Лабораторная работа №5 Жидкокристаллические мониторы

Цель работы: Изучение устройства и принципа работы жидкокристаллических мониторов (LCD).

Задание на лабораторную работу:

- изучить:

- виды мониторов;

- принцип работы мониторов;

- основные характеристики;

- достоинства и недостатки LCD мониторов перед CRT-мониторами.

Ход работы

1 Виды мониторов

Современные компьютерные мониторы делятся на две большие группы: CRT мониторы (от Cathode Ray Tube, электронно-лучевая трубка - самый обычный тип мониторов) и дисплеи на основе плоской панели (flat panel displays). Последняя категория мониторов содержит довольно много различных технических решений. Самое распространённое - TFT LCD (сокращения означают Thin Film Transistor Liquid Crystal Display - жидкокристаллический дисплей на тонкоплёночных транзисторах).

Сразу следует заметить, что идеального монитора, способного удовлетворить всем требованиям пользователя, просто не существует. И что более важно, не существует технологии, дающей такое изображение, которое по всем параметрам было бы превосходным. Тем не менее, умея сделать верный выбор, любой человек сможет подобрать себе идеальный монитор и для этого даже не придётся разбираться во всём многообразии современных технологий. Надо лишь чётко представить, что вы хотите получить от монитора, где и как вы будете его использовать.

2 Принцип работы lcd мониторов

Из всего ряда плоских дисплеев LCD выделяются тем, что сама жидкокристаллическая панель не является источником света; она лишь пропускает через себя свет, излучаемый неоновой лампой. Подтип таких дисплеев, TFT LCD, принято также называть жидкокристаллическими дисплеями с активной матрицей. Аббревиатура TFT (тонкоплёночный транзистор) обозначает управляющий элемент матрицы, контролирующий работу каждого отдельного пикселя.

Чтобы понять, как LCD контролирует яркость, необходимо представить эффект поляризации света. Данный эффект можно описать так: свет поляризуется, проходя через первый специальный фильтр, характеризуемый определённым углом поляризации. Для человеческого глаза ничего не меняется, только в два раза падает яркость света. Но если за первым фильтром поставить ещё один такой же, то свет будет либо полностью им поглощаться (если угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого), либо беспрепятственно проходить (если углы совпадают). Плавное изменение угла второго фильтра позволяет плавно регулировать интенсивность света.

Общий принцип действия всех TFT LCD показан на рисунке 1: свет от неоновой лампы проходит через систему отражателей, направляется через первый поляризационный фильтр и попадает в слой жидких кристаллов, контролируемый транзистором; затем свет проходит через цветовые фильтры (как и в CRT, каждый пиксель матрицы строится из трёх компонент цвета - красной, зелёной и синей). Транзистор создаёт электрическое поле, задающее пространственную ориентацию жидких кристаллов. Свет, проходя через такую упорядоченную молекулярную структуру, меняет свою поляризацию, и в зависимости от неё будет либо полностью поглощён вторым поляризационным фильтром на выходе (образуя чёрный пиксель), либо не будет поглощаться или поглотится частично (образуя различные цветовые оттенки, вплоть до чистого белого).

Поляризация, лежащая в основе LCD технологии, имеет и свои минусы. Один из главных - сокращение угла обзора жидкокристаллического дисплея, и производители LCD панелей это учи-

Рисунок 1 - Общий принцип действия TFT LCD

тывают. В настоящее время распространены три технологии, позволяющие если не искоренить, то хотя бы значительно уменьшить такой недостаток.

Самый распространённый тип цифровых панелей основан на технологии, сокращённо называемой TN TFT или TN+Film TFT (Twisted Nematic + Film). Термин Film обозначает дополнительное наружное плёночное покрытие, позволяющее увеличить угол обзора со стандартных 90 градусов (по 45 с каждой стороны) до приблизительно 140 градусов. Схема работы TN TFT дисплея показана на рисунках 2 и 3.

Когда транзистор находится в выключенном состоянии (рисунок 2), то есть не создаёт электрическое поле, молекулы жидких кристаллов находятся в своём нормальном состоянии и выстроены так, чтобы менять угол поляризации проходящего через них светового потока на 90 градусов (жидкие кристаллы образуют спираль). Поскольку угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого, то проходящий через неактивный транзистор свет будет без потерь выходить наружу, образуя яркую точку, цвет которой задаётся световым фильтром.

Когда транзистор генерирует электрическое поле (рисунок 3), все молекулы жидких кристаллов выстраиваются в линии, параллельные углу поляризации первого фильтра, и тем самым никоим образом не влияют на проходящий через них световой поток. Второй поляризующий фильтр поглощает свет полностью, создавая чёрную точку на месте одной из трёх цветовых компонент.

LCD мониторы на матрице TN TFT не лишены недостатков. Во-первых, чёрный цвет у старых моделей таких дисплеев больше похож на тёмно-серый (поскольку очень трудно было развернуть все жидкие кристаллы строго перпендикулярно к фильтру), что приводит к низкой контрастности картинки. С годами технологический процесс совершенствовался, и новые TN панели демонстрируют значительно увеличившуюся глубину тёмных оттенков. Во-вторых, в случае отказа транзистора на экране образуется посторонняя «мёртвая» яркая точка, которая для глаза намного заметнее «мёртвой» чёрной.

Один из вариантов борьбы с недостатками предложила технология Super-TFT или IPS (In-Plane Switching). IPS позволила расширить угол обзора до примерно 170 градусов за счёт более точного механизма управления ориентацией жидких кристаллов, что и явилось её главным достижением. Такой важный параметр как контрастность остался на старом уровне TN TFT, а время отклика даже стало больше.

Рисунок 2

Рисунок 3

Рассмотрим, чем отличается принцип работы Super-TFT от TN TFT.

При отсутствии электрического поля молекулы жидких кристаллов выстроены вертикально и не влияют на угол поляризации проходящего через них света (рисунок 4). Поскольку углы поляризации фильтров перпендикулярны, то свет идущий через выключенный транзистор полностью поглощается вторым фильтром. Создаваемое электродами поле поворачивает молекулы жидких кристаллов на 90 градусов относительно позиции покоя (рисунок 5), меняя тем самым поляризацию светового потока, который пройдёт второй поляризующий фильтр без помех.

Рисунок 4

Рисунок 5

Очевиден плюс такого подхода: «мёртвые» пиксели будут гаснуть, а не светиться, как в обычном TN TFT, что менее заметно для глаза. Минус не столь очевиден, но существенен: электроды располагаются на одной плоскости, по паре на цветовой элемент, и закрывают собой часть проходящего света. В результате страдает контрастность, которую приходится компенсировать более мощной подсветкой. Главным недостаток состоит в том, что создание электрического поля в подобной системе требует больших затрат энергии и занимает больше времени, из-за чего растёт время отклика. Тем не менее, не стоит думать, что данная технология просто неудачна. IPS представляет собой компромисс, когда за счёт снижения одних характеристик цифровых панелей можно улучшить другие.

Третья технология обещает устранить (по крайней мере, в теории) основные недостатки LCD панелей. Она носит название MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) и является развитием предыдущей технологии VA. Суть её в следующем: для расширения угла обзора все цветовые элементы панели разбиты на ячейки или зоны, образуемые выступами на внутренней поверхности фильтров. Цель такой конструкции - дать возможность жидким кристаллам двигаться независимо от своих соседей в противоположном направлении. Это позволяет наблюдателю независимо от угла обзора видеть один и тот же оттенок цвета. На рисунках 6, 7 и 8 ниже показаны три степени яркости одной ячейки.

В выключенном положении (рисунок 6) молекулы жидких кристаллов ориентированы перпендикулярно второму фильтру (каждому его выступу), что на выходе даёт точку чёрного цвета.

При слабом электрическом поле (рисунок 7) молекулы немного поворачиваются, образуя на выходе точку серого цвета (половинной интенсивности). Обратите внимание, что интенсивность света для наблюдателя не зависит от угла обзора, поскольку попавшие в поле зрения более яркие ячейки будут компенсироваться находящимися рядом более тёмными.

В полном электрическом поле (рисунок 8) молекулы выстроятся так, чтобы при разных углах наблюдения на выходе была видна точка максимальной интенсивности.

Рисунок 6

Рисунок 7

Рисунок 8

Потенциал технологии MVA значителен. Один из главных её плюсов - сокращённое время отклика. Однако сложное устройство панели не только увеличивает стоимость готового LCD решения на её основе, но и не позволяет производителю в полной мере реализовать все возможности MVA по причине сложностей технического характера и не доведённого до ума процесса производства.