3. Плоскопанельные мониторы

Мониторы на основе ЭЛТ в настоящее время являются наиболее распространенными, однако они обладают рядом недостатков: зна­чительные масса, габариты и энергопотребление; наличие тепловы­деления и излучения, потенциально вредного для здоровья человека. В связи с этим на смену ЭЛТ-мониторам приходят плоскопаралпельные мониторы: жидкокристаллические (ЖК-мониторы), плазмен­ные, электролюминесцентные, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы. В табл. 4.8 приведены сравнительные типоразмеры плоскопанельных и ЭЛТ-мониторов.

Таблица 4.8. Размеры и разрешение различных типов мониторов

Размер плоскопанельного дисплея, дюймы	Размер ЭЛТ-дисплея, дюймы	Типичное разрешение
13,5	15	800x600
От 14,5 до 15	17	1024x768
От 17 до 18	21	1280 × 1024 или 1600 × 1200

Жидкокристаллические мониторы, ЖКД

(LCD - Liquid Crystal Display)

Формирование изображения в таких мониторах основано на взаимосвязи между изменением электрического напряжения, при­ложенного к жидкокристаллическому веществу, и изменением ори­ентации его молекул.

Экран ЖК-монитора представляет собой массив отдельных яче­ек (пикселей), оптические свойства которых могут меняться при отображении информации (рис. 4.13). Панели ЖК-монитора имеют несколько слоев, среди которых ключевую роль играют два слоя, выполненные из свободного от натрия и очень чистого стекла, меж­ду которыми расположен тонкий слой жидких кристаллов. На пане­ли нанесены параллельные бороздки, вдоль которых ориентируются кристаллы (выравнивающий слой). Бороздки на подложках перпен­дикулярны между собой. Технология получения бороздок состоит в нанесении на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках.

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели используют отражение или прохождение света). В качестве источников света используются специальные электролюминесцент­ные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энер­гопотреблением. Молекулы одной из разновидностей жидких кри­сталлов в отсутствие напряжения на подложках поворачивают век­тор электрической напряженности электромагнитного поля в световой волне, проходящей через ячейку, на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесе­ние бороздок позволяет обеспечить одинаковые углы поворота для всех ячеек. Фактически каждая ЖК-ячейка представляет собой электронно-управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны.

Чтобы поворот плоскости поляризации светового луча был заме­тен для глаза, на стеклянные панели дополнительно наносят два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильт­ры выполняют функции поляризатора и анализатора.

Принцип действия ячейки ЖК-монитора состоит в следующем. При отсутствии напряжения между подложками ячейка ЖК-мони­тора прозрачна, поскольку вследствие перпендикулярного расположения бороздок на подложках и благодаря соответствующему закру­чиванию оптических осей жидких кристаллов вектор поляризации света поворачивается и проходит без изменения через систему «по­ляризатор-анализатор». Ячейки, у которых ориентирующие канав­ки, обеспечивающие соответствующее закручивание молекул жид­кокристаллического вещества, расположены под углом 90°, называ­ются твистированными нематическими.

Технология, при которой закручивание молекул составляет 90°, называется твистированной нематической (TN - Twisted Nematic). Мониторы, реализующие эту технологию, имеют следующие недо­статки:

• низкое быстродействие;

• зависимость качества изображения (яркости, контрастности) от внешних засветок;

• значительное взаимное влияние ячеек;

• ограниченный угол зрения, под которым изображение хорошо видно;

• низкая яркость и насыщенность изображения.

Следующим этапом на пути совершенствования ЖК-мониторов было увеличение угла закручивания молекул ЖК-вещества с 90 до 270" с помощью STN-технологии (STN - Super Twisted Nematic). Ис­пользование двух ячеек, одновременно поворачивающих плоскость поляризации в противоположных направлениях, согласно DSTN-технологии (DSTN - Dual Super Twisted Nematic), позволило значи­тельно улучшить характеристики ЖК-мониторов.

Для повышения быстродействия ЖК-ячеек используется техно­логия двойного сканирования (DSS - Dual Screens), когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно. Двойное сканирование совме­стно с использованием более подвижных молекул позволило сни­зить время реакции ЖК-ячейки с 500 мс (у ЖК-мониторов, реали­зующих технологию TN - Twisted Nematic) до 1-50 мс и значи­тельно повысить частоту обновления экрана.

Активные и пассивные матрицы. Термин «пассивная матрица» (passive matrix) относится к такому конструктивному решению мо­нитора, согласно которому монитор разделен на отдельные ячейки, каждая из которых функционирует независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен инди­видуально для создания изображения.

Пассивные матрицы мониторов не могут обеспечить быстродей­ствие при отображении информации на экране. Изображение фор­мируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки. Вследствие доста­точно большой электрической емкости отдельных ячеек напряже­ние на них не может изменяться весьма быстро, поэтому изображе­ние не отображается плавно и дрожит на экране. При этом между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.

В активной матрице используются отдельные усилительные эле­менты для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емко­сти ячеек и позволяющие значительно увеличить быстродействие.

Функциональные возможности ЖК-мониторов с активной мат­рицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей (табл. 4.9). Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассив­ной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчной регенерации дисплея, а в ре­зультате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запо­минающий транзистор, который может хранить цифровую инфор­мацию (двоичные значения «0» или «1»), и в результате изображе­ние сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Такой транзистор, выполняя роль коммутирующего ключа, позволяет ком­мутировать более высокое (до десятков вольт) напряжение, исполь­зуя сигнал низкого уровня (около 0,7 В). Благодаря применению ак­тивных ЖК-ячеек стало возможным значительно снизить уровень сигнала управления и тем самым решить проблему частичной за­светки соседних ячеек.

Таблица 4.9. Сравнительные характеристики ЖКД с активной и пассивной матрицей

Тип дисплея	Угол зрения, град.	Отношение контраста	Скорость реак­ции, мс	Яркость, нит	Энергопо­требление, Вт	Долго­вечность
Пассивная матрица	49-100	40 : 1	300	70-90	45	60 тыс. ч
Активная матрица	Более 140	140 : 1	25	70-90	50	60 тыс. ч
ЭЛТ	Более 190	300 : 1	Не определено	220-270	180	Годы

Поскольку запоминающие транзисторы выполняются по тонко­пленочной технологии, подобные ЖК-мониторы получили название TFT-мониторы (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзи­стор). Тонкопленочный транзистор имеет толщину от 0,1 до 0,01 мкм. Технология TFT была разработана специалистами Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мо­ниторов (яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на ос­нове активной ЖК-матрицы цветной монитор.

Характеристики. К числу основных характеристик жидкокристаллических мониторов относятся следующие.

Размер экрана ЖК-мониторов составляет от 13 до 16". В отличие от ЭЛТ-мониторов, номинальный размер экрана и раз­мер его видимой области практически совпадают.

Ориентация экрана у ЖК-монитора в отличие от ЭЛТ-монитора может быть как портретная, так и ландшафтная. ЖК-монитор можно легко развернуть на 90°, причем ориентация изображения останется прежней.

Поле обзора обычно характеризуется углами обзора, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экрана по горизонтали и вертикали. Современные модели ЖК-мониторов обеспечивают значения углов обзора: по горизонтали - ±45...70°; по вертикали - от 15 до 50° (вниз) и от 20 до 70° (вверх).

Разрешение определяется размером отдельной ЖК-ячейки, т. е. фиксированным размером пикселей. Например, если LCD-мо­нитор имеет разрешение 1024 × 768, это значит, что на каждой из 768 линий расположено 1024 электродов, т. е. пикселей. При этом можно использовать и более низкое разрешение. Для этого приме­няются два способа. Метод «Centering» (центрирование) состоит в том, что для получения изображения используется только то коли­чество пикселей, которое необходимо для изображения с более низ­ким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине: все неиспользуемые пиксели остаются черными, образуя вокруг изображения широкую черную раму. Ме­тод «Expansion» (растяжение) основан на растяжении изображения на весь экран, что приводит к возникновению некоторых искаже­ний и ухудшению резкости.

Яркость. Типовая яркость ЖК-монитора составляет 150-200 нит. При этом в центре яркость ЖК-монитора может быть на 25% выше, чем у краев экрана.

Контрастность изображения показывает, во сколько раз изменяется его яркость при изменении уровня видеосигнала от минимального до максимального. Приемлемая цветопередача обес­печивается при контрастности не менее 130 : 1, а высококачествен­ная - при 300 : 1.

Инерционность характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки, и обычно составляет 30-70 мс, что сопоставимо с ЭЛТ-мониторами.

Палитра ЖК-мониторов по сравнению с обычными ограничена определенным количеством воспроизводимых на экране оттенков цветов. Типовой диапазон палитры составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов.

Массогабаритные характеристики и энергопо­требление выгодно отличают ЖК- от ЭЛТ-мониторов. Масса большинства моделей не превышает нескольких килограммов, тол­щина экрана - 2,00 мм, а потребляемая мощность в рабочем режи­ме - не более 35-40 Вт.

Недостатками ЖК-дисплеев являются:

• девиации яркости ячеек в зависимости от положения на эк­ране;

• обычное наличие короткозамкнутых или разорванных цепей, порождающих «негорящие» или «засвеченные» точки;

• более высокая цена, чем у аналогичных ЭЛТ-мониторов.

Другие типы плоскопараллельных дисплеев

Поликремниевые панели. Тонкопленочные транзисторы, обра­зующие отдельные ячейки в жидкокристаллическом слое традици­онных дисплеев с активной матрицей, формируются из аморфного кремния (a-Si), размещенного на стеклянном основании. Преиму­щество использования аморфного кремния состоит в том, что про­цесс не требует высоких температур, так что довольно недорогое стекло может использоваться как основание. Неудобство - то, что некристаллическая структура основы препятствует свободному пе­ремещению электронов, что требует приложения относительно вы­сокой электрической мощности для управления устройством.

Было выявлено, что кристаллический (или поликристалличе­ский) кремний может быть намного более подходящим веществом для использования в качестве основы. Однако соответствующая тех­нология требовала применения высоких температур (до 1000 °С) и кварца (или специального стекла) в качестве подложки. В конце 1990-х гг. были произведены первые образцы TFT-дисплеев, ис­пользующих низкотемпературный поликремний (p-Si), для произ­водства которых было достаточно температур около 450 °С. Перво­начально они использовались в устройствах, которые требовали только небольших матриц (типа проекторов и цифровых камер).

Один их наиболее дорогостоящих элементов TFT-панели - внешняя схема управления, требующая большого количества про­водников к стеклянной панели, поскольку каждый пиксель имеет собственное соединение с внешней схемой (рис. 4.14, а).

Главная привлекательность технологии p-Si состоит в том, что повышенная эффективность транзисторов позволяет вмонтировать схему управления и периферийную электронику непосредственно в дисплей (рис. 4.14, б). Это значительно снижает число компонент для сборки дисплея (специалисты Toshiba считают, что на 40%), а также уменьшает число соединительных проводов до 5% от прото­типа. Технология приводит к более тонким панелям с увеличенной яркостью и контрастностью.

Плазменные дисплеи (Plasma Display Panel - PDF). Панель мони­тора состоит из двух стеклянных пластин, пространство между кото­рыми заполнено инертным газом, например аргоном или неоном. На стеклянную поверхность нанесены миниатюрные прозрачные электроды, к которым прилагается высокочастотное напряжение (рис. 4.15). Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд.

Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диа­пазоне, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазо­не, видимом человеком. Фактически, каждый пиксель на экране ра­ботает как обычная лампа дневного света. Высокая яркость и кон­трастность наряду с отсутствием дрожания являются важнейшими преимуществами таких мониторов. Кроме того, угол по отношению к нормали, под которым можно увидеть изображение на плазмен­ных мониторах, существенно больше, чем у ЖК-мониторов.

Основными недостатками такого типа мониторов является до­статочно высокая потребляемая мощность, возрастающая при уве­личении диагонали монитора, и низкая разрешающая способность (не более 1024 × 768), обусловленная большим размером элемента изображения. Кроме того, люминофорные свойства элементов со временем ухудшаются, и экран становится менее ярким, поэтому срок службы плазменных мониторов ограничен 10 000 ч, что состав­ляет около 5 лет при интенсивном использовании. Плазменные па­нели гораздо чаще используются как экраны для коллективного просмотра изображения с одного и того же компьютера, чем как дисплей для персональной ЭВМ, а также для конференций, презентаций, информационных щитов, т. е. там, где требуются большие размеры экранов для отображения информации (см. гл. 6).

Электролюминесцентные мониторы (ElectricLuminiescent displays - ELD) по своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам. Принцип действия электролюминесцентных мониторов основан на явлении испускании света при возникновении туннельного эффекта в полу­проводниковом р-п переходе. Такие мониторы имеют высокие час­тоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в ра­боте. Вместе с тем они уступают ЖК-мониторам по энергопотреб­лению, поскольку на ячейки подается относительно высокое напряжение - около 100 В. При ярком освещении цвета электро­люминесцентных мониторов тускнеют.

Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays -FED) являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической. Мониторы FED основаны на процессе, который несколько похож на тот, что при­меняется в ЭЛТ-мониторах, так как в обоих методах применяется люминофор, светящийся под воздействием электронного луча (рис. 4.16).

В качестве пикселей выступают такие же зерна люминофора, как и в ЭЛТ-мониторе, что позволяет получить чистые и насыщен­ные цвета, свойственные ЭЛТ-мониторам. Однако активизация этих зерен производится не электронным лучом, а электронными ключами, подобными тем, что используются в ЖК-мониторах, по­строенных по TFT-технологии.

Управление этими ключами осуществляется специальной схе­мой, принцип действия которой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-монитора. Для функционирования монитора элек­тростатической эмиссии необходимо высокое напряжение - около 5000 В. Энергопотребление мониторов электростатической эмиссии значительно выше, чем ЖК-мониторов, но на 30% ниже, чем энер­гопотребление ЭЛТ-мониторов с экраном того же размера. Данная технология обеспечивает наилучшее качество изображения среди всех плоскопанельных мониторов и самую низкую инерционность (около 5 мкс).

Технология тонких ЭЛТ. Тонкая электронно-лучевая трубка («ThinCRT» - ТЭЛТ), предложена Candescent Technologies как ва­риант монитора электростатической эмиссии, работающего по принципу обычной ЭЛТ (рис. 4.17, а). Здесь электронная пушка, система управления отклонением луча и теневая маска заменяются перфорированным листом проводника, излучающим электроны при подведении напряжения. ТЭЛТ имеет толщину 3,5 мм и состоит из двух стеклянных пластин, разделенных вакуумным промежутком в 1 мм. Для сопротивления внешнему давлению внутри находятся тонкие (0,05 мм) распорки. Технология называется «холодный ка­тод», поскольку испускание электронов происходит при комнатной температуре.

LEP-мониторы (Light Emission Plastics - светоизлучающий пластик) по своей технологии похожи на ЖК- и ELD-мониторы, но отличаются материалом, из которого изготовлен экран: в LEP-moниторах используется специальный органический полимер (пла­стик), обладающий полупроводниковыми свойствами. При пропус­кании электрического тока такой материал начинает светиться (рис. 4.17, б).

Данная технология аналогична светодиодной, но если там свет излучается обычными полупроводниковыми материалами, то здесь используется двухслойный полимер - полупроводниковый поли­мер poly-phenylene vinylene (PPV) и эмиссионный слой цианозамещенного производного от PPV (CN-PPV) для получения того же эффекта.

Органические светодиоды (Organic LED - OLED). Основная ячейка OLED-структуры состоит из нескольких слоев органических соединений, зажатых между прозрачным анодом и металлическим катодом. Сюда входят - слой, инжектирующий положительные за­ряды («дырки» - р); слой, их проводящий; излучающий слой; слой, проводящий электроны (отрицательные заряды - n). Когда соответ­ствующее напряжение (около нескольких вольт) подается на ячейку, электроны и «дырки» рекомбинируют (п-р рекомбинация) в излу­чающем слое, возбуждая электролюминесцентное свечение. Струк­тура всех этих слоев выбирается таким образом, чтобы максимизи­ровать интенсивность излучения. Как яркость, так и цвет излучения определяются флюоресцентными присадками, внедряемыми в слои ячейки.

Для управления пассивной OLED-матрицей (рис. 4.18, а) элек­троток пропускается через соответствующие пиксели, путем при­кладывания напряжения к выбранным строкам и столбцам экрана. Цепи внешнего контроллера передают видеосигналы и обеспечива­ют их синхронизацию. Время срабатывания - не более ¹/₆₀ с.

В отличие от пассивной, активная OLED-матрица содержит электронную схему, внедренную в поверхностный слой подложки - по 2 или более транзисторов на пиксель. Эти транзисторы соедине­ны со взаимно перпендикулярными линиями анодов и катодов и способны поддерживать пиксель в состоянии «включено» до пере­мены состояния в следующем кадре (рис. 4.18, б). Дисплей на ак­тивной матрице является более сложным для производства, однако обеспечивает более яркое и четкое изображение, нежели более де­шевая технология пассивной матрицы.

Разрушенный пиксель OLED-дисплея производит «темную точ­ку» на экране, что менее воздействует на общее качество изображе­ния, чем аналогичные дефекты в LCD, которые приводят к посто­янно светящимся точкам.

Системы OLED классифицируются в соответствии с размером молекул тех материалов, из которых они компонуются. Если это от­носительно длинные молекулы, то вы имеете дело с Light-Emitting Polymers (LEP), а если малые (почти мономеры), то - Small Molecule Organic Light Emitting Diodes (SMOLED). Обе схемы ис­пользуют генерацию света при подаче напряжения на тонкую поли­мерную пленку. Формируются электроны и «дырки», которые ре­комбинируют по двум путям - синглетное состояние (излучение света); триплетное состояние (без излучения). Эффективность OLED определяется отношением частот этих типов рекомбинации. Исследования показывают, что для SMOLED синглетные рекомби­нации происходят в 3 раза реже, чем триплетные, что приводит к ограничению максимального КПД устройства в 25%. Для сравне­ния - оказывается, что для LEP-отношение синглет/триплет может превосходить единицу и даже приближаться к 2.

Недостаток SMOLED заключается в том, что для их производст­ва требуется технология вакуумного напыления комплектующих пленок, в то время как LEP могут быть растворены и нанесены по технологии жидкого покрытия.

HAD-техмологии. Какими бы дисплеями вы ни пользовались, все они дают плоское двумерное изображение, однако постоянно предпринимаются попытки реализовать стереовидение. Одна из та­ких технологий, предложенная Reality Vision (Великобритания) - HAD (holographic autostereoscopic display), заключается в преобразо­вании обычного ЖКД путем замены лампы подсветки на голографический оптический элемент (Holographic Optical Element - НОЕ), который подразделяется на два набора горизонтальных по­лос, передающих изображения, предназначенные для левого и пра­вого глаза (рис. 4.19).

Поскольку основное назначение системы - компьютерные игры, предусмотрен простой переход к стереоизображению от плоского и обратно (для этого достаточно подключить/отключить один из этих наборов).

Принципиальным ограничением является потеря стереоэффекта при смешении наблюдателя из предусмотренных «левой» и «пра­вой» зон видения. Для устранения этого в проекте Reality Vision предусмотрено вращение экрана, отслеживающее перемещение на­блюдателя (для этого последний должен закрепить на голове датчик перемещения).