Принцип роботи монітора: яким чином пристрій виводить картину на екран?

LCD-матриця. Принцип роботи рідкокристалічної панелі.

«Серцем» будь-якого рідкокристалічного монітора є LCD-матриця (Liquid Cristall Display). ЖК-панель являє собою складну багатошарову структуру. Спрощена схема кольорової TFT LCD-панелі представлена на Рис.2.

Принцип роботи будь-якого рідкокристалічного екрану заснований на властивості рідких кристалів змінювати (повертати) площину поляризації пропорційно до них, що проходить через них світла. Якщо на шляху поляризованого світла, що пройшло через рідкі кристали, поставити поляризаційний світлофільтр (поляризатор), то, змінюючи величину доданого до рідких кристалів напруги, можна керувати кількістю світла, що пропускається поляризаційним світлофільтром. Якщо кут між площинами поляризації минулого крізь рідкі кристали світла і світлофільтра становить 0 градусів, то світло буде проходити крізь поляризатор без втрат (максимальна прозорість), якщо 90 градусів, то світлофільтр буде пропускати мінімальну кількість світла (мінімальна прозорість).

Ріс.1. ЖК-монітор. Принцип роботи LCD-технології.

Таким чином, використовуючи рідкі кристали, можна виготовляти оптичні елементи зі змінюваним ступенем прозорості. При цьому рівень світлопропускання такого елемента залежить від доданої до нього напруги. Будь-який ЖК-екран біля монітора комп'ютера, ноутбука, планшета або телевізора містить від декількох сотень тисяч до декількох мільйонів таких комірок, розміром часток міліметра. Вони об'єднані в LCD-матрицю і з їх допомогою ми можемо формувати зображення на поверхні рідкокристалічного екрану. Рідкі кристали були відкриті ще наприкінці XIX століття. Однак перші пристрої відображення на їх основі з'явилися тільки наприкінці 60-х років XX століття. Перші спроби застосувати LCD-екрани в комп'ютерах були зроблені у вісімдесятих роках минулого століття. Перші рідкокристалічні монітори були монохромними і сильно поступалися за якістю зображення дисплеям на електронно-променевих (ЕЛТ) трубках. Головними недоліками LCD-моніторів перших поколінь були:

• - низька швидкодія та інерційність зображення;
• - «хвости» і «тіні» на зображенні від елементів картинки;
• - погана роздільна здатність зображення;
• - чорно-біле або кольорове зображення з низькою колірною глибиною;
• - тощо.

Однак, прогрес не стояв на місці і, з часом, були розроблені нові матеріали і технології у виготовленні рідкокристалічних моніторів. Досягнення в технологіях мікроелектроніки і розробка нових речовин з властивостями рідких кристалів дозволило істотно поліпшити характеристики ЖК-моніторів.

Пристрій і робота TFT LCD матриці.

Одними з головних досягнень став винахід технології LCD TFT-матриці - рідкокристалічної матриці з тонкоплівковими транзисторами (Thin Film Transistors). У TFT-моніторів кардинально зросла швидкодія пікселів, зросла колірна глибина зображення і вдалося позбутися «хвостів» і «тіней». Структура панелі, виготовленої за TFT технології, наведена на Ріс.2

Рис.2. Схема структури TFT LCD матриці. Повноколірне зображення на ЖК-матриці формується з окремих точок (пікселів), кожна з яких складається зазвичай з трьох елементів (субпікселів), що відповідають за яскравість кожної з основних складових кольору - зазвичай червоної (R), зеленої (G) і синьої (B) - RGB. Відеосистема монітора безперервно сканує всі субпікселі матриці, записуючи в запам'ятовуючі конденсатори рівень заряду, пропорційний яскравості кожного субпікселя. Тонкоплівкові транзистори (Thin FilmTrasistor (TFT) - власне, тому так і називається TFT-матриця) підключають запам'ятовуючі конденсатори до шини з даними на момент запису інформації в даний субпіксель і перемикають запам'ятовуючий конденсатор в режим збереження заряду на весь інший час. Напруга, збережена в конденсаторі TFT- матриці, діє на рідкі кристали даного субпікселя, повертаючи площину поляризації що проходить через них світла від тилового підсвічування, на кут, пропорційний цій напрузі. Пройшовши через комірку з рідкими кристалами, світло потрапляє на матричний світлофільтр, на якому для кожного субпікселя сформований свій світлофільтр одного з основних кольорів (RGB). Малюнок взаєморозташування точок різних кольорів для кожного типу ЖК-панелі різний, але це окрема тема. Далі, сформований світловий потік основних кольорів надходить на зовнішній поляризаційний фільтр, коефіцієнт пропускання світла якого залежить від кута поляризації падаючої на нього світлової хвилі. Поляризаційний світлофільтр прозорий для тих світлових хвиль, площина поляризації яких паралельна його власній площині поляризації. З ростом цього кута поляризаційний фільтр починає пропускати все менше світла, аж до максимального ослаблення при вугіллі 90 градусів. В ідеалі, поляризаційний фільтр не повинен пропускати світло, поляризоване ортогонально його власній площині поляризації, але в реальному житті, все-таки невелика частина світу проходить. Тому всім РК-дисплеям властива недостатня глибина чорного кольору, яка особливо яскраво проявляється при високих рівнях яскравості тилового підсвічування. В результаті, в LCD-дисплеї світловий потік від одних субпікселів проходить через поляризаційний світлофільтр без втрат, від інших субпікселів - послаблюється на певну величину, а від якоїсь частини субпікселів практично повністю поглинається. Отже, ви можете використовувати рівень кожного основного кольору в окремих субпікселях, щоб отримати піксель будь-якого відтінку кольору. А з безлічі кольорових пікселів скласти повноекранне кольорове зображення. ЖК-монітор дозволив здійснити серйозний прорив у комп'ютерній техніці, зробивши її доступною великій кількості людей. Більш того, без LCD-екрану неможливо було б створити портативні комп'ютери типу ноутбуків і нетбуків, планшети і стільникові телефони. Але чи так все безхмарно із застосуванням рідкокристалічних дисплеїв?

Основні деталі всередині монітора

На сьогоднішній день існує кілька варіантів дисплеїв. І, хоча ЕЛТ - екрани майже канули в минуле, подекуди їх ще можна зустріти. На зміну громіздким моніторам прийшли компактні РК - панелі. Чим же вони конструктивно відрізняються?

ЕЛТ - екрани

Основна частина даного екрану - це кінескоп, званий електронно-променевою трубкою. Виготовлений він з виконаної зі скла трубки, всередині якої знаходиться вакуум. Екран - це плоска і широка частина цієї трубки. Вузька ж частина - це горловина. Задня частина пристрою має покриття зі спеціальної речовини, люмінофору. Також він має електронну гармату.

Ця гармата випускає електрони, які проходять крізь решітку, виконану з металу. Задня поверхня дисплея покрита люмінофорними точками декількох кольорів. На неї, проходячи через відклюняючу систему, промені потрапляють за задню частину кінескопа.

Рідкокристалічні панелі

Тут найголовнішим елементом є матриця. Складається вона з:

• Лампа підсвічування, наповнена галогеном;
• Відбиваюча система і світлодіоди. Вони необхідні, що підсвічування було рівномірним;
• Всі контакти нанесені на скляну підкладку. Підкладок тут дві, одна розташовується спереду матриці, друга ззаду;
• Самі рідкі кристали;
• Поляризатори;

Кольорові екрани

У кольорових ЖК-дисплеях кожен окремий піксель поділяється на три комірки або субпікселі, які за допомогою додаткових фільтрів (пігментних і метал-оксидних) пофарбовані в червоний, синій і зелений кольори. Кожним субпікселем можна керувати незалежно, щоб отримати тисячі або мільйони можливих кольорів. У старих ЕЛТ використовується аналогічний метод.

Залежно від використання монітора, колірні компоненти можуть розміщуватися в різних піксельних геометріях. Якщо програмне забезпечення знає, який тип геометрії використовується на даному дисплеї, це може бути використано для збільшення видимої роздільної здатності за допомогою субпіксельної візуалізації. Цей метод особливо корисний для згладжування тексту.

За яким принципом працює монітор

Оскільки конструкція у моніторів різна, то і формування зображення здійснюється через різні дії.

ЕЛТ - екран. На формування картинки відповідає спеціальна гармата. За допомогою електромагнітного поля вона випускає щільний потік заряджених частинок. Вони проходять через металеву решітку і потрапляють на задню частину кінескопа. Заряджені частинки потрапляють на люмінофор, які починає світитися.

Жк-дисплей. Принцип роботи заснований на властивості світлового пучка, званого поляризацією. У своєму звичайному стані світло не поляризоване. Цього можливо досягти за допомогою спеціальних речовин, які можуть пропускати пучок світла в одній площині. Називаються вони - поляризатори. Таких поляризаторів матриці два і встановлені вони один навпроти одного. Під час обертання одного з них змінюється вісь поляризації. Так здійснюється регулювання яскравості екрану.

Матриця являє собою своєрідний бутерброд, головними частинами якого є дві скляні панелі, між якими розташовані кристали. На поверхні панелей розташовані поглиблення, вони регулюють рух кристалів. Зображення формують електроди, які створюють електромагнітне поле. А щоб воно було видно, матриця підсвічується за допомогою діодів.

ДОВІДКА! Формування зображення досить важкий з технічної точки зору процес і у кожного виду екрану він свій. Технології ж не стоять на місці і пристрої постійно модернізуються, в принципі формування зображення, в тому числі.

Активні матричні технології

У кольорових екранах високої роздільної здатності, якими обладнуються сучасні телевізори і монітори, застосовується активна матриця. У ній до кольорових та поляризаційних фільтрів додано шар тонкоплівкових транзисторів (TFT). При цьому кожен піксель керується своїм власним виділеним напівпровідниковим елементом. Транзистор забезпечує доступ у кожному стовпчику лише до одного пікселю. При активації рядка до нього з'єднуються всі стовпчики, і на них подається напруга. Потім рядок деактивується, і активується наступний. Під час оновлення дисплея послідовно активуються всі рядки. Активно-матричні екрани значно чіткіші і яскравіші пасивних того ж розміру, і зазвичай відрізняються більш швидким відгуком, який забезпечує набагато кращу якість зображення.