Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.
Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.
Жидкие кристаллы не могут сами излучать свет, а служат затворами, пропуская или не пропуская свет от ламп подсветки. ЖК-панель имеет несколько слоев, среди которых ключевую роль играют две стеклянные подложки и находящийся между ними слой жидких кристаллов. Позади них расположены одна-две лампы подсветки и система зеркал, равномерно рассеивающих свет по поверхности. Свет от ламп проходит сквозь первую подложку, служащую поляризационным фильтром. На обеих подложках проделаны параллельные бороздки, определяющие исходную ориентацию жидких кристаллов. Бороздки двух подложек перпендикулярны между собой. Размещенные между бороздками капельки ЖК организованы в ячейки. Каждый пиксел изображения состоит из трех ячеек. Вторая подложка также является поляризационным фильтром, поэтому теоретически в исходном состоянии свет наружу не выпускается, так как его плоскость поляризации не совпадает с плоскостью фильтром.
Если молекулы жидких кристаллов попадают в электрическое поле, они выстраиваются между электродами. Электроды расположены на обоих подложках, поэтому поле разворачивает молекулы вдоль силовых линий. Чем сильнее разность потенциалов между электродами, тем меньше поворот вектора поляризации молекулами, тем меньше света выходит наружу. При максимальной разности потенциалов отклонения вовсе не происходит и свет наружу не пропускается.
Для управления свойствами ячеек к ним подключают электроды, создающие разные электрические поля в отдельных местах экрана (в ячейках). ЖК-кристаллы типа Super Twisted Nematic имеют увеличенный с 90° до 270° торсионный угол (угол кручения) ориентации, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.
В активной матрице (Active Matrix) ячейки панели подключены к управляющим элементам, образующим матрицу из строк и столбцов.
Технология тонкопленочных транзисторов (Thin Film Transistor, TFT) позволила назначить каждой ячейке переключающий транзистор, к коллектору которого подключены резистор и конденсатор. Когда по выбранным строке и столбцу подается управляющее напряжение, оно заряжает конденсатор. Заряд хранится конденсатором до следующего обновления кадра изображения. То есть конденсатор вкупе с транзистором запоминают состояние ячейки после снятия напряжения. Время реакции дисплея с активной матрицей снижено в лучших образцах до 8-10 мс (для пассивной матрицы — около 300 мс). Яркость отдельного элемента изображения остается неизменной весь период демонстрации, поэтому эффекты ≪замыливания≫ и дрожания изображения отсутствуют. Именно поэтому для ЖК-мониторов достаточной считается частота регенерации 60 Гц.
Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.
4. Технологии
4.1 TN + film
Молекулы в структурированном жидком кристалле имеют вытянутую цилиндрическую форму. Благодаря направляющим бороздкам молекулы у противоположных подложек-поляроидов оказываются перпендикулярными друг другу. Чем ближе к центру кристалла, тем меньше угол взаимного поворота молекул. В итоге молекулы образуют пространственную спираль, по которой сворачивается плоскость поляризации света и свет выходит наружу. Такая технология называется
скрученным нематическим кристаллом — Twisted Nematic (TN).
TN + film — самая простая технология. Часть film в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно — от 90° до 150°). В настоящее время приставку film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности — нет.
Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И так как направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет не проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.
Достоинства:
· самое маленькое время отклика среди современных матриц,
· невысокая себестоимость.
Недостатки:
· сложность обеспечения строго перпендикулярной ориентации молекул приводит к высокому уровню черного цвета и низкому контрасту изображения;
· недостаточные углы обзора по вертикали;
· неточная цветопередача.
4.2 IPS (In-Plane Switching)
Компании NEC и Hitachi разработали технологию производства жидкокристаллических матриц под названием In-Plane Switching (IPS). Согласно этой технологии оба электрода расположены на одной подложке, а молекулы жидких кристаллов поворачиваются единой плоскостью, не скручиваясь в спираль. В отсутствие напряжения свет полностью блокируется перпендикулярными подложками-фильтрами и на экране отображается почти идеальный черный цвет. Приложенное напряжение разворачивает плоскость поляризации молекул, и свет начинает проникать наружу.
Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображение чёрного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а чёрным.
При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению и пропускают свет.
Технология предназначалась для избавления от недостатков TN + film. Однако, хотя с помощью IPS удалось добиться увеличения угла обзора до 170°, а также высокой контрастности и цветопередачи, время отклика осталось на низком уровне.
На настоящий момент матрицы, изготовленные по технологии IPS, — единственные из ЖК-мониторов, всегда передающие полную глубину цвета RGB — 24 бита, по 8 бит на канал. Старые TN-матрицы имеют 6-бит на канал, как и часть MVA.
IPS в настоящее время вытеснено технологией S-IPS (Super-IPS, Hitachi 1998 год), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика. Но, несмотря на то, что цветность S-IPS панелей приблизилась к обычным мониторам ЭЛТ, контрастность всё равно остаётся слабым местом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20". LG.Philips, Dell и NEC остаются единственными производителями панелей по данной технологии.
AS-IPS (Advanced Super IPS — расширенная супер-IPS) — также была разработана корпорацией Hitachi в 2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации NEC (например, NEC LCD20WGX2) созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом LG.Philips.
A-TW-IPS (Advanced True White IPS — расширенная IPS с настоящим белым) — разработана LG.Philips для корпорации NEC. Представляет собой S-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White — «настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и расширению цветового диапазона. Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов для использования в фотолабораториях и/или издательствах.
AFFS (Advanced Fringe Field Switching, неофициальное название S-IPS Pro). Технология является дальнейшим улучшением IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК, на матрицах производства Hitachi Displays.
Новые разновидности IPS и их особенности. Некоторое время назад лишь немногие посвященные понимали, в чем заключается отличие между панелями производства LG.Display типов H-IPS и S-IPS – остальным пользователям было достаточно уже того, что оба варианта этой технологии обеспечивали на порядок более высокое качество изображения, чем TN+film. Тем не менее специалисты знали, что разница – в структуре жидкокристаллической ячейки, и на базе этой информации основывали свои предпочтения. С 2009 г. производитель изменил принципы обозначения, и теперь выпускаемые IPS-панели классифицируются по другим характеристикам. Так, матрицы p-IPS наиболее совершенные (но и самые дорогие), обладают расширенным цветовым охватом (>102%) и 10-битовой разрядностью. А e-IPS, символизируют собой попытку LG.Display продвинуть IPS-технологию на массовый рынок – цветовой охват здесь традиционный, разрядность 8 бит. При этом по структуре ЖК-ячеек и p-IPS, и e-IPS принадлежат к подвиду H-IPS – а S-IPS будет постепенно исключаться из производственного цикла.
Достоинства:
· обеспечение отличной цветопередачи.
· углы обзора около 170°.
Недостатки:
· дороговизна производства;