В 1888 г. австрийский ботаник Фридрих Райницер,
изучая роль холестерина в растениях, обнаружил, как холестерил-бензоат
при нагревании превращается сначала в мутную, а затем в прозрачную
жидкость. Как выяснилось позднее, при рассмотрении под микроскопом в
поляризованном свете такая жидкость выглядит весьма причудливо,
поскольку молекулы собираются в домены с разными оптическими
свойствами. Подобные соединения в начале XX века были названы жидкими
кристаллами.
Жидкие кристаллы — это вещества, которые одновременно проявляют
свойства жидкостей и обычных кристаллов. Так, они текучи и в то же
время характеризуются упорядоченным расположением молекул, создающим
специфические оптические эффекты. Жидкие кристаллы, как и вода, могут
принимать различные фазовые состояния. В ЖК-дисплеях применяются жидкие
кристаллы в нематическом (nematic) фазовом состоянии, в котором есть
определенная упорядоченность молекул по направлению. Каждая молекула
нематического жидкого кристалла выглядит как палочка или длинный
цилиндр.
В 1969 г. американский физик Джеймс Фергюссон обнаружил эффект
скручивания жидких кристаллов-нематиков (twisted nematic effect, TN
effect), а в 1971 г. получил патент на применение скрученных
нематических кристаллов в США. В это же время его коллеги Мартин Шадт и
Вольфганг Хелфрич из швейцарской фирмы Hoffman-LaRoche запатентовали
аналогичные технологии в Швейцарии. Фирма Hoffman-LaRoche выдала
лицензию на использование этой технологии японским производителям
электроники, а сама впоследствии стала крупнейшим поставщиком
ЖК-материалов.
Пусть вас не смущает словосочетание «скручивание жидких кристаллов».
Сами молекулы никто не скручивает. Речь идет о такой взаимной
ориентации расположенных цепочкой молекул, когда их последовательность
становится похожа на скрученную ленту патронташа.
Проходя
вдоль подобной ленты, луч света плавно поворачивает плоскость своей
поляризации. Для модуляции света с обеих сторон ЖК-матрицы приклеивают
пленочные поляризационные фильтры (иногда фильтр, через который свет
входит в матрицу, называют поляризатором, а через который выходит —
анализатором).
Прозрачные проводники из легированного оловом оксида индия наносятся на
поверхность стеклянных пластин (подложек) изнутри, поверх них
накладывается выравнивающий полимерный слой. Он покрыт мельчайшими
бороздками, которые нужным образом ориентируют прилегающие к подложке
молекулы жидкого кристалла. Когда на электроды TN-матрицы напряжение не
подается, цепочки молекул жидкого кристалла скручиваются. Проходящие
вдоль них лучи света поворачивают плоскость своей поляризации, в
результате чего свободно выходят наружу сквозь анализатор.
Соответствующий участок матрицы пропускает свет.
В электрическом поле скрученные молекулярные ленты жидкого кристалла
рассыпаются, а сами молекулы поворачиваются (почти) вдоль линий
напряженности поля. Проходящий сквозь толщу такого кристалла луч не
меняет своей поляризации, а потому гасится на анализаторе, создавая на
матрице темный участок. Для передачи оттенков можно плавно менять
напряжение на управляющих электродах, регулируя яркость элемента
изображения.
В часах и калькуляторах обычно применяются монохромные цифровые
ЖК-индикаторы, передающие только две градации цвета — черную и белую.
Эти индикаторы в большинстве своем работают не на просвет, а на
отражение, для чего к структуре, снизу
приклеивается зеркальная металлизированная пленка.
Зажигая пикселы
Жидкие кристаллы нельзя подвергать долгому воздействию постоянного
электрического поля: в растворе появляются ионы, которые начинают
разрушать ЖК-молекулы. Чтобы этого избежать, на электроды каждого
сегмента подается переменное напряжение в форме меандра с частотой
50—60 Гц.
В большинстве простейших цифровых ЖК-индикаторов применяется схема
прямого управления, где один электрод делается общим для всех
сегментов. На него подается сигнал прямоугольной формы (меандр). На
электроды сегментов, которые нужно выключить, поступает меандр той же
фазы, а тех, которые следует включить, противоположной. Для управления
фазой цифрового сигнала используются логические элементы «исключающее
ИЛИ»
В зависимости от того, как сориентированы пленочные поляризаторы с
обеих сторон ЖК-матрицы, выключенный индикатор может быть прозрачным
или непрозрачным. Во втором случае символы отображаются белым на черном
фоне. Для подачи сигналов на электроды индикатора, выходящие на край
стеклянной подложки, обычно используют проводящую резину, зажимаемую
между ЖК-индикатором и проводниками на управляющей печатной плате.
По мере усложнения индикаторов и увеличения объема отображаемой ими
информации растет и число выводов на ЖК-матрице. В какой-то момент оно
становится настолько большим, что приходится переходить на вариант
мультиплексного подключения. Для управления 16 сегментами
здесь используется всего восемь линий, причем формы сигналов становятся
сложнее, чем для случая прямого управления. Напряжение на линиях
управления в данном случае может принимать три фиксированных значения,
при этом для каждой рабочей пары электродов существует пять вариантов
разности потенциалов. Алгоритм управления построен так, чтобы
усредненная во времени разность потенциалов была равна нулю.
Схема мультиплексного управления ЖК-индикатором выглядит «развесистее»,
чем схема прямого управления. Приводить ее в этой статье мы не будем.
Углы обзора и контрастность из-за мультиплексирования снижаются, причем
последняя при большом числе строк и столбцов может упасть на порядок —
со 100 до 10.
От ЖК-индикатора к пассивному ЖК-дисплею
Вслед за сегментным ЖК-индикатором был разработан пассивный графический
ЖК-дисплей. Пикселы его матрицы располагаются на пересечении строк и
столбцов регулярных решеток. Информация об изображении подается по
строкам. Именно такими дисплеями оснащались программируемые и научные
калькуляторы, а также первые ноутбуки и блокнотные компьютеры,
выпущенные в 1980-е гг. Алгоритм управления матрицей учитывал
необходимость отображать оттенки серого, а потому был достаточно
сложным.
По мере роста разрешения экранов стали видны недостатки пассивной
TN-матрицы. Обнаружился эффект взаимных помех между соседними столбцами
матрицы. Кроме того, поскольку управление пикселами идет поочередно (по
строкам), т. е. короткими импульсами, то, чем большее разрешение у
пассивной матрицы, тем сильнее падает ее контрастность. Этот неприятный
эффект ограничивал разрешение первых пассивных матриц — они не могли
содержать более 100 строк. Инженеры придумали способ удвоить предельное
разрешение — разделили матрицу на две независимо управляемые части
(схема двойного сканирования).
В попытках обойти отмеченные проблемы в начале 1980-х гг. был создан
новый вид жидких кристаллов, названный Super TN (STN). В них цепочки
молекул скручивались уже не на 90°, а на 210—270°. Несмотря на то что
такие матрицы работали медленнее (время переключения пиксела
увеличилось с 60 до 200 мс), у них был более широкий угол обзора, и,
кроме того, они оказались более чувствительными к управляющему
напряжению, что позволило увеличить число строк пассивной матрицы до
500. Сначала STN-матрицы вместо черного и белого цветов давали голубой
и желтый, но цвета удалось исправить с помощью специальных пленочных
фильтров.
Активные матрицы
Для инженера-схемотехника пассивная ЖК-панель — это двумерная матрица
из строк и столбцов с конденсаторами на их пересечении. Конденсаторы
образованы электродами пикселов. Такая схема вам ничего не напоминает?
Не хватает только транзисторных ключей, чтобы структура превратилась в
матрицу динамической памяти. При переходе от пассивных к активным
ЖК-матрицам в каждый пиксел был добавлен активный элемент —
тонкопленочный полевой транзистор (Thin Film Transistor, TFT).
Чтобы ячейка могла дольше удерживать напряжение, межпиксельный
конденсатор дополнили параллельно включенным тонкопленочным
конденсатором.
Обновление изображения на TFT-мониторе происходит по строкам: на
столбцы подаются напряжения, которые нужно записать в ячейки очередной
строки, затем на линию искомой строки выдается стробирующий импульс,
одновременно открывающий тонкопленочные транзисторы по всем ее ячейкам.
За время действия стробирующего импульса конденсаторы строки
перезаряжаются. Далее процедура повторяется для следующей строки.
Главное преимущество активных матриц (по сравнению с пассивными) в том,
что напряжение на конденсаторах сохраняется до момента очередной
регенерации кадра, поэтому TFT-матрица при мультиплексированном
управлении (малом числе выводов) обеспечивает высокую контрастность,
характерную для ЖК-индикаторов со схемами прямого управления. Без
преувеличения можно сказать, что активная матрица совершила в индустрии
ЖК-мониторов настоящую революцию.
Тонкопленочные полевые транзисторы изготавливаются с использованием
привычной фотолитографии, до совершенства отработанной в производстве
кремниевых микросхем. Толщина пленок при этом около 100 нм. Однако в
качестве полупроводника в них чаще всего используется не
кристаллический, а аморфный кремний, позаимствованный у изготовителей
солнечных батарей. В принципе поликремниевые транзисторы обладают
лучшими электрическими характеристиками, чем аморфные. Но чтобы их
получить, необходимо структуру нагревать до 600°C, при такой
температуре стеклянная подложка начинает размягчаться. Существует
другой вариант: заменить обычное стекло на тугоплавкое кварцевое за
счет увеличения стоимости панели. В настоящее время в ЖК-матрицах для
мониторов используют транзисторы из аморфного кремния, а в миниатюрных
ЖК-панелях для мультимедиа-проекторов — поликремниевые транзисторы и кварцевые стеклянные подложки.
В цветных матрицах вместо монохромных пикселов используются триады из
красных, зеленых и синих субпикселов. При этом в многослойную структуру
ЖК-панели добавляется цветоделительная маска. Правда, ничего не дается
даром. Цветоделительная маска задерживает львиную долю света лампы,
из-за чего световая эффективность панели падает. Один лишь входной
поляризационный фильтр поглощает половину падающего света, далее
следует множество других пленок и структур, в сумме поглощающих около
93—95% исходного светового потока, из-за чего изготовители вынуждены
закладывать солидный запас яркости лампы. Неудивительно, что цветные
ЖК-мониторы греются, хотя и не так сильно, как громоздкие вымирающие
ЭЛТ-дисплеи.
Присутствие тонкопленочных транзисторов и конденсаторов «съело» часть
полезной площади матрицы (рис. 6) и привело к возможности появления
дефектных пикселов. Поскольку в обесточенном состоянии пикселы
TN-матрицы светятся, неисправность TFT-транзисторов обычно приводит к
появлению постоянно светящихся точек.
Виды матриц
Дальнейшее развитие активно-матричных цветных мониторов шло по пути
улучшения качественных характеристик, и путь этот, надо признать,
оказался непростым. Для коррекции цветопередачи, снижения бликов и
расширения углов обзора были разработаны специальные пленочные фильтры,
в результате чего активная TN-матрица получила наименование TN+Film.
Изготовители так и не смогли добиться от TN-молекул в электрическом
поле идеально перпендикулярной ориентации по отношению к подложке.
Из-за этого контрастность матриц TN+Film страдает — на них невозможно
получить настоящий черный цвет. Кроме того, углы обзора по вертикали и
горизонтали неодинаковы. Вертикальный сектор бывает настолько узок, что
верхний и нижний край экрана для пользователя имеют разную яркость.
Сложная форма скрученных молекулярных цепочек вызывает зависимость
яркости пропускаемого светового потока от угла наблюдения, поэтому при
взгляде сбоку экран теряет контрастность и обретает паразитные оттенки.
Однако в нашем мире правит бал экономика, а не техническая мысль.
Поскольку панели TN+Film оказались недорогими и технологичными, сегодня
почти все мониторы с диагональю 17 дюймов и менее оснащаются такими
панелями. В последнюю пару лет TN-панели начали применять в устройствах
с диагоналями экрана 19 дюймов и больше.
Развитие матриц TN+Film не прекращается. В частности, производители
улучшают углы обзора, используя специальные пленки с высоким
коэффициентом преломления. Улучшаются и динамические характеристики, о
которых вы прочтете ниже.
В 1995 г. компании Hitachi и NEC разработали матрицу IPS (In-Plane
Switching), электроды в которой расположены на поверхности одной
стеклянной пластины, т. е. в одной плоскости.
Эта особенность
технологии снижает рабочую площадь матрицы и, как следствие, уменьшает
яркость и контрастность изображения. Молекулы жидких кристаллов в IPS
всегда направлены поперек светового потока, что обеспечивает широкие
секторы обзора и постоянство оттенков при наблюдении под углом. По этим
характеристикам IPS-мониторы приближаются к устройствам на ЭЛТ. К
недостаткам же относятся высокая цена и длительное время отклика.
Несмотря на то что молекулы жидких кристаллов при переключении от
черного к белому поворачиваются всего на 45°, из-за слабой
напряженности электрического поля между электродами, лежащими в одной
плоскости, время отклика пиксела довольно велико.
В отличие от TN, матрица IPS поворачивает плоскость поляризации луча с
большими потерями светового потока. Только из-за того, что при
отображении белого поляризация меняется не частыми малыми шагами, а
дважды резкими скачками по 45° (поляризатор — ЖК — анализатор), в
матрице теряется 75% света.
Благодаря тому что пикселы пропускают свет под напряжением, дефекты
КМОП-транзисторов в IPS-матрицах чаще всего приводят к появлению
постоянно выключенных пикселов, которые не так бросаются в глаза, как
постоянно включенные дефектные пикселы на TN-матрицах.
В 1998 г. появилась более быстрая версия IPS-матрицы, названная Super
IPS. В дальнейшем компании Hitachi удалось увеличить ее контрастность.
В настоящее время панели IPS используются в профессиональных
калибруемых мониторах для верстки, дизайна и графических работ.
Технология MVA (Multi-domain Vertical Alignment), созданная компанией
Fujitsu в 1996 г., по характеристикам предлагает некий компромисс между
TN и IPS. Она обеспечивает неплохую контрастность и хорошую точность
цветопередачи. Скорость переключения пикселов между сильно
различающимися оттенками хорошая, но соседние оттенки на матрице MVA
сменяются медленно. Яркость примерно на уровне IPS, т. е. пониженная.
В MVA-матрицах молекулы жидких кристаллов наклоняются по отношению к
подложке, в «конечных» положениях становясь перпендикулярными либо
параллельными ей.
Предположим, что ЖК-молекула повернулась на
промежуточный угол 45°. Тогда к пользователю, наблюдающему ячейку
MVA-матрицы с одной стороны экрана, пойдет больший световой поток, чем
к расположившемуся с другой стороны. Иными словами, ячейки матрицы
обладают несимметричной диаграммой направленности. Для компенсации
данного эффекта применяется многодоменная структура. Каждый пиксел
матрицы составляется из двух, четырех или даже большего числа доменов,
повернутых в разные стороны, что придает изображению некую текстурность.
В случае четырех доменов матрица имеет равные секторы
вертикального и горизонтального обзора.
Стремясь избежать эффекта слепой зоны (когда наблюдателю, смотрящему на
экран строго перпендикулярно, не видны некоторые оттенки), компании
создают стеклянные подложки с рельефной внутренней поверхностью в виде
горок, на склонах которых домены размещаются наклонно.
Точность компенсации эффекта слепых зон при этом зависит от настройки
яркости дисплея.
Компания Samsung Electronics разработала собственную модификацию
технологии MVA, получившую название PVA (Patterned Vertical Alignment),
а также ее улучшенный вариант Super РVА с чрезвычайно высокой
контрастностью. Совершенствованием технологии MVA сегодня занимается
тайваньская фирма AU Optronics (входит в группу компаний BenQ),
получившая патенты от Fujitsu. Она выпускает матрицы Advanced MVA с
шестью и даже восемью доменами в каждом субпикселе.
Вокруг панели
В компьютерных экранах лампы задней подсветки размещаются по торцам
ЖК-матрицы, а сзади накладываются световоды и отражающие элементы,
обеспечивающие равномерную засветку экрана. Число ламп зависит от
назначения дисплея. Разработчики блокнотных компьютеров ради снижения
энергопотребления, как правило, ограничиваются одной лампой.
Стандартное средство подсветки на сегодня — ртутные флюоресцентные
лампы с холодным катодом. Несколько компаний начинают ограниченный
выпуск мониторов со светодиодной подсветкой, которая обеспечивает более
широкую цветовую гамму. Если оценивать мониторы по соответствию
требованиям спецификации NTSC к цветовому охвату, то традиционные
ЖК-дисплеи удовлетворяют им на 74%, а устройства со светодиодной
подсветкой — на 100% и даже более. Эффект виден невооруженным глазом,
хотя словами его описать трудно. Надо сказать, что задача перехода на
светодиоды оказалась более сложной, чем предполагалось пять лет назад,
когда впервые зашла речь о подобной перспективе. Например, выяснилось,
что цветовой баланс зависит от температуры светодиодов, что потребовало
введения специальных схем компенсации.
Электронные схемы управления матрицей размещаются на печатной плате,
которая прикреплена к ЖК-панели, поставляемой производителям мониторов.
Панель может иметь восьми- или шестиразрядные схемы
управления каждым цветом. В первом случае она обеспечивает вывод 16,7
млн. оттенков, во втором — 262 144. Между тем мониторов, отображающих
262 144 оттенка, в продаже сегодня найти нельзя. Дело в том, что
изготовители дополняют шестиразрядные матрицы специальными схемами
управления, увеличивающими разрешающую способность по цвету с помощью
специального алгоритма управления. Таких алгоритмов известно два:
dithering и frame rate control. В первом случае идет пространственное
усреднение — недоступные матрице оттенки воспроизводятся как смесь
точек разных цветов, напоминающих шум цифрового фотоаппарата. Такой
способ приемлем для вывода равномерных заливок, но при отображении
мелких деталей и чертежей он работает неудовлетворительно. Во втором
случае происходит покадровая вариация цветов одного и того же пиксела,
которые усредняются во времени благодаря инерционности человеческого
глаза. Данный метод обеспечивает неплохие результаты, позволяя
отображать 16,2 млн. оттенков.
Помимо названных схем ЖК-монитор имеет интерфейсы для подключения к
компьютеру (чаще всего DVI и VGA), схемы настройки, реализованные с
помощью нескольких кнопок и экранного меню, а также буферную память.
Последняя нужна, поскольку по VGA-интерфейсу сигнал может поступать с
разной кадровой частотой — 60, 72 и 75 Гц, а ЖК-матрица обновляется с
постоянной частотой 60 Гц. Кстати, именно поэтому на ЖК-мониторы не
рекомендуют подавать сигнал с кадровой частотой выше 60 Гц: качество
изображения от этого не улучшится.
Новации последних лет
Матовое антибликовое (anti-glare) покрытие экрана, созданное еще для
ЭЛТ и с успехом перенесенное на ЖК-мониторы, рассеивает внешний свет во
всех направлениях, но при этом негативно влияет на полезное изображение
от матрицы, слегка размывая его и ослабляя яркость. Ради улучшения
картинки изготовители ЖК-мониторов ввели новые фильтры и покрытия
экрана. Можно встретить в рекламных проспектах броские наименования
технологий: CrystalBrite, Color Shine, Crystal View, UltraBright,
BrightView, VibrantView, OptiClear, XBRITE, TruBrite и др. Общая идея в
том, чтобы заменить традиционное антибликовое покрытие, основанное на
рассеянии падающего света, на глянцевое покрытие с пониженным
отражением (anti-reflective), которое пропускает падающий свет внутрь
матрицы, где он гасится многочисленными пленками. Эффект достигается
благодаря согласованию коэффициентов преломления соприкасающихся
поверхностей, т. е. коэффициент преломления у верхнего слоя экрана
примерно такой же, как у воздуха.
К сожалению, новые технологии не смогли полностью исключить отражение.
В результате картинка выглядит более четкой, насыщенной и контрастной,
но монитор требует особого внимания при размещении относительно окон и
ламп, иначе пользователь будет любоваться в экране на свое отражение. В
общем, идея хороша, но реализация хромает. Неудивительно, что одни
восприняли глянцевые экраны с энтузиазмом, а другие — с неудовольствием.
Любители цифровой фотографии знают, что такое гистограмма и насколько
зрелищной становится картинка после применения несложной операции
изменения наклона гамма-кривой (в редакторе Photoshop она называется
Levels), позволяющей лучше задействовать динамический диапазон
монитора. Одна из последних новаций на рынке ЖК-мониторов — схемы
адаптивной гамма-коррекции, автоматически перестраивающие монитор в
зависимости от входного сигнала. Однако применять их надо осторожно,
иначе ночные сцены на экране будут выглядеть столь же ярко и красочно,
как дневные.
Изготовителям ЖК-панелей, имеющим доступ к схемам управления матрицей,
легче реализовать адаптивное управление, чем компаниям, использующим
уже готовые панели. Поскольку мощного сигнального процессора,
необходимого для пересчета каждого кадра, в мониторе нет, применяются
упрощенные адаптивные алгоритмы с разбиением гамма-кривой на несколько
участков. В настоящее время динамической гамма-коррекцией могут
похвастаться компании BenQ (технология SenseEye), LG Electronics
(f-Engine), Philips (SmartImage) и Samsung Electronics (MagicColor).
Теперь о времени отклика. Стандарт ISO 13406-2 описывает методику
измерения времени отклика в режиме «черный — белый — черный». Способ
измерения в режиме grey-to-grey (GtG, «серый — серый») не
стандартизован. Каждый изготовитель понимает его по-своему.
Для улучшения динамических параметров матриц компании совершенствуют
состав жидкого кристалла и применяют специальные схемы компенсации
времени отклика (overdrive), сокращающие время переключения пиксела
путем подачи кратковременного корректирующего напряжения. Для
безошибочной работы этих схем требуется точно регулировать время и
величину корректирующего импульса в зависимости от текущего и
следующего цветового оттенка.
При этом (в идеале) следует
учитывать такие параметры, как температура матрицы, от которой зависит
вязкость жидких кристаллов. Матрица, кстати, может быть нагрета
неравномерно. Поэтому существующие схемы overdrive работают по
упрощенному алгоритму и порой дают артефакты в виде перерегулирования
на серых оттенках, когда за движущимся темным предметом тянется светлый
след.
Несмотря на отсутствие внятных стандартов на измерение времени отклика
в режиме GtG, многие компании начали приводить этот показатель в
документации на мониторы со схемами overdrive. Тем временем «гонка
миллисекунд» подошла к естественному финишу: после появления мониторов
с паспортным временем отклика 1 мс двигаться дальше оказалось некуда.
Вероятно, следующее соревнование развернется в иной сфере. Для
количественной оценки эффекта размытия движущихся объектов Ассоциация
VESA предлагает ввести параметр MPRT (Motion Picture Response Time),
измеряемый в миллисекундах. Новая метрика учитывает свойство
человеческого глаза усреднять последовательность выводимых в разных
кадрах «моментальных снимков», воспринимая их как тянущийся за
картинкой «хвост».
Дальнейшее улучшение динамических характеристик ЖК-мониторов во многом
ограничивается характером DVI-интерфейса, передающего информацию о
кадрах изображения лишь 60 раз в секунду. Тем не менее изготовители
считают, что простор для совершенствования есть даже в рамках текущего
интерфейса. Так, компания BenQ внедрила технологию «черного кадра»
Perfect Motion, имитирующую обратный ход луча ЭЛТ-мониторов. Гашение
изображения в конце каждого кадра действует двояко: во-первых, оно
готовит человеческий глаз к восприятию следующего кадра; во-вторых,
вводит матрицу в более быстрый режим (переключение между черным и
серым, как правило, идет быстрее, чем между схожими оттенками серого).
Ради улучшения динамики пользователю приходится мириться с мерцанием
экрана, но режим Perfect Motion можно отключить.
В заключение отметим, что высокие цены на профессиональные ЖК-мониторы
объясняются не только применением самых лучших матриц S-IPS, но и
большим объемом ручной работы по калибровке этих устройств. В таких
моделях измеряются характеристики каждого пиксела, которые заносятся в
профиль, записанный в флэш-памяти аппарата, для коррекции изображения.
При замене матрицы обязательно меняют и содержимое ПЗУ.