Файл: Мультимедиа технологии.pdf

194
Принцип работы жидкокристаллических экранов
Работа жидкокристаллических матриц основана на таком свойстве света, как поляризация. Обычный свет является неполяризованным, т.е. амплитуды его волн лежат в огромном множестве плоскостей. Однако существуют вещества, способные пропускать свет только с одной плоскости.
Эти вещества называют поляризаторами, поскольку прошедший сквозь них свет становится поляризованным только в одной плоскости.
Если взять два поляризатора, плоскости, поляризации которых расположены под углом 90° друг к другу, свет через них пройти не сможет.
Если же расположить между ними что-то, что сможет повернуть вектор поляризации света на нужный угол, мы получим возможность управлять яркостью свечения, гасить и зажигать свет так, как нам хочется. Таков, если описывать вкратце, принцип работы ЖК-матрицы. Конкретную реализацию этого принципа в разных матрицах мы рассмотрим ниже.
В упрощенном виде матрица жидкокристаллического дисплея состоит из следующих частей:
 CCFL (ртутная) лампа подсветки;
 система отражателей и полимерных световодов, обеспечивающая равномерную подсветку;
 фильтр-поляризатор;
 стеклянная пластина-подложка, на которую нанесены контакты;
 жидкие кристаллы;
 еще один поляризатор;
 снова стеклянная подложка с контактами.

195
Рис.9.1. ЖК-матрица (упрощенно)
В цветных матрицах каждый пиксель формируется из трех цветных точек (красной, зеленой и синей), поэтому добавляется еще и цветной фильтр. В каждый момент времени каждая из трех ячеек матрицы, составляющих один пиксель, находится либо во включенном, либо в выключенном положении. Комбинируя их состояния, получаем оттенки цвета, а включая все одновременно – белый цвет.
Глобально матрицы делятся на пассивные (простые) и активные. В пассивных матрицах управление производится попиксельно, т.е. по порядку от ячейки к ячейке в строке. Проблемой, встающей при производстве ЖК- экранов по этой технологии, стало то, что при увеличении диагонали увеличиваются и длины проводников, по которым передается ток на каждый пиксель. Во-первых, пока будет изменен последний пиксель, первый успеет потерять заряд и погаснуть. Во-вторых, большая длина требует большего напряжения, что приводит к росту помех и наводок. Это резко ухудшает качество картинки и точность цветопередачи. Из-за этого пассивные матрицы применяются только там, где не нужны большая диагональ и высокая плотность отображения.
Для преодоления этой проблемы были разработаны активные матрицы.
Основой стало изобретение технологии, известной всем по аббревиатуре
TFT, что означает Thin Film Transistor – тонкопленочный транзистор.

196
Благодаря TFT, появилась возможность управлять каждым пикселем на экране отдельно. Это резко сокращает время реакции матрицы и делает возможными большие диагонали матриц. Транзисторы изолированы друг от друга и подведены к каждой ячейке матрицы. Они создают поле, когда им приказывает управляющая логика – драйвер матрицы. Для того, чтобы ячейка не потеряла заряд преждевременно, к ней добавляется небольшой конденсатор, который играет роль буферной емкости. С помощью этой технологии удалось радикально уменьшить время реакции отдельных ячеек матрицы.
9.2 Виды матриц
Различия между разными типами матриц обусловлены расположением жидких кристаллов и, как следствие, особенностями прохождения через них света.
TN+film
Рис.9.2.TN+film
Первой и наиболее простой технологией производства матриц была технология TN (Twisted Nematic, скрученные нематические), представленная в далеком 1973 году. Особенностью нематических кристаллов является то, что они выстраиваются друг за другом, как солдаты в колонне. Организация их в матрице выглядит как спираль. Для этого на стеклянных подложках

197 делаются специальные бороздки, благодаря которым первый кристалл в спирали всегда расположен в одной и той же плоскости. Следующие за ним кристаллы располагаются друг за другом по спирали, пока последний не укладывается в аналогичную бороздку на второй подложке, расположенную под углом 90° к первой. К каждому концу спирали подведены электроды, которые и влияют на расположение кристаллов созданием электрического поля. При отсутствии напряжения и поля кристаллы поворачивают ось поляризации света, прошедшего через первый поляризатор, на 90°, чтобы он оказался в одной плоскости со вторым поляризатором и беспрепятственно прошел сквозь него. Так получается белый пиксель. Если подать напряжение на электроды, спираль начинает сжиматься. Максимальное значение напряжения соответствует такому положению, при котором кристаллы не поворачивают поляризованный свет, и он поглощается вторым поляризатором (черный пиксель). Для получения градаций (оттенков серого) напряжение варьируется, тогда кристаллы занимают такое положение, при котором свет проходит через фильтры неполностью.
Из-за особенностей TN четкое формирование оттенков сильно затруднено, и по сей день цветопередача является их ахиллесовой пятой.
Проблемой первых TN-матриц были очень небольшие углы обзора, при которых ячейка была видна с нужным цветом. Поэтому была разработана специальная пленка, которая накладывается сверху на матрицу и расширяет углы обзора. Технология стала называться TN+film. В этом исполнении она существует и по сей день. Разъясним ее. Угол между нормалью фронта световой волны и углом директора молекул ЖК (так научно называются те самые бороздки) равен j. Интенсивность пропущенного через 2 поляризатора света равна sin2 j. С практической точки зрения эти построения означают, что при полностью включенном пикселе угол j составляет не более 30°, а интенсивность света меняется в пределах 10%. А вот в среднем положении при уровне серого 50% угол j составит 45°, а изменение интенсивности – примерно 90%. Естественно, вряд ли кого устроит то, что, пошевелившись на стуле, он увидит вместо красного цвета зеленый. Поэтому сверху на матрицу

198 клеится пленка, имеющая другое значение j, из-за чего изменение интенсивности при смене угла обзора уже не так заметно. Сегодняшние матрицы обеспечивают нормальное изображение при отклонении от центра примерно на 50-60° по горизонтали (угол обзора 100-120°), а вот с вертикальными углами дело обстоит хуже. При отклонении от центра по вертикали хотя бы на 30 градусов нижняя часть матрицы начинает светлеть, иногда появляются темные полосы и т.д.
Рис.9.3. Работа ЖК-матрицы на примере TN
Еще одна особенность TN состоит в том, что положением пикселя по умолчанию (т.е. при отключенном токе на электродах) является белый цвет.
При этом, если транзистор сгорает, мы получаем всегда ярко горящую точку на мониторе. А если учесть, что добиться абсолютно точного положения кристаллов невозможно, на TN-матрицах невозможно добиться и хорошего отображения черного цвета.
В связи с ограниченной скоростью пассивных матриц для уменьшения скорости реакции была разработана технология STN (Super Twisted Nematic).
Смысл ее заключается в том, что бороздки на стеклянных подложках, ориентирующие первый и последний кристалл, расположены под углом более 200° друг к другу, а не 90°, как в обычной TN. В таком случае переход

199 между крайними состояниями резко ускоряется, однако становится крайне сложно управлять кристаллами в средних положениях. Более-менее стабильными они были при углах между бороздками около 210°. Однако без недостатков не обошлось и тут: при отклонении от центра ячейки белый свет становился либо грязно-желтым, либо голубоватым. Чтоб хоть как-то сгладить эту проблему, инженеры Sharp разработали DSTN – Dual-Scan
Twisted Nematic. Суть технологии состоит в том, что экран делится на две части, каждая из которых управляется отдельно. Помимо увеличения скорости, преимуществом технологии было смягчение искажений цветов, а недостатком – большой вес и высокая стоимость.
Итак, выделим достоинства и недостатки матриц TN+film (во всех исполнениях) на сегодняшний день
Таблица 9.1 Достоинства и недостатки матриц TN+film
Плюсы
Минусы
1. высокая скорость переключения ячеек
2. низкая цена
1. абсолютно низкое качество цветопередачи
2. малые углы обзора
3. низкая контрастность
(соотношение между белым и черным)
К сожалению, подавляющее большинство производимых сегодня ЖК- мониторов самой ходовой диагонали 17” производится на базе TN+film из-за дешевизны технологии. В принципе, для нетребовательного к качеству изображения пользователя ничего страшного в этом нет, однако для работы с графикой придется обратить взор на другие матрицы.

200
S-IPS
Рис.9.4. IPS
Компания Hitachi решила не бороться с недостатками TN, а просто применить другую технологию. За основу было взято открытие Гюнтера
Баура, датируемое 1971 годом. Разработанная технология получила название
Super-TFT, а при коммерциализации – IPS (In-Plane Switching). Кардинальное отличие данной технологии от TN состоит в расположении кристаллов: они не скручены в спираль, а расположены параллельно друг другу вдоль плоскости экрана. Оба электрода находятся на нижней стеклянной подложке.
При отсутствии напряжения на электродах свет не пропускается через второй поляризационный фильтр, плоскость поляризации которого расположена под углом 90° к первому. Таким образом, у IPS черный цвет остается черным, а не темно-серым. Кроме того, углы обзора составляют 170° как по горизонтали, так и по вертикали.
Недостатки технологии обусловлены ее достоинствами.
Во-первых, чтобы повернуть весь массив расположенных параллельно кристаллов, требуется время. Поэтому время реакции у мониторов на базе
IPS, а также эволюционных продолжений этой технологии S-IPS (Super-IPS) и DD-IPS (DualDomain-IPS) выше, чем у TN+film. Среднее значение для этого типа матриц – 35-25 мс.

201
Во-вторых, расположение электродов на одной подложке требует большего напряжения для создания достаточного поля, чтобы повернуть кристаллы в нужное положение. Поэтому мониторы на основе IPS-матриц потребляют больше электроэнергии.
В-третьих, требуются более мощные лампы, чтобы просветить панель и при этом обеспечить достаточную яркость.
В-четвертых, эти панели банально дороги, и до недавнего времени устанавливались только в мониторы с большими диагоналями.
Одним словом, мониторы на основе матриц этого типа остаются идеальным выбором для дизайнеров и других специалистов, работа которых критична к качеству цветопередачи и некритична к скорости переключения ячеек.
MVA/PVA
Рис.9.5. MVA/PVA
Поскольку с недостатками TN+film бороться стало практически невозможно, а повысить быстродействие S-IPS – так и просто нереально, компания Fujitsu разработала и представила в 1996 году технологию VA
(Vertical Alignment). Для коммерческого использования, впрочем, эта технология не подходила и была развита до MVA (Multi-Domain Vertical

202
Alignment). Технология должна была служить компромиссом между быстродействием TN и качеством изображения S-IPS. Потому и реализация во многом схожа с IPS.
В этих матрицах кристаллы располагаются параллельно друг к другу и под углом 90° ко второму фильтру. Таким образом, свет попадает во второй фильтр с осью поляризации, направленной под углом 90° к плоскости поляризации фильтра, и поглощается. В результате мы получаем незасвеченный черный цвет на экране. Подавая напряжение на ячейку, мы поворачиваем кристаллы и получаем светящийся пиксель.
Недостатком первых матриц VA было то, что цвет резко изменялся при смене угла обзора по горизонтали. Для того чтобы понять это явление, представьте себе, что кристаллы повернуты на 45 градусов и показывают светло-красный цвет. Теперь смещаемся в одну сторону. Угол обзора растет, и мы получаем уже намного более насыщенный красный цвет. Смещаясь в другую сторону, мы видим, как цвет уходит в противоположную часть спектра и становится светло-красным. Поэтому и была разработана MVA.
Суть ее состоит в том, что поляризационные фильтры были значительно усложнены, а на стеклянную подложку стали наноситься не плоские электроды, а cвоеобразные треугольники.
При отключенном токе кристаллы всегда выстраиваются перпендикулярно подложке, так что, с какой бы стороны мы ни смотрели, всегда будет черный. При включенном же токе, как всегда, кристаллы поворачиваются на нужный угол и поворачивают вектор поляризации света.
Вот только угол этот – между плоскостью электрода и кристалла. Если мы смотрим под углом, мы всегда увидим только одну зону, кристаллы в которой расположены как раз в таком положении, чтобы не искажать цвет.
Вторая зона видна не будет.
Подобное решение значительно усложняет как фильтры-поляризаторы, так и сами панели, потому что каждую точку на экране нужно дублировать для двух зон.

203
Рис. 9.6 Изменение структуры при подаче напряжения
Как и в S-IPS, у MVA недостатки обусловлены достоинствами. Налицо все 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 ее для серьезной 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.

204
Рис. 9.7 Сравнение технологий, реализующих принципы ЖК экранов
9.3 Параметры ЖК-мониторов
Время отклика
Этот показатель означает минимальное время, за которое ячейка жидкокристаллической панели изменяет цвет. Существуют два способа измерения скорости матрицы: black to black, черный-белый-черный, и gray to gray, между градациями серого. Эти значения очень сильно различаются.
При изменении состояния ячейки между крайними положениями
(черный-белый) на кристалл подается максимальное напряжение, поэтому он поворачивается с максимальной скоростью. Именно так получены значения в
8, 6, а иногда и 4 мс в характеристиках современных мониторов.
При смещении кристаллов между градациями серого на ячейку подается намного меньшее напряжение, потому что позиционировать их нужно точно для получения нужного оттенка. Поэтому и времени для этого затрачивается намного больше (для матриц 16 мс – до 27-28 мс).
Лишь недавно в конечных продуктах смогли воплотить достаточно логичный способ решения этой проблемы. На ячейку подается максимальное напряжение (или сбрасывается до нуля), а в нужный момент моментально выводится на нужное для удержания положения кристалла. Сложностью является четкое управление напряжением с частотой, превышающей частоту развертки. Кроме того, импульс нужно высчитывать с учетом начального

205 положения кристаллов. Однако Samsung уже представила модели с технологией Digital Capacitance Compensation, дающей показатели 8-6 мс для матриц PVA.