Сейчас технологии плоскопанельных и жидкокристаллических мониторов являются наиболее перспективными. Хотя в настоящее время на долю ЖК-мониторов приходится лишь около 10% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).

Принцип работы

Экраны LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 году. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база в то время была еще слишком слаба. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. И вот, в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD - цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975-го 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. Так, в 1976 году Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет. Этот эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

Конструкция ЖК-дисплея

Рисунок 1. Конструкция ЖК-дисплея.

Плоскость поляризации

Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD для настольных компьютеров.

Рисунок 2. Плоскость поляризации.

Экран LCD представляет собой массив маленьких сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой (см. рис. 1). На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу.

Плоскость поляризации

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). Как видно на рисунке 2, плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели. При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы (см. рис. 3).

Рисунок 3. Плоскость поляризации.

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем (см. рис. 4а).

Конструкция ЖК-матрицы

Рисунок 4. Поляризация светового луча.

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) (см. рис. 4б). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD-монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.
Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.

Первые LCD были очень маленькими, около 8 дюймов по диагонали, в то время как сегодня они достигли 15-дюймовых размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся LCD с диагональю 20-дюймов и более. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN технологии.

Технологии STN, DSTN, TFT, S-TFT

STN - сокращение от Super Twisted Nematic. Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора.

Часто STN ячейки используются в паре. Такая конструкция называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), в которой одна двухслойная DSTN-ячейка состоит из 2 STN-ячеек, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в «запертом» состоянии, теряет большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN достаточно высокая, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходится три ЖК-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки -- их обязательный атрибут. Для сокращения габаритов лампа находится с боку, а напротив нее зеркало (см. рис. 5), поэтому большинство LCD-матриц в центре имеют яркость выше, чем по краям (это не относится к настольным ЖК мониторам).

Рисунок 5. Конструкция ЖК-матрицы.

Также STN ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.
Термин пассивная матрица (passive matrix) появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча, независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. Матрица называется пассивной, потому что технология создания LCD дисплеев, которая была описана выше, не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Такой дисплей имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения.
Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные технологии, Для улучшения качества динамического изображения было предложено увеличить количество управляющих электродов. То есть вся матрица разбивается на несколько независимых подматриц (Dual Scan DSTN - два независимых поля развертки изображения), каждая из которых содержит меньшее количество пикселей, поэтому поочередное управление ими занимает меньше времени. В результате чего можно сократить время инерции ЖК.
Также лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя экраны с активной матрицей, которые, впрочем, стоят дороже.
В активной матрице (active matrix) используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица (active matrix) имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45° и более (то есть при угле обзора 120–140°) без ущерба качеству изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, которая позволяет видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Заметим, что дорогие модели LCD мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160° (см рис. 6), и есть все основания предполагать, что технология будет совершенствоваться и в дальнейшем. Активная матрица может отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 мс против 300 мс для пассивной матрицы, кроме того, контрастность мониторов с активной матрицей выше, чем у ЭЛТ-мониторов. Следует отметить, что яркость отдельного элемента экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофором ЭЛТ-монитора сразу после похождения по этому элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD мониторов достаточной является частота вертикальной развертки, равная 60 Гц.

Угол обзора ЖК-мониторов

Рисунок 6. Угол обзора ЖК-мониторов.

Функциональные возможности LCD-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Частично проблема отсрочки затухания изображения в пассивных матрицах решается за счет использования большего числа жидкокристаллических слоев для увеличения пассивности и уменьшения перемещений, теперь же, при использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые Thin Film Transistor (или просто TFT).
Thin Film Transistor (TFT), то есть тонкопленочный транзистор, это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1–0,01 мкм.
В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si).
Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Заметим, что монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей в режиме SVGA и только с тремя цветами имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD-панели. Правда, у каждого производителя свое мнение о том, какое количество транзисторов могут не работать.
Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов (см. рис. 7). Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15,1-дюймового дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0,0188 дюйма (или 0,3 мм), а для 18,1-дюймового дисплея TFT - около 0,011 дюйма (или 0,28 мм).

Рисунок 7. Конструкция TFT.

TFT обладают рядом преимуществ перед ЭЛТ-мониторами, среди которых - пониженное потребление энергии и теплоотдача, плоский экран и отсутствие следа от движущихся объектов. Последние разработки позволяют получить изображение более высокого качества, чем обычные TFT.

Рисунок 8. Конструкция S-TFT.

Совсем недавно специалистами компании Hitachi была создана новая технология многослойных ЖК-панелей Super TFT, которая значительно увеличила угол уверенного обзора ЖК панели. Технология Super TFT использует простые металлические электроды, установленные на нижней стеклянной пластине и заставляет молекулы вращаться, постоянно находясь в плоскости, параллельной плоскости экрана (см. рис. 8). Так как кристаллы обычной ЖК-панели поворачиваются к поверхности экрана оконечностями, то такие ЖКД более зависимы от угла зрения, чем ЖК-панели Hitachi с технологией Super TFT, В результате изображение на дисплее остается ярким и четким даже при больших углах обзора, достигая качества, сопоставимого с изображением на ЭЛТ-экране.

Японская компания NEC недавно объявила, что по качеству изображения ее LCD дисплеи вскоре достигнут уровня лазерных принтеров, перешагнув порог в 200 ppi, что соответствует 31 точке на квадратный мм, или шагу точек 0,18 мм. Как сообщили в NEC, применяемые сегодня многими производителями жидкие кристаллы TN (twisted nematic) позволяет строить дисплеи с разрешение до 400 точек на дюйм. Однако главным сдерживающим фактором в повышении разрешения является необходимость создания соответствующих светофильтров. В новой технологии «color filter on TFT» светофильтры, закрывающие тонкопленочные транзисторы, формируются с помощью фотолитографии на нижней стеклянной подложке. В обычных дисплеях светофильтры наносятся на вторую, верхнюю подложку, что требует очень точного совмещения двух пластин.

На прошедшей в 1999 году в США конференции «Society for information Display» было сделано несколько докладов, свидетельствующих об успехах в создании жидкокристаллических дисплеев на пластиковой подложке. Компания Samsung представила прототип монохромного дисплея на полимерном субстрате с диагональю 5,9 дюйма и толщиной 0,5 мм. Толщина самой подложки составляет около 0,12 мм. Дисплей имеет разрешение 480х320 точек и контрастность 4:1. Вес - всего 10 грамм.

Инженеры из Лаборатории кинотехники Университете Штуттгарта использовали не тонкопленочные транзисторы (TFT), а диоды MIM (металл-изолятор-металл). Последнее достижение этой команды - двухдюймовый цветной дисплей с разрешением 96х128 точек и коэффициентом контрастности 10:1.

Группа специалистов IBM разработала технологию производства тонкопленочных транзисторов с применением органических материалов, позволяющую изготавливать гибкие экраны для электронной книги и других устройств. Элементы разработанных IBM транзисторов напыляются на пластиковую подложку при комнатной температуре (традиционные LCD-дисплеи изготавливаются при высокой температуре, что исключает применение органических материалов). Вместо обычного диоксида кремния для изготовления затвора используется цирконат титоната бария (BZT). В качестве полупроводника применяется органическое вещество под названием пентацен (pentacene), представляющее собой соединение фенилэтиламмония с иодидом олова.

Видеосистема компьютера состоит:

Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток.

Монитор формирует (отображает) изображение. Дисплей (англ. Display – показывать) – устройство визуального отображения информации.

Программное обеспечение (драйверы видеосистемы). выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.

Монитор

Монитор – устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.). Служит в качестве устройства вывода.

Данные, отображаемые на экране монитора, хранятся в определенном блоке памяти компьютера (видеопамять).

Управляет работой монитора устройство, размещенное в системном блоке и называемое видеокартой или видеоадаптером.

Типы мониторов

По физическим принципам формирования изображения мониторы можно подразделить на:

1) мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или вакуумного кинескопа (LD, CRT (Cathode Ray Tube) – катодно-лучевая трубка);

2) жидкокристаллические экраны (LCD – Liquid Crystal Display).

Классификация видов дисплеев по принципу работы

Мониторы на основе электронно-лучевой трубки

Состоят из:

• Блока электроники. Блок электроники предназначен для управления электронно-лучевой трубкой. Качество управляющей электроники во многом определяет качество монитора

Изображение на экране ЭЛТ монитора создается пучком электронов, испускаемых электронной пушкой. Этот пучок электронов разгоняется высоким электрическим напряжением (десятки киловольт) и падает на внутреннюю поверхность экрана, покрытую люминофором (веществом, светящимся под воздействием пучка электронов).

Система управления пучком заставляет пробегать его построчно весь экран (создает растр), а также регулирует его интенсивность (соответственно яркость свечения точки люминофора). Пользователь видит изображение на экране монитора, так как люминофор излучает световые лучи в видимой части спектра.

Рассмотрим подробнее данный процесс.

На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки . Все три пушки «нацелены» на один и тот же пиксел, но каждая из них излучает поток электронов в сторону «своей» точки люминофора.
Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение , ускоряющее электроны .
Перед экраном на пути электронов ставится маска - тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета.

Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов - красного , зелёного и синего . Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра .

Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксел - точку, из которых формируется изображени е.

Величиной электронного тока пушек и , следовательно , яркостью свечения пикселов , управляет сигнал , поступающий с видеоадаптера .
На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пикселы строчку за строчкой от верхней до нижней , затем возвращаться в начало верхней строки и т.д.

Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки . А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки . Последняя не должна быть ниже 60 Гц, иначе изображение будет мерцать .

Как образуются цвета современного дисплея?

Жидкокристаллические мониторы

Состоят из:

• ЖК-панель
• Источник света (флуоресцентные лампы: 1-4 шт или линейка светодиодов.)
• Блок управляющей электроники

ЖК представляют собой органические вещества, находящиеся в промежуточном состоянии (мезофазе) между жидкой и твёрдой фазами. Связи между молекулами кристалла в этом состоянии достаточно слабы, и структура кристалла может быть легко изменена, например, под воздействием электрического поля.

Вместе со структурой кристалла изменяются и его оптические свойства, такие как коэффициент преломления и коэффициент поляризации, что позволяет получать с помощью жидких кристаллов как монохромное, так и цветное изображение.

Жидкие кристаллы названы так потому, что их молекулы имеют кристаллическую структуру, но образуют не твердое тело, а жидкость. Они обладают следующими свойствами:

1. при прохождении че­рез слой жидких кристаллов электрического тока молекулы располагаются упорядоченно относительно положительного и отрицательного полюсов;
2. в отсутствие тока молекулы выстраиваются преимуще­ственно параллельно друг другу, а на поверхности с неглубокими канавками молекулы прилегающего к поверхности слоя располагаются вдоль этих канавок;
3. слой кристаллов может преломлять световые волны, т.е. играет роль поляризатора (отфильтровывает все све­товые волны, за исключением ориентированных в определенном направлении); кроме того, если кристаллы в слое скручены, то световые волны будут повторять изгиб и покидать слой с иной ориентацией.

Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них.

История жидких кристаллов

Жидкие кристаллы были открыты давно. В 1888 г. австрийский ботаник Фридрих Райницер при изучении роли холестерина в растениях случайно открыл новый материал. Один из экспериментов заключался в нагреве материала. Ученый обнаружил, что кристаллы становятся мутными и текут при t = 145,50, а далее кристаллы превращаются в жидкость при 178,50. Он поделился открытием с немецким физиком Отто Леманном, который обнаружил у жидкости свойства кристалла в отношении реакции на свет.

С тех пор появилось название «жидкие кристаллы». Первое свое применение они нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах. В 1973 г. японская компания Sharp Electronics выпустила первое изделие с ЖК-панелью – электронный калькулятор с цифровым дисплеем. Затем ЖК стали использоваться в мониторах для портативных компьютеров. В последнее время мониторы на жидких кристаллах получают все большее распространение в настольных компьютерах. Подобные (традиционные) LCD-мониторы также называют Nematic LCD.

Особенности ЖК-дисплеев:

1. для нормального восприятия изображения на ЖК-дисплеях необходим внешний источник цвета или внутренняя подсветка;
2. ЖК-дисплеи инерционны (т.к. для изменения оптических свойств кристаллов требуется время);
3. отсутствие вредных излучений;
4. компактная конструкция;
5. малая мощность энергопотребления

ЖК-дисплей представляет собой прямоугольную матрицу, образованную строками и столбцами, на пересечении которых расположены жидкокристаллические элементы. Каждый элемент (кристалл) можно представить в виде электрической лампочки с двумя контактами А и В. Контакт А соединяется со строкой, а контакт В – со столбцом, в которых расположен кристалл, и при подаче напряжения к соответствующим строке и столбцу «лампочка загорается».

ЖК-панель состоит из следующих слоев – тонких пластин (от верхнего к нижнему):

• Рассеиватель (светорассеивающая пленка)
• Поляризатор (в виде решетки из вертикальных линий, может быть наклеен на стекло)
• Стекло
• Электрод (бороздки, канавки, шины)
• Слой управления (тонкопленочный транзистор – TFT -мониторов; наносится методом напыления)
• Жидкие кристаллы
• Электрод
• Цветной фильтр
• Стекло
• Поляризатор

Строение ЖК-монитора

Экран подобного LCD (Liquid Crystal Display) состоит из двух стеклянных пластин, между которыми находится масса, содержащая жидкие кристаллы, которые изменяют свои оптические свойства в зависимости от прилагаемого электрического заряда.

Важнейшие характеристики ЖК мониторов:

Разрешение : горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселах. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно, «родное», физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией.

Размер точки : расстояние между центрами соседних пикселов. Непосредственно связан с физическим разрешением.

Соотношение сторон экрана(формат): Отношение ширины к высоте, например: 4:3, 16:9, 16:10.

Видимая диагональ : размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:10 при одинаковой диагонали.

Контрастность : отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки, приведенная для них цифра контрастности не относится к контрасту изображения.

Яркость : количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.

Время отклика : минимальное время, необходимое пикселу для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны.

Угол обзора : угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц считается по-разному, и часто сравнению не подлежит.

Тип матрицы : TN+film, IPS и MVA.

Входы : (напр, DVI, VGA, LVDS, S-Video и HDMI).

Основные пользовательские характеристики мониторов

Размер экрана по диагонали.

Size; диагональ экрана – основная техническая характеристика, определяемая расстоянием по диагонали от одного угла изображения до другого; измеряется в дюймах.1дюйм » 2,54 см

На компьютерном рынке представлены модели мониторов с диагоналями: 15”, 17”, 19”, 21”, 22 «, 23 «, 24 » . Наиболее распространены мониторы более 19 дюймов.

Применительно к мониторам на ЭЛТ различают размер экрана и размер изображения . Под размером экрана подразумевается физический размер кинескопа, т.е. размер ЭЛТ. Поскольку кинескоп заключен в пластмассовый корпус, то видимый размер экрана немного меньше его физического размера. Размер изображения, формируемого на экране на 5-10% меньше размера экрана. Изготовители мониторов могут указывать сведения о размере видимой части экрана. Например: 17” Display (16”/40,6 см Viewable).

Размер зерна экрана

Величина экранного зерна (шаг точки изображения) - расстояние в миллиметрах между двумя соседними люминофорами одного цвета; измеряется в мм.

Зерно – точка экрана;

Меньший размер зерна соответствует более резкой и контрастной картинке, создавая общее впечатление чистоты цвета и чёткого контура изображения. У мониторов разного типа размер зерна экрана может находиться в пределах от 0,18 до 0,50 мм. Наиболее оптимальными для восприятия считаются мониторы с зерном экрана от 0,23 до 0,28 мм.

Чем меньше размер зерна, тем качественнее изображение.

Разрешающая способность

Разрешение (resolution) – плотность отображаемого на экране изображения; определяется количеством точек или элементов изображения вдоль одной строки и количеством горизонтальных строк.

Разрешение – количество точек по горизонтали и вертикали в передаваемом изображении.

Разрешение – количество точек изображения на единицу длины. Качество изображения зависит от размера пиксела и количества пикселов на единицу площади экрана.

Пиксел – элементарная точка изображения на экране, т.е. минимальный элемент изображения.

Чем выше разрешающая способность, тем больше информации может быть выведено на экран, тем более детальным может быть изображение.

Все разрешения стандартизированы: 640´480, 800´600, 1024´768, 1152´768, 1280´1024, 1600´1200, 1800´1440.

Мониторы поддерживают, как правило, несколько разрешений. Она зависит от размера экрана и размера зерна экрана, но может изменяться (в определённых пределах) с помощью программной настройки.

Частота регенерации или обновления изображения

В процессе работы монитор постоянно регенерирует , т.е. повторно воспроизводит изображение на экране. В результате регенерации происходит мерцание изображения – неизбежный побочный эффект при использовании любой технологии ЭЛТ.

Мерцание (flicker) – заметное глазом изменение свечения на экране.

Мерцание изображения на экране монитора связано с частотой регенерации .

Частота развертки:

1) частота горизонтальной развертки (частота строчной развертки, частота строк) – количество строк, которое луч может «пробежать» за одну секунду; КГц.

Частота управляющих сигналов, указывающих на необходимость перехода к изображению следующего ряда точек – частота строк .

Более высокая частота строчной развертки позволяет выводить на экран изображения с более высоким разрешением.

31,5 – 172,5 кГц

2) частота вертикальной развертки (частота кадровой развертки, частота кадров) – количество кадров, формируемых лучом за одну секунду; Гц.

Частота управляющих сигналов, указывающих на необходимость перехода к изображению верхнего ряда точек – частота кадров (обновление изображения).

Чем выше частота кадровой развертки, тем ниже уровень мерцания и меньше нагрузка на зрение. Мерцание становится незаметным для глаза при частоте более 70 Гц (75 Гц). Ассоциация по стандартам в области видеоэлектроники (Video Electronics Standards Association – VESA) для получения изображения приемлемого качества рекомендует частоту 85 Гц.

В ЖК оптимальная частота кадров 60 Гц (достаточно для отсутствия мерцания).

Монитор отображает принимаемый им видеосигнал построчно, выводя один ряд точек за другим. Для перехода от одного ряда точек к следующему и для возврата к верхнему ряду точек видеоконтроллер посылает в монитор специальные управляющие сигналы.

Существуют два способа регенерации изображения на экране: построчная (NI – non-interlaced) и чересстрочная (interlaced) развертка . Монитор с чересстрочной разверткой так же, как и абсолютное большинство телевизоров, регенерирует изображение за два прохода электронного луча. Первый проход воспроизводит нечетные строки, второй – четные. Монитор с построчной разверткой воспроизводит полное изображение на экране за один проход электронного луча, без чередования строк. Мониторы с построчной разверткой обладают лучшими характеристиками, поскольку воспроизводят изображение быстрее и с меньшим мерцанием. Они также имеют более резкие и четкие изображения. Мониторы высокого качества работают во всех режимах разрешения с построчной разверткой.

При увеличении разрешающей способности частота кадровой развертки уменьшается.

Размер, разрешение и частота регенерации жестко связаны между собой, и их значения должны соответствовать друг другу.

Возможность использования конкретного разрешения зависит от различных факторов, среди которых возможности монитора, возможности видеокарты и объем доступной видеопамяти, которая ограничивает число отображаемых цветов.

Цветовое разрешение

Количество поддерживаемых цветов – параметр, определяющий максимальное количество различных цветовых тонов, одновременно воспроизводимых на экране.

Режимы цветового разрешения (цветовые режимы, цветовые конфигурации, режимы глубины цвета):

Low Color – режим, при котором каждый пиксел на экране может иметь один из 256 различных цветов. На задание цвета пиксела отводится 1 байт (8 бит), поэтому об этом режиме говорят как о 8-разрядном представлении цвета.

High Color – режим, при котором каждый пиксел на экране может иметь один из 65536 различных цветов. На задание цвета пиксела отводится 2 байта (16 бит), поэтому об этом режиме говорят как о 16-разрядном представлении цвета (режим высококачественного цвета).

True Color – режим, при котором каждый пиксел на экране может иметь один из 16777216 различных цветов. На задание цвета пиксела отводится 3 байта (24 бита), поэтому об этом режиме также говорят как о 24-разрядном цвете. Объем цветовой информации лишь немного уступает возможностям человеческого глаза (режим «реального» цвета).

True Color – режим, при котором каждый пиксел на экране может иметь один из 4294967296 различных цветов. На задание цвета пиксела отводится 4 байта (32 бита), поэтому об этом режиме также говорят как о 32-разрядном цвете. Объем цветовой информации не уступает возможностям человеческого глаза (режим «реального» цвета).

Начиная со стандарта VGA, любой монитор способен отображать столько цветов, ско­лько обеспечивает видеокарта, вернее, объём памяти видеокарты.

Соответствие стандартам безопасности.

Поскольку при работе за компьютером наибольшее внимание уделя­ется пользователем именно изображению на экране дисп­лея, а ЭЛТ-монитор, как любой телевизор, излучает электромагнитные волны во всех диапазонах - от частоты развёртки кадров (50-100 Гц) до рентгеновского, то здоро­вья это не добавляет. И если от телевизора можно отодвинуться, то при работе с компьютером возникают проблемы. Поэтому были разработаны мониторы с внутренним экранированием и пониженным уровнем излучения (LR - Low Radiation). Позже были приняты стандарты на допустимый уровень излучения монитора - MPR II и ТСО’92. Глазу вредят и блики - отражение от экрана посторонне­го света. Специальное антибликовое покрытие хороших мониторов поглощает отражённый свет. Снизить излучение и отражение можно, навесив на монитор специальный экран.

Привожу ТОП 10 самых частых неисправностей ЖК мониторов, которые я ощутил на своей шкуре. Рейтинг неисправностей составлен по личному мнению автора, исходя из опыта работы в сервисном центре. Можете воспринимать это как универсальное руководство по ремонту практически любого ЖК монитора фирм Samsung, LG, BENQ, HP, Acer и других. Ну что, поехали.

Неисправности ЖК мониторов я разделил на 10 пунктов, но это не значит, что их всего 10 — их намного больше, в том числе комбинированные и плавающие. Многие из поломок ЖК мониторов можно отремонтировать своими руками и в домашних условиях.

1 место – монитор не включается

вообще, хотя индикатор питания может мигать. При этом монитор загорается на секунду и тухнет, включается и сразу выключается. При этом не помогают передергивания кабеля, танцы с бубном и прочие шалости. Метод простукивания монитора нервной рукой обычно тоже не помогает, так что даже не старайтесь. Причиной такой неисправности ЖК мониторов чаще всего является выход из строя платы источника питания, если он встроен в монитор.

Последнее время стали модными мониторы с внешним источником питания. Это хорошо, потому что пользователь может просто поменять источник питания, в случае поломки. Если внешнего источника питания нет, то придется разбирать монитор и искать неисправность на плате. в большинстве случаев труда не представляет, но нужно помнить о технике безопасности.

Перед тем, как чинить бедолагу, дайте ему постоять минут 10, отключенным от сети. За это время успеет разрядиться высоковольтный конденсатор. ВНИМАНИЕ! ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ, если сгорел и ШИМ-транзистор! В этом случае высоковольтный конденсатор разряжаться не будет за приемлемое время.

Поэтому ВСЕМ перед ремонтом проверить напряжение на нем! Если опасное напряжение осталось, то нужно разрядить конденсатор вручную через изолированный около 10 кОм в течение 10 сек. Если Вы вдруг решили замкнуть выводы , то берегите глаза от искр!

Далее приступаем к осмотру платы блока питания монитора и меняем все сгоревшие детали – это обычно вздутые конденсаторы, перегоревшие предохранители, транзисторы и прочие элементы. Также ОБЯЗАТЕЛЬНО нужно пропаять плату или хотя бы осмотреть под микроскопом пайку на предмет микротрещин.

По своему опыту скажу – если монитору более 2 лет – то 90 %, что будут микротрещины в пайке, особенно это касается мониторов LG, BenQ, Acer и Samsung . Чем дешевле монитор, тем хуже его делают на заводе. Вплоть до того, что не вымывают активный флюс – что приводит к выходу из строя монитора спустя год-два. Да-да, как раз когда кончается гарантия.

2 место — мигает или гаснет изображение

при включении монитора. Это чудо напрямую нам указывает на неисправность блока питания.

Конечно, первым делом нужно проверить кабели питания и сигнала – они должны надежно крепиться в разъемах . Мигающее изображение на мониторе говорит нам о том, что источник напряжения подсветки монитора постоянно соскакивает с рабочего режима.

3 место — самопроизвольно выключается

по истечении времени или включается не сразу. В этом случае опять три частые неисправности ЖК мониторов в порядке частоты появления — вздутые электролиты, микротрещины в плате, неисправная микросхема .

При этой неисправности также может быть слышен высокочастотный писк трансформатора подсветки. Он обычно работает на частотах от 30 до 150 кГц. Если режим его работы нарушается, колебания могут происходить в слышимом диапазоне частот.

4 место — нет подсветки,

но изображение просматривается под ярким светом. Это сразу говорит нам о неисправности ЖК мониторов в части подсветки. По частоте появления можно было бы поставить и на третье место, но там уже занято.

Варианта два – либо сгорела плата блока питания и инвертора, либо неисправны лампы подсветки. Последняя причина в современных мониторах со встречается не часто. Если светодиоды в подсветке и выходят из строя, то только группами.

При этом может наблюдаться затемнение изображения местами по краям монитора. Начинать ремонт лучше с диагностики блока питания и инвертора. Инвертором называется та часть платы, которая отвечает за формирование высоковольтного напряжения порядка 1000 Вольт для питания ламп, так что ни в коем случае не лезь ремонтировать монитор под напряжением. Про можете почитать в моем блоге.

Большинство мониторов схожи между собой по конструкции, так что проблем возникнуть не должно. Одно время просто сыпались мониторы с нарушением контакта около кончика лампы подсветки. Это лечится самой аккуратной разборкой матрицы, чтобы добраться до конца лампы и припаять высоковольтный проводок.

Более простой выход из сложившейся неприятной ситуации можно найти, если у Вашего друга-брат-свата завалялся такой же монитор, но с неисправной электроникой. Слепить из двух мониторов похожих серий и одинаковой диагонали труда не составит.

Иногда даже блок питания от монитора большей диагонали можно приспособить для монитора с меньшей диагональю, но такие эксперименты рискованны и я не советую устраивать дома пожар. Вот на чужой вилле – это другое дело…

6 место — пятна или горизонтальные полоски

Их присутствие означает, что накануне Вы или Ваши родственники подрались с монитором из-за чего-то возмутительного.

К сожалению, бытовые ЖК мониторы не снабжают противоударными покрытиями и обидеть слабого может любой. Да, любой приличный тычок острым или тупым предметом заставит Вас пожалеть об этом.

Даже если остался небольшой след или даже один битый пиксель – все равно со временем пятно начнет разрастаться под действием температуры и напряжения, прилагаемого к жидким кристаллам. Восстановить битые пиксели монитора, увы, не получится.

7 место — нет изображения, но подсветка присутствует

То есть на лицо белый или серый экран . Для начала следует проверить кабели и попробовать подключить монитор к другому источнику видеосигнала. Также проверьте выдается ли на экран меню монитора.

Если все осталось по прежнему, смотрим внимательно на плату блока питания. В блоке питания ЖК монитора обычно формируются напряжения номиналом 24, 12, 5, 3.3 и 2.5 Вольт. Нужно вольтметром проверить все ли с ними в порядке.

Если все в порядке, то внимательно смотрим на плату обработки видеосигнала – она обычно меньше, чем плата блока питания. На ней есть микроконтроллер и вспомогательные элементы. Нужно проверить приходит ли к ним питание. Одним коснитесь контакта общего провода (обычно по контуру платы), а другим пройдитесь по выводам микросхем. Обычно питание где-нибудь в углу.

Если по питанию все в порядке, а осциллографа нет, то проверяем все шлейфы монитора. На их контактах . Если что-то нашли – очистите изопропиловым спиртом. В крайнем случае можно почистить иголочкой или скальпелем. Так же проверьте и плату с кнопками управления монитором.

Если ничего не помогло, то возможно Вы столкнулись со случаем слетевшей прошивки или выходом из строя микроконтроллера. Это обычно случается от скачков в сети 220 В или просто от старения элементов. Обычно в таких случаях приходится изучать спецфорумы, но проще пустить на запчасти, особенно если на примете есть знакомый каратист, сражающийся против неугодных ЖК мониторов.

8 место – не реагирует на кнопки управления

Лечится это дело легко – надо снять рамку или заднюю крышку монитора и вытащить плату . Чаще всего там Вы увидите трещину в плате или в пайке.

Иногда встречаются неисправные или . Трещина в плате нарушает целостность проводников, поэтому их нужно зачистить и пропаять, а плату подклеить для упрочнения конструкции.

9 место — пониженная яркость монитора

Это происходит из-за старения ламп подсветки. Светодиодная подсветка по моим данным таким не страдает. Также возможно ухудшение параметров инвертора опять же в силу старения составных компонентов.

10 место — шум, муар и дрожание изображения

Часто такое происходит из-за плохого кабеля VGA без подавителя электромагнитной помехи — . Если замена кабеля не помогла, то возможно, помеха по питанию проникла в цепи формирования изображения.

Обычно от них избавляются схемотехнически применением фильтрующих емкостей по питанию на сигнальной плате. Попробуйте их заменить и пишите мне о результате.

На этом мой чудный рейтинг ТОП 10 самых частых неисправностей ЖК мониторов закончен. Основная часть данных о поломках собрана на основании ремонтов таких популярных мониторов, как Samsung, LG, BENQ, Acer, ViewSonic и Hewlett-Packard.

Данный рейтинг, как мне кажется, справедлив также и для и . А у Вас какая обстановка на фронте ремонта LCD мониторов ? Пишите на и в комментариях.

С уважением, Мастер Пайки.

P.S.: Как разобрать монитор и ТВ (как отщелкнуть рамку)

Самые частые вопросы при разборке ЖК мониторов и ТВ — как снять рамку? Как отщелкнуть защелки? Как снять пластик корпуса? и т.д.

Один из мастеров сделал хорошую анимацию, поясняющую как вывести защелки из зацепления с корпусом, так что оставлю это здесь — пригодится.

Чтобы просмотреть анимацию — нажмите на изображение.

Здравствуйте, уважаемые читатели блога сайт. Сегодня поговорим об устройстве жидкокристаллического (жк) монитора, точнее о его дисплее. Ведь именно экран монитора, это то место, на которое мы с вами дольше всего смотрим при работе за компьютером.

Надо сказать, современные жидкокристаллические мониторы в значительной степени отличаются от своих "предшественников" - ЭЛТ мониторов (мониторов с электронно-лучевыми трубками), которые сейчас уже нигде не продаются. Вообще, мониторы с электронно-лучевой трубкой стали активно исчезать с прилавков магазинов электроники уже начиная года так с 2007. И это было обусловлено рядом причин, о которых будет сказано чуть ниже.

Рано или поздно это должно было произойти, я имею ввиду массовый переход на жидкокристаллические мониторы, несмотря на скептическое отношение к ним большинства пользователей, уже владеющих ЭЛТ. И действительно, первые модели ЖК мониторов обладали рядом недостатков, которых лишены современные модели, и главным недостатком пожалуй были очень небольшие углы обзора, в основном по горизонтали. Картинка инвертировалась и уходила в негатив буквально при малейшем отклонении головы от положения, когда взгляд падал строго перпендикулярно плоскости экрана.

Вторым аргументом "в пользу" мониторов с электронно-лучевыми трубками служило то, что жк мониторы на первых порах обладали действительно малым временем отклика матрицы, причем это было заметно невооруженным взглядом, когда динамическая смена картинки (например при просмотре фильма) сопровождалась всевозможными шлейфами и артефактами на экране.

Но почему же несмотря на "сырость" тогдашних ЖК мониторов, они все же получили массовую популярность? Я думаю дело в том, что ЭЛТ тоже не были лишены недостатков, они имели большие габариты, часто их глубина (толщина) была примерно равна диагонали самого экрана. К тому же, длительное пребывание за ними приводило к быстрому утомлению, в основном из-за мерцания и интенсивного электромагнитного излучения. Ну а поскольку прогресс идет в направлении уменьшения устройств и их технологического совершенствования, то логично было бы предсказать такую популярность, какую на сегодняшний день имеют LCD мониторы.

Главное отличие ЭЛТ от ЖК мониторов

В основе работы ЭЛТ монитора лежит специальная стеклянная трубка, внутри которой вакуум. Так же, внутри стеклянной колбы находятся электронные пушки, испускающие поток заряженных частиц (электронов).

Эти электроны заставляют светиться точки люминофора, которым тонким слоем изнутри покрыта передняя стенка электронно-лучевой трубки. То есть энергия электронов превращается в свет, вот эти самые светящиеся точки и формируют изображение.

Принцип работы ЖК монитора совершенно иной. Здесь уже нет никаких трубок, а изображение формируется совершенно другим способом. Жидкокристаллические дисплеи уже имеют в своем названии указание на то, с помощью чего создается изображение на экране. Да да, именно жидкие кристаллы, которые были открыты еще в 1888 году, играют ключевую роль в формировании картинки.

Устройство LCD монитора больше напоминает слоеный пирог, каждый слой имеет свое назначение. Итак, можно выделить несколько слоев, из которых и состоит наш монитор.

Первый слой - это система подсветки ЖК матрицы, она может быть выполнена с применением люминесцентных ламп с холодным катодом, либо светодиодов. Вторым слоем идет рассеивающий фильтр, который позволяет повысить уровень равномерности подсветки всей матрицы. Далее идет первый вертикальный поляризационный фильтр, который пропускает только вертикально направленные световые волны. Четвертым слоем представлена сама матрица, представляющая собой две прозрачные стеклянные пластины, между которыми расположены молекулы поляризационного вещества - жидкие кристаллы. Пятым слоем идут специальные цветофильтры, отвечающие за окрас каждого субпикселя. Ну и последним слоем идет второй, уже горизонтальный поляризационный фильтр, который, как вы уже наверное догадались, пропускает только лишь горизонтальные волны. Вот и все устройство ЖК монитора. Разберем подробнее.

В жидкокристаллической матрице каждый кристалл отвечает за определенную точку в изображении на экране. Когда монитор работает, свет от системы подсветки проходит через слой жидких кристаллов и зритель видит некую "мозаику" из пикселей, окрашенных в разные цвета. Каждый пиксель состоит из трех субпикселей, красного, зеленого и синего.

С помощью этих трех базовых цветов экран способен отображать до 17 млн. различных оттенков цветов. Такая глубина цвета достигается различным количеством света, проходящего через каждый пиксель. 17 миллионов возможных сочетаний - 17 млн. возможных цветов.

Даже видео имеется, где крупным планом показана структура пикселей LCD монитора.

Любой свет, как известно, имеет направление, поскольку это еще и электромагнитная волна, она еще имеет поляризацию. Луч может быть вертикальным, горизонтальным, иметь любой промежуточный угол.

Очень важно, учитывая, что первый фильтр пропускает только вертикально направленные лучи. Излучение проходит сквозь каждый субпиксель и достигает второго поляризационного фильтра, который пропускает только горизонтальные лучи. Иначе говоря, не весь свет, излученный системой подсветки способен дойти до пользователя.

Кристаллы изменяют поляризацию световой волны , чтобы она прошла через второй фильтр. Вообще, жидкие кристаллы - крайне интересная субстанция. Их молекулы действительно ведут себя, как молекулы жидкого вещества, находясь в постоянном движении. Но как и положено кристаллам, их ориентация остается неизменной.

При подготовке тестирования ЖК-мониторов с диагональю 19 дюймов мы столкнулись с необычайно высоким интересом к данной теме. Проблема выбора, которая никогда не была легкой, в данном случае усугубляется большим разнообразием моделей, цена которых лежит в широких пределах – от $300 до $800 при сравнимых (на первый взгляд) характеристиках. Для того чтобы понять, чем же они отличаются между собой и какой продукт предпочесть, нам предстоит рассмотреть устройство современного ЖК-дисплея.

Мы не будем подробно останавливаться на базовых принципах функционирования ЖК-матриц, полагая, что большинство наших читателей уже знакомо с ними в достаточной степени. лишь, что в них используется явление поворота жидкими кристаллами плоскости поляризации светового потока. Но технологии и подходы, применяемые различными производителями к решению возникающих при создании мониторов проблем, подчас значительно отличаются.

Интерфейсы

В наследство от эпохи ЭЛТ-мониторов нам остался аналоговый интерфейс RGB VGA D-sub. Видеоадаптер преобразует данные кадрового буфера из цифрового вида в аналоговый, а электроника ЖК-монитора, со своей стороны, вынуждена выполнять обратное, аналого-цифровое преобразование. Несложно понять, что такие избыточные операции как минимум не улучшают качества изображения, к тому же они требуют дополнительных затрат для своей реализации. Поэтому с повсеместным распространением ЖК-дисплеев интерфейс VGA D-sub не имеет будущего и в скором времени его вытеснит цифровой DVI.

Не стоит думать, что в дешевых мониторах производители намеренно не реализуют поддержку DVI-интерфейса, ограничиваясь лишь VGA D-sub. Просто для этого требуется применение специального TMDS-приемника со стороны монитора, и себестоимость устройства с поддержкой как аналогового, так и цифрового интерфейсов по сравнению с вариантом с единственным аналоговым входом будет выше.

Электроника

Если разобрать корпус современного ЖК-монитора и взглянуть на плату управляющей электроники, поначалу может возникнуть легкое недоумение. В самом деле, даже плата блока питания, расположенная рядом, выглядит гораздо внушительнее!

Функциональную схему блока обработки изображения в ЖК-дисплее простой не назовешь, и лаконичность его платы объясняется иначе: благодаря подходу System-on-a-Chip большинство функций (от аналого-цифрового преобразования RGB-сигнала, его масштабирования, обработки и вплоть до формирования выходных сигналов LVDS) выполняется единственной ИС с высокой степенью интеграции, носящей название Display Engine. Среди производителей мониторов сегодня весьма популярны ИС от ST Microelectronics (семейства ADE3xxx), работающие под управлением 8-битовых микроконтроллеров.

Блок ЖК-матрицы также выглядит довольно простым, и его плата обычно содержит единственную схему управления, так называемый драйвер матрицы, в который интегрированы приемник LVDS и драйверы истоков и затворов, преобразующие видеосигнал в адресацию конкретных пикселов по столбцам и строкам. В целом же доля электронных компонентов в себестоимости монитора, по оценкам экспертов IDC, составляет всего 11% – нетрудно догадаться, что большинство затрат приходится на саму панель TFT LCD.

В блок ЖК-матрицы входит также система ее подсветки, которая, за редкими исключениями, выполнена на газоразрядных лампах с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL). Высокое напряжение для них обеспечивает инвертор, размещенный в блоке питания монитора. Лампы обычно располагаются сверху и снизу, их излучение направлено в торец полупрозрачной панели, находящейся сзади за матрицей и выполняющей роль световода. От качества матирования и однородности материала этой панели зависит такая важная характеристика, как равномерность подсветки матрицы.

Современные технологии TFT LCD

Для ЖК-мониторов основным элементом, определяющим качество изображения, является матрица TFT LCD. На сегодняшний день на рынке представлены три конкурирующие между собой базовые технологии ЖК-панелей и некоторое количество их разновидностей. Это Twisted Nematics (TN, раньше добавляли еще и +Film, однако сейчас других просто нет), In-Plane Shutter (IPS, S-IPS) и Vertical Alignment (VA, MVA, PVA). Не затрагивая технических особенностей данных технологий, которые широко обсуждаются на соответствующих технических сайтах в Интернете, остановимся лишь на их практических и рыночных аспектах.

a

б

в ИС высокой интеграции (Display engine) семейства ADE3xxx от ST Microelectronics (a) под управлением восьмиразрядного микроконтроллера (б) и формирователи выходного сигнала (в) – вот и все устройства на плате управления ЖК-дисплеем

TN. Самый старый и дешевый в производстве тип матриц, для него же характерно минимальное время отклика, что и обусловило его широкое распространение. Большинство 17-дюймовых дисплеев и до 50% 19-дюймовых содержат именно матрицы TN. На этом, пожалуй, достоинства заканчиваются, и начинается длинный список недостатков.

Специфическая, «жесткая» цветопередача, весьма далекая от эталонной (а с появлением «сверхбыстрых» панелей она еще ухудшилась); клиппинг в светлых областях изображения; малые углы обзора, особенно вертикальный; невысокая контрастность. К тому же «битые» пикселы (dead pixels) на таких матрицах пропускают свет, поэтому на экране они будут видны в виде яркой синей, красной или зеленой точки.

Но все же, если вам нужен монитор с минимальным смазыванием движущегося изображения, пока именно TN остается наилучшим выбором. Однако не стоит забывать, что при этом он совершенно не подойдет для работы с графикой.

Узнать такие матрицы довольно легко по потемнению картинки при взгляде снизу и выцветанию, вплоть до инвертирования светлых областей при взгляде сверху.

IPS/S-IPS. Характеристики матриц, выполненных по данной технологии (разработанной компанией Hitachi), являют собой прямую противоположность таковым для TN. IPS имеет впечатляющий список достоинств. Это и отличная цветопередача, и широчайшие углы обзора, и хороший контраст (глубокий черный цвет). Но преуспеванию IPS на рынке мешают ее недостатки: сложность в производстве (как следствие, дороговизна) и большое время реакции матрицы.

IPS может быть идеальным выбором для задач, связанных с обработкой статического изображения. А вот комфортно играть в компьютерные игры, увы, не получится. Кроме того, на рынке до сих пор нет IPS-матриц с технологией overdrive (подробнее о ней ниже), поэтому мониторы с такими матрицами выбирают преимущественно профессионалы в области графики.

Узнать матрицы IPS также легко: если взглянуть под углом на включенный монитор с черной заливкой на экране, то черный цвет будет иметь фиолетовый оттенок.

MVA/PVA. Технология MVA (Multi-domain Vertical Alignment) разработана компанией Fujitsu в качестве компромиссной между IPS и TN. Достоинства таких матриц: отличные углы обзора, неплохая цветопередача, высокая контрастность; однако время отклика по-прежнему не может сравниться с соответствующим показателем у TN.

Samsung производит матрицы PVA (Pattern Vertical Alignment) и S-PVA, которые, грубо говоря, являются усовершенствованными вариантами MVA. Корейской компании удалось значительно улучшить контрастность, вплоть до рекордной 1000:1, а также с помощью технологии overdrive серьезно уменьшить время отклика – теперь на топовых моделях 19-дюймовых мониторов этого производителя вполне можно комфортно играть в динамичные компьютерные игры.

Если обобщить весь опыт тестирования ЖК-мониторов в нашей Тестовой лаборатории, то именно PVA-матрицы на сегодняшний день видятся нам как оптимальный компромисс между малым временем отклика TN и качественной цветопередачей IPS. Поэтому дисплеи, оборудованные такими матрицами, могут в наибольшей степени претендовать на звание универсальных.

Чем определяется качество

После рассмотрения достоинств и недостатков применяемых в ЖК-дисплеях технологий изготовления матриц у вас может возникнуть совершенно закономерный вопрос: если качество изображения на 80% зависит от матрицы, почему же цены на схожие мониторы разных брендов подчас отличаются в несколько раз?

Даже если оставить за рамками качество сборки и материал корпуса, а также конструкцию подставки и возможности настройки параметров изображения, останется такой животрепещущий вопрос, как политика производителя по отношению к «битым» пикселам. Последние представляют собой ячейки, управляющие тонкопленочные транзисторы которых вышли из строя. Обычно это вызвано производственным дефектом, так как сделать идеальную панель большой диагонали с тремя миллионами ячеек совсем не просто, в ходе же эксплуатации монитора новые дефекты появляются редко.

Стандарт ISO 13406-2 определяет четыре класса ЖК-панелей, для каждого из которых допускается наличие определенного количества неработающих ячеек на миллион пикселов. Для массового распространения на данный момент сертифицированы лишь матрицы первого («битые» субпикселы отсутствуют) и второго классов (количество вышедших из строя субпикселов не больше пяти). Однако ввиду непрекращающегося падения цен держать такую планку качества производителям все труднее: слишком много панелей уходит в брак, а работать в убыток в условиях демпинга долго не получится. Поэтому если тенденция к удешевлению ЖК-дисплеев сохранится и в будущем, то совсем не исключено появление на рынке и панелей третьего класса (от 6 до 50 вышедших из строя субпикселов).

Кто-то может спросить: а как же те производители, которые гарантируют, что «битых» пикселов в их мониторах нет? Они что, научились делать ЖК-панели практически без брака? Нет, здесь все гораздо проще. Гарантия на полное отсутствие вышедших из строя субпикселов обычно дается лишь на отдельные модели мониторов (вершины продуктовых линеек) и свидетельствует о применении панелей первого класса. Второй же класс просто устанавливают в более дешевые модели линейки. Кроме того, такую гарантию на свои дисплеи могут безбоязненно давать прежде всего те бренды, которые делают ЖК-панели и для себя, так как при этом они имеют возможность отобрать для собственных устройств самые качественные из них: Samsung, LG и Philips.

Таким образом, на пресловутый вопрос «навіщо платити більше?» применительно к ЖК-мониторам имеется совершенно четкий ответ. Как говорил М. Жванецкий, можно этого и не делать, если вас не интересует результат – в нашем случае качество приобретаемого устройства.

Не все спецификации одинаково полезны

Если взглянуть на страницу спецификаций ЖК-дисплея любого производителя, то список его технических характеристик обычно выглядит весьма внушительно. Для потенциальных покупателей зачастую именно спецификации являются единственным источником информации о продукте, и поэтому в народе довольно популярно сравнение характеристик устройств различных брендов. Тем не менее такой подход к ЖК-мониторам, к сожалению, совершенно неприменим – делать выводы о качестве, сравнивая спецификации, корректно лишь для продуктов одной компании (да и то не всегда).

Такая ситуация с, казалось бы, вполне объективными показателями, изначально призванными вносить ясность, требует дополнительного рассмотрения. Для начала отметим, что, хотя стандарт VESA на измерения параметров плоскопанельных дисплеев определяет их методику однозначно, далеко не все производители ее придерживаются. Более того, когда дело доходит до наиболее критичных с маркетинговой точки зрения пунктов спецификации, с методами и условиями их измерений зачастую начинается самый настоящий бардак.

Попробуем разобраться, какие же из характеристик ЖК-дисплея наиболее важны и стоят того, чтобы при выборе обратить на них внимание.

а

б

в

г Блок подсветки (а) состоит из газоразрядных ламп с холодным катодом CCFL (б), полимерного световода (в), рассеивателей и поляризатора (г)

Размер диагонали и разрешение . Если первый параметр очевиден и особых комментариев не требует, то на втором стоит остановиться подробнее. ЭЛТ-дисплеи могут одинаково хорошо работать в широком диапазоне разрешений, так как размер ячейки их теневой маски или апертурной решетки намного меньше пиксела изображения. Однако картинка на ЖК-панели выглядит оптимально в том случае, если видеоадаптер работает в «родном» для ЖК-монитора разрешении (native resolution). Ячейки ЖК-панели по сравнению с ячейками теневой маски довольно велики, и на один пиксел изображения приходится лишь одна RGB-ячейка матрицы. Поэтому для 15-дюймовых дисплеев основным рабочим является разрешение 1024×768, для 17- и 19-дюмовых – 1280×1024. Все прочие режимы будут лишь компромиссами: при установке на видеоадаптере ПК меньшего разрешения изображение масштабируется до нужного размера электроникой дисплея и в результате «замыливается». Если же разрешение видеорежима превышает оптимальное, то большинство мониторов отказывается с ним работать либо опять-таки картинка ухудшается из-за пересчета.

Обратите внимание, что несмотря на два дюйма разницы в размере диагонали, 17- и 19-дюймовые мониторы (в большинстве своем) характеризуются одним и тем же «родным» разрешением. То есть количество информации, которое можно разместить на них, одинаково, выигрыш лишь в большем размере точки для 19-дюймового дисплея. На практике чаще всего оказывается, что значительно приятнее работать именно с последним – за счет увеличенного размера ячеек матрицы (и соответственно, уменьшенного расстояния между ними) изображение, формируемое 19-дюймовым устройством, кажется лучше.

Частота обновления экрана . В эпоху ЭЛТ-мониторов этот параметр был важнейшим для достижения комфортного, немерцающего изображения на дисплее. Но для того чтобы человеческий глаз воспринимал быстро сменяющиеся кадры как движущуюся картинку, достаточно и 30 кадров в секунду (60 при чересстрочном формировании). Необходимость же поднимать частоту «рефреша» до 85, 100 и даже 120 Гц была вызвана тем, что на ЭЛТ-дисплеях изображение формируется построчным сканированием, причем, пока электронный луч «засветит» строку в нижней части экрана, обладающий небольшим временем светимости люминофор в верхней его части уже успевает отдать значительный процент своей энергии, и картинка темнеет – до следующего прохода луча.

Так как в ЖК-дисплеях кадр формируется целиком, и каждая ячейка матрицы – это транзистор с запоминающим конденсатором (storage capacitor), который долго хранит заряд, то никакое мерцание (чередование светлых и темных кадров) не возникает, и необходимой и достаточной частотой обновления является значение в 60 Гц. Именно на него рассчитана электроника ЖК-матрицы, и потому, даже если на видеоадаптере установлена более высокая частота, DSP дисплея будет пропускать лишние кадры, что может привести к рывкам движущегося на экране изображения.

Яркость и контрастность . Максимальная яркость ЖК-панели зависит от мощности ее подсветки и коэффициента пропускания матрицы и фильтров. Контрастность же определяется отношением интенсивности белого цвета к светимости черного цвета. Производители частенько указывают в паспортных данных мониторов значения, которые заявлены для установленных в них панелей, что, строго говоря, не совсем верно, так как электроника и качество сборки дисплея могут оказать существенное влияние на эти величины.

Паспортное значение максимальной яркости в 250 кд/м2 считается вполне достаточным, причем для работы при искусственном освещении хватает реального уровня в 100–120 кд/м2, а бóльшая яркость может понадобиться лишь при ярком солнечном свете.

С контрастностью не все так просто: в идеале чем больше она заявлена (при равной яркости), тем чище черный цвет на мониторе. На практике же иногда бывает так, что при меньшей заявленной контрастности на одном мониторе черный цвет выглядит заметно чище и глубже, чем на другом, в паспорте которого указано более высокое значение: здесь вступают в силу тип, эффективность антибликового покрытия экрана и прочие факторы.

Количество отображаемых цветов . Этот, на первый взгляд, не слишком информативный пункт спецификации подчас может многое сказать об установленной в монитор ЖК-матрице. Дело здесь вот в чем: разрядность большинства «сверхбыстрых» TN-матриц, в изобилии появившихся на рынке за последние несколько лет, составляет менее 8 бит на канал цветности (24 бит RGB), обычно лишь 6 (18 бит RGB), чего без применения специальных средств совершенно недостаточно для формирования всего спектра режима True Color: 28∙28∙28 дает 16 777 216 цветов, а 26∙26∙26 – только 262 144. Для эмуляции недостающих оттенков в управляющую электронику закладываются алгоритмы дизеринга – либо традиционные пространственные (когда варьируются цвета соседних точек), либо временные, когда отображаемый пикселом цвет переключается через каждый кадр; а иногда и различные их сочетания. В итоге глаз удается обмануть, однако качество изображения на такой матрице все же нельзя сравнивать с таковым для полноценной 24-битовой матрицы.

Поэтому еще совсем недавно при установке в монитор матрицы с уменьшенной разрядностью производители в графе «количество цветов» указывали 16,2 млн оттенков, а для полноценной 24-битовой – 16,7 млн. На сегодняшний же день, к сожалению, некоторые компании даже для 18-битовых панелей пишут 16,7 млн оттенков, и потому определить с помощью спецификаций, какая в мониторе матрица, возможным не представляется.

Углы обзора . Данный параметр очень важен для комфортной работы с монитором. Однако он, увы, утратил свою информативность – с тех пор как в спецификациях даже быстрых ЖК-матриц производители начали указывать значения 140–160°. Нет, это не значит, что углы обзора стали лучше, скорее наоборот, немного изменилась методика их измерений.

Исторически граничным углом обзора, вносимым в спецификации, считался такой, при котором контраст падал до 10:1. Как видите, уже тогда при этом совершенно не учитывались возникающие искажения цветопередачи, которые для TN-матриц подчас выражаются в инвертировании цветов. Для «быстрых» же матриц реальные углы обзора еще ýже, чем для обычных. Поэтому в последнее время некоторые производители ни с того ни с сего начали считать граничными углы обзора матрицы при контрасте не 10:1, а всего 5:1, что дает им основания указывать даже для «быстрых» TN-матриц значения выше 140°.

На практике же разница между углами обзора для разных типов матриц, как говорится, небо и земля. Если для «быстрых» TN заметные искажения наблюдаются даже при небольшом отклонении взгляда от угла нормали (иногда при нормальном угле зрения по центру монитора они уже заметны в его углах), то на современные мониторы, оснащенные PVA- и IPS-матрицами, можно смотреть практически под любым углом. Поэтому углы обзора мониторов на матрицах типа TN и MVA/PVA/IPS несравнимы, хотя цифры спецификаций подчас довольно схожи.

Время отклика. Это один из наиболее спорных и неоднозначных параметров современных ЖК-дисплеев. Гонка миллисекунд, которая длится вот уже несколько лет, привела к тому, что многие пользователи, особенно любители компьютерных игр, выбирают для себя монитор, руководствуясь исключительно данной характеристикой. Однако, как мы неоднократно подчеркивали в тестированиях, на практике заявленное низкое время реакции матрицы еще не гарантирует отсутствия смазывания движущегося изображения – более того, нередки случаи, когда, скажем, монитор с паспортным временем реакции 16 мс на поверку оказывается быстрее 12-миллисекундной модели.

Дело, как обычно, в выбранной методике измерения. Еще недавно временем реакции было принято считать суммарное время переключения пиксела с черного цвета на белый (trise) и обратно (tfall), точнее достижения значений яркости 90% и 10% соответственно. Но эта цифра не давала представления о том, как будет вести себя монитор в реальных условиях, и вот почему. При переходе от минимального уровня к максимальному прикладываемое к электродам матрицы напряжение также максимальное; следовательно, воздействие на жидкие кристаллы довольно сильное, что обеспечивает их быструю переориентацию в нужном направлении. Гораздо сложнее осуществить столь же стремительный поворот на небольшой угол (речь идет все же о кристаллах, хоть и «жидких» – их вязкость высока), что соответствует переходам от одного промежуточного состояния к другому (между оттенками серого). Приложенное напряжение будет уже не столь высоким, и время отклика может превысить заявленное в несколько раз – все зависит от типа и конструкции матрицы. В итоге для одной 16-милисекундной модели на экране хорошо видно смазывание, а для другой оно практически не проявляется, и оценить его можно только на глаз либо путем измерения и последующего усреднения длительности всех переходов между различными состояниями ЖК-ячейки (число которых для 8-битовой RGB-матрицы составит 256).

Разгоняем… монитор!

А нельзя ли как-то подогнать неторопливые кристаллы, чтобы ускорить время их поворота при переходе между промежуточными состояниями? Оказывается, можно. Для этого нужно знать их исходное положение (запомнить предыдущий кадр) и точно рассчитать так называемый разгонный импульс напряжения для нового значения пиксела в следующем кадре. Он значительно превышает номинальное для требуемого состояния напряжение, подаваемое после него, и поэтому быстро повернет кристаллы в нужное положение. Данная технология получила название overdrive, и ее корректное воплощение способно снизить время отклика ЖК-ячейки до минимального почти по всему диапазону ее состояний.

Проблема здесь заключается в соблюдении требуемой точности: даже в обычных панелях значения напряжений для формирования 256 состояний находятся в столь узком диапазоне, что управление ими представляет собой настоящее балансирование на острие ножа. Для нормальной же работы форсированной панели точность нужно повысить на порядок, что пока удается отнюдь не всем.

На данном этапе корректная настройка схемы overdrive для панели все еще технически сложная задача, и под силу далеко не всем производителям. В результате при смене состояния ячейки могут стать заметны артефакты – скажем, если оптимальное значение разгонного импульса будет превышено и кристаллы повернутся на больший, чем нужно, угол, через ячейку на какое-то время пройдет больше света. Визуально для движущегося на сером фоне черного объекта это выразится в светлой кайме вместо привычных смазанных фронтов, хотя, повторим, при корректно реализованной технологии такие артефакты появляться не должны.

Чтобы подчеркнуть преимущества мониторов, оборудованных панелями с технологией overdrive, производители выбрали другую методику измерения времени отклика. Если раньше это была сумма временных затрат на переключение ячейки из черного в белый и обратно, то теперь часто указывают усредненное время переключения из одного оттенка серого в другой (Gray-to-Gray, GTG). Однако легко заметить, что в последнем варианте измерения одним переключением меньше, поэтому в результате даже без применения overdrive получается более красивая цифра. Ну а этим быстро воспользовались маркетинговые отделы тех компаний, которые еще даже не воплотили поддержку overdrive в своих матрицах…

Одним словом, заявленное в спецификации время отклика, к сожалению, имеет мало общего со степенью смазывания движущегося изображения в реальных задачах. Для объективной же оценки данного параметра необходимо проводить большое количество измерений, да еще учитывая при этом, что пользовательские настройки монитора, о которых пойдет речь ниже, могут вносить в них существенные коррективы.

Настройка ЖК-монитора

Из всех параметров ЖК-дисплея, которые пользователь может подстраивать, как важнейшие мы выделим яркость, контраст, гамму и цветовую температуру. Следующее утверждение на первый взгляд может показаться нелепым, однако это горькая правда: при установке для них значений, отличных от заводских (точнее, оптимальных для данной ЖК-матрицы), велика вероятность заметного ухудшения цветопередачи. Единственным исключением здесь будет лишь регулировка яркости ламп подсветки, хотя она встречается не у всех моделей.

Если вспомнить устройство и принцип работы ЖК-монитора, то понять, почему так происходит, будет несложно. Без изменения яркости и спектра излучения ламп подсветки (первое возможно, а вот второе – нет) единственный способ реализации всех подобных настроек – подмешивание к видеосигналу, подаваемому на матрицу, некоторой постоянной составляющей. А это приведет к сужению рабочего диапазона значений ячеек матрицы и, как следствие, к уменьшению количества отображаемых цветов (которое даже для лучших панелей и так относительно невелико).

Убедиться же в этом на практике еще проще: достаточно загрузить популярную программу TFTtest.exe и вывести на экран монохромную градиентную заливку (либо нарисовать ее в любом растровом графическом редакторе), а потом поменять значения упомянутых настроек и понаблюдать за появляющимися искажениями, которые выражаются в виде ступенек и/или цветных разводов на градиенте.

• Выполнить полный сброс установок.
• Вывести на экран плавную монохромную градиентную заливку.
• Отрегулировать яркость, контраст, гамму и цветовую температуру таким образом, чтобы на градиенте не наблюдались полосы, ступеньки и цветовые аномалии.
• В дальнейшем из всех настроек монитора корректировать лишь яркость подсветки, если есть такая возможность, так как она не влияет на качество цветопередачи.
• Все остальные параметры настраивать с помощью драйверов видеоадаптера либо аппаратного калибратора.

ЖК-мониторы: светлое будущее?

Рыночные перспективы этих устройств не вызывают сомнений, так как наблюдаемый высокий спрос на них однозначно свидетельствует: пользователи сделали свой выбор и жаждут поскорее сменить на своих столах громоздкие ЭЛТ-устройства на компактные и изящные ЖК-мониторы, забывая при этом о недостатках ЖК-технологии. К сожалению, ценовые и маркетинговые войны, развязываемые производителями, приводят к ухудшению ряда важнейших для качества изображения параметров на фоне улучшения лишь двух – времени реакции и стоимости. Особенно данная тенденция заметна для mainstream-дисплеев – 17- и 19-дюймовых устройств с панелями на базе технологии TN.

Таким образом, прогнозы скорой смерти матриц типа TN оказались, мягко говоря, несколько преувеличенными: раз большинство пользователей вполне устраивает такое качество изображения, то и необходимости его улучшать на сегодняшний день попросту нет. Для требовательных же покупателей, готовых платить за качество, остаются дисплеи на матрицах PVA и IPS больших диагоналей (19 дюймов и более). И до тех пор пока их время отклика и цена не сравняются с таковыми для TN-матриц (что маловероятно), господство последних на рынке не подлежит сомнению.