Тема 5.2 Жидкокристаллические мониторы

Студент должен:

иметь представление:

· об устройствах отображения информации

знать:

· принцип работы жидкокристаллических мониторов;

· основные характеристики жидкокристаллических мониторов.

уметь:

· подключать мониторы на основе ЖК;

· устанавливать режимы работы жидкокристаллических мониторов.

Жидкокристаллические мониторы. Принцип действия и технологии ЖК- мониторов. Контроллер ЖК экрана. Технические характеристики ЖК мониторов. Сравнительный анализ ЖК мониторов и мониторов на основе ЭЛТ. Обзор основных моделей. Плоскопанельные мониторы: плазменные дисплеи, электролюминесцентные мониторы, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы. Принцип действия, основные преимущества и недостатки.

Методические указания

ЖК-мониторы (LCD — Liquid Crystal Display) составляют ос­новную долю рынка плоскопанельных мониторов с экраном раз­мером 13—17". Первое свое применение жидкие кристаллы на­шли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня в результате прогресса в этой области начинают полу­чать все большее распространение LCD-мониторы для настоль­ных компьютеров.

Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, со­стоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между кото­рыми размещен слой жидкокристаллического вещества, 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 ориентации моле­кул. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электриче­ства могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изме­нять свойства светового луча, проходящего сквозь них. Следова­тельно, формирование изображения в ЖК-мониторах основано на взаимосвязи между изменением электрического напряжения, приложенного к жидкокристаллическому веществу, и изменени­ем ориентации его молекул.

Экран ЖК-монитора представляет собой массив отдельных ячеек (называемых пикселами), оптические свойства которых могут меняться при отображении информации. Панели ЖК-монитора имеют несколько слоев, среди которых ключевую роль играют две панели, выполненные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, между которыми и расположен тонкий слой жидких кристаллов. На панелях нанесены параллельные бо­роздки, вдоль которых ориентируются кристаллы. Панели распо­ложены так, что бороздки на подложках перпендикулярны между собой. Технология получения бороздок состоит в нанесении на стеклянную поверхность тонких пленок из прозрачного пластика. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ори­ентируются одинаково во всех ячейках.

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристалличе­ские панели работают на отражение или на прохождение света). В качестве источников света используются специальные элект­ролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризую­щиеся низким энергопотреблением. Молекулы одной из разно­видностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствие напря­жения на подложках поворачивают вектор электрической напря­женности электромагнитного поля в световой волне, проходящей через ячейку, на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок позволяет обес­печить одинаковые углы поворота для всех ячеек. Фактически каж­дая ЖК-ячейка представляет собой электронно управляемый све­тофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поля­ризации световой волны.

Чтобы поворот плоскости поляризации светового луча был за­метен для глаза, на стеклянные панели дополнительно наносят два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры выполняют функции поляризатора и анализатора.

Принцип действия ячейки ЖК-монитора в следую­щем. При отсутствии напряжения между подложками ячейка ЖК-монитора прозрачна, поскольку вследствие перпендикулярного расположения бороздок на подложках и соответствующего закру­чивания оптических осей жидких кристаллов вектор поляризации света поворачивается и проходит без изменения через систему поляризатор —анализатор. Ячейки, у которых ориентирующие канавки, обеспечивающие соответствующее закру­чивание молекул жидкокристаллического вещества, расположе­ны под углом 90°, называются твистированными нематическими. При создании между подложками напряжения 3— 10 В молекулы жидкокристаллического вещества располагаются параллельно си­ловым линиям поля. Твистированная структура жидкокристаллического вещества нарушается, и поворота плос­кости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоско­стью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непро­зрачной. Напряжение, приложенное к каждой ЖК-ячейке, фор­мируется ПК.

Для вывода цветного изображения на экран выполняется под­светка монитора сзади, так чтобы свет порождался в задней части ЖК-дисплея. Цвет формируется в результате объединения ЖК-ячеек в триады, каждая из которых снабжена светофильтром, про­пускающим один из трех основных цветов.

Технология, при которой закручивание молекул составляет 90°, называется твистированной нематической (TN — Twisted Nematic). Недостатки ЖК-мониторов, реализующих эту технологию, свя­заны с низким быстродействием; зависимостью качества изобра­жения (яркости, контрастности) от внешних засветок; значитель­ным взаимным влиянием ячеек; ограниченным утлом зрения, под которым изображение хорошо видно, а также низкими яркостью и насыщенностью изображения.

Следующим этапом на пути совершенствования ЖК-монито­ров было увеличение угла закручивания молекул ЖК-вещества с 90 до 270° с помощью STN-технологии (Super-Twisted Nematic). Использование двух ячеек, одновременно поворачивающих плос­кости поляризации в противоположных направлениях, согласно DSTN-технологии (Dual Super-Twisted Nematic), позволило значи­тельно улучшить характеристики ЖК-мониторов.

Для повышения быстродействия ЖК-ячеек используется тех­нология двойного сканирования (DSS— Dual Scan Screens), когда весь ЖК-экран разбивается на четные и нечетные строки, обнов­ление которых выполняется одновременно. Двойное сканирова­ние совместно с использованием более подвижных молекул по­зволило снизить время реакции ЖК-ячейки с 500 мс (у ЖК-мо­ниторов, реализующих технологию TN) до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана.

Для получения лучших результатов с точки зрения стабильно­сти, качества, разрешения и яркости изображения используются мониторы с активной матрицей в отличие от применявшихся ра­нее с пассивной матрицей. Термин пассивная матрица (Passive Matrix) относится к такому конструктивному решению монитора, согласно которому монитор разделен на отдельные ячейки, каждая из которых функционирует независимо от осталь­ных, так что в результате каждый такой элемент может быть под­свечен индивидуально для создания изображения. Матрица назы­вается пассивной, потому что рассмотренные выше технологии создания ЖК-мониторов не могут обеспечить быстродействие при отображении информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляюще­го напряжения на отдельные ячейки. Вследствие большой элект­рической емкости отдельных ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому изображение не отобра­жается плавно и дрожит на экране. При этом между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.

В активной матрице используются отдельные усилитель­ные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие вли­яние емкости ячеек и позволяющие значительно увеличить быст­родействие. Активная матрица (active matrix) имеет следующие преимуще­ства по сравнению с пассивной матрицей:

· высокая яркость;

· угол обзора, достигающий 120—160°, в то время как у мони­торов с пассивной матрицей качественное изображение можно наблюдать только с фронтальной позиции по отношению к экрану;

· высокое быстродействие, обусловленное временем реакции монитора около 50 мс.

Функциональные возможности ЖК-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 построчной регенерации 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. Такой транзистор, выполняя роль своеобразного коммутирующе­го ключа, позволяет коммутировать более высокое (до десятков вольт) напряжение, используя сигнал низкого уровня (около 0,7 В). Благодаря применению активных ЖК-ячеек стало возможным значительно снизить уровень сигнала управления и тем самым решить проблему частичной засветки соседних ячеек.

Запоминающие транзисторы производятся из прозрачных ма­териалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, и располагаются на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Поскольку запоминающие транзисторы выполняются по тонкопленочной технологии, по­добные ЖК-мониторы получили название TFT-мониторы (Thin Film Transistor — тонкопленочный транзистор). Тонкопленочный транзистор имеет толщину в диапазоне от 0,1 до 0,01 мкм. Техно­логия TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК-мо­ниторов (яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор.

К основным характеристикам жидкокристаллических монито­ров относятся следующие.

Размер экрана ЖК-мониторов находится в пределах от 13 до 16". В отличие от ЭЛТ-мониторов, номинальный размер экрана и раз­мер его видимой области (растра) практически совпадают.

Ориентация экрана у ЖК-монитора в отличие от ЭЛТ-монито­ра может быть как портретная, так и ландшафтная. В то время как традиционные экраны ЭЛТ-мониторов и ЖК-экраны компьюте- ров типа Notebook имеют только ландшафтную ориентацию, обус­ловленную тем, что поле зрения человека в горизонтальном на­правлении шире, чем в вертикальном, в ряде случаев (работа с текстами большого объема, Web-страницами) намного удобнее работать с экраном портретной ориентации. ЖК-монитор можно легко развернуть на 90°, при этом ориентация изображения оста­нется прежней.

Поле обзора ЖК-мониторов обычно характеризуется углами обзор а, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экра­на по горизонтали и вертикали.

Разрешение ЖК-монитора определяется размером отдельной ЖК-ячейки, т.е. фиксированным размером пикселов.

Метод «Centering» (центрирование) состоит в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселов, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получает­ся не во весь экран, а только в середине: все неиспользуемые пикселы остаются черными, образуя вокруг изображения широ­кую черную рамку.

Метод «Expansion» (растяжение) основан на растяжении изоб­ражения на весь экран, что приводит к возникновению некото­рых искажений и ухудшению резкости.

Яркость — важнейший параметр при выборе ЖК-монитора. Ти­повая яркость ЖК-монитора 150 — 200 кд/м². При этом в центре яркость ЖК-монитора может быть на 25 % выше, чем у краев эк­рана.

Контрастность изображения ЖК-монитора показывает, во сколько раз его яркость изменяется при изменении уровня видео­сигнала от минимального до максимального. Приемлемая цвето­передача обеспечивается при контрастности не менее 130:1, а высококачественная — при 350:1.

Инерционность ЖК-монитора характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки, и состав­ляет 30 — 70 мс, соответствуя аналогичным параметрам ЭЛТ-мо-ниторов.

Палитра ЖК-мониторов, по сравнению с обычными, ограни­чена определенным количеством воспроизводимых на экране от­тенков цветов. Типовой размер палитры современных ЖК-мони­торов составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов.

Массогабаритные характеристики и энергопотребление выгодно отличают ЖК-мониторы от ЭЛТ-мониторов. Масса большинства моделей не превышает нескольких килограмм, а толщина экрана — 20 мм. Потребляемая мощность в рабочем режиме не превышает 35-40 Вт.

Плазменные дисплеи (Plasma Display Panel — PDF) создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными по­верхностями инертным газом, например аргоном или неоном. За­тем на стеклянную поверхность наносят миниатюрные прозрач­ные электроды, на которые подается высокочастотное напряже­ние. Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком.

Электролюминесцентные мониторы (Electric Luminiescent Displays — ELD) no своей конструкции аналогичны ЖК-мониторам. Прин­цип действия электролюминесцентных мониторов основан на яв­лении испускании света при возникновении туннельного эффек­та в полупроводниковом p-n- переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в работе. Однако они уступают ЖК-мониторам по энер­гопотреблению, поскольку на ячейки подается относительно вы­сокое напряжение — около 100 В. При ярком освещении цвета электролюминесцентных мониторов тускнеют.

Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays — FED) являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической техноло­гии. Мониторы FED основаны на процессе, который несколько похож на тот, что применяется в ЭЛТ-мониторах, так как в обо­их методах применяется люминофор, светящийся под воздействием электронного луча. В качестве пикселов применяются такие же зерна люминофора, как и в ЭЛТ-мониторе, что позволяет получить чистые и сочные цвета, свойственные обычным мониторам. Однако активизация этих зерен производится не электронным лучом, а элек­тронными ключами, подобными тем, что используются в ЖК-мо­ниторах, построенных по TFT-технологии. Управление этими клю­чами осуществляется специальной схемой, принцип действия ко­торой аналогичен принципу действия контроллера ЖК-монитора.

Органические светодиодные мониторы (Organic Light-Emitting Diode Displays — OLEDs), или LEP-мониторы {Light Emission Plastics — светоизлучающий пластик), по своей технологии похожи на ЖК-и ELD-мониторы, но отличаются материалом, из которого изго­тавливается экран: в LEP-мониторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий свойством полу­проводимости. При пропускании электрического тока такой мате­риал начинает светиться.

Основные преимущества технологии LEP по сравнению с рас­смотренными:

· низкое энергопотребление (подводимое к пикселу напряжение менее 3 В);

· простота конструкции и технологии изготовления;

· тонкий (около 2 мм) экран;

· малая инерционность (менее 1 мкс).

К существенным недостаткам этой технологии следует отнести малую яркость свечения экрана; малый размер экрана. LEP-мони­торы используются пока только в портативных устройствах, на­пример, в сотовых телефонах.

Выбор той или иной модели монитора зависит от характера информации, с которой будет работать пользователь, и задач, которые он ставит перед собой, а также от суммы выделенных средств на приобретение монитора. Российский рынок мониторов Постоянно пополняется новыми моделями. Если модель уже вы­брана, при выборе конкретного экземпляра полезно следовать Приведенным ниже рекомендациям.

Вопросы для самоконтроля:

1. Принцип работы жидкокристаллических мониторов;

2. Основные характеристики жидкокристаллических мониторов;

3. Подключение мониторов на основе ЖК;

4. Установка режимов работы жидкокристаллических мониторов;

5. Принцип работы плазменных дисплеев;

6. Принцип работы электролюминесцентных мониторов;

7. Принцип работы мониторов электростатической эмиссии;

8. Принцип работы органических светодиодных мониторов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: