Специальность:09.02.01 Компьютерные системы и комплексы

Квалификация выпускника: Техник по компьютерным системам

Форма обучения: очная

Якутск 2019

ВВЕДЕНИЕ

Первый рабочий жидкокристаллический дисплей был создан Фергесоном (Fergason) в 1970 году. До этого жидкокристаллические устройства потребляли слишком много энергии, срок их службы был ограничен, а контраст изображения был удручающим. На суд общественности новый ЖК-дисплей был представлен в 1971 году и тогда он получил горячее одобрение.

Первые жидкие кристаллы отличались своей нестабильностью и были мало пригодными к массовому производству. Реальное развитие ЖК технологии началось с изобретением английскими учеными стабильного жидкого кристалла - бифенила (Biphenyl). Жидкокристаллические дисплеи первого поколения можно наблюдать в калькуляторах, электронных играх и в часах. Современные ЖК мониторы также называют плоскими панелями, активными матрицами двойного сканирования, тонкопленочными транзисторами. Идея ЖК мониторов витала в воздухе более 30 лет, но проводившиеся исследования не приводили к приемлемому результату, поэтому ЖК мониторы не завоевали репутации устройств, обеспечивающих хорошее качество изображения.

В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно отнести: малые размер и масса в сравнении с ЭЛТ. У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ, нет видимого мерцания, дефектов фокусировки лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в зависимости от модели, настроек и выводимого изображения может как совпадать с потреблением ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров, так и быть существенно -- до пяти[8] раз -- ниже. Энергопотребление ЖК-мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight -- задний свет) ЖК-матрицы. Во многих мониторах 2007 года для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более герц.

Теоретическая часть

Конструкция ЖК - монитора

Изображение на LCD-экранах формируется с помощью матрицы пикселей, как и в обычных мониторах; отличие же состоит в материале пикселей и в способе генерации излучения. Каждый элемент матрицы - так называемый жидкий кристалл, являющийся оптически активным материалом. Он способен в естественном состоянии поворачивать плоскость поляризации проходящего через него излучения.

Второе чрезвычайно важное его свойство - это способность изменять угол поворота плоскости поляризации в зависимости от приложенного внешнего электрического поля. Такие характеристики ЖК - ячейки позволяют манипулировать интенсивностью прошедшего света. С обеих сторон от ЖК - ячейки на пути распространения излучения устанавливаются скрещенные поляризаторы. Первый из них выделяет определенную компоненту поляризации падающего излучения.

Далее это излучение попадает на жидкий кристалл, который поворачивает плоскость поляризации на определенный угол. Второй поляризатор служит для управления интенсивностью излучения: если его выделенное направление совпадает с направлением плоскости поляризации излучения, то для света он окажется абсолютно прозрачным, а если между ними будет угол 90°, то свет поглотится. Таким образом, можно изменять интенсивность излучения внешним электрическим полем. Однако при помощи подобной схемы можно сконструировать лишь черно-белый монитор. Для создания цветного дисплея необходимо наличие ячеек трех цветов - красного, синего и зеленого.

На самом деле все ячейки одинаковые, а цвета генерируются за счет пропускания излучения сквозь светофильтры нужных цветов. Но проблема состоит в том, что отфильтрованное излучение очень сильно теряет в своей интенсивности, а это сказывается на общей яркости, уменьшает глубину контраста и, естественно, качество цветопередачи. В последнее время стал применяться альтернативный подход, основанный на интересном свойстве жидких кристаллов, а именно: для разных длин волн углы поворота плоскости поляризации излучения при одном и том же внешнем поле отличаются. Реализация этого способа более технологична и сложна, но зато она позволяет достичь большей яркости, лучшей контрастности и в целом улучшить цветопередачу. Конструкция ЖК – монитора приведена на рисунке 1

Рисунок 1 – Конструкция ЖК - монитора

Параметры ЖК - монитора

Разрешение бывает горизонтальное и вертикальное размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией.

Размер точки это расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.

Соотношение сторон экрана (формат) это отношение ширины к высоте, например: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.

Видимая диагональ это размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.

Контрастность это отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведенная для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению. Контрастность, по определению, есть отношение яркости белого цвета к яркости черного. В ЖК - мониторах этот параметр особенно актуален, если пиксель выключен — это означает, что он лишь глушит свет лампы подсветки в определенное количество раз, в отличие от ЭЛТ, где выключенный пиксель не светится вообще.

Яркость это количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр. В результате получается, что уровень черного для современных TN+Film-матриц составляет около 0,7-1,5 кд/м2 — что при соответствующем ему уровне белого 150-250 кд/м2 дает контрастность порядка 200:1, но не больше. При работе же в полутьме — например, дома вечером — яркость 1 кд/м2 выглядит уже не черным, а отчетливым серым цветом. И лишь очень немногие мониторы на быстрых матрицах позволяют снизить уровень черного до 0,3-0,5 кд/м2 — но лишь при снижении общей яркости экрана. Если же обратиться к MVA- и PVA-матрицах — для них уровень черного порядка 0,1 кд/м2 не является чем-то недостижимым, встречаются мониторы на PVA-матрицах с реальной контрастностью вплоть до 800:1, что уже позволяет им конкурировать с мониторами на ЭЛТ (для сравнения: уровень черного на хороших мониторах может быть менее 0,05 кд/м2).

Время отклика согласно действующим стандартам, измеряется при переключении пикселя с черного на белый и обратно, причем меряется не время полного переключения, а только время перехода от 10-процентной яркости к 90-процентной. Кристаллы в ЖК - матрице управляются напряжением — чем больше поданное на ячейку напряжение, тем больше угол поворота кристаллов и тем больше света пропускает ячейка. Проблема же в том, что скорость поворота кристаллов тоже зависит от поданного напряжения — чем оно больше, тем быстрее кристалл займет нужную позицию.

Угол обзора это угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Согласно текущим стандартам, производители матриц определяют угол обзора как угол относительно перпендикуляра к центру матрицы, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре матрицы падает до 10:1. Определение угла обзора приведено на рисунке 2

Рисунок 2 - Определение угла обзора

Тип матрицы это технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

а)TN+Film-матрицы (на ранних этапах своего развития получившие приставку "Film", обозначающую дополнительную пленку, улучшающую углы обзора – так как в настоящий момент все матрицы этого типа имеют такую пленку, то отдельное упоминание о ней давно уже перестало быть обязательным, а потому, говоря о современных матрицах, "TN" и "TN+Film" можно считать синонимами) – самый старый тип матриц, ведущий свое существование еще со времен пассивных матриц. Технология TN+Film матрицы приведена на рисунке 3

Рисунок 3 – Технология TN+Film матрицы

б)IPS – матрица - это технология была разработана компанией Hitachi в 1996 году именно для устранения двух проблем TN-матриц – маленьких углов обзора и низкого качества цветопередачи. Свое название – In-Plane Switching – она получила за счет того, что кристаллы в ячейках IPS-панели всегда расположены в одной плоскости и всегда параллельны плоскости панели (не считая небольших искажений, вносимых электродами). При подаче на ячейку напряжения все кристаллы поворачиваются на 90 градусов, причем, в отличие от TN, в активном состоянии панель пропускает свет, а в пассивном (при отсутствии напряжения) – нет, так что при выходе из строя тонкопленочного транзистора соответствующий пиксель всегда будет черным. Технология IPS матрицы приведена на рисунке 4

Рисунок 4 – Технология IPS матрицы

в)MVA-матрица эта технология (Multidomain Vertical Alignment) была разработана компанией Fujitsu в 1998 году как компромисс между TN+Film и IPS-матрицами – с одной стороны, эта технология позволила обеспечить полное время отклика 25 мс (что на тот момент было совершенно недостижимо для IPS и труднодостижимо для TN), с другой стороны, MVA-матрицы имеют углы обзора 160...170 градусов, что позволяет им легко превосходить по этому параметру TN и напрямую конкурировать с IPS. Кроме того, технология MVA позволяет получить значительно более высокую контрастность, нежели TN или IPS. Технология MVA матрицы приведена на рисунке 5

Рисунок 5 – Технология MVA матрицы

г) PVA-матрица – эта технология – Patterned Vertical Alignment – была разработана компанией Samsung в качестве альтернативы MVA. Такая модель разработки для Samsung не нова – в свое время существовала также технология ACE, фактически аналогичная более привычному IPS. Структура жидких кристаллов в PVA такая же, как и в MVA – домены с различной ориентацией кристаллов позволяют сохранять нужный цвет практически независимо от угла.