Секрети сучасних РК-моніторів. Типи відеоадаптерів Жк екран із чого складається

Існує три основні варіанти реалізації графічних карток:

    Плати розширення.У цьому випадку передбачається використання окремих плат розширення з інтерфейсом PCI Express, AGP або PCI. При цьому забезпечується найвища швидкодія, великий обсяг пам'яті та підтримка найбільшої кількості функцій.

    Набір мікросхеми з інтегрованим графічним ядром.Це найбільш доступні за ціною рішення, однак їхня швидкодія дуже низько, особливо при запуску тривимірних ігор та інших додатків, що інтенсивно використовують графік. При цьому також забезпечуються менші значення роздільної здатності та частот оновлення, ніж при використанні плат розширення. Найбільш часто інтегровані набори мікросхем реалізовані у бюджетних моделях ноутбуків, а також у деяких їх моделях середнього цінового діапазону;

    Процесор із вбудованим графічним ядром (Intel).

Як правило, настільні комп'ютери, в яких використовуються системні плати форм факторів microATX, FlexATX, microBTX, PicoBTX або MiniITX, оснащені графічним ядром, інтегрованим у набір мікросхем виробництва компаній Intel, VIA Technology, SiS та ін.

Рознімання відеокарт

Відеоадаптери MDA, Hercules, CGA та EGA оснащувалися 9-контактним роз'ємом типу D-Sub. Зрідка також був коаксіальний роз'єм Composite Video, що дозволяє вивести чорно-біле зображення на телевізійний приймач або монітор, оснащений НЧ-відеовходом.

Аналоговий D-Sub роз'єм

Відеоадаптери VGA і пізніші зазвичай мали лише один роз'єм VGA (15-контактний D-Sub). Інколи ранні версії VGA-адаптерів мали також роз'єм попереднього покоління (9-контактний) для сумісності зі старими моніторами. Вибір робочого виходу ставився перемикачами на платі відеоадаптера.

DVI - це відносно новий стандартний інтерфейс, який найчастіше використовується для виведення цифрового відеосигналу. Порт DVI буває двох різновидів. DVI-I також включає аналогові сигнали, що дозволяють підключити монітор VGA через перехідник на роз'єм D-SUB. DVI-D не дозволяє це зробити.

Роз'єм DVI (варіації: DVI-I та DVI-D)

Останнім часом широкого поширення набув новий побутовий інтерфейс - High Definition Multimedia Interface. Цей стандарт забезпечує одночасну передачу візуальної та звукової інформації по одному кабелю, він розроблений для телебачення та кіно, але й користувачі ПК можуть використовувати його для виведення відео за допомогою HDMI роз'єму. HDMI дозволяє передавати захищені від копіювання звук та зображення у цифровому форматі по одному кабелю, стандарт першої версії ґрунтується на пропускній здатності 5 Гб/с, а HDMI 1.3 розширив цю межу до 10.2 Гб/с.

Роз'єм HDMI

DisplayPort - це відносно новий цифровий відеоінтерфейс, першу версію якого було прийнято VESA (Video Electronics Standards Association) навесні 2006 року. Вона визначає новий універсальний цифровий інтерфейс, що не підлягає ліцензуванню і не оподатковується, призначений для з'єднання комп'ютерів і моніторів, а також іншої мультимедійної техніки.

Dispay Port дозволяє підключати до чотирьох пристроїв, у тому числі акустичні системи, USB-концентратори та інші пристрої вводу-виводу. Він підтримує до чотирьох ліній передачі даних, по кожній з яких можна передавати 1.62 або 2.7 гігабіт/с. Підтримуються режими із глибиною кольору від 6 до 16 біт на колірний канал

Порти DVI та HDMI є еволюційними стадіями розвитку стандарту передачі відеосигналу, тому для з'єднання пристроїв із цими типами портів можливе використання перехідників.

На відеокарті також можливе розміщення композитних та S-Video входів та виходів.

Композитний роз'єм

Рознімання S-Video 4 і 7 pin

Мал. 28 – Набір роз'ємів відеокарти Palit GeForce GTS 450 Sonic 1Gb DDR5 128bit PCI-E (2xDVI, 1D-Sub, 1 miniHDMI)

Прийнято виділяти три агрегатні стани речовини - твердий, рідкий і газоподібний. Але деякі органічні речовини здатні при плавленні у певній фазі виявляти властивості, властиві як кристалам, і рідинам. Отримуючи плинність, властиву рідинам, вони у цій фазі не втрачають упорядкованості молекул, властивої твердим кристалам. Цю фазу можна назвати четвертим агрегатним станом. Правда, не слід забувати, що мають її лише деякі речовини і лише у певному діапазоні температур.

Просторова орієнтація молекул ЖК у так званому положенні відпочинку називається порядком рідких кристалів. Відповідно до класифікації Фріделя, розрізняють три основні категорії порядку ЖК: смектичний, нематичний та холестеричний (рис.1).

Смектичні РК найбільш упорядковані та ближчі за структурою до звичайних твердих кристалів. У них, крім простої взаємної орієнтації молекул, є ще й поділ їх на площині.

Напрямок переважної орієнтації довгих осей молекул у рідких кристалах позначається вектором одиничної довжини, що називається директором.

Основний інтерес представляють матеріали з нематичним порядком, вони застосовуються у сучасних рідкокристалічних панелях усіх типів (TN, IPS та VA). У нематиках нормальним станом є положення молекул із впорядкованою по всьому об'єму орієнтацією молекул, властивою кристалам, але з хаотичним становищем їх центрів тяжіння, властивим рідинам. Молекули у яких зорієнтовані щодо паралельно, а вздовж осі директора зміщені різні відстані.

Рідкі кристали з холестеричним порядком структурою нагадують нематики, розбиті на шари. Молекули в кожному наступному шарі повернуті щодо попереднього на деякий невеликий кут і директор закручується по спіралі. Ця шарувата природа, утворена оптичною активністю молекул, є основною ознакою холестеричного порядку. Холестерики іноді називають "скрученими нематиками".

Кордон між нематичним і холестеричним порядками є певною мірою умовною. Холестеричний порядок можна отримати не тільки у холестеричного матеріалу в чистому вигляді, але й за допомогою додавання до нематичного матеріалу спеціальних добавок із вмістом хіральних (оптично активних) молекул. Такі молекули містять асиметричний атом вуглецю і, на відміну молекул нематиків, є дзеркально-несиметричними.

Порядок у рідких кристалах визначається міжмолекулярними силами, що створюють пружність РК матеріалу. Так, тут можна говорити саме про пружні властивості, хоча природа їх відмінна від пружних властивостей звичайних кристалів, так як рідкі кристали все ж таки мають плинність. У нормальному (або основному) стані молекули прагнуть повернутися у своє «становище відпочинку», наприклад, у нематичному матеріалі в положення з однаковою орієнтацією директора.

Пружність ЖК менше пружності звичайних кристалів на кілька порядків і дає унікальну можливість керувати їх положенням за допомогою зовнішніх впливів. Таким впливом може бути, наприклад, електричне поле.

Тепер докладніше про те, як це поле може впливати на орієнтацію молекул.

Візьмемо зразок, що складається із двох скляних пластин, простір між якими заповнений нематичним матеріалом. Відстань між верхньою та нижньою пластиною і, відповідно, товщина шару рідких кристалів становить кілька мікронів. Для завдання необхідної орієнтації директора молекул у матеріалі застосовується спеціальна обробка поверхні підкладок. Для цього на поверхню наноситься тонкий шар прозорого полімеру, після чого спеціальною протиркою (rubbing) поверхні надається рельєф - найтонші борозенки в одному напрямку. Витягнуті молекули кристалів у шарі, що безпосередньо стикається з поверхнею, орієнтуються вздовж рельєфу. Міжмолекулярні сили змушують решту молекул приймати таку ж орієнтацію.

Упорядковане розташування молекул рідких кристалів визначає анізотропію їх деяких фізичних властивостей (нагадаю, анізотропією називається залежність властивостей середовища від напряму у просторі). Рідини зі своїми хаотичним розташуванням молекул є ізотропними. А ось рідкі кристали вже мають анізотропію, що є важливою якістю, що дозволяє впливати на характеристики світла, що проходить через них.

Для керування положенням молекул використовується анізотропія діелектричної проникності. Вона є різницею

Δε = ε || + ε ⊥ де ε || Діелектрична проникність у напрямку, паралельному вектору директора, ε⊥ Діелектрична проникність у напрямку, перпендикулярному вектору директора. Значення Δε може бути як позитивним, і негативним.

Візьмемо зразок, що складається з двох скляних пластин з відстанню між пластинами в кілька мікрон, заповнений нематичним матеріалом та запечатаний. Для завдання потрібної орієнтації директора молекул у матеріалі застосовується спеціальна обробка поверхні підкладок, для цього на поверхню наноситься тонкий шар прозорого полімеру, після чого спеціальною протиркою поверхні надається рельєф найтонші борозенки в одному напрямку. Витягнуті молекули кристалів у шарі, що безпосередньо стикається з поверхнею, орієнтуються вздовж рельєфу, міжмолекулярні сили змушують решту молекул приймати таку ж орієнтацію. Якщо створити у зразку електричне поле, енергія рідких кристалів у цьому полі залежатиме від положення молекул щодо напряму поля. У разі, якщо положення молекул не відповідає мінімальній енергії, відбудеться їхній поворот на відповідний кут. У матеріалі з позитивним значенням діелектричної проникності (позитивною діелектричною анізотропією) молекули будуть прагнути повернутися вздовж напрямку електричного поля, у матеріалі з негативною діелектричною анізотропією поперек напрямку поля. Кут повороту, відповідно, залежатиме від прикладеної напруги.

Нехай матеріал у зразку має позитивну діелектричну анізотропію, напрямок електричного поля перпендикулярно до вихідної орієнтації молекул (рис.2). При подачі напруги молекули прагнутимуть повернутися вздовж поля. Але вони спочатку зорієнтовані за рельєфом внутрішніх поверхонь зразка, створених протиранням і пов'язані з ними досить значним зчепленням. Як наслідок, при зміні орієнтації директора виникатимуть моменти зворотного напрямку, що крутять. Поки поле досить слабке, сили пружності утримують молекули у незмінному положенні. При збільшенні напруги, починаючи з деякого значення E c, Орієнтаційні сили електричного поля перевищують сили пружності, і починає відбуватися поворот молекул. Ця переорієнтація під впливом поля має назву переходу Фредерікса. Перехід Фредерікса є фундаментальним для організації керування рідкими кристалами, на ньому заснований принцип роботи всіх РК-панелей.

Утворюється працездатний механізм:

  • з одного боку, електричне поле змушуватиме молекули рідких кристалів повертатись на потрібний кут (залежно від значення прикладеної напруги);
  • з іншого боку, пружні сили, викликані міжмолекулярними зв'язками, прагнутимуть повернути вихідну орієнтацію директора під час скидання напруги.

Якщо вихідна орієнтація директора та напрями електричного поля не строго перпендикулярні, то граничне значення поля E cзнижується, завдяки чому стає можливим впливати на становище молекул значно меншим полем.

У цьому місці доведеться трохи відволіктися від рідких кристалів, щоб пояснити поняття «поляризація світла» і «площину поляризації» без них подальший виклад буде неможливо.

Світло можна уявити, як поперечну електромагнітну хвилю, електрична та магнітна складові якої коливаються у взаємно перпендикулярних площинах (рис.3).

Природне світло (яке також називають природно поляризованим або неполяризованим) містить коливання вектора E, рівноймовірні у всіх напрямках, перпендикулярних вектору. k(Рис.4).

Частково поляризоване світло має переважний напрямок коливання вектора. E. У частково поляризованого світла у полі світлової хвилі амплітуда проекції Е одне із взаємно перпендикулярних напрямів завжди більше, ніж інше. Відношення між цими амплітудами визначає міру поляризації.

Лінійно поляризоване світло - це світло, що має єдиний напрямок вектора Eдля всіх хвиль. Поняття лінійно поляризованого світла є абстрактним. Насправді, говорячи про лінійно поляризованому світлі, зазвичай мають на увазі частково поляризоване світло з високим ступенем поляризації.

Площина, в якій лежать вектор Eта вектор напрямки хвилі kназивається площиною поляризації.

Тепер повернемося до РК.

Другим після діелектричної анізотропії найважливішою фізичною властивістю рідких кристалів, що використовується для управління світловим потоком через них є оптична анізотропія. Рідкі кристали мають різні значення коефіцієнта заломлення світла для паралельного та перпендикулярного директору напряму розповсюдження. Тобто швидкість поширення світлового променя паралельно або перпендикулярно директору буде різною при більш високому коефіцієнті вона, як відомо, буде нижче. Оптична анізотропія або анізотропія коефіцієнта заломлення є різниця між двома коефіцієнтами:

Δ n= n|| + n⊥ де n|| коефіцієнт заломлення для площини поляризації, паралельної директору; n⊥ ¦ коефіцієнт заломлення для площини поляризації, перпендикулярної директору.

Присутність у матеріалі двох різних значень для n|| і n⊥ викликає ефект подвійного променезаломлення. Коли світло потрапляє в двопроменезаломлюючий матеріал, яким є нематик, відбувається розбиття електричного польового компонента світлової хвилі на два векторні компоненти, що вібрує в «швидкій» осі і вібрує в «повільної» осі. Ці компоненти звуться відповідно звичайного (ordinary) і незвичайного (extraordinary) променів. Напрями поляризації звичайного та незвичайного променів взаємно ортогональні. А наявність у матеріалі «швидкої» і «повільної» осей обумовлено тим, про що говорилося вище різними коефіцієнтами заломлення для променів, що поширюються відповідно паралельно або перпендикулярно напрямку директора.

На рис.5 показано поширення хвиль уздовж «швидкої» та «повільної» осей. Потрібно підкреслити, що вісь у даному випадку – це не фіксована пряма, а напрямок площини, в якій відбуваються коливання хвилі.

Оскільки фазові швидкості звичайного і незвичайного променя різні, різниця їх фаз змінюватиметься в міру поширення хвилі. Зміна різниці фаз цих ортогональних компонентів викликає зміну напряму поляризації світлової хвилі. На малюнку для наочності сума ортогональних компонентів представлена ​​результуючим вектором E r. Можна бачити, що в міру поширення хвилі відбувається обертання напрямку вектора E r. Таким чином, складання хвиль на виході з двопроменеломного матеріалу дасть хвилю зі зміненим щодо вихідного напрямом поляризації.

Кут повороту площини поляризації залежатиме від орієнтації молекул у матеріалі.

Конструкція панелі

Існує кілька технологій РК-панелей. Для ілюстрації конструкції у разі наведена TN, як найпоширеніша (рис.6).

Всі рідкокристалічні панелі для моніторів є трансмісивними зображення в них формується за рахунок перетворення світлового потоку від розташованого ззаду джерела. Модуляція світлового потоку здійснюється за рахунок оптичної активності рідких кристалів (їх здатності обертати площину поляризації світла, що проходить). Реалізується це в такий спосіб. При проходженні через перший поляризатор світло від ламп підсвічування стає лінійно поляризованим. Далі він слідує через шар рідких кристалів, укладений у просторі між двома стеклами. Положення молекул РК у кожному осередку панелі регулюється електричним полем, створюваним з допомогою подачі напруги на електроди. Від положення молекул залежить поворот площини поляризації світла, що проходить. Таким чином, за рахунок подачі на комірки потрібного значення напруги відбувається керування поворотом площини поляризації.

Для доставки напруги до субпікселю служать вертикальні (data line) і горизонтальні (gate line) лінії даних, що є металевими струмопровідними доріжками, нанесеними на внутрішню (найближчу до модуля підсвічування) скляну підкладку. Електричне поле, як уже говорилося, створюється напругою на електродах загальному і піксельному. Напруга використовується змінна, оскільки застосування постійної напруги викликає взаємодію іонів з матеріалом електродів, порушення впорядкованості розташування молекул РК-матеріалу і призводить до деградації осередку. Тонкоплівковий транзистор грає роль перемикача, який замикається при виборі адреси необхідної комірки на лінії сканування, дозволяє «записати» необхідне значення напруги і по закінченні циклу сканування знову розмикається, дозволяючи зберігати заряд протягом деякого періоду часу. Заряджання відбувається протягом часу T= T f/n , де T fчас виведення кадру на екран (наприклад, при частоті оновлення 60 Гц час виведення кадру становить 1 с / 60 = 16.7 мс), nкількість рядків панелі (наприклад, 1024 для панелей з фізичною роздільною здатністю 1280х1024). Однак, власної ємності рідкокристалічного матеріалу недостатньо для збереження заряду в інтервалі між циклами оновлення, що повинно вести до спаду напруги і, як наслідок, зниження контрастності. Тому, крім транзистора, кожен осередок оснащується конденсатором, що запам'ятовує, який також заряджається при відкритті транзистора і допомагає компенсувати втрати напруги до початку чергового циклу сканування.

Вертикальні і горизонтальні лінії даних за допомогою підклеєних плоских гнучких шлейфів з'єднані з керуючими мікросхемами панелі драйверами, відповідно стовпцевим (source driver) і малим (gate driver), які обробляють цифровий сигнал, що надходить з контролера, і формують відповідне отриманим даним напруга для кожної.

Після шару рідких кристалів розташовані колірні фільтри, нанесені на внутрішню поверхню скла панелі і службовці формування кольорової картинки. Використовується звичайний триколірний адитивний синтез: кольори утворюються в результаті оптичного змішування випромінювань трьох базових кольорів (червоного, зеленого та синього). Осередок (піксель) є три роздільних елементи (субпікселя), кожному з яких зіставлений розташований над ним колірний фільтр червоного, зеленого або синього кольору, комбінаціями з 256 можливих значень тону для кожного субпікселю можна отримати до 16,77 мільйонів кольорів пікселя.

Структура панелі (металеві вертикальні та горизонтальні лінії даних, тонкоплівкові транзистори) та прикордонні області осередків, де порушена орієнтація молекул, повинні бути приховані під непрозорим матеріалом, щоб уникнути небажаних оптичних ефектів. Для цього застосовується так звана чорна матриця (black matrix), що нагадує тонку сітку, що заповнює проміжки між окремими фільтрами. Як матеріал для чорної матриці використовується хром або чорні смоли.

Заключну роль формуванні картинки грає другий поляризатор, часто званий аналізатором. Його напрямок поляризації зміщений щодо першого на 90 градусів. Щоб подати призначення аналізатора, можна умовно видалити його з поверхні підключеної панелі. У цьому випадку ми побачимо всі субпікселі максимально освітленими, тобто рівне біле заливання екрана незалежно від виведеної на нього картинки. Від того, що світло стало поляризованим, і площина його поляризації обертається кожним осередком по-різному, залежно від прикладеної до неї напруги, для наших очей поки що нічого не змінилося. Функція аналізатора таки полягає у відсіченні необхідних компонентів хвиль, що дозволяє побачити на виході необхідний результат.

Тепер про те, як це відсікання потрібних компонентів відбувається. Візьмемо приміром поляризатор з вертикальним напрямом поляризації, тобто. пропускаючи хвилі, орієнтовані у вертикальній площині.

На рис.7 показана хвиля, що розповсюджується в площині, що лежить під деяким кутом щодо вертикального напрямку поляризації. Вектор електричного поля падаючої хвилі можна розкласти на дві взаємно перпендикулярні складові: паралельну оптичній осі поляризатора і перпендикулярну їй. Перша складова, паралельна до оптичної осі, проходить, друга (перпендикулярна) блокується.

Звідси очевидні й два крайні положення:

  • хвиля, що розповсюджується в строго вертикальній площині, пропускатиметься без змін;
  • хвиля, що розповсюджується в горизонтальній площині, буде блокуватися як не має вертикальної складової.

Ці два крайні положення відповідають повністю відкритому та повністю закритому положенню комірки. Підсумуємо:

  • Для максимально повного блокування проходить світла осередком (субпікселем) потрібно, щоб площина поляризації цього світла була ортогональна площині пропускання аналізатора (напрямок поляризації);
  • Для максимального пропускання світла осередком площина його поляризації має збігатися з напрямом поляризації;
  • Плавно регулюючи напругу, що подається на електроди комірки, можна керувати положенням молекул рідких кристалів і, як наслідок, поворотом площини поляризації світла, що проходить. І тим самим змінювати кількість світла, що пропускається осередком.

Так як кут повороту площини поляризації залежить від відстані, пройденої світлом у шарі рідких кристалів, цей шар повинен мати витриману товщину по всій панелі. Для підтримки рівномірності відстані між склом (з усією нанесеною на них структурою) застосовуються спеціальні розпірки (spacers).

Найпростішим варіантом є звані кулькові розпірки (ball spacers). Вони є прозорими полімерними або скляними кульками строго визначеного діаметру і наносяться на внутрішню структуру скла шляхом розпилення. Відповідно, розташовуються вони хаотично по всій площі осередку та їх наявність негативно впливає на її однорідність, тому що розпірка є центром для дефектної області і безпосередньо біля неї молекули орієнтуються неправильно.

Застосовується й інша технологія розпірки колонного типу (column spacer, photo spacer, post spacer). Розташовуються такі розпірки з фотографічною точністю під чорною матрицею (рис.8). Переваги такої технології очевидні: підвищення контрастності за рахунок відсутності світлових витоків біля розпірок, точніший контроль однорідності зазору за рахунок впорядкованого розташування розпірок, підвищення жорсткості панелі та відсутність брижів при натиску на поверхню.

Панель TN, конструкція якої була наведена на рис.6, є найдешевшою у виробництві, що визначає її домінування на ринку масових моніторів. Крім неї існує ще кілька технологій, що відрізняються розташуванням, конфігурацією та матеріалом електродів, орієнтацією поляризаторів, використовуваними РК-мікстурами, вихідною орієнтацією директора рідкокристалічному матеріалі і т.д. Згідно з вихідною орієнтацією директора, всі існуючі технології можна розділити на дві групи:

1. Планарна орієнтація

Сюди відносяться всі IPS-технології (S-IPS, SA-SFT та ін.), а також FFS (нині AFFS), розроблена і просувається компанією Boe HyDis. Молекули вирівнюються горизонтально, паралельно підставі підкладок, у напрямі, заданому протиранням, верхня та нижня підкладки протерті в одному напрямку. Всі електроди, як піксельні, так і загальні, знаходяться на одній скляній підкладці панелі внутрішньої, разом з лініями даних і транзисторами. У IPS-технологіях піксельні та загальні електроди розташовані паралельно, чергуючись один з одним (рис.9). Силові лінії поля проходять горизонтально, але під деяким кутом щодо напряму протирання. Тому при подачі напруги молекули, що володіють у даному випадку позитивною діелектричною анізотропією, прагнучи вишикуватися у напрямку прикладеного поля, повертаються в тій же площині на кут, що залежить від його (поля) напруженості. У випадку FFS загальний електрод розташований під піксельним при такій конструкції прикладена до електродів напруга утворює електричне поле, що має як горизонтальну, так і вертикальну складові. Якщо для IPS у наведених на рис.9 координатних осях поле можна охарактеризувати як E y, то для FFS відповідні значення виглядатимуть як E yі E z. Таке розташування силових ліній поля дозволяє використовувати РК-матеріали як з позитивною, так і негативною діелектричною анізотропією. Поворот молекул, аналогічно IPS, відбувається в тій же площині у напрямку горизонтальної складової поля, але при цьому через меншу кількість прикордонних зон повертається значно більша кількість молекул, що дозволяє звузити ширину грат чорної матриці і досягти більш високого відношення апертури панелі.

Одним з основних плюсів технологій з планарною орієнтацією директора є вкрай незначне зсув кольорів (color shift) палітри при зміні кута огляду. Ця стабільність пояснюється конфігурацією спіралі, що утворюється молекулами рідкокристалічного матеріалу під дією поля, яка в даному випадку має симетричну форму. На рис.9 схематично показано положення РК-молекул при надходженні напруги на електроди очевидно, що максимальний кут повороту досягається в середніх шарах. Така неоднорідність обумовлена ​​тим, що, як мовилося раніше, орієнтація молекул у потрібному напрямі паралельно підставі підкладок отримано з допомогою попередньої обробки (протирки) їх поверхонь. Тому рухливість молекул в шарі, що безпосередньо межує з підкладкою, обмежується рельєфом підкладки, а наступних прилеглих шарах - міжмолекулярними силами. В результаті під впливом поля молекули утворюють спіраль, що нагадує форму стрічки із зафіксованими в одній площині кінцями та поверненою центральною частиною. Існує поняття оптичного шляху, що залежить від коефіцієнта заломлення середовища, в якому поширюється промінь і результуючого фазового набігу за напрямом його прямування. Світлові промені, що проходять через шар рідких кристалів, мають різну довжину оптичного шляху, залежно від кута проходження. Симетрична форма спіралі молекул дозволяє отримати для кожного сірого рівня точне доповнення довжини оптичного шляху у своїх верхній і нижній половинках, наслідком є ​​практично повна відсутність залежності відтінків, що відображаються від кутів огляду. Завдяки такій властивості IPS-панелі використовуються в переважній більшості моніторів, орієнтованих на роботу з графікою.

При проходженні світлової хвилі напрямок розв'язування результуючого вектора (див. рис.5) частково повторює форму вигину спіралі, що утворюється молекулами. Тому обертання площини поляризації при проходженні хвилі через першу частину РК-матеріалу відбувається в одному напрямку, а через другу в протилежному. Різне, залежно від прикладеної напруги, запізнення по фазі одного з компонентів хвилі призводить до того, що напрямок результуючого вектора E rна виході із шару рідких кристалів відрізняється від вихідного, це дозволяє певній частині світлового потоку пройти через аналізатор. Світлопроникні площини поляризатора і аналізатора, як і в інших технологіях зміщені відносно один одного на кут 90 градусів.

У всіх варіаціях (S-IPS, AFFS, SA-SFT), що випускаються в даний час, використовується 2-доменна конструкція осередку. Для цього застосовуються електроди зигзагоподібної форми, які викликають поворот молекул у двох напрямках. Початкові версії, що позначалися як просто IPS і FFS, без приставок Super і Advanced, були монодоменними, тому мали колірний зсув і менші кути огляду (від 140/140 за падінням контрастності до 10:1 у перших IPS ).

До планарної орієнтації зазвичай зараховується і твіст-орієнтація (або закручена орієнтація). Вирівнювання молекул уздовж підстави підкладок у цьому випадку також досягається протиранням їх поверхонь, з тією різницею, що напрямки протирання верхньої та нижньої підкладок зміщені один щодо одного. Внаслідок такого вирівнювання в нематичному матеріалі директор утворює спіраль, що нагадує холестеричну, для правильного формування спіралі в РК-мікстурах застосовуються спеціальні добавки з вмістом хіральних молекул. Твіст-орієнтація використовується у найбільш поширеній TN (або TN+Film) технології. Описувати та ілюструвати конструкцію TN тут не має сенсу, це неодноразово зроблено у численних матеріалах на аналогічні теми – можна сказати, що вона добре відома.

2. Гомеотропна орієнтація

До цієї групи належать MVA та PVA. Директор орієнтований перпендикулярно до основи скляної підкладки, це досягається застосуванням у покритті підкладки поверхнево-активних речовин. Загальні та піксельні електроди розташовані на протилежних підкладках, поле орієнтоване вертикально. Тут використовуються рідкокристалічні матеріали з негативною діелектричною анізотропією, тому прикладена напруга викликає поворот молекул РК проти силових ліній поля. MVA відрізняється наявністю мікроскопічних поздовжніх виступів (protrusion) для переднахилу молекул на верхній або на обох підкладках, тому вихідне вертикальне вирівнювання не є повним. Молекули, вирівнюючись по цих виступах отримують невеликий переднахил, що дозволяє задати для кожної області (домена) осередку певний напрямок, в якому відбуватиметься поворот молекул під впливом поля. У PVA такі виступи відсутні і відсутність напруги директор орієнтований строго перпендикулярно поверхні, а піксельний і загальний електроди зміщені один щодо одного так, що створюване поле не строго вертикально, а містить похилий компонент (рис.10).

До технологій з гомеотропною орієнтацією директора належить також ASV, розроблена компанією Sharp. У межах субпікселя тут розташовується кілька піксельних електродів, що мають форму квадратів із округленими краями. Основні принципи ті ж: загальний електрод розташований на протилежній підкладці, молекули без поля орієнтовані вертикально, використовуються рідкокристалічні матеріали з негативною діелектричною анізотропією. Створюване поле має виражений похилий компонент і молекули, повертаючись проти напрямку поля, створюють структуру, напрям директора в якій нагадує форму парасольки з центром у середині піксельного електрода.

Існує також розподіл РК-модулів за типами залежно від стану осередків без напруги. Нормально білими (normally white) називаються панелі, у яких при нульовій напрузі на комірках вони повністю відкриті відповідно, на екрані відтворюється білий колір. Нормально білими є всі панелі, виготовлені за технологією TN. Панелі, що блокують проходження світла за відсутності напруги, відносяться до нормально чорних (normally black), до цього типу належать всі інші технології.

Модуль підсвічування

...на базі флюоресцентних ламп

Крізь тіло панелі (поляризатори, електроди, фільтри кольорів тощо) проходить лише незначна частина початкового світлового потоку від ламп підсвічування, не більше 3%. Тому власна яскравість модуля підсвічування повинна бути досить значною, як правило, лампи, що застосовуються, мають яскравість понад 30000 кд/м 2 .

Для підсвічування застосовуються CCFL - флуоресцентні лампи з холодним катодом (без ниток розжарення катодів). CCFL-лампа є запечатаною скляною тубою, наповненою інертним газом з невеликою домішкою ртуті (рис.11). Катоди у разі є рівноправними електродами, оскільки живлення використовується змінний струм. У порівнянні з лампами з гарячим катодом, електроди у CCFL мають іншу будову і більший розмір. Робоча температура катода істотно відрізняється: 80-150 o C проти приблизно 900 o C у ламп з гарячим катодом, при близькій температурі самої лампи 30-75 o C і 40 o C відповідно. Робоча напруга для CCFL становить 600-900 В, пускова напруга 900-1600 В (цифри досить умовні, так як спектр застосовуваних ламп дуже широкий). Утворення світла відбувається при іонізації газу, а необхідною умовою виникнення в лампі з холодним катодом є висока напруга. Тому для запуску такої лампи потрібно на кілька сотень мікросекунд подати на електроди напругу, що значно перевищує робочу. Додана висока змінна напруга викликає іонізацію газу і пробою зазору між електродами, виникає розряд.

Пробій розрядного проміжку відбувається з таких причин. У звичайних умовах газ, що наповнює лампу, є діелектриком. При появі електричного поля невелика кількість іонів і електронів, що завжди є в обсязі газу, починає рухатися. Якщо подати на електроди досить високу напругу, електричне поле повідомляє іони настільки високу швидкість, що при зіткненні з нейтральними молекулами відбувається вибивання з них електронів і утворення іонів. Електрони та іони, що знову утворилися, рухаючись під впливом поля, також вступають у процес іонізації, процес набуває лавиноподібного характеру. Після того, як іони починають одержувати достатню енергію, щоб вибивати електрони ударами об катод, виникає самостійний розряд. На відміну від ламп з гарячим катодом, де розряд є дуговим, тип розряду в CCFL тліє.

Підтримка розряду відбувається з допомогою так званого катодного падіння потенціалу. Основна частина падіння потенціалу (напруги) у розряді посідає прикатодну область. Іони, пробігаючи цей проміжок з високою різницею потенціалів, набувають великої кінетичної енергії, достатньої для вибивання електронів з катода. Вибиті електрони за рахунок тієї ж різниці потенціалів прискорюються назад у розряд, виробляючи там нові пари іонів та електронів. Іони від цих пар повертаються до катода, прискорюються падінням напруги між розрядом та катодом, і знову вибивають електрони.

Енергія електричного струму викликає перехід ртуті, що знаходиться в лампі, з рідкого стану в газоподібний. При зіткненні електронів з атомами ртуті відбувається виділення енергії, викликане поверненням атомів з нестабільного стану стабільне. При цьому виникає інтенсивне випромінювання в ультрафіолетовій області - частка ультрафіолету становить близько 60% загального випромінювання.

Видиме світло утворюється за рахунок люмінофорного покриття, нанесеного на внутрішню поверхню скла. Ультрафіолетові фотони, випущені ртуттю, збуджують атоми у люмінофорному покритті, підвищуючи рівень енергії електронів. Коли електрони повертаються до початкового рівня енергії, атоми у покритті виробляють енергію у вигляді фотонів видимого світла. Люмінофор є найважливішим компонентом лампи, від нього залежить характеристики спектра випромінювання. Спектр CCFL вкрай нерівний, у ньому є яскраво виражені вузькі піки. Навіть використання багатошарового люмінофорного покриття (на шкоду максимальної яскравості) не дозволяє «обігнати» кінескопні монітори кольорового охоплення. Тому при виробництві панелі для досягнення прийнятного охоплення кольору необхідний ще й точний підбір колірних фільтрів, смуги пропускання яких повинні максимально відповідати пікам спектра випромінювання ламп.

Максимальний колірний охоплення в ідеалі могла б забезпечити комбінація монохроматичних джерел основних кольорів та якісних кольорофільтрів. На роль "квазімонохроматичних" джерел світла можуть претендувати так звані лазерні світлодіоди, але технологія виробництва поки не забезпечує рентабельність їх застосування в модулях підсвічування. Тому на даний момент луший колірний охоплення дозволяють досягти модулі підсвічування на основі RGB-пакетів світлодіодів (див. нижче).

Для формування напруги в кілька сотень вольт, необхідного для роботи ламп, використовуються спеціальні перетворювачі інвертори. Регулювання яскравості CCFL здійснюється двома способами. Перший полягає у зміні струму розряду в лампі. Значення струму в розряді становить 3-8 мА, значна частина ламп має ще вужчий діапазон. При меншому струмі страждає рівномірність свічення, при більшому суттєво скорочується термін служби лампи. Недолік цього способу регулювання полягає в тому, що він дозволяє змінювати яскравість у дуже невеликому діапазоні, суттєве її зниження при цьому неможливе. Тому монітори з таким регулюванням при роботі в умовах слабкого зовнішнього освітлення часто виявляються надто яскравими навіть за нульового значення яскравості. При другому способі генерується широтно-імпульсна модуляція (ШИМ) живлячої лампи напруги (здійснюється управління шириною, тобто тривалістю імпульсу, за рахунок зміни ширини одиничного імпульсу регулюється середній рівень напруги.). У недоліки такому способу іноді приписується поява мерехтіння ламп при реалізації ШІМ на низькій частоті 200 Гц і нижче, по суті ж регулювання за допомогою ШІМ являє собою найбільш розумний підхід, так як дозволяє змінювати яскравість в широкому діапазоні.

Для рівномірного розподілу світла ламп застосовується система із світловодів, розсіювачів та призм. Варіантів організації розподілу світла існує безліч, один із них показаний на рис.12.

Рішення з розташуванням ламп по верхній та нижній торцевих сторонах панелі є найбільш поширеними, таке компонування дозволяє значно знизити загальну товщину виробу. У 17- та 19-дюймових модулях, як правило, встановлюється чотири лампи: дві по верхній стороні та дві по нижній. У торцевій частині корпусу подібних панелей існують спеціальні технологічні отвори, тому розбирати корпус для вилучення ламп не потрібно (рис.13-б). Лампи при такому компонуванні часто об'єднані в блоки двох штук (рис. 13-а).

Іншим варіантом є розташування ламп по всій площі зворотного боку модуля (рис.13-в) таке рішення застосовується в багатолампових панелях з кількістю ламп вісім штук і більше, а також при використанні U-подібних CCFL.

Мінімальний термін служби ламп виробниками панелей в даний час зазвичай вказується від сорока до п'ятдесяти тисяч годин (термін служби визначається як час, за який світність ламп знижується на 50%).

...на базі світлодіодів

Крім флюоресцентних ламп як джерело світла можуть також використовуватися світлодіоди (LED). Модулі підсвічування на базі світлодіодів будуються або на «білих» світлодіодах або на пакетах світлодіодів основних кольорів (RGB-LED).

Найбільше колірне охоплення дають пакети RGB-LED. Справа в тому, що «білий» світлодіод є синім світлодіодом з жовтим люмінофорним покриттям, або ультрафіолетовий світлодіод з комбінацією «червоного», «зеленого» і «синього» люмінофорного покриття. Спектр «білих» світлодіодів не позбавлений всіх недоліків спектра флюоресцентних ламп. Крім того, на відміну від "білих" світлодіодів, пакет RGB-LED дозволяє в оперативному режимі коригувати колірну температуру підсвічування за рахунок роздільного керування інтенсивністю світіння кожної групи світлодіодів основних кольорів.

У результаті досягаються дві мети:

  • розширюється колірне охоплення за рахунок більш ідеального спектру підсвічування,
  • розширюються можливості кольорокалібрування: до типового методу на основі таблиць перерахунку колірних координат для пікселів зображення додається можливість коригування колірного балансу заднього підсвічування.

Велика крутість вольт-амперної характеристики світлодіодів не дозволяє плавно регулювати яскравість випромінювання в широких діапазонах. Але оскільки прилад допускає роботу в імпульсному режимі, на практиці регулювання яскравості світлодіодів (як і для флюоресцентних ламп) найчастіше застосовується метод широтно-імпульсної модуляції.

Олег Медведєв, Максим Проскурня

LCD(Liquid crystal display) або ЖК(рідкокристалічний) телевізор, як їх називають у народі - це телевізор з РК дисплеєм та ламповим підсвічуванням. Рідкокристалічний, означає, що сам дисплей (монітор) зроблений на основі рідких кристалів

LCD TFT(англ. Thin film transistor - тонкоплівковий транзистор) - різновид рідкокристалічного дисплея, в якому використовується активна матриця, керована тонкоплівковими транзисторами. Підсилювач для кожного субпікселя (елемента матриці) застосовується для підвищення швидкодії, контрастності та чіткості зображення дисплея

  • Трохи історії:

    • Рідкі кристаливперше були виявлені австрійським ботаніком Райнітцеромв 1888 р., але тільки в 1930 -М року дослідники з британської корпорації Marconiотримали патент на їхнє промислове застосування, проте, слабкість технологічної бази не дозволяла на той час активно розвивати цей напрямок.

    Перший справжній прорив зробили вчені Фергесоні Вільямсз американської корпорації RCA. Один із них створив на базі рідких кристалів термодатчик, використовуючи їх вибірковий відбивний ефект, інший вивчав вплив електричного поля на нематичні кристали. І ось, наприкінці 1966 м., корпорація RCAпродемонструвала прототип LCD-монітора цифровий годинник. Перший у світі калькулятор CS10Aбув зроблений в 1964 році корпорацією Sharp, вона ж, у жовтні 1975 року, випустила перший компактний цифровий годинник з РК дисплеєм. На жаль, фоток не знайшов, а ось цей годинник і калькулятор - ще пам'ятають багато хто

    У другій половині 70-х почався перехід від восьмисегментних РК індикаторів до виробництва матриць з адресацією (можливістю управління) кожної точки. Так, у 1976 році, компанія Sharpвипустила чорно-білий телевізор із діагоналлю екрану 5,5 дюйма, виконаного на базі LCD-матриці роздільною здатністю 160х120 пікселів.

    Наступний етап у розвитку LCD-технології розпочався у 80-х роках, коли у пристроях стали застосовуватись STN-елементиіз підвищеною контрастністю. Потім на зміну їм прийшли багатошарові структури, що дозволяють усунути помилки під час відтворення кольорового зображення. Приблизно тоді з'явилися активні матриці з урахуванням технології a-Si TFT. Перший прототип монітора a-Si TFT LCDбув створений у 1982 році корпораціями Sanyo, Toshibaі Cannon, А ми, в цей час, любили грати ось такими іграшками з РК дисплеєм

    Зараз ЖК дисплеї практично повністю витіснили з ринку кінескопні телевізори, пропонуючи покупцеві будь-які розміри: від переносних та невеликих "кухонних" до величезних, з діагоналями більше метра. Ціновий діапазон також дуже великий і дозволяє кожному підібрати телевізор за своїми потребами і фінансовими можливостями.

    Схемотехніка LCD телевізорів набагато складніша, ніж у простих кінескопних ТБ: мініатюрні деталі, багатошарові плати, дорогі блоки... Ось, кому цікаво, телевізор із ЖК панеллю без задньої кришки, а якщо зняти спеціальні захисні екрани, можна буде побачити інші ділянки схеми, тільки краще цього не робити, залиште це майстрам

  • Пристрій та принцип роботи:

    • Робота РК дисплея(ЖКД) заснована на явищі поляризації світлового потоку. Відомо, що так звані кристали-поляроїдиздатні пропускати тільки ту складову світла, вектор електромагнітної індукції якої лежить у площині паралельної оптичної площини поляроіда. Для частини світлового потоку, що залишилася, поляроїд буде непрозорим. Цей ефект називається поляризацією світла.

    Якщо зовсім по простому, уявіть "світло" у вигляді маленьких круглих кульок, якщо на його шляху поставити сітку з поздовжніми вирізами (поляризатор), то, після неї, з "кульок" залишаться тільки плоскі "млинці" (поляризоване світло). Тепер, якщо друга сітка буде з такими ж поздовжніми вирізами, млинці зможуть "проскочити" через неї і "світити" далі, якщо друга сітка матиме вертикальні прорізи, то світлові горизонтальні "млинці" не зможуть пройти крізь неї і "застрягнуть"

    Коли були вивчені рідкі речовини, довгі молекули яких чутливі до електростатичного та електромагнітного поля та здатні поляризувати світло, з'явилася можливість керувати поляризацією. Ці аморфні речовини за їх схожість із кристалічними речовинами за електрооптичними властивостями, а також за здатність набувати форми судини, назвали рідкими кристалами

    Конструктивно дисплей складається з РК-матриці(скляної пластини, між шарами якої і розташовуються рідкі кристали), джерел світладля підсвічування, контактного джгутата обрамлення ( корпуси), частіше пластикового, з металевою рамкою жорсткості.

    Кожен піксельРК-матриці складається з шару молекулміж двома прозорими електродами, і двох поляризаційних фільтрівплощини поляризації яких (як правило) перпендикулярні. За відсутності рідких кристалів світло, що пропускається першим фільтром, практично повністю блокується другим.

    Поверхня електродів, що контактує із рідкими кристалами, спеціально оброблена для початкової орієнтації молекул в одному напрямку. У TN-матриці ці напрями взаємно перпендикулярні, тому молекули без напруги вибудовуються в гвинтову структуру. Ця структура заломлює світло таким чином, що до другого фільтра площина його поляризації повертається і через нього світло проходить без втрат. Якщо не вважати поглинання першим фільтром половини неполяризованого світла, осередок можна вважати прозорим, хоча рівень втрат - чималий.

    Якщо ж до електродів прикладено напругу, то молекули прагнуть вишикуватися у напрямі електричного поля, що спотворює гвинтову структуру. При цьому сили пружності протидіють цьому і при відключенні напруги молекули повертаються у вихідне положення. При достатній величині поля практично всі молекули стають паралельними, що призводить до непрозорості структури, ступенем прозорості можна керувати, змінюючи напругу.

    Як джерело світла (підсвічування РК-матриці) використовуються флуоресцентні лампи з холодним катодом(називаються вони так, тому що катод, що випускає електрони (негативний електрод) усередині лампи необов'язково нагрівати вище за навколишню температуру, щоб лампочка запалилася). Ось так може виглядати лампа для LCD телевізора, на правому фото - "лампове складання в роботі" для телевізора з великою діагоналлю РК-дисплея:

    Самі лампи (білого яскравого світіння) розташовуються у спеціальних корпусних фіксаторів, позаду їх - відбивачдля зменшення втрат світлового потоку. Для того, щоб РК-матриця засвітилася рівномірно (а не смугастий, як лампи встановлені), перед екраном знаходиться розсіювачщо рівномірно розподіляє світловий потік по всій своїй площі. На жаль, тут також відбувається чимала втрата "яскравості" світіння ламп

    Сучасні РК-матриці мають досить хороший кут огляду (близько 160 градусів) без втрати якості зображення (фарб, яскравості), найнеприємніше, що на них можна побачити – це такі биті пікселіОднак, враховуючи те, що їх розмір дуже малий, один-два таких "прогорілих" пікселя не сильно заважатимуть перегляду фільмів і передач, а ось на екрані монітора - це вже може бути досить неприємно.

  • Переваги і недоліки:

    • У порівнянні з кінескопними телевізорами, РК-панелі мають відмінне фокусування і чіткість, немає помилок зведення променів або порушення геометрії зображення, екран ніколи не мерехтить, вони легше і займають менше місця. матриця не така міцна, як екран кінескопа, набір цифрових гальм і глюків при аналоговому або слабкому сигналі, а також поганий обробці вихідного матеріалу

    "Серцем" будь-якого рідкокристалічного монітора є LCD-матриця (Liquid Cristall Display). РК-панель є складною багатошаровою структурою. Спрощена схема кольорової TFT LCD-панелі представлена ​​Рис.2.

    Принцип роботи будь-якого рідкокристалічного екрану заснований на властивості рідких кристалів змінювати (повертати) площину поляризації проходить через них світла пропорційно доданому до них напруги. Якщо на шляху поляризованого світла, що пройшло через рідкі кристали, поставити поляризаційний світлофільтр (поляризатор), то, змінюючи величину прикладеного до рідких кристалів напруги, можна керувати кількістю світла, що пропускається поляризаційним світлофільтром. Якщо кут між площинами поляризації минулого крізь рідкі кристали світла і світлофільтра становить 0 градусів, то світло проходитиме крізь поляризатор без втрат (максимальна прозорість), якщо 90 градусів, то світлофільтр пропускатиме мінімальну кількість світла (мінімальна прозорість).

    Рис.1. РК-монітор. Принцип роботи LCD технології.

    Таким чином, використовуючи рідкі кристали, можна виготовляти оптичні елементи із змінним ступенем прозорості. При цьому рівень світлопропускання такого елемента залежить від прикладеної до нього напруги. Будь-який РК-екран біля монітора комп'ютера, ноутбука, планшета або телевізора містить від кількох сотень тисяч до кількох мільйонів таких осередків розміром часток міліметра. Вони об'єднані в LCD-матрицю і за їх допомогою ми можемо формувати зображення на поверхні рідкокристалічного екрану.
    Рідкі кристали було відкрито ще наприкінці ХІХ століття. Однак перші пристрої відображення на їх основі з'явилися лише наприкінці 60-х років ХХ століття. Перші спроби застосувати LCD-екрани в комп'ютерах було здійснено у вісімдесятих роках минулого століття. Перші рідкокристалічні монітори були монохромними і сильно поступалися якістю зображення дисплеям на електронно-променевих (ЕЛТ) трубках. Головними недоліками LCD-моніторів перших поколінь були:

    • - низька швидкодія та інерційність зображення;
    • - «хвости» та «тіні» на зображенні від елементів картинки;
    • - погана роздільна здатність зображення;
    • - чорно-біле або кольорове зображення з низькою глибиною кольору;
    • - і т.п.

    Однак, прогрес не стояв на місці і, згодом, були розроблені нові матеріали та технології у виготовленні рідкокристалічних моніторів. Досягнення в технологіях мікроелектроніки та розробка нових речовин із властивостями рідких кристалів дозволило суттєво покращити характеристики РК-моніторів.

    Пристрій та робота TFT LCD матриці.

    Одним із головних досягнень став винахід технології LCD TFT-матриці - рідкокристалічної матриці з тонкоплівковими транзисторами (Thin Film Transistors). У TFT-моніторів кардинально зросла швидкодія пікселів, зросла колірна глибина зображення і вдалося позбавитися «хвостів» і «тіней».
    Структура панелі, виготовленої за TFT технологією, наведена на Рис.2

    Рис.2. Схема структури TFT LCD матриці.
    Повнокольорове зображення на РК-матриці формується з окремих точок (пікселів), кожна з яких складається зазвичай з трьох елементів (субпікселів), що відповідають за яскравість кожної з основних складових кольорів - зазвичай червоної (R), зеленої (G) та синьої (B) - RGB. Відеосистема монітора безперервно сканує всі субпікселі матриці, записуючи в конденсатори, що запам'ятовують, рівень заряду, пропорційний яскравості кожного субпікселя. Тонкоплівкові транзистори (Thin FilmTrasistor (TFT) - власне, тому так і називається TFT-матриця) підключають конденсатори, що запам'ятовують, до шини з даними на момент запису інформації в даний субпіксель і перемикають конденсатор, що запам'ятовує, в режим збереження заряду на решту часу.
    Напруга, збережена в запам'ятовуючому конденсаторі TFT-матриці, діє рідкі кристали даного субпікселя, повертаючи площину поляризації проходить через них світла від тилового підсвічування, на кут, пропорційний цій напрузі. Пройшовши через комірку з рідкими кристалами, світло потрапляє на матричний світлофільтр, на якому для кожного субпікселя сформовано свій світлофільтр одного з основних кольорів (RGB). Малюнок взаєморозташування точок різних кольорів для кожного типу РК-панелі різний, але це окрема тема. Далі, сформований світловий потік основних кольорів надходить на зовнішній поляризаційний фільтр, коефіцієнт пропускання світла якого залежить від кута поляризації світлової хвилі, що падає на нього. Поляризаційний світлофільтр прозорий для тих світлових хвиль, площина поляризації яких паралельна його площині поляризації. Зі зростанням цього кута, поляризаційний фільтр починає пропускати все менше світла, аж до максимального ослаблення при вугіллі 90 градусів. В ідеалі, поляризаційний фільтр не повинен пропускати світло, поляризоване ортогонально його власною площиною поляризації, але в реальному житті все-таки невелика частина світла проходить. Тому всім РК-дисплеям властива недостатня глибина чорного кольору, яка особливо яскраво проявляється при високих рівнях яскравості підсвічування тилу.
    В результаті, в LCD-дисплеї світловий потік від одних субпікселів проходить через поляризаційний світлофільтр без втрат, від інших субпікселів - послаблюється на певну величину, а від частини субпікселів практично повністю поглинається. Таким чином, регулюючи рівень кожного основного кольору в окремих субпікселях, можна отримати їх піксель будь-якого колірного відтінку. А з багатьох кольорових пікселів скласти повноекранне кольорове зображення.
    РК-монітор дозволив зробити серйозний прорив у комп'ютерній техніці, зробивши її доступною величезній кількості людей. Більш того, без LCD-екрана неможливо було б створити портативні комп'ютери на кшталт ноутбуків і нетбуків, планшети та стільникові телефони. Але чи так все безхмарно із застосуванням рідкокристалічних дисплеїв?

    Крім технології LCD + TFT (thin-film transistors – тонкоплівкові транзистори), що добре зарекомендувала себе, існує технологія органічних світлодіодів OLED + TFT, що активно просувається, тобто AMOLED – active matrix OLED. Основна відмінність останньої полягає в тому, що роль поляризатора, шару РК та світлофільтрів відіграють органічні світлодіоди трьох кольорів.

    По суті, це молекули, здатні при протіканні електричного струму випромінювати світло, а залежно від кількості струму, що протікав, змінювати інтенсивність забарвлення, подібно до того, як це відбувається в звичайних LED. Прибравши поляризатори та РК з панелі, ми потенційно можемо зробити її тоншою, а найголовніше – гнучкою!

    Які бувають сенсорні панелі?
    Так як сенсори на даний момент більше застосовують з LCD та OLED дисплеями, то думаю, буде розумно відразу про них і розповісти.

    Дуже докладний опис танчскринів або сенсорних панелей дано (джерело колись жило, але чомусь зникло), тому я не описуватиму всі типи сенсорних панелей, зупинюся лише на двох основних: резистивному і ємнісному.

    Почнемо із резистивного сенсора. Складається він з 4 основних компонентів: скляної панелі (1), як носія всієї сенсорної панелі, двох прозорих полімерних мембран з резистивним покриттям (2, 4), шару мікроізоляторів (3), що розділяють ці мембрани, і 4, 5 або 8 проводків, які й відповідають за «зчитування» торкання.


    Схема влаштування резистивного сенсора

    Коли ми натискаємо на такий сенсор з певною силою, відбувається зіткнення мембран, електричний ланцюг замикається, як показано на малюнку нижче, вимірюється опір, який згодом перераховується в координати:


    Принцип розрахунку координат для 4-х провідного резистивного дисплея ()

    Все дуже просто.

    Важливо пам'ятати дві речі: а) резистивні сенсори на багатьох китайських телефонах не відрізняються високою якістю, це може бути пов'язане саме з нерівномірністю відстані між мембранами або неякісними мікроізоляторами, тобто «мозок» телефону не може адекватно перерахувати вимірювані опори координати; б) такий сенсор вимагає саме натискання, продавлювання однієї мембрани до іншої.

    Ємнісні сенсори дещо відрізняються від резистивних. Варто відразу обмовитися, що йтиметься лише про проекційно-ємнісні сенсори, які зараз застосовується в iPhone та інших портативних пристроях.

    Принцип роботи такого тачскріна досить простий. На внутрішній стороні екрану наноситься сітка електродів, а зовнішня покривається, наприклад, ITO – складним оксидом індія-олова. Коли ми торкаємося скла, наш палець утворює з таким електродом маленький конденсатор, а обробна електроніка вимірює ємність цього конденсатора (подає імпульс струму та вимірює напругу).

    Відповідно, ємнісний сенсор реагує тільки на щільний дотик і тільки провідними предметами, тобто від торкання цвяхом такий екран працюватиме через раз, так само як і від руки, вимоченої в ацетоні або зневодненої. Мабуть, основною перевагою даного тачскрину перед резистивним є можливість зробити досить міцну основу – особливо міцне скло, як, наприклад, Gorilla Glass.


    Схема роботи поверхнево-ємнісного сенсора()

    Як влаштований дисплей E-Ink?
    Мабуть, E-Ink у порівнянні з LCD влаштований набагато простіше. Знову ми маємо справу з активною матрицею, відповідальною за формування зображення, проте РК-кристалів і ламп підсвічування тут немає і близько, замість них – колбочки з двома типами частинок: негативно зарядженими чорними та позитивно зарядженими білими. Зображення формується подачею певної різниці потенціалів та перерозподілу частинок усередині таких мікроколбочок, на малюнку нижче це наочно продемонстровано:


    Зверху схема роботи E-Ink дисплея, знизу реальні мікрофотографії такого працюючого дисплея ()

    Якщо комусь цього недостатньо, то принцип роботи електронного паперу продемонстровано у цьому відео:

    Крім технології E-Ink існує технологія SiPix, в якій є тільки один вид частинок, а сама «заливка» чорна:


    Схема роботи дисплея SiPix ()

    Тим же, хто серйозно хоче ознайомитися з «магнітним» електронним папером, прошу сюди, у Персті колись була чудова стаття.

    Частина практична

    Китаєфон vs корейський смартфон (резистивний сенсор)
    Після «акуратного» викруткового розбирання плати і дисплея, що залишилася від китаєфону, я з великим здивуванням виявив згадку одного відомого корейського виробника на материнській платі телефону:


    Самсунг і китаєфон єдині!

    Екран розбирав дбайливо і акуратно - так, що всі поляризатори залишилися цілими, тому просто не міг не погратися з ними і з працюючим великим братом об'єкта, що препарується, і згадати практикум з оптики:


    Так працюють 2 поляризаційні фільтри: в одному положенні світловий потік практично не проходить через них, при повороті на 90 градусів - повністю проходить

    Зверніть увагу, що все підсвічування базується всього на чотирьох крихітних світлодіодах (я думаю, їх сумарна потужність не більше 1 Вт).

    Потім довго шукав сенсор, щиро вважаючи, що це буде товста панелька. Виявилося зовсім навпаки. Як у китайському, так і в корейському телефоні сенсор являє собою кілька листів пластику, які дуже якісно та щільно приклеєні до скла зовнішньої панелі.


    Зліва сенсор китаєфону, праворуч – корейського телефону

    Резистивний сенсор китайського телефону виконаний за схемою "чим простіше, тим краще", на відміну від свого дорожчого побратима з Південної Кореї. Якщо я не правий, то поправте мене в коментарях, але зліва на картинці – типовий 4-х контактний, а праворуч – 8-ми контактний сенсор.

    LCD-дисплей китаєфону
    Так як дисплей китайського телефону все одно був розбитий, а корейського - лише трохи пошкоджений, то на прикладі першого я і постараюся розповісти про LCD. Але поки не будемо його ламати остаточно, а подивимося під оптичним мікроскопом:


    Оптична мікрофотографія горизонтальних ліній LCD дисплея китайського телефону. Лівій верхній фотографії притаманний деякий обман нашого зору через «неправильні» кольори: біла тонка смужка і контакт.

    Один провід живить відразу дві лінії пікселів, а розв'язка між ними влаштована за допомогою незвичайного «електричного жука» (права нижня фотографія). За всією це електричною схемою знаходяться доріжки-світлофільтри, пофарбовані у відповідні кольори: червоний (R), зелений (G) та синій (B).

    З протилежного кінця матриці по відношенню до місця кріплення шлейфу можна знайти аналогічну колірну розбивку, номери доріжок і ті ж перемикачі (якби хто-небудь просвітив у коментарях, як це працює, то було б дуже здорово!):


    Номери-номери-номери…

    Так наживо виглядає працюючий LCD дисплей під мікроскопом:

    Ось і все, тепер цієї краси ми вже не побачимо, я розкришив у буквальному значенні цього слова, а трошки помучений одну таку крихту «розщепив» на два окремі шматочки скла, з яких і складається основна частина дисплея.

    Тепер можна подивитися на окремі доріжки світлофільтрів. Про темні «плями» на них я розповім трохи пізніше:


    Оптична мікрофотографія світлофільтрів із загадковими плямами.

    Нині ж невеликий методичний аспект, що стосується електронної мікроскопії. Ті самі кольорові смуги, але вже під пучком електронного мікроскопа: колір зник! Як я й говорив раніше (наприклад, у самій першій статті) електронному пучку абсолютно «чорно-біло» чи взаємодіє він із кольоровою речовиною чи ні.


    Начебто ті самі смужки, але вже без кольору.

    Заглянемо і на зворотний бік. На ній розташовані транзистори:


    В оптичний мікроскоп – у кольорі.


    І електронний мікроскоп – чорно-біле зображення!

    В оптичний мікроскоп це видно трохи гірше, але СЕМ дозволяє розглянути окантовку кожного субпікселя - це досить важливо для висновку нижче.

    Отже, що це за дивні темні області? Довго думав, ламав собі голову, прочитав багато джерел (мабуть, найдоступнішим виявилася Wiki) і, до речі, з цієї причини затримав випуск статті у четвер 23 лютого. І ось якого висновку я дійшов (можливо, я не прав – поправте!).

    У VA- чи MVA-технології – одна з найпростіших, і не думаю, що китайці вигадали щось нове: кожен субпіксел має бути чорний. Тобто через нього не проходить світло (наведено приклад працюючого та непрацюючого дисплея), беручи до уваги те, що в «звичайному» стані (без застосування зовнішнього впливу) рідкий кристал розорієнтований і не дає «потрібної» поляризації, то логічно припустити, що кожен окремий субпіксел має свою плівку із РК.

    Таким чином, вся панель зібрана з одиничних мікро-РК-дисплеїв. Сюди органічно вписується і зауваження щодо окантування кожного окремого субпіксела. Для мене це стало свого роду несподіваним відкриттям прямо під час підготовки статті!

    Дисплей корейського телефону ламати я пошкодував: адже треба щось показувати дітям і тим, хто приходить до нас на факультет на екскурсію. Не думаю, що можна було б побачити щось цікаве.

    Далі, заради пустощів наведу приклад «організації» пікселів у двох провідних виробників комунікаторів: HTC і Apple. iPhone 3 був пожертвований на безболісну операцію однією доброю людиною, а HTC Desire HD власне мій:


    Мікрофотографії HTC Desire HD

    Невелике зауваження з приводу дисплея HTC: спеціально не шукав, але чи не може бути ця смуга серед верхніх двох мікрофотографій тим частиною того самого ємнісного сенсора?!


    Мікрофотографії дисплея iPhone 3

    Якщо мені не змінює пам'ять, то у HTC дисплей – superLCD, а iPhone 3 – звичайний LCD. Так званий Retina Display, тобто LCD, у якого обидва контакти для перемикання рідкого кристала лежать в одній площині, In-Plane Switching - IPS встановлюється вже в iPhone 4.

    Сподіваюся, що незабаром на тему порівняння різних технологій дисплеїв вийде стаття за підтримки 3DNews. А поки що хочу просто відзначити той факт, що дисплей HTC дійсно незвичайний: контакти на окремі субпіксели заведені нестандартним чином - якось зверху, на відміну від iPhone 3.

    І насамкінець у цьому розділі додам, що розміри одного субпіксела у китаєфону – 50 на 200 мікрометрів, HTC – 25 на 100 мікрометрів, а iPhone – 15-20 на 70 мікрометрів.

    E-Ink відомого українського виробника
    Почнемо, мабуть, із банальних речей – «пікселів», а точніше осередків, які відповідальні за формування зображення:


    Оптична мікрофотографія активної матриці E-Ink дисплея

    Розмір такого осередку близько 125 мікрометрів. Оскільки ми дивимося на матрицю через скло, на яке вона нанесена, то прошу звернути увагу на жовтий шар на «задньому» плані – це золоте напилення, якого нам згодом доведеться позбутися.


    Вперед на амбразуру!


    Порівняння горизонтальних (ліворуч) та вертикальних (праворуч) «вводів»

    Крім того, на скляній підкладці виявилося багато цікавих речей. Наприклад, позиційних міток та контактів, які, мабуть, призначені для тестування дисплея на виробництві:


    Оптичні мікрофотографії міток та тестових контактних майданчиків

    Звичайно, таке трапляється не часто і зазвичай є нещасним випадком, але дисплеї іноді ламаються. Наприклад, ця ледь помітна тріщина завтовшки менша за людське волосся здатна назавжди позбавити радості читати улюблену книгу про туманний Альбіон у задушливому московському метро:


    Якщо дисплеї ламають, це комусь потрібно… Мені, наприклад!

    До речі, ось воно, то золото, про яке я згадував – гладкий майданчик «знизу» осередку для якісного контакту з чорнилом (про нього трохи нижче). Золото видаляємо механічно і ось результат:


    You"ve got a lot of guts. Let"s see what they look like! (с)

    Під тонкою золотою плівкою ховаються керуючі компоненти активної матриці, якщо її так назвати.

    Але найцікавіше, звичайно ж, це самі «чорнила»:


    СЕМ-мікрофотографія чорнила на поверхні активної матриці.

    Звичайно, важко знайти хоча б одну зруйновану мікрокапсулу, щоб заглянути всередину та побачити «білі» та «чорні» пігментні частинки:

    СЕМ-мікрофотографія поверхні електронних «чорнил»


    Оптична мікрофотографія «чорнила»

    Чи все-таки всередині щось є?


    Чи то зруйнована сфера, чи видерта з несучого полімеру

    Розмір окремих кульок, тобто деякого аналога субпіксела в E-Ink, може становити всього 20-30 мкм, що значно нижче за геометричні розміри субпікселів в LCD-дисплеях. За умови, що така капсула може працювати в половину свого розміру, то і зображення виходить на хороших, якісних дисплеях E-Ink набагато приємнішим, ніж на LCD.

    І на десерт – відео про те, як працюють дисплеї E-Ink під мікроскопом.