Принцип действия ЖК-мониторов

Нужный цвет под любым  углом

Подобное решение значительно  усложняет как фильтры-поляризаторы, так и сами панели, потому что  каждую точку на экране нужно дублировать  для двух зон.

Как и в S-IPS, у MVA недостатки обусловлены достоинствами. Налицо всё та же инерционность – время  отклика выше, чем у TN. Впрочем, на данный момент отличие уже абсолютно  некритично: значение достигло 8 мс. Контрастность  и яркость намного лучше S-IPS, до 1000:1. Цветопередача матриц MVA считается  компромиссной между TN и S-IPS: она  не настолько хороша, чтобы применять  её для серьёзной работы с полиграфией  и дизайном, но намного превышает  жутковатые показатели TN+film.

Компания Samsung не пожелала платить  лицензионные отчисления Fujitsu и разработала PVA. Впрочем, технологии эти очень  похожи, а отличия незначительны. Единственное существенное – большая  контрастность, что только плюс. Поэтому  довольно часто в характеристиках  монитора в графе «тип матрицы» пишут MVA/PVA.

Сравнение типов ЖК-матриц

 

ГЛАВА 3: Управление жидкими кристаллами.

3.1.Как работают жидкие кристаллы

 

При подаче напряжения к двум электродам ЖКИ молекулы жидких кристаллов «раскручиваются» тем сильнее, чем выше приложенный потенциал (рис.1). Чувствительность к электрическому напряжению - одна из основных особенностей жидких кристаллов. На рис.8 показан нормальный «белый» режим работы ЖКИ. Свет может проходить через слои жидких кристаллов, пока к ним не приложено никакой разности потенциалов, и молекулы жидких кристаллов будут изменять ориентацию световой плоскости в соответствии с их собственными углами. Однако при приложении напряжения жидкокристаллические молекулы будут «раскручивать» и «выпрямлять» свет, направляющийся к верхнему поляризационному фильтру. Поэтому свет не сможет пройти сквозь активную область ЖКИ, и эта область будет темнее окружающих зон.

 

 
Рис.1 Реакция ЖК- вещества на приложение внешнего поля

 

 
Рис.2 Прохождение света через ЖКИ

3.2.Метод управления жидкими кристаллами

На рис.3 показана схема управления жидкими кристаллами. В пределах одного выбранного периода времени переключатель замыкается и на жидкие кристаллы подается входное напряжение, что приводит к изменению ориентации жидкокристаллических молекул. Когда переключатель выключатся, определенный заряд сохраняется в Clc, при этом величина напряжения на Clc будет со временем понижаться. Для расширения возможностей хранения заряда можно рассмотреть добавление параллельно Clс запоминающего конденсатора Cst.

 

 
Рис.3 Схема управления жидкими кристаллами

3.3. Запоминающий конденсатор

Фактически управление жидкими  кристаллами должно производиться  переменным напряжением. Для активации  ЖКИ напряжение подается только при  включенном переключателе, после чего переключатель немедленно отключается. В некоторых случаях напряжение на жидких кристаллах будет падать из-за наличия утечек. Для предотвращения такой ситуации мы можем использовать один параллельный конденсатор для  компенсации напряжения утечки. При  увеличении емкости Cst форма напряжения на нем приближается к меандру (рис.4).

 

 
Рис.4 Компенсирующее действие запоминающего конденсатора

 

 

 

 

ГЛАВА 4: TFT ТЕХНОЛОГИИ.

4.1. Что такое TFT?

TFT  (Thin Film Transistor) – сокращенное название жидкокристаллического индикатора на тонкопленочных транзисторах. Сечение TFT-панели показано на рис.5.

 

 
Рис.5 Сечение TFT-панели

    Верхний поляризатор может поляризовать рассеянный свет от случайной поляризации в заданном направлении поляризации. До приложения электрического поля к электродам жидкие кристаллы выровнены в скрученную структуру. Свет в этом случае изменяется в соответствии со скрученной структурой жидких кристаллов. Нижний поляризатор сориентирован перпендикулярно верхнему поляризатору. Когда свет достигает нижнего поляризатора, оба поляризатора оказываются выровненными друг с другом. Свет может беспрепятственно проходить через них, как показано на рис.6.

 

 
Рис.6 Скрученная структура жидких кристаллов

 

4.2.Стеклянная подложка, подложка TFT и подложка цветового фильтра

С помощью высокоточных фотолитографических  технологий на стеклянную подложку наносится  узор для последовательного пошагового переноса изображений множества электродов ЖКИ (рис.7). Стекло TFT имеет столько транзисторов, сколько пикселей содержит дисплей, а генерацию цвета обеспечивает стекло цветового фильтра, имеющего фильтр цвета. Движение жидких кристаллов вызывается разностью потенциалов между электродами, находящихся на стекле TFT и стекле цветового фильтра, и именно это движение жидких кристаллов приводит к генерации цвета и оно же определяет яркость ЖКИ.

 

 
Рис.7 Стеклянные подложки TFT и цветового фильтра

4.3. Как работает жидкокристаллический индикатор на TFT

TFT выполняет роль переключателя. Вывод затвора TFT подключен к линии сканирования, вывод истока подключен к линии данных, а вывод стока соединен с Clc и Cst. Когда затвор активизирован (выбран на линии сканирования), канал TFT открывается и данные об изображении будут записаны в Clc и Cst. Когда затвор не выбран, канал TFT закрыт (рис.8).

 

 
Рис.8 Схема работы ячейки TFT-ЖКИ

4.4. Основа структуры TFT-ЖКИ

Основа структуры TFT-ЖКИ содержит жидкие кристаллы, два поляризатора и стеклянные пластины: верхняя подложка цветового фильтра и нижняя подложка массива TFT. Жидкокристаллическое вещество впрыскивается между этими двумя стеклянными пластинами (рис.9).

 

 
Рис.9 Структура TFT-ЖКИ

4.5. Регулирование потока света

Управляя величиной входного напряжения, подаваемого на жидкие кристаллы, можно  изменять расположение молекул, их ориентацию и направление, что приведет к  соответствующему изменению объема светового потока, проходящего через жидкие кристаллы (рис.10).

 

 
Рис.10 Регулирование светового потока

4.6. Формирование цвета

При прохождении светового потока через цветовой фильтр, интегрированный  в верхнее цветное стекло, формируется  каждый отдельный пиксель изображения  путем смешивания базовых цветовых элементов RGB (R-красный, G-зеленый и B-голубой). Если красный, зеленый и голубой  элементы пикселя выбраны в равной пропорции, будет сформирован белый  свет. Путем регулировки соотношения  этих трех элементов получают необходимое  количество разнообразных цветов.

 

 
Рис.11 Формирование цвета

ГЛАВА 5: LCD-технологии.

Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.  

 

Рис 12. Структура аналогового  интерфейса LCD монитора

Рис 13 Плоскость поляризации светового  луча поворачивается на 90°

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 [см. рис. 12]. 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).

Плоскость поляризации светового  луча поворачивается на 90° при прохождении  одной панели [см. рис. 13].  
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 [см.рис.14].  
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 [см. рис 15а].

 

Рис 15 (а,б)

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) [см. рис 2.4б]. 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 основные 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. Первый метод проще, второй эффективнее.  
Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 20" и более LCD мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Преимущества и недостатки ЖК-мониторов

Среди преимуществ TFT можно отметить отличную фокусировку, отсутствие геометрических искажений и ошибок совмещения цветов. Кроме того, у них никогда не мерцает экран. Почему? Ответ прост - в этих дисплеях не используется электронный  луч, рисующий слева направо каждую строку на экране. Когда в ЭЛТ  этот луч переводится из правого  нижнего в левый верхний угол, изображение на мгновение гаснет (обратный ход луча). Напротив, пиксели  дисплея TFT никогда не гаснут, они  просто непрерывно меняют интенсивность  своего свечения.  
В таблице 1.1 показаны все главные отличия рабочих характеристик для разных типов дисплеев:

Таблица Сравнительные  характеристики ЭЛТ и ЖК-мониторов.
	ЖК-мониторы	ЭЛТ-мониторы
Яркость	( +) от 170 до 250 Кд/м 2	( ~) от 80 до 120 Кд/м 2
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 использовать более высокое или более низкое разрешение, но они не оптимальны.	( +) Поддерживаются различные разрешения. При всех поддерживаемых разрешениях монитор можно использовать оптимальным образом. Ограничение накладывается только приемлемостью частоты регенерации.
Частота вертикальной развертки	( +) Оптимальная частота 60 Гц, чего достаточно для отсутствия мерцания	( ~) Только при частотах свыше 75 Гц отсутствует 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 хорошей>
Геометрические/ линейные искажения	( +) нет	( ~) возможны
Неработающие пиксели	( -) 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 имитируется требуемая цветовая температура	( +) Поддерживается True Color и при этом на рынке имеется масса устройств калибровки цвета, что является несомненным плюсом
Гамма-коррекция   (подстройка цвета под особенности человеческого 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 линии 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