Применение кристаллов (стр. 2 из 5)

(2) Быстрые изменения изображения на экране, которые часто имеют место при воспроизведении видеороликов или в играх, требуют такой производительности, которая оказывается слишком большой для жидкокристаллических технологий, используемых на сегодняшний день. Существенное время реакции пиксела приводит к искажениям и появлению характерных полосок на изображении.

Производители плоскопанельных дисплеев предпочитают не почивать на лаврах своего успеха, а продолжать исследования. Недавно на рынок были выпущены первые модели, изготовленные с использованием новых прогрессивных технологий. Основные технологии - это TN+Film, IPS (или "Super-TFT") и MVA, каждая из которых описана в данной статье.

TN+Film

Рис. 1: В дисплеях, сделанных по технологии TN+Film, жидкие кристаллы выравниваются перпендикулярно подложке, так же, как и в обычных TFT-дисплеях. Плёнка на верхней поверхности позволяет увеличить угол обзора.

С технической точки зрения решение TN+Film является наиболее простым для реализации. Производители плоскопанельных дисплеев используют относительно старую технологию TFT (Twisted Nematic), который мы уже описывали в Части 1. Специальная плёнка наносится на верхнюю поверхность панели, при этом угол обзора по горизонтали увеличивается от 90° до 140°. Однако плохая контрастность и низкое время реакции остаются неизменными. Метод TN+Film не является наилучшим решением, но это несомненно самый дешёвый метод, т.к. при этом производственный выход наиболее высок (примерно равен выходу обычных ЖК-дисплеев).

IPS (In-Plane Switching или Super-TFT)

Рис. 2: При подаче напряжения молекулы выравниваются параллельно подложке.

IPS или 'In-Plane Switching' изначально была разработана фирмой Hitachi, однако такие фирмы, как NEC и Nokia в настоящее время также используют данную технологию.

Различие по отношению к обычным ЖК-дисплеям (TN или TN+Film) состоит в том, что молекулы жидких кристаллов выравниваются параллельно подложке.

Эта технология позволяет достичь прекрасных значений угла обзора - до 170°, примерно таких же, как у ЭЛТ-мониторов. Однако эта технология также имеет недостаток: из-за параллельного выравнивания жидких кристаллов электроды могут не разместиться на стеклянных поверхностях, как в случае с ЖК-дисплеями с закрученными кристаллами. Вместо этого они должны быть выполнены в виде гребёнки на нижней стеклянной поверхности. Это в конце концов приводит к снижению контрастности и тогда требуется более интенсивная подсветка для увеличения яркости до требуемого уровня. Время реакции и контрастность вряд ли могут быть увеличены по сравнению с обычными TFT-дисплеями.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)

Рис. 3: Технология MVA фирмы Fujitsu. С технической точки зрения это наилучший компромисс для получения широких углов обзора и малого времени реакции.

По нашему мнению компания Fujitsu нашла идеальный компромисс. Технология MVA позволяет достичь углов зрения до 160° - достаточно хороший показатель - а также высоких значений контрастности и малого времени реакции пиксела.

Основы технологии MVA.

Буква M в MVA означает "Мulti-domains" - "многодоменный". Домен - это совокупность молекул. На рис.3 показано несколько доменов, которые формируются при помощи электродов. Компания Fujitsu в настоящее время производит дисплеи, в которых каждая цветовая ячейка содержит до четырёх доменов.

VA означают "Vertical Alignment"-"Вертикальное Выравнивание" - это термин, который немного неверен, т.к. молекулы жидких кристаллов (в статическом состоянии) не полностью вертикально выравнены из-за наличия бугоркообразных электродов (см. рисунок, состояние "Off", т.е. тёмное изображение). При приложении напряжения и образования электрического поля кристаллы выравниваются по горизонтали, и свет от подсветки при этом может проходить сквозь различные слои. Технология MVA позволяет достичь более малых значений времени реакции, чем технологии IPS и TN+Film, что является важным фактором для воспроизведения видеоизображений и игр. Контрастность обычно получается лучше, однако она может несколько меняться в зависимости от угла зрения.

Сравнение различных технологий улучшения угла обзора

Рис. 4: Технология MVA обеспечивает улучшенное время реакции и хорошие значения угла обзора, однако рыночная доля технологии Fujitsu до сих пор достаточно мала.

Решение TN+Film не обеспечивает значительных улучшений такого показателя как время реакции пиксела. При этом такие системы недороги, позволяют обеспечить достаточный производственный уровень и увеличить угол обзора до приемлемых значений. Доля рынка таких дисплеев со временем должна уменьшиться.

IPS уже завоевали значительную долю рынка, т.к. их производят несколько компаний, например Hitachi и NEC, которые поддерживают данную технологию. Решающими факторами успеха этих дисплеев является высокое значение угла зрения (до 170°) и приемлемое время реакции.

С технической точки зрения, технология MVA является наилучшим решением. Углы зрения до 160° - это почти такой же хороший показатель, как у ЭЛТ-мониторов. Время реакции, равное примерно 20 мс, также подходит и для воспроизведения видео. Доля рынка таких дисплеев до сих пор мала, хотя она постепенно растёт.

Китайские фонарики
или TFT мониторы в наступлении

В предыдущих статьях цикла "Китайские фонарики" мы обсудили проблемы выбора и состояние рынка классических ЭЛТ-мониторов. Теперь пришла пора поговорить об альтернативных моделях на TFT-матрицах.

Достоинства и недостатки TFT-матриц

Компоненты персонального компьютера совершенствуются уже почти два десятка лет, многие из них значительно увеличили свое быстродействие, уменьшили габариты и массу, стали дешевле. И только монитор, основное средство вывода результатов работы компьютера, за эти годы принципиально не изменился - он все такой же тяжелый и громоздкий, а все достижения технологии привели только к увеличению его размеров (хотя, конечно, он стал безопаснее для здоровья и показывает более качественную картинку, чем двадцатилетней давности предки).

Вы думаете, конструкторов не занимала мысль о том, как уменьшить габариты и массу монитора? Занимала, и еще как - следствием этого стало появление укороченных трубок и даже трубок с боковым расположением электронной пушки (в мониторах, увы, не прижившихся из-за значительных геометрических искажений, но зато применяющихся в некоторых TV-приемниках), а также разработка альтернативных технологий - плазменных, светодиодных и жидкокристалльных (ЖКИ).

Быстрее всех прогрессировала технология ЖКИ, так как ввиду низкого энергопотребления она оказалась наиболее востребована рынком - для начала в секторе экранов мобильных устройств (ноутбуков, портативных тестеров, мобильных телефонов и т.д.). Первыми на ноутбуках появились монохромные ЖКИ-панели с пассивной решеткой, затем цветные пассивные панели, и, наконец, венцом этой технологии стали цветные панели с активной решеткой (так называемые TFT-матрицы).

В основе функционирования любой ЖКИ-панели лежит принцип изменения прозрачности (точнее, изменения поляризации проходящего света) у жидких кристаллов под воздействием электрического тока. В TFT-матрице слой жидких кристаллов управляется матрицей из микроскопических транзисторных аналоговых ключей, по одному ключу на каждый пиксел изображения, что позволяет добиться высокой скорости включения-выключения точек и повысить контрастность изображения.

Поскольку жидкие кристаллы сами по себе не имеют цвета, в цветной панели имеется три слоя жидких кристаллов (либо специальная однослойная мозаичная структура) с соответствующими светофильтрами для каждой цветовой составляющей (красный, зеленый, синий). Жидкие кристаллы не могут сами светиться, поэтому для того, чтобы придать экрану привычный светящийся вид, за ЖКИ-панелью установлена специальная плоская лампа, подсвечивающая экран с обратной стороны. В результате пользователю кажется, что матрица "светится", как обычный экран ЭЛТ.

Контрастность получаемого изображения напрямую зависит от яркости лампы, помноженной на степень прозрачности открытой ЖКИ ячейки и поделенной на степень прозрачности закрытой ЖКИ ячейки. Однако с допустимым числом градаций цвета у ЖКИ-монитора не все так просто.

Неискушенному человеку может показаться, что поскольку транзисторный ключ, управляющий точкой матрицы, суть аналоговое (бесступенчатое) устройство, яркость точки управляется столь же бесступенчато, как в ЭЛТ-мониторе, и число цветов определяется только разрядностью ЦАП (DAC) на видеокарте. Однако все гораздо хуже - дело в том, что у ЖКИ монитора нет построчной развертки, аналогичной развертке ЭЛТ, и принцип доступа к ячейкам (точкам) экрана напоминает адресный принцип доступа к ячейкам современной DRAM-памяти, в которую пишется одновременно много (например, 64) бит информации. Из-за этого электронике ЖКИ монитора приходится преобразовывать аналоговый сигнал видеокарты снова в цифровой, с тем, чтобы разложить последовательно идущие яркости точек по ячейкам памяти и затем выдвигать на управляющие входы матрицы сразу несколько уровней яркости для соседних точек экрана.

Таким образом, электроника ЖКИ-монитора вынуждена выполнять обратное (аналого-цифровое) преобразование аналоговых уровней сигнала, идущих с видеокарты, в цифровые отсчеты. При этом неизбежно теряется часть информации из-за несоответствия масштабной сетки ЦАП-а видеокарты и АЦП монитора, и число различимых градаций яркости каждого цвета падает. Одновременно проявляется и проблема точного совпадения точек развертки видеокарты с точками на ЖКИ-матрице, так как фронты синхросигнала горизонтальной развертки, генерируемого видеокартой для обозначения начала строки, после прохождения по кабелю оказываются несколько завалены и зашумлены посторонними наводками.

Очевидно, что ЖКИ-мониторам не свойственны многие проблемы классических ЭЛТ - например, им не нужно фокусировать электронный луч на плоском экране, края которого отстоят от электронной пушки дальше, чем центр, не нужно сводить лучи трех пушек в одной точке, не нужно, двигая луч по радиусу, умудряться рисовать прямые линии. Соответственно ЖКИ-мониторы всегда имеют идеальную геометрию, фокус и сведение, в этом их несомненный плюс. В принципе, ЖКИ мониторам также несвойственно понятие муара - по крайней мере, при работе в геометрическом разрешении через цифровой интерфейс муара на ЖКИ быть не может по определению, так как пикселы экрана точно совпадают с пикселами развертки.

Однако есть у ЖКИ и минусы, причем минусы врожденные и трудноустранимые. Об одном из них я говорил выше - у любого ЖКИ монитора, работающего по аналоговому входу, число реально отображаемых цветов меньше, чем то, которое поддерживает видеокарта. Вторым важным недостатком является инерционность жидких кристаллов - из-за этого наблюдаются эффекты, похожие на "послесвечение" люминофора некоторых старых ЭЛТ, вызывающие неприятное "размазывание" быстро меняющихся картинок (попробуйте, например, быстро прокрутить текст в Ворде - если буквы слились в серую мешанину, это значит, что монитор имеет слишком большую инерционность и послесвечение). Третий коренной недостаток ЖКИ - ограниченный угол обзора, вызванный трудностью построения поляризационных фильтров с характеристиками, неизменными в широком диапазоне углов.

Разумеется, на то и технический прогресс, чтобы преодолевать недостатки технологии. Углы обзора новейших TFT-панелей доведены до весьма комфортных 100 градусов и более по горизонтали и вертикали, инерционность снижена до практически незаметных 20 ms, контрастность благодаря применению эффективных фильтров и мощных люминесцентных ламп доведена до уровня 350:1 (немногим ниже уровня хорошего тринитрона), а проблемы цветовых градаций и точного попадания точек развертки в точки матрицы успешно решает переход на цифровой интерфейс DVI.

Увы, но нет в мире совершенства - все эти качества сочетаются в одном изделии крайне редко, и стоит такое изделие, если оно вообще есть в нужном вам классе, крайне дорого. Поэтому разумным подходом к выбору TFT-монитора является подход компромиссный - когда вы сначала решаете, какие характеристики для вас важнее, а какие - важны не очень, и потом начинаете искать монитор с наилучшими (или как минимум хорошими) значениями важных параметров и более-менее достойными значениями остальных