LCD-матрица. Принцип работы жидкокристаллической панели.
«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).
|
Принцип работы LCD-панели |
Рис.1. ЖК-монитор. Принцип работы LCD-технологии.
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
|
Структура ЖК-панели |
Рис.2. Схема структуры TFT LCD матрицы.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?
Основные детали внутри монитора
На сегодняшний день существует несколько вариантов дисплеев. И, хотя ЭЛТ — экраны почти канули в прошлое, кое-где их ещё можно встретить. На смену громоздким мониторам пришли компактные ЖК — панели. Чем же они конструктивно отличаются?
ЭЛТ — экраны
Основная часть данного экрана — это кинескоп, называемый электронно-лучевой трубкой. Изготовлен он из выполненной из стекла трубки, внутри которой находится вакуум. Экран — это плоская и широкая часть данной трубки. Узкая же часть — это горловина. Задняя часть устройства имеет покрытие из специального вещества, люминофора. Также он имеет электронную пушку.
Эта пушка выпускает электроны, которые проходят сквозь решётку, выполненную из металла. Задняя поверхность дисплея покрыта люминофорными точками нескольких цветов. На неё, проходя через отклюняющую систему, лучи попадают за заднюю часть кинескопа.
Жидкокристаллические панели
Здесь самым главным элементом является матрица. Состоит она из:
- Лампа подсветки, наполненная галогеном;
- Отражающая система и светодиоды. Они необходимы, что подсветка была равномерна;
- Все контакты нанесены на стеклянную подложку. Подложек здесь две, одна располагается спереди матрицы, вторая сзади;
- Сами жидкие кристаллы;
- Поляризаторы;
Цветные экраны
В цветных ЖК-дисплеях каждый отдельный пиксель делится на три ячейки или субпикселя, которые с помощью дополнительных фильтров (пигментных и металл-оксидных) окрашены в красный, синий и зеленый цвета. Каждым субпикселем можно управлять независимо, чтобы получить тысячи или миллионы возможных цветов. В старых ЭЛТ используется аналогичный метод.
В зависимости от использования монитора, цветовые компоненты могут размещаться в различных пиксельных геометриях. Если программное обеспечение знает, какой тип геометрии используется на данном дисплее, это может быть использовано для увеличения видимого разрешения посредством субпиксельной визуализации. Этот метод особенно полезен для сглаживания текста.
По какому принципу работает монитор
Так как конструкция у мониторов разная, то и формирование изображения осуществляется через разные действия.
ЭЛТ — экран. На формирование картинки отвечает специальная пушка. С помощью электромагнитного поля она выпускает плотный поток заряженных частиц. Они проходят через металлическую решётку и попадают на заднюю часть кинескопа. Заряженные частицы попадают на люминофор, которые начинает светиться.
Жк-дисплей. Принцип работы основан на свойстве светового пучка, называемого поляризацией. В своём обычном состоянии свет не поляризован. Этого возможно достичь с помощью специальных веществ, которые могут пропускать пучок света в одной плоскости. Называются они — поляризаторы. Таких поляризаторов матрице два и установлены они друг напротив друга. При вращении одного из них, изменяется ось поляризации. Так осуществляется регулирование яркости экрана.
Матрица представляет собой своеобразный бутерброд, главными частями которого являются две стеклянные панели, между которыми расположены кристаллы. На поверхности панелей расположены углубления, они регулируют движение кристаллов. Изображение формируют электроды, которые создают электромагнитное поле. А чтобы оно было видно, матрица подсвечивается с помощью диодов.
СПРАВКА! Формирование изображения довольно трудный с технической точки зрения процесс и у каждого вида экрана он свой. Технологии же не стоят на месте и устройства постоянно модернизируются, в принципе формирования изображения, в том числе.
Активные матричные технологии
В цветных экранах высокого разрешения, которыми оборудуются современные телевизоры и мониторы, применяется активная матрица. В ней к цветным и поляризационным фильтрам добавлен слой тонкопленочных транзисторов (TFT). При этом каждый пиксель управляется своим собственным выделенным полупроводниковым элементом. Транзистор обеспечивает доступ в каждом столбце только к одному пикселю. При активации строки к ней подключаются все столбцы, и на них подается напряжение. Затем строка деактивируется, и активируется следующая. При обновлении дисплея последовательно активируются все строки. Активно-матричные экраны значительно четче и ярче пассивных того же размера, и обычно отличаются более быстрым откликом, который обеспечивает гораздо лучшее качество изображения.