, электронных книгах , навигаторах , планшетах , электронных переводчиках, калькуляторах , часах и т. п., а также во многих других электронных устройствах.
Мы также должны помнить те понятия, которые мы изучаем, когда изучаем другую ветвь физики, та, которая касается природы света, физической оптики. Именно она объясняет, что такое «поляризованный свет». В его природе есть две теории. Во-первых, он утверждает, что он состоит из частиц чистой энергии, фотонов. Другая, теория волновой природы, утверждает, что она образована волнами. И свет - это такая странная вещь, что есть явления, которые могут быть объяснены только одной теорией, и есть явления, которые могут быть объяснены только другим.
Мы фокусируемся на теории волновой природы. Эта теория утверждает, что свет представляет собой форму лучистой энергии, частный случай электромагнитных волн, которые передают радиопрограммы, например. Разница заключается в «спектре», т.е. в диапазоне длин волн одного и другого. Спектр видимого света охватывает длины волн от 380 нм, что соответствует фиолетовому цвету, до 780 нм, длине волны красного света. Ниже этого спектра выделяются излучения, известные как ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи.
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 .
Просто помните, что свет является излучением, поэтому он передается в виде волны. Светящаяся волна при распространении «вибрирует» в плоскостях, имеющих общую линию, через которую проходит световое излучение. Представьте себе, что один из детей начинает перемещать руку вверх и вниз в обычных движениях. Сразу же образуется волна, и она будет распространяться по веревке. Когда ребенок пожимает руку вверх и вниз, эта волна будет распространяться в вертикальной плоскости, как волна, показанная синей линией фигуры.
Если она перемещала руку горизонтально, волна распространялась бы в горизонтальной плоскости, такой как волна, показанная красной линией фигуры. Естественный свет распространяется в волнах, которые вибрируют в плоскостях всех возможных наклонностей. На рисунке 1 показаны только горизонтальные и вертикальные плоскости, но между ними существует бесконечность других плоскостей, проходящих через черную линию, которая соответствует направлению распространения луча света.
Гигантский скачок в развитии этой технологии произошел с появлением первых ноутбуков . Сначала матрицы были чёрно-белыми, потом цветными, но только «пассивного» типа. Они довольно сносно отображали статические изображения и рабочий стол ноутбука, но при малейшем движении «картинка» превращалась в сплошную мазню - на экране невозможно было что-либо разобрать. Естественно, это ограничивало сферы использования нового типа дисплеев . Дальнейшая эволюция жидкокристаллических матриц привела к созданию нового их типа - «активного». Такие дисплеи уже лучше справлялись с отображением на экране движущихся объектов, и это способствовало появлению стационарных мониторов. В начале ХХI столетия появились первые ЖК-телевизоры. Диагональ их была ещё маленькой - около 15 дюймов.
Единственная волна, которая могла бы распространиться за пределы трещины, была бы той, чья плоскость колебаний проходила через трещину, в данном случае вертикальную плоскость. Все остальные будут сдерживаться, потому что они не могут пройти сквозь трещины. Таким образом, вы можете сделать луч света распространяющимся в одной плоскости. Этот тип света называется «поляризованным светом». Поляризованный свет может быть получен путем создания общего света через поляризационный фильтр, прозрачную среду, имеющую структуру, которая функционирует как набор параллельных щелей, как показано на рисунке 2.
Технические характеристики
Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:
- тип матрицы определяется технологией, по которой изготовлен ЖК-дисплей;
- класс матрицы; стандарт ISO 13406-2 выделяет четыре класса матриц;
- разрешение - горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях . В отличие от ЭЛТ -мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией (ЭЛТ-мониторы также имеют фиксированное количество пикселей, которые также состоят из красных, зеленых и синих точек. Однако из-за особенностей технологии при выводе нестандартного разрешения в интерполяции нет необходимости);
- 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: при одинаковой диагонали, монитор формата 4:3 имеет большую площадь, чем монитор формата 16:9;
- контрастность - отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. 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 ; в отдельных ранних моделях достигало Шаблон:Num ;
- время переключения. Указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас (2016) практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 1-6 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 технических параметрах своих мониторов углы обзора, такие, к примеру, как: CR 5:1 - 176/176°, CR 10:1 - 170/160°. Аббревиатура CR (англ. contrast ratio ) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно контрастности при взгляде перпендикулярно экрану. В приведённом примере, 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.
Устройство
Конструктивно дисплей состоит из следующих элементов:
Свет через фильтр состоит из волн, которые вибрируют только в параллельных плоскостях. Теперь мы можем понять, как работает жидкокристаллический дисплей. Он состоит из массива точек, которые могут пропускаться или нет - пересекаются поляризованным лучом света. На рисунке 2 показано очень схематично один из этих пунктов.
В верхней части рисунка 2 мы видим пучок естественного света, «падающий свет», представленный синими и красными волнами, достигающий поляризационного фильтра с вертикальными щелями. Это позволяет пропускать волны, распространяющиеся в вертикальной плоскости, сохраняя все остальные. Этот луч падает на тонкий слой скрученных нематиков, молекулярная структура которых также расположена вертикально. В естественных условиях молекулы жидких кристаллов остаются параллельными. Свет, который достигает их через вертикальный поляризационный фильтр и управляется кристаллом, точно пульсирует в этой плоскости и продолжается до тех пор, пока не будет найден горизонтальный поляризационный фильтр.
- ЖК-матрицы (первоначально - плоский пакет стеклянных пластин, между слоями которого и располагаются жидкие кристаллы; в 2000-е годы начали применяться гибкие материалы на основе полимеров);
- источников света для подсветки ;
- контактного жгута (проводов);
- корпуса, чаще пластикового , с металлической рамкой для придания жёсткости.
Состав пикселя ЖК-матрицы:
Теперь, поскольку это поляризованный свет в вертикальной плоскости, он не может пересекать горизонтальный фильтр, и точка остается черной, не излучая свет. Теперь давайте посмотрим внизу рисунка 2, что происходит при приложении электрического напряжения или «возбуждает» электроды, подключенные к жидкокристаллическому слою. Когда они получат напряжение, структуры будут крутиться. В зависимости от натяжения они будут крутиться, пока их концы не будут расположены под прямым углом. Поскольку кристаллическая структура является светопроводящей, вертикально поляризованный свет проникает в кристаллическую структуру в той части, где ее молекулы также расположены вертикально, ее проводят кристаллы, поскольку их структура скручивает и покидает слой жидкого кристалла в плоскость, перпендикулярную плоскости, в которую он проникал в ней, то есть в горизонтальной плоскости.
- два прозрачных электрода ;
- слой молекул, расположенный между электродами;
- два поляризационных фильтра , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны.
Если бы жидких кристаллов между фильтрами не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.
И этот свет, плоскость поляризации которого «скручивается» под углом девяносто градусов, теперь может проходить через горизонтальный поляризационный фильтр. Затем точка начинает излучать свет. Если напряжение на электродах удалено, кристаллы перестраиваются, они возвращаются в вертикальную плоскость, и при этом луч света останавливается горизонтальным фильтром, «стирая» точку.
Это упрощенное объяснение, но вы уже можете понять, как это работает. Жидкокристаллический экран затем состоит из ряда слоев. Нижний - это люминесцентный слой, излучающий белый свет, общий, неполяризованный. Ниже представлен вертикальный поляризационный фильтр. На нем находится тонкий слой жидкого кристалла, образованный независимыми точками, к которым прикреплены тонкие электроды. Над ним появился новый поляризационный фильтр, на этот раз горизонтальный и, наконец, на нем защитный слой прозрачного пластика.
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.
Фоновый слой излучает свет, который поляризуется первым фильтром и распространяется через слой жидкого кристалла, независимо от того, вращает ли он его плоскость поляризации в зависимости от того, существует ли напряжение в жидком кристалле в этой точке или нет. Если есть, плоскость поляризованного света вращается, он проходит через второй фильтр, и то, что вы видите сквозь стекло, - это небольшая точка света. Если этого не происходит, плоскость света остается вертикальной, она сохраняется вторым фильтром, и то, что вы видите, является черной точкой.
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.
Изображения формируются группами светлых и черных точек. Цветной экран работает по тому же принципу. Единственное отличие состоит в том, что каждая точка экрана фактически образована тремя крошечными точками, сгруппированными вместе, каждый из которых снабжен цветным фильтром, красным, зеленым и синим. Он освещает каждую из них с правильной интенсивностью, которую генерируют цвета.
Есть еще множество интересных деталей, но в такой статье нет способа приблизиться к ним. Тема на следующую неделю, конечно. Это, в конце концов, не принесло ничего значительного, так как технологическая база в то время была слишком слабой. Один из ученых создал датчик температуры, основанный на жидких кристаллах, а другое изучение влияния электрического поля на кристаллах. Две панели содержат тонкий слой жидких кристаллов между ними. А идея состоит в том, что проходящий через материальный свет поляризован и используя кристаллическую плоскость поляризации поворачивается под углом 90 градусов.
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 поместить большое количество электродов, которые создают электрическое поле с различной интенсивностью в разных частях экрана, это уже возможно при правильном управлении, можно записать в буквы, цифры и другие предметы, несущие информацию. При создании цветных дисплеев производители сталкиваются с другой проблемой: эти экраны не могут работать с отраженным светом. Этот обязательный «атрибут» становится светом света. С одной стороны лампы, на другом зеркале.
Матрицы делятся на пассивные и активные. В пассивной матрице изображение формируется строка за строкой, клетку последовательно работают при напряжении, при котором станет прозрачными. Недостатки в том, что изображение не гладкое и дрожащее. Кроме того, медленная скорость изменения прозрачности кристалла не позволяет правильно воспроизводить движущиеся изображения.
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.
Активная матрица имеет много преимуществ по сравнению с пассивным. Например, лучше яркость и способность видеть экран даже с отклонением в 45 градусов и более, без сильного ухудшения качества изображения, что невозможно в пассивной матрице, где расположение зрителя должно быть фронтально. В активной матрице к каждому электроду добавляют транзистор, который может быть «сохраняет» цифровые данные, и полученное изображение сохраняется в получении управляющего сигнала с другим значением. Транзисторы изготовлены из прозрачных материалов, так что свет может проходить через них без преломления.
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:
Это элементы управления, которые помогают контролировать каждый пиксель на экране. Эти транзисторы чрезвычайно тонкие, их толщина варьируется от 1 до 01 мкм. Эта технология достаточно сложна и, следовательно, имеет трудности в достижении приемлемого процента съедобных продуктов, потому что количество транзисторов используются чрезвычайно высоко. Критерии и нормы для числа неработающих транзисторов на одном дисплее различаются разными производителями.
Другим важным фактором, характеризующим производительность дисплея, является время реакции. Или, в противном случае, задержка между вводом сигнала и отображением на дисплее. Это не частота обновления, а фактор, определяемый материалами, используемыми для создания панели дисплея. Измеряется в десятках и сотых секунды, точной информации по этому вопросу будет, как и производители ревностно охраняющие эти технологические данные для себя.
- 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 Шаблон:Num качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс - 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий - 4, допускает наличие до Шаблон:Num пикселей на Шаблон:Num 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.
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.
И последний параметр является разрешением, при котором дисплей имеет оптимальную производительность по отношению к количеству пикселей по горизонтали и вертикали. Это типичные стандартные аббревиатуры, указывающие параметры. Большинство веществ существует в трех состояниях - твердом, жидком и газообразном. Различия между этими материалами заключаются во внутреннем устройстве, которое зависит от температуры и давления.
При низких температурах, когда материал находится в твердом состоянии, атомы, ионы или молекулы не могут свободно перемещаться. Их единственными движениями являются тепловые колебания вокруг положения равновесия. Если температура повышается, в систему попадает больше энергии, что приводит к более сильным колебаниям. Наконец, при температуре между твердым состоянием и жидким состоянием связи высвобождаются настолько, что свободное перемещение молекул мешает друг другу и изменяет направление движения.
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 Шаблон:Num .
Шаблон:Якорь2
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 матрицШаблон:Когда? , а также невысокую себестоимость. Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.
Шаблон:Якорь2
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.
| 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. |
| 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 |
| 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 . |
Шаблон:Якорь2
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.
Шаблон:Якорь2
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)
, 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.
| 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. |
| 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 |
| 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.