В мониторе на основе электронно-лучевой трубки точки изображения отображаются с помощью луча (потока электронов), который заставляет светиться поверхность экрана, покрытую люминофором. Луч обегает экран построчно, слева направо и сверху вниз. Полный цикл отображения картинки называют «кадром». Чем быстрее монитор отображает и перерисовывает кадры, тем более устойчивой кажется картинка, меньше заметно мерцание и меньше устают наши глаза.

Устройство ЭЛТ-монитора. 1 -Электронные пушки. 2 - Электронные лучи. 3 - Фокусирующая катушка. 4 - Отклоняющие катушки. 5 - Анод. 6 - Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и т. д. 7 - Красные, зелёные и синие зёрна люминофора. 8 - Маска и зёрна люминофора (увеличенно).

ЖК

Жидкокристаллические дисплеи были разработаны в 1963 году в исследовательском центре Дэвида Сарнова компании RCA (Принстон, штат Нью-Джерси).

Устройство

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 искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Подсветка

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся. Чтобы изображение на жидкокристаллическом дисплее были видимым, нужен источник света. 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.
• 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). 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) подветка
На границе первого и второго десятилетий XXI века получили распространение ЖК-дисплеи, имеющие подсветку из одного или небольшого числа светодиодов (LED). Такие ЖК-дисплеи (в торговле нередко называемые LED-дисплеями) не следует путать с настоящими LED-дисплеями, в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрным светодиодом.

Преимущества и недостатки

В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно отнести: малые размер и масса в сравнении с ЭЛТ. У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в зависимости от модели, настроек и выводимого изображения может как совпадать с потреблением ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров, так и быть существенно - до пяти раз - ниже. Энергопотребление ЖК-мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight - задний свет) ЖК-матрицы. Во многих мониторах 2007 года для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более герц. 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 320*200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах.
• 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) - на некоторых мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах), связанная с использованием блоков линейных ртутных ламп.
• 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 плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей. Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России - ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс - 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий - 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих.
• Пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев, не подверженных ей.

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.

Плазменные мониторы

Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными пластинами, внутри которых расположены прозрачные электроды, образующие шины сканирования, подсветки и адресации. Разряд в газе протекает между разрядными электродами (сканирования и подсветки) на лицевой стороне экрана и электродом адресации на задней стороне.

OLED-мониторы

Органический светодиод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED) - органический светоизлучающий диод) - полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток. На его основе и изготовлены OLED-мониторы. Предполагается, что производство таких дисплеев будет гораздо дешевле, нежели производство жидкокристаллических дисплеев.

Принцип действия

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным. Прибор не работает при подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения. В этом случае дырки движутся к аноду, а электроны в противоположном направлении к катоду, и рекомбинации не происходит. В качестве материала анода обычно используется оксид индия, легированный оловом. Он прозрачный для видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в полимерный слой. Для изготовления катода часто используют металлы, такие как алюминий и кальций, так как они обладают низкой работой выхода, способствующей инжекции электронов в полимерный слой.

Преимущества

В сравнении c плазменными дисплеями

• меньшие габариты и вес
• более низкое энергопотребление при той же яркости
• возможность длительное время показывать статическую картинку без выгорания экрана

В сравнении c жидкокристаллическими дисплеями

• меньшие габариты и вес
• отсутствие необходимости в подсветке
• отсутствие такого параметра как угол обзора - изображение видно без потери качества с любого угла
• мгновенный отклик (на порядок выше, чем у LCD) - по сути полное отсутствие инерционности
• более качественная цветопередача (высокий контраст)
• возможность создания гибких экранов
• большой диапазон рабочих температур (от?40 до +70 °C)

Яркость. OLED-дисплеи обеспечивают яркость излучения от нескольких кд/м2 (для ночной работы) до очень высоких яркостей - свыше 100 000 кд/м2, причем их яркость может регулироваться в очень широком динамическом диапазоне. Так как срок службы дисплея обратно пропорционален его яркости, для приборов рекомендуется работа при более умеренных уровнях яркости до 1000 кд/м2.

Контрастность. Здесь OLED также лидер. OLED-дисплеи обладают контрастностью 1000000:1 (Контрастность LCD до 2000:1, CRT до 5000:1)

Углы обзора. Технология OLED позволяет смотреть на дисплей с любой стороны и под любым углом, причем без потери качества изображения. Впрочем, современные ЖК дисплеи (за исключением основанных на TN+Film матрицах) также сохраняют приемлемое качество картинки при больших углах обзора.

Энергопотребление.

Недостатки

Главная проблема для OLED - время непрерывной работы должно быть более 15 тыс. часов. Одна проблема, которая в настоящее время препятствует широкому распространению этой технологии, состоит в том, что «красный» OLED и «зелёный» OLED могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем «синий» OLED. Это визуально искажает изображение, причем время качественного показа неприемлемо для коммерчески жизнеспособного устройства. Хотя сегодня «синий» OLED всё-таки добрался до отметки в 17,5 тыс. часов (примерно 2 года) непрерывной работы.

При этом для дисплеев телефонов, фотокамер, планшетов и иных малых устройств достаточно в среднем около 5 тысяч часов непрерывной работы, в связи с быстрыми темпами устаревания аппаратуры и еe неактуальности после нескольких последующих лет. Поэтому в них OLED успешно применяется уже сегодня.

Можно считать это временными трудностями становления новой технологии, поскольку разрабатываются новые долговечные люминофоры. Также растут мощности по производству матриц. Потребность в преимуществах, демонстрируемых органическими дисплеями с каждым годом растёт. Этот факт позволяет заключить, что в скором времени дисплеи произведeнные по OLED технологиям, с высокой вероятностью станут доминантными на рынке электроники народного потребления.

Проекционные мониторы

Проекционным монитором мы назвали систему, состоящую из проектора и поверхности для проецирования.

Проектор

Проектор - световой прибор, перераспределяющий свет лампы с концентрацией светового потока на поверхности малого размера или в малом объёме. Проекторы являются в основном оптико-механическими или оптическо-цифровыми приборами, позволяющими при помощи источника света проецировать изображения объектов на поверхность, расположенную вне прибора - экран.

В паре с компьютером используется именно мультимедийный проектор (также используется термин «Цифровой проектор»).На вход устройства подаётся видеосигнал в реальном времени (аналоговый или цифровой). Устройство проецирует изображение на экран. Возможно при этом наличие звукового канала.

Говоря о проекторах, стоит упомянуть так назыввемый пико-проектор. Это проектор небольшого, карманного размера. Часто выполнен в форм-факторе сотового телефона и имеет аналогичный размер. Термин «пико-проектор» также может означать миниатюрный проектор, встроенный в фотокамеру, мобильный телефон, PDA и другую мобильную технику.

Существующие карманные проекторы позволяют получать проекции размером до 100 дюймов по диагонали, яркостью до 40 люмен. У мини-проекторов, выполненных как самостоятельное устройство, часто имеется отверстие с резьбой для стандартного штатива и почти всегда - встроенные кард-ридеры или флеш-память, что позволяет работать без источника сигнала. Для снижения энергопотребления в пико-проекторах применяются светодиоды.

Всё о 3D

Только современные технологии способны формировать на экране кинотеатра, телевизора или компьютерного монитора трехмерную картинку. Мы расскажем, как работают эти технологии

Футуристический вертолет проходит низко над головами зрителей, закованные в экзоброню роботизованные морпехи сметают все на своем пути, здоровенный космический шаттл сотрясает воздух ревом двигателей – так близко и устрашающе реально, что непроизвольно вжимаешь голову в плечи. Недавно вышедший на экраны «Аватар» Джеймса Камерона или трехмерная компьютерная игра заставляют зрителя, сидящего в кресле перед экраном, чувствовать себя участником фантастического действа... Совсем скоро инопланетные монстры будут прогуливаться в каждом доме, где есть современный домашний кинотеатр. Но каким же образом плоский экран способен показывать объемную картинку?

Человек в трехмерном пространстве

Один и тот же объект левым и правым глазом мы видим под разными углами, таким образом формируются два изображения – стереопара. Мозг соединяет обе картинки в одну, которая интерпретируется сознанием как объемная. Различия в перспективе позволяют мозгу определить размер объекта и расстояние до него. На основании всей этой информации человек получает пространственное представление с правильными пропорциями.

Как возникает объемное изображение

Для того чтобы картинка на экране казалась объемной, каждый глаз зрителя, как в жизни, должен видеть несколько отличающееся изо­бражение, из которых мозг сложит единую трехмерную картину.

Первые фильмы в формате 3D, созданные с учетом этого принципа, появились на экранах кинотеатров еще в 50-е годы. По­скольку набирающее популярность телевидение уже тогда составляло серьезную конкуренцию киноиндустрии, дельцы от кинематографа хотели заставить людей оторваться от диванов и направиться в кино, прельщая их визуальными эффектами, которые в то время не мог обеспечить ни один телевизор: цветным изображением, широким экраном, многоканальным звуком и, разумеется, трехмерностью. Эффект объема при этом создавался несколькими разными способами.

Анаглифический метод (ана­глиф – по-гречески «рельефный»). На ранних этапах 3D-кинема­то­графа в прокат выпускались только черно-белые 3D-фильмы. В каждом соответствующим образом оснащенном кинотеатре для их показа использовались два кинопроектора. Один проецировал фильм через красный фильтр, другой выводил на экран слегка смещенные по горизонтали кинокадры, пропуская их через зеленый фильтр. Посетители надевали легкие картонные очки, в которые вместо стекол были уcтановлены кусочки красной и зеленой прозрачной пленки, благодаря чему каждый глаз видел только нужную часть изобра­жения, а зрители воспринимали «объемную» картинку. Однако оба кинопроектора при этом должны быть направлены строго на экран и работать абсолютно синхронно. В противном случае неизбежно раздвоение изображения и, как следствие, головные боли вместо удовольствия от просмотра – у зрителей.

Подобные очки хорошо подходят и для современных цветных 3D-фильмов, в частности, записанных методом Dolby 3D. В этом случае достаточно одного проектора с установленными перед объективом световыми фильтрами. Каждый из фильтров пропускает для левого и правого глаза красный и синий свет. Одно изображение имеет синеватый, другое – красноватый оттенок. Световые фильтры в очках пропускают только соответствующие, предназначенные для определенного глаза кадры. Однако данная технология позволяет добиться лишь незначительного 3D-эффекта, с малой глубиной.

Затворный метод. Оптимален для просмотра цветных фильмов. В отличие от анаглифического этот метод предусматривает попеременную демонстрацию проектором изображений, предназначенных для левого и правого глаза. Благодаря тому, что чередование изображений осуществляется с высокой частотой – от 30 до 100 раз в секунду – мозг выстраивает целостную пространственную картину и зритель видит на экране цельное трехмерное изображение. Ранее данный метод назывался NuVision, в настоящее время он чаще именуется XpanD.

Для просмотра 3D-фильмов по этому методу используются затворные очки, в которые вместо стекол или фильтров установлены два оптических затвора. Эти небольшие светопропускающие ЖК-матрицы способны по команде от контроллера менять прозрачность – то затемняясь, то просветляясь в зависимости от того, на какой глаз в данный момент не­обходимо подать изображение.

Затворный метод используется не только в кинотеатрах: применяется он и в телевизорах, и в компьютерных мониторах. В кинотеатре подача команд осуществляется с помощью ИК-передатчика. Некоторые модели затворных очков 90-х годов, предназначенных для ПК, подключались к компьютеру с помощью кабеля (современные модели имеют беспроводной интерфейс).

Недостаток данного метода в том, что затворные очки являются сложным электронным устройством, потребляющим электроэнергию. Следовательно, они имеют достаточно высокую (особенно по сравнению с картонными очками) стоимость и значительный вес.

Поляризационный метод. В сфере кино данное решение носит название RealD. Его суть в том, что проектор попеременно демонстрирует кинокадры, в которых световые волны имеют разное направление поляризации светового потока. В необходимых для просмотра специальных очках установлены фильтры, пропускающие только световые волны, поляризованные определенным образом. Так оба глаза получают изображения с различной информацией, на основании которой мозг формирует объемную картинку.

Поляризационные очки несколько тяжелее картонных, но поскольку они работают без источника электроэнергии, то весят и стоят значительно меньше, чем затворные. Однако наряду с поляризационными фильтрами, устанавливаемыми на кинопроекторы и в очки, для показа 3D-фильмов по этому методу требуется дорогой экран со специальным покрытием.

На данный момент предпочтение окончательно не отдано ни одному из названных методов. Стоит, однако, отметить, что с двумя проекторами (по анаглифическому методу) работает все меньшее количество кинотеатров.

Как создаются 3D-фильмы

Использование сложных технических приемов требуется уже на этапе съемки, а не только в процессе просмотра 3D-фильмов. Для создания иллюзии трехмерности каждую сцену необходимо снимать одновременно двумя камерами, с разных ракурсов. Как и глаза человека, обе камеры размещают близко друг к другу, на одинаковой высоте.

3D-технологии для домашнего применения

Для просмотра 3D-фильмов на DVD до сих пор используются простые картонные очки, наследие далеких 50-х. Этим объясняется и скромный результат – плохая цветопередача и недостаточная глубина изображения.

Однако даже современные 3D-технологии привязаны к специальным очкам, и такое положение вещей, по всей видимости, изменится не скоро. Хотя в 2008 году компания Philips и представила прототип 42-дюймового жидко­кристаллического 3D-телевизора, не требующего использования очков, данная технология достигнет своей рыночной зрелости минимум через 3–4 года.

А вот о выпуске 3D-телевизоров, работающих в тандеме с очками, на международной выставке IFA 2009 объявили сразу несколько производителей. К примеру, Panasonic намерен уже к середине 2010 года выпустить модели телевизоров с поддержкой 3D, так же, как Sony и Loewe, делая ставку на затворный метод. Компании JVC, Philips и Toshiba также стремятся взойти на «3D-подиум», однако они отдают предпочтение поляризационному методу. LG и Samsung разрабатывают свои устройства на основе обеих технологий.

Контент для 3D

Основным источником трехмерного видеоконтента являются Blu-ray-диски. Контент передается на источник изображения через интерфейс HDMI. Для этого телевизор и проигрыватель должны поддерживать соответствующие технологии, а также недавно принятый стандарт HDMI 1.4 – одновременную передачу двух потоков данных формата 1080p обеспечивает только он. Пока что устройства с поддержкой HDMI 1.4 можно пересчитать по пальцам.

3D-технологии на ПК

Первоначально просмотр трехмерного изображения на компьютере был доступен только с помощью очков или специальных шлемов виртуальной реальности. И те и другие были оснащены двумя цветными ЖК-дисплеями – для каждого из глаз. Качество результирующего изображения при использовании данной технологии зависело от качества применяемых ЖК-экранов.

Однако данные устройства обладали целым рядом недостатков, которые отпугивали большинство покупателей. Кибершлем фирмы Forte, появившийся в середине 90-х, был громоздким, неэффективным и напоминал средневековое орудие пытки. Скромного разрешения в 640х480 точек для компьютерных программ и игр было явно недостаточно. И хотя позднее были выпущены более совершенные очки, к примеру модель LDI-D 100 фирмы Sony, но даже они были достаточно тяжелыми и вызывали сильный дискомфорт.

Выдержав почти десятилетнюю паузу, технологии формирования стереоизображения на экране монитора вышли на новый этап своего развития. Не может не радовать то обстоятельство, что по крайней мере один из двух крупных производителей графических адаптеров, фирма NVIDIA, разработал нечто инновационное. Комплекс 3D Vision стоимостью около 6 тыс. руб. включает в себя затворные очки и ИК-передатчик. Однако для создания пространственной картинки при помощи этих очков требуется соответствующее аппаратное обеспечение: ПК должен быть оснащен мощной видеоплатой NVIDIA. А для того чтобы псевдотрехмерная картинка не мерцала, монитор с разрешением в 1280х1024 точки должен обеспечивать частоту обновления экрана минимум в 120 Гц (по 60 Гц на каждый глаз). Первым ноутбуком, оснащенным данной технологией, стал ASUS G51J 3D.

В настоящее время доступны также так называемые 3D-профили более чем для 350 игр, которые можно скачать с веб-сайта NVIDIA (www.nvidia.ru). В их число входят как современные игры жанра экшн, к примеру Borderlands, так и выпущенные ранее.

В продолжение темы компьютерных игр, альтернативой затворному 3D является поляризационный метод. Для его реализации нужен монитор с поляризационным экраном, например Hyundai W220S. Объемное изображение становится доступно при наличии любой мощной видеокарты ATI или NVIDIA. Однако при этом разрешение снижается с 1680x1050 до 1680x525 точек, поскольку используется чересстрочный вывод кадров. Какие из игр поддерживают поляризационный метод, можно узнать в Интернете по адресу: www.ddd.com.

3D-фотоаппарат

Уже сегодня есть возможность получать трехмерные фотографии: фотокамера Fujifilm Finepix Real 3D W1 с помощью двух объективов и двух матриц способна фиксировать фотографии и даже короткие видеоролики с трехмерным пространственным эффектом. В качестве аксессуара для камеры предлагается цифровая фоторамка, демонстрирующая фото в формате 3D. Тот, кто захочет распечатать свои трехмерные снимки, может обратиться в онлайновый фотосервис Fuji. Стоимость одного отпечатка составляет около 5 евро, а срок доставки заказа из Великобритании, где печатаются фотографии, – почти две недели.

3D-сканер

3D-сканеры умеют сканировать по крайней мере сейчас небольшие предметы и сохранять их «объемные» изображения в виде файлов на жестком диске. При этом съемка объекта, как правило, производится двумя камерами. В зависимости от своей величины объект съемки либо вращается на специальной платформе, либо камеры движутся вокруг него. Цена и дата появления 3D-сканеров на массовом рынке еще не определены.

Представляет собой тонкое плоское устройство отображения, составленное из некоторого числа цветных или монохромных пикселей, расположенных перед источником света или зеркалом.

В чем преимущество ЖК-монитора? Его высоко ценят инженеры, потому что он потребляет незначительное количество электроэнергии, что делает его пригодным для использования в электронных устройствах, питающихся от батареек. Кроме того, он может иметь практически любую форму и размеры, мало нагревается и не выделяет вредного электромагнитного излучения.

Также он является одной из причин успеха портативных компьютеров - иначе они бы не были такими компактными. Некоторые из ранних моделей переносных ПК включали небольшой ЭЛТ-монитор и были довольно громоздкими. Впоследствии ЖК-дисплеи стали использоваться не только в ноутбуках, но и в телевизорах высокой четкости. Поскольку со временем технология и производство становятся более дешевыми, стоимость мониторов с плоским экраном или HD-телевизоров продолжала снижаться. В конечном итоге ЖК-панели полностью заменили традиционные электронно-лучевые трубки, так же, как транзисторы сменили вакуумные лампы.

Принцип работы ЖК-монитора

Пиксели дисплея состоят из ЖК-молекул, выстроенных между прозрачными электродами, а также из пары поляризационных фильтров с перпендикулярными друг другу осями полярностей. В отсутствие жидкого кристалла свет, проходя через один поляризатор, блокируется другим.

Поверхность электродов, контактирующих с веществом, находящимся в ЖК-фазе, обработана так, чтобы молекулы выстраивались в определенном направлении. Как правило, они покрываются тонким слоем полимера, направленного в одну сторону методом протирания его тканью (жидкие кристаллы выстраиваются в том же направлении).

Принцип работы ЖК-монитора следующий. До наложения электрического поля ЖК-молекулы выстроены согласно направлению выравнивания поверхностей. В наиболее распространенном типе ЖК-экрана - крученном нематическом - направления выстраивания поверхностей электродов перпендикулярны, благодаря чему молекулы образуют спиралевидную структуру, т. е. скручиваются. Так как свойством жидких кристаллов является разная скорость движения света с разной поляризацией, луч, который проходит через один поляризационный фильтр, вращается ЖК-спиралью так, что может пройти сквозь второй. При этом половина света поглощается в первом поляризаторе, но в остальном вся сборка прозрачна.

Когда на электроды подается напряжение, начинает действовать крутящий момент, который выравнивает молекулы скрученного нематического кристалла вдоль электрического поля и выпрямляет спиралевидную структуру. Этому препятствуют упругие силы, так как молекулы на поверхностях не свободны. Вращение поляризации уменьшается, и пиксель выглядит серым. Но благодаря свойству жидких кристаллов выравниваться при достаточно высокой разности потенциалов, проходящий сквозь них свет не вращается. В результате направление поляризации становится перпендикулярным второму фильтру, он полностью блокируется, и пиксель выглядит черным. Изменение напряжения между электродами по обе стороны ЖК-слоя каждого элемента изображения регулирует количество проходящего света и, соответственно, его яркость.

Скрученные нематические жидкие кристаллы помещаются между скрещенными поляризационными фильтрами для того, чтобы свет был максимально ярким без расхода электроэнергии, а получаемое при подаче напряжения затемнение - являлось равномерным. Возможен случай использования параллельных поляризационных фильтров. При этом темные и яркие состояния изменяются на противоположные. Однако в такой конфигурации черный не будет равномерным.

Вещество жидкого кристалла и выравнивающий слой содержат ионные соединения. Если длительное время действует электрическое поле определенной полярности, ионный материал притягивается поверхностями, ухудшая характеристики ЖК-монитора. Избежать этого можно, применяя либо переменный ток, либо изменяя полярность электрического поля во время обращения к устройству (реакция ЖК-слоя не зависит от полярности).

Мультиплексорный экран

Когда дисплей составлен из большого числа пикселей, управлять каждым из них напрямую невозможно, поскольку всем им понадобятся независимые электроды. Вместо этого монитор мультиплексируется. При этом электроды группируются и соединяются (как правило, по столбцам), и каждая группа питается отдельно. С другой стороны ячейки электроды также сгруппированы (как правило, по рядам) и подключены отдельно. Группы создаются таким образом, чтобы каждый пиксель обладал уникальной комбинацией источника и приемника. Электроника или программное обеспечение, управляющее ею, последовательно включает группы и управляет ими.

Важными факторами, которые следует учитывать при оценке ЖКД, являются разрешение, видимый размер, время отклика (скорость синхронизации), тип матрицы (пассивный или активный), угол обзора, поддержка цвета, коэффициент яркости и контрастности монитора, соотношение сторон и входные порты (например, DVI или VGA).

Цветные экраны

В цветных ЖК-дисплеях каждый отдельный пиксель делится на три ячейки или субпикселя, которые с помощью дополнительных фильтров (пигментных и металл-оксидных) окрашены в красный, синий и зеленый цвета. Каждым субпикселем можно управлять независимо, чтобы получить тысячи или миллионы возможных цветов. В старых ЭЛТ используется аналогичный метод.

В зависимости от использования монитора, цветовые компоненты могут размещаться в различных пиксельных геометриях. Если программное обеспечение знает, какой тип геометрии используется на данном дисплее, это может быть использовано для увеличения видимого разрешения посредством субпиксельной визуализации. Этот метод особенно полезен для сглаживания текста.

Пассивная матрица

Устройство ЖК-мониторов с небольшим количеством сегментов, например, используемых в карманных калькуляторах и цифровых часах, предусматривает для каждого элемента один электрический контакт. Внешняя выделенная схема обеспечивает электрический заряд, необходимый для управления каждым сегментом. При большом количестве экранных элементов такая структура становится слишком громоздкой.

Малые монохромные дисплеи, используемые, например, в старых ноутбуках, имеют структуру пассивной матрицы, в которой используется технология суперскрученных нематических элементов (STN) или двухслойная STN (DSTN), которая корректирует проблему смещения цвета. Каждая строка или столбец имеют одну электрическую цепь. Адресация каждого пикселя производится поочередно по адресу строки и столбца. Такой тип дисплея называют пассивной матрицей, поскольку состояние каждой ячейки должно сохраняться без электрического заряда. С ростом числа элементов (а также строк и столбцов) отображение становится все более сложным. Дисплеи с пассивной матрицей характеризуются слишком медленным откликом и плохой контрастностью.

Активные матричные технологии

В цветных экранах высокого разрешения, которыми оборудуются современные телевизоры и мониторы, применяется активная матрица. В ней к цветным и поляризационным фильтрам добавлен слой тонкопленочных транзисторов (TFT). При этом каждый пиксель управляется своим собственным выделенным полупроводниковым элементом. Транзистор обеспечивает доступ в каждом столбце только к одному пикселю. При активации строки к ней подключаются все столбцы, и на них подается напряжение. Затем строка деактивируется, и активируется следующая. При обновлении дисплея последовательно активируются все строки. Активно-матричные экраны значительно четче и ярче пассивных того же размера, и обычно отличаются более быстрым откликом, который обеспечивает гораздо лучшее качество изображения.

Скрученный нематик (TN)

TN-экраны содержат ЖК-элементы, которые для регулирования количества пропускаемого света в разной степени скручиваются и раскручиваются. Если напряжение на электроды ЖК-ячейки TN-матрицы не подается, то луч поляризуется таким образом, что может пройти сквозь нее. Жидкие кристаллы скручиваются пропорционально приложенной разнице потенциалов до 90°, изменяют поляризацию и блокируют подсветку. При подаче напряжения определенного уровня можно добиться практически любого оттенка серого.

3LCD-технология

Представляет собой систему видеопроекции, в которой для создания изображения используются 3 микродисплейные панели. В 1995 г. благодаря компактности и высокому качеству технология начала применяться многими производителями фронтальных проекторов, а с 2002 г. - и в Активная матрица обеспечивает отличную цветопередачу, высокую яркость и четкое изображение, а использование высокотемпературного поликремния позволяет получить большую глубину черного.

IPS-технология

Аббревиатура IPS расшифровывается как «плоскостное переключение». Принцип работы ЖК-монитора данного типа основан на выравнивании жидкокристаллических ячеек в горизонтальной плоскости. Метод заключается в том, что электрическое поле проходит через оба конца кристалла, но требует двух транзисторов на каждый пиксель вместо одного, как в стандартном TFT-экране. Следствием этого является большая блокировка участка дисплея, что требует более яркой подсветки, которая расходует больше энергии. Это накладывает ограничения в использовании данного в ноутбуках.

Экраны нулевой мощности

Зенитальные элементы с двумя устойчивыми состояниями (ZBD), разработанные компанией QinetiQ, способны сохранять свою ориентацию без внешнего электрического поля. Принцип работы ЖК-монитора данного типа основан на том, что кристаллы могут находиться в одном из двух положений - «черном» или «белом». Питание требуется лишь для изменения состояния ЖК-элемента на противоположное. Созданные на основе данной технологии экраны производит компания ZBD Displays. Она предлагает как черно-белые, так и цветные ZBD-дисплеи.

Французская компания Nemoptic разработала еще одну технологию, не требующую питания для сохранения изображения. Похожие на бумагу ЖК-экраны производятся на Тайване с июля 2003 года. Данная технология ориентирована на такие маломощные мобильные устройства, как переносные компьютеры и электронные книги. ЖКД с нулевой мощностью потребления составляют конкуренцию электронной бумаге.

Компания Kent Displays тоже разработала экран с нулевым энергопотреблением, в котором используются стабилизированные полимерные жидкие кристаллы ChLCD. Основным недостатком этой технологии является невысокая частота обновления, которая еще больше замедляется при низких температурах.

Контроль качества

ЖК-экраны могут иметь дефектные транзисторы, результатом чего являются постоянно открытые или закрытые участки, на которых пиксели остаются либо ярко освещенными, либо черными. Если в случае интегральных схем это бы означало брак, то дисплеи с несколькими неработающими точками, как правило, используются. Это невозможно запретить по экономическим соображениям, поскольку ЖК-панели значительно больше микросхем. Для определения максимально допустимого числа дефектных пикселей производители используют разные стандарты. Например, в ноутбуках ThinkPad для панели разрешением 2048 х 1536 оно равно 16. Из них яркими могут быть 15 пикселей, а темными - 16.

Дефект ЖК-экрана более вероятен, чем для большинства микросхем. Например, 12” SVGA-дисплей может иметь 8 дефектов, а 6” пластина - только 3. Вместе с тем из 137 штампов приемлемыми будут 134 при практически нулевом браке ЖКД. Стандарты качества сегодня намного выше, чем раньше, благодаря жесткой конкуренции между производителями и улучшенному контролю. SVGA-экран с 4 дефектными пикселями теперь считается дефектным, и клиенты имеют возможность обменять его на новый.

100% гарантия

Ряд производителей, особенно южнокорейских, поскольку там находятся одни из крупнейших фабрик по производству ЖК-панелей (например, LG), сегодня гарантируют отсутствие неисправных пикселей и производят замену экрана даже с единственным дефектом. Даже если такая гарантия не предоставляется, важно расположение дефектных участков. Экраны с несколькими неисправными ячейками могут быть непригодны, если они расположены рядом друг c другом. Кроме того, производители могут произвести замену панели в том случае, если дефект расположен в центре дисплея.

Диагностика и ремонт мониторов

Ниже приведены наиболее часто встречающиеся неисправности и методы их устранения.

Индикатор питания горит постоянно, но изображение отсутствует. Вероятна поломка подсветки или ее инвертора. Простейший способ диагностики ЖК-монитора - включить воспроизведение видео и направить яркий луч либо почти параллельно экрану, либо перпендикулярно. Это позволит увидеть изображение даже без подсветки. Ремонт монитора заключается в замене лампы подсветки или, скорее всего, ее инвертора.

Индикатор питания мигает. В этом случае необходимо проверить, поступает ли в дисплей сигнал - вероятно повреждение кабеля либо разъема. Если все в порядке, то основную причину неисправности для конкретной марки монитора следует поискать в интернете. Например, для Dell 1702FP - это выход из строя некоторых конденсаторов. Простейший выход в этом случае - заменить все емкости. Также можно шунтировать неисправный конденсатор заведомо исправным.

Индикатор питания не загорается. Вероятная причина - поломка блока питания монитора. Можно попробовать его заменить, купив новый или воспользовавшись запчастями от старого дисплея. Другая возможная причина - КЗ конденсатора (его легко найти визуально) и перегорание предохранителя. В этом случае их следует заменить.

Вертикальные или горизонтальные линии. Если монитор работает, но имеет линии, простирающиеся на всю ширину или высоту экрана или раздваивание изображения по вертикали или горизонтали, то вероятным виновником является транзистор или соединение дисплея. Если один из сотен разъемов неисправен или закорочен, то это сказывается на всем ряду пикселей. Для ноутбуков иногда достаточно сжать проблемный участок и проблема уйдет на годы. Для дисплея ПК потребуется снять заднюю панель, чтобы добраться до неисправного соединения и приложить к нему давление.

Особенности ухода

Иногда качество изображения можно восстановить с помощью простой салфетки для ЖК-мониторов. Она устранит пыль, пятна от еды, отпечатки пальцев, следы насекомых, грязь и разводы.

Лучше использовать профессиональные средства, такие как чистящие спреи и пены-аэрозоли, но их можно заменить разведенным в равных пропорциях изопропиловым спиртом или уксусом.

Не следует использовать средства на основе спирта, аммиака или ацетона, поскольку они способны нанести вред экрану, особенно антибликовому покрытию.

Чистящее средство следует наносить на салфетку, а не на загрязнение.

Протирая дисплей, нельзя применять силу.

Нельзя включать монитор до полного его высыхания.

Недостатки

ЖК-технология по-прежнему отличается некоторыми недостатками в сравнении с другими подходами:

• Если электро-лучевые трубки могут работать с разным разрешением, не привнося искажений, ЖКД обеспечивают четкость только в случае их «родного разрешения». При попытке установить неподдерживаемые параметры экрана, изображение масштабируется, становится размытым или «блочным».
• ЖК-панели обеспечивают более низкую контрастность, чем плазменные или светодиодные. Причиной этого является то, что свет часто проникает через поляризационный фильтр и вместо черного цвета отображается серый. Однако при ярком внешнем освещении контрастность ЖКД может превышать данный показатель некоторых других дисплеев по причине большей максимальной яркости.
• ЖК-экраны отличаются большим временем отклика, чем плазменные аналоги, создавая видимые ореолы при быстром движении изображения, хотя этот показатель по мере развития технологии постоянно улучшается и в современных ЖК-панелях практически незаметен. Большинство TN- и IPS-дисплеев имеют время отклика 5-8 мс.
• Овердрайв, применяемый в некоторых панелях, приводит к тому, что на участках изменяющегося изображения возникают артефакты в виде повышенного шума или ореолов. Причиной этого побочного эффекта является стремление пикселей достичь предполагаемой яркости (или напряжения, которое требуется для прохождения нужного количества света), после чего они возвращаются к целевому уровню, обеспечивая лучшее время отклика.
• ЖК-дисплеи отличаются ограниченными углами обзора, из-за чего одновременно смотреть на экран может меньшее число зрителей. При достижении предельного угла контрастность и цветопередача ухудшаются. Но некоторые производители используют этот эффект, предлагая намеренно ограниченный обзор ЖК-монитора с целью обеспечения большей конфиденциальности, например, при пользовании ноутбуком в общественных местах. Кроме того, это позволяет создать для одного наблюдателя 2 различных изображения, создавая стереоскопический эффект.
• Некоторые старые ЖК-мониторы могут вызвать мигрени и проблемами со зрением по причине мерцания ламп подсветки, работающих с частотой сети 50 Гц. В современных экранах это устранено с переходом на питание высокочастотным током.
• ЖК-дисплеи иногда страдают от выгорания. По мере развития технологии данная проблема снижается, поскольку появляются новые методы ее устранения. Иногда экран можно восстановить путем длительного отображения белого изображения.
• Некоторые ЖКД не способны работать в режиме низкого разрешения (например, 320 х 200). Но это связано со схемой управления, а не особенностями ЖК-монитора.
• Плоские дисплеи очень уязвимы. Но их легкий вес снижает вероятность повреждения, а некоторые модели защищены стеклом.

Принято выделять три агрегатные состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное. Но некоторые органические вещества способны при плавлении в определенной фазе проявлять свойства, присущие как кристаллам, так и жидкостям. Приобретая текучесть, свойственную жидкостям, они в этой фазе не теряют упорядоченности молекул, свойственной твердым кристаллам. Эту фазу вполне можно назвать четвертым агрегатным состоянием. Правда, не следует забывать, что имеют ее только некоторые вещества и только в определенном диапазоне температур.

Пространственная ориентация молекул ЖК в так называемом положении отдыха называется порядком жидких кристаллов. Согласно классификации Фриделя, различают три основные категории порядка ЖК: смектический, нематический и холестерический (рис.1).

Смектические ЖК наиболее упорядочены и ближе по структуре к обычным твердым кристаллам. У них, кроме простой взаимной ориентации молекул, присутствует еще и деление их на плоскости.

Направление преимущественной ориентации длинных осей молекул в жидких кристаллах обозначается вектором единичной длины, называемым директором.

Основной интерес представляют материалы с нематическим порядком, они применяются в современных жидкокристаллических панелях всех типов (TN, IPS и VA). В нематиках нормальным состоянием является положение молекул с упорядоченной по всему объему ориентацией молекул, свойственной кристаллам, но с хаотическим положением их центров тяжести, свойственным жидкостям. Молекулы в них сориентированы относительно параллельно, а вдоль оси директора смещены на различные расстояния.

Жидкие кристаллы с холестерическим порядком по структуре напоминают нематики, разбитые на слои. Молекулы в каждом последующем слое повернуты относительно предыдущего на некоторый небольшой угол и директор плавно закручивается по спирали. Эта слоистая природа, образуемая оптической активностью молекул, и является основным признаком холестерического порядка. Холестерики иногда называют «скрученными нематиками».

Граница между нематическим и холестерическим порядками является в некоторой степени условной. Холестерический порядок можно получить не только у холестерического материала в чистом виде, но и при помощи добавления к нематическому материалу специальных добавок с содержанием хиральных (оптически активных) молекул. Такие молекулы содержат асимметрический атом углерода и, в отличие от молекул нематиков, являются зеркально-несимметричными.

Порядок в жидких кристаллах определяется междумолекулярными силами, которые создают упругость ЖК материала. Да, здесь можно говорить именно об упругих свойствах, хотя природа их отлична от упругих свойств обычных кристаллов, так как жидкие кристаллы все же обладают текучестью. В нормальном (или основном) состоянии молекулы стремятся вернуться в свое «положение отдыха», например, в нематическом материале — в положение с одинаковой ориентацией директора.

Упругость ЖК меньше упругости обычных кристаллов на несколько порядков и дает совершенно уникальную возможность управлять их положением при помощи внешних воздействий. Таким воздействием может служить, к примеру, электрическое поле.

Теперь подробней о том, каким образом это поле может влиять на ориентацию молекул.

Возьмем образец, состоящий из двух стеклянных пластин, пространство между которыми заполнено нематическим материалом. Расстояние между верхней и нижней пластиной и, соответственно, толщина слоя жидких кристаллов составляет несколько микрон. Для задания нужной ориентации директора молекул в материале применяется специальная обработка поверхности подложек. Для этого на поверхность наносится тонкий слой прозрачного полимера, после чего специальной протиркой (rubbing) поверхности придается рельеф — тончайшие бороздки в одном направлении. Вытянутые молекулы кристаллов в слое, непосредственно соприкасающемся с поверхностью, ориентируются вдоль рельефа. Межмолекулярные силы заставляют все остальные молекулы принимать такую же ориентацию.

Упорядоченное расположение молекул жидких кристаллов определяет анизотропию их некоторых физических свойств (напомню, анизотропией называется зависимость свойств среды от направления в пространстве). Жидкости с их хаотичным расположением молекул являются изотропными. А вот жидкие кристаллы уже обладают анизотропией, что является важным качеством, позволяющим влиять на характеристики проходящего через них света.

Для управления положением молекул используется анизотропия диэлектрической проницаемости. Она представляет собой разность

Δε = ε || + ε ⊥ где ε || — диэлектрическая проницаемость в направлении, параллельном вектору директора, ε ⊥ — диэлектрическая проницаемость в направлении, перпендикулярном вектору директора. Значение Δε может быть как положительным, так и отрицательным.

Возьмем образец, состоящий из двух стеклянных пластин с расстоянием между пластинами в несколько микрон, заполненный нематическим материалом и запечатанный. Для задания нужной ориентации директора молекул в материале применяется специальная обработка поверхности подложек, для этого на поверхность наносится тонкий слой прозрачного полимера, после чего специальной протиркой поверхности придается рельеф — тончайшие бороздки в одном направлении. Вытянутые молекулы кристаллов в слое, непосредственно соприкасающемся с поверхностью, ориентируются вдоль рельефа, межмолекулярные силы заставляют все остальные молекулы принимать такую же ориентацию. Если создать в образце электрическое поле, энергия жидких кристаллов в этом поле будет зависеть от положения молекул относительно направления поля. В случае, если положение молекул не соответствует минимальной энергии, произойдет их поворот на соответствующий угол. В материале с положительным значением диэлектрической проницаемости (положительной диэлектрической анизотропией) молекулы будут стремиться повернуться вдоль направления электрического поля, в материале с отрицательной диэлектрической анизотропией — поперек направления поля. Угол поворота, соответственно, будет зависеть от приложенного напряжения.

Пусть материал в образце имеет положительную диэлектрическую анизотропию, направление электрического поля перпендикулярно исходной ориентации молекул (рис.2). При подаче напряжения молекулы будут стремиться повернуться вдоль поля. Но они изначально сориентированы по рельефу внутренних поверхностей образца, созданных протиркой и связаны с ними довольно значительным сцеплением. Как следствие, при изменении ориентации директора будут возникать крутящие моменты обратного направления. Пока поле достаточно слабое, силы упругости удерживают молекулы в неизменном положении. При увеличении напряжения, начиная с некоторого значения E c , ориентационные силы электрического поля превышают силы упругости, и начинает происходить поворот молекул. Эта переориентация под воздействием поля носит название перехода Фредерикса. Переход Фредерикса является фундаментальным для организации управления жидкими кристаллами, на нем основан принцип работы всех ЖК-панелей.

Образуется работоспособный механизм:

• с одной стороны, электрическое поле будет заставлять молекулы жидких кристаллов поворачиваться на нужный угол (в зависимости от значения приложенного напряжения);
• с другой стороны, упругие силы, вызванные межмолекулярными связями, будут стремиться вернуть исходную ориентацию директора при сбросе напряжения.

Если исходная ориентация директора и направления электрического поля не строго перпендикулярны, то пороговое значение поля E c снижается, благодаря чему становится возможным воздействовать на положение молекул значительно меньшим полем.

В этом месте придется немного отвлечься от жидких кристаллов, для того, чтобы пояснить понятия «поляризация света» и «плоскость поляризации» — без них дальнейшее изложение будет невозможно.

Свет можно представить, как поперечную электромагнитную волну, электрическая и магнитная составляющие которой колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.3).

Естественный свет (называемый также естественно поляризованным или неполяризованным) содержит колебания вектора E , равновероятные во всех направлениях, перпендикулярных вектору k (рис.4).

Частично поляризованный свет имеет преимущественное направление колебания вектора E . У частично поляризованного света в поле световой волны амплитуда проекции Е на одно из взаимно перпендикулярных направлений всегда больше, чем на другое. Отношение между этими амплитудами определяет степень поляризации.

Линейно поляризованный свет — это свет, имеющий единое направление вектора E для всех волн. Понятие линейно поляризованного света является абстрактным. На практике, говоря о линейно поляризованном свете, обычно имеют в виду частично поляризованный свет с высокой степенью поляризации.

Плоскость, в которой лежат вектор E и вектор направления волны k , называется плоскостью поляризации.

Теперь вернемся к ЖК.

Вторым после диэлектрической анизотропии важнейшим физическим свойством жидких кристаллов, используемым для управления световым потоком через них, является оптическая анизотропия. Жидкие кристаллы имеют различные значения коэффициента преломления света для параллельного и перпендикулярного директору направления распространения. То есть, скорость распространения светового луча параллельно или перпендикулярно директору будет различной — при более высоком коэффициенте она, как известно, будет ниже. Оптическая анизотропия или анизотропия коэффициента преломления есть разность между двумя коэффициентами:

Δ n = n || + n ⊥ где n || — коэффициент преломления для плоскости поляризации, параллельной директору; n ⊥ — коэффициент преломления для плоскости поляризации, перпендикулярной директору.

Присутствие в материале двух различных значений для n || и n ⊥ вызывает эффект двойного лучепреломления. Когда свет попадает в двулучепреломляющий материал, каким является нематик, происходит разбиение электрического полевого компонента световой волны на два векторных компонента — вибрирующий в «быстрой» оси и вибрирующий в «медленной» оси. Эти компоненты носят название соответственно обыкновенного (ordinary) и необыкновенного (extraordinary) лучей. Направления поляризации обыкновенного и необыкновенного лучей взаимно ортогональны. А наличие в материале «быстрой» и «медленной» осей обусловлено тем, о чем говорилось выше — различными коэффициентами преломления для лучей, распространяющихся соответственно параллельно или перпендикулярно направлению директора.

На рис.5 показано распространение волн вдоль «быстрой» и «медленной» осей. Нужно подчеркнуть, что ось в данном случае — это не фиксированная прямая, а направление плоскости, в которой происходят колебания волны.

Поскольку фазовые скорости обыкновенного и необыкновенного луча различны, разность их фаз будет меняться по мере распространения волны. Изменение разности фаз этих ортогональных компонентов вызывает изменение направления поляризации световой волны. На рисунке для наглядности сумма ортогональных компонентов представлена результирующим вектором E r . Можно видеть, что по мере распространения волны происходит вращение направления вектора E r . Таким образом, сложение волн на выходе из двулучепреломляющего материала даст волну с измененным относительно исходного направлением поляризации.

Угол поворота плоскости поляризации будет зависеть от ориентации молекул в материале.

Конструкция панели

Существует несколько технологий ЖК-панелей. Для иллюстрации конструкции в данном случае приведена TN, как наиболее распространенная (рис.6).

Все жидкокристаллические панели для мониторов являются трансмиссивными — изображение в них формируется за счет преобразования светового потока от расположенного сзади источника. Модуляция светового потока осуществляется за счет оптической активности жидких кристаллов (их способности вращать плоскость поляризации проходящего света). Реализуется это следующим образом. При прохождении через первый поляризатор свет от ламп подсветки становится линейно поляризованным. Далее он следует через слой жидких кристаллов, заключенный в пространстве между двумя стеклами. Положение молекул ЖК в каждой ячейке панели регулируется электрическим полем, создаваемым за счет подачи напряжения на электроды. От положения молекул зависит поворот плоскости поляризации проходящего света. Таким образом, за счет подачи на ячейки нужного значения напряжения происходит управление поворотом плоскости поляризации.

Для доставки напряжения к субпикселю служат вертикальные (data line) и горизонтальные (gate line) линии данных, представляющие собой металлические токопроводящие дорожки, нанесенные на внутреннюю (ближайшую к модулю подсветки) стеклянную подложку. Электрическое поле, как уже говорилось, создается напряжением на электродах — общем и пиксельном. Напряжение используется переменное, поскольку применение постоянного напряжения вызывает взаимодействие ионов с материалом электродов, нарушение упорядоченности расположения молекул ЖК-материала, и приводит к деградации ячейки. Тонкопленочный транзистор играет роль переключателя, который замыкается при выборе адреса требуемой ячейки на линии сканирования, разрешает «записать» требуемое значение напряжения и по окончании цикла сканирования вновь размыкается, позволяя сохранять заряд в течение некоторого периода времени. Зарядка происходит в течение времени T = T f /n , где T f — время вывода кадра на экран (например, при частоте обновления 60 Гц время вывода кадра составляет 1 с / 60 = 16.7 мс), n — количество строк панели (например, 1024 для панелей с физическим разрешением 1280х1024). Однако, собственной емкости жидкокристаллического материала недостаточно для сохранения заряда в интервале между циклами обновления, что должно вести к спаду напряжения и, как следствие, снижению контрастности. Поэтому, кроме транзистора, каждая ячейка оснащается запоминающим конденсатором, который также заряжается при открытии транзистора и помогает компенсировать потери напряжения до начала очередного цикла сканирования.

Вертикальные и горизонтальные линии данных при помощи подклеенных плоских гибких шлейфов соединены с управляющими микросхемами панели — драйверами, соответственно столбцовым (source driver) и строчным (gate driver), которые обрабатывают поступающий с контроллера цифровой сигнал и формируют соответствующее полученным данным напряжение для каждой ячейки.

После слоя жидких кристаллов расположены цветовые фильтры, нанесенные на внутреннюю поверхность стекла панели и служащие для формирования цветной картинки. Используется обычный трехцветный аддитивный синтез: цвета образуются в результате оптического смешения излучений трех базовых цветов (красного, зелёного и синего). Ячейка (пиксель) представляет собой три раздельных элемента (субпикселя), каждому из которых сопоставлен расположенный над ним цветовой фильтр красного, зеленого или синего цвета, комбинациями из 256 возможных значений тона для каждого субпикселя можно получить до 16,77 миллионов цветов пикселя.

Структура панели (металлические вертикальные и горизонтальные линии данных, тонкопленочные транзисторы) и пограничные области ячеек, где нарушена ориентация молекул, должны быть скрыты под непрозрачным материалом, чтобы избежать нежелательных оптических эффектов. Для этого применяется так называемая черная матрица (black matrix), которая напоминает тонкую сетку, заполняющую промежутки между отдельными цветовыми фильтрами. В качестве материала для черной матрицы используется хром или черные смолы.

Заключительную роль в формировании картинки играет второй поляризатор, часто называемый анализатором. Его направление поляризации смещено относительно первого на 90 градусов. Чтобы представить назначение анализатора, можно условно удалить его с поверхности подключенной панели. В этом случае мы увидим все субпиксели максимально освещенными, то есть ровную белую заливку экрана вне зависимости от выведенной на него картинки. От того, что свет стал поляризованным, и плоскость его поляризации вращается каждой ячейкой по-разному, в зависимости от приложенного к ней напряжения, для наших глаз пока ничего не изменилось. Функция анализатора как раз и состоит в отсечении нужных компонентов волн, что позволяет увидеть на выходе требуемый результат.

Теперь о том, как это отсечение нужных компонентов происходит. Возьмем для примера поляризатор с вертикальным направлением поляризации, т.е. пропускающий волны, ориентированные в вертикальной плоскости.

На рис.7 показана волна, распространяющаяся в плоскости, лежащей под некоторым углом относительно вертикального направления поляризации. Вектор электрического поля падающей волны можно разложить на две взаимно перпендикулярных составляющих: параллельную оптической оси поляризатора и перпендикулярную ей. Первая составляющая, параллельная оптической оси, проходит, вторая (перпендикулярная) блокируется.

Отсюда очевидны и два крайних положения:

• волна, распространяющаяся в строго вертикальной плоскости, будет пропускаться без изменений;
• волна, распространяющаяся в горизонтальной плоскости, будет блокироваться, как не имеющая вертикальной составляющей.

Эти два крайних положения соответствуют полностью открытому и полностью закрытому положению ячейки. Подытожим:

• Для максимально полной блокировки проходящего света ячейкой (субпикселем) требуется, чтобы плоскость поляризации этого света была ортогональна плоскости пропускания анализатора (направлению поляризации);
• Для максимального пропускания света ячейкой плоскость его поляризации должна совпадать с направлением поляризации;
• Плавно регулируя напряжение, подаваемое на электроды ячейки, можно управлять положением молекул жидких кристаллов и, как следствие, поворотом плоскости поляризации проходящего света. И тем самым изменять количество пропускаемого ячейкой света.

Так как угол поворота плоскости поляризации зависит от расстояния, пройденного светом в слое жидких кристаллов, этот слой должен иметь строго выдержанную толщину по всей панели. Для поддержания равномерности расстояния между стеклами (со всей нанесенной на них структурой) применяются специальные распорки (spacers).

Простейшим вариантом являются так называемые шариковые распорки (ball spacers). Они представляют собой прозрачные полимерные или стеклянные шарики строго определенного диаметра и наносятся на внутреннюю структуру стекла путем распыления. Соответственно, располагаются они хаотично по всей площади ячейки и их наличие отрицательно влияет на ее однородность, так как распорка служит центром для дефектной области и непосредственно возле нее молекулы ориентируются неправильно.

Применяется и другая технология — распорки колонного типа (column spacer, photo spacer, post spacer). Располагаются такие распорки с фотографической точностью под черной матрицей (рис.8). Преимущества такой технологии очевидны: повышение контрастности за счет отсутствия световых утечек возле распорок, более точный контроль однородности зазора за счет упорядоченного расположения распорок, повышение жесткости панели и отсутствие ряби при нажиме на поверхность.

Панель TN, конструкция которой была приведена на рис.6, является самой недорогой в производстве, что определяет ее доминирование на рынке массовых мониторов. Кроме нее существует еще несколько технологий, различающихся расположением, конфигурацией и материалом электродов, ориентацией поляризаторов, используемыми ЖК-микстурами, исходной ориентацией директора в жидкокристаллическом материале и т.д. Согласно исходной ориентации директора все существующие технологии можно разделить на две группы:

1. Планарная ориентация

Сюда относятся все IPS-технологии (S-IPS, SA-SFT и др.), а также FFS (в настоящее время — AFFS), разработанная и продвигаемая компанией Boe HyDis. Молекулы выравниваются горизонтально, параллельно основанию подложек, в направлении, заданном протиркой, верхняя и нижняя подложки протерты в одном направлении. Все электроды, как пиксельные, так и общие, находятся на одной стеклянной подложке панели — внутренней, вместе с линиями данных и транзисторами. В IPS-технологиях пиксельные и общие электроды расположены параллельно, чередуясь друг с другом (рис.9). Силовые линии поля проходят горизонтально, но под некоторым углом относительно направления протирки. Поэтому при подаче напряжения молекулы, обладающие в данном случае положительной диэлектрической анизотропией, стремясь выстроиться по направлению приложенного поля, поворачиваются в той же плоскости на угол, зависящий от его (поля) напряженности. В случае FFS общий электрод расположен под пиксельным — при такой конструкции приложенное к электродам напряжение образует электрическое поле, имеющее как горизонтальную, так и вертикальную составляющие. Если для IPS в приведенных на рис.9 координатных осях поле можно охарактеризовать как E y , то для FFS соответствующие значения будут выглядеть как E y и E z . Такое расположение силовых линий поля позволяет использовать ЖК-материалы как с положительной, так и с отрицательной диэлектрической анизотропией. Поворот молекул, аналогично IPS, происходит в той же плоскости по направлению горизонтальной составляющей поля, но при этом из-за меньшего количества пограничных зон поворачивается значительно большее количество молекул, что позволяет сузить ширину решетки черной матрицы и достичь более высокого отношения апертуры панели.

Одним из основных плюсов технологий с планарной ориентацией директора является крайне незначительный цветовой сдвиг (color shift) палитры при изменении угла обзора. Эта стабильность объясняется конфигурацией спирали, образуемой молекулами жидкокристаллического материала под действием поля, которая в данном случае имеет симметричную форму. На рис.9 схематично показано положение ЖК-молекул при поступлении напряжения на электроды — очевидно, что максимальный угол поворота достигается в средних слоях. Такая неоднородность обусловлена тем, что, как уже говорилось, ориентация молекул в нужном направлении параллельно основанию подложек получена за счет предварительной обработки (протирки) их поверхностей. Поэтому подвижность молекул в непосредственно граничащем с подложкой слое ограничивается рельефом подложки, а последующих близлежащих слоях — межмолекулярными силами. В результате под воздействием поля молекулы образуют спираль, напоминающую форму ленты с зафиксированными в одной плоскости концами и повернутой центральной частью. Существует понятие оптического пути, зависящего от коэффициента преломления среды, в которой распространяется луч и результирующего фазового набега по направлению его следования. Световые лучи, проходящие через слой жидких кристаллов, имеют различную длину оптического пути в зависимости от угла прохождения. Симметричная форма спирали молекул позволяет получить для каждого серого уровня точное дополнение длины оптического пути в своих верхней и нижней половинках, следствием является практически полное отсутствие зависимости отображаемых оттенков от углов обзора. Благодаря такому свойству, IPS-панели используются в подавляющем большинстве мониторов, ориентированных на работу с графикой.

При прохождении световой волны направление врашения результирующего вектора (см. рис.5) частично повторяет форму изгиба спирали, образуемой молекулами. Поэтому вращение плоскости поляризации при прохождении волны через первую часть ЖК-материала происходит в одном направлении, а через вторую — в противоположном. Различное, в зависимости от приложенного напряжения, запаздывание по фазе одного из компонентов волны приводит к тому, что направление результирующего вектора E r на выходе из слоя жидких кристаллов отличается от исходного, это позволяет определенной части светового потока пройти через анализатор. Светопропускающие плоскости поляризатора и анализатора, как и во всех остальных технологиях смещены относительно друг друга на угол 90 градусов.

Во всех выпускаемых в настоящее время вариациях (S-IPS, AFFS, SA-SFT) используется 2-доменная конструкция ячейки. Для этого применяются электроды зигзагообразной формы, которые вызывают поворот молекул в двух направлениях. Первоначальные версии, обозначавшиеся как просто «IPS» и «FFS», без приставок «Super» и «Advanced», были монодоменными, поэтому имели цветовой сдвиг и меньшие углы обзора (от 140/140 по падению контрастности до 10:1 у первых IPS).

К планарной ориентации обычно причисляется и твист-ориентация (или закрученная ориентация). Выравнивание молекул вдоль основания подложек в этом случае также достигается протиркой их поверхностей, с той разницей, что направления протирки верхней и нижней подложек смещены друг относительно друга. В результате такого выравнивания в нематическом материале директор образует спираль, напоминающую холестерическую, для правильного формирования спирали в ЖК-микстурах применяются специальные добавки с содержанием хиральных молекул. Твист-ориентация используется в наиболее широко распространенной TN (или TN+Film) технологии. Описывать и иллюстрировать конструкцию TN здесь не имеет смысла, это неоднократно сделано в многочисленных материалах на аналогичные темы — можно сказать, что она хорошо известна.

2. Гомеотропная ориентация

К этой группе принадлежат MVA и PVA. Директор ориентирован перпендикулярно основанию стеклянной подложки, это достигается применением в покрытии подложки поверхностно-активных веществ. Общие и пиксельные электроды расположены на противоположных подложках, поле ориентировано вертикально. Здесь используются жидкокристаллические материалы с отрицательной диэлектрической анизотропией, поэтому приложенное напряжение вызывает поворот молекул ЖК против силовых линий поля. MVA отличается наличием микроскопических продольных выступов (protrusion) для преднаклона молекул на верхней, либо на обеих подложках, поэтому исходное вертикальное выравнивание не является полным. Молекулы, выравниваясь по этим выступам получают небольшой преднаклон, что позволяет задать для каждой области (домена) ячейки определенное направление, в котором будет происходить поворот молекул под воздействием поля. В PVA такие выступы отсутствуют и в отсутствие напряжения директор ориентирован строго перпендикулярно поверхности, а пиксельный и общий электроды смещены друг относительно друга так, что создаваемое поле не строго вертикально, а содержит наклонный компонент (рис.10).

К технологиям с гомеотропной ориентацией директора относится также ASV, разработанная компанией Sharp. В пределах субпикселя здесь располагается несколько пиксельных электродов, имеющих форму квадратов со скругленными краями. Основные принципы те же: общий электрод расположен на противоположной подложке, молекулы в отсутствие поля ориентированы вертикально, используются жидкокристаллические материалы с отрицательной диэлектрической анизотропией. Создаваемое поле имеет выраженный наклонный компонент и молекулы, поворачиваясь против направления поля, создают структуру, направление директора в которой напоминает форму зонтика с центром в середине пиксельного электрода.

Существует также деление ЖК-модулей по типам в зависимости от состояния ячеек в отсутствие напряжения. Нормально белыми (normally white) называются панели, у которых при нулевом напряжении на ячейках они полностью открыты — соответственно, на экране воспроизводится белый цвет. Нормально белыми являются все панели, изготовленные по технологии TN. Панели, блокирующие прохождение света при отсутствии напряжения, относятся к нормально черным (normally black), к этому типу принадлежат все остальные технологии.

Модуль подсветки

...на базе флюоресцентных ламп

Сквозь тело панели (поляризаторы, электроды, цветофильтры и пр.) проходит лишь незначительная часть изначального светового потока от ламп подсветки, не более 3%. Поэтому собственная яркость модуля подсветки должна быть довольно значительной — как правило, применяемые лампы имеют яркость свыше 30000 кд/м 2 .

Для подсветки применяются CCFL — флуоресцентные лампы с холодным катодом (без нитей накала катодов). CCFL-лампа представляет собой запечатанную стеклянную тубу, наполненную инертным газом с небольшой примесью ртути (рис.11). Катоды в данном случае являются равноправными электродами, так как для питания используется переменный ток. В сравнении с лампами с накаливаемым (горячим) катодом, электроды у CCFL имеют другое строение и больший размер. Рабочая температура катода существенно отличается: 80-150 o C против приблизительно 900 o C у ламп с горячим катодом, при близкой температуре самой лампы — 30-75 o C и 40 o C соответственно. Рабочее напряжение для CCFL составляет 600-900 В, пусковое напряжение — 900-1600 В (цифры достаточно условные, так как спектр применяемых ламп очень широк). Образование света происходит при ионизации газа, а необходимым условием ее возникновения в лампе с холодным катодом является высокое напряжение. Поэтому для запуска такой лампы требуется на несколько сотен микросекунд подать на электроды напряжение, значительно превышающее рабочее. Приложенное высокое переменное напряжение вызывает ионизацию газа и пробой зазора между электродами, возникает разряд.

Пробой разрядного промежутка происходит по следующим причинам. В обычных условиях наполняющий лампу газ является диэлектриком. При появлении электрического поля небольшое количество ионов и электронов, всегда присутствующее в объеме газа, приходит в движение. Если подать на электроды достаточно высокое напряжение, электрическое поле сообщает ионам настолько высокую скорость, что при столкновении с нейтральными молекулами происходит выбивание из них электронов и образование ионов. Вновь образовавшиеся электроны и ионы, двигаясь под воздействием поля, также вступают в процесс ионизации, процесс принимает лавинообразный характер. После того, как ионы начинают получать достаточную энергию, чтобы выбивать электроны ударами о катод, возникает самостоятельный разряд. В отличие от ламп с горячим катодом, где разряд является дуговым, тип разряда в CCFL — тлеющий.

Поддержание разряда происходит за счет так называемого катодного падения потенциала. Основная часть падения потенциала (напряжения) в разряде приходится на прикатодную область. Ионы, пробегая этот промежуток с высокой разностью потенциалов, приобретают большую кинетическую энергию, достаточную для выбивания электронов из катода. Выбитые электроны за счет той же разности потенциалов ускоряются обратно в разряд, производя там новые пары ионов и электронов. Ионы от этих пар возвращаются к катоду, ускоряются падением напряжения между разрядом и катодом, и снова выбивают электроны.

Энергия электрического тока вызывает переход находящейся в лампе ртути из жидкого состояния в газообразное. При столкновении электронов с атомами ртути происходит выделение энергии, вызванное возвращением атомов из нестабильного состояния в стабильное. При этом возникает интенсивное излучение в ультрафиолетовой области — доля ультрафиолета составляет около 60% общего излучения.

Видимый свет образуется за счет люминофорного покрытия, нанесенного на внутреннюю поверхность стекла. Ультрафиолетовые фотоны, выпущенные ртутью, возбуждают атомы в люминофорном покрытии, повышая уровень энергии электронов. Когда электроны возвращаются к первоначальному уровню энергии, атомы в покрытии производят энергию в виде фотонов видимого света. Люминофор является важнейшим компонентом лампы, от него зависят характеристики спектра излучения. Спектр CCFL крайне неровный, в нем присутствуют ярко выраженные узкие пики. Даже использование многослойного люминофорного покрытия (в ущерб максимальной яркости) не позволяет «обогнать» кинескопные мониторы по цветовому охвату. Поэтому при производстве панели для достижения приемлемого цветового охвата необходим еще и точный подбор цветовых фильтров, полосы пропускания которых должны максимально соответствовать пикам спектра излучения ламп.

Максимальный цветовой охват в идеале могла бы обеспечить комбинация монохроматических источников основных цветов и качественных цветофильтров. На роль «квазимонохроматических» источников света могут претендовать так называемые лазерные светодиоды, но технология производства пока не обеспечивает рентабельность их применения в модулях подсветки. Поэтому на данный момент луший цветовой охват позволяют достичь модули подсветки на основе RGB-пакетов светодиодов (см. ниже).

Для формирования напряжения в несколько сотен вольт, необходимого для работы ламп, используются специальные преобразователи — инверторы. Регулировка яркости CCFL осуществляется двумя способами. Первый заключается в изменении тока разряда в лампе. Значение тока в разряде составляет 3-8 мА, значительная часть ламп имеет еще более узкий диапазон. При меньшем токе страдает равномерность свечения, при большем — существенно сокращается срок службы лампы. Недостаток этого способа регулировки состоит в том, что он позволяет изменять яркость в очень небольшом диапазоне, существенное ее снижение при этом невозможно. Поэтому мониторы с такой регулировкой при работе в условиях слабого внешнего освещения часто оказываются излишне яркими даже при нулевом значении яркости. При втором способе генерируется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) питающего лампы напряжения (осуществляется управление шириной, т.е. длительностью импульса, за счет изменения ширины единичного импульса регулируется средний уровень напряжения.). В недостатки такому способу иногда приписывается появление мерцания ламп при реализации ШИМ на низкой частоте — 200 Гц и ниже, по сути же регулировка с помощью ШИМ представляет собой наиболее разумный подход, так как позволяет изменять яркость в широком диапазоне.

Для равномерного распределения света ламп применяется система из световодов, рассеивателей и призм. Вариантов организации распределения света существует множество, один из них показан на рис.12.

Решения с расположением ламп по верхней и нижней торцевым сторонам панели являются наиболее распространенными, такая компоновка позволяет значительно снизить общую толщину изделия. В 17- и 19-дюймовых модулях, как правило, устанавливается четыре лампы: две по верхней стороне и две по нижней. В торцевой части корпуса подобных панелей существуют специальные технологические отверстия, поэтому разбирать корпус для извлечения ламп не требуется (рис.13-б). Лампы при такой компоновке часто объединены в блоки из двух штук (рис. 13-а).

Другим вариантом является расположение ламп по всей площади обратной стороны модуля (рис.13-в) — такое решение применяется в многоламповых панелях с количеством ламп восемь штук и более, а также при использовании U-образных CCFL.

Минимальный срок службы ламп производителями панелей в настоящее время обычно указывается от сорока до пятидесяти тысяч часов (срок службы определяется как время, за которое светимость ламп снижается на 50%).

...на базе светодиодов

Помимо флюоресцентных ламп в качестве источника света могут также использоваться светодиоды (LED). Модули подсветки на базе светодиодов строятся либо на «белых» светодиодах, либо на пакетах светодиодов основных цветов (RGB-LED).

Наибольший цветовой охват дают пакеты RGB-LED. Дело в том, что «белый» светодиод представляет собой синий светодиод с желтым люминофорным покрытием, либо ультрафиолетовый светодиод с комбинацией «красного», «зеленого» и «синего» люминофорного покрытия. Спектр «белых» светодиодов не избавлен от всех недостатков спектра флюоресцентных ламп. Кроме того, в отличие от «белых» светодиодов, пакет RGB-LED позволяет в оперативном режиме корректировать цветовую температуру подсветки за счет раздельного управления интенсивностью свечения каждой группы светодиодов основных цветов.

В итоге, достигаются две цели:

• расширяется цветовой охват за счет более идеального спектра подсветки,
• расширяются возможности цветокалибровки: к типовому методу на основе таблиц пересчета цветовых координат для пикселей изображения добавляется возможность корректировки цветового баланса задней подсветки.

Большая крутизна вольт-амперной характеристики светодиодов не позволяет плавно регулировать яркость излучения в широких диапазонах. Но поскольку прибор допускает работу в импульсном режиме, на практике для регулировки яркости светодиодов (как и для флюоресцентных ламп) чаще всего применяется метод широтно-импульсной модуляции.

Олег Медведев, Максим Проскурня

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.

Для того чтобы починить ЖК монитор своими руками, необходимо в первую очередь понимать, из каких основных электронных узлов и блоков состоит данное устройство и за что отвечает каждый элемент электронной схемы. Начинающие радиомеханики в начале своей практики считают, что успех в ремонте любого прибора заключается в наличии принципиальной схемы конкретного аппарата. Но на самом деле, это ошибочное мнение и принципиальная схема нужна не всегда.

Итак, вскроем крышку первого попавшегося под руку ЖК монитора и на практике разберёмся в его устройстве.

ЖК монитор. Основные функциональные блоки.

Жидкокристаллический монитор состоит из нескольких функциональных блоков, а именно:

ЖК-панель

Жидкокристаллическая панель представляет собой завершённое устройство. Сборкой ЖК-панели, как правило, занимается конкретный производитель, который кроме самой жидкокристаллической матрицы встраивает в ЖК-панель люминесцентные лампы подсветки, матовое стекло, поляризационные цветовые фильтры и электронную плату дешифраторов, формирующих из цифровых сигналов RGB напряжения для управления затворами тонкоплёночных транзисторов (TFT).

Рассмотрим состав ЖК-панели компьютерного монитора ACER AL1716 . ЖК-панель является завершённым функциональным устройством и, как правило, при ремонте разбирать её не надо, за исключением замены вышедших из строя ламп подсветки.

Маркировка ЖК-панели: CHUNGHWA CLAA170EA

На тыльной стороне ЖК-панели расположена довольно большая печатная плата, к которой от основной платы управления подключен многоконтактный шлейф. Сама печатная плата скрыта под металлической планкой.

На печатной плате установлена многовыводная микросхема NT7168F-00010. Данная микросхема подключается к TFT матрице и участвует в формировании изображения на дисплее. От микросхемы NT7168F-00010 отходит множество выводов, которые сформированы в десять шлейфов под обозначением S1-S10. Эти шлейфы довольно тонкие и на вид как бы приклеены к печатной плате, на которой находиться микросхема NT7168F.

Плата управления

Плату управления по-другому называют основной платой (Main board ). На основной плате размещены два микропроцессора. Один из них управляющий 8-битный микроконтроллер SM5964 с ядром типа 8052 и 64 кбайт программируемой Flash-памяти.

Микропроцессор SM5964 выполняет довольно небольшое число функций. К нему подключена кнопочная панель и индикатор работы монитора. Этот процессор управляет включением/выключением монитора, запуском инвертора ламп подсветки. Для сохранения пользовательских настроек к микроконтроллеру по шине I 2 C подключена микросхема памяти. Обычно, это восьмивыводные микросхемы энергонезависимой памяти серии 24LCxx .

Вторым микропроцессором на плате управления является так называемый мониторный скалер (контроллер ЖКИ) TSU16AK . Задач у данной микросхемы много. Она выполняет большинство функций, связанных с преобразованием и обработкой аналогового видеосигнала и подготовке его к подаче на панель ЖКИ.

В отношении жидкокристаллического монитора нужно понимать, что это по своей сути цифровое устройство, в котором всё управление пикселями ЖК-дисплея происходит в цифровом виде. Сигнал, приходящий с видеокарты компьютера является аналоговым и для его корректного отображения на ЖК матрице необходимо произвести множество преобразований. Для этого и предназначен графический контроллер, а по-другому мониторный скалер или контроллер ЖКИ.

В задачи контроллера ЖКИ входят такие как пересчёт (масштабирование) изображения для различных разрешений, формирование экранного меню OSD, обработка аналоговых сигналов RGB и синхроимпульсов. В контроллере аналоговые сигналы RGB преобразуются в цифровые посредством 3-х канальных 8-битных АЦП, которые работают на частоте 80 МГц.

Мониторный скалер TSU16AK взаимодействует с управляющим микроконтроллером SM5964 по цифровой шине. Для работы ЖК-панели графический контроллер формирует сигналы синхронизации, тактовой частоты и сигналы инициализации матрицы.

Микроконтроллер TSU16AK через шлейф связан с микросхемой NT7168F-00010 на плате ЖК-панели.

При неисправностях графического контроллера у монитора, как правило появляются дефекты, связанные с правильным отображением картинки на дисплее (на экране могут появляться полосы и т.п). В некоторых случаях дефект можно устранить пропайкой выводов скалера. Особенно это актуально для мониторов, которые работают круглосуточно в жёстких условиях.

При длительной работе происходит нагрев, что плохо сказывается на качестве пайки. Это может привести к неисправностям. Дефекты, связанные с качеством пайки нередки и встречаются и у других аппаратов, например, DVD плееров. Причиной неисправности служит деградация либо некачественная пайка многовыводных планарных микросхем.

Блок питания и инвертор ламп подсветки

Наиболее интересным в плане изучения является блок питания монитора, так как назначение элементов и схемотехника легче в понимании. Кроме того, по статистике неисправности блоков питания, особенно импульсных, занимают лидирующие позиции среди всех остальных. Поэтому практические знания устройства, элементной базы и схемотехники блоков питания непременно будут полезны в практике ремонта радиоаппаратуры.

Блок питания ЖК монитора состоит из двух. Первый – это AC/DC адаптер или по-другому сетевой импульсный блок питания (импульсник). Второй – DC/AC инвертор . По сути это два преобразователя. AC/DC адаптер служит для преобразования переменного напряжения сети 220 В в постоянное напряжение небольшой величины. Обычно на выходе импульсного блока питания формируются напряжения от 3,3 до 12 вольт.

Инвертор DC/AC наоборот преобразует постоянное напряжение (DC) в переменное (AC) величиной около 600 — 700 В и частотой около 50 кГц. Переменное напряжение подаётся на электроды люминесцентных ламп, встроенных в ЖК-панель.

Вначале рассмотрим AC/DC адаптер. Большинство импульсных блоков питания строится на базе специализированных микросхем контроллеров (за исключением дешёвых зарядников для мобильного, например).

Так в блоке питания ЖК монитора Acer AL1716 применена микросхема TOP245Y . Документацию (datasheet) по данной микросхеме легко найти из открытых источников.

В документации на микросхему TOP245Y можно найти типовые примеры принципиальных схем блоков питания. Это можно использовать при ремонте блоков питания ЖК мониторов, так как схемы во многом соответствуют типовым, которые указаны в описании микросхемы.

Вот несколько примеров принципиальных схем блоков питания на базе микросхем серии TOP242-249.

В следующей схеме применены сдвоенные диоды с барьером Шоттки (MBR20100). Аналогичные диодные сборки (SRF5-04) применены в рассматриваемом нами блоке монитора Acer AL1716.

Заметим, что приведённые принципиальные схемы являются примерами. Реальные схемы импульсных блоков могут несколько отличаться.

Микросхема TOP245Y представляет собой законченный функциональный прибор, в корпусе которого имеется ШИМ – контроллер и мощный полевой транзистор, который переключается с огромной частотой от десятков до сотен килогерц. Отсюда и название — импульсный блок питания.

Схема работы импульсного блока питания сводится к следующему:

Выпрямление переменного сетевого напряжения 220В.

Эту операцию выполняет диодный мост и фильтрующий конденсатор. После выпрямления на конденсаторе напряжение чуть больше чем сетевое. На фото показан диодный мост, а рядом фильтрующий электролитический конденсатор (82 мкФ 450 В) – синий бочонок.

Преобразование напряжения и его понижение с помощью трансформатора.

Коммутация с частотой в несколько десятков – сотен килогерц постоянного напряжения (>220 B) через обмотку высокочастотного импульсного трансформатора. Эту операцию выполняет микросхема TOP245Y. Импульсный трансформатор выполняет ту же роль, что и трансформатор в обычных сетевых адаптерах, за одним исключением. Работает он на более высоких частотах, во много раз больше, чем 50 герц.

Поэтому для изготовления его обмоток требуется меньшее число витков, а, следовательно, и меди. Но необходим сердечник из феррита, а не из трансформаторной стали как у трансформаторов на 50 герц. Те, кто не знает, что такое трансформатор и зачем он применяется, сперва ознакомьтесь со статьёй про трансформатор.

В результате трансформатор получается очень компактным. Также стоит отметить, что импульсные блоки питания очень экономичны, у них высокий КПД.

Выпрямление пониженного трансформатором переменного напряжения.

Эту функцию выполняют мощные выпрямительные диоды. В данном случае применены диодные сборки с маркировкой SRF5-04.

Для выпрямления токов высокой частоты используют диоды Шоттки и обычные силовые диоды с p-n переходом. Обычные низкочастотные диоды для выпрямления токов высокой частоты менее предпочтительны, но используются для выпрямления больших напряжений (20 – 50 вольт). Это нужно учитывать при замене дефектных диодов.

У диодов Шоттки есть некоторые особенности, которые нужно знать. Во-первых, эти диоды имеют малую ёмкость перехода и способны быстро переключаться – переходить из открытого состояния в закрытое. Это свойство и используется для работы на высоких частотах. Диоды Шоттки имеют малое падения напряжения около 0,2-0,4 вольт, против 0,6 – 0,7 вольт у обычных диодов. Это свойство повышает их КПД.

Есть у диодов с барьером Шоттки и нежелательные свойства, которые затрудняют их более широкое использование в электронике. Они очень чувствительны к превышению обратного напряжения. При превышении обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя.

Обычный же диод переходит в режим обратимого пробоя и может восстановиться после превышения допустимого значения обратного напряжения. Именно это обстоятельство и является ахиллесовой пятой, которое служит причиной выгорания диодов Шоттки в выпрямительных цепях всевозможных импульсных блоках питания. Это стоит учитывать в проведении диагностики и ремонте.

Для устранения опасных для диодов Шоттки всплесков напряжения, образующихся в обмотках трансформатора на фронтах импульсов, применяются так называемые демпфирующие цепи. На схеме обозначена как R15C14 (см.рис.1).

При анализе схемотехники блока питания ЖК монитора Acer AL1716 на печатной плате также обнаружены демпфирующие цепи, состоящие из smd резистора номиналом 10 Ом (R802, R806) и конденсатора (C802, C811). Они защищают диоды Шоттки (D803, D805).

Также стоит отметить, что диоды Шоттки используются в низковольтных цепях с обратным напряжением, ограниченным единицами – несколькими десятками вольт. Поэтому, если требуется получение напряжения в несколько десятков вольт (20-50), то применяются диоды на основе p-n перехода. Это можно заметить, если просмотреть datasheet на микросхему TOP245, где приводятся несколько типовых схем блоков питания с разными выходными напряжениями (3,3 B; 5 В; 12 В; 19 В; 48 В).

Диоды Шоттки чувствительны к перегреву. В связи с этим их, как правило, устанавливают на алюминиевый радиатор для отвода тепла.

Отличить диод на основе p-n перехода от диода на барьере Шоттки можно по условному графическому обозначению на схеме.

Условное обозначение диода с барьером Шоттки.

После выпрямительных диодов ставятся электролитические конденсаторы, служащие для сглаживания пульсаций напряжения. Далее с помощью полученных напряжений 12 В; 5 В; 3,3 В запитываются все блоки LCD монитора.

Инвертор DC/AC

По своему назначению инвертор схож с электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА), которые нашли широкое применение в осветительной технике для питания бытовых осветительных люминесцентных ламп. Но, между ЭПРА и инвертором ЖК монитора есть существенные различия.

Инвертор ЖК монитора, как правило, построен на специализированной микросхеме, что расширяет набор функций и повышает надёжность. Так, например, инвертор ламп подсветки ЖК монитора Acer AL1716 построен на базе ШИМ контроллера OZ9910G . Микросхема контроллера смонтирована на печатной плате планарным монтажом.

Инвертор преобразует постоянное напряжение, значение которого составляет 12 вольт (зависит от схемотехники) в переменное 600-700 вольт и частотой 50 кГц.

Контроллер инвертора способен изменять яркость люминесцентных ламп. Сигналы для изменения яркости ламп поступают от контроллера ЖКИ. К микросхеме-контроллеру подключены полевые транзисторы или их сборки. В данном случае к контроллеру OZ9910G подключены две сборки комплементарных полевых транзисторов AP4501SD (На корпусе микросхемы указано только 4501S).

Также на плате блока питания установлено два высокочастотных трансформатора, служащих для повышения переменного напряжения и подачи его на электроды люминесцентных ламп. Кроме основных элементов, на плате установлены всевозможные радиоэлементы, служащие для защиты от короткого замыкания и неисправности ламп.

Информацию по ремонту ЖК мониторов можно найти в специализированных журналах по ремонту. Так, например, в журнале “Ремонт и сервис электронной техники” №1 2005 года (стр.35 – 40), подробно рассмотрено устройство и принципиальная схема LCD-монитора “Rover Scan Optima 153”.

Среди неисправностей мониторов довольно часто встречаются такие, которые легко устранить своими руками за несколько минут. Например, уже упомянутый ЖК монитор Acer AL1716 пришёл на стол ремонта по причине нарушения контакта вывода розетки для подключения сетевого шнура. В результате монитор самопроизвольно выключался.

После разборки ЖК монитора было обнаружено, что на месте плохого контакта образовывалась мощная искра, следы которой легко обнаружить на печатной плате блока питания. Мощная искра образовывалась ещё и потому, что в момент контакта заряжается электролитический конденсатор в фильтре выпрямителя. Причина неисправности — деградация пайки.

Деградация пайки, вызвавщая неисправность монитора

Также стоит заметить, что порой причиной неисправности может служить пробой диодов выпрямительного диодного моста.