Жидкокристаллические мониторы

Видеосистема

Состав видеосистемы PC-совместимого компьютера

Видеосистема персонального компьютера типа IBM PC состоит из устройства отображения информации, видеоадаптера и набора соответствующих программ – драйверов, поставляемых в комплекте с адаптером или в составе прикладных пакетов и, естественно, самого компьютера. Видеосистема РС ориентирована на растровый метод вывода изображений.

Наиболее распространенным устройством отображения компьютерной информации является монитор. Помимо мониторов, в компьютерных системах используются и другие устройства отображения информации, ориентированные на решение мультимедийных или презентационных задач: проекционные устройства; устройства отображения объемных изображений; интерактивные устройства отображения (электронные доски, электронные лекционные планшеты).

Мониторы

Структура монитора и виды мониторов

Монитором принято называть устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов, поступающих от видеоадаптера, и формирования на их основе видимого изображения на экране.

Обобщенная структурная схема монитора приведена на рис. 2. В монитор от видеоадаптера поступают сигналы управления яркостью цветовых составляющих R,G,B (в мониторах используется смешение красного, зеленого и синего цветов аддитивной цветовой системы) и синхросигналы строчной HSync и кадровой VSync развертки. Кроме этих сигналов, относящихся только к формированию изображения, монитор и видеоадаптер обмениваются сигналами обмена конфигурационной информацией (подробнее см. материал в описании интерфейса DVI).

Рис. 2. Обобщенная структурная схема монитора

С точки зрения принципа действия все мониторы можно разделить на две большие группы: мониторы на основе электронно-лучевой трубки, называемой также кинескопом и плоскопанельные мониторы.

Мониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в настоящее время устарели, хотя по качеству цветопередачи они до настоящего времени остаются непревзойденными. Достаточно детально мониторы на основе ЭЛТ рассмотрены в [3], в данном пособии они не рассматриваются.

К плоскопанельным мониторам (в ряде источников их называют также матричными панелями, цифровыми панелями, цифровыми мониторами) относятся: жидкокристаллические мониторы, в том числе и холестерические мониторы компании Kent Displays Inc; плазменные панели; электролюминесцентные мониторы; органические светодиодные мониторы (OLED-мониторы); мониторы на основе светоизлучающего полупроводникового пластика (PLED-мониторы); мониторы с электростатической (автоэлектронной) эмиссией (FED-мониторы); вакуумные флюоресцирующие мониторы (VFD); “электронная бумага” - электрофоретический монитор E Inc. и другие современные энергосберегающие визулизаторы.

Жидкокристаллические мониторы

Работа ЖК-мониторов (LC-мониторов) основана на прохождении плоскополяризованного света через два поляризатора, оси поляризации которых имеют между собой некоторый угол. Между поляризаторами помещено оптически активное вещество, поворачивающее поляризованный свет на некоторый угол в зависимости от величины приложенного напряжения.

Напомним, что свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, а в других – как поток особых частиц – фотонов. В электромагнитной волне векторы напряженности электрического и магнитного полей взаимоперпендикулярны. Физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора, который называют световым.

Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Одновременно волны излучают много атомов, плоскость колебаний для каждого атома ориентирована случайным образом. Поэтому в результирующей волне колебания различных направлений представлены с различной вероятностью.

Если плоскости колебаний световых векторов совпадают, то такой свет называют поляризованным. При некоторых условиях можно получить свет, при котором плоскость колебания электрического вектора занимает постоянное положение в пространстве. Такой свет называют плоскополяризованным. Например, если естественный свет пропустить через пластинку из турмалина, то на выходе получается плоскополяризованный свет. Прохождение плоскополяризованного света через систему из двух поляризаторов, плоскости поляризации которых развернуты друг относительно друга на угол j, описывается законом Малюса:

где I ₀ – интенсивность поляризованного света, подающего на второй поляризатор-анализатор;

j – угол между плоскостями поляризации поляризатора и поляризатора-анализатора;

I – интенсивность поляризованного света на выходе второго поляризатора-анализатора.

Рис. 3 иллюстрирует этот закон.

Рис.3 Прохождение света через два поляризатора

Если плоскости поляризатора-анализатора и поляризатора параллельны, т.е. j =0, cos j =1, то проходит максимальное количество света (рис. 2.8а). Если j = , cos j =0, то к наблюдателю не проходит свет (рис. 2.8в). При угле j, отличном от указанных значений, проходит количество света, пропорциональное (рис. 2.8б).

Таким образом, меняя угол вхождения плоскополяризованного света в анализатор можно получить яркость на выходе от 0 до .

В жидкокристаллических устройствах визуализации для поворота плоскополяризованного света используются вещества, называемые жидкими кристаллами (Liquid Crystal).

Жидкие кристаллы впервые описал в 1888 г. австрийский ботаник Ф. Ренитцер, но только в 1930 году исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Но дальше получения патента дело не продвинулось. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Первый создал на базе смектического жидкокристаллического вещества термодатчик, а второй изучал воздействие электрического поля на нематические жидкие кристаллы. В конце 1966 года корпорация RCA продемонстрировала прототип LC-мониторов – цифровые часы.

Значительную роль в развитии LC-технологии сыграла корпорация Sharp, которая и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Именно эта корпорация в 1964 году выпустила первый в мире калькулятор CS10A с ЖК-индикатором. Во второй половине семидесятых годов начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. В 1976 году корпорация Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненный на базе LC-матрицы с разрешением 160х120 пикселей.

Современная наука определяет жидкие кристаллы как жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с упорядоченностью в ориентации молекул, т.е. вещество находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам.

Жидкие кристаллы образуют вещества, молекулы которых имеют форму палочек или вытянутых пластинок. По степени молекулярной упорядоченности различают нематические и смектические жидкие кристаллы.

Нематические жидкие кристаллы характеризуются ориентацией продольных осей молекул вдоль некоторого направления. При этом упорядоченность в ориентации поперечных осей молекул и расположения их центров тяжести отсутствует, что обеспечивает свободу поступательных перемещений молекул.

Для смектических жидких кристаллов характерно, что концы их молекул как бы закреплены в плоскостях, перпендикулярных продольным осям этих молекул.

В ЖК-мониторах используются нематические жидкие кристаллы.

Замечательным свойством ЖК-вещества является то, что оптическая ось в нем проходит вдоль ориентации молекул.

При приложении электрического поля к ЖК-веществу возможны две реакции: «палочки» молекул выравниваются вдоль приложенного поля (положительная диэлектрическая анизотропия) или поперек поля (отрицательная диэлектрическая анизотропия).

На этих двух свойствах – ориентации (повороте) молекул при приложении электрического поля и повороте плоскости поляризации проходящего поляризованного света в соответствии с положением молекул­­­­ – основана работа жидкокристаллических элементов.

Простейшим по принципу работы является TN (Twisted Nematic)-элемент.

TN-элемент

Работу TN-элемента иллюстрирует рис. 2.9.

Рис. 2.9. Состав и работа TN-элемента: 1 – вход света; 2 – поляризатор;
3 – стеклянные плаcтины с прозрачными электродами; 4 – поляризатор; 5 – выход света

Между двумя стеклами с прозрачными электродами находятся молекулы жидких кристаллов (слой вещества составляет приблизительно 5–10 мкм). При отсутствии электрического поля молекулы этого вещества образуют спирали, скрученные на 90 градусов (отсюда и их название Twisted).

В результате такой ориентации молекул плоскость поляризации света поворачивается примерно на этот же угол. Так как поляризаторы, расположенные на входе и выходе ТN-элемента, смещены относительно друг друга также на угол 90 градусов, то свет беспрепятственно может проходить через элемент. Если к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется (они просто ориентируются вдоль поля). Поворота плоскости поляризации уже не происходит и, как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет, Таким образом можно получить темный сегмент на светлом фоне и наоборот. Кстати, если несколько изменить конструкцию элемента (используя зеркало на выходе второго поляризатора), то можно обойтись без подсветки, используя освещенность помещения. Такая конструкция используется в энергосберегающих отражательных TN-визуализаторах.

Таким образом, формируется точка, яркость которой либо равна нулю, либо максимальна.

Если к прозрачным электродам ЖК-ячейки прикладывать разные величины напряжения, то, в зависимости от величины приложенного напряжения, спираль молекул будет распрямляться не полностью и, согласно закону Молюса, выходной поляризатор будет пропускать больше или меньше света.

Каждая точка изображения на LC-мониторе представляет собой соответствующий LC-элемент, а весь экран LC-монитора – это матрица этих элементов. Для получения качественного ЖК-монитора необходимо, чтобы в каждой ячейке-пикселе молекулы ЖК-вещества имели одну и ту же заданную ориентацию. Для их выстраивания в нужном направлении используется следующая технология, разработанная с начала массового производства ЖК-мониторов. На стеклянные подложки поверх управляющих прозрачных электродов наносится подготовленная специальным образом полимерная пленка, которая непосредственно соприкасается с ЖК-веществом.

Обработка этой ориентирующей пленки производится так называемым методом притирания (rubbing). Суть его заключается в том, что полимерная пленка полируется бархатоподобным материалом, в результате чего на ее поверхности образуются мельчайшие бороздки. Ближайшие к пленке жидкие кристаллы выстраиваются по направлению этих бороздок. Метод притирания имеет ряд существенных недостатков. Так, в процессе производства стеклянную пластину нужно извлекать из специального «чистого» помещения, наносить пленку, полировать, удалять образовавшиеся загрязнения и затем возвращать в «чистое» помещение вновь. Кроме того, при притирании возможны различные побочные эффекты, например возникновение электростатического заряда, отрицательно влияющего на работу электрических цепей. Видимо, по этой причине в ЖК-мониторах появляются проблемные пиксели.

Ученые корпорации IBM разработали технологию бесконтактного ориентирования молекул жидкокристаллического вещества, способную значительно упростить (а значит, и удешевить) процесс изготовления ЖК-мониторов при одновременном улучшении их характеристик. В данной технологии в качестве ориентирующей используется алмазоподобная углеродная (DLC = Diamond-Lice Carbon) пленка. Необходимая микроскопическая структура («решетка») на поверхности такой DLC-пленки формируется методом бомбардировки пучком медленных ионов: при попадании иона под определенным углом происходит смещение поверхности атомов углерода. Наносимые затем молекулы жидкокристаллического вещества выстраиваются вдоль линий полученной «решетки». При этом толщина DLC-пленки гораздо меньше, чем полимерной: 3–4 нм против 60 нм. Вполне очевидно, что при рассмотренном подходе значительная часть операций, задействованных при производстве ЖК-мониторов с использованием полимерной пленки, выпадает (заготовки не нужно извлекать из «чистого» помещения и т.д.). Разработанная IBM технология не требует нового оборудования, позволяя использовать то, что применяется в настоящее время производителями полупроводниковых интегральных схем и жестких дисков. Благодаря этому можно перейти на эту технологию быстро и без значительных затрат. По мнению большинства экспертов, бесконтактное ориентирование молекул на текущий момент способно обеспечить наиболее значительный прогресс в индустрии ЖК-мониторов и в конечном итоге на бесконтактную технологию перейдут все производители ЖК-мониторов. По утверждению разработчиков, качество изображения в мониторах, изготовленных по бесконтактной технологии, при высоком разрешении, заметно выше, чем у изготовленных по традиционной технологии.

Отметим, что для работы ЖК-монитора требуется источник света. В качестве источника света использовались флуоресцентные лампы с холодным катодом или электролюминесцентные панели. В настоящее время в качестве источника света используются светодиоды. Использование светодиодов дает возможность уменьшить толщину монитора; уменьшить потребляемую мощность и тепловыделение; уменьшить величину номинала питающего напряжения; улучшить качество цветопередачи; увеличить срок службы монитора.

Для вывода цветного изображения необходима подсветка матрицы сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LC-монитора.

Цветная точка формируется из трех точек, расположенных рядом (пространственный метод цветосмешения). На каждую точку пикселя свет от источника подсветки проходит только через один фильтр соответствующего цвета и LC-ячейку.

Изображение создается путем адресного управления степенью прохождения света от источника через каждую из LC-ячеек. В настоящее время существует два основных метода, используемых для адресации LC-элементов: прямой (или пассивный – passive ) и косвенный (или активный – active). Несмотря на то, что эти методы имеют между собой много общего, между ними есть и достаточно существенные различия. При использовании прямой адресации элементов матрицы каждая выбираемая точка изображения активируется подачей напряжения на соответствующий адресный (прозрачный) проводник-электрод для строки и, соответственно, для столбца. При таком способе управления точкой изображения говорят также, что используется пассивная матрица (passive matrix) LC-элементов. Очевидно, что такому методу управления присущи определенные недостатки. В частности, практически невозможно достичь высокого контраста изображения, так как электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных проводников, но и на всем пути распространения тока. Эта проблема вполне разрешима при использовании так называемой активной матрицы (activematrix) LC-элементов, когда каждой точкой изображения управляет свой электронный переключатель (в ряде источников такой дисплей называют AMLCD). Информация об изображении (видеосигнал) выдается построчно на все соответствующие столбцы матрицы экрана, а выбор необходимой точки изображения в строке происходит через соответствующий электронный переключатель.

Возможность изменения амплитуды напряжения видеосигнала позволяет формировать в воспроизводимом изображении оттенки цвета. Следует, конечно, помнить о том, что стоимость реализации активной матрицы экрана существенно выше, нежели пассивной.

Практическая реализация активных матриц связана в основном с одним из двух методов управления: с применением тонкопленочных полевых транзисторов (TFT, Thin Film Transistor) или с применением диодов (TTD,Two Terminal Device).

Более распространено управление с использованием TFT. На рис.4 приведена упрощенная структурная схема ЖК-монитора. На схеме не показаны пластины и ЖК-вещество, находящееся между ними. Формирование изображения происходит следующим образом.

В соответствии с сигналом строчной развертки, коммутатор строк поочередно подключает напряжение к базам тонкопленочных полевых транзисторов каждой строки, открывая их. Коммутатор столбцов, синхронизируемый сигналом VSync, последовательно подключает видеосигнал к истокам транзисторов столбца. В результате значение видеосигнала будет приложено к электродам соответствующего ЖК- элемента. Приложенное напряжение вызовет изменение угла поляризации вещества и, соответственно, вызовет пропускание веществом определенного количества света от лампы подсветки, – пиксель светится.

Рис.4 Упрощенная структурная схема монитора на ЖКИ:
1 – тонкопленочный полевой транзистор; 2 – общий для всех ЖК-элементов прозрачный электрод; 3 – прозрачный электрод конкретного ЖК-элемента;
4 – прозрачный электрод, у которого в данный момент активизирован полевой транзистор, т.е. на линию строки подан уровень напряжения, а на линию столбца подан видеосигнал

Немаловажными преимуществами использования активных матриц являются такие параметры, как время отклика (Response Time) и угол зрения (Viewing Angle). При использовании пассивных матриц LC-элементов значение первого параметра лежит в пределах
250–300 мс, тогда как у активных матриц его значение составляет около 15 мс. Изображение на экране с TFT-матрицей можно различить даже под углом 85 градусов, а вот, например, на дисплее с пассивной матрицей, использующей DSTN-элементы, этот угол не превышает обычно 45 градусов.

В цветных LC-мониторах с активной матрицей, как отмечалось, каждый элемент изображения (пиксель) состоит из трех точек – синей, зеленой и красной. Соответственно, для каждой точки, составляющей пиксель, используется свой TFT-транзистор и фильтр (Red, Green или Blue). Цветные фильтры поглощают свет от источника подсветки довольно существенно, поэтому его мощность должна быть раз в пять выше, чем для монохромных мониторов.

TN-матрицы являются наиболее распространенными и дешевыми. Однако им свойственны следующие недостатки:

· небольшие углы обзора;

· невысокая контрастность;

· невозможность получения идеального черного цвета.

Последнее объясняется тем, что даже при приложении максимально допустимого напряжения к ячейке невозможно полностью раскрутить ЖК-молекулы, сориентировав их вдоль силовых линий электрического поля. Поэтому TN-матрицы даже при полностью выключенном пикселе остаются слегка прозрачными.

Для устранения этих недостатков разработаны другие типы матриц.

IPS-матрица

IPS (In-Plane Switching)-технология и матрица разработаны в 1995 году компаниями Hitachi и NEC.

Отличительной особенностью IPS-матриц является то, что управляющие электроды расположены в одной плоскости на нижней стороне ЖК-ячейки (рис.! а). При отсутствии напряжения между электродами ЖК-молекулы расположены параллельно друг другу, электродам и направлению поляризации нижнего поляризирующего фильтра. В этом состоянии они не влияют на угол поляризации проходящего света и свет полностью поглощается выходным поляризующим фильтром, т.к. направление поляризации верхнего фильтра перпендикулярно направлению поляризации нижнего.

При подаче напряжения на управляющие электроды создаваемое электрическое поле поворачивает ЖК-молекулы на 90° и они ориентируются вдоль силовых линий электрического поля. Если на такую ячейку подать свет, то за счет поворота плоскости поляризации проходящего света верхний поляризующий фильтр пропустит свет (рис.! б). Меняя напряжение между электродами, можно поворачивать ЖК-молекулы на произвольный угол, тем самым, согласно закону Малюса, изменять количество прошедшего через ячейку света.

IPS-матрицы имеют по сравнению с TN-матрицами, как преимущества, так и недостатки.

Преимущества следующие:

· формируется идеально черный цвет, а не серый как в TN-матрицах (при нулевом управляющем напряжении ячейка закрыта для прохождения света);

· относительно большие углы обзора, достигающие 140°.

Недостатком является то, что IPS-матрицы имеют время реакции пикселя большее, чем у TN-матриц.

Существуют различные модификации IPS-матриц, которые имеют более высокие характеристики: Super IPS, Dual Domain IPS, Advanced True White IPS (A-TW IPS), Advanced IPS, S-IPS-PRO, AS-IPS, E-IPS, H-IPS, P-IPS.

MVA-матрицы

В 1996 году компания Jujitsu разработала ещё один тип матриц – Multi Domain Vertical Alignment (MVA). B отличие от TN- и IPS-матриц в MVA –матрицах используются жидкие кристаллы с отрицательной диэлектрической анизотропией, которые ориентируются перпендикулярно к направлению линий электрического поля.

Технология MVA является развитием технологии VA, ячейки которой функционируют следующим образом. При отсутствии напряжения между электродами ЖК-ячейки все ЖК-молекулы ориентированы вертикально и не оказывают влияния на плоскость поляризации проходящего света. Поскольку свет проходит через два поляризатора со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, свет через ячейку не проходит. По этой причине возможно получение идеально черного цвета. При приложении напряжения к электродам молекулы поворачиваются на 90°, ориентируясь перпендикулярно к линиям электрического поля. При прохождении плоскополяризованного света через такую структуру плоскость поляризации поворачивается на 90° и свет проходит через выходной поляризатор.

Достоинствами систем с вертикальным упорядочиванием молекул является возможность получения идеально черного цвета(что, в свою очередь сказывается на возможности получения высококонтрастных изображений) и малое время реакции пикселя.

С целью увеличения углов обзора в системах с вертикальным упорядочиванием молекул предложено использовать мультидоменную структуру (рис.!). Каждый субпиксель разбивается зон (доменов) с использованием специальных выступов. Такие выступы несколько меняют ориентацию молекул. Это приводит к тому, что каждый домен светит в своем направлении (в пределах некоторого телесного угла), а совокупность всех направлений позволяет расширить угол обзора монитора.

К достоинствам MVA-матриц относят:

· высокую контрастность (за возможности получения идеального черного цвета);

· большие углы обзора (вплоть до 170°).