LCD Мониторы

ЖК монитор

Жидкокристаллический монитор (также Жидкокристаллический дисплей, ЖКД, ЖК-монитор, англ. liquidcrystal display, LCD, плоский индикатор) — плоский монитор на основе жидких кристаллов.

LCD TFT (англ. TFT - thin film transistor — тонкоплёночный транзистор) — одно из названийжидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая тонкоплёночнымитранзисторами. Усилитель TFT для каждого субпиксела применяется для повышения быстродействия, контрастности и чёткости изображения дисплея.

Hазначение ЖК-монитора

Жидкокристаллический монитор предназначен для отображения графической информации с компьютера, TV-приёмника, цифрового фотоаппарата, электронного переводчика, калькулятора и пр.

Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Простыеприборы (электронные часы, телефоны, плееры, термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5цветный дисплей. Многоцветное изображение формируется с помощью 2008) в большинстве настольныхмониторов на основе TN- (и некоторых *VA) матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используютсяматрицы с 18-битным цветом(6 бит на канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом.

Устройство ЖК-монитора

Субпиксел цветного ЖК-дисплея

Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двухполяризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствиежидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальнойориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляетсвет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него светпроходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованногосвета — ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение — молекулыстремятся выстроиться в направлении поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругостипротиводействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. Придостаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит кнепрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности. Если постоянноенапряжение приложено в течении долгого времени — жидкокристаллическая структура может деградироватьиз-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток, или изменение полярностиполя при каждой адресации ячейки (непрозрачность структуры не зависит от полярности поля). Во всейматрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становитсятрудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяетсяадресация по строкам и столбцам. Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённымот подложки(в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроменезависимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Такимобразом полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяетсвойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Технические характеристики ЖК-монитора

Важнейшие характеристики ЖК-мониторов:

• Разрешение: Горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселах. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно, «родное», физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией.

Фрагмент матрицы ЖК монитора(0,78х0,78 мм), увеличеный в 46раз.

• Размер точки: расстояние между центрами соседних пикселов. Непосредственно связан с физическимразрешением.

• Соотношение сторон экрана(формат): Отношение ширины к высоте, например: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.

• Видимая диагональ: размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также отформата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.

• Контрастность: отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторахиспользуется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведенная для нихцифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.

• Яркость: количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.

• Время отклика: минимальное время, необходимое пикселу для изменения своей яркости. Методы измерениянеоднозначны.

• Угол обзора: угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разнымипроизводителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению.

• Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

• Входы: (напр, DVI, HDMI и пр.).

Технологии

Часы с ЖКИ-дисплеем

Жидкокристаллические мониторы были разработаны в 1963 году в исследовательском центре ДавидаСарнова (David Sarnoff) компании RCA, Принстон, штат Нью-Джерси.

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA. Различаются эти технологиигеометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значениеимеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в конкретных разработках.

Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display  — кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс. Компании Sony, Sharp и Philipsсовместно разработали технологию PALC (англ. Plasma Addressed Liquid Crystal  — плазменное управлениежидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества LCD (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту, H, и вертикали, V, высокуюскорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядныеплазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяетадресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойденную управляемость икачество изображения.

TN+film (Twisted Nematic + film)

Макрофотография TN+film матрицымонитора NEC LCD1770NX. Набелом фоне - стандартный курсорWindows

Часть «film» в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора(ориентировочно — от 90° до 150°). В настоящее время приставку «film» часто опускают, называя такиематрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN покане нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, авот уровень контрастности — нет.

TN + film — самая простая технология.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселам не прилагается напряжение, жидкиекристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И так как направление поляризациифильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экранеобразуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, атакже невысокую себестоимость.

IPS (In-Plane Switching)

Технология In-Plane Switching была разработана компаниями Hitachi и NEC и предназначалась дляизбавления от недостатков TN + film. Однако, хотя с помощью IPS удалось добиться увеличения угла обзорадо 170°, а также высокой контрастности и цветопередачи, время отклика осталось на низком уровне.

На настоящий момент матрицы, изготовленные по технологии IPS единственные из ЖК-мониторов, всегдапередающие полную глубину цвета RGB — 24 бита, по 8 бит на канал. TN-матрицы почти всегда имеют 6-бит, как и часть MVA.

Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второйфильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображениечерного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет небелым, как для матрицы TN, а черным.

При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своемуначальному положению и пропускают свет.

IPS в настоящее время вытеснено технологией S-IPS (Super-IPS, Hitachi 1998 год), которая наследует всепреимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика. Но, несмотря на то, чтоцветность S-IPS панелей приблизилась к обычным мониторам CRT, контрастность все равно остаётся слабымместом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20", LG.Philips, NEC остаются единственнымипроизводителями панелей по данной технологии.

Макрофотография S-IPS матрицымонитора NEC 20 WGX2 Pro. Стандартный курсор Windows наоранжевом фоне

AS-IPS — технология Advanced Super IPS (Расширенная Супер-IPS), также была разработана корпорациейHitachi в 2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизивего к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторовкорпорации LG.Philips.

A-TW-IPS — Advanced True White IPS (Расширенная IPS с настоящим белым), разработано LG.Philips длякорпорации

AFFS — Advanced Fringe Field Switching (неофициальное название S-IPS Pro). Технология являетсядальнейшим улучшением IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Усиленная мощностьэлектрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшитьмежпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК, на матрицахпроизводства Hitachi Displays.

*VA (Vertical Alignment)

MVA — Multi-domain Vertical Alignment. Эта технология разработана компанией Fujitsu как компромисс междуTN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160°(насовременных моделях мониторов до 176—178 градусов), при этом благодаря использованию технологийускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика, но значительно превышаютхарактеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллыматрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экранепоявляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.

Достоинствами технологии MVA являются глубокий черный цвет и отсутствие, как винтовой структурыкристаллов, так и двойного магнитного поля.

Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения, большее время отклика.

Аналогами MVA являются технологии:

• PVA (Patterned Vertical Alignment) от Samsung.
• Super PVA от Samsung.
• Super MVA от CMO.

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительскимкачествам.

Преимущества и недостатки

Искажение изображения на ЖК-мониторе при большом угле обзора

Макрофотография типичной жк-матрицы. Вцентре можно увидеть два дефектныхсубпикселя (зелёный и синий).

В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологиимониторов. К их преимуществам можно отнести: малый размер и вес в сравнении с ЭЛТ. У ЖК-мониторов, вотличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки и сведения лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в 2-4 раза меньше, чем уЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров. Энергопотребление ЖК мониторов на 95 % определяетсямощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight — задний свет) ЖК-матрицы. Во многих современных (2007) мониторах для настройки пользователем яркости свечения экранаиспользуется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более Герц. Светодиодная подсветка в основном используется в небольших дисплеях, хотя в последние годы она всешире применяется в ноутбуках и даже в настольных мониторах. Несмотря на технические трудности еёреализации, она имеет и очевидные преимущества перед флуоресцентными лампами, например болееширокий спектр излучения, а значит, и цветовой охват.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:

• В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальныедостигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320x200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах.
• Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На многихмониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).
• Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышениефактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортныхзначений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность вусловиях внешнего освещения.
• Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородногоцвета (неравномерность подсветки).
• Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев. Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.
• Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.
• Массово производимые ЖК-мониторы более уязвимы, чем ЭЛТ. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существуетпроблема дефектных пикселей.
• Вопреки расхожему мнению пикселы ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая извсех технологий отображения.

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED-дисплеи. С другойстороны, эта технология встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большойдиагональю.