Конструкция ЖК - монитора

Введение

 

МОНИТОР (дисплей) - устройство визуального отображения текстовой и графической информации.

Впервые ЖК мониторы стали применяться в ноутбуках в связи с их компактными размерами. На ранних этапах конечные продукты стоили очень дорого, а качество их при этом было весьма невысоким (по нынешним меркам качества изображения). Однако около трех лет назад наконец-то появились первые LCD-мониторы, которые продавались отдельно от самого компьютера и стоили также довольно дорого, но качество их заметно повысилось. И наконец-то сейчас рынок ЖК - мониторов начал бурно развиваться. Это связанно с тем, что технологии развиваются очень быстро и, кроме того, конкуренция среди производителей привела к заметному снижению цен на эту продукцию.

Несмотря на бурное развитие различных альтернативных технологий, жидкокристаллические дисплеи на сегодняшний день остаются наиболее широко используемыми в сфере высоких технологий. SED, OLED, DLP, плазменная и лазерная технологии - вот далеко не полный перечень разработок, которые призваны потеснить ЖК-панели с лидерских позиций, но этого им сделать, пока не удалось. А не удалось потому, что LCD-технология обладает совокупностью ряда важных достоинств, таких как высокое разрешение, малое потребление электроэнергии, небольшая себестоимость, компактность, сравнительно большое время наработки на отказ. Все другие разработки либо превосходят LCD по характеристикам, но проигрывают по цене, либо, наоборот, сравнимы по себестоимости производства, но с технической стороны имеют серьезные недостатки.

1.  
Общая часть

 

1.1 Конструкция ЖК - монитора

 

Изображение на LCD-экранах формируется с помощью матрицы пикселей, как и в обычных мониторах; отличие же состоит в материале пикселей и в способе генерации излучения. Каждый элемент матрицы - так называемый жидкий кристалл, являющийся оптически активным материалом. Он способен в естественном состоянии поворачивать плоскость поляризации проходящего через него излучения.

Второе чрезвычайно важное его свойство - это способность изменять угол поворота плоскости поляризации в зависимости от приложенного внешнего электрического поля. Такие характеристики ЖК - ячейки позволяют манипулировать интенсивностью прошедшего света. С обеих сторон от ЖК - ячейки на пути распространения излучения устанавливаются скрещенные поляризаторы. Первый из них выделяет определенную компоненту поляризации падающего излучения.

Далее это излучение попадает на жидкий кристалл, который поворачивает плоскость поляризации на определенный угол. Второй поляризатор служит для управления интенсивностью излучения: если его выделенное направление совпадает с направлением плоскости поляризации излучения, то для света он окажется абсолютно прозрачным, а если между ними будет угол 90°, то свет поглотится. Таким образом, можно изменять интенсивность излучения внешним электрическим полем. Однако при помощи подобной схемы можно сконструировать лишь черно-белый монитор. Для создания цветного дисплея необходимо наличие ячеек трех цветов - красного, синего и зеленого.

На самом деле все ячейки одинаковые, а цвета генерируются за счет пропускания излучения сквозь светофильтры нужных цветов. Но проблема состоит в том, что отфильтрованное излучение очень сильно теряет в своей интенсивности, а это сказывается на общей яркости, уменьшает глубину контраста и, естественно, качество цветопередачи. В последнее время стал применяться альтернативный подход, основанный на интересном свойстве жидких кристаллов, а именно: для разных длин волн углы поворота плоскости поляризации излучения при одном и том же внешнем поле отличаются. Реализация этого способа более технологична и сложна, но зато она позволяет достичь большей яркости, лучшей контрастности и в целом улучшить цветопередачу. Конструкция ЖК - монитора приведена на рисунке 1

 

Рисунок 1 - Конструкция ЖК - монитора

 

.2 Параметры ЖК - монитора

 

Разрешение бывает горизонтальное и вертикальное размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией.

Размер точки это расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.

Соотношение сторон экрана (формат) это отношение ширины к высоте, например: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.

Видимая диагональ это 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 это отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведенная для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению. Контрастность, по определению, есть отношение яркости белого цвета к яркости черного. В ЖК - мониторах этот параметр особенно актуален, если пиксель выключен - это означает, что он лишь глушит свет лампы подсветки в определенное количество раз, в отличие от ЭЛТ, где выключенный пиксель не светится вообще.

Яркость это количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр. В результате получается, что уровень черного для современных TN+Film-матриц составляет около 0,7-1,5 кд/м² - что при соответствующем ему уровне белого 150-250 кд/м² дает контрастность порядка 200:1, но не больше. При работе же в полутьме - например, дома вечером - яркость 1 кд/м² выглядит уже не черным, а отчетливым серым цветом. И лишь очень немногие мониторы на быстрых матрицах позволяют снизить уровень черного до 0,3-0,5 кд/м² - но лишь при снижении общей яркости экрана. Если же обратиться к MVA- и PVA-матрицах - для них уровень черного порядка 0,1 кд/м² не является чем-то недостижимым, встречаются мониторы на PVA-матрицах с реальной контрастностью вплоть до 800:1, что уже позволяет им конкурировать с мониторами на ЭЛТ (для сравнения: уровень черного на хороших мониторах может быть менее 0,05 кд/м²).

Время отклика согласно действующим стандартам, измеряется при переключении пикселя с черного на белый и обратно, причем меряется не время полного переключения, а только время перехода от 10-процентной яркости к 90-процентной. Кристаллы в ЖК - матрице управляются напряжением - чем больше поданное на ячейку напряжение, тем больше угол поворота кристаллов и тем больше света пропускает ячейка. Проблема же в том, что скорость поворота кристаллов тоже зависит от поданного напряжения - чем оно больше, тем быстрее кристалл займет нужную позицию.

Угол обзора это угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Согласно текущим стандартам, производители матриц определяют угол обзора как угол относительно перпендикуляра к центру матрицы, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре матрицы падает до 10:1. Определение угла обзора приведено на рисунке 2

 

Рисунок 2 - Определение угла обзора

 

Тип матрицы это технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

а)TN+Film-матрицы (на ранних этапах своего развития получившие приставку "Film", обозначающую дополнительную пленку, улучшающую углы обзора - так как в настоящий момент все матрицы этого типа имеют такую пленку, то отдельное упоминание о ней давно уже перестало быть обязательным, а потому, говоря о современных матрицах, "TN" и "TN+Film" можно считать синонимами) - самый старый тип матриц, ведущий свое существование еще со времен пассивных матриц. Технология TN+Film матрицы приведена на рисунке 3

 

Рисунок 3 - Технология TN+Film матрицы

 

б)IPS - матрица - это технология была разработана компанией Hitachi в 1996 году именно для устранения двух проблем TN-матриц - маленьких углов обзора и низкого качества цветопередачи. Свое название - In-Plane Switching - она получила за счет того, что кристаллы в ячейках IPS-панели всегда расположены в одной плоскости и всегда параллельны плоскости панели (не считая небольших искажений, вносимых электродами). При подаче на ячейку напряжения все кристаллы поворачиваются на 90 градусов, причем, в отличие от TN, в активном состоянии панель пропускает свет, а в пассивном (при отсутствии напряжения) - нет, так что при выходе из строя тонкопленочного транзистора соответствующий пиксель всегда будет черным. Технология IPS матрицы приведена на рисунке 4

 

Рисунок 4 - Технология IPS матрицы

 

в)MVA-матрица эта технология (Multidomain Vertical Alignment) была разработана компанией Fujitsu в 1998 году как компромисс между TN+Film и IPS-матрицами - с одной стороны, эта технология позволила обеспечить полное время отклика 25 мс (что на тот момент было совершенно недостижимо для IPS и труднодостижимо для TN), с другой стороны, MVA-матрицы имеют углы обзора 160...170 градусов, что позволяет им легко превосходить по этому параметру TN и напрямую конкурировать с IPS. Кроме того, технология MVA позволяет получить значительно более высокую контрастность, нежели TN или IPS. Технология MVA матрицы приведена на рисунке 5

 

Рисунок 5 - Технология MVA матрицы

 

г) PVA-матрица - эта технология - Patterned Vertical Alignment - была разработана компанией Samsung в качестве альтернативы MVA. Такая модель разработки для Samsung не нова - в свое время существовала также технология ACE, фактически аналогичная более привычному IPS. Структура жидких кристаллов в PVA такая же, как и в MVA - домены с различной ориентацией кристаллов позволяют сохранять нужный цвет практически независимо от угла.

 

2. Специальная часть

 

.1 Принцип работы ЖК - монитора

 

Работа ЖК основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Длинные молекулы, которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения.

 

Рисунок 11 - Создание изображения

 

Рисунок 12 - Поворот плоскости поляризации

 

Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. Создание изображения приведено на рисунке 11. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).

 

Рисунок 13 - Строение жидких кристаллов под напряжением

 

Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели. Поворот плоскости поляризации приведён на рисунке 12. При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы. Строение жидких кристаллов под напряжением приведёно на рисунке 13.

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем. В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью).

Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут иметь любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете.

Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основных цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет. Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя.