IPS-экран – что это такое и в чем преимущества технологии. Технологии создания дисплеев: виды матриц и их особенности

Экран — один из самых важных компонентов смартфона, он занимает почти всю его лицевую поверхность и должен нравиться пользователю. Вкусы у всех разные: кто-то любит естественные цвета жидкокристаллических экранов, кто-то ядовитые и яркие экранов AMOLED. Давайте разберемся, в чем разница между ними и откуда она взялась.

В LCD-экранах пиксели сделаны из жидких кристаллов, в каждом пикселе три субпикселя: красный, зеленый и синий. Сами по себе жидкие кристаллы не светятся, поэтому им нужна излучающая свет подложка. В AMOLED-экранах применяются светодиоды, и, как понятно из их названия, они умеют светиться сами, дополнительная подсветка им не нужна. Черный цвет у AMOLED почти идеальный: пиксели не светятся, подсветки нет. У LCD-экранов черный может оказаться серым или фиолетовым, а небольшой брак при производстве скажется на неравномерности подсветки: у дешевых аппаратов по краям могут быть белые светящиеся полосы.

Самое главное отличие между LCD и AMOLED - в отображаемых цветах, они разные. Экраны AMOLED охватывают весь цветовой спектр sRGB и выходят за его рамки, что приводит к неестественной перенасыщенности некоторых цветов.

На спектрограмме это выглядит так:

Треугольник с черными ребрами - гамма цветности sRGB, с белыми - охват AMOLED-экрана Samsung Galaxy S4. Можно заметить, что в гамме Galaxy S4 неестественно много синего и зеленого. Точками показано, насколько равномерно происходит изменение оттенков цвета. В идеале расстояние между точками должно быть одинаковым.

Качественный жидкокристаллический экран почти идеально вписывается в гамму sRGB. Правда, в последнее время некоторые производители LCD-экранов стараются приблизить их насыщенность к стандартам AMOLED, и в результате получают не только неестественный цвет, но и неравномерный переход оттенков. Так выглядит спектрограмма LG G2 с перенасыщенным и неравномерным зеленым:

А так - HTC One с чуть более естественными цветами:

В последнее время производители смартфонов с AMOLED-экранами борются за естественность: у недавних флагманов Nokia и Samsung появились настройки, где можно указать желаемую цветовую температуру экрана и выправить насыщенность цветов.

Углы обзора качественных экранов близки к идеальным 180 градусам, но под большим наклоном цвета все равно искажаются: у LCD становятся еще более бледными, а у AMOLED переливаются то красным, то зеленым, то синим. В некоторых экранах AMOLED используется структура PenTile с уменьшенным числом субпикселей (например, у Galaxy S4 пять субпикселей на два пикселя). Чаще всего пиксели на таких экранах видны невооруженным взглядом, хотя на экранах LCD с тем же разрешением они незаметны.

Поскольку AMOLED-экран не требует подсветки, потребление энергии зависит от того, с какой яркостью светятся его пиксели: на темной картинке энергопотребление снижается, на светлой увеличивается. LCD-экран расходует энергию почти линейно, независимо от кого, какие цвета показывает. Пиксели разных цветов в AMOLED потребляют разное количество энергии. Больше всего электричества требуют синие пиксели, поэтому они быстрее выгорают, после чего изображение становится блеклым и неестественным.

Какой экран лучше, зависит прежде всего от производителя. Качественный FullHD-экран LCD, безусловно, выиграет у AMOLED-матрицы с низким разрешением и структурой PenTile. Если говорить об экранах современных флагманов, то выбор зависит только от вкусов пользователя, что он предпочитает: бледные, но естественные цвета, яркие, перенасыщенные, но с настоящим черным или вообще без разницы.

Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Простые приборы (электронные часы , телефоны, плееры , термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей . Многоцветное изображение формируется с помощью 2008) в большинстве настольных мониторов на основе TN- (и некоторых *VA) матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы 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 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. Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки(в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , 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

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 46 раз.

• 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 тёмной 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 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 Давида Сарнова (David Sarnoff) компании RCA, Принстон, штат Нью-Джерси.

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)

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, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.

TN + film - самая простая технология.

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.

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

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.

На настоящий момент матрицы, изготовленные по технологии IPS единственные из ЖК-мониторов, всегда передающие 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. 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.

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

AS-IPS - технология Advanced Super IPS (Расширенная Супер-IPS), также была разработана корпорацией Hitachi в 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 LG.Philips.

A-TW-IPS - Advanced True White IPS (Расширенная IPS с настоящим белым), разработано LG.Philips для корпорации году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё 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.

*VA (Vertical Alignment)

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

MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы 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 экране появляется 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 структуры кристаллов, 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 потребительским качествам.

Преимущества и недостатки

Искажение изображения на ЖК-мониторе при большом угле обзора

Макрофотография типичной жк-матрицы. В центре можно увидеть два дефектных субпикселя (зелёный и синий).

В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно отнести: малый размер и вес в сравнении с ЭЛТ . У ЖК-мониторов, в отличие 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 у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров. Энергопотребление ЖК мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight - задний свет) ЖК-матрицы. Во многих современных (2007) мониторах для настройки пользователем яркости свечения экрана используется 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 все шире применяется в ноутбуках и даже в настольных мониторах. Несмотря на технические трудности её реализации, она имеет и очевидные преимущества перед флуоресцентными лампами, например более широкий 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. Остальные достигаются 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 многих мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).
• Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.
• Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (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 существует проблема дефектных пикселей .
• Вопреки расхожему мнению пикселы ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения.

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

См. также

• Видимая область экрана
• Антибликовое покрытие
• en:Backlight

Ссылки

• Информация о флюоресцентных лампах, используемых для подсветки ЖК-матрицы
• Жидкокристаллические дисплеи (технологии TN + film, IPS, MVA, PVA)

Литература

• Артамонов О. Параметры современных ЖК-мониторов
• Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? . «Компьютер-бизнес-маркет», № 4 (292), январь 2005, стр. 284-291.
• Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов . «BROADCASTING Телевидение и радиовещение»: 1 часть - № 2(46) март 2005, с.55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005, с.71-73.
• Мухин И. А. Современные плоскопанельные отображающие устройства ."BROADCASTING Телевидение и радиовещение": № 1(37), январь-февраль 2004, с.43-47.
• Мухин И. А., Украинский О. В. Способы улучшения качества телевизионного изображения, воспроизводимого жидкокристаллическими панелями . Материалы доклада на научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, март 2006.

LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Жидкие кристаллы были открыты давным-давно, но изначально они использовались для других целей. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча проходящего сквозь них. Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD мониторы для настольных компьютеров.

Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которые могут манипулироваться для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в такой световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели.

При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вдоль поля и на угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90°.

Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади так, чтобы свет порождался в задней части LCD дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.

Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 19" и более LCD мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это описывается далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270°.

В будущем следует ожидать расширения вторжения LCD мониторов на рынок, благодаря тому факту, что с развитием технологии конечная цена устройств снижается, что дает возможность большему числу пользователей покупать новые продукты.

Вкратце расскажем о разрешении LCD мониторов. Это разрешение одно и его еще называют native, оно соответствует максимальному физическому разрешению CRT мониторов. Именно в native разрешении LCD монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей, который у LCD монитора фиксирован. Например, если LCD монитор имеет native разрешение 1024x768, то это значит, что на каждой из 768 линий расположено 1024 электродов, читай пикселей. При этом есть возможность использовать и более низкое, чем native, разрешение. Для этого есть два способа. Первый называется «Centering» (центрирование), суть метода в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселей, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели остаются черными, т.е. вокруг изображения образуется широкая черная рамка. Второй метод называется «Expansion» (растяжение). Суть его в том, что при воспроизведении изображения с более низким, чем native, разрешением используются все пиксели, т.е. изображение занимает весь экран. Однако из-за того, что изображение растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения, и ухудшается резкость. Поэтому, при выборе LCD монитора важно четко знать какое именно разрешение вам нужно.

Отдельно стоит упомянуть о яркости LCD мониторов, так как пока нет никаких стандартов для определения того, достаточной ли яркостью обладает LCD монитор. При этом в центре яркость LCD монитора может быть на 25% выше, чем у краев экрана. Единственный способ определить, подходит ли вам яркость конкретного LCD монитора, это сравнить его яркость с другими LCD мониторами.

И последний параметр, о котором нужно упомянуть, это контрастность. Контрастность LCD монитора определяется отношением яркостей между самым ярким белым и самым темным черным цветом. Хорошим контрастным соотношением считается 120:1, что обеспечивает воспроизведение живых насыщенных цветов. Контрастное соотношение 300:1 и выше используется тогда, когда требуется точное отображение черно-белых полутонов. Но, как и в случае с яркостью пока нет никаких стандартов, поэтому главным определяющим фактором являются ваши глаза.

Стоит отметить и такую особенность части LCD мониторов, как возможность поворота самого экрана на 90°, с одновременным автоматическим разворотом изображения. В результате, например, если вы занимаетесь версткой, то теперь лист формата A4 можно полностью уместить на экране без необходимости использовать вертикальную прокрутку, что бы увидеть весь текст на странице. Правда, среди CRT мониторов тоже есть модели с такой возможностью, но они крайне редки. В случае с LCD мониторами, эта функция становиться почти стандартной.

К преимуществам LCD мониторов можно отнести то, что они действительно плоски в буквальном смысле этого слова, а создаваемое на их экранах изображение отличается четкостью и насыщенностью цветов. Отсутствие искажений на экране и массы других проблем свойственных традиционным CRT мониторам. Добавим, что потребляемая и рассеивая мощность у LCD мониторов существенно ниже, чем у CRT мониторов.

Главной проблемой развития технологий LCD для сектора настольных компьютеров, похоже, является размер монитора, который влияет на его стоимость. С ростом размеров дисплеев снижаются производственные возможности. В настоящее время максимальная диагональ LCD монитора пригодного к массовому производству достигает 20", а недавно некоторые разработчики представили 43" модели и даже 64" модели TFT-LCD мониторов готовых к началу коммерческого производства.

Но похоже, что исход битвы между CRT и LCD мониторами за место на рынке уже предрешен. Причем не в пользу CRT мониторов. Будущее, судя по всему, все же за LCD мониторами с активной матрицей. Исход битвы стал ясен после того, как IBM объявила о выпуске монитора с матрицей, имеющей 200 пикселей на дюйм, то есть с плотностью в два раза больше, чем у CRT мониторов. Как утверждают эксперты, качество картинки отличается так же как при печати на матричном и лазерном принтерах. Поэтому вопрос перехода к повсеместному использованию LCD мониторов лишь в их цене.

А также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на каждый RGB-канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .

Вначале маленькие ЖК-дисплеи (с малым временем службы) нашли применение в наручных часах , калькуляторах, индикаторах и тп.

Большие экраны стали широко применяться с распространением набирающих спрос лэптопов и ноутбуков .

Технические характеристики

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

• Тип матрицы - технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.
• Класс матрицы - по ISO 13406-2 подразделяются на четыре класса.
• Разрешение - горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях . В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией . (ЭЛТ-мониторы также имеют фиксированное количество пикселей, которые также состоят из красных, зеленых и синих точек. Однако из-за особенностей технологии при выводе нестандартного разрешения в интерполяции нет необходимости).
• Размер точки (размер пикселя) - расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.
• Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) - отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.)
• 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 тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая 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 пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:
  • Время буферизации (input lag ). Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. Сейчас (2011) в пределах 20-50 мс; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс.
  • Время переключения - именно оно указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 2-6 мс.
• Угол обзора - угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в тех. параметрах своих мониторов углы обзора такие к примеру как: CR 5:1 - 176/176°, CR 10:1 - 170/160°. Аббревиатура CR (contrast ratio) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно перпендикуляра к экрану. При углах обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже чем 10:1, при углах обзора 176°/176° - не ниже чем до значения 5:1.

Устройство

Субпиксел цветного ЖК-дисплея

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки , контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового , с металлической рамкой жёсткости.

Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. Если бы жидких кристаллов не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.

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, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического 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 течение 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 (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

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.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

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

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

Технологии

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

TN+film

TN + film (Twisted Nematic + film) - самая простая технология. Слово 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. Способа улучшения контрастности и углов обзора для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям 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 поскольку направление поляризации фильтра на второй пластине составляет как раз 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.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость. Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

IPS (SFT)

AS-IPS (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.

H-IPS A-TW (Horizontal IPS with Advanced True Wide Polarizer ) - разработана LG.Philips для корпорации NEC. Представляет собой H-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White - «настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и увеличения углов обзора без искажения изображения (исключается эффект свечения ЖК-панелей под углом - так называемый «глоу-эффект»). Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов высокого качества.

AFFS (Advanced Fringe Field Switching , неофициальное название - S-IPS Pro) - дальнейшее улучшение IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё 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.

Развитие технологии Super Fine TFT от NEC

Название	Краткое обозначение	Год	Преимущество	Примечания
Super Fine TFT	SFT	1996	Широкие углы обзора, глубокий чёрный цвет	. При улучшении цветопередачи яркость стала немного ниже.
Advanced SFT	A-SFT	1998	Лучшее время отклика	Технология эволюционировала до A-SFT (Advanced SFT, Nec Technologies Ltd. в 1998), значительно уменьшив время отклика.
Super-Advanced SFT	SA-SFT	2002	Высокая прозрачность	SA-SFT, разработанная Nec Technologies Ltd. в 2002, позволила улучшить прозрачность в 1,4 раза по сравнению с A-SFT.
Ultra-Advanced SFT	UA-SFT	2004	Высокая прозрачность Цветопередача Высокая контрастность	Позволила достичь в 1,2 раза большей прозрачности по сравнению с SA-SFT, 70 % охвата цветового диапазона NTSC и увеличения контрастности.

Развитие технологии IPS фирмой Hitachi

Название	Краткое обозначение	Год	Преимущество	Прозрачность/ Контрастность	Примечания
Super TFT	IPS	1996	Широкие углы обзора	100/100 Базовый уровень	Большинство панелей также поддерживают реалистичную цветопередачу (8-бит на канал) . Эти улучшения появились ценой более медленного времени отклика, изначально около 50 мс. IPS панели также были очень дороги.
Super-IPS	S-IPS	1998	Отсутствует цветовой сдвиг	100/137	IPS был вытеснен S-IPS (Super-IPS, Hitachi Ltd. в 1998), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика
Advanced Super-IPS	AS-IPS	2002	Высокая прозрачность	130/250	AS-IPS, также разработанный Hitachi Ltd. в 2002, улучшая, главным образом, контрастность традиционных S-IPS панелей до уровня, при котором они стали вторыми после некоторых S-PVA.
IPS-Provectus	IPS-Pro	2004	Высокая контрастность	137/313	Технология панелей IPS Alpha с более широкой цветовой гаммой и контрастностью, сравнимой с контрастностью PVA и ASV дисплеев без углового свечения.
IPS alpha	IPS-Pro	2008	Высокая контрастность		Следующее поколение IPS-Pro
IPS alpha next gen	IPS-Pro	2010	Высокая контрастность		Hitachi передает технологию Panasonic

Развитие технологии IPS фирмой LG

Название	Краткое обозначение	Год	Примечания
Super-IPS	S-IPS	2001	LG Display остается одним из главных производителей панелей, основанных на технологии Hitachi Super-IPS.
Advanced Super-IPS	AS-IPS	2005	Улучшена контрастность с расширенной цветовой гаммой.
Horizontal IPS	H-IPS	2007	Достигнута ещё большая контрастность и визуальная более однородная поверхность экрана. Также дополнительно появилась технология Advanced True Wide Polarizer на основе поляризационной плёнки NEC, для достижения более широких углов обзора, исключения засветки при взгляде под углом. Используется в профессиональной работе с графикой.
Enhanced IPS	e-IPS	2009	Имеет более широкую апертуру для увеличения светопроницаемости при полностью открытых пикселях, что позволяет использовать более дешевые в производстве лампы подсветки, с более низким энергопотреблением. Улучшен диагональный угол обзора, время отклика уменьшено до 5 мс.
Professional IPS	P-IPS	2010	Обеспечивает 1,07 млрд цветов (30-битная глубина цвета). Больше возможных ориентаций для субпикселя (1024 против 256) и лучшая глубина true color-цветопередачи.
Advanced High Performance IPS	AH-IPS	2011	Улучшена цветопередача, увеличено разрешение и PPI , повышена яркость и понижено энергопотребление.

MVA/PVA

Матрицы MVA/PVA (VA - сокр. от vertical alignment - вертикальное выравнивание) считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским свойствам.

Технология MVA (Multi-domain Vertical Alignment ) разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях мониторов до 176-178°), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика. Они значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы 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 экране появляется 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 чёрный цвет (при перпендикулярном взгляде) и отсутствие как винтовой структуры кристаллов, 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.

Аналогами MVA являются технологии:

• PVA (Patterned Vertical Alignment ) от Samsung.
• Super PVA от Sony-Samsung (S-LCD).
• Super MVA от CMO.

PLS

PLS-матрица (Plane-to-Line Switching ) была разработана компанией Samsung как альтернатива IPS и впервые продемонстрирована в декабре 2010 года. Предполагается, что эта матрица будет на 15 % дешевле, чем IPS.

Достоинства:

• плотность пикселей выше по сравнению с IPS (и аналогична с *VA/TN);
• высокая яркость и хорошая цветопередача;
• большие углы обзора;
• полное покрытие диапазона sRGB;
• низкое энергопотребление, сравнимое с TN.

Недостатки:

• время отклика (5-10 мс) сравнимо с S-IPS, лучше чем у *VA, но хуже чем у TN;
• более низкая контрастность (600:1), чем у всех остальных типов матриц;
• неравномерная подсветка.

Подсветка

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся. Чтобы изображение на жидкокристаллическом дисплее были видимым, нужен . Источник может быть внешним (например, Солнце), либо встроенным (подсветка). Обычно лампы встроенной подсветки располагаются позади слоя жидких кристаллов и просвечивают его насквозь (хотя встречается и боковая подсветка, например, в часах).

Внешнее освещение

Монохромные дисплеи наручных часов и мобильных телефонов большую часть времени использует внешнее освещение (от Солнца, ламп комнатного освещения и т. д.). Обычно позади слоя пикселей из жидких кристаллов находится зеркальный или матовый отражающий слой. Для использования в темноте такие дисплеи снабжаются боковой подсветкой. Существуют также трансфлективные дисплеи , в которых отражающий (зеркальный) слой является полупрозрачным, а лампы подсветки располагаются позади него.

Подсветка лампами накаливания

В прошлом в некоторых наручных часах с монохромным ЖК-дисплеем использовалась сверхминиатюрная лампа накаливания . Но из-за высокого энергопотребления лампы накаливания являются невыгодными. Кроме того, они не подходят для использования, например, в телевизорах, так как выделяют много тепла (перегрев вреден для жидких кристаллов) и часто перегорают.

Электролюминесцентная панель

Монохромные ЖК-дисплеи некоторых часов и приборных индикаторов используют для подсветки электролюминесцентную панель. Эта панель представляет собой тонкий слой кристаллофосфора (например, сульфида цинка), в котором происходит электролюминесценция - свечение под действием тока. Обычно светится зеленовато-голубым или жёлто-оранжевым светом.

Подсветка газоразрядными («плазменными») лампами

В течение первого десятилетия XXI века подавляющее большинство LCD-дисплеев имело подсветку из одной или нескольких газоразрядных ламп (чаще всего с холодным катодом - CCFL, хотя недавно стали использоваться и EEFL). В этих лампах источником света является плазма, возникающая при электрическом разряде через газ. Такие дисплеи не следует путать с плазменными дисплеями , в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрной газоразрядной лампой.

Светодиодная (LED) подсветка

В начале 2010-х получили распространение ЖК-дисплеи, имеющие подсветку из одного или небольшого числа светодиодов (LED). Такие ЖК-дисплеи (в торговле нередко называемые LED TV или LED-дисплеями) не следует путать с настоящими LED-дисплеями , в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрным светодиодом.

Производители

Chi Mei Innolux Corporation (Chimei Innolux) Chunghwa Picture Tubes (CPT)

Envision HyDis

Toshiba Matsushita Display Technology (TMD)

См. также

• Промышленный ЖК-дисплей

Примечания

Литература

• С. П. Мирошниченко, П. В. Серба. Устройство ЖКИ. Лекция 1
• Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? Компьютер-бизнес-маркет № 4(292), январь 2005. С. 284-291.
• Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов BROADCASTING Телевидение и радиовещание: 1 часть - № 2(46) март 2005. С. 55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005. С. 71-73.
• Мухин И. А.

Введение

Текущее развитие рынка LCD (TFT) дисплеев напоминает многим продавцам о прошлых временах, когда уровни прибыли и спрос были на очень высоком уровне. Еще недавно покупатель должен был выложить очень большие деньги за LCD монитор, что бы сэкономить пространство на рабочем столе, снизить потребление энергии и позаботиться о собственном здоровье. Однако уже сегодня рынок изменяет свое направление, и цены начинают подчиняться обычным динамическим рыночным силам.

Эта статья является первой из цикла, посвященного рассмотрению всех вопросов связанных с LCD. В этой части, мы расскажем Вам о развитии рыночной ситуации и некоторых тенденциях развития LCD. Мы рассмотрим технологию, архитектуру и принципы работы. В заключении мы дадим несколько советов покупателям LCD мониторов. Статья будет интересна не только новичкам, но и профессионалам.

Во второй и третьей частях мы углубленно рассмотрим некоторые особенности LCD, т.к. увеличение угла обзора, рассмотрим современные цифровые интерфейсы (DFP и DVI) и отношение пиксельного размера и максимального диагонального размера дисплея.

Позже мы сообщим о наиболее важных компаниях на рынке LCD, рассмотрим некоторые модели, и естественно будем следить за уровнем цен.

Рыночная ситуация

Огромный успех портативных компьютеров стал сильным толчком в развитии TFT дисплеев. Несмотря на это, свой путь на современный рынок LCD пробивали с большим трудом. Так, например, в 1998 объем проданных LCD был далек от объема продаж ЭЛТ мониторов. При этом спрос на LCD был и остается достаточно высоким. В связи со сложностью производства и низким процентом годных матриц производители не могут выполнить 100% заказов. Не секрет, что сегодня наибольшее распространение LCD получили в офисной сфере. Для того чтобы LCD могли занять свою нишу в секторе домашних компьютеров, необходимо выполнение следующих требований:

• Цены должны быть на уровне ЭЛТ-мониторов
• Минимальный размер 15" с разрешением 1024 x 768 пикселей
• Доступность
• Стандартизированные интерфейсы для цифрового TFT
• Качество и функциональность для всех приложений

Производство и выход годных матриц

Как мы уже сказали выше, конструкция и производство активной TFT матрицы процесс достаточно сложный. Это приводит к очень высоким требованиям к отклонениям от нормы. Например, для управления элементами матрицы используются очень тонкие транзисторы, которые должны иметь абсолютно идентичные уровни срабатывания. Как Вы можете понять, все это прямым образом влияет не только на цену, но и доступность TFT дисплеев.

Текущая ценовая ситуация и тенденции

Еще недавно цены на LCD в два - три раза превышали цену аналогичного ЭЛТ-монитора. Так, 15.1" LCD монитор (эквивалент 17" ЭЛТ-монитора) стоил от 500 до 1,300$. А 18.1" TFT (эквивалент 21" ЭЛТ дисплея) от $2,800 - $3,500.

В начале 1999 года на рынке LCD наблюдалась кратковременная тенденция повышения цен. Многие производители подняли цена примерно на 100$. В общем эта тенденция отличается от традиционного развития IT рынка, однако сложившаяся ситуация позволила держать цены на высоком уровне.

Недавно на рынке наметилось существенное снижение цен. Так сегодня 15" модель можно купить уже за 399$. Однако, это не предел. Некоторые аналитики утверждают, что при благоприятных условиях 15" LCD могут достичь цены $80. Не верится? Да, действительно, LCD могут стоить значительно дешевле ЭЛТ. Однако когда это произойдет, никто не знает.

Современные технологии

Современные дисплейные технологии подразделяются на традиционные с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и плоско панельные дисплеи. Несмотря на развитие ЭЛТ технологии, мониторы, основанные на ней, занимают достаточно много пространства рабочего стола, имеют высокое энергопотребление и негативно влияют на наше здоровье. Плоско панельные дисплеи - т.е. устройства без ЭЛТ - как следует из названия, плоские и занимают минимум площади рабочего стола. Плоско панельные технологии в свою очередь подразделяются на множество различных технологий типа LCD (Жидкокристаллические дисплеи), плазменные дисплеи, LED (светоизлучающие диоды) и различные другие. Среди этих технологий можно выделить те, которые излучают свет и те, которые управляют проходящим через них светом.

На сегодняшний день наиболее интересной и перспективной технологией считаются т.н. TFT-LCD или как их еще называют в народе активные. Эти устройства для формирования изображения используют проходящий через них свет. Кроме активных LCD, существуют пассивные дисплеи STN и DSTN, однако сегодня они применяются только в дешевых ноутбуках.

Рисунок 1: Краткий обзор современных плоско панельных технологий.

Как работает TFT?

TFT расшифровывается как ’Тонкопленочный транзистор (Thin Film Transistor) и описывает элементы, которые активно управляют индивидуальными пикселями.

Как же формируется изображение? Сам принцип формирования достаточно прост: панель состоит из множества мельчайших пикселей, каждый из которых может формировать любой цвет. Для этого используется задняя подсветка, состоящая из одной или множества флуоресцентных ламп. Для управления проходящим через пиксель светом используется т.н. дверка или затвор. На самом деле технология, которая делает это возможным, значительно сложнее.

LCD (Жидкокристаллический дисплей) означает дисплей основанный на жидких кристаллах, которые могут изменять свою молекулярную структуру, что приводит к изменению уровня света, проходящему через них (они могут полностью блокировать проходящий через них свет). В процессе формирования точки используются два поляризационных фильтра, цветные фильтры и два уровня выравнивания. Все это позволяет точно установить уровень проходящего света и его цвет. Уровень выравнивания расположен между двумя стеклянными панелями. Применив определенное напряжение к уровню выравнивания, создается электрическое поле, которое "выравнивает" жидкие кристаллы. Для формирования цвета каждая точка состоит из трех компонентов, один для красного, зеленого и синего - также как на традиционных ЭЛТ дисплеях.

Наиболее часто, сегодня встречаются т.н. скручивающиеся нематические TFT. Ниже на рисунках 2а и 2b показано как работает стандартный TFT (скручивающийся нематический) дисплей.

Рисунок 2a

Когда на уровень выравнивания не подано напряжение, молекулярная структура находится в своем естественном состоянии и искривлена под углом 90 градусов. Свет, испускаемый задней подсветкой, может спокойно проходить через структуру.

Рисунок 2b

Если подать напряжение, создается электрическое поле, и жидкие кристаллы искривляются так, что бы они были вертикально выровнены. Поляризованный свет поглощается вторым поляризатором, что приводит к отсутствию света в конкретной точке.

Архитектура TFT пикселя

Цветные фильтры интегрированы на стеклянную подложку и расположены рядом друг с другом. Как уже мы говорили выше, каждый пиксель состоит из трех цветных ячеек или под-пиксельных элемента. Это означает, что матрица с разрешением 1280 x 1024 пикселя, имеет 3840 x 1024 транзистора и пиксельных элементов. Точка или пиксельный шаг для 15.1" TFT (1024 x 768 пикселя) составляет около 0.0188" (или 0.30mm), а для 18.1" TFT (1280 x 1024 пикселя) около 0.011" (или 0.28mm).

Рисунок 3: TFT пиксели. В левом верхнем углу каждой ячейки расположен тонкопленочный транзистор. Цветные фильтры позволяют формировать любой RGB цвет.

Говоря о архитектуре пикселя необходимо обратить внимание на физические ограничения TFT. Теоретически, чем меньше интервал между пикселями, тем выше разрешение, однако на 15" (около 38 cm) дисплее с точкой 0.0117" (0.297mm), будет невозможно получить разрешение 1280 x 1024. Об отношении между точечным шагом и диагональным размером мы поговорим в одной из будущих статей.

Проблемы масштабирования

Как Вы смогли понять, каждый пиксель находится в фиксированном положении и поэтому определяет разрешающую способность TFT без каких-либо геометрических проблем. Другими словами: максимальное число пикселей соответствует максимальной разрешающей способности. Но, что происходит при уменьшении разрешения, например, при запуске игр или видео? В этом случае контроллер, отвечающий за масштабирование, уменьшает изображение до размера максимального размера дисплея. Если контроллер не может обрабатывать эту задачу эффективно, результат будет искажен. С технической точки зрения эта задача значительно сложнее изменения масштаба на обычном ЭЛТ-мониторе.

Почему? В случае ЭЛТ, электронный луч может приспосабливаться к новому разрешению простым изменением напряжения отклонения. Кроме того, здесь не имеет значения, если луч сформирует точку между двумя соседними пикселями. В случае TFT все значительно сложнее. Из-за активного управления каждым пикселем, масштабирующий контроллер должен повторно вычислить данные для меньших разрешений. Если используется целый коэффициент масштабирования (например, 2 при переходе на 800 x 600 с 1600 x 1200) все очень просто: высота и ширина каждого пикселя удваивается. В случае не целого коэффициента, например, при переходе к 800 x 600 с 1024 x 768 - 1.28, ситуация значительно усложняется. Контроллер должен сам выбрать где отображать один пиксель, а где два. При математическом округлении, возникают ошибки, которые приводят к неприятным эффектам при отображении текста (см. рисунок ниже). Благодаря новым алгоритмам, современные контроллеры могут уменьшать этот эффект, использую уловку (см. продвинутое масштабирование) уменьшая оптическое впечатление: Если данные не могут быть уникально назначены пикселю, то интенсивность пикселя уменьшается.

Рисунок 5: Примеры масштабирования

Какие характеристики являются важными при оценке LCD?

Реальный диагональный размер экрана

Видимый диагональный размер ЭЛТ-монитора всегда меньше фактического диагонального размера трубки. TFT панели не имеют этой краевой области, поэтому указанный диагональный размер тот же, что и видимый диагональный размер. Это означает, что панель размером 15.1" эквивалентна размеру 17" ЭЛТ-монитора.

Угол видимости

Эта характеристика является критической практически для всех плоско панельных дисплеев. Не каждый LCD может похвастаться углом видимости, эквивалентным стандартному ЭЛТ-монитору. Меньший угол связан в первую очередь с конструктивными особенностями LCD. Напомним, что свет от задней подсветки должен пройти через поляризационные фильтры, жидкие кристаллы и т.н. уровни выравнивания, что придает ему некий направленный характер. Если посмотреть на дисплей сбоку под большим углом, изображение будет казаться очень темным или будет наблюдаться искажение цвета. Несмотря на отрицательность этого эффекта, производители смогли найти ему достойное применение. Мы имеем ввиду безопасность. Наибольшее применение этот эффект получил в банках и других учреждениях, где очень важно, что бы отображаемый документ был виден только оператору.

Сегодня разработчики работают над технологией, позволяющими увеличить значение угла видимости, однако уже сегодня известны методы, т.к. IPS (in-plane switching), MVA (multi-domain vertical alignment) и TN+film (twisted nematic and retardation film) которые позволяют увеличить угол до 160 градусов и более, что соответствует стандарту для ЭЛТ-мониторов.

Кстати, если Вы не знаете, напоминаем, что максимальный угол обзора равен крайнему значению, при котором коэффициент контрастности снижается до 10:1 от оригинального значения при перпендикулярном положении к плоскости экрана.

Коэффициент контрастности

Коэффициент контрастности получается из значений максимального и минимального значения яркости. На ЭЛТ-мониторах это коэффициент равен 500:1 и позволяет получить фото реалистическое качество. Для LCD этот коэффициент имеет значительно меньшее значение. Особенно это заметно при отображении черного цвета. На ЭЛТ-мониторе черный цвет формируется достаточно просто, изменением уровня всех цветовых составляющих. На LCD свет подсветки обычно не регулируется, и находится постоянно во включенном состоянии. Для отображения черного цвета, жидкие кристаллы должны полностью блокировать прохождение света. Однако, физически это не возможно. Несмотря на полную блокировку, свет частично будет проходить через кристаллы. Разработчики работают на этой проблемой и сегодня приемлемыми значениями для LCD являются 250:1.

Яркость

Здесь TFT дисплеи лидируют. Максимальная яркость определяется возможностями лампы подсветки. Поэтому получить значения в 200 - 250 кандела не проблема. Хотя технически возможно получить еще большее значение яркости, на практике этого не требуется.

Максимальная яркости ЭЛТ-мониторов находится на уровне 100 - 120 cd/m 2 . Большее значение яркости получить возможно, однако это требует поднятия напряжения ускорения, что негативно влияет на срок службы фосфорного покрытия.

Пиксельные ошибки

На некоторых LCD мониторах (даже новых) имеются т.н. "заклинившие" или "мертвые" точки. Это происходит из-за дефектных транзисторов. Т.е. конкретный транзистор не может управлять световым потоком. Он либо всегда блокирует свет, либо всегда пропускает. Этот факт очень раздражает, однако, стандарты учитывают наличие до пяти "мертвых" точек на новом LCD. При этом успокаивает только, то, что в будущем они не появятся. Для тех, кого эта проблема особенно волнует, мы рекомендуем тщательно проверять монитор при покупке.

Время отклика

Одной из критических характеристик многих TFT дисплеев является время отклика жидких кристаллов. Это приводит к видимой задержке при отображении анимированных сюжетов. Для современных систем типичным значением отклика является 20 - 30 миллисекунд.

Для сравнения: Для нормального просмотра видео необходимо отображать 25 кадров в секунду, т.е. каждый кадр может отображаться не более 40 миллисекунд. Это говорит о том, что TFT в принципе подходит для просмотра видео.

Цветовое качество - подготовка аналоговых входных сигналов

П сравнению с цифровыми плоско панельными дисплеями, LCD, оборудованные стандартным VGA разъемом, должны конвертировать аналоговый сигнал обратно в цифровой, что приводит к потере цветового качества. Некоторые производители рекомендуют использовать A/D конвертеры, которые могут передавать только 18 bit (3 x 6 bit на каждый цвет (красный, зеленый и синий)). Это приводит к снижению числа отображаемых цветов до 262,144 (псевдо RGB). Режим "True Color" требует отображения 16.7 миллионов цветов.

Преимущества и недостатки TFT дисплеев

После знакомства с оcновными характеристиками TFT дисплеев, мы хотели бы провести сравнение обычного ЭЛТ монитора и TFT. TFT дисплеи предлагают очень хорошие характеристики фокусировки из-за активного управления пикселями. Кроме того, TFT дисплеи лишены различных геометрических искажений и ошибок сходимости. Также мы хотим отметить отсутствие нежелательного мерцания. Все эти преимущества TFT перед ЭЛТ связаны с технической природой. Так, например, для формирования изображения на экране ЭЛТ, электронный луч должен пройти весь экран с лева на право с верху в низ, после чего экран гаснет, и луч переходит в исходную позицию. В большинстве случаев возникшее мерцание не заметно, однако оно имеет негативное влияние на наши глаза. В случае TFT дисплеев каждый пиксель горит постоянно, меняется только интенсивность свечения.

В таблице ниже мы привели сравнение основных характеристик ЭЛТ и TFT дисплеев.

	Плоско панельные дисплеи (TFT)	ЭЛТ-мониторы
	(+) 170 - 250 cd/m 2	(~) 80 - 120 cd/m 2
Коэффициент контрастности	(~) 200:1 - 400:1	(+) 350:1 - 700:1
Угол видимости (контрастность)	(~) 110 - 170 градусов	(+) более 150 градусов
Угол видимости (цвет)	(-) 50 до 125 градусов	(~) более 120 градусов
Ошибки сходимости		(~) 0.0079" - 0.0118" (0,20 - 0,30 mm)
	(+) очень хороший	(~) удовлетворительный - очень хороший
Геометрические и линейные ошибки		(~) возможны
Пиксельные ошибки
Входной сигнал	(+) аналоговый или цифровой	(~) только аналоговый
Масштабирование для различных разрешений	(-) нет или используются методы интерполяции	(+) очень хорошее
Гамма (настройка цвета)	(~) удовлетворительно	(+) фото реалистично
Однородность	(~) более яркое изображение на гранях	(~) более яркое в центре
Чистота цвета/качество	(~) хорошее	(+) высокое
Мерцание		(~) не видимо на частоте более 85 Hz
Время отклика	(-) 20 - 30 msec	(+) не значимо
Потребление энергии	(+) 25 - 40 Вт	(-) 60 - 150 Вт
Габаритные размеры/вес	(+) плоский дизайн, маленький вес	(-) требует много пространства + большой вес

(+) положительно (~) приемлемо (-) отрицательно

Идеальный TFT: Что выбрать?

Итак, если Вы решили купить LCD, мы настоятельно рекомендуем проконсультироваться с продавцом и ознакомиться с описанием конкретной модели. Вам необходимо удостовериться, что выбранный Вами монитор отвечает следующим требованиям:

Заключение

Итак, какие выводы можно сделать из нашей первой статьи.

Во-первых, LCD мониторы стали дешевле, и уже практически достигли уровня традиционных ЭЛТ-мониторов. Во-вторых, мы выяснили, что характеристики современных LCD не только не отстают, но и в некоторых случаях превосходят ЭЛТ-мониторы. LCD мониторы лишены таких недостатков ЭЛТ мониторов, как сходимость и геометрические искажения, не имеют неприятного мерцания и излучения, они занимают минимум площади рабочего места, и потребляют в три раза меньше энергии.

Все это говорит о том, что современные LCD могут свободно применяться не только для работы с офисными приложениями, но и дома при просмотре видео, 3D играх и в других современных приложениях, экономя потребление энергии, сохраняя Ваше здоровье, и не портят дизайн Вашей рабочей комнаты.