Создание жидкокристаллического дисплея

Первый рабочий жидкокристаллический дисплей был создан Фергесоном (Fergason) 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. 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. Современные ЖК мониторы также называют плоскими панелями, активными матрицами двойного сканирования, тонкопленочными транзисторами. Идея ЖК мониторов витала в воздухе более 30 лет, но проводившиеся исследования не приводили к приемлемому результату, поэтому ЖК мониторы не завоевали репутации устройств, обеспечивающих хорошее качество изображения. Сейчас они становятся популярными - всем нравится их изящный вид, тонкий стан, компактность, экономичность (15-30 ватт), кроме того, считается, что только обеспеченные и серьезные люди могут позволить себе такую роскошь

Характеристики ЖК мониторов

Виды ЖК мониторов

Составные слои монитора

Существует два вида ЖК мониторов: DSTN (dual-scan twisted nematic - кристаллические экраны с двойным сканированием) и TFT (thin film transistor - 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. В первых компьютерах использовались восьмидюймовые (по диагонали) пассивные черно-белые матрицы. С переходом на технологию активных матриц, размер экрана вырос. Практически все современные ЖК мониторы используют панели на тонкопленочных транзисторах, обеспечивающих яркое, четкое изображение значительно большего размера.

Разрешение монитора

От размера монитора зависят и занимаемое им рабочее пространство, и, что немаловажно, его цена. Несмотря на устоявшуюся классификацию ЖК-мониторов в зависимости от размера экрана по диагонали (15-, 17-, 19-дюймовые), 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.

Интерфейс монитора

ЖК-мониторы по своей природе являются цифровыми устройствами, поэтому «родным» интерфейсом для них считается цифровой интерфейс DVI, который может обладать двумя видами конвекторов: DVI-I, совмещающим цифровой и аналоговый сигналы, и DVI-D, передающим только цифровой сигнал. Считается, что для соединения ЖК-монитора с компьютером более предпочтителен интерфейс DVI, хотя допускается подключение и через стандартный D-Sub-разъем. В пользу DVI-интерфейса говорит и то, что в случае аналогового интерфейса происходит двойное преобразование видеосигнала: сначала цифровой сигнал преобразуется в аналоговый в видеокарте (ЦАП-преобразование), который затем трансформируется в цифровой электронным блоком самого ЖК-монитора (АЦП-преобразование), вследствие чего возрастает риск различных искажений сигнала. Многие современные ЖК-мониторы обладают как D-Sub-, так и DVI-коннекторами, что позволяет одновременно подключать к монитору два системных блока. Также можно найти модели, имеющие два цифровых разъема. В недорогих офисных моделях в основном присутствует только стандартный D-Sub-разъем.

Тип ЖК матрицы

Базовым компонентом ЖК-матрицы являются жидкие кристаллы. Существует три основных типа жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические. По электрическим свойствам все жидкие кристаллы делятся на две основные группы: к первой относятся жидкие кристаллы с положительной диэлектрической анизотропией, ко второй - с отрицательной диэлектрической анизотропией. Разница заключается в том, как эти молекулы реагируют на внешнее электрическое поле. Молекулы с положительной диэлектрической анизотропией ориентируются вдоль силовых линий поля, а молекулы с отрицательной диэлектрической анизотропией - перпендикулярно силовым линиям. Нематические жидкие кристаллы обладают положительной диэлектрической анизотропией, а смектические, наоборот, - отрицательной. Другое замечательное свойство ЖК-молекул заключается в их оптической анизотропии. В частности, если ориентация молекул совпадает с направлением распространения плоскополяризованного света, то молекулы не оказывают никакого воздействия на плоскость поляризации света. Если же ориентация молекул перпендикулярна направлению распространения света, то плоскость поляризации поворачивается таким образом, чтобы быть параллельной направлению ориентации молекул. Диэлектрическая и оптическая анизотропия ЖК-молекул дает возможность использовать их в качестве своеобразных модуляторов света, позволяющих формировать требуемое изображение на экране. Принцип действия такого модулятора довольно прост и основан на изменении плоскости поляризации проходящего через ЖК-ячейку света. ЖК-ячейка располагается между двумя поляризаторами, оси поляризации которых взаимно перпендикулярны. Первый поляризатор вырезает плоскополяризованное излучение из проходящего от лампы подсветки света. Если бы не было ЖК-ячейки, то такой плоскополяризованный свет полностью поглотился бы вторым поляризатором. ЖК-ячейка, размещенная на пути проходящего плоскополяризованного света, может поворачивать плоскость поляризации проходящего света. В таком случае часть света проходит через второй поляризатор, то есть ячейка становится прозрачной (полностью или частично). В зависимости от того, каким образом осуществляется управление поворотом плоскости поляризации в ЖК-ячейке, различают несколько типов ЖК-матриц. Итак, ЖК-ячейка, помещаемая между двумя скрещенными поляризаторами, позволяет модулировать проходящее излучение, создавая градации черно-белого цвета. Для получения цветного изображения необходимо применение трех цветных фильтров: красного (R), зеленого (G) и голубого (B), которые, будучи установленными на пути распространения белого цвета, позволят получить три базовых цвета в нужных пропорциях. Итак, каждый пиксель ЖК-монитора состоит из трех отдельных субпикселов: красного, зеленого и голубого, представляющих собой управляемые ЖК-ячейки и различающихся только используемыми фильтрами, установленными между верхней стеклянной пластиной и выходным поляризующим фильтром

Классификация TFT-LCD дисплеев

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS (SFT) и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённый в конкретных разработках.

TN-матрица

Структура TN-ячейки

Жидкокристаллическая матрица TN-типа (Twisted Nematic) представляет собой многослойную структуру, состоящую из двух поляризующих фильтров, двух прозрачных электродов и двух стеклянных пластинок, между которыми располагается собственно жидкокристаллическое вещество нематического типа с положительной диэлектрической анизотропией. На поверхность стеклянных пластин наносятся специальные бороздки, что позволяет создать первоначально одинаковую ориентацию всех молекул жидких кристаллов вдоль пластины. Бороздки на обеих пластинах взаимно перпендикулярны, поэтому слой молекул жидких кристаллов между пластинами изменяет свою ориентацию на 90°. Получается, что ЖК-молекулы образуют скрученную по спирали структуру (рис. 3), из-за чего такие матрицы и получили название Twisted Nematic. Стеклянные пластины с бороздками располагаются между двух поляризационных фильтров, причем ось поляризации в каждом фильтре совпадает с направлением бороздок на пластине. В обычном состоянии ЖК-ячейка является открытой, поскольку жидкие кристаллы поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света. Поэтому плоскополяризованное излучение, образующееся после прохождения первого поляризатора, пройдет и через второй поляризатор, так как ось его поляризации будет параллельна направлению поляризации падающего излучения. Под воздействием электрического поля, создаваемого прозрачными электродами, молекулы жидкокристаллического слоя меняют свою пространственную ориентацию, выстраиваясь вдоль направления силовых линий поля. В этом случае жидкокристаллический слой теряет способность поворачивать плоскость поляризации падающего света, и система становится оптически непрозрачной, так как весь свет поглощается выходным поляризующим фильтром. В зависимости от приложенного напряжения между управляющими электродами можно менять ориентацию молекул вдоль по полю не полностью, а лишь частично, то есть регулировать степень скрученности ЖК-молекул. Это, в свою очередь, позволяет менять интенсивность света, проходящего через ЖК-ячейку. Таким образом, установив лампу подсветки позади ЖК-матрицы и меняя напряжение между электродами, можно варьировать степень прозрачность одной ЖК-ячейки. TN-матрицы являются наиболее распространенными и дешевыми. Им свойственны определенные недостатки: не очень большие углы обзора, невысокая контрастность и невозможность получить идеальный черный цвет. Дело в том, что даже при приложении максимального напряжения к ячейке невозможно до конца раскрутить ЖК-молекулы и сориентировать их вдоль силовых линий поля. Поэтому такие матрицы даже при полностью выключенном пикселе остаются слегка прозрачными. Второй недостаток связан с небольшими углами обзора. Для частичного его устранения на поверхность монитора наносится специальная рассеивающая пленка, что позволяет увеличить угол обзора. Данная технология получила название TN+Film, что указывает на наличие этой пленки. Узнать, какой именно тип матрицы применяется в мониторе, не так-то просто. Однако если на мониторе имеется «битый» пиксель, возникший вследствие выхода из строя управляющего ЖК-ячейкой транзистора, то в TN-матрицах он всегда будет ярко гореть (красным, зеленым или синим цветом), поскольку для TN-матрицы открытый пиксель соответствует отсутствию напряжения на ячейке. Распознать TN-матрицу можно и посмотрев на черный цвет при максимальной яркости - если он скорее серый, чем черный, то это, вероятно, именно TN-матрица.

IPS-матрицы

Структура IPS-ячейки

Мониторы с IPS-матрицей называют также Super TFT-мониторами. Отличительной особенностью IPS-матриц является то, что управляющие электроды расположены в них в одной плоскости на нижней стороне ЖК-ячейки. При отсутствии напряжения между электродами ЖК-молекулы расположены параллельно друг другу, электродам и направлению поляризации нижнего поляризующего фильтра. В этом состоянии они не влияют на угол поляризации проходящего света, и свет полностью поглощается выходным поляризующим фильтром, поскольку направления поляризации фильтров перпендикулярны друг другу. При подаче напряжения на управляющие электроды создаваемое электрическое поле поворачивает ЖК-молекулы на 90° так, что они ориентируются вдоль силовых линий поля. Если через такую ячейку пропустить свет, то за счет поворота плоскости поляризации верхний поляризующий фильтр пропустит свет без помех, то есть ячейка окажется в открытом состоянии (рис. 4). Варьируя напряжение между электродами, можно заставлять ЖК-молекулы поворачиваться на любой угол, меняя тем самым прозрачность ячейки. Во всем остальном IPS-ячейки подобны TN-матрицам: цветное изображение также формируется за счет использования трех цветовых фильтров. IPS-матрицы имеют как преимущества, так и недостатки по сравнению с TN-матрицами. Преимуществом является тот факт, что в данном случае получается идеально черный цвет, а не серый, как в TN-матрицах. Другим неоспоримым преимуществом данной технологии являются большие углы обзора. К недостаткам IPS-матриц стоит отнести большее, чем для TN-матриц, время реакции пикселя. Впрочем, к вопросу о времени реакции пикселя мы еще вернемся. В заключение отметим, что существуют различные модификации IPS-матриц (Super IPS, Dual Domain IPS), позволяющие улучшить их характеристики.

MVA-матрицы

Доменная структура MVA-ячейки

MVA является развитием технологии VA, то есть технологии с вертикальным упорядочиванием молекул. В отличие от TN- и IPS-матриц, в данном случае используются жидкие кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией, которые ориентируются перпендикулярно к направлению линий электрического поля. В отсутствие напряжения между обкладками ЖК-ячейки все жидкокристаллические молекулы ориентированы вертикально и не оказывают никакого влияния на плоскость поляризации проходящего света. Поскольку свет проходит через два скрещенных поляризатора, он полностью поглощается вторым поляризатором и ячейка оказывается в закрытом состоянии, при этом, в отличие от TN-матрицы, возможно получение идеально черного цвета. Если к электродам, расположенным сверху и снизу, прикладывается напряжение, молекулы поворачиваются на 90°, ориентируясь перпендикулярно к линиям электрического поля. При прохождении плоскополяризованного света через такую структуру плоскость поляризации поворачивается на 90° и свет свободно походит через выходной поляризатор, то есть ЖК-ячейка оказывается в открытом состоянии. Достоинствами систем с вертикальным упорядочиванием молекул являются возможность получения идеально черного цвета (что, в свою очередь, сказывается на возможности получения высококонтрастных изображений) и малое время реакции пикселя. С целью увеличения углов обзора в системах с вертикальным упорядочиванием молекул используется мультидоменная структура, что и приводит к созданию матриц типа MVA. Смысл этой технологии заключается в том, что каждый субпиксел разбивается на несколько зон (доменов) с использованием специальных выступов, которые несколько меняют ориентацию молекул, заставляя их выравниваться по поверхности выступа. Это приводит к тому, что каждый такой домен светит в своем направлении (в пределах некоторого телесного угла), а совокупность всех направлений расширяет угол обзора монитора. К достоинствам MVA-матриц следует отнести высокую контрастность (благодаря возможности получения идеально черного цвета) и большие углы обзора (вплоть до 170°). В настоящее время существует несколько разновидностей технологии MVA, например PVA (Patterned Vertical Alignment) компании Samsung, MVA-Premium и др., которые в еще большей степени повышают характеристики MVA-матриц.

Яркость

Сегодня в ЖК-мониторах максимальная яркость, заявляемая в технической документации, составляет от 250 до 500 кд/м2. И если яркость монитора достаточна высока, то это обязательно указывается в рекламных буклетах и преподносится как одно из основных преимуществ монитора. Впрочем, как раз в этом кроется один из подводных камней. Парадокс заключается в том, что ориентироваться на цифры, указанные в технической документации, нельзя. Это касается не только яркости, но и контраста, углов обзора и времени реакции пикселя. Мало того, что они могут вовсе не соответствовать реально наблюдаемым значениям, иногда вообще трудно понять, что означают эти цифры. Прежде всего, существуют разные методики измерения, описанные в различных стандартах; соответственно измерения, проводимые по разным методикам, дают различные результаты, причем вы вряд ли сможете выяснить, по какой именно методике и как проводились измерения. Вот один простой пример. Измеряемая яркость зависит от цветовой температуры, но когда говорят, что яркость монитора составляет 300 кд/м2, то возникает вопрос: при какой цветовой температуре достигается эта самая максимальная яркость? Более того, производители указывают яркость не для монитора, а для ЖК-матрицы, что совсем не одно и то же. Для измерения яркости используются специальные эталонные сигналы генераторов с точно заданной цветовой температурой, поэтому характеристики самого монитора как конечного изделия могут существенно отличаться от заявленных в технической документации. А ведь для пользователя первостепенное значение имеют характеристики собственно монитора, а не матрицы. Яркость является для ЖК-монитора действительно важной характеристикой. К примеру, при недостаточной яркости вы вряд ли сможете играть в различные игры или просматривать DVD-фильмы. Кроме того, окажется некомфортной работа за монитором в условиях дневного освещения (внешней засветки). Однако делать на этом основании вывод, что монитор с заявленной яркостью 450 кд/м2 чем-то лучше монитора с яркостью 350 кд/м2, было бы преждевременно. Во-первых, как уже отмечалось, заявленная и реальная яркость - это не одно и то же, а во-вторых, вполне достаточно, чтобы ЖК-монитор имел яркость 200-250 кд/м2 (но не заявленную, а реально наблюдаемую). Кроме того, немаловажное значение имеет и тот факт, каким образом регулируется яркость монитора. С точки зрения физики регулировка яркости может производиться путем изменения яркости ламп подсветки. Это достигается либо за счет регулировки тока разряда в лампе (в мониторах в качестве ламп подсветки используются лампы дневного света с холодным катодом Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL), либо за счет так называемой широтно-импульсной модуляции питания лампы. При широтно-импульсной модуляции напряжение на лампу подсветки подается импульсами определенной длительности. В результате лампа подсветки светится не постоянно, а только в периодически повторяющиеся интервалы времени, но за счет инертности зрения создается впечатление, что лампа горит постоянно (частота следования импульсов составляет более 200 Гц). Очевидно, что, меняя ширину подаваемых импульсов напряжения, можно регулировать среднюю яркость свечения лампы подсветки. Кроме регулирования яркости монитора за счет лампы подсветки, иногда это регулировка осуществляется самой матрицей. Фактически, к управляющему напряжению на электродах ЖК-ячейки добавляется постоянная составляющая. Это позволяет полностью открывать ЖК-ячейку, но не позволяет полностью ее закрывать. В этом случае при увеличении яркости черный цвет перестает быть черным (матрица становится частично прозрачной даже при закрытой ЖК-ячейке).

Контрастность

Не менее важной характеристикой ЖК-монитора является его контрастность, которая определяется как отношение яркости белого фона к яркости черного фона. Теоретически контрастность монитора не должна зависеть от установленного на мониторе уровня яркости, то есть при любом уровне яркости измеренный контраст должен иметь одно и то же значение. Действительно, яркость белого фона пропорциональна яркости лампы подсветки. В идеальном случае отношение коэффициентов пропускания света ЖК-ячейкой в открытом и закрытом состоянии является характеристикой самой ЖК-ячейки, однако на практике это отношение может зависеть и от установленной цветовой температуры, и от установленного уровня яркости монитора. За последнее время контрастность изображения на цифровых мониторах заметно выросла, и сейчас этот показатель нередко достигает значения 500:1. Но и здесь все не так просто. Дело в том, что контраст может указываться не для монитора, а для матрицы. Впрочем, как показывает опыт, если в паспорте указывается контраст более 350:1, то этого вполне достаточно для нормальной работы.

Угол обзора

Максимальный угол обзора (как по вертикали, так и по горизонтали) определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения в центре составляет не менее 10:1. Некоторые производители матриц при определении углов обзора используют контрастность не 10:1, а 5:1, что также вносит некоторую путаницу в технические характеристики. Формальное определение углов обзора довольно туманно и, что самое главное, не имеет прямого отношения к правильности цветопередачи при просмотре изображения под углом. На самом деле для пользователей куда более важным обстоятельством является тот факт, что при просмотре изображения под углом к поверхности монитора происходит не падение контрастности, а цветовые искажения. К примеру, красный цвет превращается в желтый, а зеленый - в синий. Причем подобные искажения у разных моделей проявляются по-разному: у некоторых они становятся заметными уже при незначительном угле, много меньшем угла обзора. Поэтому сравнивать мониторы по углам обзора в принципе неправильно. Сравнить-то можно, но вот практического значения такое сравнение не имеет.

Время реакции пикселя

Типичная временная диаграмма включения пикселя для TN+Film-матрицы

Типичная временная диаграмма выключения пикселя для TN+Film-матрицы

Время реакции, или время отклика пикселя, как правило, указывается в технической документации на монитор и считается одной из важнейших характеристик монитора (что не совсем верно). В ЖК-мониторах время реакции пикселя, которое зависит от типа матрицы, измеряется десятками миллисекунд (в новых TN+Film-матрицах время реакции пикселя составляет 12 мс), а это приводит к смазанности меняющейся картинки и может быть заметно на глаз. Различают время включения и время выключения пикселя. Под временем включения пикселя понимается промежуток времени, необходимый для открытия ЖК-ячейки, а под временем выключения - промежуток времени, необходимый для ее закрытия. Когда же говорят о времени реакции пикселя, то понимают суммарное время включения и выключения пикселя. Время включения пикселя и время его выключения могут существенно различаться. Когда говорят о времени реакции пикселя, указываемом в технической документации на монитор, то имеют в виду время реакции именно матрицы, а не монитора. Кроме того, время реакции пикселя, указываемое в технической документации, различными производителями матриц трактуется по-разному. К примеру, один из вариантов трактовки времени включения (выключения) пикселя заключается в том, что это время изменения яркости пикселя от 10 до 90% (от 90 до 10%). До сих пор, говоря об измерении времени реакции пикселя, подразумевается, что речь идет о переключениях между черным и белым цветами. Если с черным цветом вопросов не возникает (пиксель просто закрыт), то выбор белого цвета не очевиден. Как будет меняться время реакции пикселя, если измерять его при переключении между различными полутонами? Этот вопрос имеет огромное практическое значение. Дело в том, что переключение с черного фона на белый или, наоборот, в реальных приложениях встречается сравнительно редко. В большинстве приложений реализуются, как правило, переходы между полутонами. И если время переключения между черным и белым цветами окажется меньше, чем время переключения между градациями серого, то никакого практического значения время реакции пикселя иметь не будет и ориентироваться на эту характеристику монитора нельзя. Какой же вывод можно сделать из вышеизложенного? Все очень просто: заявляемое производителем время реакции пикселя не позволяет однозначно судить о динамической характеристике монитора. Более правильно в этом смысле говорить не о времени переключения пикселя между белым и черным цветами, а о среднем времени переключения пикселя между полутонами.

Количество отображаемых цветов

Все мониторы по своей природе являются RGB-устройствами, то есть цвет в них получается за счет смешения в различных пропорциях трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Таким образом, каждый ЖК-пиксель состоит из трех цветных субпикселов. Кроме полностью закрытого или полностью открытого состояния ЖК-ячейки, возможны и промежуточные состояния, когда ЖК-ячейка частично открыта. Это позволяет формировать цветовой оттенок и смешивать цветовые оттенки базовых цветов в нужных пропорциях. При этом количество воспроизводимых монитором цветов теоретически зависит от того, сколько цветовых оттенков можно сформировать в каждом цветовом канале. Частичное открытие ЖК-ячейки достигается за счет подачи требуемого уровня напряжения на управляющие электроды. Поэтому количество воспроизводимых цветовых оттенков в каждом цветовом канале зависит от того, сколько различных уровней напряжений можно подавать на ЖК-ячейку. Для формирования произвольного уровня напряжения потребуется использование схем ЦАП с большой разрядностью, что крайне дорого. Поэтому в современных ЖК-мониторах чаще всего применяют 18-битные ЦАП и реже - 24-битные. При использовании 18-битной ЦАП на каждый цветовой канал приходится по 6 бит. Это позволяет сформировать 64 (26=64) различных уровня напряжения и соответственно получить 64 цветовых оттенка в одном цветовом канале. Всего же за счет смешения цветовых оттенков разных каналов возможно создание 262 144 цветовых оттенков. При использовании 24-битной матрицы (24-битная схема ЦАП) на каждый канал приходится по 8 бит, что позволяет сформировать уже 256 (28=256) цветовых оттенков в каждом канале, а всего такая матрица воспроизводит 16 777 216 цветовых оттенков. В то же время для многих 18-битных матриц в паспорте указывается, что они воспроизводят 16,2 млн. цветовых оттенков. В чем же тут дело и возможно ли такое? Оказывается, что в 18-битных матрицах за счет всяческих ухищрений можно приблизить количество цветовых оттенков к тому, что воспроизводится настоящими 24-битными матрицами. Для экстраполяции цветовых оттенков в 18-битных матрицах используются две технологии (и их комбинации): dithering (дизеринг) и FRC (Frame Rate Control). Суть технологии дизеринга заключается в том, что недостающие цветовые оттенки получают за счет смешения ближайших цветовых оттенков соседних пикселов. Рассмотрим простой пример. Предположим, что пиксель может находиться только в двух состояниях: открытом и закрытом, причем закрытое состояние пикселя формирует черный цвет, а открытое - красный. Если вместо одного пикселя рассмотреть группу из двух пикселов, то, кроме черного и красного, можно получить еще и промежуточный цвет, осуществив тем самым экстраполяцию от двухцветного режима к трехцветному. В результате если первоначально такой монитор мог генерировать шесть цветов (по два на каждый канал), то после такого дизеринга он будет воспроизводить уже 27 цветов. Схема дизеринга имеет один существенный недостаток: увеличение цветовых оттенков достигается за счет уменьшения разрешения. Фактически при этом увеличивается размер пикселя, что может негативно сказаться при прорисовке деталей изображения. Суть технологии FRC заключается в манипуляции яркостью отдельных субпикселов с помощью их дополнительного включения/выключения. Как и в предыдущем примере, считается, что пиксель может быть либо черным (выключен), либо красным (включен). Каждый субпиксел получает команду на включение с частотой кадровой развертки, то есть при частоте кадровой развертки 60 Гц каждый субпиксел получает команду на включение 60 раз в секунду. Это позволяет генерировать красный цвет. Если же принудительно заставлять включаться пиксель не 60 раз в секунду, а только 50 (на каждом 12-м такте производить не включение, а выключение пикселя), то в результате яркость пикселя составит 83% от максимальной, что позволит сформировать промежуточный цветовой оттенок красного. Оба рассмотренных метода экстраполяции цвета имеют свои недостатки. В первом случае - это возможное мерцание экрана и некоторое увеличение времени реакции, а во втором - вероятность потери деталей изображения. Отличить на глаз 18-битную матрицу с экстраполяцией цвета от истинной 24-битной довольно сложно. При этом стоимость 24-битной матрицы значительно выше.

Принцип действия TFT-LCD дисплеев

Общий принцип формирования изображения на экране хорошо иллюстрирует рис. 1. 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:

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

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.

Плюсы и минусы

Условные обозначения: (+) достоинство, (~) допустимо, (-) недостаток
	ЖК-мониторы	ЭЛТ-мониторы
Яркость	(+) от 170 до 250 Кд/м2	(~) от 80 до 120 Кд/м2
Контрастность	(~) от 200:1 до 400:1	(+) от 350:1 до 700:1
Угол обзора (по контрасту)	(~) от 110 до 170 градусов	(+) свыше 150 градусов
Угол обзора (по цвету)	(-) от 50 до 125 градусов	(~) свыше 120 градусов
Разрешение	(-) Одно разрешение с фиксированным размером пикселей. Оптимально можно использовать только в этом разрешении; в зависимости от поддерживаемых функций расширения или компрессии можно ис-пользовать более высокое или более низ-кое разрешение, но они не оптимальны.	(+) Поддерживаются различные разреше-ния. При всех поддерживаемых разреше-ниях монитор можно использовать опти-мальным образом. Ограничение наклады-вается только приемлемостью частоты регенерации.
Частота вертикальной развертки	(+) Оптимальная частота 60 Гц, чего дос-таточно для отсутствия мерцания	(~) Только при частотах свыше 75 Гц от-сутствует явно заметное мерцание
Ошибки совмещения цветов	(+) нет	(~) от 0.0079 до 0.0118 дюйма (0.20 - 0.30 мм)
Фокусировка	(+) очень хорошая	(~) от удовлетворительной до очень хоро-шей>
Геометрические/линейные искажения	(+) нет	(~) возможны
Неработающие пиксе-ли	(-) до 8	(+) нет
Входной сигнал	(+) аналоговый или цифровой	(~) только аналоговый
Масштабирование при разных разрешениях	(-) отсутствует или используются методы интерполяции, не требующие больших накладных расходов	(+) очень хорошее
Точность отображения цвета	(~) Поддерживается True Color и имитиру-ется требуемая цветовая температура	(+) Поддерживается True Color и при этом на рынке имеется масса устройств калиб-ровки цвета, что является несомненным плюсом
Гамма-коррекция (подстройка цвета под особенности человече-ского зрения)	(~) удовлетворительная	(+) фотореалистичная
Однородность	(~) часто изображение ярче по краям	(~) часто изображение ярче в центре
Чистота цвета/качество цвета	(~) хорошее	(+) высокое
Мерцание	(+) нет	(~) незаметно на частоте выше 85 Гц
Время инерции	(-) от 20 до 30 мсек.	(+) пренебрежительно мало
Формирование изображения	(+) Изображение формируется пикселями, число которых зависят только от конкретного разрешения LCD панели. Шаг пикселей зависит только от размера самих пикселей, но не от расстояния между ними. Каждый пиксель формируется индивидуально, что обеспечивает великолепную фокусировку, ясность и четкость. Изображение получается более целостным и гладким	(~) Пиксели формируются группой точек (триады) или полосок. Шаг точки или ли-нии зависит от расстояния между точками или линиями одного цвета. В результате четкость и ясность изображения сильно зависит от размера шага точки или шага линии и от качества ЭЛТ
Энергопотребление и излучения	(+) Практически никаких опасных электромагнитных излучений нет. Уровень потребления энергии примерно на 70% ниже, чем у стандартных CRT мониторов (от 25 до 40 Вт).	(-) Всегда присутствует электромагнитное излучение, однако их уровень зависит от того, соответствует ли ЭЛТ какому-либо стандарту безопасности. Потребление энергии в рабочем состоянии на уровне 60 - 150 Вт.
Размеры/вес	(+) плоский дизайн, малый вес	(-) тяжелая конструкция, занимает много места
Интерфейс монитора	(+) Цифровой интерфейс, однако, большинство LCD мониторов имеют встроенный аналоговый интерфейс для подключения к наиболее распространенным аналоговым выходам видеоадаптеров	(-) Аналоговый интерфейс

Литература

• А.В.Петроченков “Hardware-компьютер и периферия “, -106стр.ил.
• В.Э.Фигурнов “IBM PC для пользователя “, -67стр.
• “HARD "n" SOFT “ (компьютерный журнал для широкого круга пользователей) №6 2003г.
• Н.И.Гурин “Работа на персональном компьютере “,-128стр.

Основные параметры ЖК-мониторов

Итак, что мы знаем о жидкокристаллических мониторах? Во-первых, они различаются размерами и цветом. Во-вторых - ценой. В-третьих, их производят более десятка различных компаний. Этим, пожалуй, знания обыкновенного пользователя компьютера ограничиваются. Постараемся их расширить.

Наиболее важные потребительские характеристики ЖК-монитора (или LCD-монитора) следующие: цена, соотношение сторон экрана, разрешение, диагональ, контрастность, яркость, время отклика, угол обзора, наличие дефектных пикселей, интерфейсы, тип матрицы, размеры, потребляемая мощность.

Цена
По поводу ценообразования: в целом чем дороже монитор, тем он лучше. Однако есть нюансы. Два производителя могут создавать свои модели на базе одной и той же матрицы, но разница в цене может достигать больше тысячи рублей. Все из-за дизайна, маркетинговой политики компании и других факторов.
Кроме того, каждая дополнительная функция или возможность увеличивают конечную стоимость монитора. Причем не всегда эти улучшения необходимы пользователю. Многим из них достаточно качества картинки и функционала дешевых моделей на основе TN-матрицы. А вот некоторым требуется точное отображение цветов, которое могут обеспечить только более дороги модели на базе на основе IPS- или *VA-матрицы.
Цены на самые дешевые 18,5- и 19-дюймовые мониторы начинаются от $100.

Формат экрана
Устаревшие ныне ЭЛТ-мониторы обладали стандартным соотношением сторон 4:3 (ширина к высоте). Первые ЖК-мониторы также выпускались такими (плюс производился формат 5:4). Сейчас их уже сложно встретить в продаже: на полках магазинов стоят широкоформатники - модели с соотношением сторон 16:10, 16:9, 15:9, что связано с активным внедрением видео в HD-формате (16:9).
Мониторы 4:3 более предпочтительны для веб-серфинга, работы в текстовых, издательских и других программах, где работа ведется преимущественно над вертикальными объектами (страницами). Но в качестве домашнего монитора и средства для развлечения (просмотр разнообразного видеоконтента, трехмерных игр) широкоформатный монитор окажется лучшим выбором.

Разрешение экрана
Этот параметр показывает, сколько точек (пикселей) размещается на видимой части монитора. Например: 1680x1050 (1680 точек по горизонтали и 1050 точек по вертикали). Этот параметр определяется исходя из формата кадра (число точек кратно соотношению сторон). В данном случае это 16:10. Существует конечное число таких пар чисел (таблицу разрешений можно найти в Интернете).
В ЭЛТ-мониторах вы могли выставить любое разрешение, которое поддерживается монитором или видеокартой. В ЖК-мониторах же существует только одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией. При этом ухудшается качество картинки. Поэтому при выборе между мониторами с одинаковым разрешением лучше выбрать с большей диагональю. Особенно если у вас ослабленное зрение, что в наше время совсем не редкость. И еще, разрешение ЖК-монитора должно поддерживаться вашей видеокартой. Проблемы могут возникнуть с устаревшими видеокартами. Иначе придется ставить неродное разрешение. А это - ненужное искажение картинки.
Покупать монитор с разрешением 1920x1080 (Full HD) или 2560x1600 вовсе необязательно. Потому что ваш компьютер может потянуть 3D-игры при таком разрешении, а видеофильмы в Full HD еще пока мало распространены.

Диагональ экрана
Это значение традиционно измеряется в дюймах и показывает расстояние между двумя противоположными углами. Оптимальная на сегодня диагональ по размеру и цене - это 20-22 дюйма. Кстати, при одинаковом размере диагонали монитор с форматом 4:3 будет обладать большей площадью поверхности.

Контрастность
Эта величина показывает максимальное отношение яркостей между самой светлой и самой темной точками. Обычно указывается в виде пары чисел типа 1000:1. Чем больше статическая контрастность, тем лучше, так как это позволит увидеть больше оттенков (к примеру, вместо черных областей - оттенки черного на фотографиях, в играх или фильмах). Учтите, что информацию о статической контрастности производитель может заменять данными о динамической контрастности, которая рассчитывается по-другому и на которую не стоит полагаться при выборе монитора.

Яркость
Этот параметр показывает количество света, излучаемое дисплеем. Измеряется в канделах на квадратный метр. Высокое значение яркости не повредит. В случае чего всегда можно будет яркость уменьшить в зависимости от собственных предпочтений и освещенности рабочего места.

Время отклика
Время отклика - минимальное время, которое необходимо пикселю для изменения своей яркости от активного (белого) в бездействующий (черный) и обратно к активному. Время отклика складывается из времени буферизации и времени переключения. В характеристиках указывается последний параметр. Измеряется в миллисекундах (мс). Чем меньше, тем лучше. Большое время отклика приводит к смазыванию изображений в быстрых сценах в фильмах и играх. В большинстве недорогих моделях на базе TN-матрицы время отклика не превышает 10 мс и вполне достаточно для комфортной работы. Кстати, некоторые производители лукавят, измеряя время перехода от одного оттенка серого к другому и выдавая это значение за время отклика.

Угол обзора
Этот параметр показывает, при каком угле просмотра контраст падает до заданного значения. При этом искажения становятся неприемлемыми для просмотра. Увы, каждая компания вычисляет угол обзора по-своему, поэтому самое лучшее - внимательно присмотреться к монитору перед покупкой.

Дефектные пиксели
После производства ЖК-матрицы на ней могут оказаться дефекты изображения, подразделяющиеся на пиксели мертвые и “горячие” (зависимые). Появление последних зависит от некоторых факторов: например, они могут проявляться при повышении температуры. “Горячие” пиксели можно попробовать убрать с помощью процедуры “ремапа” (поврежденные пиксели при этом будут выключены). От пикселей избавиться вряд ли получится.
Согласитесь, неприятно работать на мониторе с постоянно горящей зеленой либо красной точкой. Поэтому при осмотре монитора в магазине запустите какую-нибудь тестовую программу, чтобы определить наличие или отсутствие дефектных пикселей. Либо поочередно залейте экран черным, белым, красным, зеленым и синим цветом и внимательно приглядитесь. Если битых пикселей нет, смело берите. К сожалению, они могут проявиться позднее, но вероятность этого невысока.
Следует знать еще один момент: стандарт ISO 13406-2 устанавливает четыре класса качества мониторов по допустимому числу битых пикселей. Поэтому продавец может отказать вам в обмене модели, если число битых пикселей не выходит за рамки определенного производителем класса качества.

Тип матрицы
При производстве дисплеев применяются три основные технологии: TN, IPS и MVA/PVA. Имеются и другие, но они не имеют такого распространения. Технологические различия нам неинтересны, перейдем к потребительским свойствам.
TN+film. Наиболее массовые и дешевые панели. Обладают хорошим временем отклика, но плохим уровнем контрастности и малым углом обзора. Также хромает цветопередача. Поэтому не применяются в сферах, где необходима точная работа с цветом. Для домашнего использования - наилучший вариант.
IPS (SFT). Дорогие панели. Хороший угол обзора, высокая контрастность, хорошая цветопередача, но большое время отклика. Единственные, которые могут передать полную гамму цветов RGB. В настоящее время ведутся разработки для уменьшения времени отклика, еще большего расширения цветового диапазона и улучшения других параметров.
MVA/PVA. Нечто среднее между TN и IPS как по стоимости, так и по характеристикам. Время отклика не сильно хуже TN, а контрастность, цветопередача и угол обзора лучше.

Интерфейсы
Современные мониторы могут подключаться к компьютеру с помощью аналоговых и цифровых интерфейсов. Аналоговый VGA (D-Sub) морально устарел, но, скорее всего, будет использоваться еще достаточно долго. Постепенно вытесняется цифровым DVI. Также могут встретиться цифровые интерфейсы HDMI и DisplayPort.
Вам, по сути, нужно знать одно: есть ли на вашей видеокарте соответствующий интерфейс. К примеру, вы купили новый монитор с цифровым DVI, а на видеокарте - только аналоговый. В таком случае придется использовать переходник.

Размеры, дизайн, потребляемая мощность
Монитор нужно выбирать не только исходя из потребительских характеристик, но и внешнего вида. Но это индивидуальный параметр. Как мы уже писали, красивый дизайн повышает стоимость монитора. На потребляемую мощность можно не обращать внимания. Почти у всех современных моделей она совсем невелика. В паспорте устройства указывается потребляемая мощность: активная (в режиме работы) и пассивная (когда монитор выключен, но не отключен от сети).
Еще один вопрос: брать монитор с глянцевым покрытием или с матовым? Глянец дает большую контрастность, но больше бликует и быстрее пачкается.

Минусы ЖК-мониторов
Несмотря на то что жидкокристаллические мониторы по сравнению с ЭЛТ-мониторами обладают рядом преимуществ, необходимо отметить и ряд недостатков:
1) только одно “штатное” разрешение, остальные получаются с помощью интерполяции при потере четкости;
2) цветовой охват и точность цветопередачи хуже;
3) сравнительно невысокий уровень контрастности и глубины черного цвета;
4) время отклика на изменения изображения больше, чем у ЭЛТ-мониторов;
5) до сих пор не решена проблема зависимости контраста от угла обзора;
6) возможное наличие неустранимых дефектных пикселей.

Будущее ЖК-мониторов
В настоящее время жидкокристаллические мониторы переживают век расцвета. Но еще несколько лет назад эксперты начали разговоры о технологии, которая когда-нибудь сможет их заменить. Наиболее перспективными считаются OLED-дисплеи (матрица с органическими светодиодами). Однако их массовое производство пока сопряжено с трудностями и ограничивается довольно высокой ценой. Кроме того, технологии изготовления ЖК-мониторов постоянно улучшаются, поэтому объявление об их скорой кончине преждевременно.

Тип матрицы, используемой в ЖК-мониторе, - это, конечно, одна из важнейших характеристик мониторов, но не единственная. Кроме типа матрицы, мониторы характеризуются рабочим разрешением, максимальной яркостью и контрастом, углами обзора, временем переключения пиксела, а также другими, менее значимыми параметрами. Рассмотрим эти характеристики более подробно.

Если традиционные ЭЛТ-мониторы принято характеризовать размером экрана по диагонали, то для ЖК-мониторов такая классификация не вполне корректна. Более правильно классифицировать ЖК-мониторы 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 пикселов. Именно поэтому они рассчитаны на работу только с одним разрешением, называемым рабочим. Косвенно это разрешение определяет и размер диагонали матрицы, однако мониторы с одним и тем же рабочим разрешением могут иметь разную по размерам матрицу. Например, мониторы с диагональю от 15 до 16 дюймов в основном имеют рабочее разрешение 1024х768, что, в свою очередь, означает, что у данного монитора действительно физически содержится 1024 пиксела по горизонтали и 768 пикселов по вертикали.

Рабочее разрешение монитора определяет размер иконок и шрифтов, которые будут отображаться на экране. К примеру, 15-дюймовый монитор может иметь рабочее разрешение 1024х768 пикселов, а может - 1400х1050 пикселов. В последнем случае физические размеры самих пикселов будут меньшими, а поскольку при формировании стандартной иконки и в первом и во втором случаях используется одно и то же количество пикселов, то при разрешении 1400х1050 пикселов иконка по своим физическим размерам окажется меньше. Слишком маленькие размеры иконок при высоком разрешении монитора могут оказаться неприемлемыми для некоторых пользователей, поэтому на рабочее разрешение нужно сразу же обращать внимание при покупке монитора.

Конечно, монитор способен выводить изображение и в другом, отличном от рабочего, разрешении. Такой режим работы монитора называют интерполяцией. Заметим, что в случае интерполяции качество изображения оставляет желать лучшего: картинка получается зарубленной и шероховатой, а кроме того, могут возникать такие артефакты масштабирования, как неровности на окружностях. Режим интерполяции особенно сильно сказывается на качестве отображения экранных шрифтов. Отсюда вывод: если вы, приобретая монитор, планируете использовать его для работы при нестандартном разрешении, то самым простым способом проверки режима работы монитора при интерполяции является просмотр какого-либо текстового документа, набранного мелким шрифтом. По контурам букв легко будет заметить артефакты интерполяции, а если в мониторе использован более качественный алгоритм интерполяции, то буквы будут более ровными, но все же размытыми. Скорость, с которой ЖК-монитор производит масштабирование одного кадра, - тоже немаловажный параметр, на который стоит обратить внимание, ведь электронике монитора требуется время, чтобы произвести интерполяцию.

Одна из сильных сторон ЖК-монитора - его яркость. Этот показатель в жидкокристаллических дисплеях иногда превышает аналогичный параметр в мониторах на основе ЭЛТ более чем в два раза. Для регулировки яркости монитора изменяется интенсивность лампы подсветки. Сегодня в ЖК-мониторах максимальная яркость, заявляемая в технической документации, составляет от 250 до 300 кд/м2. И если яркость монитора достаточна высока, то это обязательно указывается в рекламных буклетах и преподносится как одно из основных преимуществ монитора.

Яркость для ЖК-монитора действительно является важной характеристикой. К примеру, при недостаточной яркости некомфортной окажется работа за монитором в условиях дневного освещения (внешней засветки). Как показывает опыт, вполне достаточно, чтобы ЖК-монитор имел яркость 200-250 кд/м2 - но не заявленную, а реально наблюдаемую.

За последнее время контрастность изображения на цифровых панелях заметно выросла, и сейчас нередко этот показатель достигает значения1000:1. Данный параметр определяется как отношение между максимальной и минимальной яркостью на белом и черном фоне соответственно. Но и здесь не все так просто. Дело в том, что контраст может указываться не для монитора, а для матрицы, а кроме того, существует несколько альтернативных методик измерения контраста. Впрочем, как показывает опыт, если в паспорте указывается контраст более 350:1, то этого вполне достаточно для нормальной работы.

За счет поворота на определенный угол ЖК-молекул в каждом из цветовых субпикселов можно получать не только открытое и закрытое состояния ЖК-ячейки, но и промежуточные состояния, формирующие цветовой оттенок. Теоретически угол поворота ЖК-молекул можно сделать любым в пределах от минимального до максимального. Однако на практике есть температурные флуктуации, которые препятствуют точному заданию угла поворота. Кроме того, для формирования произвольного уровня напряжения потребуется использование схем ЦАП с большой разрядностью, что крайне дорого. Поэтому в современных ЖК-мониторах чаще всего применяют 18-битные ЦАП и реже - 24-битные. При использовании 18-битной ЦАП на каждый цветовой канал приходится по 6 бит. Это позволяет сформировать 64 (26 = 64) различных уровня напряжения и соответственно задать 64 различные ориентации ЖК-молекул, что, в свою очередь, приводит к формированию 64 цветовых оттенков в одном цветовом канале. Всего же, смешивая цветовые оттенки разных каналов, возможно получить 262 К цветовых оттенка.

При использовании 24-битной матрицы (24-битная схема ЦАП) на каждый канал приходится по 8 бит, что позволяет сформировать уже 256 (28=256) цветовых оттенков в каждом канале, а всего такая матрица воспроизводит 16 777 216 цветовых оттенков.

В то же время для многих 18-битных матриц в паспорте указывается, что они воспроизводят 16,2 млн. цветовых оттенков. В чем же тут дело и возможно ли такое? Оказывается, что в 18-битных матрицах за счет различных ухищрений можно увеличить количество цветовых оттенков так, чтобы это количество приблизилось к количеству цветов, воспроизводимых настоящими 24-битными матрицами. Для экстраполяции цветовых оттенков в 18-битных матрицах используются две технологии (и их комбинации): Dithering (дизеринг) и FRC (Frame Rate Control).

Суть технологии Dithering заключается в том, что недостающие цветовые оттенки получают за счет смешивания ближайших цветовых оттенков соседних субпикселов. Рассмотрим простой пример. Предположим, что субпиксел может находиться только в двух состояниях: открытом и закрытом, причем закрытое состояние субпиксела формирует черный цвет, а открытое -- красный. Если вместо одного пиксела рассмотреть группу из двух субпикселов, то, кроме черного и красного цветов, можно получить еще и промежуточный цвет и тем самым осуществить экстраполяцию от двухцветного режима к трехцветному (рис.1). В результате если первоначально такой монитор мог генерировать шесть цветов (по два на каждый канал), то после такого дизеринга монитор будет воспроизводить уже 27 цветов.

Рисунок 1 - Схема дизеринга для получения цветовых оттенков

Если же рассмотреть группу не из двух, а из четырех субпикселов (2х2), то использование дизеринга позволит получить дополнительно еще по три цветовых оттенка в каждом канале и монитор из 8-цветного превратится в 125-цветный. Соответственно группа из 9 субпикселов (3х3) позволит получить дополнительно семь цветовых оттенков, и монитор станет уже 729-цветным.

Схема дизеринга имеет один существенный недостаток: увеличение цветовых оттенков достигается за счет уменьшения разрешения. Фактически при этом увеличивается размер пиксела, что может негативно сказаться при прорисовке деталей изображения.

Кроме технологии дизеринга используется и технология FRC, представляющая собой способ манипуляции яркостью отдельных субпикселов с помощью их дополнительного включения/выключения. Как и в предыдущем примере, будем считать, что субпиксел может быть либо черным (выключен), либо красным (включен). Напомним, что каждый субпиксел получает команду на включение с частотой кадровой развертки, то есть при частоте кадровой развертки 60 Гц каждый субпиксел получает команду на включение 60 раз в секунду, что позволяет генерировать красный цвет. Если же принудительно заставлять включаться субпиксел не 60 раз в секунду, а только 50 (на каждом 12-м такте производить не включение, а выключение субпиксела), то в результате яркость субпиксела составит 83% от максимальной, что позволит сформировать промежуточный цветовой оттенок красного.

Оба рассмотренных метода экстраполяции цвета имеют свои недостатки. В первом случае - это возможность потери деталей изображения, а во втором - возможное мерцание экрана и некоторое увеличение времени реакции.

Однако необходимо отметить, что отличить на глаз 18-битную матрицу с экстраполяцией цвета от истинной 24-битной не всегда возможно. При этом 24-битная матрица будет стоить существенно дороже.

Традиционной проблемой ЖК-мониторов являются углы обзора - если изображение на ЭЛТ практически не страдает даже при взгляде почти параллельно плоскости экрана, то на многих ЖК-матрицах даже небольшое отклонение от перпендикуляра приводит к заметному падению контрастности и искажению цветопередачи. Согласно текущим стандартам, производители матриц определяют угол обзора как угол относительно перпендикуляра к центру матрицы, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре матрицы падает до 10:1 (рис.2).

Рисунок 2 - Схема определения углов обзора ЖК-матрицы

Несмотря на кажущуюся однозначность данного термина, необходимо четко представлять себе, что именно понимает производитель матрицы (а не монитора) под углом обзора. Максимальный угол обзора как по вертикали, так и по горизонтали определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения не менее 10:1. При этом вспомним, что под контрастом изображения понимается отношение максимальной яркости на белом фоне к минимальной яркости на черном фоне. Таким образом, по своему определению углы обзора не имеют прямого отношения к правильности цветопередачи при просмотре изображения под углом.

Время реакции, или время отклика, субпиксела тоже является одним из важнейших показателей монитора. Нередко именно эту характеристику называют самым слабым местом ЖК-мониторов, поскольку, в отличие от ЭЛТ-мониторов, где время отклика пиксела измеряется микросекундами, в ЖК-мониторах это время составляет десятки миллисекунд, что в конечном счете приводит к смазанности меняющейся картинки и может быть заметно на глаз. С физической точки зрения время реакции пиксела определяется промежутком времени, за который изменяется пространственная ориентация молекул жидких кристаллов, и чем меньше это время, тем лучше.

При этом необходимо различать время включения и выключения пиксела. Под временем включения пиксела понимается промежуток времени, необходимый для полного открытия ЖК-ячейки, а под временем выключения - промежуток времени, необходимый для полного закрытия ЖК-ячейки. Когда же говорят о времени реакции пиксела, то под этим понимают суммарное время включения и выключения пиксела.

Время включения пиксела и время его выключения могут существенно отличаться друг от друга. К примеру, если рассмотреть распространенные TN+Film-матрицы, то процесс выключения пиксела заключается в переориентации молекул перпендикулярно направлениям поляризации под воздействием приложенного напряжения, а процесс включения пиксела - это своего рода релаксация ЖК-молекул, то есть процесс перехода в их естественное состояние. При этом очевидно, что время выключения пиксела будет меньше, чем время его включения.

На рис.3 показаны типичные временные диаграммы включения (рис.3,а) и выключения (рис.3,б) пиксела TN+Film-матрицы. В приведенном примере время включения пиксела составляет 20 мс, а выключения - 6 мс. Суммарное же время реакции пиксела составляет 26 мс.

Когда говорят о времени реакции пиксела, указываемом в технической документации на монитор, то имеют в виду время реакции именно матрицы, а не монитора. Как ни странно, но это не одно и то же, поскольку в первом случае не учитывается вся электроника, требуемая для управления пикселами матрицы. Фактически время реакции пиксела матрицы - это время, необходимое для переориентации молекул, а время реакции пиксела монитора - это время между подачей сигнала на включение/выключение и самим фактом включения/выключения. Кроме того, говоря о времени реакции пиксела, указываемом в технической документации, необходимо учитывать, что производители матриц могут по-разному трактовать это время.

Рисунок 3 - Типичные временные диаграммы включения (а) и выключения (б) пиксела для TN-матрицы

Так, один из вариантов трактовки времени включения/выключения пиксела заключается в том, что под этим подразумевается время изменения яркости свечения пиксела от 10 до 90% или от 90 до 10%. При этом вполне возможна ситуация, когда для монитора с хорошим временем реакции пиксела при изменении яркости в пределах от 10 до 90% полное время реакции пиксела (при изменении яркости от 0 до 100%) будет достаточно большим.

Так, может быть, более корректно производить измерения в пределах изменения яркости от 0 до 100%? Однако яркость от 0 до 10% воспринимается человеческим глазом как абсолютно черный цвет, и в этом смысле практическое значение имеет именно измерение от уровня яркости в 10%. Аналогично не имеет смысла измерять изменение уровня яркости до 100%, поскольку яркость от 90 до 100% воспринимается как белый цвет, и потому именно измерение яркости до 90% имеет практическое значение.

До сих пор, говоря об измерении времени реакции пиксела, мы подразумевали, что речь идет о переключениях между черным и белым цветами. Если с черным цветом вопросов не возникает (пиксел просто закрыт), то выбор белого цвета не очевиден. Как будет меняться время реакции пиксела, если измерять его при переключении между различными полутонами? Этот вопрос имеет огромное практическое значение. Дело в том, что переключение с черного фона на белый или наоборот, которое определяет время реакции пиксела, в реальных приложениях применяется относительно редко - примером может быть прокрутка черного текста на белом фоне. В большинстве приложений реализуются, как правило, переходы между полутонами. И если окажется, что время переключения между серым и белым цветами будет меньше, чем время переключения между градациями серого, то никакого практического значения время реакции пиксела просто-напросто не имеет, так что ориентироваться на эту характеристику монитора нельзя. Действительно, какой смысл в определении времени реакции пиксела, если реальное время переключения между полутонами может быть больше и если при динамическом изменении картинки она будет расплываться?

Ответ на этот вопрос довольно сложен и зависит от типа матрицы монитора. Для широко распространенных и наиболее дешевых матриц TN+Film все достаточно просто: время реакции пиксела, то есть время, которое требуется для полного открытия или закрытия ЖК-ячейки, оказывается максимальным временем. Если цвет описывать градациями R-, G- и B-каналов (R-G-B), то время перехода от черного (0-0-0) к белому (255-255-255) цвету больше, чем время перехода от черного к градации серного. Аналогично время выключения пиксела (переход от белого к черному) оказывается больше, чем время перехода от белого к любой градации серого.

На рис. 4 показана графическая зависимость времени переключения между черным цветом и градациями серого и обратно - между градациями серого и черным цветом. Как видно из графика, максимальным является именно время переключения между черным и белым цветами и обратно, которое и определяет время реакции пиксела. Именно поэтому для TN+Film-матриц время реакции пиксела полностью характеризуют динамические свойства монитора.

Рисунок 4 - График зависимости времени переключения между черным цветом и градациями серого

Для IPS- и MVA-матриц все оказывается не столь очевидно. Для этих типов матриц время переключения между цветовыми оттенками (градациями серого) может оказаться больше, чем время перехода между белым и черным цветами. В таких матрицах знание времени реакции пиксела (даже если вас будут уверять, что это рекордно низкое время) не имеет практического значения и не может рассматриваться как динамическая характеристика монитора. Вследствие этого для данных матриц куда более важным параметром является максимальное время перехода между градациями серого, но это время не указывается в документации к монитору. Поэтому если вам неизвестно максимальное время переключения пиксела для данного типа матрицы, то лучший способ оценить динамические характеристики монитора - это запустить какое-либо игровое динамическое приложение и определить на глаз смазанность картинки.

Все ЖК-мониторы по своей природе являются цифровыми устройствами, поэтому родным интерфейсом для них считается цифровой интерфейс DVI. Интерфейс может обладать двумя видами коннекторов: DVI-I, совмещающим цифровой и аналоговый сигналы, и DVI-D, передающим только цифровой сигнал. Считается, что для соединения ЖК-монитора с компьютером предпочтителен интерфейс DVI, хотя допускается подключение и через стандартный D-Sub-разъем. В пользу DVI-интерфейса говорит то, что в случае аналогового интерфейса выполняется двойное преобразование видеосигнала: первоначально цифровой сигнал преобразуется в аналоговый в видеокарте (ЦАП-преобразование), а затем аналоговый сигнал трансформируется в цифровой электронным блоком самого ЖК-монитора (АЦП-преобразование), и вследствие таких преобразований возрастает риск различных искажений сигнала. Справедливости ради отметим, что на практике искажения сигнала, вносимые двойным преобразованием, не встречаются, и подключать монитор можно по любому интерфейсу. В этом смысле интерфейс монитора - последнее, на что стоит обращать внимание. Главное, чтобы соответствующий разъем был на самой видеокарте.

Многие современные ЖК-мониторы обладают как D-Sub-, так и DVI- коннекторами, что нередко позволяет одновременно подключать к монитору два системных блока. Также встречаются модели, имеющие два цифровых разъема.

Структурная схема ЖК-монитора представлениа на рис.5

Рисунок 5 - Структурная схема ЖК-монитора

Сигнал от видеоадаптера подается на вход дисплея через аналоговый RGB VGA D-sub или цифровой DVI интерфейс. В случае использования аналогового интерфейса видеоадаптер преобразует данные кадрового буфера из цифрового вида в аналоговый, а электроника ЖК-монитора, со своей стороны, вынуждена выполнять обратное, аналого-цифровое преобразование.Очевидно, что такие избыточные операции как минимум не улучшают качества изображения, к тому же они требуют дополнительных затрат для своей реализации. Поэтому с повсеместным распространением ЖК-дисплеев интерфейс VGA D-sub вытесняется цифровым DVI. В некоторых мониторах производители намеренно не реализуют поддержку DVI-интерфейса, ограничиваясь лишь VGA D-sub, так как для этого требуется применение специального TMDS-приемника со стороны монитора, и себестоимость устройства с поддержкой как аналогового, так и цифрового интерфейсов по сравнению с вариантом с единственным аналоговым входом будет выше.

Схема блока обработки изображения в ЖК-дисплее (от аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала, его масштабирования, обработки и вплоть до формирования выходных сигналов LVDS) выполнена на единственной ИС с высокой степенью интеграции, носящей название Display Engine.

Блок ЖК-матрицы содержит схему управления, так называемый драйвер матрицы, в который интегрированы приемник выходных сигналов управления LVDS и драйверы истоков и затворов, преобразующие видеосигнал в адресацию конкретных пикселов по столбцам и строкам.

В блок ЖК-матрицы входит также система ее подсветки, которая, за редкими исключениями, выполнена на газоразрядных лампах с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL). Высокое напряжение для них обеспечивает инвертор, размещенный в блоке питания монитора. Лампы обычно располагаются сверху и снизу, их излучение направлено в торец полупрозрачной панели, находящейся сзади за матрицей и выполняющей роль световода. От качества матирования и однородности материала этой панели зависит такая важная характеристика, как равномерность подсветки матрицы

Адресация ЖК-дисплеев с пассивной матрицей в принципе может быть реализована так же, как и у газоразрядных панелей. Передний электрод, общий для всего столбца, проводит напряжение. Задний электрод, общий для всего ряда, служит "землёй".

Недостатки у таких пассивных матриц есть и они известны: панели очень медлительны, а картинка не резкая. И причин тому две. Первая заключается в том, что после того, как мы адресуем пиксель и поворачиваем кристалл, последний будет медленно возвращаться в своё первоначальное состояние, размывая картинку. Вторая причина кроется в ёмкостной связи между линиями управления. Эта связь приводит к неточному распространению напряжения и слегка "портит" соседние пиксели.

Отмеченные недостатки привели к разработке технологии активных матриц (рис.6).

Рисунок 6 - Схема включения субпиксела активной ЖК-матрицы

жидкокристаллический монитор разрешение матрица

Здесь к каждому пикселю добавляется транзистор, работающий как переключатель. Если он открыт (включён), то в запоминающий конденсатор могут записываться данные. Если транзистор закрыт (выключен), то данные остаются в конденсаторе, работающем как аналоговая память. Технология имеет множество преимуществ. Когда транзистор закрыт, данные продолжают находиться в конденсаторе, поэтому подводка напряжения к жидкому кристаллу не прекратится, в то время как управляющие линии будут адресовать другой пиксель. То есть пиксель не будет возвращаться в исходное состояние, как происходило в случае пассивной матрицы. Кроме того, время записи в конденсатор намного меньше, чем время поворота кристалла, то есть мы можем быстрее опрашивать пиксели панели и передавать на них данные.

Эта технология известна ещё и под названием "TFT" (thin film transistors, тонкоплёночные транзисторы). Но сегодня она стала настолько популярной, что название "ЖК" уже давно стало её синонимом. То есть под ЖК-монитором мы понимаем дисплей, использующий технологию TFT.

Московский Государственный Институт Электроники и Математики

(Технический университет)

Кафедра:

«Информационно-Коммуникационные Технологии»

Курсовая работа

«ЖК-мониторы: внутренняя организация, технологии, перспективы».

Выполнила:

Старухина Е.В.

Группа: С-35

Москва 2008 г
Содержание

1.Введение......................................................................................................................................... 3

2.Жидкие кристаллы......................................................................................................................... 3

2.1.Физические свойства жидких кристаллов.......................................................................... 3

2.2.История развития жидких кристаллов................................................................................. 4

3.Структура ЖК-монитора............................................................................................................... 4

3.1.Субпиксел цветного ЖК-дисплея........................................................................................ 5

3.2. Способы подсветки матриц.................................................................................................. 5

4.Технические характеристики ЖК-монитора............................................................................... 5

5.Актуальные технологии изготовления ЖК-матриц................................................................... 7

5.1.TN+film (Twisted Nematic + film).......................................................................................... 7

5.2.IPS (In-Plane Switching).......................................................................................................... 8

5.3.MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)............................................................................... 9

6.Преимущества и недостатки......................................................................................................... 9

7.Перспективные технологии изготовления плоскопанельных монитров.............................. 10

8.Обзор рынка и критерии выбора ЖК-монитора....................................................................... 12

9.Заключение................................................................................................................................... 13

10.Список литературы.................................................................................................................... 14

Введение.

В настоящее время, большую часть рынка мониторов занимают ЖК-мониторы, представленные такими брендами, как Samsung, ASUS, NEC, Acer, Philips и т.д ЖК-технологии также применяются при изготовлении телевизионных панелей, дисплеев ноутбуков, мобильных телефонов, плееров, фотоаппаратов и т.п.. В силу своих физических свойств (рассмотрим их ниже), жидкие кристаллы позволяют создавать экраны, сочетающие в себе такие качества как высокая четкость изображения, экономичное энергопотребление, малая толщина дисплея, высокое разрешение, но при этом широкий диапазон диаганалей: от 0,44 дюйма/11 миллиметров (январь 2008, самый маленький экран от производителя микродисплеев Kopin), до 108 дюймов/2,74 метра (самая большая ЖК-панель, представлена 29 июня 2008 года компанией Sharp Microelectronics Europe). Также плюсом ЖК-мониторов является отсутствие вредного для здоровье излучения и мерцания, которое было проблемой ЭЛТ-мониторов.

Но все же ЖК-мониторы имеют ряд недостатков: наличие такой характеристики как время отклика, не всегда удовлетворительный угол обзора, недостаточно глубокий черный цвет и возможность дефектов матрицы (битые пиксели). Являются ли ЖК-панели достойными преемниками ЭЛТ-мониторов, и есть ли у них будущее, в виду активно развивающейся плазменной технологии? В этом вопросе нам предстоит разобраться, изучив физическую структуру ЖК-мониторов, их характеристики и сравнив их с аналогичными показателями конкурирующих технологий.

1. Жидкие кристаллы.

1.1. Физические свойства жидких кристаллов.

Жидкие кристаллы – это вещества, обладающие свойствами, присущими как жидкостям, так и кристаллам: текучестью и анизотропией. Структурно жидкие кристаллы являются желеобразными жидкостями. Молекулы имеют вытянутую форму и упорядочены во всем объеме. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

Холестерические жидкие кристаллы - образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). Холестерики ярко окрашены и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски ЖК.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики - оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического строения сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.

Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

1.2. История развития жидких кристаллов.

Жидкие кристаллы были открыты австрийским ботаником Ф. Рейнитцером в 1888 году. Исследуя кристаллы холистерилбензоата и холестерилацетата, он обнаружил что вещества имеют 2 точки плавления и 2 разных жидких состояния – прозрачное и мутное. Однако свойства этих веществ, по началу, не привлекли внимания ученых. Более того, жидкие кристаллы рушили теорию о трех агрегатных состояниях вещества, поэтому физики и химики долгое время не признавали жидкие кристаллы в принципе. Профессор Страсбургскорского университета Отто Леманн в результате многолетних исследований предоставил доказательство, но даже после этого жидкие кристаллы не нашли применения.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон использовал важнейшее свойство жидких кристаллов - изменять цвет под воздействием температуры - для обнаружения не видимых простым глазом тепловых полей. После того как ему выдали патент на изобретение, интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

Впервые дисплеи на основе жидких кристаллах стали применяться при изготовлении ноутбуков в связи с их компактными размерами. На ранних этапах конечные продукты стоили очень дорого, а качество их при этом было весьма невысоким. Однако несколько лет назад появились первые полноценные ЖК-мониторы, стоимость которых оставалась также довольно высокой, но качество их заметно повысилось. И наконец-то сейчас рынок ЖК-мониторов развивается быстрыми темпами. Это связано с тем, что технологии развиваются очень активно и, кроме того, конкуренция среди производителей привела к заметному снижению цен на данный вид продукции.

2. Структура ЖК-монитора.

Жидкокристаллический монитор – это устройство, предназначенное для вывода графичесокой информации с компьютера, фотоаппарата и т.п.

Особенностью жидкокристаллических дисплеев является то, что жидкие кристаллы сами по себе свет не излучают. Каждый пиксель ЖК-монитора состоит из трех субпикселей основных цветов (красный, зеленый, синий). Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Таким образом полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

2.1. Субпиксел цветного ЖК-дисплея.

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

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света - ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение - молекулы стремятся выстроиться в направлении поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности. Если постоянное напряжение приложено в течении долгого времени - жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток, или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (непрозрачность структуры не зависит от полярности поля). Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Жидко кристаллический монитор (также Жидкокристаллический дисплей, ЖКД, ЖК-монитор, англ. liquid crystal display, LCD, плоский индикатор) - плоский монитор на основе жидких кристаллов. ЖК мониторы были разработаны 1963г.

LCD TFT (англ. TFT - thin film transistor - тонкопленочный транзистор) - одно из названий жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица , управляемая тонкопленочными транзисторами. Усилитель TFT для каждого субпиксела применяется для повышения быстродействия, контрастности и четкости изображения дисплея.

Устройство ЖК-монитора

Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развертки. Простые приборы (электронные часы, телефоны, плееры, термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB -триад. В большинстве настольных мониторов на основе TN -(и некоторых *VA ) матриц, и во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом(6 бит на канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом.

Субпиксел цветного ЖК-дисплея

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

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

Технические характеристики ЖК-монитора

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

Размер точки : расстояние между центрами соседних пикселов. Непосредственно связан с физическим разрешением.

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 от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.

Контрастность : отношение яркостей самой светлой и самой темной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведенная для них цифра 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 измерения неоднозначны.

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

Тип матрицы : технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей

Входы : (напр, DVI , D-SUB, HDMI и пр.).

Технологии

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+ film , IPS и MVA . Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют 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 Philips совместно разработали технологию PALC (англ. Plasma Addressed Liquid Crystal - плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества LCD (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту, H, и вертикали, V , высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойденную управляемость и качество изображения.

TN+ film (Twisted Nematic + film )

Макрофотография TN+ film матрицы монитора NEC LCD1770NX . На белом фоне - стандартный курсор Windows.

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 такие матрицы просто TN . К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причем время отклика у данного типа матриц является на существующий момент одно из лучших, а вот уровень контрастности - нет.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселам не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И так как направление поляризации фильтра 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 экране образуется белая точка.

IPS (In-Plane Switching)

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

Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображение черного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора "битый" пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN , а черным.

При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению и пропускают свет.AS-IPS - технология Advanced Super IPS (Расширенная Супер- IPS ), также была разработана корпорацией Hitachi в 2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS , приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации NEC (например NEC LCD20WGX2 ) созданных по технологии S-IPS , разработанной консорциумом LG.Philips .

A-TW-IPS - Advanced True White IPS (Расширенная IPS с Настоящим Белым), разработано LG.Philips для корпорации NEC . Представляет собой S-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White - Настоящий белый) для придания белому цвету большей реалистичности и расширению цветового диапазона. Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов для использования в фотолабораториях и/или издательствах.

AFFS - Advanced Fringe Field Switching (неофициальное название S-IPS Pro ). Технология является дальнейшим улучшением IPS , разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться еще больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК, на матрицах производства Hitachi Displays .