Обзор жидкокристаллических дисплеев. Жидко-кристаллические дисплеи, их параметры. Как это работает

Реферат на тему:

ЖК-дисплей



План:

    Введение
  • 1 Применение
  • 2 Технические характеристики
  • 3 Устройство
  • 4 Технологии
    • 4.1 TN+film (Twisted Nematic + film)
    • 4.2 IPS (In-Plane Switching) или SFT (Super Fine TFT)
    • 4.3 *VA (Vertical Alignment)
  • 5 Преимущества и недостатки
    • Литература
    Примечания

Введение

Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей , ЖКД , англ. Liquid crystal display, LCD ), также Жидкокристаллический монитор (ЖК-монитор ) - плоский дисплей на основе жидких кристаллов, а также монитор на основе такого дисплея.

Ему принадлежит более 2 миллионов пикселей, каждый из которых состоит из трех активных элементов, с фильтрами красного, зеленого и синего, то есть около 6 миллионов элементов. Каждый элемент несет на себе внутренние поверхности прозрачных проводников, связанных с транзистором, который отвечает за управление электрическим зарядом, который подается на пиксель, и, следовательно, яркость и цвет его.

Подсветка лампами накаливания

Жидкие кристаллы представляют собой органические соединения, которые составляют состояние вещества, с промежуточными свойствами между твердыми веществами и жидкостями. Подобно твердым телам, они упорядочиваются, обычно размещая молекулы параллельно друг другу; Как жидкости, они могут течь. Эти два свойства используются для построения ячеек с упорядоченными молекулами, ориентация которых может быть изменена действием электрического поля. Изменение ориентации изменяет оптические свойства материала, которые можно визуализировать с помощью поляризаторов.

LCD TFT (англ. Thin film transistor - тонкоплёночный транзистор) - разновидность жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая тонкоплёночными транзисторами. Усилитель для каждого субпикселя применяется для повышения быстродействия, контрастности и чёткости изображения дисплея.

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

Технология LTPS TFT

На простейших экранах, таких как часы или калькулятор, подсветка заменяется зеркалом, отражающим окружающий свет. Существуют также небольшие экраны, которые используются в мобильных телефонах и планшетах. Дальнейшее уменьшение размера, есть большой рынок экранов 1 -2, которые используются в проекционных устройствах, электронном кино, виртуальной реальности и симуляции. В качестве сравнения отметим, что такое устройство может одновременно проектировать 16 телевизоров высокого разрешения рядом друг с другом.

Таким образом, жидкокристаллические дисплеи продемонстрировали огромную универсальность, способные адаптироваться к самым строгим спецификациям разрешения, частоте освежения, углу обзора, низкому потреблению, разумной цене и длительному сроку службы. По этой причине они были и будут продолжаться довольно долгое время - один из основных действующих лиц среди технологий, разработанных в ответ на требования новой эры, которые нам пришлось жить: «Эпоха информации».


1. Применение

Часы с ЖК-дисплеем

Дисплей на жидких кристаллах используется для отображения графической информации в компьютерных мониторах (также и в ноутбуках), телевизорах, телефонах, цифровых фотоаппаратах, * электронных книгах, навигаторах, также - электронных переводчиках, калькуляторах, часах и тп. (реже, в них в основном используются ЖКИ), а также во многих других электронных устройствах.

Как следует из названия, жидкий кристалл представляет собой вещество, свойства которого являются промежуточными между кристаллическим твердым телом и жидкостью. В этих веществах молекулы имеют более высокий порядок, чем в истинной жидкости, но они не достигают упорядочения, которое они имеют в чистом кристаллическом твердом теле. Силы, удерживающие молекулы в этом типе вещества, достаточно сильны для поддержания определенной формы и поэтому могут считаться прочными, однако небольшие применения механической или электрической энергии могут разрушить эти слабые звенья и сделать вещество поток, поворот или поворот.

Изображение в нём формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Простые приборы с дисплеем (электронные часы, телефоны, плееры, термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB-триад.

На 2008 год 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 каждый RGB-канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом.

Как это работает

Исходя из этого принципа, если вы измените напряжение, приложенное к сегментам многосегментного экрана в соответствующем порядке, последовательность и точность, вы можете изменить секунды в часах, отобразить цифру или букву на экране компьютера, сформировать образ и многое другое в этом смысле.

Итак, если вы хотите знать, как они работают, это ваш вклад. Возможное использование экрана: Дайте пресс-конференции. Работа телевизоров очень похожа на работу экранов старых калькуляторов или цифровых часов. Поэтому мы начнем с объяснения того, как они работают.


2. Технические характеристики

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

  • Разрешение - горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией.
  • Размер точки (размер пикселя) - расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.
  • Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) - отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 {15÷10} 8:5 {16÷10}, 5:3 {15÷9}, 16:9 и др.)
  • 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, приведённая 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 пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:
    • Время буферизации - input lag . Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. Сейчас (2011) в пределах 20-50 мс ; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс.
    • Время переключения - именно оно указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас практически во всех мониторах заявленное время переключения не превышает 10 мс.
  • Угол обзора - угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в тех. параметрах своих мониторов углы обзора такие к примеру как: CR 5:1 - 176°/176°, CR 10:1 - 170°/160°. Аббревиатура CR (contrast rate) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно перпендикуляра к экрану. При углах обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже чем 10:1, при углах обзора 176°/176° не ниже чем до значения 5:1.
  • Тип матрицы : технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

3. Устройство

Субпиксел цветного ЖК-дисплея

  • Вертикальный поляризатор Прозрачный экран с электродами.
  • Жидкий кристаллический слой.
  • Нормально распространенный отражательный экран с горизонтальным поляризатором.
Чтобы объяснить операцию, мы начнем с начала. Светоотражающий экран отвечает за «подпрыгивание» падающего света, так что часть его может достигать наших глаз. На телевизионных экранах этот слой будет заменен полной системой освещения.

Горизонтальный слой или поляризатор отвечает за определение известного поляризационного состояния, в данном случае горизонтальной поляризации. Прозрачный слой представляет собой обработку с водителем, так что напряжение может быть применено к этому листу, будет служить для определения опорного напряжения, приложенное напряжение, которое будет необходимо ориентировать молекулы жидких кристаллов.

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.

Каждый пиксель ЖК-матрицы 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.

Слой представляет собой слой жидкого кристалла, который содержится между двумя электродами, причем жидкие кристаллы представляют собой молекулу, которая может реагировать в присутствии напряжения, ориентируясь в этом смысле, т.е. молекулы изменят ориентацию в которая приведет к изменению состояния поляризации света.

Слой представляет собой прозрачный слой с электродами, но в этом случае есть разные области, которые независимо доступны, то есть вы можете применять напряжения к одному, а не к другим, поэтому мы можем применять напряжение к некоторым сегментам, а не к другим, так что мы можем изменять состояние поляризации в некоторых областях или в других.

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 мы помним, что вводим ячейку или сегмент с горизонтальным поляризованным светом, если мы не применяем напряжение, часть жидкого кристалла предназначена для преобразования этой горизонтальной поляризации в вертикальную поляризацию на выход, таким образом, если мы не применяем напряжение, к выходу мы увидим весь свет. Если в вашем случае мы применяем напряжение, жидкокристаллическая ячейка не изменит поляризационное состояние входа, так что на выходе мы не увидим свет, так как у нас есть поляризатор, ориентированный перпендикулярно ему.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического 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.

Таким образом, мы увидим темную зону, которая будет отображать цифру. В зависимости от применяемого напряжения мы можем регулировать количество света, которое проходит или останавливается, т.е. мы контролируем уровень серого, с которым отображаются каждый сегмент.

Свет поражает наш полностью деполяризованный калькулятор. Он отражен в отражающем листе. Через поляризационный фильтр мы определяем состояние поляризации этого. Этот уже поляризованный свет проходит через слой жидкого кристалла, который изменяет свое состояние поляризации от горизонтального до вертикального. Но ориентация поляризации на выходе будет зависеть от приложенного напряжения. Выходной поляризатор будет пропускать больше или меньше света в зависимости от ориентации поляризации за жидким кристаллом, так что, если он совпадает, он пропускает весь свет, а если он перпендикулярен, он будет блокировать его.

Если постоянное напряжение приложено в течение 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 (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Если нам удалось понять функционирование калькуляторов, то работа телевизоров точно такая же, но на этот раз у нас есть источник света, и мы подставляем сегменты подпикселями, то есть мы делаем эти сегменты намного меньше, и добавляем слой цвета к чтобы иметь цветные изображения, каждый пиксель экрана будет образован тремя субпикселями красного, зеленого и синего, чтобы иметь возможность образовывать любой цвет. Схема каждого подпикселя будет следующей.

Субпиксель цветного телевизора. Как вы можете себе представить, насколько сложным в этом случае является структура управления, поскольку каждый из подпикселей необходимо решать независимо. Но это будет другая история 😉. Жидкокристаллические дисплеи становятся все более распространенными.

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 искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Именно распространение этих устройств привело к развитию жидкокристаллических дисплеев. Первоначально очень дорого, его цена становится все более доступной до такой степени, что сегодня они конкурируют с обычными мониторами. Жидкокристаллические дисплеи великолепны, имеют отличную настройку, но приносят некоторые недостатки. Одним из них является высокое потребление энергии, что крайне важно для экрана, используемого главным образом в устройствах, питаемых от батарей. Именно поэтому исследователи искали технологию для замены жидкокристаллических дисплеев в течение ряда лет.

Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.


4. Технологии

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

И их поиски были вознаграждены: они не только узнали, как первые устройства, которые его используют, уже находятся на рынке. Как маловероятно, как это может показаться, принцип, который заставляет их работать, тот же: жидкий кристалл. Кажется, это противоречие. В конце концов, либо бизнес жидкий, либо хрустальный. Как он может быть жидким и кристальным одновременно?

Эта дисциплина, которая, между прочим, говорила в трех состояниях материи: жидкой, твердой и газообразной? Ибо она сказала, что любая материя состоит из молекул. В газообразном состоянии эти молекулы отталкиваются и, как правило, полностью занимают объем содержащего их контейнера. В жидком состоянии они остаются вместе, но «скользят» друг над другом, и хотя они не разделяются, они соответствуют форме контейнера. Когда они находятся в твердом состоянии, они крепко привязаны друг к другу и не меняют своих положений, в результате чего объекты не меняются.

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 ЖК- (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту и вертикали, 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 наилучшую управляемость и качество изображения.

Его называют «кристаллом» к материалу, молекулы которого всегда поддерживают определенную ориентацию, то есть группы молекул, параллельные друг другу, «указывают» на определенные направления. В целом кристаллы являются твердыми, такими как кварц и алмаз. Ориентация молекул заставляет кусок кристалла «ломаться» всегда в определенных плоскостях, «плоскостях спайности». Но есть некоторые вещества, способные удерживаться в состоянии, в котором их молекулы могут «свободно скользить» друг в друга, подобно жидкостям, но всегда сохраняя свою ориентацию, то есть «указывая» на определенные направления.


4.1. TN+film (Twisted Nematic + film)

TN + film - самая простая технология. 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.

Когда в этом состоянии эти вещества составляют так называемые «жидкие кристаллы». Обратите внимание, что это всего лишь состояние особого вида вещества. Который, как и любое другое вещество, может быть затвердевшим или сжиженным путем снижения или повышения температуры. Но если он идет в твердом состоянии, вам нужно снабдить замечательным количеством тепловой энергии, чтобы он стал жидким. Однако с чуть более высокой температурой оно переходит из состояния жидкого кристалла в жидкое состояние. И именно эта тонкая чувствительность к теплу приводит к тому, что жидкокристаллические экраны проявляют странное поведение при экстремальном холоде или нагреве.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям 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.

Существует несколько веществ, которые могут принимать состояние жидкого кристалла и классифицируются по типу. Эти вещества имеют параллельные молекулярные структуры, как и все кристаллы. Но у них также есть любопытное свойство, которое использует производители жидкокристаллических экранов: если они применяются электрическим напряжением, структуры «скручиваются», образуя своего рода изогнутую структуру. И степень кручения настолько велика, что интенсивнее применяется приложенный ток. Готов: Это было все, что нам нужно было знать, чтобы понять работу жидкокристаллических дисплеев.

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

Недостатки : худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.


4.2. IPS (In-Plane Switching) или SFT (Super Fine TFT)

Технология In-Plane Switching (Super Fine TFT) была разработана компаниями Hitachi и NEC. Эти компании пользуются этими двумя разными названиями одной технологии - NEC technologies ltd. использует SFT, а Hitachi - IPS. Технология предназначалась для избавления от недостатков TN + film. Хоть с помощью IPS и удалось добиться увеличения угла обзора до 170°, а также высокой контрастности и цветопередачи, время отклика осталось на низком уровне.

На настоящий момент [когда? ] матрицы, изготовленные по технологии IPS (SFT), - единственные из ЖК-мониторов, всегда передающие полную глубину цвета RGB - 24 бита, по 8 бит на канал. Старые TN-матрицы имеют 6-бит на канал, 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 чёрного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а чёрным.

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 1998 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 ЭЛТ, контрастность всё равно остаётся слабым местом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20". LG.Philips, Dell, NEC, Samsung, Chimei остаются единственными производителями панелей по данной технологии .

AS-IPS (Advanced Super IPS - расширенная супер-IPS) - также была разработана корпорацией Hitachi в 2002 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 NEC (например, NEC LCD20WGX2) созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом LG.Philips.

A-TW-IPS (Advanced True White IPS - расширенная IPS с настоящим белым) - разработана LG.Philips для корпорации NEC. Представляет собой S-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White - «настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и расширению цветового диапазона. Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов для использования в фотолабораториях и/или издательствах.

AFFS (Advanced Fringe Field Switching, неофициальное название S-IPS Pro). Технология является дальнейшим улучшением IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 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.

Новые разновидности IPS и их особенности Некоторое время назад лишь немногие посвященные понимали, в чем заключается отличие между панелями производства LG.Display типов H-IPS и S-IPS – остальным пользователям было достаточно уже того, что оба варианта этой технологии обеспечивали на порядок более высокое качество изображения, чем TN+film. Тем не менее специалисты знали, что разница – в структуре жидкокристаллической ячейки, и на базе этой информации основывали свои предпочтения. С 2009 г. производитель изменил принципы обозначения, и теперь выпускаемые IPS-панели классифицируются по другим характеристикам. Так, матрицы p-IPS наиболее совершенные (но и самые дорогие), обладают расширенным цветовым охватом (>102%) и 10-битовой разрядностью. А e-IPS, как мы уже писали, символизируют собой попытку LG.Display продвинуть IPS-технологию на массовый рынок – цветовой охват здесь традиционный, разрядность 8 бит. При этом по структуре ЖК-ячеек и p-IPS, и e-IPS принадлежат к подвиду H-IPS, а S-IPS будет постепенно исключаться из производственного цикла.

Развитие технологии Super Fine TFT от NEC
Название Краткое обозначение Год Преимущество Примечания
Super Fine TFT SFT 1996 Широкие углы обзора, глубокий черный цвет Большиство панелей также поддерживают реалистичную цветопередачу (8-бит на канал). При улучшении цветопередачи яркость немного ниже стала.
Advanced SFT A-SFT 1998 Лучшее время отклика Технология эволюционировала до A-SFT (Advanced SFT, Nec Technologies Ltd. в 1998), значительно уменьшив время отклика.
Super-Advanced SFT SA-SFT 2002 Высокая прозрачность SA-SFT, разработанная Nec Technologies Ltd. в 2002, позволила улучшить прозрачность в 1,4 раза по сравнению с A-SFT.
Ultra-Advanced SFT UA-SFT 2004 Высокая прозрачность
Цветопередача
Высокая контрастность 		Позволила достичь в 1,2 раза большей прозрачности по сравнению с SA-SFT, 70% охвата цветового диапазона NTSC и увеличения контрастности.
Hitachi IPS evolving technology
Название Краткое обозначение Год Преимущество Прозрачность/
Контрастность 		Примечания
Super TFT IPS 1996 Широкие углы обзора 100/100
Базовый уровень 		Большиство панелей также поддерживают реалистичную цветопередачу (8-бит на канал). Эти улучшения появились ценой более медленного времени отклика, изначально около 50 мс. IPS панели также были очень дороги.
Super-IPS S-IPS 1998 Отсутствует цветовой сдвиг 100/137 IPS был вытеснен S-IPS (Super-IPS, Hitachi Ltd. в 1998),которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика
Advanced Super-IPS AS-IPS 2002 Высокая прозрачность 130/250 AS-IPS, также разработанный Hitachi Ltd. в 2002, улучшая, главным образом, контрастность традиционных S-IPS панелей до уровня, при котором они стали вторыми после некоторых S-PVA.
IPS-Provectus IPS-Pro 2004 Высокая контрастность 137/313 Технология панелей IPS Alpha с более широкой цветовой гаммой и контрастностью, сравнимой с контрастностью PVA и ASV дисплеев без углового свечения.
IPS alpha IPS-Pro 2008 Высокая контрастность Следующее поколение IPS-Pro
IPS alpha next gen IPS-Pro 2010 Высокая контрастность Hitachi передает технологию Panasonic
LG IPS evolving technology
Название Краткое обозначение Год Примечания
Super-IPS S-IPS 2001 LG Display остается одним из главных производителей панелей, основанных на технологии Hitachi Super-IPS.
Advanced Super-IPS AS-IPS 2005 Улучшена контрастность с расширенной цветовой гаммой.
Horizontal IPS H-IPS 2007 Достигнута еще большая контрастность и визуальная более однородная поверхность экрана. Также дополнительно появилась технология Advanced True White - «улучшенный настоящий белый» на основе поляризационно плёнки NEC, для достижения более натурального отображения белого цвета. Используется в профессиональной работе с графикой.
Enhanced IPS E-IPS 2009 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.
Professional IPS P-IPS 2010 Обеспечивает 1.07 млрд. цветов (30-битная глубина цвета). Больше возможных ориентаций для субпикселя (1024 против 256) и лучшая глубина true colour цветопередачи.

4.3. *VA (Vertical Alignment)

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским свойствам. 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°), 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 чёрный 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.

Аналогами MVA являются технологии:

  • PVA (Patterned Vertical Alignment ) от Samsung.
  • Super PVA от Sony-Samsung (S-LCD).
  • Super MVA от CMO.

5. Преимущества и недостатки

Искажение цветности и контрастности изображения на ЖК-мониторе с малым углом обзора матрицы при взгляде под большим углом к нормали

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 лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в зависимости от модели, настроек и выводимого изображения может как совпадать с потреблением ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров, так и быть существенно – до пяти раз – ниже. Энергопотребление ЖК-мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight - задний свет) ЖК-матрицы. Во многих мониторах 2007 года для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более герц.

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 320×200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах [источник не указан 289 дней ] .
  • 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 плохо защищены от повреждений. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей.
    • Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России - ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс - 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий - 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих.
  • Вопреки расхожему мнению пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев, не подверженных деградации пикселей.

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


Литература

  • Артамонов О. Параметры современных ЖК-мониторов
  • С. П. Мирошниченко, П. В. Серба. Устройство ЖКИ. Лекция 1
  • Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор?. Компьютер-бизнес-маркет № 4(292), январь 2005. С. 284-291.
  • Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов BROADCASTING Телевидение и радиовещание: 1 часть - № 2(46) март 2005. С. 55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005. С. 71-73.
    • .

, планшетах , электронных переводчиках, калькуляторах , часах и т. п., а также во многих других электронных устройствах.

На 2008 год 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 каждый RGB-канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .

Малогабаритные ЖК-дисплеи без активной подсветки, применяемые в электронных часах, калькуляторах и т. п., обладают чрезвычайно низким энергопотреблением , что обеспечивает длительную (до нескольких лет) автономную работу таких устройств без замены гальванических элементов.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и множество недостатков, часто принципиально трудноустранимых, например:

  • в отличие от ЭЛТ , могут отображать чёткое изображение лишь при одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией ;
  • по сравнению с ЭЛТ, ЖК-мониторы имеют 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) - на некоторых мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах), связанная с использованием блоков линейных ;
  • фактическая скорость смены изображения также остаётся заметно 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. В ЭЛТ-дисплеях эта проблема полностью отсутствует;
  • массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от механических повреждений. Особенно чувствительна матрица, не защищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация;
  • существует проблема дефектных пикселей . Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России - ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс - 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий - 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих. Мониторы с ЭЛТ этой проблеме не подвержены;
  • пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев , вообще не подверженных ей.
  • не очень большой диапазон рабочих температур: происходит ухудшение динамических характеристик (и далее неработоспособность) при даже небольших отрицательных температурах окружающей среды.
  • матрицы довольно хрупкие, а их замена весьма дорогостоящая

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила много сложностей в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

Технологии

Основные технологии при изготовлении ЖК-дисплеев: TN+film, IPS (SFT, PLS) и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённого 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 .

TN+film

TN + film (Twisted Nematic + film) - самая простая технология. Слово «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. Способа улучшения контрастности и углов обзора 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.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям 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 поскольку направление поляризации фильтра на второй пластине составляет как раз 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 малое время отклика среди современных матриц [когда? ] , а также невысокую себестоимость. Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

IPS (SFT)

AS-IPS (Advanced Super IPS - расширенная супер-IPS) - также была разработана корпорацией Hitachi в 2002 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 NEC (например, NEC LCD20WGX2), созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом LG Display.

H-IPS A-TW (Horizontal IPS with Advanced True White Polarizer ) - разработана LG Display для корпорации NEC . Представляет собой H-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White - «настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и увеличения углов обзора без искажения изображения (исключается эффект свечения ЖК-панелей под углом - так называемый «глоу-эффект»). Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов высокого качества .

AFFS (Advanced Fringe Field Switching , неофициальное название - S-IPS Pro) - дальнейшее улучшение IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Увеличенная напряжённость 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.

Развитие технологии «super fine TFT» от NEC
Название Краткое обозначение Год Преимущество Примечания
Super fine TFT SFT 1996 Широкие углы обзора, глубокий чёрный цвет . При улучшении цветопередачи яркость стала немного ниже.
Advanced SFT A-SFT 1998 Лучшее время отклика Технология эволюционировала до A-SFT (Advanced SFT, Nec Technologies Ltd. в 1998), значительно уменьшив время отклика.
Super-advanced SFT SA-SFT 2002 Высокая прозрачность SA-SFT, разработанная Nec Technologies Ltd. в 2002, позволила улучшить прозрачность в 1,4 раза по сравнению с A-SFT.
Ultra-advanced SFT UA-SFT 2004 Высокая прозрачность
Цветопередача
Высокая контрастность 		Позволила достичь в 1,2 раза большей прозрачности по сравнению с SA-SFT, 70 % охвата цветового диапазона NTSC и увеличения контрастности.
Развитие технологии IPS фирмой Hitachi
Название Краткое обозначение Год Преимущество Прозрачность/
Контрастность 		Примечания
Super TFT IPS 1996 Широкие углы обзора 100/100
Базовый уровень 		Большинство панелей также поддерживают реалистичную цветопередачу (8 бит на канал) . Эти улучшения появились ценой более медленного времени отклика, изначально около 50 мс. IPS панели также были очень дороги.
Super-IPS S-IPS 1998 Отсутствует цветовой сдвиг 100/137 IPS был вытеснен S-IPS (Super-IPS, Hitachi Ltd. в 1998), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика
Advanced super-IPS AS-IPS 2002 Высокая прозрачность 130/250 AS-IPS, также разработанный Hitachi Ltd. в 2002, повышает, главным образом, контрастность традиционных S-IPS панелей до уровня, при котором они стали вторыми после некоторых S-PVA.
IPS-provectus IPS-Pro 2004 Высокая контрастность 137/313 Технология панелей IPS Alpha с более широкой цветовой гаммой и контрастностью, сравнимой с контрастностью PVA и ASV дисплеев без углового свечения.
IPS alpha IPS-Pro 2008 Высокая контрастность Следующее поколение IPS-Pro
IPS alpha next gen IPS-Pro 2010 Высокая контрастность Hitachi передает технологию Panasonic
Развитие технологии IPS фирмой LG
Название Краткое обозначение Год Примечания
Super-IPS S-IPS 2001 LG Display остается одним из главных производителей панелей, основанных на технологии Hitachi Super-IPS.
Advanced super-IPS AS-IPS 2005 Улучшена контрастность с расширенной цветовой гаммой.
Horizontal IPS H-IPS 2007 Достигнута ещё большая контрастность и визуальная более однородная поверхность экрана. 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.
Enhanced IPS e-IPS 2009 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.
Professional IPS P-IPS 2010 Обеспечивает 1,07 млрд цветов (30-битная глубина цвета). Больше возможных ориентаций для субпикселя (1024 против 256) и лучшая глубина true color-цветопередачи.
Advanced high performance IPS AH-IPS 2011 Улучшена цветопередача, увеличено разрешение и PPI , повышена яркость и понижено энергопотребление .

VA/MVA/PVA

Технология VA (сокр. от vertical alignment - вертикальное выравнивание) была представлена 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.

Наследницей технологии VA стала технология MVA (multi-domain vertical alignment ), 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 ), также называется ASVA (axially symmetric vertical alignment ) от Sharp.

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

PLS

PLS-матрица (plane-to-line switching ) была разработана компанией Samsung как альтернатива IPS и впервые продемонстрирована в декабре 2010 года. Предполагается, что эта матрица будет на 15 % дешевле, чем IPS .

Достоинства:

  • плотность пикселей выше по сравнению с IPS (и аналогична с *VA/TN) [источник не указан 124 дня ] . Источник может быть внешним (например, Солнце), либо встроенным (подсветка). Обычно лампы встроенной подсветки располагаются позади слоя жидких кристаллов и просвечивают его насквозь (хотя встречается и боковая подсветка, например, в часах).

    Внешнее освещение

    Монохромные дисплеи наручных часов и мобильных телефонов большую часть времени используют внешнее освещение (от Солнца, ламп комнатного освещения и так далее). Обычно позади слоя пикселей из жидких кристаллов находится зеркальный или матовый отражающий слой. Для использования в темноте такие дисплеи снабжаются боковой подсветкой. Существуют также трансфлективные дисплеи , в которых отражающий (зеркальный) слой является полупрозрачным, а лампы подсветки располагаются позади него.

    Подсветка лампами накаливания

    В прошлом в некоторых наручных часах с монохромным ЖК-дисплеем использовалась сверхминиатюрная лампа накаливания . Но из-за высокого энергопотребления лампы накаливания являются невыгодными. Кроме того, они не подходят для использования, например, в телевизорах, так как выделяют много тепла (перегрев вреден для жидких кристаллов) и часто перегорают.

    Электролюминесцентная панель

    Монохромные ЖК-дисплеи некоторых часов и приборных индикаторов используют для подсветки электролюминесцентную панель. Эта панель представляет собой тонкий слой кристаллофосфора (например, сульфида цинка), в котором происходит электролюминесценция - свечение под действием тока. Обычно светится зеленовато-голубым или жёлто-оранжевым светом.

    Подсветка газоразрядными («плазменными») лампами

    В течение первого десятилетия XXI века подавляющее большинство LCD-дисплеев имело подсветку из одной или нескольких газоразрядных ламп (чаще всего с холодным катодом - CCFL , хотя недавно стали использоваться и EEFL). В этих лампах источником света является плазма, возникающая при электрическом разряде через газ. Такие дисплеи не следует путать с плазменными дисплеями , в которых каждый пиксель светится сам и является миниатюрной газоразрядной лампой.

  • 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.