Отличие жидкокристаллического дисплея от светодиодного. Технологии жк-панелей. Виды матриц TFT экранов

Решили купить новый телевизор, но не знаете какой лучше: LED или LCD ? Вы не одни. С момента своего появления на потребительском рынке, телевизоры активно и уверенно развиваются. И если вначале они были размером с холодильник и воспроизводили черно-белое изображение невысокого качества, то теперь они тонкие, имеют большой экран и позволяют наслаждаться цветным изображением отличного качества.

С большим обилием новых технологий усложнился и выбор конкретной модели. Поэтому многих людей волнует, какой телевизор лучше:LED или LCD ? Есть ли смысл тратить большее количество денег, покупать LED телевизор и пользоваться новыми функциями и технологиями, или проще купить более дешевый ?

Это может прозвучать неожиданно, но LED TV является LCD телевизором. Маркетологи очень удачно его «раскрутили»так что многие люди думают, что это разные телевизоры. В настоящее время существует два основных метода подсветки в LCD панелях: холодно- катодными люминесцентными лампами (CCFL) и LED (светоизлучающими диодами). Есть несколько других, например подсветка люминесцентными лампами с горячим катодом (HCFL), но они используются очень редко.

Поэтому единственная разница между LED и LCD телевизорами состоит в использовании различной подсветки. Следует понимать, что когда продавец ссылается на LCD телевизор, он имеет в виду LCD телевизор с CCFL подсветкой. Когда же он ссылается на LED телевизор, то на самом деле имеет в виду LCD телевизор, который использует для подсветки светодиоды.

Лучший способ определить, какая технология лучше, ознакомиться с фактами.

Точность цветопередачи

LED телевизоры предоставляют превосходное изображение с точной цветопередачей по сравнению с LCD телевизорами. RGB светодиоды, которые в них используются, способны отображать блестящие и яркие цвета.

Контрастность и уровень черного

Жидкие кристаллы в LCD телевизоре блокируют проходящий свет, для создания темного цвета. Это не позволяет получить отличный уровень контраста или черного цвета, так как кристаллы всегда пропускают немного света. Светодиоды способны светиться совсем тускло и не отображать свет вовсе, что позволяет LED телевизорам иметь лучшую .

Цена

В настоящее время, LED телевизоры по-прежнему считаются «новой» технологией, поэтому их цена несколько завышена.Таким образом, LCD телевизоры, которые до сих пор используют технологию C CFL, имеют лучшее отношение размеров и функций к цене.

Средняя цена на LED телевизор составляет 500 $. Однако существует огромный диапазон цен, и дешевые телевизоры могут стоить от 350 $, в то время как дорогие могут стоить более 3500 $. Средняя цена LCD телевизора составляет 300$. Цены на телевизоры, как правило, определяется размером, разрешением, набором функций. В любом случае LCD телевизоры более доступные.

Потребляемая мощность

Светодиодные телевизоры способны создать неяркое освещение, по сравнению с LCD, который просто блокирует существующий поток света, для создания темных цветов. По этой причине LED телевизоры на самом деле потребляют гораздо меньше энергии, и, таким образом, побеждают в категории энергопотребление.

Долговечность

LED телевизоры являются относительно новыми, поэтому не было никаких долгосрочных исследований по поводу их долговечности для того, чтобы сделать реальные выводы.

Но в соответствии с теорией используемой технологии, LED панель должна сохранить свою точность цветопередачи гораздо дольше, чем панели с C CFL подсветкой, так как люминесцентные лампы с возрастом теряют качество освещения. Теоретически LED телевизор должен прослужить дольше, чем LCD .

Углы обзора

Эта категория на самом деле не зависит от используемыхтехнологий. зависят от качества и типа переднего стекла дисплея. Если ваш телевизор использует светодиодные технологии или C CFL, то это, по сути, не влияет на углы обзора.

Игровой режим

Как LED, так и LCD телевизоры способны поддерживать современные игровые консоли и приставки. В этой категории ничья.

Качество видео

Время отклика в светодиодных и C CFL телевизорах примерно одинаково. Обе технологии справляются с воспроизведением видео с динамическими сценами.

Выводы

Выбор конкретной технологии зависит от того, какие функции вам нужны и сколько денег Вы готовы потратить на свой телевизор. Если Ваш бюджет ограничен, лучше остановить свой выбор на LCD телевизоре, который, безусловно, стоит дешевле. Но если бюджет не ограничен лучше выбрать LED технологии, как более качественные и прогрессивные.

На 2016 год развитие телевизионной техники вывело на пик популярности телевизоры с LED подсветкой, их так и называют «лед телевизоры». Так же на сегодня в магазинах вы встретите телеприемники с экранами на основе OLED.

LED телевизоры – это такие телеприемники, у которых экран построен на жидкокристаллической матрице (lcd) с подсветкой от светодиодов .

Матрица на жидких кристаллах носит аббревиатуру на английском «LCD» (liquid crystal display). И раньше так и назывались аппараты с такими экранами – LCD телевизоры. Но для работы экрана на жидких кристаллах нужна подсветка и первые несколько лет для подсветки использовалась люминесцентная лампа CCFL. Затем для работы подсветки стали использовать светодиоды (light-emitting diode – LED). И теперь телевизоры с дисплеями на жидких кристаллах называют «LED телевизоры», это то же самое что и «LCD телевизоры». Отличия в этих названиях только в виде подсветки, все остальные параметры и принцип работы остается одинаковым.

На 2014 год все фирмы прекратили выпуск LCD телевизоров с подсветкой от люминесцентной лампы. Выпускаются модели с экранами на жидких кристаллах и светодиодной подсветкой. И на сегодня такие телеприемники составляют самый массовый и доступный сегмент телевизоров. Плазменные модели уже уходят с рынка, осталось всего несколько фирм продолжающих выпуск плазменных телевизоров и то это всего несколько новых моделей в 2014 году и при этом это не флагманские модели. А вот аппараты с OLED экранами (экраны на светоизлучающих светодиодах) относятся как раз к флагманским моделям, и их цена пока не позволяет перевести эти телевизоры в разряд массовых.

Отличия LED от обычных LCD

При использовании ламп для подсветки матриц было невозможно регулировать подсветку отдельно взятых участков экрана. Это приводило к тому, что контрастность LCD экранов была не достаточно высокой, что бы конкурировать с плазмой или даже еще живыми на то время кинескопами. Поэтому и пришли к решению использовать светодиоды для подсветки матрицы. При этом стало возможным регулировать подсветку на отдельных участках, регулируя яркость свечения отдельных светодиодов.

Отсюда и получаются преимущества LED подсветки по сравнению с обычной люминесцентной лампой:

• улучшенные яркость экрана,
• контрастность,
• цветопередача,
• а энергопотребление при этом уменьшилось до 40%.

Из-за малых размеров светодиодов и общая толщина корпуса LED телевизора получается меньше других.

Различия в подсветке от CCFL и LED

Способы LED подсветки

Есть два типа светодиодной подсветки: боковая и задняя. Боковая (Edge ) подсветка, при которой светодиоды расположены по периметру корпуса телевизора. Задняя (Direct ) подсветка, при которой светодиоды расположены равномерно сзади матрицы. Лучшие результаты по качеству изображения дает подсветка Direct с возможностью локального затемнения групп светодиодов. Более дешевой является подсветка Edge, поэтому она больше используется при производстве телевизоров

Принцип работы подсветки

Основной проблемой жк экранов была контрастность, вернее её малое значение. Контрастность - это отношение яркости в самом ярком участке экрана к яркости в самом темном участке. Производители экранов пытались регулировать яркость подсветки на разных участках для увеличения контрастности. Поэтому появилась технология local dimming , которая позволяет управлять сразу группами из нескольких светодиодов. Система local dimming обладает несколькими недостатками. Во первых, плохая однородность цвета (заметны яркие и темные пятна) на участках где ярко включена и выключена подсветка. Во вторых, на контрастных переходах появляются цветные ореолы. В третьих, на темных участках пропадают детали изображения. Но увеличение контрастности и уровня черного компенсируют эти недостатки.

Если расставить по местам различные технологии по показателю качества получаемой картинки , то получится такой результат:

1. LED подсветка по методу Direct;
2. LED подсветка по методу Edge;
3. Подсветка на лампе CCFL.

Сегодняшние модели LED телевизоров имеют разрешение экранов от HD Ready до Full HD, а в этом году есть и модели с разрешением 4К Ultra HD. Так же модели LED могут иметь и такие функции как 3D, Smart TV, самый разный набор разъемов и других параметров. Так что каждый покупатель среди моделей лед телевизоров сможет себе подобрать подходящую покупку.

Многие любой современный телевизор с плоским экраном называют «плазма», ошибаясь в 9 случаях из 10. Газорязрядные технологии, на основе которых работает плазменные TV, встречается редко у простых людей. При всех своих достоинствах, это дорогое решение. Чаще приобретаются модели, построенные с применением жидкокристаллических модулей. Они стоят на порядок меньше, не уступая при этом по большинству параметрам

Именно о ЖК-мониторах и пойдет речь ниже. Они бывают двух разновидностей: LCD и LED. Разница в техническом исполнении не столь существенна, чем кажется на первый взгляд.

Раскроем этот вопрос подробнее.

Почему нельзя сравнивать

На самом деле сопоставить LED и LCD невозможно. Поскольку первая аббревиатура означает разновидность группы устройств, обозначенной второй. Это то же самое, что спросить: что лучше – автомобиль или BMW.

Тем не менее именно так привыкли разделять ЖК-мониторы граждане. Поэтому далее, говоря «LED» будем иметь в виду эту технологию, а к «LCD» отнесем все остальные модели жидкокристаллических устройств.

Строение ЖК дисплеев

Углубленно вдаваться в принцип действия жидкокристаллического оборудования не имеет смысла: неподготовленному читателю сложно будет сориентироваться во всех тонкостях. В рамках статьи достаточно лишь кратко упомянуть о устройстве жидкокристаллической панели.

Упрощая, ЖК-матрица это две прозрачные пластины, разбитые на мельчайшие ячейки. Каждая из таких капсул заполняется особым веществом – жидким кристаллом. Внутренняя часть закрывается цветовыми RGB-фильтрами: красными, синими или зелеными. Каждый пиксель экрана включает три ячейки с вставками разных цветов.

Жидкокристаллическая субстанция обладает удивительным свойством. Если через нее пропустить электрический ток, она становится светопроницаема, в обычном состоянии оставаясь непрозрачной. Таким образом, если осветить сборку изнутри, то можно выстроить комбинацию разноцветных точек, в совокупности представляющих изображение.

Чем же отличается LED от LCD? Только в способе реализации подсветки .

LCD технология

Обычная подсветка LCD – это простая люминесцентная лампа холодного света, установленная в корпусе монитора перед дисплеем.

Такое освещение позволяет создать палитру разных цветов. Энергопотребление при электролюминесцентной подсветке сравнительно невысоко, но для ее работы требуется источник переменного тока высокой частоты. Преобразователи для функционирования источника света потребляют в среднем 25 Ватт в час.

Долговечность LCD (уменьшение яркости вдвое от начальной) составляет примерно 5 тысяч часов, на что влияет установленная интенсивность свечения.

LED технология

Такая подсветка сделана из группы ярких светодиодов. Для моделей с небольшим размером матрицы, устанавливают ленты с встроенными излучателями только с одной стороны (чаще всего сбоку). В широкоформатные устройства светодиоды устанавливают по всей площади дисплея.

Техническое функционирование LED может быть обеспечено от источника напряжения 5В без использования преобразователей. Такое решение потребляет минимум энергии и может быть использовано в компактных портативных устройствах.

Для регулировки яркости свечения применяют широтно-импульсные модуляторы.

Какой тип монитора выбрать?

LED или LCD: что лучше? Однозначно, светодиодное освещение ЖК-матриц предпочтительнее. Полупроводники выигрывают по многим критериям. Перечислим основные из них.

1. Малое энергопотребление . Светодиодам не нужны дополнительные преобразователи для питания. Токоограничитель – единственный компонент схемы, расходующий энергию. Потребление подсветки даже на экранах с диагональю 46+ см никогда не превышает 10 Ватт, для стандартных бытовых моделей – 3-5 Ватт.
2. Долговечность . Срок службы LED составляет 50 тысяч часов. При этом, замена светодиодных полос простая и дешевая процедура, ремонт происходит быстро и не предполагает серьезных затрат.
3. Габариты . Миниатюрность полупроводниковых приборов позволяет сделать монитор с действительно «плоским» дисплеем. В ряде устройств (например, ноутбуках) – это незаменимое решение.
4. Качество цветопередачи . Отличие LED от LCD заключается и в том, что в случае с светодиодами возможно распределить подсветку равномерно по периметру экрана. Это улучает контрастность и повышает насыщенность изображения. Кроме того, изменяя яркость свечения отдельных участков дисплея, решается задача локального затемнения.

Мониторы и дисплеи, оснащенные светодиодной подсветкой, немного дороже, но эта разница не столь существенна. Выбор такой марки – это отличный компромисс между ценой и характеристиками. Эффективный, с яркой «живой» картинкой, эргономичный и безотказный: основные качества «правильного» TV.

Технология LCD уходит в прошлое, многие производители уже прекратили серийный выпуск устройств с люминесцентными лампами. Будущее за полупроводниковыми излучателями.

ЭЛТ технология продолжает развиваться, но мониторы, использующие ее, занимают достаточно много пространства на рабочем столе и имеют высокое энергопотребление. Плоско-панельные дисплеи, как следует из названия, плоские и занимают минимум площади. Плоско-панельные технологии подразделяются на различные группы технологий вроде LCD (жидкокристаллические дисплеи), плазменные дисплеи, LED (светоизлучающие диоды) и некоторые другие. Среди этих технологий можно выделить те, которые излучают свет, например, плазменные, и те, которые управляют проходящим через них светом, например, жидкокристаллические. Рассмотрим две различающиеся технологии – жидкокристаллические мониторы и плазменные мониторы подробнее, так как именно они являются приемниками с ЭЛТ экранами.

TFT- LCD считаются наиболее интересной и массовой технологией. TFT расшифровывается как “тонкопленочный транзистор” (Thin Film Transistor) и означает, что на панели есть полупроводниковые элементы, которые активно управляют индивидуальными пикселями. Принцип формирования изображения достаточно прост: панель состоит и множества пикселей, каждый из которых может формировать свой цвет. Для этого используется задняя подсветка, состоящая из одной или нескольких флуоресцентных ламп. LCD означает дисплей, основанный на жидких кристаллах. Жидкие кристаллы могут изменять свою пространственную ориентацию в электронном поле, что приводит к изменению яркости света, проходящего через них. В процессе формирования точки используются два поляризационных фильтра, цветные фильтры и два выравнивающих слоя. Все это позволяет точно установить уровень проходящего света и его цвет. Выравнивающий слой расположен между двумя стеклянными панелями. Для формирования цвета каждая точка состоит из трех компонентов красного, зеленого и синего - также как в традиционных ЭЛТ дисплеях.

Современные TFT- LCD мониторы обладают отличными цветами и скоростными характерами. Изготавливаются они по нескольким технологиям IPS (In-Pana Switching) или Super Fine TFT. Характеризуется наибольшим углом обзора и высокой точностью цветопередачи. Угол обзора расширен до 170°, остальные функции – как у TN+Film (время отклика порядка 25 мс), практически идеальный черный цвет. Преимущества: хорошая контрастность, “мертвый” пиксель – черный. Super IPS, Advanced SFT. Достоинства: яркое контрастное изображения, искажения цвета почти незаметны, увеличены углы обзора (до 170° по вертикали и горизонтали) и обеспечена исключительная четкость. UA-IPS (Ultra Advanced ISP), UA-SFT (Ultra Advanced SFT). 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). Основное преимущество – наименьшее время реакции и высокая контрастность. Главный недостаток – высокая стоимость. Плазменные мониторы широко используются в телевизорах, информационных табло и как видеомониторы благодаря отличным характеристикам и большому размеру диагонали.

Работа плазменных мониторов очень похожа на работы неоновых ламп, которые сделаны в виде трубки, заполненной инертным газом низкого давления. Внутрь трубки помещена пара электродов, между которыми зажигается электрический разряд и возникает свечение. Плазменные экраны создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными поверхностями инертным газом, например, аргоном или неоном. Затем на стеклянную поверхность помещают маленькие прозрачные электроды, на которые подаются высокочастотные напряжения. Под действием этого напряжения в прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне, который вызывает свечение частиц люминофора, в диапазоне видимом человеком. Фактически каждый пиксель на экране работает как обычная флуоресцентная лампа. Высокая яркость, контрастность и отсутствия дрожания являются большими преимуществами таких мониторов. Кроме того угол по отношению к тому, под которым можно увидеть нормальное изображение на плазменных мониторах – 160° по сравнению с 145°, как в случаи с TFT- LCD мониторами. Единственное что ограничивает их широкое распространение – это стоимость. Большим достоинством плазменных мониторов является их срок службы. Средний срок службы без изменения качества изображения является 30 000 часов. Это в три раза больше чем обычная электронно-лучевая трубка.

Характеристика плазменных дисплев

Размеры диагонали мониторов: 42” – 102”

Максимальная яркость: Отличная (500-1200 кандел/м2)

Контраст: Отличный (1:1000 и выше)

Цветопередача: Прекрасная

Время наработки: 60 тыс. часов

Угол обзора: 160°

- “Выгорание” на статических изображениях: Возможно, при неправильной эксплуатации т.е. при показе статических изображений долгое время.

Характеристика TFT- LCD

Размеры диагонали мониторов: 4” – 50”

Максимальная яркость: Хорошая (200-400 кандел/м2)

Контраст:Хороший (1:250 – 1:700)

Цветопередача: Ограниченная

Время наработки: 60 тыс. часов

Появление сбойных пикселей: Отсутствует

Угол обзора: 145°, изображение меняет контрастность на больших углах

-“Выгорание” на статических изображениях: Возможно, при неправильной эксплуатации т.е. при показе статических изображений долгое время, но это время существенно больше чем у плазменных панелей.

Преимущества и недостатки технологий LCD и PDP (плазменных панелей)

Современные PDP- и LCD-панели разительно отличаются от своих предшественников. Их преимущества перед устройствами с электронно-лучевой трубкой очевидны – малая толщина корпуса при большом размере экрана, безопасность для здоровья, а использование LCD еще и очень существенно экономит потребление электроэнергии. Однако как найти ответ на вопрос: что лучше – ЖК или плазма, чему отдать предпочтение? Ведь у каждой из технологий есть свои сильные и слабые стороны.

Коренным отличием плазмы от LCD является то, что PDP-панели – светоизлучающие приборы, тогда как LCD-матрицы только модулируют яркость проходящего через них светового потока. Именно поэтому они, как правило, имеют меньшую яркость, но зато значительно тоньше и легче. Кроме того, жидкие кристаллы потребляют гораздо меньше энергии, чем дисплеи прямого излучения. У плазмы, напротив, для поддержания электрических разрядов в ячейках требуется большая мощность, и это считается одним из наиболее существенных недостатков. Поэтому экран буквально дышит жаром и требует принудительного охлаждения. У LCD же экран остается практически холодной. Помимо прожорливости, плазма обладает и таким неприятным свойством, как прогорание экрана при длительном воспроизведении статических изображений.

У плазменных панелей излучающий элемент – газоразрядная ячейка – по габаритам достаточно большой. Этим и объясняется, что плазменная панель с такой же диагональю, как и у LCD, имеет меньшее разрешение, то есть изображение плазмы более зернистое.

К слабостям LCD-дисплеев можно отнести не до конца еще преодоленную инерционность, однако в последнее время жидкие кристаллы достаточно сильно прибавили в резвости, соответственно, по этому показателю плюс у плазмы небольшой. Пока что проигрывают LCD и по углам обзора.

По сравнению с плазмой LCD имеют меньшую пиковую яркость, но лучший контраст в ярко освещенном помещении. Зато в темной комнате перевес будет уже на стороне плазмы. На практике это означает, что при приеме телепередач определенные преимущества имеют LCD-модели, а для просмотра фильмов в затемненном помещении PDP должна обеспечивать более богатую полутонами картинку, особенно в области черного.

Что касается больших LCD PID-панелей, то перед аналогичной плазмой у них есть явные преимущества. Во-первых, исходя из специфики применения информационных дисплеев, положительными особенностями LCD является гораздо более длительный срок эксплуатации. Основная область применения PID – это мониторинг производства, информационные панели в аэропортах, вокзалах, в банках, на биржах и т.д. Во всех этих случаях картинка, выводимая на экран, статична, и мониторы работают практически круглосуточно. В плазменных панелях это приводит к достаточно быстрому выгоранию ярких областей изображения (белые линии становятся черными). У LCD-панелей ресурс составляет около 50000 часов. У большинства современных плазменных панелей он равен 20000-30000 часов, после чего экран начинает резко терять яркость. В условиях круглосуточной работы 20000 часов – это всего около двух лет.

Во-вторых, хотя контрастность у плазменных панелей выше, чем у LCD, при попадании на экран прямого или отраженного солнечного света (а это может быть в больших залах) полная контрастность изображения плазмы начинает падать заметно быстрее, чем LCD. Иначе говоря, при освещении экрана солнечными лучами, на LCD панели можно прочесть информацию, тогда как на PDP это сделать уже крайне затруднительно. Еще стоит заметить, что плазменный экран всегда покрыт стеклом, что приводит к слабым антибликовым свойствам монитора и ухудшают качество изображения в больших, ярко освещенных залах.

Стоит иметь в виду, что PDP нельзя использовать в качестве настольных мониторов для ПК, тогда как LCD в этой сфере получают все большее распространение, что позволяет постоянно снижать цены на ЖК-экраны. И хотя явного победителя назвать пока сложно, будущее, скорее всего, за LCD-технологиями.

Примечание:
К сожалению, данный документ не закончен, но, на мой взгляд, даже в таком виде он уже может быть полезен.

Ниже представлена обобщенная модель классификации дисплеев, использующих жидкие кристаллы в качестве оптического модулятора:

• :
  • сегментный индикатор,
  • многослойный индикатор,
  • графический точечно-матричный дисплей.
• :
  • прямая адресация (Direct Driving),
  • мультиплексирование (Multiplex Driving):
    • пассивная адресация ячеек ЖК-панели PMLCD (Passive Matrix LCD),
    • активная адресация ячеек ЖК-панели AMLCD (Active Matrix LCD).
• (или порядок ЖК):
  • смектический порядок (смектики),
  • нематический порядок (нематики),
  • холестерический порядок (холестерики).
• :
  • дисперсия (Scattering)
• :
  • цветные светофильтры (Color filters)
  • электрически управляемое двулучепреломление ECB (Electrically Controlled Birefringence)
• :
  • покадровая инверсия полярности
  • чересстрочная инверсия полярности
  • инверсия с чередованием пикселей (субпикселей)
• :
  • использование тонкопленочного диода TFD (Thin Film Diode) по технологии MIM (Metal-Insulator-Metal),
  • использование тонкопленочного транзистора TFT (Thin Film Transistor), при производстве которого применяются три различных подхода:
    • аморфный кремний a-Si (Amorphous Silicon),
    • поликристалический кремений p-Si (Poly-Silicon),
    • низкотемпературный поликристаллический кремний LTPS (Low Temperature Poly-Silicon).
• :
  • используется второй пассивный слой ЖК (Double Cell),
  • используется полимерная пленка ОCF (Optical Compensator Film).
• :
  • межкадровое управление (Frame Rate Control), способ получения промежуточного цветового тона за счет применения схемы кадрового чередования основных цветов:
    • FRC — обеспечивает формирование 16.2 млн. оттенков с помощью 6-битных ячеек, способных отобразить 262 144 базовых оттенка.
    • Hi-FRC — обеспечивает формирование 16.7 млн. оттенков с помощью 6-битных ячеек, а также более 1000 млн. оттенков с помощью 8-битных ячеек.
  • внутрикадровое пространственное (spatial) смешение (dithering) полутонов.
• :
  • работа на просвет (Transmissive) за счет использования устройства задней подсветки BLU (Back Light Unit),
  • отражение падающего света (Reflective) окружаещего освещения, или устройства фронтальной подсветки (Front Light Unit),
  • комбинированный подход (Transflective).
• :
  • люминисцентная лампа с холодным катодом ССFL (Cold Cathode Fluorescent Tube),
  • светодиоды LED (Light Emission Device).
• Протоколы цифровых интерфейсов подключения ЖК-панелей:
  • LVDS,
  • TMDS.

Исторически выделяются следующие технологические подходы к производству ЖК-панелей:

• Twisted Nematic (TN) — пассивные ЖК-ячейки, использующие эффект скручивания ЖК (в нематической фазе),
• High TN (HTN) — пассивные ЖК-ячейки с сильно скрученной ориентацией ЖК-молекул
• Super TN (STN) — пассивные ЖК-ячейки с сильно скрученной ориентацией ЖК-молекул (еще больший угол поворота директора)
• Electronically Controlled Birefrigence STN (ECB) или Vertical Aligned Nematic (VAN) — пассивные ЖК-ячейки, использующие усиленный эффект двойного лучепреломления (двулучепреломления) для получения нескольких оттенков цвета
• Color STN (CSTN) — STN-ячейки с цветными фильтрами
• Double STN (DSTN) — композит из двух разнонаправленно-скрученных STN-ячеек
• Dual Scan DSTN — STN-панель с двумя незамисимыми полями управления
• Active Matrix TN (AM TN) — активные ЖК-ячейки с твист-ориентацией, управляемые либо тонкопленочным тразистором Thin Film Transistor (TN TFT), либо диодом Thin Film Diode (TN TFD)
• High Performance Array (HPA) — STN-панель
• Vertical Alighnment (VA) — активные ЖК-ячейки с гомеотропной ориентацией директора
• In-Plane Switching (IPS), Fringe-Field Switching (FFS) — активные ЖК-ячейки с планарной ориентацией директора
• ASV — монодоменные VA-ячейки с осевой симметрией (Advanced Super View)
• MVA, A-MVA, S-MVA, Prem. MVA — двухдоменные VA-ячейки (Multi-domain VA, Advanced MVA, Super MVA, Premium MVA)
• PVA, S-PVA — двух-, четырех-доменные VA-ячейки (Patterned VA, Super PVA)
• S-IPS, DD-IPS, SA-SFT, A-FFS, A-TW IPS, UA-SFT, PLS — двухдоменные IPS-ячейки (Super IPS, Dual Domain IPS, Super Advanced Super-Fine-TFT, Advanced FFS, Advanced True White IPS, Ultra Advanced SFT, Plane to Line Switching)

1. Регулярность формы элементов изображения

В качестве самого простого типа диспелея может выступать сегментный индикатор, в котором конструктивно заложено отображение определенных геометрических знаков. Для визуализации знаков разной формы на одном и том же индикаторе есть несколько способов:

• сегментный индикатор
  • небходимо преобразовать формы требуемых знаков так, чтобы знаки приобрели наибольшее количество совпадающих по форме и положению элементов (без нарушения читаемости), а затем разложить их форму на неперсекающиеся сегменты;
• многослойный индикатор
  • при конструктивной возможности построения многослойного индикатора.

«Вершиной» сегментного индикатора является графическая точечно-матричная панель, которая позволяет в дискретном «матричном» виде приблизить отображение произвольной графической формы. Графическая панель представляет собой совокупность ячеек на плоскости, отвечающих за отображение отдельных дискретных элементов изображения.

2. Методы адресации ЖК-панели (Drive Method)

2.1. Прямая адресация или мультиплексирование адресных линий (Direct driving vs multiplex driving)

Чем меньше удельный размер дискретных элементов изображения (ячеек) по отношению к линейным размерам дисплея, тем выше детализация изображения. Но с ростом количества ячеек расчтет и количество линий управления. Например для цифрового семисегментного (плюс знак точки) индикатора для формирования трехзначных чисел нужно 3 x 8 = 24 входных управляющих линии.

Самый распространенный способ сокращения количества линий управления основан на мультиплексировании управляющего сигнала. Данный метод позволяет для M × N сегментов индикатора использовать не M × N управляющих линий (или пар линий), а всего лишь M + N линий. В случае если M = N = 1000, возникает кардинальная экономия в 1000 х 1000 − (1000 + 1000) = 998 000 управляющих линий.

Здесь нужно отметить, следующее. В отличие от прямой адресации, метод мультиплексирования не позволяет контроллеру (управляющему устройству) поддерживать непрерывную связь с управляемым элементом. Таким образом, в один момент времени контроллер получает возможность управления меньшим числом элементов. Отсюда следует, что по сути контроллер использует не параллельный интерфейс, а параллельно-последовательный (или чисто последовательный), в котором управляющие импульсы к разным элементам управления чередуются во времени. То есть в этом случае существенное влияние на качество изображения начинают влиять такие параметры, как время опроса одного элемента, время автономной работы одного элемента, частота опроса всех элементов (например, частота регенерации кадра) и т. п.

Очевидно, что данный метод позволяет сократить число линий управления от индикатора к контроллеру. Но, с другой стороны, мультиплексирование не применимо для таких типов элементов управления, разрыв управляющей связи с которыми неприемлем и приводит к деградации функциональности.

К счастью, человеческий глаз обладает инерционностью восприятия (этот факт, например, обеспечил саму возможность передачи телевизионного изображения последовательным способом по одной линии связи). Подбирая подходящую частоту опроса элементов индикатора, можно обеспечить вывод устойчивого изображения даже при очень малом времени автономной работы отдельных элементов индикатора.

2.2. Пассивные ЖК-панели PMLCD (Passive Matrix LCD)

Управление ячейками пассивных ЖК-панелей основано на базовом принципе мультиплексирования адресных линий, поэтому контрастность изображения сильно зависит от времени восстановления ЖК-ячейки и от чувствительности к перекрестным помехам.

2.3. Активные ЖК-панели AMLCD (Active Matrix LCD)

3. Простраственная ориентация молекул ЖК (или порядок ЖК)

3.1. Смектический порядок (смектики)

Одним из представителей дисплеев со смектическим порядком ЖК-молекул является ферроэлектрический ЖК-дисплей — FLCD (Ferroelectric Liquid Crystal Display). В отличие от наиболее распространенных дисплеев на основе нематиков ферроэлектрический ЖК-дисплей имеет ряд интересных свойств:

• бистабильность (эффект «памяти»),
• высокая скорость реакции на управляющий импульс (малое время отклика).

Свойство бистабильности подразумевает наличие двух возможных устойчивых положений ориентации директора ЖК-молекул. Это значит, что в результате управляющего воздействия хиральные смектики принимают одну из двух стабильных пространственных ориентаций. При этом после прекращения управляющего импульа ЖК-молекулы сохраняют стабильное заданное направление. Это позволяет кардинально снизить энергозатраты при выводе статического изображения.

3.2. Нематический порядок (нематики)

3.3. Холестерический порядок (холестерики)

4.Режим светопропускания

• светопропускание (Transmission Mode), при котором различают несколько способов ориентации директора в ячейке (Mode)
  • «твист»-ориентация TN (Twisted Nematic),
  • гомеотропная ориентация VA (Vertical Alignment),
  • планарная ориентация IPS (In-Plane Switching).
• светопоглощение (Absorption Mode):
• избирательное отражение (Selective Reflection)
• дисперсия (Scattering)

4.1. Светопропускание

4.1.1. Гомеотропная ориентация VA (Vertical Alignment)

Super PVA (S-PVA)

Advanced Super View (ASV)

Линейка ЖК-панелей ASV разработана Sharp по технологии Continuous Pinwheel Alignment (CPA), основанной на гомеотропной ориентации директора в ЖК-ячейке с осевой симметрией.

4.2. Светопоглощение (Absorption Mode)

ЖК-дисплеи, использующие эффект светопоглощения делятся на следующие группы:

• тип «гость-хозяин» («guest host», GH),
• тип «гость-хозяин» с измененяемой фазой (Phase Change GH, PCGH) или дисплеи Уайта и Тейлора (White and Taylor type GH),
• тип «» (Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC),

4.3. Избирательное отражение (Selective Reflection)

4.4. Дисперсия (Scattering)

В дисплеях PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) ЖК нематического типа смешаны с полимерами. В свободном состоянии ячейка выглядит светлой, так как падающий свет равомерно рассеивается вследствие разных показателей рефракции составляющих ячейку полимеров и ЖК. После подачи управляющего напряжения нематики меняют показатель преломления света, сравниваясь по этой характеристике с дисперсированными частичками полимеров. Это приводит к тому, что падающий свет свободно достигает и поглощается задней матовой стенкой дисплея, и ячейка становится темной.

5. Методы формирования цветовых оттенков изображения (Color Image)

5.1. Цветные светофильтры (Color filters)

ЖК-ячейка по сути является оптическим модулятором, то есть изменяет величину пропускаемого светового потока пропорционально поданному к ячейке управляющему напряжению. Но для создания цветного изображения необходимо не только иметь возможность управления яркостью пикселей, но и их цветом. Одно из возможных относительно недорогих решений этой задачи заключается в том, чтобы использовать цветовые фильтры. Как известно, в аддитивной цветовой модели используются три основных цвета: красный, зеленый, синий. Поэтому один полноцветный пиксель ЖК-дисплея состоит из трех ЖК-ячеек, покрытых соответствующими цветовыми фильтрами. В качестве материалов для светофильтров используют органические пигменты, красители и окислы металлов. Недостатком данного подхода является низкий оптический КПД, так как ЖК-панель пропускает всего несколько процентов падающего или проходящего насквозь света.

5.2. Электрически управляемое двулучепреломление ECB (Electrically Controlled Birefringence)

Из недостатков следует отметить высокую чувствительность к высоким и низким температурам, а также малое количество формируемых тонов. Широкого применения технология ECB не получила.

6.1. Покадровая инверсия полярности

Изменение полярности всех пикселей при отрисовке каждого кадра является наиболее простым в реализации. Основной недостаток этого метода — изображение начинает мерцать с частотой, равной половине частоты кадровой регенерации. То есть если дисплей отображает видеосигнал с кадровой частотой 60 Гц, то мерцание изображения будет раздражать наблюдателя, так как мерцание на частоте 30 Гц заметно почти каждому человеку. Важно, что если бы не было необходимости менять полярность управляющего напряжения ячеек, то воспроизводимое избражение было бы одинаково стабильно, не зависимо от кадровой частоты входного сигнала. Именно переход управляющего напряжения через «ноль» в противоложный знак и приводит к тому, что пиксель кратковренно изменяет свой цвет.

6.2. Чересстрочная инверсия полярности

Объединение четных и нечетных строк ЖК-панели в две группы, изменяющие полярность в противоположных направлениях, позволяет слегка уменьшить эффект мерцания изображения.

6.3. Инверсия с чередованием пикселей (субпикселей)

Чередование полярности соседних пикслеей или субпикселей в противофазе дает наиболее качественный результат. Изображение получается максимально стабильным, а инверсия полярности при этом может проявиться только на специально синтезированных изображениях.

7. Методы управления ячейками активных ЖК-панелей (Drive Mode)

Тонкопленочный диод TFD (Thin Film Diode)

Технология MIM (Metal-Insulator-Metal) производства TFD-панелей позволяет использовать основу из некаленого стекла, которое на порядок дешевле, так как для изготовления тонкопленочных диодов достаточно температуры около 300 о C. К недостаткам TFD-панелей относится температурная нестабильность, а также высокая чуствительность к неоднородностям толщины ЖК-слоя, выраженная в неравномерности отображения серого поля.

Тонкопленочный транзистор TFT (Thin Film Transistor)

Аморфный кремний a-Si (Amorphous Silicon)

Поликристалический кремний p-Si (Poly-Silicon)

Процесс изготовления тонкопленочного транзистора из поликристаллического кремния состоит из меньшего количества операций и позволяет создавать ЖК-панели с более высоким разрешением, по сравнению с формированием транзисторов из аморфного кремния. Но необходимость использования более высоких температур существенно удорожает производство панелей больших диагоналей из-за более высоких требований к термостойкости стекляной основы.

Низкотемпературный поликристаллический кремний LTPS (Low Temperature Poly-Silicon)

8. Способы компенсации низкого контраста и малых углов обзора (Low Contrast & Viewing Angles Compensation)

используется второй пассивный слой ЖК (Double Cell)

используется полимерная пленка ОCF (Optical Compensator Film)

9. Метод увеличения количества отображаемых полутонов (Color Range Expanding)

При малом угловом размере элемента изображения невооруженный человеческий глаз не способен точно определить цвет этого элемента. В связи с этим восприятие изображения, насыщенного мелкими контрастными деталями, будет почти одинаковым как при просмотре его в исходном виде, так и после небольшого уменьшения количества промежуточных полутонов за счет снижения разрядности представления цифровых координат.

Но при просмотре изображений ясного неба, туманов, полированных поверхностей и т. п. наблюдатель сразу обнаружит «пропажу» полутонов в случае, если количество отображаемых оттенков не будет превышать 300 тысяч. Плавные переходы полутонов будут «расчерчены» визуально отчетливыми границами перехода от одного тона к соседнему, так как занимаемая одним цветовым тоном площадь будет достаточна, чтобы глаз наблюдателя адаптировался и зафиксировал границу цветового перехода.

Именно для этой крайней ситуации применяется метод увеличения отображаемых полутонов на ЖК-дисплеях, управляющая электроника которых не позволяет управлять ЖК-ячейками с достаточной точностью для отображения более 300 тыс. оттенков. Среди таких устройств наиболее распространены дисплей с 6-битным представлением цветовых координат. Ячейки таких ЖК-дисплеев аппаратно могут отображать не более 262 тысяч отттенков ((2 6) 3 = 262 144), поэтому в этом случае зачастую применяются методы как межкадрового (Frame Rate Control), так и внутрикадрового (Spatial Dithering) цветового смешения для получения промежуточных полутонов.

9.1. FRC

Межкадровое чередование основных цветовых тонов (Frame Rate Control) формирует у наблюдателя ощущение восприятия промежуточного цветового оттенка:

Color average = (Color n + Color n + 1) / 2

Таким образом, благодаря парному чередованию можно сформировать восприятие N " = N + N − 1 = 2N − 1 оттенков. Очевидно, что при увеличении периода кадровой серии, например, до 4 кадров количество различимых цветовых оттенков вырастет примерно 4 раза:

N " = N + 3(N − 1) = 4N − 3

Если предложенную схему применить для ЖК-панели с 6-битными контроллерами, то глубина представления цвета при N = 2 6 = 64 (по каждому каналу) вырастет до 16,2 млн. оттенков:

N " = (4 × 64 − 3) 3 = 16 194 277 .

9.2. Hi-FRC

По мере разработки более скоростных TN TFT ЖК-панелей был предложен метод высокочастотного межкадрового чередования Hi-FRC. В дисплеях с Hi-FRC длина кадровой серии увеличена до 8 кадров, что расширило потенциальную глубину представления цвета до 129 млн. оттенков.

N " = (8 × 64 − 7) 3 = 505 3 = 128 787 625 .

Поскольку на практике большинство видеоинтерфейсов работает с 24-битной глубиной цвета, контроллеры Hi-FRC «отбрасывают» младшие биты и округляют расчетное значение воспринимаего цветового тона, «вписывая» его в диапазон 16,7 млн. воспроизводимых цветов.

9.3. Внутрикадровое пространственное (spatial) смешение (dithering) полутонов

Данный метод основан на том, что при малом угловом размере элемента изображения невооруженный человеческий глаз не способен точно определить цвет этого элемента. В связи с этим восприятие изображения, насыщенного мелкими контрастными деталями, будет почти одинаковым как при просмотре его в исходном виде, так и после небольшого уменьшения количества промежуточных полутонов за счет снижения разрядности представления цифровых координат. Таким образом, области изображения, насыщенные мелкими деталями, выводятся без обработки. Но для областей с плавными тоновыми переходами различимых пространственных размеров выполняет преобразование по шаблонам.

Рассмотрим одну из самых простых схем смешения 2×2. Для формирования более точного восприятия областей изображения с плавными переходами через промежуточные тона выполняется квантование данных областей на группы размером 2×2 пикселя. После вычисления среднего значения цвета в каждой группе выбирается подходящий шаблон комбинирования цветов. Данная схема позволяет расширить количество ращличимых цветовых оттенков почти в 4 раза:

N " = 4N + 1 .

Таким образом, схема смешения 2×2 для 6-битных ЖК-панелей позволяет увеличить количество воспринимаемых наблюдателем оттенков до 16,97 млн.

N " = (4 × 64 + 1) 3 = 16 974 593 .

10. Метод подсветки

10.1. Отражение падающего света (Reflective) окружаещего освещения, или устройства фронтальной подсветки (Front Light Unit)

Наиболее распространенными среди отражающих ЖК-дисплеев являются модели, построенные на базе TN, STN, GH (guest host), PCGH (phase changed guest host) или PDLC (polymer dispersed liquid crystal) ЖК-панелей. ЖК-панели, использующие для подсветки свет окружающего освещения, обладают намного более узким цветовым диапазоном и уровнем контрастности. Такие панели используются в основном в таких условиях, при которых устройство принудительной подсветки не может по мощности своего светового потока конкурировать с яркостью внешнего освещения.

При разработке качественного отражающего ЖК-дисплея производителям приходится решать сложные задачи. Во-первых, падающий свет перед тем, как достигнуть наблюдателя, проходит дважды через все рабочие слои ЖК-панели: поляризаторы, рассеиватели, светофильтры и сам слой ЖК. Это сильно снижает уровень контраста выводимого изображения. Во-вторых, наличие рассеивателя для обеспечения равномерной яркости по всему полю изображения приводит к появлению смешения цветов. Поэтому производители стремятся по возможности уменьшить суммарную толщину рабочих слоев ЖК-панели, работающей на просвет.

На иллюстрациях выше показано, что применение для TN TFT панели диффузного отражающего слоя (рис. 10.1.3) вместо рассеивающего и отражающего слоев позволяет повисить качество изображения.

10.2. Работа на просвет (Transmissive) за счет использования устройства задней подсветки BLU (Back Light Unit)

ЖК-панели с устройством задней подсветки нашли широчайшее применение в настольных мониторах и дисплеях портативных компьютеров. ЖК-ячейки трансмиссионных дисплеев работают на просвет, то есть световой поток, формируемый устройством задней подсветки, проходит через ячейки в направлении от задней стенки к передней в сторону наблюдателя. При этом сам источник света устройства задней подсветки не обязательно находится позади ЖК-ячеек. Световой поток может достигать ячейки по световодам от источника, располагающегося как непосредственно сзади дисплея, так и, например, сбоку, за пределами рабочей области ЖК-панели.

10.3. Комбинированный подход (Transflective)

Для устройств, рассчитанных на применение, как в закрытых помещениях, так и на открытом пространстве, комбинированный подход является оптимальным решением. Трансфлективные дисплеи обладают чуть меньшей контрастностью, углами обзора и цветовым диапазоном, но при этом не теряют информативности даже при наличии мощного окружающего освещения (например, солнечный свет).

11. Источники света для устройств подсветки

Подсветка на базе люминесцентной лампы с холодным катодом CCFL (Cold Cathode Fluorescent Tube)

Применение люминесцентной лампы с холодным катодом широко распространено во многих устройствах, оснащенных ЖК-панелями. Люминесцентные лампы обладают хорошим запасом по сроку службы, достаточно экономичны (высокая яркость и низкое энергопотребление).

Подсветка на базе светодиодов LED (Light Emission Device)

Светодиоды устойчивы к вибрациям, обладают большим сроком службы, нетребовательны к схеме питания. Существенным недостатком светодиодов является недостаточный КПД, что тормозит их широкое применение в портативных устройствах. В последнее время были разработаны достаточно эффективные «белые» светодиоды, ставшие пионерами в устройствах задней подсветки некоторых моделей портативных компьютеров (ноутбуков и коммуникаторов).

Список литературы:

• П. де Жен. Физика жидких кристаллов . — М.: Мир, 1977.
• Seung-Woo Lee, Sang-Soo Kim. A Novel Dithering Algorithm A Novel Dithering Algorithm for High Color Depth and for High Color Depth and High Color Performance: Hi High Color Performance: Hi-FRC — SID 2004.
• Creating a Neo-Outdoor Work Style. Low-Temperature Polysilicon TFT Reflective Color LCD . — Techno World.

Максим Проскурня