Жидко-кристаллические дисплеи, их параметры

Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из 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. 

4. Технологии

 

1. TN + film 

Молекулы  в структурированном жидком кристалле  имеют вытянутую цилиндрическую форму. Благодаря направляющим бороздкам  молекулы у противоположных подложек-поляроидов оказываются перпендикулярными  друг другу. Чем ближе к центру кристалла, тем меньше угол взаимного поворота молекул. В итоге молекулы образуют пространственную спираль, по которой сворачивается плоскость поляризации света и свет выходит наружу. Такая технология называется

скрученным  нематическим кристаллом — Twisted Nematic (TN). 

TN + film — самая простая технология. Часть film в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно — от 90° до 150°). В настоящее время приставку film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности — нет.

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

Достоинства:

• самое маленькое время отклика среди современных матриц,
• невысокая себестоимость.

Недостатки:  

• сложность обеспечения  строго перпендикулярной ориентации молекул  приводит к высокому уровню черного  цвета и низкому контрасту  изображения;
• недостаточные углы обзора по вертикали;
• неточная цветопередача.

 

2. IPS (In-Plane Switching)

Компании  NEC и Hitachi разработали технологию производства жидкокристаллических матриц под названием In-Plane Switching (IPS). Согласно этой технологии оба электрода расположены на одной подложке, а молекулы жидких кристаллов поворачиваются единой плоскостью, не скручиваясь в спираль. В отсутствие напряжения свет полностью блокируется перпендикулярными подложками-фильтрами и на экране отображается почти идеальный черный цвет. Приложенное напряжение разворачивает плоскость поляризации молекул, и свет начинает проникать наружу.  

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

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

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

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

IPS в настоящее  время вытеснено технологией S-IPS (Super-IPS, Hitachi 1998 год), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика. Но, несмотря на то, что цветность S-IPS панелей приблизилась к обычным мониторам ЭЛТ, контрастность всё равно остаётся слабым местом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20". LG.Philips, Dell и NEC остаются единственными производителями панелей по данной технологии.

AS-IPS (Advanced Super IPS — расширенная супер-IPS) — также  была разработана корпорацией Hitachi в 2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации NEC (например, NEC LCD20WGX2) созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом LG.Philips.

A-TW-IPS (Advanced True White IPS — расширенная IPS с настоящим  белым) — разработана LG.Philips для  корпорации NEC. Представляет собой  S-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White — «настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и расширению цветового диапазона. Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов для использования в фотолабораториях и/или издательствах.

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

Новые разновидности IPS и их особенности. Некоторое время назад лишь немногие посвященные понимали, в чем заключается отличие между панелями производства LG.Display типов H-IPS и S-IPS – остальным пользователям было достаточно уже того, что оба варианта этой технологии обеспечивали на порядок более высокое качество изображения, чем TN+film. Тем не менее специалисты знали, что разница – в структуре жидкокристаллической ячейки, и на базе этой информации основывали свои предпочтения. С 2009 г. производитель изменил принципы обозначения, и теперь выпускаемые IPS-панели классифицируются по другим характеристикам. Так, матрицы p-IPS наиболее совершенные (но и самые дорогие), обладают расширенным цветовым охватом (>102%) и 10-битовой разрядностью. А e-IPS, символизируют собой попытку LG.Display продвинуть IPS-технологию на массовый рынок – цветовой охват здесь традиционный, разрядность 8 бит. При этом по структуре ЖК-ячеек и p-IPS, и e-IPS принадлежат к подвиду H-IPS – а S-IPS будет постепенно исключаться из производственного цикла.

Достоинства:

• обеспечение отличной цветопередачи.
• углы обзора около 170°.

Недостатки:

• дороговизна производства;
• сравнительно невысокие яркость и контрастность;
• сравнительно высокое время отклика.

 
 

3. Технология MVA (PVA) (Vertical Alignment)

Компания Fujitsu разработала технологию производства жидкокристаллических матриц Multi-Domain Vertical Alignment (MVA), совместившую особенности TN и IPS. Электроды подведены к обоим подложкам. Но сами подложки не плоские, а имеют выступы, благодаря которым жидкий кристалл разбивается на домены. Все домены переключаются одновременно, но продольные молекулы в них наклоняются в противоположных направлениях. Если необходимо воспроизвести 50% серого, половина молекул будет повернута ≪боком≫, а половина — ≪торцом≫. По центру все молекулы будут иметь одинаковый половинный наклон (в разные стороны), то есть пропускать половину света. Такую же технологию использует компания Samsung под названием PVA, компания Sharp под названием ASV. 

Горизонтальные и  вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях  мониторов до 176—178°), при этом благодаря  использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика, но значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

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

Достоинства:

• глубокий чёрный цвет
• отсутствие как винтовой структуры кристаллов,
• отсутствие двойного магнитного поля.

Недостатки:

• пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде,
• зависимость цветового баланса изображения от угла зрения

 
 
 

5. Ориентировочные характеристики технологий

Ориентировочные характеристики технологий TN-film, PVA/MVA и IPS (S-IPS и т.д.) приведенные в таблице, где : 

красный цвет (-)   - "удовлетворительно",

желтый (+/-) – "хорошо",

а зеленый (+) – "отлично".

  
 

6. Применение

Дисплей на жидких кристаллах используется для отображения графической информации в компьютерных мониторах (также и ноутбуков), телевизорах, телефонах, цифровых фотоаппаратах, * электронных книгах, навигаторах, также — электронных переводчиках, калькуляторах, часах и тп. (реже, в них в основном используются ЖКИ), а также во многих других электронных устройствах.

Изображение в нём  формируется с помощью отдельных  элементов, как правило, через систему  развёртки. Простые приборы с  дисплеем (электронные часы, телефоны, плееры, термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB-триад.

На 2008 год в большинстве  настольных мониторов на основе TN- (и  некоторых *VA) матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на каждый RGB-канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом.

7. Преимущества и недостатки

В настоящее время  ЖК-мониторы являются основным, бурно  развивающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно отнести: малый размер и вес в сравнении с ЭЛТ. У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки и сведения лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в 2—4 раза меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров. Энергопотребление ЖК-мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight — задний свет) ЖК-матрицы. Во многих мониторах 2007 года для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более герц.

Светодиодная подсветка  в основном используется в небольших  дисплеях, хотя в последние годы она все шире применяется в ноутбуках и даже в настольных мониторах. Несмотря на технические трудности её реализации, она имеет и очевидные преимущества перед флуоресцентными лампами, например более широкий спектр излучения, а значит, и цветовой охват.

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

• В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320×200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах[источник не указан 15 дней].
• Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На многих мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).
• Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.
• Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки).
• Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев. Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.
• Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.
• Массово производимые ЖК-мониторы 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.
• Вопреки расхожему мнению пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев, не подверженных деградации пикселей.