Принцип роботи ЖК монітора: контроль якості

Додаткові факти

• Чим швидше окремі пікселі можуть перемикатися з кольорового на чорний і навпаки, тим менше час відгуку дисплея. Це є важливою характеристикою якості, наприклад, для ігрових моніторів.
• Чим більше в РК-дисплеї пікселів, тим вища його роздільна здатність. Відповідно, і зображення на екрані буде чіткішим.
• Що таке Wi-Fi? Просто про складне
• Як працює кабельне телебачення?
• Як працює LCD-проектор

Далі в статті ми опишемо як працює LCD дисплей і його основні переваги.

Принцип роботи ЖК дисплея

Екрани LCD (Liquid Crystal Display), або рідкокристалічні монітори, зроблені з речовини під назвою ціанофеніл. Воно знаходиться в рідкому стані, але володіє властивостями, які притаманні кристалічним тілам. Ціанофеніл - це рідина, що володіє азинотропією властивостей, пов'язаних з упорядкованістю в орієнтації молекул.

Рідкі кристали - це суміш певних речовин, яка володіє властивостями як рідин, так і кристалів. Хоча як рідина вона плинна і може заповнити собою весь простір, в який поміщена. А як кристал вона складається з молекул, які розташовуються в чіткому структурованому порядку.

Рідкі кристали, які використовуються в дисплеях, складаються зі стрижнеподібних молекул. Зазвичай вони розташованих паралельно один одному. Як наслідок, завдяки напруженості, рідкі кристали можуть змінювати своє становище в просторі.

Рідкі кристали розташовані в основному структурному елементі ЖК-дисплея - в пікселях, точніше в субпікселях. У субпікселях кристали розташовані шарами таким чином, щоб виходити спіраль. Така спіралевидна система стоїть між двома електродами і двома кольоровими платівками з поляризаційною плівкою. Враховуючи, що всі дисплеї працюють за принципом RGB, то логічно припустити, що і LCD працює так само. У першій комірці пластики червоні, у другій і третій - зелені і сині, відповідно.

Поляризаційна плівка.

Вона пропускає через себе світлові коливання певної орієнтації. У результаті вертикально орієнтовані світлові коливання проходять через першу платівку, а через другу - горизонтальні.

Що відбувається далі? Субпіксель підсвічується, світло проходить через першу платівку і стає вертикально орієнтованим.

Далі є три варіанти розвитку подій:

• При відсутності напруги на електродах рідкі кристали залишаються в стані спокою і утворюють спіраль. Насамперед світло проходить через неї і в результаті орієнтація змінюється на горизонтальну. У той час як світло виходить назовні через другу платівку. Як підсумок, ми бачимо яскравий колір - червоний, зелений або синій.
• При подачі напруги на електроди кристали повертаються перпендикулярно першій вертикальній платівці. А саме світло проходить через них, орієнтація залишається вертикальною, а горизонтальна платівка вже не пропускає його. Тому в результаті - більш тьмяне світло або його відсутність, тобто чорний колір.
• При різній подачі напруги на три різних субпікселі. Наприклад, на червоний - сильна, на зелений - слабша, а на синьому - відсутність напруги. Тому ми побачимо яскравий червоний, тьмяний зелений і не побачимо синього кольору зовсім.

На ЖК-дисплеях встановлено зазвичай від мільйона пікселів. А субпікселів, відповідно, втричі більше. Саме тому ми можемо бачити різні відтінки і півтони. Тому чим більше пікселів, тим приємніше і природні буде виглядати картинка на вашому LCD-моніторі.

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?

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.

Недоліки екранів LCD

• Рівень яскравості. Такі монітори малочутливі до змін яскравості. Тому навіть при прокрутці її на максимум користувач може не особливо помітити зміну яскравості. Особливо якщо він знаходиться на сонці. А також деякі LCD-монітори можуть просто не забезпечувати комфортний рівень яскравості для користувача.
• Контрастність. У рідкокристалічних моніторів контрастність нижча, ніж у моніторів OLED. Крім того деякі монітори не чутливі до змін рівня контрастності екрану. Або ж може бути відсутня глибина контрастності.
• Рівномірність підсвічування екрану. Іноді в LCD-дисплеях буває досить складно домогтися рівномірності підсвічування екрану. Внаслідок чого на дисплеї можна помітити більш світлі або темні ділянки. Це стає дуже помітно при однотонному тлі екрану. А пов'язано це з тим, що чим більше дисплей, тим більше в ньому встановлено матриць, які його підсвічують.
• Якість зображення. При переході на іншу роздільну здатність відмінна, від рекомендованого, може легко «з'їдатися» якість зображення. Але це можна виправити. Завдяки технологіям як апаратного, так і програмного згладжування, цей мінус вже майже усунений.

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.

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.