Монитор - пожалуй один из самых основных элементов компьютера: именно от него зависит, будут ли через десять минут использования болеть глаза, сможете ли вы корректно обработать картинку, и даже сможете ли вы вовремя заметить врага в компьютерной игре. И за больше чем 15 лет существования жидкокристаллических мониторов количество разновидностей матриц превысило десяток, а разброс цен от нескольких тысяч до сотен тысяч рублей - и в этой статье мы разберемся, какие типы матриц существуют, и какие будут лучшими для той или иной задачи.

TFT TN

Самый старый тип матрицы, который все еще занимает значительную долю рынка и не собирается с него уходить. Именно TN в продаже уже давно нет - в основном продаются улучшенные модификации, TN+film: улучшение позволило довести горизонтальные углы обзора до 130-150 градусов, но вот с вертикальными все плохо: даже при отклонении на десяток градусов цвета начинают меняться, вплоть до инвертирования. К тому же в большинстве своем такие мониторы не охватывают и 70% sRGB, а значит для цветокоррекции они не подойдут. Еще один минус - достаточно низкая максимальная яркость, обычно она не превышает 150 Кд/м^2: этого хватит разве что для работы в помещении.

Казалось бы - все, TFT TN безнадежно устарели и их пора списывать. Однако не все так просто - эти матрицы имеют наименьшее время отклика, и поэтому прочно обосновались в дорогом игровом сегменте. Шутка ли - время задержки наилучших TN не превышает 1 мс, что в теории позволяет вывести аж 1000 отдельных кадров в секунду (на деле меньше, но сути это не меняет) - отличное решение для киберспортсмена. Ну и к тому же в таких матрицах за уши притянули яркость до 250-300 Кд/м^2, а цветовой охват худо-бедно соответствует 80-90% sRGB: для цветокоррекции не подойдет все равно (углы обзора небольшие), а вот для игр это идеальное решение. Увы - все эти улучшения привели к тому, что стоимость таких мониторов от 500 долларов только начинается, так что использовать их имеет смысл только тем, кому критично важна минимальная задержка.

Ну а в низком ценовом сегменте TN все больше вытесняется MVA и IPS - последние выдают гораздо лучшую картинку, и стоят буквально на 1-2 тысячи дороже, так что если есть возможность - лучше за них переплатить.

TFT IPS

Этот тип матриц начал свой путь на пользовательский рынок с телефонов, где низкие углы обзора у TN-матриц достаточно сильно мешали нормальному использованию. В последние несколько лет цена на IPS мониторы значительно снизилась, и их теперь можно купить даже в бюджетный компьютер. У этих матриц есть два основных плюса: углы обзора достигают почти 180 градусов как по горизонтали, так и по вертикали, и они обычно имеют хороший цветовой охват прямо из коробки - даже в мониторах дешевле 10 тысяч рублей нередко есть профиль с охватом в 100% sRGB. Но, увы, минусов тоже хватает: это невысокая контрастность, обычно не выше 1000:1, из-за чего черный выглядит не как черный, а как темно-серый, и так называемый glow-эффект: при взгляде с определенного угла матрица кажется розоватой (или фиолетовой). Так же раньше была проблема с невысоким временем отклика - до 40-50 мс (что позволяло честно вывести на экран всего 20-25 кадров, остальные смазывались). Однако сейчас такой проблемы нет, и даже дешевые IPS-матрицы имеют время отклика не выше 4-6 мс, что позволяет спокойно вывести 100-150 кадров - этого более чем хватает для любого использования, даже игрового (без фанатизма со 120 fps, конечно же).

Всего подвидов IPS много, разберем основные:

• TFT S-IPS (Super IPS) - самое первое улучшение IPS: увеличены углы обзора и скорость реакции пикселя. В продаже уже давно нет.
• TFT H-IPS (Horizontal IPS) - почти не встречается в продаже (всего одна модель на Яндекс.Маркете, и то из остатков). Этот тип IPS появился в 2007 году и в сравнении с S-IPS немного увеличилась контрастность, поверхность экрана выглядит более однородной.
• TFT UH-IPS (Ultra Horizontal IPS) – улучшенная версия H-IPS. Благодаря уменьшению размера полосы, разделяющей субпиксели, на 18 % было увеличено пропускание света. На сегодняшний момент этот тип IPS-матриц так же устарел.
• TFT E-IPS (Enhanced IPS) - еще один устаревший тип IPS. Имеет другую структуру пикселя и пропускает больше света, что позволяет снизить яркость подсветки, что приводит к уменьшению цены монитора и снижению энергопотребления. Имеет достаточно низкое время отклика (меньше 5 мс).
• TFT P-IPS (Professional IPS) - достаточно редкие и очень дорогие матрицы, созданные для профессиональной обработки фото: они обеспечивает великолепную цветопередачу (глубина цвета 30 бит и 1.07 миллиарда цветов).
• TFT AH-IPS (Advanced High Performance IPS) - новейший тип IPS: улучшена цветопередача, увеличено разрешение и PPI, повышена яркость и понижено энергопотребление, время отклика не превышает 5-6 мс. Именно этот тип IPS сейчас активно продается.

Основные типы матриц такие:

• TFT MVA (Multidomain Vertical Aligment) - широкие углы обзора, отличная цветопередача, идеальный черный цвет, высокая контрастность изображения, однако большое время реакции пикселя. По цене они находятся между бюджетными TN и IPS, и предлагают такие же средние возможности. Так что если вам не важны игры - можно сэкономить 1-2к и взять MVA вместо IPS.
• TFT PVA (Patterned Vertical Alignment) одна из разновидностей технологии TFT MVA, была разработана компанией Samsung. Из плюсов в сравнении с MVA - снижена яркость черного цвета.
• TFT S-PVA (Super PVA) - улучшенная технология PVA: были увеличены углы обзора матрицы.

OLED

Это самые новые матрицы, которые стали появляться на пользовательском рынке буквально пару лет назад и по астрономическим ценам. Плюсов у них масса: во-первых у них нет такого понятия как яркость черного цвета, т.к. при выводе черного цвета светодиоды банально не работают, так что черный цвет выглядит как черный, а контрастность в теории равна бесконечности. Во-вторых, время отклика таких матриц составляет десятые доли миллисекунды - это в несколько раз меньше, чем даже у киберспортивных TN. В-третьих, углы обзора не только составляют почти 180 градусов, но и к тому же почти не падает яркость при отклонении монитора. В-четвертых - очень широкий цветовой охват, который может составлять и 100% AdobeRGB - таким результатом может похвастаться не каждая IPS-матрица. Однако, увы, есть две проблемы, которые сводят многие достоинства на нет: это мерцание матрицы на частоте 240 Гц, что может привести к боли в глазах и повышенной утомляемости, и выгорание пикселей, так что такие матрицы недолговечны. Ну и третья проблема, которая есть у многих новых решений - это заоблачная цена, местами более чем вдвое выше, чем у профессиональных IPS. Однако уже всем понятно, что за такими матрицами будущее, а их проблемы будут решаться, и цены на них падать.

Почти вытеснили с рынка более ранние ЭЛТ-мониторы. Это связано со значительными преимуществами, которые дает новый TFT-экран.

Преимущества TFT-технологий

Одно из главных преимуществ - отсутствие геометрических искажений, с которыми долго, но почти безуспешно боролись разработчики ЭЛТ-экранов. Любой TFT-экран или монитор имеет плоскую прямоугольную форму, что исключает наличие искажений как по углам, так и в центре.

Не менее значимо отсутствие мерцания, которое при частоте выше 85 Гц человеческий глаз не различает, но оно присутствует, создавая значительную нагрузку на глаза. Экран TFT не мерцает. При смене изображения происходит изменение освещенности (путем изменения направления

Технология экрана TFT позволила в значительной мере снизить уровень электромагнитного излучения. Влияние этого вида излучения на человеческий организм еще полностью не изучено, но все ученые сходятся во мнении о том, что оно явно не столь полезно.

Потому, чем ниже электромагнитное излучение, тем лучше. И TFT-экран имеет в разы меньший его уровень, чем используемые ранее технологии. Эта их особенность позволяет применять мониторы и экраны TFT в медицинских учреждениях, на производствах, где наводимые помехи могут негативно влиять на различные процессы, на работу другого оборудования.

Еще один плюс - небольшие размеры и малый вес, которыми отличается TFT-экран. Такой монитор можно повесить на стену, тогда он совсем не будет занимать места. Это особенно актуально в ограниченном пространстве или там, где таких устройств скапливается не один десяток. В копилку положительных свойств можно отнести и малое энергопотребление, и незначительное выделение тепла при работе.

Это снова-таки значимо при больших скоплениях мониторов в одном помещении. Небольшое выделение тепла позволяет сэкономить на организации вентиляции и энергозатратах на ее работу, пониженное потребление электроэнергии позволяет экономить на счетах за электричество (TFT-экран потребляет в 3-4 раза меньше электроэнергии, чем его предшественник ЭЛТ).

Экраны, использующие TFT-технологию, более надежны, чем их ЭЛТ-аналоги, которые в работе используют высокие напряжения, что часто приводит к поломкам. Жидкокристаллические технологии используют токи малых величин, что повышает их надежность.

Недостатки TFT-технологий

TFT-транзисторы имеют и некоторые недостатки, и главный из них - высокая цена. Но экономия на электроэнергии, малое тепловое излучение и высокая надежность (как следствие - отсутствие затрат на ремонт) быстро окупают дополнительную сумму, которую приходится выкладывать при покупке.

Следующий минус - ограничения по температуре окружающей среды. Но это относится, скорее, к промышленному использованию экранов TFT: их нельзя использовать в горячих цехах и при отрицательных температурах, что, согласитесь, несущественно для домашнего применения.

К недостаткам можно отнести наличие «мертвых» пикселей, которые появляются рано или поздно. Это, конечно, неприятно, но не смертельно. Если из нескольких тысяч точек из строя выйдет несколько штук (именно такими количествами все и исчисляется), то мешать они вам или не будут вообще, или будут очень мало.

Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Простые приборы (электронные часы , телефоны, плееры , термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей . Многоцветное изображение формируется с помощью 2008) 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 канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .

Устройство ЖК-монитора

Субпиксел цветного ЖК-дисплея

Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны , поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света - ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение - молекулы стремятся выстроиться в направлении поля , что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение , можно управлять степенью прозрачности. Если постоянное напряжение приложено в течении долгого времени - жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток , или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (непрозрачность структуры не зависит от полярности поля). Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам. Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки(в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Таким образом полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Технические характеристики ЖК-монитора

Важнейшие характеристики ЖК-мониторов:

• Разрешение : Горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселах . В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно, «родное», физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией .

Фрагмент матрицы ЖК монитора (0,78х0,78 мм), увеличеный в 46 раз.

• Размер точки: расстояние между центрами соседних пикселов. Непосредственно связан с физическим разрешением.

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

• Видимая диагональ: 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 : 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.

• Яркость : количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.

• Время отклика : минимальное время, необходимое пикселу для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны.

• Угол обзора: угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению.

• Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

• Входы: (напр, DVI , HDMI и пр.).

Технологии

Часы с ЖКИ-дисплеем

Жидкокристаллические мониторы были разработаны в 1963 году в исследовательском центре Давида Сарнова (David Sarnoff) компании RCA, Принстон, штат Нью-Джерси.

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в конкретных разработках.

Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display - кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс. Компании Sony, Sharp и Philips совместно разработали технологию PALC (англ. Plasma Addressed Liquid Crystal - плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества LCD (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту, H, и вертикали, V, высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойденную управляемость и качество изображения.

TN+film (Twisted Nematic + film)

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.

TN + film - самая простая технология.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселам 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 проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость.

IPS (In-Plane Switching)

Технология In-Plane Switching была разработана компаниями Hitachi и NEC и 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. TN-матрицы почти всегда имеют 6-бит, как и часть MVA.

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 черного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным.

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

IPS в настоящее время вытеснено технологией S-IPS (Super-IPS, Hitachi 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 CRT , контрастность все равно остаётся слабым местом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20", LG.Philips , NEC остаются единственными производителями панелей по данной технологии.

AS-IPS - технология Advanced Super IPS (Расширенная Супер-IPS), также была разработана корпорацией Hitachi в 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 LG.Philips.

A-TW-IPS - Advanced True White IPS (Расширенная IPS с настоящим белым), разработано LG.Philips для корпорации 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.

*VA (Vertical Alignment)

MVA - Multi-domain Vertical Alignment. Эта технология разработана 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 градусов), 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.

Достоинствами технологии MVA являются глубокий черный цвет 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, большее время отклика.

Аналогами MVA являются технологии:

• PVA (Patterned Vertical Alignment ) от Samsung.
• Super PVA от Samsung.
• Super MVA от CMO.

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским качествам.

Преимущества и недостатки

Искажение изображения на ЖК-мониторе при большом угле обзора

Макрофотография типичной жк-матрицы. В центре можно увидеть два дефектных субпикселя (зелёный и синий).

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 современных (2007) мониторах 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 320x200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах.
• 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 более уязвимы, чем ЭЛТ. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей .
• Вопреки расхожему мнению пикселы ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения.

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи. С другой стороны, эта технология встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

См. также

• Видимая область экрана
• Антибликовое покрытие
• en:Backlight

Ссылки

• Информация о флюоресцентных лампах, используемых для подсветки ЖК-матрицы
• Жидкокристаллические дисплеи (технологии TN + film, IPS, MVA, PVA)

Литература

• Артамонов О. Параметры современных ЖК-мониторов
• Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? . «Компьютер-бизнес-маркет», № 4 (292), январь 2005, стр. 284-291.
• Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов . «BROADCASTING Телевидение и радиовещение»: 1 часть - № 2(46) март 2005, с.55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005, с.71-73.
• Мухин И. А. Современные плоскопанельные отображающие устройства ."BROADCASTING Телевидение и радиовещение": № 1(37), январь-февраль 2004, с.43-47.
• Мухин И. А., Украинский О. В. Способы улучшения качества телевизионного изображения, воспроизводимого жидкокристаллическими панелями . Материалы доклада на научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, март 2006.

Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Простые приборы (электронные часы , телефоны, плееры , термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей . Многоцветное изображение формируется с помощью 2008) 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 канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .

Устройство ЖК-монитора

Субпиксел цветного ЖК-дисплея

Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны , поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света - ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение - молекулы стремятся выстроиться в направлении поля , что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение , можно управлять степенью прозрачности. Если постоянное напряжение приложено в течении долгого времени - жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток , или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (непрозрачность структуры не зависит от полярности поля). Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам. Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки(в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Таким образом полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Технические характеристики ЖК-монитора

Важнейшие характеристики ЖК-мониторов:

• Разрешение : Горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселах . В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно, «родное», физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией .

Фрагмент матрицы ЖК монитора (0,78х0,78 мм), увеличеный в 46 раз.

• Размер точки: расстояние между центрами соседних пикселов. Непосредственно связан с физическим разрешением.

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

• Видимая диагональ: 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 : 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.

• Яркость : количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.

• Время отклика : минимальное время, необходимое пикселу для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны.

• Угол обзора: угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению.

• Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

• Входы: (напр, DVI , HDMI и пр.).

Технологии

Часы с ЖКИ-дисплеем

Жидкокристаллические мониторы были разработаны в 1963 году в исследовательском центре Давида Сарнова (David Sarnoff) компании RCA, Принстон, штат Нью-Джерси.

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в конкретных разработках.

Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display - кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс. Компании Sony, Sharp и Philips совместно разработали технологию PALC (англ. Plasma Addressed Liquid Crystal - плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества LCD (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту, H, и вертикали, V, высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойденную управляемость и качество изображения.

TN+film (Twisted Nematic + film)

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.

TN + film - самая простая технология.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселам 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 проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость.

IPS (In-Plane Switching)

Технология In-Plane Switching была разработана компаниями Hitachi и NEC и 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. TN-матрицы почти всегда имеют 6-бит, как и часть MVA.

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 черного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным.

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

IPS в настоящее время вытеснено технологией S-IPS (Super-IPS, Hitachi 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 CRT , контрастность все равно остаётся слабым местом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20", LG.Philips , NEC остаются единственными производителями панелей по данной технологии.

AS-IPS - технология Advanced Super IPS (Расширенная Супер-IPS), также была разработана корпорацией Hitachi в 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 LG.Philips.

A-TW-IPS - Advanced True White IPS (Расширенная IPS с настоящим белым), разработано LG.Philips для корпорации 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.

*VA (Vertical Alignment)

MVA - Multi-domain Vertical Alignment. Эта технология разработана 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 градусов), 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.

Достоинствами технологии MVA являются глубокий черный цвет 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, большее время отклика.

Аналогами MVA являются технологии:

• PVA (Patterned Vertical Alignment ) от Samsung.
• Super PVA от Samsung.
• Super MVA от CMO.

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским качествам.

Преимущества и недостатки

Искажение изображения на ЖК-мониторе при большом угле обзора

Макрофотография типичной жк-матрицы. В центре можно увидеть два дефектных субпикселя (зелёный и синий).

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 современных (2007) мониторах 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 320x200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах.
• 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 более уязвимы, чем ЭЛТ. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей .
• Вопреки расхожему мнению пикселы ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения.

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи. С другой стороны, эта технология встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

См. также

• Видимая область экрана
• Антибликовое покрытие
• en:Backlight

Ссылки

• Информация о флюоресцентных лампах, используемых для подсветки ЖК-матрицы
• Жидкокристаллические дисплеи (технологии TN + film, IPS, MVA, PVA)

Литература

• Артамонов О. Параметры современных ЖК-мониторов
• Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? . «Компьютер-бизнес-маркет», № 4 (292), январь 2005, стр. 284-291.
• Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов . «BROADCASTING Телевидение и радиовещение»: 1 часть - № 2(46) март 2005, с.55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005, с.71-73.
• Мухин И. А. Современные плоскопанельные отображающие устройства ."BROADCASTING Телевидение и радиовещение": № 1(37), январь-февраль 2004, с.43-47.
• Мухин И. А., Украинский О. В. Способы улучшения качества телевизионного изображения, воспроизводимого жидкокристаллическими панелями . Материалы доклада на научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, март 2006.

TFT и IPS матрицы: особенности, преимущества и недостатки

В современном мире мы регулярно сталкиваемся с дисплеями телефонов, планшетов, мониторами ПК и телевизоров. Технологии производства жидкокристаллических матриц не стоят на месте, связи с чем у многих людей возникает вопрос, что лучше выбрать TFT или IPS?

Для того чтобы полностью ответить на этот вопрос, необходимо тщательно разобраться в различиях обеих матриц, выделить их особенности, преимущества и недостатки. Зная все эти тонкости, вы с легкостью сможете подобрать устройство, дисплей которого будет полностью отвечать вашим требованиям. В этом вам поможет наша статья.

TFT матрицы

Thin Film Transistor (TFT) – это система производства жидкокристаллических дисплеев, в основе которой лежит активная матрица из тонкопленочных транзисторов. При подаче напряжения на такую матрицу, кристаллы поворачиваются друг к другу, что приводит к образованию черного цвета. Отключение электричества дает противоположный результат — кристаллы образовывают белый цвет. Изменения подаваемого напряжения позволяет формировать любой цвет на каждом отдельно взятом пикселе.

Главным преимуществом TFT дисплеев является относительно невысокая цена производства, в сравнении с современными аналогами. Кроме того, такие матрицы обладают отличной яркостью и временем отклика. Благодаря чему, искажения при просмотре динамических сцен незаметны. Дисплеи, изготовленные по технологии TFT, чаще всего используются в бюджетных телевизорах и мониторах.

Недостатки TFT дисплеев:

• • низкая цветопередача. Технология имеет ограничение в 6 бит на один канал;
  • спиральное расположение кристаллов негативно сказывается на контрастности изображение;
  • качество изображения заметно снижается при изменении угла обзора;
  • высокая вероятность появления «битых» пикселей;
  • относительно низкое энергопотребление.

Заметнее всего недостатки TFT матриц сказываются при работе с черным цветом. Он может искажаться до серого, или же наоборот, быть чересчур контрастным.

IPS матрицы

Матрица IPS является усовершенствованным продолжением дисплеев, разработанных по технологии TFT. Главным различием между этими матрицами является то, что в TFT жидкие кристаллы расположены по спирали, а в IPS кристаллы лежат в одной плоскости параллельно друг другу. Кроме того, при отсутствии электричества они не поворачиваются, что положительно сказалось на отображении черного цвета.

Преимущества IPS матриц:

• углы обзора, при которых качество изображения не снижается, увеличены до 178 градусов;
• улучшенная цветопередача. Количество данных, передаваемых на каждый канал увеличено до 8 бит;
• существенно улучшенная контрастность;
• снижено энергопотребление;
• низкая вероятность появления «битых» или выгоревших пикселей.

Изображение на IPS матрице выглядит более живим и насыщенным, но это не означает, что эта технология лишена недостатков. В сравнении с предшественником у IPS значительно снижена яркость изображения. Также, вследствие изменения управляющих электродов, пострадал такой показатель, как время отклика матрицы. Последним, но не менее значимым недостатком, является относительно высокая цена на устройства, в которых используются IPS дисплеи. Как правило, они на 10-20% дороже аналогичных с TFT матрицей.

Что выбрать: TFT или IPS?

Стоит понимать, что TFT и IPS матрицы, несмотря на существенные различия в качестве изображения, технологии очень похожие. Они обе созданы на основе активных матриц и используют одинаковые по структуре жидкие кристаллы. Многие современные производители отдают свое предпочтение IPS матрицам. Во многом благодаря тому, что они могут составить более достойную конкуренцию плазменным матрицам и имеют весомые перспективы в будущем. Тем не менее TFT матрицы также развиваются. Сейчас на рынке можно встретить TFT-TN и TFT-HD дисплеи. Они практически не уступают в качестве изображения IPS матрицам, но при этом имеет более доступную стоимость. Но на данный момент устройств с такими мониторами не так много.

Если для вас важно качество изображения и вы готовы незначительно доплатить, то устройство с IPS дисплеем является оптимальным выбором.