Как производят матрицы для мониторов
Виды:
1. Пассивный. На ЖК ячейу подавался потенциал. Они очень медленные. Использовались например в калькуляторах.
2. Активный TFT (на тонкопленочных транзисторах) на каждый пиксель подходит отдельное питание через транзистор, и отдельное управление на каждый транзистор. Время отклика намного меньше.
В матрице имеются строчные и столбцовые драйвера. Выводы их могут быть в виде ушей, могут располагаться непосредственно на стекле или на шлейфах.
Матрицей могут называть либо всю панель в сборе, либо только непосредственно матрицу.
Матрица разбита на пиксели. Условно пиксель это одна ячейка информации, состоящая из 3 субпикселей (синего, крсаного и зеленого).
Располагаться пиксели могут тремя разными способами:
1. Strip
2. Mosaic
3. Delta
Разрешение матрицы считают обычно в пикселях по вертикали и горизонтали.
Структура матрицы:
Эффект жидкого кристалла был открыт в 1888 году. Жидким кристаллом называют текучее вещество с кристаллической структурой. Жидкие кристаллы обладают уникальными оптическими свойствами, поэтому их используют при изготовлении матриц для жк-мониторов.
Матрица — это основная деталь жк-монитора, которая непосредственно формирует изображение на экране. Качество изображения любого ЖК (LCD) монитора, в первую очередь, зависит от встроенной в него матрицы.
LCD — жидкокристаллический дисплей (ЖК).
Матрицы на основе жидких кристаллов используются не только в компьютерных мониторах, они широко применяются в различных электронных устройствах, таких как: телевизоры , фото-, видео- камеры, ноутбуки, планшеты, сканеры, смартфоны, телефоны, автомобильные навигаторы, электронные книги, плееры, часы, термометры и прочие.
Текстура LCD (ЖК) матрицы
TFT-матрицы
TFT-матрица — матрица на основе тонкоплёночных транзисторов.
В различных электронных устройствах применяются разные типы TFT-матриц. Компьютерные LCD (ЖК) мониторы, в том числе экраны ноутбуков, планшетов и смартфонов, как правило, комплектуются TFT-матрицами следующих типов: TN, VA, MVA, PVA, IPS, PLS. Все они управляется тонкоплёночными транзисторами (TFT) и отличаются друг от друга принципиальными технологическими решениями.
Каждый пиксель на экране управляется тремя транзисторами, соответствующими основным цветам RGB (красному, зеленому и синему). Если включен только один из этих трёх транзисторов образуется субпиксель. Так называемые «битые» пиксели появляются при выходе из строя этих транзисторов. На разных типах TFT-матриц битые пиксели выглядят по-разному, например на TN-матрицах они светятся, образуя белые точки, а на IPS-матрицах — чёрные.
TN и TN + film
TN-TFT — технология выполнения LCD (ЖК) матрицы, когда кристаллы, при отсутствии напряжения, поворачиваются друг к другу под углом 90° в горизонтальной плоскости между двумя пластинами. Кристаллы расположены по спирали, и в итоге при подаче максимального напряжения кристаллы поворачиваются таким образом, что при прохождении света через них образуются черные пиксели. Без напряжения — белые.
Качество цветопередачи матриц TN-TFT — довольно посредственное. На таких матрицах пиксели имеют неоднородное свечение, в результате чего искажаются цвета. Это особенно заметно при изменении угла наблюдения (особенно по вертикали). С другой стороны матрицы TN + film (Twisted Nematic + film), или просто TN — самые быстрые по отклику и дешевые в производстве.
LCD-мониторы, оснащённые TN-матрицами отлично подходят для работы с текстовыми документами, просмотра фильмов и компьютерных игр. Так же, TN-матрицы наиболее часто используются в мобильных и портативных устройствах из-за их малой энергоёмкости.
VA/MVA/PVA
Технология VA (сокр. от vertical alignment — вертикальное выравнивание) была разработана 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.
Наследницей технологии VA стала технология MVA (Multi-domain Vertical Alignment), также разработанная компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. 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. Они значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.
Достоинствами технологии MVA являются глубокий чёрный цвет (при перпендикулярном взгляде) и отсутствие как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля. Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения.
Аналогами MVA являются технологии:
- PVA (Patterned Vertical Alignment) от Samsung.
- Super PVA от Sony-Samsung (S-LCD).
- Super MVA от CMO.
- ASV (Advanced Super View), так же называется ASVA (Axially Symmetric Vertical Alignment) от Sharp
Матрицы типа *VA (MVA - Multi-domain Vertical Alignment, PVA — Patterned Vertical Alignment и их разновидности) характеризуются высокой контрастностью и достаточно хорошей цветопередачей.
Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским свойствам.
Классические матрицы типа IPS (In-Plane Switching) к настоящему времени практически не встречаются в продаже. Их сменили различные модификации IPS-матриц. Все они, по сравнению с другими типами матриц, выдают наилучшую цветопередачу и имеют углы обзора 178° по горизонтали и по вертикали без видимых искажений цветов при уменьшении угла наблюдения. Проще говоря — картинка на таком мониторе не тускнеет если на нее смотреть справа, слева, сверху или снизу.
Технология IPS была разработана компанией Hitachi в 1996 году в первую очередь для устранения этих двух проблем – маленьких углов обзора и низкого качества цветопередачи.
IPS — технология выполнения матрицы жидкокристаллического (на тонкопленочных транзисторах) экрана, когда кристаллы расположены параллельно друг другу вдоль единой плоскости экрана, а не спирально (как у TN). При отсутствии напряжения молекулы жидких кристаллов не поворачиваются.
На практике самое важное отличие IPS-матрицы от TN-TFT-матрицы состоит в повышенном уровне контрастности за счет практически идеального отображения черного цвета. Картинка получается более четкой.
Мониторы и дисплеи, созданные на базе IPS-матриц, гораздо более энергоемкие. Это обусловлено высоким уровнем напряжения, требуемого для поворота массива кристаллов. IPS требуется время, чтобы повернуть весь массив параллельных кристаллов. Таким образом, при выполнении задач, где важна скорость прорисовки, гораздо выгоднее использовать матрицы TN. С другой стороны, в повседневном применении разницу во времени отклика человек не замечает.
Мониторы на IPS-матрицах, как правило, имеют маркировку «PRO» (профессиональный) и стоят немного дороже остальных. Их предпочитают использовать художники и графические дизайнеры. Многие производители мобильных устройств комплектуют свои гаджеты IPS-экранами. К примеру, дисплей Iphone 4 является жидкокристаллическим (LCD), управляется тонкоплёночными транзисторами (TFT), и в нём жидкие кристаллы поворачиваются в плоскости дисплея (IPS).
На базе IPS было разработано несколько технологий с улучшенными характеристиками:
- S-IPS (Super-IPS) — была разработана в 1998 году, как улучшенная технология стандартной IPS. Имеет улучшенную контрастность и меньшее время отклика (используется технология Overdrive), чем у оригинальной матрицы. В настоящее время не выпускается.
- AS-IPS (Advanced Super-IPS) — Была разработана в 2002 году. В сравнении с S-IPS матрицей, улучшена контрастность и прозрачность самой матрицы, что улучшает яркость.
- H-IPS (Horizontal IPS) — Появилась в 2007 году. Достигнута ещё большая контрастность и визуальная более однородная поверхность экрана (оптимизация белого цвета). Также дополнительно появилась технология Advanced True Wide Polarizer на основе поляризационной плёнки NEC, для достижения более широких углов обзора, исключения засветки при взгляде под углом. Используется в профессиональной работе с графикой.
- e-IPS (Enhanced IPS) (разновидность H-IPS) — 2009 год. Имеет более широкую апертуру для увеличения светопроницаемости при полностью открытых пикселях, что позволяет использовать более дешевые в производстве лампы подсветки, с более низким энергопотреблением. Улучшен диагональный угол обзора, время отклика уменьшено до 5 мс. Мониторы на матрицах E-IPS имеют стандартный цветовой охват.
- S-IPS II — схожа по характеристикам с E-IPS. Немного меньше glow (глоу) эффект. По сути не является производной H-IPS, а считается отдельным ответвлением.
- P-IPS (Professional IPS) (разновидность H-IPS) — Разработана в 2010 году. Обеспечивает 1,07 млрд цветов (30-битная глубина цвета). Больше возможных ориентаций для субпикселя (1024 против 256) и лучшая глубина true color-цветопередачи. Мониторы на матрицах P-IPS имеют расширенный цветовой охват.
- AH-IPS (Advanced High Performance IPS) — 2011 год. Улучшена цветопередача, увеличено разрешение и PPI, повышена яркость и понижено энергопотребление.
PLS-матрица (Plane-to-Line Switching) была разработана компанией Samsung как альтернатива IPS и впервые продемонстрирована в декабре 2010 года. Технология PLS базируется на схожих с IPS принципах построения матриц. PLS — матрицы имеют более выгодные характеристики в возможности размещать пиксели более плотно, в высокой светопропускаемости и яркости, а также чуть меньшее энергопотребление чем у IPS. Но есть у PLS и значительные минусы. Самая низкая контрастность среди ЖК матриц и цветовой охват не более sRGB.
Впервые жидкие кристаллы были обнаружены в 1888 году австрийским ботаником Фридрихом Райнитцером в ходе исследования холестеринов в растениях. Он выделил вещество, имеющее кристаллическую структуру, но при этом странно ведущее себя при нагреве. При достижении 145.5°C вещество мутнело и становилось текучим, но при этом сохраняло кристаллическую структуру вплоть до 178.5°C, когда, наконец, превращалось в жидкость. Райнитцер сообщил о необычном явлении своему коллеге – немецкому физику Отто Леманну, который выявил ещё одно необычное качество вещества: эта псевдожидкость в электромагнитных и оптических свойствах проявляла себя как кристалл. Именно Леманн и дал название одной из ключевых технологий отображения информации на сегодняшний день – «жидкий кристалл».
Технический словарь разъясняет термин «жидкий кристалл» как мезофазу, переходное состояние вещества между твёрдым и изотропным жидким. В этой фазе вещество сохраняет кристаллический порядок расположения молекул, но при этом обладает значительной текучестью и стабильностью в широком диапазоне температур.
Почти столетие это открытие относилось к рангу удивительных особенностей природы, пока в 70-х годах ХХ века компания Radio Corporation of America не представила первый работающий монохромный экран на жидких кристаллах. Вскоре после этого технология начала проникать на рынок потребительской электроники, в частности, наручных часов и калькуляторов. Однако до появления цветных экранов было ещё очень далеко.
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;
- ещё один поляризатор;
- снова стеклянная подложка с контактами.
В цветных матрицах каждый пиксель формируется из трёх цветных точек (красной, зелёной и синей), поэтому добавляется ещё и цветной фильтр. В каждый момент времени каждая из трёх ячеек матрицы, составляющих один пиксель, находится либо во включённом, 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 передаётся ток на каждый пиксель. Во-первых, пока будет изменён 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 – тонкоплёночный транзистор. 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 ёмкости. С помощью этой технологии удалось радикально уменьшить время реакции отдельных ячеек матрицы.
Виды матриц
Различия между разными типами матриц обусловлены расположением жидких кристаллов и, как следствие, особенностями прохождения через них света.
TN+film
Кристаллы в TN-матрице
Первой и наиболее простой технологией производства матриц была технология TN (Twisted Nematic, скрученные нематические), представленная в далёком 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 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 прошёл 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 (чёрный пиксель). Для получения градаций (оттенков серого) напряжение варьируется, тогда кристаллы занимают такое положение, при котором свет проходит через фильтры неполностью.
Принцип работы ЖК-матриц на примере TN
Из-за особенностей TN чёткое 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 плёнка, которая накладывается сверху на матрицу и расширяет углы обзора. Технология стала называться TN+film. В этом исполнении она существует и по сей день. Разъясним её. 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 включённом 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 зелёный. Поэтому сверху на матрицу клеится плёнка, 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 тёмные полосы и т.д.
Ещё одна особенность TN состоит в том, что положением пикселя по умолчанию (т.е. при отключённом 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 чёрного цвета.
В связи с ограниченной скоростью пассивных матриц для уменьшения скорости реакции была разработана технология STN (Super Twisted Nematic). Смысл её 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 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-жёлтым, 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:
| Плюсы | Минусы |
| высокая скорость переключения ячеек | абсолютно низкое качество цветопередачи |
| низкая цена | малые углы обзора |
| низкая контрастность (соотношение между белым и чёрным) | |
| низкая цена |
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 придётся обратить взор на другие матрицы.
Жидкокристаллическая матрица TN+film состоит из следующих элементов:
⁃лампа подсветки из ртути;
⁃система отражателей для равномерной подсветки;
⁃стеклянная подложка с контактами;
Пиксель в жидкокристаллической матрице формируется из 3 ячеек или точек синего, красного и зелёного цветов. Включая и выключая эти точки, комбинируя эти состояния, получают тот или иной цвет. Управление матрицей происходит по‐пиксельно. Здесь кроется большой недостаток данных пассивных матриц: пока сигнал дойдёт до последних пикселей, яркость первых, вследствие потери заряда уменьшится. Да и строить матрицы с большой диагональю по подобной технологии также нецелесообразно. Потребуется увеличить напряжение, что приведёт к росту помех.
Для преодоления этих препятствий была разработана технология TFT(Thin Film Transistor) или тонкоплёночный транзистор. Поскольку транзистор это активный элемент, соответственно, матрицы стали активными. Применение таких транзисторов позволило управлять каждым пикселом отдельно, что позволило значительно увеличить время реакции и производить жидкокристаллические матрицы больших размеров.
В каждой ячейке того или иного цвета, входящей в состав пикселя, расположены молекулы жидких кристаллов. В технологии TN+film они выстроены друг за другом, но развёрнуты относительно друг друга по‐спирали таким образом, что крайние молекулы развёрнуты относительно друг друга на 90 градусов. Данные молекулы расположены в специальных бороздках, которые и создают такое расположение на стеклянной подложке.
К концам данной спирали подсоединены электроды, к которым подаётся напряжение, управляющее пикселом. В ответ на это, в зависимости от напряжения, спираль начинает сжиматься. Таким образом при отсутствии напряжения свет проходит через первый фильтр‐поляризатор, затем молекулы жидкого кристалла разворачивают свет на 90 градусов, чтобы он был в одной плоскости со 2 фильтром и прошёл сквозь него. Таким образом получаем белый пиксель.
Если будет подано максимальное напряжение, молекулы кристалла займут такое положение, при котором свет будет поглощён полностью вторым фильтром‐поляризатором. Соответственно пиксель окрасится в чёрный цвет. При вариациях поданного напряжения, свет будет частично поглащаться поляризатором из‐за расположения кристаллов. Пиксель будет окрашен в серые оттенки, что означает свет будет частью проходить, а частью поглощаться.
Поскольку матрица, изготовленная по этой технологии обладают малыми углами обзора, применили специальную плёнку, накладываемую сверху и раширяющую обзор. Получилась технология TN+film, у которой при смене угла обзора интенсивность цвета меняется не так резко. Данная технология применяется и сейчас, поскольку она самая дешёвая. Но для работы с графикой она не подходит.
Плюсы технологии TN+film:
⁃высокое быстродействие матрицы;
⁃малые углы обзора;
Технология S‐IPS основана на тех же принципах, отличие состоит в том, что молекулы выстраиваются друг за другом параллельно, а не скручиваясь в спираль, как в технологии TN+film. Электроды расположены на нижней подложке. При отсутствии напряжения свет не проходит через 2 поляризационный фильтр, плоскость поляризации которого расположена под углом 90 градусов. Таким образом получается насыщенный чёрный цвет. Углы обзора матриц, выполненных по этой технологии, составляют до 170 градусов по горизонтали и вертикали, что очень выгодно отличает данные мониторы от предыдущих.
Плюсы технологии S‐IPS:
⁃большие углы обзора по горизонтали и вертикали;
⁃большое время отклика, так как надо развернуть молекулы на больший угол;
⁃более мощные лампы для подсветки панели;
⁃необходимы более мощные напряжения для разворота молекул, так как электроды в одной плоскости;
Исходя из характеристик матриц, выполненных по данной технологии, применять их лучше всего в дизайнерских задачах, там где не требуется высокое быстродействие динамичных сцен, но требуется качественная цветопередача.
Компромиссом между высокой цветопередачей технологии S‐IPS и быстродействием TN+film, стала технология MVA. Суть данной технологии состоит в том, что молекулы распологаются параллельно друг другу, а по отношению ко 2 фильтру по углом 90 градусов. Второй фильтр имеет сложное строение, он состоит из треугольников, к боковым сторонам которым и развёрнуты молекулы кристаллов таким образом. Попадая на второй фильтр через молекулы, свет поляризуется на 90 градусов(работа молекул кристалла) и поглощается 2 фильтром, который такой свет не пропускает. В результате получаем чёрный свет.
Подавая напряжение, молекулы начинают поворачиваться и тем самым направляя свет на 2 фильтр уже под углом, отличным от 90 градусов. В результате свет начинает проходить сквозь 2 фильтр с интенсивностью пропорциональной приложенному напряжению. Данная технология вольно или невольно делит экран на 2 части, по направленности молекул к 2 фильтру, получается то, что находясь по отношению к экрану со стороны, для нас молекулы кристаллов другой стороны не действуют. Мы видим только ту зону, которая ближе к нам и которая цвет не искажает. Применение подобной технологии значительно усложняет строение фильтров‐поляризаторов и самих матриц, так как каждую точку экрана дублируют с 2 зон.
Фирма Samsung не пожелала платить за лицензию и разработала свою технологию PVA, очень похожую на MVA, и имеющую ещё большую контрастность. Поэтому зачастую в характеристиках мониторов указывается MVA/PVA.
Плюсы технологии MVA/PVA:
⁃большие углы обзора;
⁃хорошая цветопередача и контрастность;
⁃сложность изготоления матрицы;
⁃время отклика больше, чем матриц технологии TN+film
На этом обзор технологий жидкокристаллических матриц завершаем. Что касается сравнительно недавно ананосированной фирмой Samsung технологии PLS(Plane‐to‐Line Switching), то она скорей всего развитие технологии S‐IPS. Во вском случае сторонние эксперты изучив матрицы PLS и S‐IPS под микроскопом, отличий не выявили. Более того Samsung выдвинула иск против LG, в котором утверждала, что используемая LG технология AH‐IPS, является модификацией PLS, что косвенно подтверждает вышесказанное.
Плазменные мониторы в настоящее время получили широкое распространение благодаря тому, что подешевела технология производства. Производятся мониторы с большой диагональю, поскольку производить с малой диагональю технологически затруднительно. Поэтому и цены на них могут быть больше, чем на широкоэкранные.
Матрица плазменного монитора состоит из ячеек, на стенки которой нанесено покрытие из фосфора, а сами ячейки заполнены инертным газом: неоном или ксеноном. При подаче напряжения на ячейку происходит разряд, инертный газ начинает испускать фотоны, которые в свою очередь бомбардируют фосфорное покрытие ячейки. Фосфор в свою очередь начинает испускать фотоны света. Всем известно, как фосфор люминесцирует даже при дневном свете.
Ячейки плазменной матрицы имеют 3 цвета: красный, зелёный, синий, и в таком составе образуют пиксель. Соответственно, подавая напряжения разной интенсивности и комбинируя цвета, получают на данный момент тот цвет, который необходим. Принцип такой же, как и у жидкокристаллических матриц, просто вместо кристаллов используется ячейки с инертным газом. Причём, каждая ячейка пикселя управляется отдельно, что самым лучшим образом сказывается на цветопередаче и контрастности.
В целом экран плазменной матрицы состоит из 2 стёкол, наружного и внутреннего, между которыми располагаются 2 слоя диэлектрика с электродами. Один слой диэлектрика примыкает к внешнему стеклу. В этот диэлектрик встроены питающие электроды или электроды экрана. После слоя диэлектрика идёт тонкий слой оксида магния или защитный слой. А затем сам слой с ячейками инертного газа.
Со стороны внутреннего стекла также есть слой диэлектрика в который встроены электроды, которые называются адресными или управляющими. Таким образом, при подаче напряжения между питающим и адресным электродом и возникает газоразрядный ток, который приводит к испусканию фотонов в отдельной ячейке и всей плазменной панели в целом, согласно необходимому сюжету.
Как видно из этого описания, технология матрицы плазменных мониторов несколько проще, чем жидкокристаллических. Рассмотрим теперь плюсы и минусы данной технологии.
⁃большие углы обзора;
⁃бесподобное качество цветопередачи и контрастности, насыщенность передаваемого цвета;
⁃абсолютно плоский экран и его малая толщина;
⁃небольшое время регенерации изображения;
У всякой технологии есть какой‐либо предел, поэтому свои недостатки есть и у плазмы:
⁃повышенное энергопотребление, поскольку используется газоразрядный эффект;
⁃большой размер пиксела, что влияет на разрешающую способность картинки с мелкими деталями;
⁃ресурс плазменных панелей ниже, чем жидкокристаллических;
⁃панели с малой диагональю дороже аналогичных жидкокристаллических;
OLED‐матрица состоит из органических светодиодов. Светодиод состоит из катода и анода, между которыми находится органическое вещество. При прохождении электрического тока катод испускает электроны, а анод—положительные ионы. Электрическое поле направляет эти частицы навстречу друг другу и рекомбинируя друг с другом они испускают свет. Анод, выполненный изоксида индия с добавками олова пропускает свет в видимом диапозоне.
Для создания цветных OLED‐дисплеев были подобраны вещества, которые могут излучать свет разной длины волны, и соответственно, цвета. Светодиоды синего, красного и зелёного цвета образуют ячейку матрицы. Данная ячейка управляется путём подачи к ней напряжения. Контроллер матрицы на большой скорости последовательно подаёт управляющее напряжение, как в строчной развёртке электронно‐лучевой трубки. За счёт этого человеческий глаз не успевает почувствовать разницу цвета, когда ячейка получила импульс, а когда он перестал воздействовать на ячейку. Такая OLED‐матрица является пассивной.
Есть и активные OLED‐матрицы, где каждой ячейкой управляет свой транзистор, и все диоды загораются практически одновременно. Такая матрица дороже пассивной, из‐за сложности производства.
Возможности OLED‐технологии удивительны. Так, например, прозрачным можно сделать не только анод, но и катод. В этом случае дисплей будет полностью прозрачным, а на восприятии картинки за счёт яркости свечения светодиодов, это не отразится. Или же вместо подложки из стекла, использовать гибкий материал. В этом случае экран можно сворачивать в трубочку.
Массовое производство OLED‐мониторов пока наблюдать не приходится в связи с большой ценой. Да и производить дисплеи с большими диагоналями трудней. Тем не менее, фирмы не останавливаются в своих оисследованиях. Не так давно фирма Samsung анонсировала монитор с диагональю 55 дюймов, поэтому проблемы, возникающие в технологии изготовления OLED‐матриц преодолеваются.
Рассмотрим достоинства технологии OLED:
⁃углы обзора самые большие по сравнению с другими технологиями;
⁃самая высокая контрастность среди существующих технологий;
⁃время отклика измеряется в микросекундах, а у жидкокристаллических матриц в миллисекундах;
Первым массовым продуктом с использованием жидких кристаллов стали электронные часы. Монохромный дисплей состоял, как известно, из отдельных полей, заполненных жидкими кристаллами. При подаче напряжения, с помощью которого кристаллы упорядочиваются, нужные поля препятствуют прохождению света и выглядят черными на светлом фоне. Цветные дисплеи появились, когда размеры ячейки удалось значительно уменьшить и снабдить каждую цветным фильтром. Кроме того, в современных ЖК мониторах используется задняя подсветка.
Первым массовым продуктом с использованием жидких кристаллов стали электронные часы.
Для подсветки используется обычно 4 или 6 ламп и зеркала для более обеспечения равномерности. В основе работы ЖК-панели — поляризация света. На пути светового потока две поляризационные пленки с перпендикулярными направлениями поляризации. То есть в сумме эти две пленки задерживают весь свет. Расположенные между пленками жидкие кристаллы разворачивают часть потока, поляризованного первой пленкой, и таким образом регулируют свечение экрана.
Схема субпикселя ЖК-матрицы.
Каждый пиксель составляют синий, красный и зеленый субпиксели
Слой жидкокристаллического вещества «зажат» между двумя направляющими пленками с мельчайшими засечками, по направлению которых и выстраиваются кристаллы. Изменить направление ориентации кристаллов можно, например, с помощью электрического импульса, как это и делается в матрицах ЖК-мониторов. В современных матрицах каждая ячейка имеет собственный транзистор, резистор и конденсатор. Собственно в цветных матрицах каждый пиксель представляет собой три ячейки: красную, зеленую и синюю.
Матрица TN. Самая старая и самая распространенная
Самый старый тип матриц, из тех, которые сейчас применяются — TN. Название технологии расшифровывается как Twisted Nematic. Нематические жидкокристаллические субстанции состоят из продолговатых кристаллов с пространственной ориентацией, но без жесткой структуры. Такое вещество легко поддается внешним воздействиям.
В матрицах TN кристаллы выстроены параллельно плоскости экрана, а верхний и нижний слой кристаллов повернуты перпендикулярно относительно друг друга. Все остальные «скручены» по спирали. Таким образом, весь пропущенный свет так же скручивается и беспрепятственно проходит через внешнюю поляризующую пленку. Так что в выключенном состоянии ячейка TN матрицы светится, а при подаче напряжения кристаллы постепенно проворачиваются. Чем выше напряжение, тем больше кристаллов разворачивается, и тем меньше проходит света. Как только все кристаллы развернутся параллельно световому потоку, ячейка «закрывается». Но для TN матриц добиться идеально черного цвета очень трудно.
Кристаллы в матрице TN "скручены" по спирали (1).
При подаче напряжения они начинают поворачиваться (2).
Когда все кристаллы перпендикулярны поверхности (3), свет не проходит.
Главная проблема TN матриц в несогласованности поворота кристаллов: одни уже развернуты полностью, другие только начали поворачиваться. Из-за этого происходит рассеивание светового потока и, в конечном счете, картинка под разными углами выглядит не одинаково. Горизонтальные углы обзора современных матриц можно считать приемлемыми, но при повороте по вертикали даже в небольших пределах, искажения существенные. Цветопередача матриц TN далека от идеальной — они в принципе не могут выводить полную палитру цветов, компенсирую недостаток оттенков с помощью хитрых алгоритмов. Такие алгоритмы с частотой не заметной глазу воспроизводят в ячейке попеременно оттенки, ближайшие к тому, который воспроизвести не удается. Зато технология TN обеспечивает максимальную скорость срабатывания ячейки, минимальное энергопотребление и максимально дешева. Эти два обстоятельства и делают самую старую технологию самой популярной и самой распространенной.
IPS. Идеально для фото и графики. Но дорого
Второй по времени разработки стала технология IPS (In Plane Switch). Такие матрицы производят заводы Hitachi, LG.Philips. NEC производит матрицы сделанные по сходной технологии, но с собственной аббревиатурой SFT (Super Fine TFT).
Как следует из названия технологии, все кристаллы расположены постоянно параллельно плоскости панели и поворачиваются одновременно. Для этого пришлось расположить на нижней стороне каждой ячейки по два электрода. В выключенном состоянии ячейка черная, так что если она «умерла», на экране будет черная точка. А не постоянно светящаяся, как у TN.
В матрице IPS кристаллы всегда параллельны поверхности экрана
IPS технология обеспечивает наилучшую цветопередачу и максимальные углы обзора. Из существенных недостатков — болшее, чем у TN , время отклика, более заметная межпиксельная сетка и высокая цена. Улучшенные матрицы получили название S - IPS и SA - SFT (соответственно у LG . Philips и NEC ). Они обеспечивают уже приемлемое время отклика на уровне 25 мс, а новейшие и того меньше — 16 мс. Благодаря хорошей цветопередаче и углам обзора IPS матрицы стали стандартом для графических профессиональных мониторов.
MVA/PVA. Разумный компромисс?
Как компромисс между TN и IPS можно рассматривать разработанную Fujitsu технологию VA (Vertical Alignment). В матрицах VA кристаллы в выключенном состоянии расположены перпендикулярно плоскости экрана. Соответственно черный цвет обеспечивается максимально чистый и глубокий. Но при повороте матрицы относительно направления взгляда, кристаллы будут видны не одинаково. Для решения проблемы применяется мультидоменная структура. Разработанная Fujitsu технология Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) предусматривает выступы на обкладках, которые определяют направление поворота кристаллов. Если два поддомена поворачивается в противоположных направлениях, то при взгляде сбоку один из них будет темнее, а другой светлее, таким образом для человеческого глаза отклонения взаимно компенсируются. В матрицах PVA , разработанных Samsung нет выступов, и в выключенном состоянии кристаллы строго вертикальны. Для того, чтобы кристаллы соседних субдоменов поворачивались в противоположных направлениях, нижние электроды сдвинуты относительно верхних.
В матрицах VA типа в выключенном состоянии кристаллы перпендикулярны поверхности экрана
Для уменьшения времени отклика в матрицах Premium MVA и S - PVA применяется система динамического повышения напряжения для отдельных участков матрицы, которую обычно называют Overdrive . Цветопередача матриц PMVA и SPVA почти так же хороша как и у IPS , время отклика немного уступает TN , углы обзора максимально широкие, черный цвет наилучший, яркость и контраст максимально возможные среди всех существующих технологий. Однако даже при небольшом отклонении направления взгляда от перпендикуляра, даже на 5–10 градусов можно заметить искажения в полутонах. Для большинства это останется незамеченным, но профессиональные фотографы продолжают за это недолюбливать технологии VA .
Для домашнего использования и для работы в офисе часто цена является решающим аргументом, и из-за этого мониторы с матрицей TN пользуются максимальной популярностью. Они обеспечивают приемлемое качество изображения при минимальном времени отклика, что является критически важным параметром для любителей динамичных игр. PVA и MVA матрицы не столь широко распространены из-за более высокой цены. Они обеспечивают очень высокий контраст (особенно PVA ), большой запас по яркости и хорошую цветопередачу. В качестве основы для домашнего мультимедийного центра (замена телевизора), это лучший выбор. Матрицы IPS все реже устанавливаются в мониторы с диагональю до 20 дюймов. По качеству лучшие модели S - IPS и SA - SFT не уступают CRT мониторам и все чаще применяются профессионалами в области фото, полиграфии и дизайна. Практические рекомендации по выбору монитора можно прочитать в статье «Выбираем ЖК-монитор. Что предпочесть фотографу, геймеру и домохозяйке?»
Совсем недавно, т.е. лет 15 назад, вряд ли многие предполагали, что ЖК-мониторы смогут вытеснить кинескопные. Качество LCD было низким, а цена крайне высокой. Но и сейчас нельзя назвать технологию производства панелей на жидких кристаллах идеальной. Для улучшения цветопередачи, увеличения контрастности и обеспечения равномерности подсветки в профессиональном NEC Reference 21 применена диодная подсветка. Стоит этот монитор около $6000 и пока его можно считать скорее полиграфическим оборудованием, чем компьютерной перефирией. Но мы знаем множество примеров, когда профессиональные технологии "спускаются" к любителям.
Многие крупные компании (Sanyo, Samsung, Epson) разрабатывают экраны на основе OLED — органических кристаллов. Сами кристаллы испускают свет при подаче напряжения, эти экраны чрезвычайно экономичные, яркие и контрастные. Но пока применяются только в мелкой портативной технике из-за дороговизны и технических проблем, связанных с долговечностью, воспроизведением некоторых цветов. В совсем отдаленной перспективе могут появиться и абсолютно новые технологии, о которых сейчас слышали только специалисты, а экран можно будет свернуть в трубочку или наклеить на стену. А может быть и не будет мониторов в нашем привычном понимании? А может быть, все перейдут на проекторы? И в качестве экрана можно будет использовать практически любую поверхность. Заманчивая перспектива.
Читайте также: