Жидко-кристаллические дисплеи, их параметры

Содержание:

1. Основное понятие и история создания.
2. Технические характеристики.
3. Устройство.
4. Технологии:
1. TN + film 
2. IPS (In-Plane Switching)
3. Технология MVA (PVA)  (Vertical Alignment)
5. Ориентировочные характеристики технологий
6. Применение.
7. Преимущества и недостатки.
8. Перспективы

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Основное  понятие и история  создания

Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, ЖКД, англ. Liquid crystal display, LCD), также Жидкокристаллический монитор (ЖК-монитор) — плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея. Жидкокристаллические мониторы имеют панели, ячейки (пикселы) которых содержат жидкие вещества, обладающие некоторыми свойствами, присущими кристаллам. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электрического поля могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять поляризацию светового луча, проходящего сквозь них. 

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

2. Технические характеристики

Усилиями  компаний-производителей в голову потребителя  прочно внедряется мысль, что единственным критерием отбора современного ЖК монитора является время отклика: чем оно  меньше, тем лучше. При этом прочие параметры либо не принимаются во внимание, либо сознательно отодвигаются на задний план. На самом деле параметров, напрямую влияющих на удобство работы с монитором, гораздо больше.

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

• Разрешение — горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией.
• Размер точки (размер пиксела) — расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.
• Соотношение сторон экрана (формат) — отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 8:5, 5:3, 16:9 и др.)
• Видимая диагональ — размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.
• Контрастность — отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.
• Яркость — количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.
• Время отклика — минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны.
• Угол обзора — угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению.
• Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

Усилиями  компаний-производителей в голову потребителя  прочно внедряется мысль, что единственным критерием отбора современного ЖК монитора является время отклика: чем оно  меньше, тем лучше. При этом прочие параметры либо не принимаются во внимание, либо сознательно отодвигаются на задний план. На самом деле параметров, напрямую влияющих на удобство работы с монитором, гораздо больше.

Важнейшим параметром плоскопанельных дисплеев является стандартное (Native) разрешение. Оно соответствует числу пикселов по горизонтали и вертикали. Именно в стандартном разрешении ЖК-монитор воспроизводит изображение наиболее качественно. Разрешение определяется размером ячеек и диагональю панели. Сейчас производятся панели с ячейками размером 0,248-0,3 мм. Если панель ЖК-монитора поддерживает стандартное разрешение 1024x768, это значит, что на каждой из 768 линий расположено 1024x3 = 3072 ячейки. Заметим, что на ЭЛТ-мониторе можно установить разрешение больше стандартного (рекомендуемого) для данной величины диагонали экрана, а на ЖК-мониторе — нельзя в принципе. Как правило, в ЖК мониторах предусмотрена возможность использовать разрешение более низкое, чем стандартное. Обычно применяют метод растяжения (Expansion). Он основан на интерполяции изображения с низким разрешением на всю площадь экрана. Понятно, что интерполяция ухудшает резкость изображения и вносит цветовые искажения.

Яркость —  максимальная удельная светимость поверхности  экрана. Измеряется в нитах (nit). 1 нит = 1 кд/м2 (кандела на квадратный метр). Чем больше это значение, тем светлее изображение. Типовая яркость белого цвета для мониторов CRT составляет около 120 кд/м2 ; профессионалы, использующие при работе с графикой LCD-монитор, редко калибруют его так, чтобы яркость белого превышала 120 кд/м2 . Таким образом, даже яркость 220 кд/м2 , обеспечиваемая большинством продаваемых в настоящее время мониторов, является достаточной для повседневного использования. Средним считается значение яркости 220-250 кд/м2 , некоторые панели поддерживают более высокие значения.

Контрастность — это отношение разности яркостей отображаемых монитором белого и  черного цветов к яркости белого цвета. Например, для дисплея, максимальная и минимальная яркости которого равны 200,5 кд/м2 и 0,5 кд/м2 соответственно, контрастность равна (200,5 - 0,5)/0,5 = 400:1.

Считается, что чем выше контрастность, тем  лучше различимы детали изображения, выше его четкость и меньше утомляемость при работе с монитором. На самом  деле это не совсем так. Возьмем Монитор  №1 с соотношением яркостей, приведенным выше, и сравним его с Монитором №2, отличающимся только максимальной яркостью, которая составляет

400,5 кд/м2 . Контрастность Монитора №2 будет равна 800:1, тем не менее, отображение этим монитором черного цвета не улучшилось по сравнению с Монитором №1, а отображение белого стало более ослепляющим.

Поэтому важное значение имеет не собственно контрастность, а контрастность с учетом уровня черного цвета.

Цветовой  охват современных ЖК-панелей  достигает 16,7 млн. цветов.

Но в типовых  панелях TN+Film (а это практически все 15-ти и 17-дюймовые мониторы) используется 18-битное представление цвета, сужающее цветовой диапазон.

Угол обзора (по вертикали и горизонтали) характеризует  зону восприятия изображения на экране без существенных искажений. Нормальным считается угол обзора по горизонтали 160-170°, по вертикали 120° и больше. Нормальные углы обзора обеспечат комфортное восприятие картинки одним человеком, расположенным по центру экрана. Коллективный просмотр, удобный на телевизорах и ЭЛТ-мониторах, для ЖК-дисплеев не рекомендуется.

Слабым местом ЖК-дисплеев остается время отклика (скорость переключения между режимами черный — белый — черный), которое  реально составляет 15мс. Официальные цифры характеризует максимальное быстродействие, то есть суммарное время, затрачиваемое на увеличение яркости элемента экрана от 10 % до 90 % и уменьшение обратно до 10 %. В режимах пониженной яркости (менее 100%) оно увеличивается в 5-7 раз, что приводит к смазыванию изображения. Увеличение времени отклика приводит к размытию движущихся объектов. Этот параметр рекомендуется подбирать следующим образом: для динамичных 3 D - и г р — матрицы со временем отклика 2 мс, для кино и графики достаточно 5 мс, для офисной работы достаточно 10 мс. Таким образом, к преимуществам ЖК-мониторов можно отнести малую глубину панели, действительно плоское изображение (без геометрических искажений), высокие значения яркости, низкое энергопотребление,

отсутствие  электромагнитных излучений. Существенных недостатков четыре: высокая цена, искажение цветов, единственный режим разрешения, обеспечивающий хорошее качество, малые углы комфортного обзора. Если проанализировать недостатки ЖК-мониторов, можно прийти к такому выводу: главный недостаток технологии в том, что невозможно приобрести монитор универсального назначения. То есть для офисной работы надо подбирать монитор с одним набором параметров, для игр — с другим, для работы с цветом — с третьим. 
 

3. Устройство

 

Субпиксел цветного ЖК-дисплея 

Конструктивно дисплей  состоит ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и распологаются  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. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной  ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно  перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение, 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.

Жидкие кристаллы  не могут сами излучать свет, а служат затворами, пропуская или не пропуская  свет от ламп подсветки. ЖК-панель имеет  несколько слоев, среди которых  ключевую роль играют две стеклянные подложки и находящийся между ними слой жидких кристаллов. Позади них расположены одна-две лампы подсветки и система зеркал, равномерно рассеивающих свет по поверхности. Свет от ламп проходит сквозь первую подложку, служащую поляризационным фильтром. На обеих подложках проделаны параллельные бороздки, определяющие исходную ориентацию жидких кристаллов. Бороздки двух подложек перпендикулярны между собой. Размещенные между бороздками капельки ЖК организованы в ячейки. Каждый пиксел изображения состоит из трех ячеек. Вторая подложка также является поляризационным фильтром, поэтому теоретически в исходном состоянии свет наружу не выпускается, так как его плоскость поляризации не совпадает с плоскостью фильтром. 

Если молекулы жидких кристаллов попадают в электрическое поле, они выстраиваются между электродами. Электроды расположены на обоих подложках, поэтому поле разворачивает молекулы вдоль силовых линий. Чем сильнее разность потенциалов между электродами, тем меньше поворот вектора поляризации молекулами, тем меньше света выходит наружу. При максимальной разности потенциалов отклонения вовсе не происходит и свет наружу не пропускается. 

Для управления свойствами ячеек к ним подключают электроды, создающие разные электрические  поля в отдельных местах экрана (в ячейках). ЖК-кристаллы типа Super Twisted Nematic имеют увеличенный с 90° до 270° торсионный угол (угол кручения) ориентации, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.

В активной матрице (Active Matrix) ячейки панели подключены к управляющим элементам, образующим матрицу из строк и столбцов. 

Технология  тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistor, TFT) позволила назначить каждой ячейке переключающий транзистор, к коллектору которого подключены резистор и конденсатор. Когда по выбранным строке и столбцу подается управляющее напряжение, оно заряжает конденсатор. Заряд хранится конденсатором до следующего обновления кадра изображения. То есть конденсатор вкупе с транзистором запоминают состояние ячейки после снятия напряжения. Время реакции дисплея с активной матрицей снижено в лучших образцах до 8-10 мс (для пассивной матрицы — около 300 мс). Яркость отдельного элемента изображения остается неизменной весь период демонстрации, поэтому эффекты ≪замыливания≫ и дрожания изображения отсутствуют. Именно поэтому для ЖК-мониторов достаточной считается частота регенерации 60 Гц.