Для многих жидкокристаллические дисплеи (LCD) ассоциируются, прежде всего, с плоскими мониторами, "крутыми" телевизорами, ноутбуками, видеокамерами и сотовыми телефонами. Некоторые добавят сюда КПК, электронные игры, банковские автоматы. Но существует еще множество областей, где необходимы дисплеи с высокой яркостью, прочной конструкцией, работающие в широком диапазоне температур.
Плоские дисплеи нашли применение там, где критичными параметрами являются минимальные энергопотребление, вес и габариты. Машиностроение, автомобильная промышленность, железнодорожный транспорт, морские буровые установки, горное оборудование, наружные торговые точки, авиационная электроника, морской флот, специальные транспортные средства, системы безопасности, медицинское оборудование, вооружение - вот далеко не полный перечень применений жидкокристаллических дисплеев.
Постоянное развитие технологий в этой области позволило снизить стоимость производства LCD до такого уровня, при котором произошел качественный переход: дорогая экзотика стала обыденным явлением. Важным фактором быстрого распространения ЖК-дисплеев в промышленности стала и простота применения.
В этой статье рассматриваются основные параметры различные типов жидкокристаллических дисплеев, что позволит сделать осознанный и правильный выбор LCD для каждого конкретного применения (метод "побольше и подешевше" практически всегда оказывается слишком дорогим).
Все многообразие ЖК-дисплеев можно разделить на несколько типов в зависимости от технологии производства, конструкции, оптических и электрических характеристик.
Технология
В настоящее время при производстве LCD применяются две технологии (рис.1): пассивная матрица (PMLCD-STN) и активная матрица (AMLCD).
Технологии MIM-LCD и Diode-LCD не получили широкого распространения и поэтому не будем на них тратить время.
Рис. 1. Виды технологий жидкокристаллических дисплеев
STN (Super Twisted Nematic)- матрица, состоящая из ЖК-элементов с изменяемой прозрачностью.
TFT (Thin Film Transistor)- активная матрица, в которой каждый пиксел управляется отдельным транзистором.
По сравнению с пассивной матрицей, TFT LCD имеет более высокую контрастность, насыщенность, меньшее время переключения (нет "хвостов" у движущихся объектов).
Управление яркостью в жидкокристаллическом дисплее основано на поляризации света (курс общей физики): свет поляризуется, проходя через поляризационный фильтр (с определенным углом поляризации). При этом наблюдатель видит только снижение яркости света (почти в 2 раза). Если за этим фильтром поставить еще один такой фильтр, то свет будет полностью поглощаться (угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу поляризации первого) или полностью проходить (углы поляризации совпадают). При плавном изменении угла поляризации второго фильтра интенсивность проходящего света будет также плавно изменяться.
Принцип действия и "бутербродная" структура всех TFT LCD примерно одинакова (рис. 2). Свет от лампы подсветки (неоновая или светодиоды) проходит через первый поляризатор и попадает в слой жидких кристаллов, управляемых тонкопленочным транзистором (TFT). Транзистор создает электрическое поле, которое формирует ориентацию жидких кристаллов. Пройдя такую структуру, свет меняет свою поляризацию и будет - или полностью поглощен вторым поляризационным фильтром (черный экран), или не будет поглощаться (белый), или поглощение будет частичным (цвета спектра). Цвет изображения определяют цветовые фильтры (аналогично электронно-лучевым трубкам, каждый пиксел матрицы состоит из трех субпикселов - красного, зеленого и голубого).
Рис. 2. Структура TFT LCD
Пиксел TFT
Цветные фильтры для красного, зелёного и синего цветов интегрированы в стеклянную основу и расположены близко друг к другу. Это может быть вертикальная полоса, мозаичная структура или дельта-структура (рис. 3). Каждый пиксел (точка) состоит из трёх ячеек указанных цветов (субпикселей). Это означает, что при разрешении m x n активная матрица содержит 3m x n транзисторов и субпикселов. Шаг пиксела (с тремя субпикселами) для 15.1" TFT ЖК-дисплея (1024 x 768 точек) составляет примерно 0.30 мм, а для 18.1" (1280 x 1024 точки)- 0.28 мм. TFT LCD имеют физическое ограничение, которое определяется максимальной площадью экрана. Не ждите разрешения 1280 x 1024 при диагонали 15" и шаге точки 0.297 мм.
Рис. 3. Структура цветного фильтра
На близком расстоянии точки явственно различимы, но это не беда: при формировании цвета используется свойство человеческого глаза смешивать цвета при угле зрения менее 0,03°. На расстоянии 40 см от ЖК-дисплея при шаге между субпикселами 0,1 мм угол зрения составит 0,014° (цвет каждого субпиксела различит только человек с орлиным зрением).
Типы ЖК-дисплеев
TN (Twist Nematic) TFT или TN+Film TFT - первая технология, появившаяся на рынке ЖК-дисплеев, основное достоинство которой& - дешевизна. Недостатки: черный цвет больше похож на темно-серый, что приводит к низкой контрастности изображения, "мертвые" пиксели (при выходе из строя транзистора) очень яркие и заметные.
IPS (In-Pane Switching) (Hitachi) или Super Fine TFT (NEC, 1995 год). Характеризуется наибольшим углом обзора и высокой точностью цветопередачи. Угол обзора расширен до 170°, остальные функции - как у TN+Film (время отклика порядка 25мс), практически идеальный черный цвет. Преимущества: хорошая контрастность, "мертвый" пиксель - черный.
Super IPS (Hitachi), Advansed SFT (производитель - NEC). Достоинства: яркое контрастное изображение, искажения цвета почти незаметны, увеличены углы обзора (до 170° по вертикали и по горизонтали) и обеспечена исключительная четкость.
UA-IPS (Ultra Advanced IPS), UA-SFT (Ultra Advanced SFT) (NEC). Время реакции достаточно для обеспечения минимальных искажений цвета при просмотре экрана под разными углами, повышенная прозрачность панели и расширение цветовой гаммы при достаточно высоком уровне яркости.
MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) (Fujitsu).Основное преимущество - наименьшее время реакции и высокая контрастность. Главный недостаток - высокая стоимость.
PVA (Patterned Vertical Alignment) (Samsung). Микроструктурное вертикальное размещение ЖК.
Конструкция
Конструкция жидкокристаллического дисплея определяется расположением слоев в "бутерброде" (включая и светопроводящий слой) и имеет наибольшее значение для качества изображения на экране (в любых условиях: от темного помещения до работы при солнечном свете). В настоящее время используются три основных типа цветных LCD:
- пропускающий (transmissive), предназначенный в основном для оборудования, работающего в помещении;
- отражающий (reflective) применяется в калькуляторах и часах;
- проекционный (projection) используется в ЖК-проекторах.
Компромиссной разновидностью пропускающего типа дисплея для работы, как в помещении, так и при внешнем освещении, является полупрозрачный (transflective) тип конструкции.
Пропускающий тип дисплея (transmissive) . В этом типе конструкции свет поступает сквозь жидкокристаллическую панель с задней стороны (подсветка) (рис. 4).По этой технологии сделаны большинство ЖК-дисплеев, используемых в ноутбуках и карманных компьютерах. Transmissive LCD имеет высокое качество изображения в помещении и низкое (черный экран) при солнечном свете, т.к. отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, излучаемый подсветкой. Эта проблема решается (в настоящее время) двумя способами: увеличением яркости задней подсветки и уменьшением количества отраженного солнечного света.
Рис. 4. Конструкция жидкокристаллического дисплея пропускающего типа
Для работы при дневном освещении в тени необходима лампа подсветки, обеспечивающая 500 кд/м2, при прямом солнечном свете - 1000 кд/м 2 . Яркости в 300 кд/м 2 можно добиться путем предельного увеличения яркости одной лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) или добавлением второй лампы, расположенной напротив. Модели жидкокристаллических дисплеев с повышенной яркостью используют от 8 до 16 ламп. Однако увеличение яркости подсветки увеличивает расход энергии батарей (одна лампа подсветки потребляет около 30% энергии, используемой устройством). Следовательно, экраны с повышенной яркостью можно использовать только при наличии внешнего источника питания.
Уменьшение количества отраженного света достигается нанесением антиотражающего покрытия на один или несколько слоев дисплея, заменой стандартного поляризационного слоя на минимально отражающий, добавлением пленок, повышающих яркость и, таким образом, увеличивающих эффективность источника света. В ЖК-дисплеях Fujitsu преобразователь заполняется жидкостью с коэффициентом рефракции, равным коэффициенту рефракции сенсорной панели, что значительно сокращает количество отраженного света (но сильно сказывается на стоимости).
Полупрозрачный тип дисплея (transflective) похож на пропускающий, но у него между слоем жидких кристаллов и подсветкой имеется т. н. частично отражающий слой (рис.5). Он может быть или частично серебряным, или полностью зеркальным со множеством маленьких отверстий. Когда такой экран используется в помещении, он работает аналогично transmissive LCD, в котором часть освещения поглощается отражающим слоем. При дневном освещении солнечный свет отражается от зеркального слоя и освещает слой ЖК, при этом свет проходит жидкие кристаллы дважды (внутрь, а затем наружу). Как следствие, качество изображения при дневном освещении ниже, чем при искусственном освещении в помещении, когда свет проходит LCD один раз.
Рис. 5. Конструкция жидкокристаллического дисплея полупрозрачного типа
Баланс между качеством изображения в помещении и при дневном освещении достигается подбором характеристик пропускающего и отражающего слоев.
Отражающий тип дисплея (reflective) имеет полностью отражающий зеркальный слой. Все освещение (солнечный свет или свет передней подсветки) (рис. 6), проходит сквозь ЖКИ, отражается от зеркального слоя и снова проходит сквозь ЖКИ. В этом случае качество изображения у дисплеев отражающего типа ниже, чем у полупропускающего (так как в обоих случаях используются сходные технологии). В помещении передняя подсветка не так эффективна, как задняя, и, соответственно, качество изображения - ниже.
Рис. 6. Конструкция жидкокристаллического дисплея отражающего типа
Основные параметры жидкокристаллических панелей
Разрешение. Цифровая панель, число пикселей в которой строго соответствует номинальному разрешению, должна корректно и быстро масштабировать изображение. Простой способ проверки качества масштабирования - изменение разрешения (на экране текст, написанный мелким шрифтом). По контурам букв легко заметить качество интерполяции. Качественный алгоритм дает ровные, но немного размытые буквы, тогда как быстрая целочисленная интерполяция обязательно вносит искажения. Быстродействие - второй параметр разрешения (для масштабирования одного кадра требуется время на интерполяцию).
Мертвые пиксели. На плоской панели могут не работать несколько пикселей (они всегда одного цвета), которые появляются в процессе производства и восстановлению не подлежат.
Стандарт ISO 13406-2 определяет предельные значения количества дефектных пикселов на миллион. В соответствии с таблицей ЖК-панели делятся на 4 класса.
Таблица 1
Тип 1 - постоянно светящиеся пиксели (белый); Тип 2 - "мертвые" пиксели (черный); Тип 3 - дефектные красные, синие и зеленые субпиксели.Угол обзора. Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Но в первую очередь при изменении угла обзора от 90(видны искажения цвета. Поэтому, чем больше угол обзора, тем лучше. Различают горизонтальный и вертикальный угол обзора, рекомендуемые минимальные значения - 140 и 120 градусов соответственно (наилучшие углы обзора даёт технология MVA).
Время отклика (инерционность)- время, за которое транзистор успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов (чем меньше, тем лучше). Для того чтобы быстро движущиеся объекты не казались смазанными, достаточно времени отклика 25 мс. Этот параметр состоит из двух величин: времени на включение пикселя (come-up time) и времени на выключение (come-down time). Время отклика (точнее, время выключения как наибольшее время, за которое отдельный пиксель максимально изменяет свою яркость) определяет частоту обновления изображения на экране
FPS = 1 с/время отклика.
Яркость - преимущество ЖК-дисплея, которая в среднем в два раза выше показателей ЭЛТ: с увеличением интенсивности лампы подсветки сразу возрастает яркость, а в ЭЛТ необходимо усиливать поток электронов, что приведёт к значительному усложнению её конструкции и повысит электромагнитное излучение. Рекомендуемое значение яркости - не менее 200 кд/м 2 .
Контрастность определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Основная проблема заключается в сложности получения точки чёрного цвета, т.к. лампа подсветки включена постоянно и для получения тёмных тонов используется эффект поляризации. Чёрный цвет зависит от качества перекрытия светового потока подсветки.
ЖК-дисплеи как сенсоры. Снижение стоимости и появление моделей LCD, работающих в жестких условиях эксплуатации, позволило совместить в одном лице (в лице жидкокристаллического дисплея) средство вывода визуальной информации и средство ввода информации (клавиатура). Задача построения такой системы упрощается использованием контроллера последовательного интерфейса, который подключается, с одной стороны, к ЖК-дисплею, а с другой - непосредственно к последовательному порту (СОМ1 - СОМ4) (рис.7). Для управления, декодирования сигналов и подавления "дребезга" (если так можно назвать определение прикосновения) применяется PIC-контроллер (например, IF190 фирмы Data Display), обеспечивающий высокое быстродействие и точность определения точки прикосновения.
Рис. 7. Блок-схема TFT LCD на примере NL6448BC-26-01 дисплея фирмы NEC
Завершим на этом теоретические изыскания и перейдем к реалиям сегодняшнего дня, а точнее - к тому, что имеется сейчас на рынке жидкокристаллических дисплеев. Среди всех изготовителей TFT LCD рассмотрим продукцию NEC, Sharp, Siemens и Samsung. Выбор этих фирм обусловлен
- лидерством на рынке ЖК-дисплеев и технологий производства TFT LCD;
- доступностью продукции на рынке стран СНГ.
Компания NEC Corporation выпускает жидкокристаллические дисплеи (20% рынка) практически с момента их появления и предлагает не только широкий выбор, но и различные варианты исполнения: стандартный (Standard), специальный (Special) и особый (Specific). Стандартный вариант - компьютеры, офисное оборудование, домашняя электроника, коммуникационные системы и т.п. Специальное исполнение применяется на транспорте (любом: наземном и морском), системах управления движением, системах безопасности, медицинском оборудовании (не связанном с системами жизнеобеспечения). Для систем вооружений, авиации, космического оборудования, систем управления ядерными реакторами, систем жизнеобеспечения и других аналогичных предназначен особый вариант исполнения (понятно, что стоит это недешево).
Перечень выпускаемых ЖК-панелей для промышленного применения (инвертер для лампы подсветки поставляется отдельно) приведен в таблице 2, а блок-схема (на примере 10-дюймового дисплея NL6448BC26-01)- на рис. 8.
Рис. 8. Внешний вид дисплея
Таблица 2. Модели ЖК-панелей фирмы NEC
| Модель | Размер по диагонали, дюйм | Количество пикселей | Число цветов | Описание |
| NL8060BC31-17 | 12,1 | 800x600 | 262144 | Высокая яркость (350кд/м 2) |
| NL8060BC31-20 | 12,1 | 800x600 | 262144 | Широкий угол обзора |
| NL10276BC20-04 | 10,4 | 1024x768 | 262144 | - |
| NL8060BC26-17 | 10,4 | 800x600 | 262144 | - |
| NL6448AC33-18A | 10,4 | 640x480 | 262144 | Встроенный инвертор |
| NL6448AC33-29 | 10,4 | 640x480 | 262144 | Высокая яркость, широкий угол обзора, встроенный инвертор |
| NL6448BC33-46 | 10,4 | 640x480 | 262144 | Высокая яркость, широкий угол обзора |
| NL6448CC33-30W | 10,4 | 640x480 | 262144 | Без подсветки |
| NL6448BC26-01 | 8,4 | 640x480 | 262144 | Высокая яркость (450 кд/м 2) |
| NL6448BC20-08 | 6,5 | 640x480 | 262144 | - |
| NL10276BC12-02 | 6,3 | 1024x768 | 16, 19M | - |
| NL3224AC35-01 | 5,5 | 320x240 | Full color | |
| NL3224AC35-06 | 5,5 | 320x240 | Full color | Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор, тонкий |
| NL3224AC35-10 | 5,5 | 320x240 | Full color | Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор |
| NL3224AC35-13 | 5,5 | 320x240 | Full color | Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор |
| NL3224AC35-20 | 5,5 | 320x240 | 262, 144 | Высокая яркость (400 кд/м 2) |
Сыграла значительную роль в развитии LCD-технологий. Компания Sharp и сейчас находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. В 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселов. Краткий перечень продукции - в таблице 3.
Таблица 3. Модели ЖК-панелей фирмы Sharp
Выпускает жидкокристаллические дисплеи с активной матрицей на низкотемпературных поликремниевых тонкопленочных транзисторах. Основные характеристики дисплеев с диагональю 10,5" и 15" приведены в таблице 4. Обратите внимание на диапазон рабочих температур и стойкость к ударам.
Таблица 4. Основные характеристики ЖК-дисплеев фирмы Siemens
Примечания:
I - встроенный инвертор l - в соответствии с требованиями стандарта MIL-STD810
Фирма выпускает жидкокристаллические дисплеи под торговой маркой "Wiseview™". Начав с выпуска 2-дюймовой TFT панели для поддержки Интернета и анимации в мобильных телефонах, Samsung теперь производит гамму дисплеев от 1,8" до 10,4" в сегменте малых и средних TFT LCD, причем некоторые модели предназначены для работы при естественном освещении (таблица 5).
Таблица 5. Основные характеристики ЖК-дисплеев Samsung малых и средних размеров
Примечания:
LED - светодиодная; CCFL - флуоресцентная лампа с холодным катодом;
В дисплеях используется технология PVA.
Выводы.
В настоящее время выбор модели жидкокристаллического дисплея определяется требованиями конкретного применения и в значительно меньшей степени - стоимостью LCD.
Выбирая себе монитор, телевизор или телефон, покупатель часто стает перед выбором типа экрана. Какому же из них отдать предпочтение: IPS или TFT? Причиной такого замешательства стало постоянное усовершенствование технологий по изготовлению дисплеев.
Все мониторы с TFT технологией можно разделить на три основных типа:
- TN+Film.
- PVA/MVA.
То есть, технология TFT представляет собой жидкокристаллический дисплей с активной матрицей , а IPS — это одна из разновидностей этой матрицы . И сравнение этих двух категорий не возможно, так как практически это одно и тоже. Но если все же разобраться более подробно в том, что собой представляет дисплей с TFT матрицей, то сравнение провести можно, но не между экранами, а между технологиями их изготовления: IPS и TFT-TN.
Общее понятие TFT
TFT (Thin Film Transistor) переводится, как тонкопленочный транзистор . В основе ЖК дисплея с технологией TFT лежит активная матрица. Такая технология подразумевает спиральное расположение кристаллов, которые в условиях сильного напряжения делают поворот таким образом, что экран стает черным. А при отсутствии напряжения большой мощности мы видим белый экран. Дисплеи с такой технологией на выходе выдают лишь темно-серый цвет вместо идеального черного. Поэтому TFT дисплеи пользуются популярностью в основном в изготовлении более дешевых моделей.
Описание IPS
Технология матрицы ЖК экрана IPS (In-Plane Switching) подразумевает параллельное расположение кристаллов по всей плоскости монитора . Спирали здесь отсутствуют. И поэтому кристаллы в условиях сильного напряжения не поворачиваются. Иными словами технология IPS — это ничто иное, как улучшенная TFT. Она намного лучше передает черный цвет, тем самым улучшая степень контрастности и яркости изображения. Именно поэтому данная технология стоит дороже, чем TFT, и используется в более дорогих моделях.
Основные отличия TN-TFT и IPS
Желая реализовать как можно больше продукции, менеджеры по продажам вводят людей в заблуждение о том, что TFT и IPS — это совершенно разные типы экранов. Специалисты из сферы маркетинга не дают исчерпывающих сведений о технологиях и это позволяет им выдавать уже существующую разработку за только что появившуюся.
Рассматривая IPS и TFT, мы видим, что это практически одно и тоже . Разница лишь в том, что монитор с IPS технологией являются более свежей разработкой, по сравнению с TN-TFT. Но несмотря на это, все же можно выделить ряд отличий между данными категориями:
- Повышенная контрастность . То, как отображается черный цвет, напрямую влияет на контрастность изображения. Если наклонить экран с технологией TFT без IPS, то прочитать что-либо будет практически не возможно. А все из-за того, что экран при наклоне стает темным. Если же рассматривать IPS матрицу, то, благодаря тому, что передача черного цвета производится кристаллами идеально, изображение получается достаточно четким.
- Передача цвета и количество отображаемых оттенков . Матрица TN-TFT не лучшим образом передает цвета. А все из-за того, что каждый пиксель имеет собственный оттенок и это приводит к искажению цвета. Экран с технологией IPS намного бережнее передает изображение.
- Задержка отклика . Одним из преимуществ TN-TFT экранов над IPS является высокоскоростной отклик. А все потому, что на поворот множества параллельных кристаллов IPS затрачивает много времени. Отсюда делаем вывод, что там, где скорость прорисовки имеет большое значение, лучше использовать экран с матрицей TN. Дисплеи с технологией IPS работают медленнее, но в повседневной жизни этого не заметно. А выявить данное различие можно лишь применив специально предназначенные для этого технологические тесты. Как правило, предпочтение лучше отдавать дисплеям с матрицей IPS.
- Угол обзора . Благодаря широкому углу обзора экран с технологией IPS не искажает изображения, даже если смотреть на него под углом в 178 градусов. При чем такое значение угла обзора может быть как по вертикали, так и по горизонтали.
- Энергоемкость . Дисплеи с IPS технологией, в отличии от TN-TFT, требуют больше энергии. Это обусловлено тем, что для того, чтобы повернуть параллельные кристаллы, нужно большое напряжение. В итоге на аккумулятор идет больше нагрузки, чем при использовании TFT матрицы. Если вам необходимо устройство с небольшой энергоемкостью, то TFT технология будет идеальным вариантом.
- Ценовая политика . В большинстве бюджетных моделей электроники используют дисплеи на основе TN-TFT технологии, поскольку этот вид матрицы является самым недорогим.На сегодняшний день мониторы с IPS матрицей хоть и стоят дороже, но их используют практически во всех современных электронных моделях. Это постепенно приводит к тому, что IPS матрица практически вытесняет оборудование с технологией TN-TFT.
Итоги
Исходя из всего выше сказанного, можно подвести следующий итог.
Современные устройства оснащаются экранами различной конфигурации. Основными на данный момент являются дисплеи на базе но для них могут использоваться разные технологии, в частности речь идет о TFT и IPS, которые различаются по целому ряду параметров, хоть и являются потомками одного изобретения.
Сейчас существует огромное количество терминов, которые обозначают определенные технологии, скрывающиеся под аббревиатурами. К примеру, многие могли слышать или читать об IPS или TFT, однако мало кто понимает, в чем на самом деле разница между ними. Связано это с недостатком информации в каталогах электроники. Именно поэтому стоит разобраться с этими понятиями, а также решить, TFT или IPS - что лучше?
Терминология
Для определения того, что будет лучше или хуже в каждом отдельном случае, требуется узнать, за какие функции и задачи отвечает каждый IPS по факту представляет собой TFT, точнее ее разновидность, при изготовлении которой использовалась определенная технология - TN-TFT. Следует рассмотреть более подробно эти технологии.
Различия
TFT (TN) представляет собой один из способов производства матриц то есть экранов на тонкопленочных транзисторах, в которых элементы располагаются по спирали между парой пластин. При отсутствии подачи напряжения они будут повернуты друг к другу под прямым углом в горизонтальной плоскости. Максимальное напряжение вынуждает кристаллы поворачиваться так, чтобы проходящий сквозь них свет приводил к образованию черных пикселей, а при отсутствии напряжения - белых.
Если рассматривать IPS или TFT, то отличие первой от второй состоит в том, что матрица изготовлена на базе, описанной ранее, однако кристаллы в ней расположены не спирально, а параллельно единой плоскости экрана и друг другу. В отличие от TFT, кристаллы в данном случае не поворачиваются в условиях отсутствия напряжения.
Как мы это видим?
Если смотреть на IPS или то визуально отличие между ними состоит в контрастности, которая обеспечивается почти идеальной передачей черного цвета. На первом экране изображение будет выглядеть более четким. А вот качество цветопередачи в случае использования матрицы TN-TFT нельзя назвать хорошим. В данном случае у каждого пикселя имеется собственный оттенок, отличный от других. Из-за этого цвета сильно искажаются. Однако есть у такой матрицы и достоинство: она характеризуется самой высокой скоростью отклика среди всех существующих на данный момент. Для экрана IPS требуется определенное время, за которое все параллельные кристаллы совершат полный разворот. Однако человеческий глаз практически не улавливает разницу во времени отклика.
Важные особенности
Если говорить о том, что лучше в эксплуатации: IPS или TFT, то стоит отметить, что первые являются более энергоемкими. Это связано с тем, что для поворота кристаллов требуется немалое количество энергии. Именно поэтому, если перед производителем стоит задача сделать свое устройство энергоэффективным, в нем обычно применяется TN-TFT матрица.
Если выбирать экран TFT или IPS, то стоит отметить более широкие углы обзора второго, а именно 178 градусов в обеих плоскостях, это очень удобно для пользователя. Другие оказались неспособными обеспечить подобное. И еще одним существенным различием между двумя этими технологиями является стоимость изделий на их основе. TFT-матрицы на данный момент представляют собой наиболее дешевое решение, которое используется в большинстве бюджетных моделей, а IPS относится к более высокому уровню, но и он не является топовым.
Дисплей IPS или TFT выбрать?
Первая технология позволяет получать максимально качественное, четкое изображение, но требует больше времени для поворота используемых кристаллов. Это влияет на время отклика и прочие параметры, в частности скорость разрядки аккумулятора. Уровень цветопередачи TN-матриц гораздо ниже, однако их время отклика минимально. Кристаллы тут расположены по спирали.
На самом деле можно легко отметить невероятную пропасть в качестве экранов, работающих на базе двух этих технологий. Касается это и стоимости. Технология TN остается на рынке исключительно из-за цены, однако она не способна обеспечить сочную и яркую картинку.
IPS - это весьма удачное продолжение в развитии TFT-дисплеев. Высокий уровень контрастности и довольно большие углы обзора - это дополнительные преимущества данной технологии. К примеру, у мониторов на базе TN иногда черный цвет сам изменяет свой оттенок. Однако высокое потребление энергии устройствами, работающими на базе IPS, вынуждает многих производителей прибегать к использованию альтернативных технологий либо понижать этот показатель. Чаще всего матрицы данного типа встречаются у проводных мониторов, которые не работают от аккумулятора, что позволяет не быть устройству настолько энергозависимым. Однако постоянно ведутся разработки в этой области.
Описание устройства карманного компьютера начнем с самого привлекательного и самого дорогого компонента - жидкокристаллического экрана. Именно он в значительной степени определяет стоимость и класс компьютера, именно он требует от пользователя бережного отношения.
Все ЖК экраны компьютеров семейств Pocket PC 2002 и 2003 построены по технологии активной матрицы. В альтернативных аппаратах иногда встречаются и пассивные экраны, например, в Pocket Manager ВЕ300 от Casio.
Принцип действия жидкокристаллической матрицы основан на способности жидких кристаллов принимать в электромагнитном поле упорядоченное положение и снова располагаться хаотично при его отсутствии. Если сильно увеличить одну ячейку жидкокристаллической матрицы, то можно увидеть, что она представляет собой герметичную капсулу, в которой заключено небольшое количество жидких кристаллов. Основанием капсулы служит стекло с прозрачным тонкопленочным электрическим проводником. Когда на проводник ячейки подается электрический потенциал определенной полярности, кристаллы принимают упорядоченное положение, когда потенциал не подается - возвращаются в хаотичное исходное состояние. Таким образом устроена ячейка пассивной матрицы.
Устройство активной матрицы сложнее. Поскольку при исчезновении потенциала жидкие кристаллы стремятся вернуться в исходное положение, у пассивной матрицы возникает эффект инерционности изображения. Чтобы удержать кристаллы в определенном положении, потенциал должен подаваться постоянно. Для этого в активной матрице к каждой ячейке подводится не просто проводник, а вывод тонкопленочного транзистора (отсюда и название TFT - Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор), который сохраняет заряд до того момента, пока на него не будет подан электрический сигнал обратной полярности. Применение транзисторов вместо простых проводников многократно усложняет устройство и в конечном итоге производство жидкокристаллических матриц. Ведь в прямоугольной матрице размером 57,6 х 76,82 мм расположено 76 800 ячеек размером 0,24 мм, каждая из которых представляет собой комплекс из трех более мелких ячеек - триад - из которых затем синтезируется цветное изображение.
Каждая ячейка, состоящая из трех элементов триады, представляет собой пиксел и имеет прямоугольную форму. Сами ячейки образованы продольными перегородками на стекле подложки экрана и поперечными пластиковыми вставками. Ячейки этой решетки заполняются жидкими кристаллами и накрываются покровным, внешним
Но это еще не все. Кроме токопроводящего пленочного слоя, расположенного на покровном стекле, в толще жидкокристаллической матрицы есть еще несколько слоев. Во-первых, это внутренний поляризационный фильтр, расположенный между лампой подсветки экрана и стеклом подложки матрицы. Затем идет матрица микроскопических светофильтров, в которой каждому элементу триады образующей пиксель, соответствует один из базовых цветов - красный, зеленый или синий (red, green, blue, RGB). На внешней поверхности покровного стекла экрана устанавливается второй поляризационный фильтр. Наконец, сверху матрицы располагается специальный прозрачный экран сенсорной чувствительности.
Как работает эта сложная система? Контроллер дисплея, согласно командам операционной системы строит изображение и подает его в виде электрических сигналов на выводы транзисторов ячеек матрицы. Жидкокристаллическая матрица является устройством вывода информации с непосредственной адресацией. То есть напряжение к каждой ячейке матрицы (к каждому пикселу) подается индивидуально, а не построчным сканированием луча, как это происходит в электронно-лучевых трубках мониторов настольных компьютеров. Благодаря этому изображение, получаемое при помощи жидкокристаллической матрицы, отличается высокой стабильностью и полным отсутствием геометрических искажений.
Сами по себе жидкие кристаллы какого-либо изображения построить не способны, поскольку света не излучают. Их роль в матрице - перекрыть либо пропустить световой поток от лампы подсветки. При этом яркость изображения зависит от яркости лампы подсветки, а контрастность - от точного совпадения направления луча света и вектора ориентации жидких кристаллов.
Повысить контраст изображения до приемлемого уровня, призвана пара фильтров-поляризаторов - внутреннего и внешнего. Свет лампы подсветки, проходя через внутренний поляризационный фильтр, ориентируется таким образом, что направление вектора поляризации совпадает с вектором ориентации кристаллов, которые под воздействием управляющего сигнала контроллера располагаются параллельно поляризованным лучам света. Свет в этом случае проходит беспрепятственно, пиксел выглядит ярко светящимся. Если кристаллы в ячейке матрицы располагаются под углом к лучам света и частично перекрывают его, пиксел выглядит затемненным (таким образом строится полутоновое изображение). Кристаллы, расположенные перпендикулярно, полностью перекрывают лучи света, испускаемые лампой подсветки, - пиксел выглядит темным.
В качестве подсветки в экранах карманных компьютеров используются либо трубчатые люминесцентные лампы белого свечения (в карманных компьютерах с монохромным экраном - белого, янтарного или зеленого свечения), либо люминесцентные полимерные панели, излучающие свет всей поверхностью. Если в качестве источника света используются лампы, то за внутренним стеклом жидкокристаллической матрицы установлена относительно толстая стеклянная призма. Лампы светят в ее торцы, а призма рассеивает свет, обеспечивая тем самым равномерность подсветки экрана. Поскольку площадь экрана КПК невелика, а проблема энергосбережения стоит достаточно остро, зачастую подсветка осуществляется одной лампой.
Так были устроены экраны карманных компьютеров до появления семейства Pocket PC. Именно в это время среди пользователей и компьютерных аналитиков разгоралась жаркая дискуссия - нужен ли вообще карманному компьютеру цвет? Дело в том, что в то время даже самая качественная жидкокристаллическая матрица давала изображение по яркости и контрасту уступавшее изображению, получаемому при помощи электроннолучевой трубки. Теперь вспомните, что происходит, когда в комнату, где работает телевизор, проникает яркий солнечный свет - изображение на экране телевизора практически исчезает. При этом контраст изображения электроннолучевой трубки вчетверо выше, чем контраст изображения жидкокристаллической матрицы рядового КПК.
Казалось бы, в условиях дневного освещения, не говоря уже о ярком солнечном свете, у цветной жидкокристаллической матрицы нет ни одного шанса - на экране карманного компьютера ничего не видно, включай подсветку или не включай (она на компьютерах с активными матрицами, кстати, и не выключалась). Но монохромные экраны со своей задачей справлялись, поскольку основной их режим - работа в отраженном свете. То есть внешний свет попадает на экран, проходит сквозь прозрачные слои матрицы, отражается от внутренней поверхности и поверхности кристаллов и возвращается, участвуя в построении экранного изображения.
По такому же принципу построены экраны всех карманных компьютеров Pocket PC 2002. Отражающие (или рефлективные) экраны имеют такое же устройство, как и обычная активная жидкокристаллическая матрица, но за одним исключением. На внутреннюю поверхность стеклянной призмы, которая рассеивает свет от лампы подсветки, нанесена отражающая амальгама, увеличивающая отражающую способность призмы. В результате яркий внешний свет проникает сквозь прозрачные слои экрана, отражается от поверхности призмы и возвращается, осуществляя подсветку.
Комбинация рефлективного экрана и лампы подсветки позволяет подобрать наиболее эффективный режим вывода изображения, при котором пользователю даже прямые солнечные лучи перестают быть помехой. А с практической точки зрения, отражающие экраны выглядят мягче и спокойнее, чем активные матрицы. Возможно на них не такие яркие и насыщенные цвета, зато работать с таким экраном комфортнее и безопаснее. Проблема не только в каких-то вредных излучениях, но и в резком перепаде яркостей. На ярком солнечном свете даже чтение обычного текста с обычной бумаги превращается в пытку. И яркая, красочная картинка на экране маленького компьютера в условиях умеренной освещенности в этом смысле ничуть не лучше. Поэтому мы можем смело записать в плюсы компьютеров Pocket PC еще и заботу о нашем зрении.
В современных КПК рефлективная подсветка используется только для удешевления моделей, а если производитель хочет предоставить экран максимального качества, то используется трансфлективная матрица. Практически сохраняя все особенности отражающей конструкции, источник света перемещается за стекло - освещение становится более равномерным и контрастным, а цвета более живыми.
Экран iPhone, устроен по другому и его конструкция - тема отдельной статьи. Здесь же мы отметим лишь одну особенность экрана устройства от Apple. Согласно многочисленным отзывам пользователей iPhone, иногда им не хватает возможности использовать стилус для ввода или управления. Несмотря на то, что сама ОС и приложения для iPhone , ориентированы исключительно на управление пальцами, на рынке существуют специальные стилусы для работы с устройствами, имеющими экраны емкостного типа. Так что, если вы привыкли пользоваться стилусом, то и управлять iPhone, можно и при помощи пера.
"Сердцем" любого жидкокристаллического монитора является LCD-матрица (Liquid Cristall Display). ЖК-панель представляет из себя сложную многослойную структуру. Упрощенная схема цветной TFT LCD-панели представлена на Рис.2.
Принцип работы любого жидкокристаллического экрана основан на свойстве жидких кристаллов изменять (поворачивать) плоскость поляризации проходящего через них света пропорционально приложенному к ним напряжению. Если на пути поляризованного света, прошедшего через жидкие кристаллы, поставить поляризационный светофильтр (поляризатор), то, изменяя величину приложенного к жидким кристаллам напряжения, можно управлять количеством света, пропускаемого поляризационным светофильтром. Если угол между плоскостями поляризации прошедшего сквозь жидкие кристаллы света и светофильтра составляет 0 градусов, то свет будет проходить сквозь поляризатор без потерь (максимальная прозрачность), если 90 градусов, то светофильтр будет пропускать минимальное количество света (минимальная прозрачность).
Таким образом, используя жидкие кристаллы, можно изготавливать оптические элементы с изменяемой степенью прозрачности. При этом уровень светопропускания такого элемента зависит от приложенного к нему напряжения. Любой ЖК-экран у монитора компьютера, ноутбука, планшета или телевизора содержит от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов таких ячеек, размером долей миллиметра. Они объединены в LCD-матрицу и с их помощью мы можем формировать изображение на поверхности жидкокристаллического экрана.
Жидкие кристаллы были открыты еще в конце XIX века. Однако первые устройства отображения на их основе появились только в конце 60-х годов XX века. Первые попытки применить LCD-экраны в компьютерах были предприняты в восьмидесятых годах прошлого века. Первые жидкокристаллические мониторы были монохромными и сильно уступали по качеству изображения дисплеям на электронно-лучевых (ЭЛТ) трубках. Главными недостатками LCD-мониторов первых поколений были:
- - низкое быстродействие и инерционность изображения;
- - «хвосты» и «тени» на изображении от элементов картинки;
- - плохое разрешение изображения;
- - черно-белое или цветное изображение с низкой цветовой глубиной;
- - и т.п.
Однако, прогресс не стоял на месте и, со временем, были разработаны новые материалы и технологии в изготовлении жидкокристаллических мониторов. Достижения в технологиях микроэлектроники и разработка новых веществ со свойствами жидких кристаллов позволило существенно улучшить характеристики ЖК-мониторов.
Устройство и работа TFT LCD матрицы.
Одними из главных достижений стало изобретение технологии LCD TFT-матрицы – жидкокристаллической матрицы с тонкопленочными транзисторами (Thin Film Transistors). У TFT-мониторов кардинально возросло быстродействие пикселей, выросла цветовая глубина изображения и удалось избавиться от «хвостов» и «теней».
Структура панели, изготовленной по TFT технологии, приведена на Рис.2
Полноцветное изображение на ЖК-матрице формируется из отдельных точек (пикселей), каждая из которых состоит обычно из трех элементов (субпикселей), отвечающих за яркость каждой из основных составляющих цвета - обычно красной (R), зеленой (G) и синей (B) - RGB. Видеосистема монитора непрерывно сканирует все субпиксели матрицы, записывая в запоминающие конденсаторы уровень заряда, пропорциональный яркости каждого субпикселя. Тонкопленочные транзисторы (Thin FilmTrasistor (TFT) - собственно, поэтому так и называется TFT-матрица) подключают запоминающие конденсаторы к шине с данными на момент записи информации в данный субпиксель и переключают запоминающий конденсатор в режим сохранения заряда на все остальное время.
Напряжение, сохраненное в запоминающем конденсаторе TFT- матрицы, действует на жидкие кристаллы данного субпикселя, поворачивая плоскость поляризации проходящего через них света от тыловой подсветки, на угол, пропорциональный этому напряжению. Пройдя через ячейку с жидкими кристаллами, свет попадает на матричный светофильтр, на котором для каждого субпикселя сформирован свой светофильтр одного из основных цветов (RGB). Рисунок взаиморасположения точек разных цветов для каждого типа ЖК-панели разный, но это отдельная тема. Далее, сформированный световой поток основных цветов поступает на внешний поляризационный фильтр, коэффициент пропускания света которого зависит от угла поляризации падающей на него световой волны. Поляризационный светофильтр прозрачен для тех световых волн, плоскость поляризации которых параллельна его собственной плоскости поляризации. С возрастанием этого угла, поляризационный фильтр начинает пропускать все меньше света, вплоть до максимального ослабления при угле 90 градусов. В идеале, поляризационный фильтр не должен пропускать свет, поляризованный ортогонально его собственной плоскости поляризации, но в реальной жизни, все-таки небольшая часть света проходит. Поэтому всем ЖК-дисплеям свойственна недостаточная глубина черного цвета, которая особенно ярко проявляется при высоких уровнях яркости тыловой подсветки.
В результате, в LCD-дисплее световой поток от одних субпикселей проходит через поляризационный светофильтр без потерь, от других субпикселей - ослабляется на определенную величину, а от какой-то части субпикселей практически полностью поглощается. Таким образом, регулируя уровень каждого основного цвета в отдельных субпикселях, можно получить из них пиксель любого цветового оттенка. А из множества цветных пикселей составить полноэкранное цветное изображение.
ЖК-монитор позволил совершить серьезный прорыв в компьютерной технике, сделав ее доступной большому количеству людей. Более того, без LCD-экрана невозможно было бы создать портативные компьютеры типа ноутбуков и нетбуков, планшеты и сотовые телефоны. Но так ли все безоблачно с применением жидкокристаллических дисплеев? Читаем дальше про их достоинства и недостатки...
