее разрешение.

Конечно же, монитор способен выводить изображение и в другом, отличном от рабочего разрешении. Такой режим работы монитора называют интерполяцией. В случае интерполяции качество изображения оставляет желать лучшего. Режим интерполяции заметно сказывается на качестве отображения экранных шрифтов, пикселезации картинки, просмотра быстро движущихся предметов на экране

4.Принцип действия TFT-LCD дисплеев

Общий принцип формирования изображения на экране хорошо иллюстрирует рис. 4. А вот как управлять яркостью отдельных субпикселей? Новичкам обычно объясняют так: за каждым субпикселем стоит жидкокристаллическая заслонка. В зависимости от приложенного к ней напряжения она пропускает больше или меньше света от задней лампы подсветки. И все сразу представляют себе некие заслонки на маленьких петельках, которые поворачиваются на нужный угол... примерно так:

рис.7

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

рис.8

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

Делаем выводы:

1) Яркость каждого субпикселя может меняться плавно, аналоговыми методами. Ведь мы можем завернуть поляризацию потока света на любой угол в промежутке от 0 до 90 градусов – это определяется управляющим напряжением, приложенным к ячейке. Аналоговая природа регулировки – несомненный плюс. ЖК-матрица представляет из себя толстенький слоёный бутерброд, а скорее даже сэндвич. Теперь понятно, почему у ЖК-мониторов проблемы с углами обзора. Даже удивительно, как производители достигают углов обзора 120-160 градусов. Ведь если смотреть под острым углом к поверхности, то и слой поляризатора, и Black Matrix заглушают и искажают свет от конкретного субпикселя. Да и угол поляризации светового потока у конкретного субпикселя получается не совсем таким, как при строго перпендикулярном взгляде на матрицу.

2) Каждый субпиксель матрицы обслуживается своим персональным регулятором – тонкоплёночным транзистором (Thin Film Transistor – TFT). Здесь нет строчной развёртки, как в ЭЛТ, и это очень хорошо. Каждый субпиксель экрана светится с нужной яркостью до тех пор, пока от управляющей схемы (видеокарты) не придёт команда сменить цвет точки. Поэтому мерцания на экране нет при любой частоте кадровой развёртки – хоть при 60 герцах.

3) Однако, в том, что у каждого субпикселя есть персональный регулятор, кроется и минус: если какой-то управляющий транзистор сгорит – прощай полноценный пиксель и здравствуй «битая точка».

4) Поскольку в роли «заслонок» выступают вполне реальные жидкие кристаллы с присущей им вязкостью и отнюдь не мгновенной реакцией на управляющий импульс, смена яркости субпикселей происходит не мгновенно. Пока молекула жидкого кристалла закрутится на нужный угол, пока раскрутится обратно... Именно в фундаментальных свойствах материи, а именно – в характеристиках жидких кристаллов – кроется одна из главных проблем TFT-LCD. Это ограниченная скорость реакции и, как следствие, проблемы с качественным отображением быстро меняющихся динамических сюжетов (скроллинг текста, быстрые 3D-Action-игры с высокими FPS (Frames Per Second — количество кадров в секунду) и т. п..

5.Классификация TFT-LCD дисплеев

Покупая ЖК-монитор, в технических характеристик ах вы скорее всего увидите одну из трёх аббревиатур: TN+Film, IPS или MVA. Это названия самых распространённых на сегодня технологий изготовления TFT-LCD. Рассмотрим их по очереди.

5.1TN+Film
Самая первая технология, по которой делаются активные ЖК-мониторы. Она отработана до предела, поэтому себестоимость матриц получается наиболее низкой. Около половины 15,17,19-дюймовых и очень многих 21-дюймовых дисплеев сделаны именно по этой технологии. Аббревиатура TN+Film расшифровывается как Twisted Nematic + Film, что можно перевести как «скрученное состояние жидкого кристалла + плёнка». Под плёнкой подразумевается дополнительное внешнее покрытие экрана, расширяющее угол обзора.
В обычном состоянии, при отсутствии управляющего напряжения, жидкие кристаллы в TN+Film находятся в скрученной фазе и субпиксель ярко горит (как в левой части рис. 6). Чем больше приложенное к ячейке напряжение – тем больше распрямляются молекулы жидких кристаллов. При максимальном управляющем напряжении субпиксель будет затемнён до предела. Из принципа работы TN+Film сразу же вытекают два самых больших недостатка этой технологии. Во-первых, если откажет управляющий транзистор, мы вынуждены будем постоянно созерцать ярко горящий субпиксель. А найти матрицу совсем без «мёртвых» точек достаточно трудно, ведь по существующим сейчас нормам наличие даже пяти битых пикселей не считается неисправностью и такой монитор вам не поменяют. Второй недостаток: из-за того, что даже при максимальном приложенном напряжении молекулы жидкого кристалла могут не раскрутиться до конца, чёрный цвет получается не идеальным, а скорее тёмно-тёмно-серым. Есть и третий недостаток: угол обзора, несмотря на специальную плёнку-покрытие редко превышает 140-150 градусов, а это маловато по сегодняшним меркам. Жаль, что эти врождённые недостатки обойти очень трудно или вовсе невозможно. Ведь в остальном TN+Film-матрицы обладают неплохими характеристиками: это и приличная скорость реакции (25-40 мс), и привлекательная цена...

5.2 IPS

Для обеспечения больших углов обзора была предложена схема с

поперечным направлением приложенного электрического поля. Она нашла применение в TFT ЖКД в 1992 году. Встречно-штыревые электроды размещены на одной подложке и создают поперечное азимутальное краевое поле, вызывая поворот директора в плоскости. Эта схема управления получила название IPS (переключение в плоскости).

In-Plane Switching – это технология, разработанная Hitachi и NEC. Отличительная особенность состоит в том, что оба управляющих полупрозрачных электрода расположены в одной плоскости – только на нижней стороне ЖК-ячейки. Жидкие кристаллы располагаются иначе, чем в случае с TN+Film: в расслабленном состоянии они не пропускают свет и субпиксель получается затемнённым. Чем больше управляющее напряжение – тем больше кристаллы закручивают поляризацию светового пучка и тем ярче горит субпиксель. За счёт другой конструкции IPS-матрицы имеют больший, чем у TN+Film, угол обзора. Чёрный цвет получается действительно чёрным, а не тёмно-серым. Кстати, именно поэтому панели IPS имеют хорошую контрастность. Ну и битые пиксели не так заметны, ведь если управляющий TFT у какого-нибудь субпикселя сгорит, мы получим тёмную точку на экране. Это плюсы, и их действительно немало, чтобы оправдать повышенную цену данных панелей. И быть бы технологии IPS самой лучшей, если бы не один значительный недостаток: большое время реакции (до 50 мс). Даже при скроллинге текста возможны шлейфы-тянучки за буквами...
Впрочем, производители не сдаются: усовершенствованные технологии наподобие Super IPS или Dual Domain IPS и новейшие Professional IPS, Enhanced IPS, Horizontal IPS,позволяют достичь более быстрой скорости реакции ячеек и увеличить обзорность чуть ли не до предельных 180 градусов.

5.3MVA
Запатентованная Fujitsu технология называется Multi-Domain Vertical Alignment. Молекулы жидких кристаллов ориентированы в вертикальном направлении (Vertical Alignment) и при отсутствии управляющего напряжения не меняют поляризации светового потока. Таким образом, битые субпиксели, как и в случае с IPS, превращаются в тёмные точки, что является несомненным плюсом. В связи с особенностями конструкции (длинные, вертикально ориентированные цепочки кристаллов), при изменении угла обзора может сильно меняться светоотдача субпикселя (а следовательно – цвет результирующего пикселя). Поэтому каждый субпиксель разделён на несколько зон (Multi-Domain), каждая из которых оптимизирована для наилучшей светоотдачи в своём секторе обзора. Таким оригинальным образом была решена проблема сильно ограниченных углов обзора в исходной технологии VA.
MVA-матрицы обладают всеми плюсами технологии IPS (глубокий чёрный цвет фона, тёмный цвет битых пикселей, широкие углы обзора), но при этом имеют лучшую скорость реакции. Правда, не обошлось без ложки дёгтя: переключения между крайними положениями яркости субпикселя происходят быстро, но переход молекул кристаллов в промежуточное состояние длится дольше. Поэтому пиксели MVA-матрицы быстро меняют цвет с белого на чёрный (например, прокрутка текста будет выглядеть хорошо, без шлейфов), но начинают пасовать там, где сменяющие друг друга кадры имеют много плавных цветовых переходов (возможно смазывание картинки при быстрых перемещениях в динамичных играх, а также при просмотре видео).

Существуют некоторые разновидности данной технологии, например PVA (Patterned Vertical Alignment) от Samsung, однако общий принцип функционирования остаётся неизменным, а в тонкости нам углубляться нет смысла.
В общем-то, даже несмотря на небольшие минусы, MVA – это лучшая технология на сегодня. Ярко выраженных недостатков у этих матриц нет, а с мелкими вполне можно мириться. Главное препятствие на пути повсеместного внедрения технологии MVA – высокая цена. 17-дюймовый ЖК монитор с MVA-матрицей может стоить больше 850 долларов, а 15-дюймовый – в районе 600...

Поиск по сайту: