Технологии создания дисплеев: виды матриц и их особенности. Как устроен жк дисплей

Выбирая себе монитор, телевизор или телефон, покупатель часто стает перед выбором типа экрана. Какому же из них отдать предпочтение: IPS или TFT? Причиной такого замешательства стало постоянное усовершенствование технологий по изготовлению дисплеев.

Все мониторы с TFT технологией можно разделить на три основных типа:

1. TN+Film.
2. PVA/MVA.

То есть, технология TFT представляет собой жидкокристаллический дисплей с активной матрицей , а IPS — это одна из разновидностей этой матрицы . И сравнение этих двух категорий не возможно, так как практически это одно и тоже. Но если все же разобраться более подробно в том, что собой представляет дисплей с TFT матрицей, то сравнение провести можно, но не между экранами, а между технологиями их изготовления: IPS и TFT-TN.

Общее понятие TFT

TFT (Thin Film Transistor) переводится, как тонкопленочный транзистор . В основе ЖК дисплея с технологией TFT лежит активная матрица. Такая технология подразумевает спиральное расположение кристаллов, которые в условиях сильного напряжения делают поворот таким образом, что экран стает черным. А при отсутствии напряжения большой мощности мы видим белый экран. Дисплеи с такой технологией на выходе выдают лишь темно-серый цвет вместо идеального черного. Поэтому TFT дисплеи пользуются популярностью в основном в изготовлении более дешевых моделей.

Описание IPS

Технология матрицы ЖК экрана IPS (In-Plane Switching) подразумевает параллельное расположение кристаллов по всей плоскости монитора . Спирали здесь отсутствуют. И поэтому кристаллы в условиях сильного напряжения не поворачиваются. Иными словами технология IPS — это ничто иное, как улучшенная TFT. Она намного лучше передает черный цвет, тем самым улучшая степень контрастности и яркости изображения. Именно поэтому данная технология стоит дороже, чем TFT, и используется в более дорогих моделях.

Основные отличия TN-TFT и IPS

Желая реализовать как можно больше продукции, менеджеры по продажам вводят людей в заблуждение о том, что TFT и IPS — это совершенно разные типы экранов. Специалисты из сферы маркетинга не дают исчерпывающих сведений о технологиях и это позволяет им выдавать уже существующую разработку за только что появившуюся.

Рассматривая IPS и TFT, мы видим, что это практически одно и тоже . Разница лишь в том, что монитор с IPS технологией являются более свежей разработкой, по сравнению с TN-TFT. Но несмотря на это, все же можно выделить ряд отличий между данными категориями:

1. Повышенная контрастность . То, как отображается черный цвет, напрямую влияет на контрастность изображения. Если наклонить экран с технологией TFT без IPS, то прочитать что-либо будет практически не возможно. А все из-за того, что экран при наклоне стает темным. Если же рассматривать IPS матрицу, то, благодаря тому, что передача черного цвета производится кристаллами идеально, изображение получается достаточно четким.
2. Передача цвета и количество отображаемых оттенков . Матрица TN-TFT не лучшим образом передает цвета. А все из-за того, что каждый пиксель имеет собственный оттенок и это приводит к искажению цвета. Экран с технологией IPS намного бережнее передает изображение.
3. Задержка отклика . Одним из преимуществ TN-TFT экранов над IPS является высокоскоростной отклик. А все потому, что на поворот множества параллельных кристаллов IPS затрачивает много времени. Отсюда делаем вывод, что там, где скорость прорисовки имеет большое значение, лучше использовать экран с матрицей TN. Дисплеи с технологией IPS работают медленнее, но в повседневной жизни этого не заметно. А выявить данное различие можно лишь применив специально предназначенные для этого технологические тесты. Как правило, предпочтение лучше отдавать дисплеям с матрицей IPS.
4. Угол обзора . Благодаря широкому углу обзора экран с технологией IPS не искажает изображения, даже если смотреть на него под углом в 178 градусов. При чем такое значение угла обзора может быть как по вертикали, так и по горизонтали.
5. Энергоемкость . Дисплеи с IPS технологией, в отличии от TN-TFT, требуют больше энергии. Это обусловлено тем, что для того, чтобы повернуть параллельные кристаллы, нужно большое напряжение. В итоге на аккумулятор идет больше нагрузки, чем при использовании TFT матрицы. Если вам необходимо устройство с небольшой энергоемкостью, то TFT технология будет идеальным вариантом.
6. Ценовая политика . В большинстве бюджетных моделей электроники используют дисплеи на основе TN-TFT технологии, поскольку этот вид матрицы является самым недорогим.На сегодняшний день мониторы с IPS матрицей хоть и стоят дороже, но их используют практически во всех современных электронных моделях. Это постепенно приводит к тому, что IPS матрица практически вытесняет оборудование с технологией TN-TFT.

Итоги

Исходя из всего выше сказанного, можно подвести следующий итог.

Основным элементом LCD – мониторов, безусловно, является жидкокристаллическая панель (ЖК-панель). ЖК-панель можно отнести к основным элементам мониторов по следующим соображениям: она является самым габаритным и самым дорогим элементом монитора, а также именно характеристики панели определяют качество изображения и характеристики самого монитора. Устройство панели и принципы, заложенные в ее производство, определяют схемотехнику всей остальной части монитора, определяют его интерфейс и его элементную базу. ЖК-панель, в свою очередь, далеко не простое устройство, ведь в ее составе кроме самой матрицы жидких кристаллов, имеются еще и схемы строчных и столбцовых драйверов, имеются схемы, осуществляющие выборку строк и столбцов. Также внутри панели имеются интерфейсные схемы и микроконтроллер, обслуживающий интерфейсы. Кроме того, многие производители в состав панели вводят и блок задней подсветки. Все это подводит нас к выводу, что грамотный ремонт и диагностика мониторов LCD просто невозможны без знаний о ЖК-панелях.

Самым лучшим способом изучения принципов работы и устройства ЖК-панелей является рассмотрение этих вопросов на примере конкретного изделия. В качества такого примера предлагается выбрать панель модели LTM213U4-L01 производства фирмы Samsung Electronics, являющейся одним из лидеров в производстве данной продукции.

Характеристики ЖК-панели

Вначале, конечно же, стоит определиться, что же за панель предлагается к рассмотрению, ведь ее разрешающая способность, размер, цветовые характеристики и т.п. могут значительно изменять конструктив самой панели. Основные характеристики и особенности ЖК-панели представлены в виде таблицы – табл.1.

Таблица 1.

Параметр, характеристика	Значение
Тип	Активная матрица TFT
Размеры	432 х 324 мм (21.3 дюйма – диагональ), толщина – 26 мм
Вес	3.9 кг
Элемент изображения	Тонкопленочный транзистор на аморфном кремнии (a - Si )
Количество отображаемых цветов	16.7 миллионов (8 бит на каждый цвет)
Количество точек (разрешение)	1600х1200
Типовое время отклика	25 мс
Максимальное время отклика	35 мс
Угол обзора по вертикали или горизонтали	170°
Угол обзора во всех направлениях	Не менее 85 °
Шаг точек	0.27 мм
Режим дисплея	Нормально - черный
Тип задней подсветки	Встроенные лампы типа CCFT – две тройных лампы (всего шесть)
Тип интерфейса	Open LDI (LVDS )
Тип используемого приемника LVDS	DS90CF388
Расположение точек	Вертикальные полосы R , G , B
Используемые технологии
Диапазон рабочих температур	От 0 до +50 °С
Диапазон температур при хранении	От -20 до +65 °С
Допустимые вибрации	До 1 G
Допустимые удары	До 50 G

Конструктив ЖК-панели

Конструктив ЖК-панели

Структурная схема панели LCD -панели показана на рис.1, и по этой схеме можно сделать следующие замечания.

1) В составе панели имеется модуль задней подсветки. Такое решение характерно далеко не для всех моделей LCD -модулей. Однако стоит обратить внимание, что схема инвертора не является составной частью изделия, и инвертор должен разрабатываться производителем монитора. Инвертор – это источник питания, обеспечивающий преобразование напряжения постоянного тока от источника питания в импульсное высоковольтное напряжение, подводимое к лампам. Модуль задней подсветки образован шестью люминесцентными лампами с холодным катодом (CCFL ). Эти шесть ламп собраны в две группы (по три в каждой). Как и в подавляющем большинстве других ЖК-панелей лампы размещаются по краям матрицы жидких кристаллов. Для каждой из шести ламп имеется отдельный соединительный разъем.

2) ЖК-панель оснащена интерфейсом LVDS , что позволяет обеспечить высокую скорость передачи данных и понизить вероятность помех. Применение этого интерфейса также обеспечивает универсальность панели, т.е. ее можно использовать с любой управляющей платой, которая оборудована интерфейсом LVDS . При использовании интерфейса LVDS информация на ЖК-панель передается в последовательном виде, и поэтому в составе панели имеется преобразователь последовательных данных в параллельный вид. Такой преобразователь представляет собой интегральную микросхему, называемую Receiver (приемник). Данные, преобразованные в параллельный вид, передаются далее на микросхему дисплейного контроллера TCON .

3) Микросхема TCON обеспечивает управление синхронизацией, приемом и распределением данных по столбцовым и строковым драйверам. На выходе микросхемы TCON формируется столько управляющих сигналов, сколько всего имеется управляющих транзисторов в панели, а рассчитать их количество достаточно просто. Если данная панель поддерживает «разрешение» 1600х1200, то на экране имеется 1200 строк и 4800 столбцов (1600х3), т.е. каждая цветная точка образована тремя стоящими рядом точками. В данной панели используется именно полосковая топология точек (Stripe ), и пример расположения точек демонстрируется на рис.2.

4) Столбцовые драйверы реализованы в виде интегральной микросхемы. Сигналы на выбор того, или иного драйверного транзистора поступают от микросхемы TCON в виде сигналов TTL – эта взаимосвязь на рис.1показана линией Control . Кроме того, для обеспечения градаций шкалы серого цвета используется метод ШИМ (Pulse Width Modulation - PWM ) . При этом методе используется различная ширина импульсов выборки строки в процессе адресации. При этом поддержка метода ШИМ обеспечивается аппаратно в структуре именно драйвера столбцов. По шине управления (на рис. 1 она обозначена VideoData ) для каждого пиксела передается 8-битовый код, которому соответствует 256 градаций шкалы серого. Коды градации записываются в регистр столбцового драйвера, а затем преобразуются в длительностьимпульсов пропорционально коду.

Оптические характеристики ЖК-панели и методы их измерения

Основные оптические характеристики, которые специфицируются для панелей на основе жидких кристаллов, и их значения для панели Samsung LTM 213 U 4- L 01представлены в табл.2.

Конструктив ЖК-панели

Структурная схема панели LCD-панели показана на рис.1, и по этой схеме можно сделать следующие замечания.

Рис. 1

1) В составе панели имеется модуль задней подсветки. Такое решение характерно далеко не для всех моделей LCD-модулей. Однако стоит обратить внимание, что схема инвертора не является составной частью изделия, и инвертор должен разрабатываться производителем монитора. Инвертор – это источник питания, обеспечивающий преобразование напряжения постоянного тока от источника питания в импульсное высоковольтное напряжение, подводимое к лампам. Модуль задней подсветки образован шестью люминесцентными лампами с холодным катодом (CCFL). Эти шесть ламп собраны в две группы (по три в каждой). Как и в подавляющем большинстве других ЖК-панелей лампы размещаются по краям матрицы жидких кристаллов. Для каждой из шести ламп имеется отдельный соединительный разъем.

2) ЖК-панель оснащена интерфейсом LVDS, что позволяет обеспечить высокую скорость передачи данных и понизить вероятность помех. Применение этого интерфейса также обеспечивает универсальность панели, т.е. ее можно использовать с любой управляющей платой, которая оборудована интерфейсом LVDS. При использовании интерфейса LVDS информация на ЖК-панель передается в последовательном виде, и поэтому в составе панели имеется преобразователь последовательных данных в параллельный вид. Такой преобразователь представляет собой интегральную микросхему, называемую Receiver (приемник). Данные, преобразованные в параллельный вид, передаются далее на микросхему дисплейного контроллера TCON.

3) Микросхема TCON обеспечивает управление синхронизацией, приемом и распределением данных по столбцовым и строковым драйверам. На выходе микросхемы TCON формируется столько управляющих сигналов, сколько всего имеется управляющих транзисторов в панели, а рассчитать их количество достаточно просто. Если данная панель поддерживает «разрешение» 1600х1200, то на экране имеется 1200 строк и 4800 столбцов (1600х3), т.е. каждая цветная точка образована тремя стоящими рядом точками. В данной панели используется именно полосковая топология точек (Stripe), и пример расположения точек демонстрируется на рис.2.

Рис. 2

4) Столбцовые драйверы реализованы в виде интегральной микросхемы. Сигналы на выбор того, или иного драйверного транзистора поступают от микросхемы TCON в виде сигналов TTL – эта взаимосвязь на рис.1 показана линией Control. Кроме того, для обеспечения градаций шкалы серого цвета используется метод ШИМ (Pulse Width Modulation - PWM) . При этом методе используется различная ширина импульсов выборки строки в процессе адресации. При этом поддержка метода ШИМ обеспечивается аппаратно в структуре именно драйвера столбцов. По шине управления (на рис. 1 она обозначена VideoData) для каждого пиксела передается 8-битовый код, которому соответствует 256 градаций шкалы серого. Коды градации записываются в регистр столбцового драйвера, а затем преобразуются в длительность импульсов пропорционально коду.

5) В составе ЖК-панели имеется схема управления питающими напряжениями. Эта схема представляет собой преобразователь и регулятор, формирующий питающие напряжения для всех элементов панели, причем номиналы этих напряжений различны.

Оптические характеристики ЖК-панели и методы их измерения

Основные оптические характеристики, которые специфицируются для панелей на основе жидких кристаллов, и их значения для панели Samsung LTM213U4-L01 представлены в табл.2.

Таблица 2.

Характеристика				Обознач.	Условия измерения	Значение			Ед. измер
						мин	тип	макс
Масштаб контрастности					Измерительная аппаратура размещается строго перпендикулярно экрану – угол обзора равен 0° в любом направлении: θ = 0° φ = 0°
Время отклика		Нарастающий фронт							мсек
		Спадающий фронт							мсек
Яркость белого (центр экрана)				Y(L)					Кд/м 2
Цветовые координаты	Красного цвета		(X )			Отклонение 0 .03	0.632	Отклонение 0 .03
			(Y )				0.353
	Зеленого цвета		(X )				0.293
			(Y )				0.590
	Синего цвета		(X )				0.140
			(Y )				0.090
	Белого цвета		(X )				0.310
			(Y )				0.340
Угол обзора	По горизонтали		Влево		Измерение угла осуществляется при уровне контрастности больше 10 (C / R > 10)				град.
			Вправо						град.
	По вертикали		Вверх	φ H					град.
			Вниз	φ L					град.
Неравномерность яркости				Buni

Достаточно интересными являются методики измерения тех характеристик, которые упоминаются в табл.2, и рассмотрение более подробно этих методик дает очень хорошее представление о том, на что обращать внимание при выборе и определении качества LCD-монитора. Эта информация также необходима и сервисным службам, т.к. после завершения ремонтных работ необходимо осуществлять контроль выходных параметров отремонтированного изделия, и в случае несоответствия их заданным значениям, либо произвести регулировку, либо осуществить замену изделия из-за невозможности обеспечить требуемого качества изображения. Начнем рассмотрение методик по порядку упоминания характеристик монитора в таблице.

Но прежде чем говорить о методиках измерения параметров ЖК-панели, стоит сказать о том, что эти работы необходимо производить только после того, как температура панели стабилизируется. Поэтому следует вначале оставить ЖК-монитор в помещении, где будут производиться измерения примерно на 30 минут. Это помещение должно быть темным, т.е. в нем не должно быть окон, и температура в комнате измерений должна быть стабильной. Температура окружающего воздуха в комнате измерений должна иметь значение +25°С (±2°С). Требование отсутствия окон в помещении связано с тем, что внешний свет может исказить результаты измерения яркости, контрастности и угла обзора.

После истечения 30 минут монитор включается, и начинают светить лампы задней подсветки, что приводит к разогреву самой ЖК-панели. Чтобы избежать возможных искажений и неточностей измерений, необходимо подождать, пока панель не прогреется уже под действием лампы задней подсветки. После включения монитора необходимо подождать еще около 30 минут. И только после этого можно быть уверенным в точности измерений и в отсутствии температурных погрешностей.

Как уже упоминалось, измерительное оборудование должно устанавливаться строго против центра экрана, без каких либо наклонов, так как это показано на рис.3.

Рис. 3

В качестве измерителей характеристик монитора фирмой Samsung предлагается использовать анализаторы (фотодетекторы) следующих типов:

1. TOPCON BM-5A

3. PHOTO RESEARCH PR650

Прибор BM-5A размещают на расстоянии 40 см от экрана и этим прибором проводятся измерения яркости, диапазона контрастности, угла обзора и неравномерности яркости экрана. Прибором BM-7 проводится измерение времени отклика точек, и размещается прибор на расстоянии 50 см от экрана. Прибором PR650, устанавливаемым на расстоянии 50см от поверхности экрана, проводится измерение цветовых характеристик (координат) панели.

Для получения некоторых параметров ЖК-панели измерения нужно производить не только в центре, но и на краях экрана. Эти точки (и их координаты, т.е. строки и столбцы) отмечены на рис.4.

Рис. 4

Измерение контрастности

Масштаб (диапазон) контрастности, обозначаемый в англоязычной технической документации как C/R, является соотношением двух значений яркости: для белого и для черного экрана – формула (1).

Анализатором получают два значения Gmax и Gmin в центральной точке экрана (точка №5 на рис.4). Значение Gmax измеряется, когда все точки ЖК-панели светятся белым цветом. Значение Gmin измеряется анализатором при условии, что все точки экрана – черные.

Большое значение масштаба контрастности является несомненным достоинством изделия, т.к. такая панель обеспечивает широкий диапазон регулировки контрастности изображения.

Измерение времени отклика

Время отклика является суммой двух параметров: времени нарастания (Tr) и временем спада (Tf). Время нарастания измеряется при переключении ЖК-панели с черного цвета на белый. Время спада измеряется при переключении панели с белого цвета на черный. Принцип измерения времени Tr и времени Tf демонстрируется на рис.5.

Рис. 5

Измерение яркости белого

Эта характеристика ЖК-панели измеряется прибором BM-5A в центре экрана (точка №5 на рис.4). Большое значение этой характеристики соответствует широкому диапазону яркости и также является признаком хорошей панели.

Измерение цветовых характеристик

Цветовые координаты каждого цвета измеряются прибором PR650, также устанавливаемым строго напротив центра экрана (точка №5 на рис.4). Измерение цветовых характеристик проводится в соответствии со спецификацией CIE1931. Измерение цветовых координат производится для каждого цвета в отдельности, для чего на экране последовательно включается соответствующий цвет.

Измерение неравномерности яркости экрана

Для получения данной характеристики прибором BM-5A измерение яркости проводится девять раз – в каждой из точек, указанных на рис.4 при условии, что все точки экрана белые. Далее из девяти полученных результатов выбирается два – максимально значение (Bmax) и минимальное (Bmin), и по этим двум результатам вычисляется неравномерность в соответствии с формулой (2).

Кроме визуальных параметров LCD-панель описывается еще и электрическими характеристиками, приведенными в табл. 3.

Таблица 3.

Параметр		Обознач.	Значение					Ед. измер
			мин	тип		макс
Напряжение питания
Тип интерфейса		LVDS	Open LDI
Потребляемый ток	При черном шаблоне					1020	мА
	При мозаичном шаблоне				1060	1200	мА
					1260	1520	мА
							Гц
		F H					кГц
		F DCLK					МГц
Пиковое значение тока		I RUSH

Некоторые данные, приведенные в таблице, нуждаются в пояснении.

1. Полоса пропускания (основная частота) – это частота синхронизации точек, определяемая на входе передатчика шины LVDS (об этом подробнее читайте в №2 нашего журнала).

2. Пиковое значение тока определяется в момент подачи питающего напряжения на ЖК-панель. Для получения пикового тока в момент подачи напряжения питания должны быть выполнены следующие условия:

- все управляющие и все сигнальные линии ЖК-панели должны быть заземлены;

- время нарастания питающего напряжения должно быть около 470 мкс (если быть точным, то за 470 мкс уровень напряжения в линии питания ЖК-панели должен измениться от величины 10% до 90% от номинального значения).

3. Величина потребляемого ЖК-панелью тока зависит от выводимого изображения. Минимальный ток панель потребляет при выводе сплошного черного изображения, а максимальный – при сплошной белой картинке. Но измерять величину Idd принято при загрузке на экран определенного шаблона. Как видно из таблицы, потребляемый ток измеряется три раза – на разных шаблонах, что дает более объективную картину .

Такими шаблонами являются:

1. Сплошной черный экран - рис.6.

Рис. 6

2. Мозаичный экран, или шахматное поле - рис.7.

Рис. 7

3. Вертикальные чередующиеся черные и белые линии, причем каждая линия (как черна, так и белая) состоит из двух вертикальных логических столбцов – рис.8.

Рис. 8

Модуль задней подсветки

В панели Samsung LTM213U4-L01 модуль задней подсветки состоит из шести ламп, разделенных на две группы – в каждой группе по три лампы. Электрические характеристики пары ламп модуля задней подсветки представлены в табл.4.

Таблица 4.

Параметр		Обознач.	Значение					Ед. измер
			мин	тип		макс
Напряжение питания
Тип интерфейса		LVDS	Open LDI
Потребляемый ток	При черном шаблоне					1020	мА
	При мозаичном шаблоне				1060	1200	мА
	При шаблоне двух вертикальных линий				1260	1520	мА
Частота кадровой синхронизации							Гц
Частота строчной синхронизации		F H					кГц
Полоса пропускания (основная частота)		F DCLK					МГц
Пиковое значение тока		I RUSH

В современных ЖК-панелях традиционно используются люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) – исключением не является и рассматриваемая в этом обзоре. Но для всех люминесцентных ламп характерна одна особенность – это значительная зависимость и яркости свечения и режима включения лампы от окружающей температуры.

Напряжение питания на лампы подается с инвертора, который может управляться методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Яркость ламп и их время «жизни» определяется исключительно схемой инвертора, поэтому задачей производителя монитора будет разработка такой схемы инвертора, которая не должна выдавать слишком высокое напряжение на лампы. В качестве требований к инвертору можно назвать еще и стабильность импульсного высокочастотного напряжения на выходе.

Высокая частота в несколько десятков кГц, на которой работают люминесцентные лампы, может стать причиной явления интерференции, вызванного взаимодействием частоты ламп и частоты срочной развертки. Явление интерференции приводит к появлению на экране монитора такого явления, как «плывущие» строки и муар. Для подавления интерференции частота, на которой работает инвертор, должна отличаться от частоты строчной развертки и от частоты основных гармоник строчной развертки настолько, насколько это возможно обеспечить.

Хорошо спроектированный инвертор должен обеспечивать собственное отключение не позднее чем через 1 сек. В том случае, если разъем ламп задней подсветки не подключен.

Время «жизни» ламп (Hr) является условной величиной, вычисляемой как время, в течение которого выходная яркость ламп уменьшится вдвое по сравнению с начальным периодом работы. При вычислении времени «жизни» необходимо учитывать окружающую температуру, которая должна быть 25°С, а также величину действующего тока лампы, который для данной панели должен быть на уровне 6.5 мArms.

Так как лампы размещают по краям экрана, то для обеспечения симметрии с каждой стороны экрана находится по одной лампе из пары (рис.9).

Рис. 9

На рис.10 демонстрируется распределение выводов модуля задней подсветки по разъемам и их соответствие разъемам инвертора.

Рис. 10

Интерфейсы панели

ЖК-панель соединяется с внешними схемами тремя интерфейсами:

- интерфейс напряжения питания (12-контактный разъем);

- интерфейс напряжения питания модуля задней подсветки (6 разъемов по 3-4 контакта);

- интерфейс LVDS для передачи управляющих сигналов, сигналов синхронизации и цветовой информации.

Интерфейс напряжения питания имеет весьма простое распределение сигналов по контактам – первые шесть выводов – напряжение +5В, оставшиеся шесть выводов – «земля» (табл.5).

Таблица 5.

	Назначение
	5 В
	5 В
	5 В
	5 В
	5 В
	5 В
9,10

Интерфейс модуля задней подсветки уже был достаточно подробно расписан в предыдущем разделе статьи. Осталось решить вопрос с информационным интерфейсом.

В ЖК-панели LTM213U4-L01используется интерфейс LVDS, ставший на сегодняшний момент самым широко используемым в LCD-модулях. Так как данные по этому интерфейсу передаются по паре дифференциальных линий в последовательном виде, в составе ЖК-модуля имеется приемник шины LVDS, который обеспечивает преобразование последовательного кода получаемых данных в параллельный вид, удобный для контроллера TCON. В качестве приемника шины LVDS в данном устройстве используется микросхема DS90C388. Но приемник и передатчик сигналов LVDS обычно представляют собой единый набор интегральных микросхем. В паре с приемником в качестве передатчика LVDS применяется микросхема DS90C387, размещаемая на плате управления ЖК-панелью. Интерфейс LVDS выполнен в виде 31-контактного разъема, распределение сигналов на котором описывается таблицей 6.

Таблица 6.

№	Обознач.	Назначение
		Общий
		Общий
	A 0 M	Вход данных (канал 0) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 0) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Вход данных (канал 1) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 1) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Вход данных (канал 2) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 2) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Общий
		Общий
	CLKM	Вход синхросигналов для преобразования данных из последовательного вида в параллельный. Инверсный вывод дифференциального усилителя.
	CLKP	Вход синхросигналов для преобразования данных из последовательного вида в параллельный. Прямой вывод дифференциального усилителя.
	A 3 M	Выход данных (канал 3) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Выход данных (канал 3) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Общий
		Общий
		Вход данных (канал 4) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 4) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Вход данных (канал 5) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 5) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Вход данных (канал 6) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 6) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Общий
		Общий
		Вход данных (канал 7) дифференциальной пары (инверсный вывод)
		Вход данных (канал 7) дифференциальной пары (прямой вывод)
		Зарезервированы

Более полное представление о конфигурации интерфейса дает рис.11.

Рис. 11

Цвет каждой точки кодируется 24-битами, т.е. по 8 разрядов на каждый из основных цветов (красный, зеленый, синий). Информация по каждому из трех цветов передается по двум дифференциальным линиям, что делается для увеличения производительности интерфейса. Таким образом, для передачи цвета используется шесть каналов дифференциальных линий. Еще один дифференциальный канал используется для передачи сигналов строчной и кадровой синхронизации.

На выходе приемника LVDS формируются 24 бита данных четных точек строки (BE...,GE..,RE...) и 24 бита нечетных точек (BO..., GO..., RO...). Временные диаграммы интерфейса представлены на рис.12.

Рис. 12

Техническое обслуживание и эксплуатация ЖК-панели

Рассмотрев все особенности внутреннего устройства ЖК-панели Samsung LTM213U4-L01, переходим к одному из самых практических вопросов: как правильно работать с этим модулем, что допускается с ним делать, а что категорически запрещается, каким образом обеспечить грамотный уход за панелью во время эксплуатации и какие меры предосторожности соблюдать при проведении ремонтных работ. Все правила и рекомендации, приведенные ниже, относятся к ЖК-панели, но так как она является основным элементом мониторов, то автоматически все сказанное можно перенести и на LCD-мониторы в целом.

Правила хранения ЖК-панели

1. Нельзя надолго помещать ЖК-модуль в условия повышенной температуры и повышенной влажности. Наиболее оптимальными условиями для хранения является температура от 0 до +35°С, при относительной влажности менее 70%.

2. Нельзя хранить панели TFT-LCD при воздействии на них прямого солнечного света.

3. ЖК-панели должны храниться в темном месте, защищенном от попадания солнечного света и света люминесцентных ламп.

Правила эксплуатации и обслуживания ЖК-панели

1. ЖК-панель не должна подвергаться механическим деформациям и воздействию сил на скручивание.

2. Избегать воздействия сильных ударов и воздействия перегрузок. Это может приводить к повреждению не только самой матрицы LCD-TFT, но и ламп модуля задней подсветки.

3. Поляризующая поверхность панели очень хрупкая и может быть очень легко повреждена. Нельзя нажимать на поверхность экрана и царапать ее карандашами, ручками и т.п.

4. При попадании на поверхность экрана капель воды, масла или жира немедленно удалить (вытереть) их. Если капли оставить, то это может привести к образованию пятен и потери цветопередачи в данных местах.

5. В случае загрязнения поверхности экрана чистку производить специальными абсорбирующими салфетками или очень мягкой тканью.

6. В качества очищающих средств для чистки экрана желательно использовать воду, изопропиловый спирт или гексан.

7. Категорически запрещается применять растворители класса кетонов (например, ацетон), этиловый спирт, толуол, этиловую кислоту, метолхлорид и все средства, производимые на их основе. Применение перечисленных веществ может мгновенно повредить поляризующий слой экрана за счет возникающей химической реакции.

8. Если из панели вытекает материал жидких кристаллов, то запрещается его трогать руками, подносить к глазам, носу и рту. Если же этот состав все-таки попал на кожу, руки или на одежду, то необходимо промыть все тщательно водой с мылом.

9. Необходимо принять меры по защите панели от электростатических разрядов, которые могут стать причиной отказа электронных элементов (микросхем) внутри панели.

11. Защитная пленка с экрана должна удаляться непосредственно перед применением, т.к. она обеспечивает защиту и от электростатических разрядов.

12. При наружном применении ЖК-панели (на открытом воздухе) желательно использовать ультрафиолетовые фильтры.

13. При эксплуатации необходимо избегать образования конденсата.

14. Если на экране в течение очень долгого времени отображается одна и та же информация, то пользователь может столкнуться с явлением, при котором даже при выключенном мониторе на экране видны контуры этого изображения, т.е. экран как бы «прогорает» под соответствующее изображение.

1. При установке ЖК-панели необходимо следить за тем, чтобы все крепежные элементы были использованы, т.е. панель в корпус должна устанавливаться надежно и крепко.

2. Стоит предотвращать изгиб проводов ламп задней подсветки и запрещается сильно тянуть эти провода.

4. Запрещается трогать голыми руками (без перчаток) контакты соединительных разъемов панели – это может ухудшить их проводимость.

5. Монтажные и демонтажные работы лучше всего проводить на специальных лотках, покрытых мягкими антистатическими материалами и с использованием мягких перчаток.

6. Подключение и отключение панели от управляющих схем следует производить исключительно при выключенном питании.

7. Высокие частоты, на которых работают внутренние электронные схемы ЖК-панели, могут стать причиной явления электромагнитной интерференции. Для уменьшения этих явлений осуществляется «заземление» панели и ее экранировка. Поэтому при монтаже панели все эти меры должны строго соблюдаться.

8. Стоит также учесть тот момент, что длина соединительного кабеля между лампами задней подсветки и инвертором должна быть минимальной, и лампы к инвертору должны подключаться непосредственно. Удлинение соединительных проводов может стать причиной снижения яркости задней подсветки и увеличения пускового напряжения.

Для многих жидкокристаллические дисплеи (LCD) ассоциируются, прежде всего, с плоскими мониторами, "крутыми" телевизорами, ноутбуками, видеокамерами и сотовыми телефонами. Некоторые добавят сюда КПК, электронные игры, банковские автоматы. Но существует еще множество областей, где необходимы дисплеи с высокой яркостью, прочной конструкцией, работающие в широком диапазоне температур.

Плоские дисплеи нашли применение там, где критичными параметрами являются минимальные энергопотребление, вес и габариты. Машиностроение, автомобильная промышленность, железнодорожный транспорт, морские буровые установки, горное оборудование, наружные торговые точки, авиационная электроника, морской флот, специальные транспортные средства, системы безопасности, медицинское оборудование, вооружение - вот далеко не полный перечень применений жидкокристаллических дисплеев.

Постоянное развитие технологий в этой области позволило снизить стоимость производства LCD до такого уровня, при котором произошел качественный переход: дорогая экзотика стала обыденным явлением. Важным фактором быстрого распространения ЖК-дисплеев в промышленности стала и простота применения.

В этой статье рассматриваются основные параметры различные типов жидкокристаллических дисплеев, что позволит сделать осознанный и правильный выбор LCD для каждого конкретного применения (метод "побольше и подешевше" практически всегда оказывается слишком дорогим).

Все многообразие ЖК-дисплеев можно разделить на несколько типов в зависимости от технологии производства, конструкции, оптических и электрических характеристик.

Технология

В настоящее время при производстве LCD применяются две технологии (рис.1): пассивная матрица (PMLCD-STN) и активная матрица (AMLCD).

Технологии MIM-LCD и Diode-LCD не получили широкого распространения и поэтому не будем на них тратить время.

Рис. 1. Виды технологий жидкокристаллических дисплеев

STN (Super Twisted Nematic)- матрица, состоящая из ЖК-элементов с изменяемой прозрачностью.

TFT (Thin Film Transistor)- активная матрица, в которой каждый пиксел управляется отдельным транзистором.

По сравнению с пассивной матрицей, TFT LCD имеет более высокую контрастность, насыщенность, меньшее время переключения (нет "хвостов" у движущихся объектов).

Управление яркостью в жидкокристаллическом дисплее основано на поляризации света (курс общей физики): свет поляризуется, проходя через поляризационный фильтр (с определенным углом поляризации). При этом наблюдатель видит только снижение яркости света (почти в 2 раза). Если за этим фильтром поставить еще один такой фильтр, то свет будет полностью поглощаться (угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу поляризации первого) или полностью проходить (углы поляризации совпадают). При плавном изменении угла поляризации второго фильтра интенсивность проходящего света будет также плавно изменяться.

Принцип действия и "бутербродная" структура всех TFT LCD примерно одинакова (рис. 2). Свет от лампы подсветки (неоновая или светодиоды) проходит через первый поляризатор и попадает в слой жидких кристаллов, управляемых тонкопленочным транзистором (TFT). Транзистор создает электрическое поле, которое формирует ориентацию жидких кристаллов. Пройдя такую структуру, свет меняет свою поляризацию и будет - или полностью поглощен вторым поляризационным фильтром (черный экран), или не будет поглощаться (белый), или поглощение будет частичным (цвета спектра). Цвет изображения определяют цветовые фильтры (аналогично электронно-лучевым трубкам, каждый пиксел матрицы состоит из трех субпикселов - красного, зеленого и голубого).

Рис. 2. Структура TFT LCD

Пиксел TFT

Цветные фильтры для красного, зелёного и синего цветов интегрированы в стеклянную основу и расположены близко друг к другу. Это может быть вертикальная полоса, мозаичная структура или дельта-структура (рис. 3). Каждый пиксел (точка) состоит из трёх ячеек указанных цветов (субпикселей). Это означает, что при разрешении m x n активная матрица содержит 3m x n транзисторов и субпикселов. Шаг пиксела (с тремя субпикселами) для 15.1" TFT ЖК-дисплея (1024 x 768 точек) составляет примерно 0.30 мм, а для 18.1" (1280 x 1024 точки)- 0.28 мм. TFT LCD имеют физическое ограничение, которое определяется максимальной площадью экрана. Не ждите разрешения 1280 x 1024 при диагонали 15" и шаге точки 0.297 мм.

Рис. 3. Структура цветного фильтра

На близком расстоянии точки явственно различимы, но это не беда: при формировании цвета используется свойство человеческого глаза смешивать цвета при угле зрения менее 0,03°. На расстоянии 40 см от ЖК-дисплея при шаге между субпикселами 0,1 мм угол зрения составит 0,014° (цвет каждого субпиксела различит только человек с орлиным зрением).

Типы ЖК-дисплеев

TN (Twist Nematic) TFT или TN+Film TFT - первая технология, появившаяся на рынке ЖК-дисплеев, основное достоинство которой& - дешевизна. Недостатки: черный цвет больше похож на темно-серый, что приводит к низкой контрастности изображения, "мертвые" пиксели (при выходе из строя транзистора) очень яркие и заметные.

IPS (In-Pane Switching) (Hitachi) или Super Fine TFT (NEC, 1995 год). Характеризуется наибольшим углом обзора и высокой точностью цветопередачи. Угол обзора расширен до 170°, остальные функции - как у TN+Film (время отклика порядка 25мс), практически идеальный черный цвет. Преимущества: хорошая контрастность, "мертвый" пиксель - черный.

Super IPS (Hitachi), Advansed SFT (производитель - NEC). Достоинства: яркое контрастное изображение, искажения цвета почти незаметны, увеличены углы обзора (до 170° по вертикали и по горизонтали) и обеспечена исключительная четкость.

UA-IPS (Ultra Advanced IPS), UA-SFT (Ultra Advanced SFT) (NEC). Время реакции достаточно для обеспечения минимальных искажений цвета при просмотре экрана под разными углами, повышенная прозрачность панели и расширение цветовой гаммы при достаточно высоком уровне яркости.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) (Fujitsu).Основное преимущество - наименьшее время реакции и высокая контрастность. Главный недостаток - высокая стоимость.

PVA (Patterned Vertical Alignment) (Samsung). Микроструктурное вертикальное размещение ЖК.

Конструкция

Конструкция жидкокристаллического дисплея определяется расположением слоев в "бутерброде" (включая и светопроводящий слой) и имеет наибольшее значение для качества изображения на экране (в любых условиях: от темного помещения до работы при солнечном свете). В настоящее время используются три основных типа цветных LCD:

• пропускающий (transmissive), предназначенный в основном для оборудования, работающего в помещении;
• отражающий (reflective) применяется в калькуляторах и часах;
• проекционный (projection) используется в ЖК-проекторах.

Компромиссной разновидностью пропускающего типа дисплея для работы, как в помещении, так и при внешнем освещении, является полупрозрачный (transflective) тип конструкции.

Пропускающий тип дисплея (transmissive) . В этом типе конструкции свет поступает сквозь жидкокристаллическую панель с задней стороны (подсветка) (рис. 4).По этой технологии сделаны большинство ЖК-дисплеев, используемых в ноутбуках и карманных компьютерах. Transmissive LCD имеет высокое качество изображения в помещении и низкое (черный экран) при солнечном свете, т.к. отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, излучаемый подсветкой. Эта проблема решается (в настоящее время) двумя способами: увеличением яркости задней подсветки и уменьшением количества отраженного солнечного света.

Рис. 4. Конструкция жидкокристаллического дисплея пропускающего типа

Для работы при дневном освещении в тени необходима лампа подсветки, обеспечивающая 500 кд/м2, при прямом солнечном свете - 1000 кд/м 2 . Яркости в 300 кд/м 2 можно добиться путем предельного увеличения яркости одной лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) или добавлением второй лампы, расположенной напротив. Модели жидкокристаллических дисплеев с повышенной яркостью используют от 8 до 16 ламп. Однако увеличение яркости подсветки увеличивает расход энергии батарей (одна лампа подсветки потребляет около 30% энергии, используемой устройством). Следовательно, экраны с повышенной яркостью можно использовать только при наличии внешнего источника питания.

Уменьшение количества отраженного света достигается нанесением антиотражающего покрытия на один или несколько слоев дисплея, заменой стандартного поляризационного слоя на минимально отражающий, добавлением пленок, повышающих яркость и, таким образом, увеличивающих эффективность источника света. В ЖК-дисплеях Fujitsu преобразователь заполняется жидкостью с коэффициентом рефракции, равным коэффициенту рефракции сенсорной панели, что значительно сокращает количество отраженного света (но сильно сказывается на стоимости).

Полупрозрачный тип дисплея (transflective) похож на пропускающий, но у него между слоем жидких кристаллов и подсветкой имеется т. н. частично отражающий слой (рис.5). Он может быть или частично серебряным, или полностью зеркальным со множеством маленьких отверстий. Когда такой экран используется в помещении, он работает аналогично transmissive LCD, в котором часть освещения поглощается отражающим слоем. При дневном освещении солнечный свет отражается от зеркального слоя и освещает слой ЖК, при этом свет проходит жидкие кристаллы дважды (внутрь, а затем наружу). Как следствие, качество изображения при дневном освещении ниже, чем при искусственном освещении в помещении, когда свет проходит LCD один раз.

Рис. 5. Конструкция жидкокристаллического дисплея полупрозрачного типа

Баланс между качеством изображения в помещении и при дневном освещении достигается подбором характеристик пропускающего и отражающего слоев.

Отражающий тип дисплея (reflective) имеет полностью отражающий зеркальный слой. Все освещение (солнечный свет или свет передней подсветки) (рис. 6), проходит сквозь ЖКИ, отражается от зеркального слоя и снова проходит сквозь ЖКИ. В этом случае качество изображения у дисплеев отражающего типа ниже, чем у полупропускающего (так как в обоих случаях используются сходные технологии). В помещении передняя подсветка не так эффективна, как задняя, и, соответственно, качество изображения - ниже.

Рис. 6. Конструкция жидкокристаллического дисплея отражающего типа

Основные параметры жидкокристаллических панелей

Разрешение. Цифровая панель, число пикселей в которой строго соответствует номинальному разрешению, должна корректно и быстро масштабировать изображение. Простой способ проверки качества масштабирования - изменение разрешения (на экране текст, написанный мелким шрифтом). По контурам букв легко заметить качество интерполяции. Качественный алгоритм дает ровные, но немного размытые буквы, тогда как быстрая целочисленная интерполяция обязательно вносит искажения. Быстродействие - второй параметр разрешения (для масштабирования одного кадра требуется время на интерполяцию).

Мертвые пиксели. На плоской панели могут не работать несколько пикселей (они всегда одного цвета), которые появляются в процессе производства и восстановлению не подлежат.

Стандарт ISO 13406-2 определяет предельные значения количества дефектных пикселов на миллион. В соответствии с таблицей ЖК-панели делятся на 4 класса.

Таблица 1

Тип 1 - постоянно светящиеся пиксели (белый); Тип 2 - "мертвые" пиксели (черный); Тип 3 - дефектные красные, синие и зеленые субпиксели.

Угол обзора. Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Но в первую очередь при изменении угла обзора от 90(видны искажения цвета. Поэтому, чем больше угол обзора, тем лучше. Различают горизонтальный и вертикальный угол обзора, рекомендуемые минимальные значения - 140 и 120 градусов соответственно (наилучшие углы обзора даёт технология MVA).

Время отклика (инерционность)- время, за которое транзистор успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов (чем меньше, тем лучше). Для того чтобы быстро движущиеся объекты не казались смазанными, достаточно времени отклика 25 мс. Этот параметр состоит из двух величин: времени на включение пикселя (come-up time) и времени на выключение (come-down time). Время отклика (точнее, время выключения как наибольшее время, за которое отдельный пиксель максимально изменяет свою яркость) определяет частоту обновления изображения на экране

FPS = 1 с/время отклика.

Яркость - преимущество ЖК-дисплея, которая в среднем в два раза выше показателей ЭЛТ: с увеличением интенсивности лампы подсветки сразу возрастает яркость, а в ЭЛТ необходимо усиливать поток электронов, что приведёт к значительному усложнению её конструкции и повысит электромагнитное излучение. Рекомендуемое значение яркости - не менее 200 кд/м 2 .

Контрастность определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Основная проблема заключается в сложности получения точки чёрного цвета, т.к. лампа подсветки включена постоянно и для получения тёмных тонов используется эффект поляризации. Чёрный цвет зависит от качества перекрытия светового потока подсветки.

ЖК-дисплеи как сенсоры. Снижение стоимости и появление моделей LCD, работающих в жестких условиях эксплуатации, позволило совместить в одном лице (в лице жидкокристаллического дисплея) средство вывода визуальной информации и средство ввода информации (клавиатура). Задача построения такой системы упрощается использованием контроллера последовательного интерфейса, который подключается, с одной стороны, к ЖК-дисплею, а с другой - непосредственно к последовательному порту (СОМ1 - СОМ4) (рис.7). Для управления, декодирования сигналов и подавления "дребезга" (если так можно назвать определение прикосновения) применяется PIC-контроллер (например, IF190 фирмы Data Display), обеспечивающий высокое быстродействие и точность определения точки прикосновения.

Рис. 7. Блок-схема TFT LCD на примере NL6448BC-26-01 дисплея фирмы NEC

Завершим на этом теоретические изыскания и перейдем к реалиям сегодняшнего дня, а точнее - к тому, что имеется сейчас на рынке жидкокристаллических дисплеев. Среди всех изготовителей TFT LCD рассмотрим продукцию NEC, Sharp, Siemens и Samsung. Выбор этих фирм обусловлен

1. лидерством на рынке ЖК-дисплеев и технологий производства TFT LCD;
2. доступностью продукции на рынке стран СНГ.

Компания NEC Corporation выпускает жидкокристаллические дисплеи (20% рынка) практически с момента их появления и предлагает не только широкий выбор, но и различные варианты исполнения: стандартный (Standard), специальный (Special) и особый (Specific). Стандартный вариант - компьютеры, офисное оборудование, домашняя электроника, коммуникационные системы и т.п. Специальное исполнение применяется на транспорте (любом: наземном и морском), системах управления движением, системах безопасности, медицинском оборудовании (не связанном с системами жизнеобеспечения). Для систем вооружений, авиации, космического оборудования, систем управления ядерными реакторами, систем жизнеобеспечения и других аналогичных предназначен особый вариант исполнения (понятно, что стоит это недешево).

Перечень выпускаемых ЖК-панелей для промышленного применения (инвертер для лампы подсветки поставляется отдельно) приведен в таблице 2, а блок-схема (на примере 10-дюймового дисплея NL6448BC26-01)- на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид дисплея

Таблица 2. Модели ЖК-панелей фирмы NEC

Модель	Размер по диагонали, дюйм	Количество пикселей	Число цветов	Описание
NL8060BC31-17	12,1	800x600	262144	Высокая яркость (350кд/м 2)
NL8060BC31-20	12,1	800x600	262144	Широкий угол обзора
NL10276BC20-04	10,4	1024x768	262144	-
NL8060BC26-17	10,4	800x600	262144	-
NL6448AC33-18A	10,4	640x480	262144	Встроенный инвертор
NL6448AC33-29	10,4	640x480	262144	Высокая яркость, широкий угол обзора, встроенный инвертор
NL6448BC33-46	10,4	640x480	262144	Высокая яркость, широкий угол обзора
NL6448CC33-30W	10,4	640x480	262144	Без подсветки
NL6448BC26-01	8,4	640x480	262144	Высокая яркость (450 кд/м 2)
NL6448BC20-08	6,5	640x480	262144	-
NL10276BC12-02	6,3	1024x768	16, 19M	-
NL3224AC35-01	5,5	320x240	Full color
NL3224AC35-06	5,5	320x240	Full color	Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор, тонкий
NL3224AC35-10	5,5	320x240	Full color	Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор
NL3224AC35-13	5,5	320x240	Full color	Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор
NL3224AC35-20	5,5	320x240	262, 144	Высокая яркость (400 кд/м 2)

Сыграла значительную роль в развитии LCD-технологий. Компания Sharp и сейчас находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. В 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселов. Краткий перечень продукции - в таблице 3.

Таблица 3. Модели ЖК-панелей фирмы Sharp

Выпускает жидкокристаллические дисплеи с активной матрицей на низкотемпературных поликремниевых тонкопленочных транзисторах. Основные характеристики дисплеев с диагональю 10,5" и 15" приведены в таблице 4. Обратите внимание на диапазон рабочих температур и стойкость к ударам.

Таблица 4. Основные характеристики ЖК-дисплеев фирмы Siemens

Примечания:

I - встроенный инвертор l - в соответствии с требованиями стандарта MIL-STD810

Фирма выпускает жидкокристаллические дисплеи под торговой маркой "Wiseview™". Начав с выпуска 2-дюймовой TFT панели для поддержки Интернета и анимации в мобильных телефонах, Samsung теперь производит гамму дисплеев от 1,8" до 10,4" в сегменте малых и средних TFT LCD, причем некоторые модели предназначены для работы при естественном освещении (таблица 5).

Таблица 5. Основные характеристики ЖК-дисплеев Samsung малых и средних размеров

Примечания:

LED - светодиодная; CCFL - флуоресцентная лампа с холодным катодом;

В дисплеях используется технология PVA.

Выводы.

В настоящее время выбор модели жидкокристаллического дисплея определяется требованиями конкретного применения и в значительно меньшей степени - стоимостью LCD.

LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Жидкие кристаллы были открыты давным-давно, но изначально они использовались для других целей. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча проходящего сквозь них. Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, а 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.

Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которые могут манипулироваться для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) в отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в такой световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели.

При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вдоль поля и на угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90°.

Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади так, чтобы свет порождался в задней части LCD дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.

Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 19" и более LCD мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это описывается далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270°.

В будущем следует ожидать расширения вторжения LCD мониторов на рынок, благодаря тому факту, что с развитием технологии конечная цена устройств снижается, что дает возможность большему числу пользователей покупать новые продукты.

Вкратце расскажем о разрешении LCD мониторов. Это разрешение одно и его еще называют native, оно соответствует максимальному физическому разрешению CRT мониторов. Именно в native разрешении LCD монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей, который у LCD монитора фиксирован. Например, если LCD монитор имеет native разрешение 1024x768, то это значит, что на каждой из 768 линий расположено 1024 электродов, читай пикселей. При этом есть возможность использовать и более низкое, чем native, разрешение. Для этого есть два способа. Первый называется «Centering» (центрирование), суть метода в том, что для отображения изображения используется только то количество пикселей, которое необходимо для формирования изображения с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине. Все неиспользуемые пиксели остаются черными, т.е. вокруг изображения образуется широкая черная рамка. Второй метод называется «Expansion» (растяжение). Суть его в том, что при воспроизведении изображения с более низким, чем native, разрешением используются все пиксели, т.е. изображение занимает весь экран. Однако из-за того, что изображение растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения, и ухудшается резкость. Поэтому, при выборе LCD монитора важно четко знать какое именно разрешение вам нужно.

Отдельно стоит упомянуть о яркости LCD мониторов, так как пока нет никаких стандартов для определения того, достаточной ли яркостью обладает LCD монитор. При этом в центре яркость LCD монитора может быть на 25% выше, чем у краев экрана. Единственный способ определить, подходит ли вам яркость конкретного LCD монитора, это сравнить его яркость с другими LCD мониторами.

И последний параметр, о котором нужно упомянуть, это контрастность. Контрастность LCD монитора определяется отношением яркостей между самым ярким белым и самым темным черным цветом. Хорошим контрастным соотношением считается 120:1, что обеспечивает воспроизведение живых насыщенных цветов. Контрастное соотношение 300:1 и выше используется тогда, когда требуется точное отображение черно-белых полутонов. Но, как и в случае с яркостью пока нет никаких стандартов, поэтому главным определяющим фактором являются ваши глаза.

Стоит отметить и такую особенность части LCD мониторов, как возможность поворота самого экрана на 90°, с одновременным автоматическим разворотом изображения. В результате, например, если вы занимаетесь версткой, то теперь лист формата A4 можно полностью уместить на экране без необходимости использовать вертикальную прокрутку, что бы увидеть весь текст на странице. Правда, среди CRT мониторов тоже есть модели с такой возможностью, но они крайне редки. В случае с LCD мониторами, эта функция становиться почти стандартной.

К преимуществам LCD мониторов можно отнести то, что они действительно плоски в буквальном смысле этого слова, а создаваемое на их экранах изображение отличается четкостью и насыщенностью цветов. Отсутствие искажений на экране и массы других проблем свойственных традиционным CRT мониторам. Добавим, что потребляемая и рассеивая мощность у LCD мониторов существенно ниже, чем у CRT мониторов.

Главной проблемой развития технологий LCD для сектора настольных компьютеров, похоже, является размер монитора, который влияет на его стоимость. С ростом размеров дисплеев снижаются производственные возможности. В настоящее время максимальная диагональ LCD монитора пригодного к массовому производству достигает 20", а недавно некоторые разработчики представили 43" модели и даже 64" модели TFT-LCD мониторов готовых к началу коммерческого производства.

Но похоже, что исход битвы между CRT и LCD мониторами за место на рынке уже предрешен. Причем не в пользу CRT мониторов. Будущее, судя по всему, все же за LCD мониторами с активной матрицей. Исход битвы стал ясен после того, как IBM объявила о выпуске монитора с матрицей, имеющей 200 пикселей на дюйм, то есть с плотностью в два раза больше, чем у CRT мониторов. Как утверждают эксперты, качество картинки отличается так же как при печати на матричном и лазерном принтерах. Поэтому вопрос перехода к повсеместному использованию LCD мониторов лишь в их цене.

Статья:

Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

Предисловие

В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.

Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.

Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается "thin-film transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.

В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.

Основные составные части дисплея

Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD , и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки).Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.

Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.

Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen). Она располагается самым верхним слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно для этого используется оксид индия-олова).

Существуют также и сенсорные поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже "сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch -дисплеи). Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия на экран.

Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS - one glass solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству, поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей - три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец, снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и последней границ.

В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".

Хотя собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие характеристики; есть у него и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в "обычном" дисплее (без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная поверхность), то при ударе дисплея с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.

Экран

Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.

Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).

Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.

Немного детальнее об этом процессе.

Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.

Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.

Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:

(использовано изображение из нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)

Поворот поляризации света происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного напряжения.
Чем больше совпадут направления поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем больше в итоге проходит света через всю систему.

Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.

На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.

Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).

Подсветка

Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.

Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.

Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).

В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.

Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.

Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:

Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху - срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной" пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от кнопок).

Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:

В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий белый светодиод подсветки.

Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:

Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:

Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.

Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:

Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.

Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.

Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.

В более старых жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp) .

Структура дисплеев AMOLED

Теперь - несколько слов об устройстве нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode ).

Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.

Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.

Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.