5.2.2.2. Жидкокристаллические (жк) мониторы
Жидкокристаллический монитор предназначен для отображения графической информации с компьютера, телевизионного приёмника, цифрового фотоаппарата, видеопроектора, электронного переводчика, калькулятора и пр. Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Многоцветное изображение формируется с помощью RGB-триад. Каждый пиксель 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 (рис.5.27).
Рис.5.27. Субпиксел цветного ЖК-дисплея
Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице (Twisted Nematic) 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 выстраиваются параллельно, что приводит к непрозрачности структуры. Изменяя напряжение, можно управлять степенью прозрачности (рис.5.28) .
Рис.5.28. Принцип формирования и управления цветом в ЖК – дисплеях
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 искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Таким образом, полноценный ЖК-монитор состоит из электронного узла, обрабатывающего входной видеосигнал и управляющего ЖК-матрицой, самой ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса (рис.5.29) .Благодаря подходу System-on-a-Chip большинство функций (от аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала, его масштабирования, обработки и вплоть до формирования выходных сигналов LVDS) выполняется единственной интегральной схемой (ИС) с высокой степенью интеграции, носящей название Display Engine. Среди производителей мониторов стоит отметить ИС фирмы ST Microelectronics (семейства ADE3xxx), работающие под управлением 8-разрядных микроконтроллеров. Блок управления ЖК-матрицы выполнен в виде платы и обычно содержит единственную схему управления, так называемый драйвер матрицы, в который интегрированы приемник LVDS и драйверы истоков и затворов, преобразующие видеосигнал в адресацию конкретных пикселов по столбцам и строкам. В блок ЖК-матрицы входит также система ее подсветки, которая, за редкими исключениями, выполнена на газоразрядных лампах с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL). Высокое напряжение для них обеспечивает инвертор, размещенный в блоке питания монитора.
Рис.5.29. Структура жидкокристаллического монитора
Лампы обычно располагаются сверху и снизу, их излучение направлено в торец полупрозрачной панели, находящейся сзади за матрицей и выполняющей роль световода. От качества операции матирования и однородности материала этой панели зависит такая важная характеристика, как равномерность подсветки матрицы. В целом же доля электронных компонентов в себестоимости монитора, по оценкам экспертов IDC [ ], составляет около 11%. Большинство затрат приходится на саму панель TFT LCD.
Рассмотрим базовые современные технологии TFT LCD. Это Twisted Nematics (TN), In-Plane Shutter (IPS, S-IPS) и Vertical Alignment (VA, MVA, PVA). Матрицы TN – самый старый и дешевый в производстве тип матриц, для него же характерно минимальное время отклика, что и обусловило его широкое распространение. Большинство 17– дюймовых дисплеев и до 50% 19 –дюймовых содержат именно матрицы TN. К недостаткам следует отнести . Специфическая, цветопередача, далекая от эталонной (а с появлением ”сверхбыстрых” панелей параметры цветопередачи ухудшились); клиппинг в светлых областях изображения; малые углы обзора, особенно вертикальный; невысокая контрастность. Имеют место ”неуправляемые” пикселы (dead pixels), которые на таких матрицах пропускают свет, поэтому на экране видны в виде яркой синей, красной или зеленой точки. Характеристики матриц IPS/S-IPS, выполненных по данной технологии (компания Hitachi) обеспечивают отличная цветопередачу, широкие углы обзора, и хороший контраст (глубокий черный цвет). К недостаткам следует отнести сложность в производстве (как следствие, дороговизна) и большое время реакции матрицы. IPS может быть идеальным выбором для задач, связанных с обработкой статического изображения.
Технология MVA (Multi-domain Vertical Alignment) разработана компанией Fujitsu в качестве компромиссной между IPS и TN. Достоинства таких матриц: отличные углы обзора, неплохая цветопередача, высокая контрастность; однако время отклика по-прежнему не может сравниться с соответствующим показателем у TN. Компания Samsung производит матрицы PVA (Pattern Vertical Alignment) и S-PVA, являющиеся усовершенствованными вариантами MVA. Корейской компании удалось значительно улучшить контрастность, вплоть до 1000:1, а также с помощью технологии overdrive серьезно уменьшить время отклика – теперь мониторы этого производителя обеспечивают качественное воспроизведение динамических изображений .
Следует отметить, что именно PVA– матрицы на сегодняшний день обеспечивают оптимальный компромисс между малым временем отклика TN и качественной цветопередачей IPS. Поэтому дисплеи, оборудованные такими матрицами, могут в наибольшей степени претендовать на звание универсальных.