Аппаратное обеспечение ПЭВМ

Тема: Видеосистема персональных компьютеров: жидкокристаллические мониторы

Аппаратное обеспечение ПЭВМ

 

1. Введение

На сегодняшний день реальной альтернативой мониторам на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) выступают мониторы с матрицей на жидких кристаллах (Liquid Crystal Display или ЖК-мониторы). Первоначально эта технология применялась на рынке портативных компьютеров. Первые ЖК-мониторы были монохромными, унаследовав эту особенность у своих предшественников - экранов для наручных часов и калькуляторов. Впоследствии на свет появились и цветные образцы.

Жидкие кристаллы (Liquid Crystal) - это органические вещества, способные под напряжением изменять величину пропускаемого светового потока.

Экран ЖК-монитора представляет собой массив пикселей, используемых для получения растрового изображения. Как и в традиционных электронно-лучевых трубках, пиксель формируется из трех элементов - субпикселей - красного, зеленого и синего цветов. Комбинация трех основных цветов для каждого пикселя экрана дает возможность воспроизвести любой цвет.

2. Устройство и принцип работы ЖК-мониторов

В основе технологии, на основе которой создаются жидкокристаллические мониторы, лежат особые физико-химические свойства группы веществ, которые условно называют жидкими кристаллами (Liquid Crystal). По сути, это особые жидкости, молекулы которых взаимно ориентированы. В результате жидкие кристаллы проявляют однородность физических свойств, которые можно менять, подавая напряжение на контакты, расположенные по краям матрицы, заполненной жидкими кристаллами. При этом молекулы вещества меняют свою пространственную ориентацию. Вследствие всего этого оптические свойства матрицы меняются: изменяется степень ее прозрачности и характеристики отражаемого света.

Свет от лампы подсветки проходит через жидкокристаллическую матрицу, ячейки которой могут полностью пропускать свет, частично пропускать световой поток или перекрывать полностью. Светопроницаемость каждой ЖК-ячейки зависит от ее молекулярной структуры, а структура, в свою очередь, меняется в зависимости от приложенной напряженности электрического поля.

Поперечное сечение современной ЖК-панели на тонкопленочных транзисторах (TFT-матрица, активная матрица) представляет собой многослойную структуру. Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет - красный, синий или зеленый, и слой жидких кристаллов. Изнутри матрица освещается подсветкой флуоресцентного источника.

Для придания молекулам ЖК-кристаллов преимущественной пространственной ориентации в отсутствие внешнего электрического поля на стеклянные панели, между которыми и находятся ЖК-кристаллы, нанесены специальные бороздки. Бороздки параллельны друг другу на каждой панели, но взаимно перпендикулярны на разных панелях. 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 внешнего поля поворачивают вектор поляризации световой волны на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковые повороты плоскости поляризации для всех ячеек.

Поворот плоскости поляризации светового луча не воспринимается человеческим зрением, поэтому возникает необходимость добавления к стеклянным панелям еще и поляризационных фильтров. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданной. При прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора.

При отсутствии поля ячейка оказывается прозрачной по следующей причине: первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения светового пучка через второй поляризатор его вектор поляризации совпадет с осью поляризации второго поляризатора. Свет свободно проходит через второй поляризатор.

В присутствии электрического поля поворот вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для потока. Если напряженность поля будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади фронтально будет казаться черным (точнее – темным).

Принцип формирования цветного растрового изображения на ЖК-мониторе аналогичен ЭЛТ-мониторам. Однако вместо луча электронной пушки, «бьющего» в слой люминофора, имеет место большое количество электродов, каждый из которых отвечает за единичный пиксель изображения.

Принципиально, существует два способа решения проблемы окрашивания пикселей в нужный цвет. Первый основан на разложения белого цвета на составляющие части при помощи цветовых фильтров (показаны на рисунке), которыми снабжаются субпиксели триады. Это довольно простой и недорогой способ, но при этом потери силы светового потока при прохождении через систему фильтров оказываются весьма значительными.

Второй, более дорогой, способ основан на динамическом изменении характеристик вектора поляризации потока в результате изменения подаваемого напряжения. Разные части спектра светового потока реагируют на такое изменение по-разному, поэтому "лишние" части излучения можно попросту отсеивать. Способ более эффективный, но требующий точной технической реализации.

3. Разновидности ЖК-мониторов

Первые ЖК-мониторы были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров имеют размеры 19" и более. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, сопровождающееся появлением новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий.

Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути улучшения качества изображения стало увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° (TN-технология) до 270° с помощью STN (Super Twisted Nematic) технологии.

3.1.Технология STN

Технология STN позволяет увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри ЖК-ячейки с 90° до 270°, что обеспечивает лучшую контрастность изображения при увеличении размеров монитора. Часто STN-ячейки используются в паре. Это называется DSTN (Double Super Twisted Nematic), и этот метод очень популярен среди мониторов для портативных компьютеров, использующих дисплеи с пассивной матрицей, где DSTN обеспечивает улучшение контрастности при отображении изображений в цвете. Две STN-ячейки располагаются вместе так, чтобы они вращали векторы поляризации света в разных направлениях. Также STN-ячейки используются в режиме TSTN (Triple Super Twisted Nematic), когда два тонких слоя пластиковой пленки (полимерной пленки) добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.

Термин "пассивная матрица" (passive matrix), упомянутый выше, появился в результате разделения монитора на точки, каждая из которых, благодаря электродам, может задавать ориентацию плоскости поляризации луча независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения. ЖК-матрица называется пассивной потому, что технология ее создания не может обеспечить быструю смену информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Подобный монитор имеет много недостатков с точки зрения качества, потому что изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать динамические объекьты. Следует принимать во внимание и тот факт, что между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, проявляющееся в виде колец на экране.

3.2. Технология Dual Scan Screens

Для решения части вышеописанных проблем применяют специальные приемы. Например, разделение экрана на две части и применение независимого двойного сканирования обеих частей в одно и тоже время, в результате экран дважды регенерируется, изображение не дрожит и отображается достаточно плавно.

3.2. Активные ЖК-матрицы (технология TFT)

Лучших результатов с точки зрения стабильности, качества, разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя технологически более сложные (соответственно, и более дорогие) экраны с активной матрицей (active matrix). В активной матрице используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица имеет массу преимуществ по сравнению с пассивной матрицей. Например, лучшая яркость и возможность смотреть на экран даже со значительными отклонениями без ущерба для качества изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей, позволяющей видеть качественное изображение только с фронтальной позиции по отношению к экрану. Модели хороших ЖК-мониторов с активной матрицей обеспечивают угол обзора в 160°, и есть все основания предполагать, что технология будет и дальше совершенствоваться. В случае с активной матрицей можно отображать движущиеся изображения без видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей около 50 ms против 300 ms для пассивной матрицы, и качество контрастности сопоставимо с ЭЛТ-мониторами.

Следует отметить, что яркость отдельного элемента ЖК-экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый элементом люминофора ЭЛТ-монитора сразу после бомбардировки этого элемента электронным лучом и заметно меняющий интенсивность по экспоненциальной зависимости. Именно поэтому для ЖК-мониторов вполне приемлемой является частота регенерации (аналог частоты кадровой развертки) порядка 60 Гц.

В случае с пассивной матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчной регенерации дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации.

В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1), и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Частично проблема отсрочки затухания изображения в пассивных матрицах решается за счет использования большего числа жидкокристаллических слоев для увеличения пассивности и уменьшения перемещений, теперь же, при использовании активных матриц, появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы производяться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, что позволяет располагать транзисторы на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые Thin Film Transistor (или просто TFT).

Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор ( толщина - в пределах от 1/10 до 1/100 мкм). Технология создания TFT весьма сложная; при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей в SVGA режиме с тремя базовыми цветами, имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в ЖК-мониторе. Правда, у каждого производителя свое мнение о том, какое количество транзисторов может не работать.

4. Параметры ЖК-мониторов

4.1. Разрешение

Разрешение ЖК-мониторов (его еще называют native) определяется реальным количеством ЖК-ячеек и соответствует максимальному физическому разрешению ЭЛТ-мониторов. Именно в native разрешении ЖК-монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей, который у ЖК-монитора фиксирован. Например, если ЖК-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 темными, т. е. вокруг изображения образуется широкая темная 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 издержки масштабирования: неровности на окружностях, смазанные шрифты и так далее. Монитор на основе электронно-лучевой трубки теоретически способен работать в любом разрешении, ведь все, что для этого надо сделать, это изменить угол отклонения электронного луча. Луч в трубке не обязан четко попадать в ячейки с люминофорами, он может ударить и между ними. А ЖК-панель, число пикселей в которой строго соответствует номинальному разрешению, должна уметь корректно масштабировать изображение, причем быстро, чтобы обеспечить приемлемую частоту смены кадров. Самый простой способ проверки качества масштабирования – это изменение разрешения, когда на экране имеется текст, написанный мелким шрифтом. По контурам букв легко будет заметить эффекты интерполяции. Качественный алгоритм даст ровные, но немного размытые буквы, тогда как быстрая целочисленная интерполяция обязательно внесет искажения (для решения этой проблемы в Windows XP имеется режим сглаживания шрифтов «clear type»). Второй параметр – скорость, с которой ЖК-монитор производит масштабирование одного кадра (электронике монитора требуется время, чтобы произвести интерполяцию).

4.2. Размер диагонали

В отличие от ЭЛТ-мониторов, указываемый размер диагонали ЖК-монитора совпадает с размером диагонали видимой области. Так, видимая область ЖК-монитора с диагональю 15.1 дюйма совпадает с видимой областью некоторых моделей 17 дюймовых ЭЛТ-мониторов.

4.3. Интерфейс

С распространением жидкокристаллических дисплеев получил путевку в жизнь цифровой интерфейс передачи видео сигнала DVI. На видеокартах оснащенных таким интерфейсом обычно встречаются два вида коннекторов: DVI-I (совмещающий цифровой и аналоговый сигналы) и DVI-D (только цифровой). Естественно, что для соединения ЖК-монитора с компьютером предпочтителен интерфейс DVI, хотя допускается подключение и через стандартный VGA разъем. Hi-end модели ЖК-мониторов имеют оба типа коннекторов, VGA и DVI, в то время как на остальных моделях приходится довольствоваться одним интерфейсом, которым зачастую оказывается старый VGA. На практике, если конвертер - ЖК-монитора работает корректно и способен преобразовывать 24-битный цветовой сигнал (смотрите ниже), вряд ли будет заметна разница между работой цифрового и аналогового интерфейса.

4.4. Количество цветов

Современная цифровая панель должна уметь отображать 24-битный цвет. Такая характеристика автоматически повышает требования к контрастности и предполагает использование DVI интерфейса. В ранних моделях цифровых панелей использовался 18-битный цвет, по 6 бит на каждую цветовую компоненту, что давало возможность отображать одновременно до 262.144 цветов (псевдо-RGB). Подобные модели и сейчас прочно занимают нишу бюджетных решений, и могут вполне подойти для работы в офисе. Однако некоторые производители ставят на ЖК-мониторы дешевые 18-битные VGA-конверторы, которые и портят картинку. Если монитор оснащен DVI коннектором, то такой проблемы, конечно, не возникнет. Но бывает, что два дисплея (один 24-битный, другой 18-битный) разных производителей трудно отличить по картинке.

4.5. Угол обзора

Побочным эффектом использования жидких кристаллов стало резкое сокращение угла обзора экрана. Многие не придавают этому параметру слишком много значения, поскольку за монитором персонального компьютера большую часть времени находится только один человек, но, тем не менее, не стоит недооценивать данную характеристику дисплея. Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Если от прямого угла начать медленно поворачивать голову в одну из сторон, то первое, что станет заметно, это не падение контрастности, а цветовые искажения (хорошо видно, когда весь экран залит чистым цветом отличным от белого). Причем подобные "цветовые пятна" проявляются уже при взгляде с небольшого угла, который много меньше угла обзора. Поэтому, чем больше угол обзора, тем лучше. Различают горизонтальный и вертикальный угол обзора, рекомендуемые минимальные значения - 140 и 120 градусов соответственно.

4.6. Время отклика

Этот параметр обозначает время, за которое транзистор успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов. Чем меньше указанная величина, тем лучше. Для того чтобы быстро движущиеся объекты, которыми наполнены игры и видео, не казались смазанными, дисплею достаточно обладать временем отклика 25 мс. Но следует учесть, что разные производители мониторов по-разному трактуют время отклика. Фактически, этот параметр состоит из двух величин – времени на включение пикселя (come-up time) и времени на выключение (come-down time). Например, время включения может составлять 10 мс, а время выключения – 20 мс. Тогда суммарное время отклика будет равно 30 мс, но производитель может указать в паспорте среднее время, то есть 15 мс, или минимальное, то есть 10 мс. Для проверки можно поставить игру подинамичней, или же просто попробовать быстро прокручивать страницу. Бывает, что в таких экспериментах новомодный 25 мс монитор уступает более старому, но зато более честному 40 мс конкуренту. Также следует помнить о том, что время отклика напрямую связано с частотой обновления изображения на экране. А именно, справедлива следующая формула: максимальное число воспроизводимых кадров обратно времени отклика. Вернее было бы поставить в знаменателе время выключения (come-down time), как наибольшее время, за которое отдельный пиксель максимально изменяет свою яркость, но поскольку данный параметр часто бывает неизвестен, то приходится упрощать расчет. Например, пусть имеется типичный ЖК-монитор с временем отклика 25 мс, тогда получается, что частота обновления изображения на данном мониторе ограничена 40 кадрами в секунду (1 / 0.025 = 40). Если известно, что величина come-down time этого дисплея равна 15 мс, то получается предел уже примерно в 67 кадров в секунду. В любом случае - все это чисто теоретические величины, которые могут сильно расходится с результатом субъективных наблюдений.

4.7. Яркость

Сильная сторона современных ЖК-мониторов – яркость изображения (не путать с контрастностью). В среднем она в два раза выше показателей CRT и на то есть технические причины: в ЖК-мониторах достаточно увеличить интенсивность лампы подсветки, как сразу возрастет яркость, а в ЭЛТ пришлось бы усиливать поток электронов, что приведет к значительному усложнению конструкции и повышению уровня электромагнитного излучения. Рекомендуемое значение яркости – не менее 200 кд/м2. Однако монитор с очень высокой яркостью вполне способен слепить глаза. Здесь принцип "чем больше, тем лучше" работает только до определенного предела.

4.8. Контрастность

За последнее время контрастность изображения ЖК-мониторов заметно выросла, но по-прежнему уступает показателям ЭЛТ-мониторов. Данный параметр определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Казалось бы, при такой высокой яркости у ЖК-мониторов никаких проблем не должно быть и с контрастом, но... Проблема состоит в том, что в ЖК-мониторах трудно создавать точки черного цвета, поскольку в отличие от ЭЛТ лампа подсветки включена постоянно, и для получения темных тонов используется эффект поляризации. Черный цвет будет черен настолько, насколько удается заблокировать непрерывный световой поток. При покупке ЖК-монитора следует помнить о том, что недостаток контрастности серьезно бьет по количеству цветов: близкие по значению оттенки сливаются в один, особенно в области темных тонов. Это положение можно несколько скомпенсировать настройками яркости и контраста, но только в ущерб другим оттенкам.