Реферат: Применение кристаллов

Решение TN+Film не обеспечивает значительных улучшений такого показателя как время реакции пиксела. При этом такие системы недороги, позволяют обеспечить достаточный производственный уровень и увеличить угол обзора до приемлемых значений. Доля рынка таких дисплеев со временем должна уменьшиться.

IPS уже завоевали значительную долю рынка, т.к. их производят несколько компаний, например Hitachi и NEC, которые поддерживают данную технологию. Решающими факторами успеха этих дисплеев является высокое значение угла зрения (до 170°) и приемлемое время реакции.

С технической точки зрения, технология MVA является наилучшим решением. Углы зрения до 160° - это почти такой же хороший показатель, как у ЭЛТ-мониторов. Время реакции, равное примерно 20 мс, также подходит и для воспроизведения видео. Доля рынка таких дисплеев до сих пор мала, хотя она постепенно растёт.

Китайские фонарики
или TFT мониторы в наступлении

В предыдущих статьях цикла "Китайские фонарики" мы обсудили проблемы выбора и состояние рынка классических ЭЛТ-мониторов. Теперь пришла пора поговорить об альтернативных моделях на TFT-матрицах.

Достоинства и недостатки TFT-матриц

Компоненты персонального компьютера совершенствуются уже почти два десятка лет, многие из них значительно увеличили свое быстродействие, уменьшили габариты и массу, стали дешевле. И только монитор, основное средство вывода результатов работы компьютера, за эти годы принципиально не изменился - он все такой же тяжелый и громоздкий, а все достижения технологии привели только к увеличению его размеров (хотя, конечно, он стал безопаснее для здоровья и показывает более качественную картинку, чем двадцатилетней давности предки).

Вы думаете, конструкторов не занимала мысль о том, как уменьшить габариты и массу монитора? Занимала, и еще как - следствием этого стало появление укороченных трубок и даже трубок с боковым расположением электронной пушки (в мониторах, увы, не прижившихся из-за значительных геометрических искажений, но зато применяющихся в некоторых TV-приемниках), а также разработка альтернативных технологий - плазменных, светодиодных и жидкокристалльных (ЖКИ).

Быстрее всех прогрессировала технология ЖКИ, так как ввиду низкого энергопотребления она оказалась наиболее востребована рынком - для начала в секторе экранов мобильных устройств (ноутбуков, портативных тестеров, мобильных телефонов и т.д.). Первыми на ноутбуках появились монохромные ЖКИ-панели с пассивной решеткой, затем цветные пассивные панели, и, наконец, венцом этой технологии стали цветные панели с активной решеткой (так называемые TFT-матрицы).

В основе функционирования любой ЖКИ-панели лежит принцип изменения прозрачности (точнее, изменения поляризации проходящего света) у жидких кристаллов под воздействием электрического тока. В TFT-матрице слой жидких кристаллов управляется матрицей из микроскопических транзисторных аналоговых ключей, по одному ключу на каждый пиксел изображения, что позволяет добиться высокой скорости включения-выключения точек и повысить контрастность изображения.

Поскольку жидкие кристаллы сами по себе не имеют цвета, в цветной панели имеется три слоя жидких кристаллов (либо специальная однослойная мозаичная структура) с соответствующими светофильтрами для каждой цветовой составляющей (красный, зеленый, синий). Жидкие кристаллы не могут сами светиться, поэтому для того, чтобы придать экрану привычный светящийся вид, за ЖКИ-панелью установлена специальная плоская лампа, подсвечивающая экран с обратной стороны. В результате пользователю кажется, что матрица "светится", как обычный экран ЭЛТ.

Контрастность получаемого изображения напрямую зависит от яркости лампы, помноженной на степень прозрачности открытой ЖКИ ячейки и поделенной на степень прозрачности закрытой ЖКИ ячейки. Однако с допустимым числом градаций цвета у ЖКИ-монитора не все так просто.

Неискушенному человеку может показаться, что поскольку транзисторный ключ, управляющий точкой матрицы, суть аналоговое (бесступенчатое) устройство, яркость точки управляется столь же бесступенчато, как в ЭЛТ-мониторе, и число цветов определяется только разрядностью ЦАП (DAC) на видеокарте. Однако все гораздо хуже - дело в том, что у ЖКИ монитора нет построчной развертки, аналогичной развертке ЭЛТ, и принцип доступа к ячейкам (точкам) экрана напоминает адресный принцип доступа к ячейкам современной DRAM-памяти, в которую пишется одновременно много (например, 64) бит информации. Из-за этого электронике ЖКИ монитора приходится преобразовывать аналоговый сигнал видеокарты снова в цифровой, с тем, чтобы разложить последовательно идущие яркости точек по ячейкам памяти и затем выдвигать на управляющие входы матрицы сразу несколько уровней яркости для соседних точек экрана.

Таким образом, электроника ЖКИ-монитора вынуждена выполнять обратное (аналого-цифровое) преобразование аналоговых уровней сигнала, идущих с видеокарты, в цифровые отсчеты. При этом неизбежно теряется часть информации из-за несоответствия масштабной сетки ЦАП-а видеокарты и АЦП монитора, и число различимых градаций яркости каждого цвета падает. Одновременно проявляется и проблема точного совпадения точек развертки видеокарты с точками на ЖКИ-матрице, так как фронты синхросигнала горизонтальной развертки, генерируемого видеокартой для обозначения начала строки, после прохождения по кабелю оказываются несколько завалены и зашумлены посторонними наводками.

Очевидно, что ЖКИ-мониторам не свойственны многие проблемы классических ЭЛТ - например, им не нужно фокусировать электронный луч на плоском экране, края которого отстоят от электронной пушки дальше, чем центр, не нужно сводить лучи трех пушек в одной точке, не нужно, двигая луч по радиусу, умудряться рисовать прямые линии. Соответственно ЖКИ-мониторы всегда имеют идеальную геометрию, фокус и сведение, в этом их несомненный плюс. В принципе, ЖКИ мониторам также несвойственно понятие муара - по крайней мере, при работе в геометрическом разрешении через цифровой интерфейс муара на ЖКИ быть не может по определению, так как пикселы экрана точно совпадают с пикселами развертки.

Однако есть у ЖКИ и минусы, причем минусы врожденные и трудноустранимые. Об одном из них я говорил выше - у любого ЖКИ монитора, работающего по аналоговому входу, число реально отображаемых цветов меньше, чем то, которое поддерживает видеокарта. Вторым важным недостатком является инерционность жидких кристаллов - из-за этого наблюдаются эффекты, похожие на "послесвечение" люминофора некоторых старых ЭЛТ, вызывающие неприятное "размазывание" быстро меняющихся картинок (попробуйте, например, быстро прокрутить текст в Ворде - если буквы слились в серую мешанину, это значит, что монитор имеет слишком большую инерционность и послесвечение). Третий коренной недостаток ЖКИ - ограниченный угол обзора, вызванный трудностью построения поляризационных фильтров с характеристиками, неизменными в широком диапазоне углов.

Разумеется, на то и технический прогресс, чтобы преодолевать недостатки технологии. Углы обзора новейших TFT-панелей доведены до весьма комфортных 100 градусов и более по горизонтали и вертикали, инерционность снижена до практически незаметных 20 ms, контрастность благодаря применению эффективных фильтров и мощных люминесцентных ламп доведена до уровня 350:1 (немногим ниже уровня хорошего тринитрона), а проблемы цветовых градаций и точного попадания точек развертки в точки матрицы успешно решает переход на цифровой интерфейс DVI.

Увы, но нет в мире совершенства - все эти качества сочетаются в одном изделии крайне редко, и стоит такое изделие, если оно вообще есть в нужном вам классе, крайне дорого. Поэтому разумным подходом к выбору TFT-монитора является подход компромиссный - когда вы сначала решаете, какие характеристики для вас важнее, а какие - важны не очень, и потом начинаете искать монитор с наилучшими (или как минимум хорошими) значениями важных параметров и более-менее достойными значениями остальных

Плазменные панели

Рискнем предположить, что подавляющая часть наших читателей дома или на работе пользуется самыми обычными мониторами с электронно-лучевой трубкой. Но постепенно, всё более и более популярными становятся так называемые жидкокристаллические дисплеи. Преимущества последних перед первыми очевидны: ЖК-экран занимает мало места на рабочем столе, он легкий, потребляет значительно меньше электроэнергии, по сравнению с ЭЛТ-монитором, и менее опасен для здоровья человека. Но все же главным недостатком всех экранов, работающих с применением жидких кристаллах, на сегодняшний день, является их ограниченный размер. То есть получается, что чем меньше ЖК экран, тем более он выгоден по соотношению цена/качество: дешевыми электронными часами с небольшим дисплеем удивить кого-либо очень сложно. С другой стороны, при производстве 15-дюймовой ЖК-матрицы используются те же самые физические свойства жидких кристаллов, что и при изготовлении самых обычных наручных часов. Но создать цветную ЖК-матрицу имеющую порядка трехсот тысяч точек (при разрешении 800х600), обойдется на много дороже, нежели монохромный дисплей сотового телефона.

Как раз в этом-то и заключается самая большая проблема ЖК-матриц — чем больше диагональ матрицы, тем менее надежным, более сложным и, что самое важное, дорогим получается конечный продукт. Сейчас уже просто не выгодно делать большие экраны данного типа: покупателю намного проще и дешевле установить тяжелый, но относительно недорогой ЭЛТ-монитор.

К счастью, прогресс не стоит на месте и уже сейчас не нужно быть миллионером, чтобы купить плоский телевизор с диагональю 40 дюймов (хотя и придется выложить достаточно круглую сумму). Подобные устройства принято называть «плазменными». Главное достоинство плазменного дисплея — низкая стоимость матрицы большого диаметра. Здесь ситуация повторяет случай с ЖК-мониторами с точностью до наоборот: чем больше размеры матрицы, тем выгоднее производителю ее создавать. Судите сами: подавляющая часть всех телевизоров и мониторов с диагональю более 21 дюйма — плазменные. Поэтому не стоит удивляться, тому, что плазменный телевизор с диагональю, например, 24 дюйма не намного дешевле (а иногда и дороже), телевизора с 40-дюймовой матрицей. В этом случае цену определяет начинка каждой конкретной модели, возможность подключения к компьютеру, наличие не только цифрового, но и аналогового разъема.

Принцип работы любого плазменного экрана (PDP — Plasma Display Panel) состоит в управляемом холодном разряде разряженного газа (как правило, используется ксенон или неон), находящегося в ионизированном состоянии. Все это носит название «холодная плазма» — отсюда и взялось и название.

Способность определенных газов светиться при пропускании через них разряда электрического тока до сих пор широко применяется в так называемых вывесках неоновой рекламы. Для этого создаются герметичные сосуды определенной формы (как правило, изображающие рекламируемый товар или в виде букв), после чего емкость заполняется газом. Если подавать на контакты электрический ток, то газ внутри рекламы начинает светиться. При прекращении подачи тока газ светиться перестает. Цвет свечения вывески зависит от того, в какой пропорции будут смешиваться определенные газы.

Аналогичный принцип используется и в создании плазменных дисплеев для компьютеров и телевизоров с большой диагональю. Только размеры сосуда, в котором храниться газ в тысячи раз меньше, а сами сосуды, которых насчитывается десятки миллионов, образуют матрицу, формирующую изображение на экране.

Минимальной единицей изображения на экране, как и везде, является точка, или пиксель. В плазменном мониторе для формирования цвета каждой отдельно взятой точки используется комбинация из трех субпикселей, каждый из которых отвечает за один из трех основных цветов RGB (Red Green Blue — Красный, Зеленый, Голубой). Ячейки находятся между двумя стеклами, расстояние между которыми 0,1 мм (100 микрон). Во время подачи электрического импульса на электроды часть заряженных ионов начинают излучать кванты света в ультрафиолетовом диапазоне. Диапазон излучения, в большинстве случаев, зависит от применяемого газа, в каждой конкретной модели. Ультрафиолетовые лучи действуют на специальное флюоресцирующее покрытие, которое в свою очередь излучает свет, видимый человеческим глазом. Кстати, ультрафиолетовые лучи очень опасны для глаз человека, но в данном случае бояться нечего — до 97% вредного излучения поглощает наружное стекло. Яркость и насыщенность цветов можно регулировать простым изменением величины управляющего напряжения: чем оно больше, тем больше квантов света выделяет газ, тем сильнее светится флюоресцирующая пленка, тем ярче мы получаем картинку на экране.

Данная технология самая молодая из всех, что применяются в серийном производстве офисной техники, но, что интересно, разрабатывается уже относительно давно. Так еще в далекие советские времена в НПО «Плазма» пытались воплотить в жизнь идею получения более-менее качественного изображения на табло, состоящим из элементов, наполненных специальным газом. Но специалисты не смогли создать пиксели малых размеров, из-за этого экран получался слишком большим, тяжелым, ненадежным, а изображение — слишком расплывчатым.

Всерьез разработкой технологии создания плазменных дисплеев занялись в 1966 году в одном американском университете в штате Иллинойс. Вскоре после завершения исследований, в начале 70-х годов, небольшая компания Owens-Illinois смогла запустить проект в коммерческое использование.

Тогда спрос на плазменные панели был очень небольшим. Главным образом отсутсвие спроса объяснялось тем, что экраны были монохромными (отображали только два цвета), очень дорого стоили (даже для крупных организаций) и были практически бесполезны для использования их в быту. Первую партию дисплеев заказала Нью-йоркская Фондовая Биржа — ей были необходимы экраны большой площади, способные информировать огромное количество людей об изменении котировок акций, а качества изображения было не столь критично.

Современные плазменные дисплеи претерпели большое количество изменений, их качество заметно изменилось, если сравнивать с теми, что производили много лет назад. Сейчас изображение на плазменном экране считается самым ярким (до 500 кд/м2) и контрастным (400:1), даже лучше чем у классических ЭЛТ-мониторов. Сравните: яркость и контрастностью дорогого монитора — 350 кд/м2 и 200:1 соответственно.

Благодаря особенностям исполнения плазменные экраны не боятся электромагнитных полей. Возможно, владельцы мощных колонок замечали изменение цвета рабочего стола на своем ЭЛТ-мониторе, когда пытались устанавливать аудио-систему рядом с компьютером. У PDP-мониторов такой проблемы не может существовать в принципе: внутри просто нет элементов, на которые могло бы повлиять магнитное поле. Поэтому рядом с плазменным телевизором всегда можно спокойно устанавливать самые хорошие, мощные колонки и наслаждаться качественным звуком не отходя от любимого ПК.

Из недостатков такого типа дисплеев стоит отметить очень высокое энергопотребление. Чтобы зажечь один пиксель на экране плазменного телевизора электроэнергии требуется незначительное количество, но матрица состоит из миллионов точек, каждой из которых приходится гореть до нескольких десятков часов подряд. Частично из-за этого плазменным дисплеям закрыт путь в область портативной техники: ноутбук от собственных аккумуляторов с таким экраном вряд ли проработает даже час: применение плазменного экрана само собой подразумевает наличие электрической розетки в радиусе нескольких метров. Но даже если решить проблему с источником питания, изготавливать плазменные матрицы с диагональю менее двадцати дюймов не выгодно экономически: представьте себе карманный компьютер ценой несколько тысяч долларов работающий только от сети, но имеющий очень контрастный и яркий экран. Не думаем, что подобная модель будет пользоваться ажиотажным спросом на рынке, тем более, что и ЖК-экраны с каждым днем становятся все лучше и лучше, да к тому же они значительно более бережливо относятся к источнику питания.

Также плазменные экраны имеют относительно небольшой срок эксплуатации, по крайней мере, по сравнению с аналогами, — порядка 10 тысяч часов непрерывной работы. Хотя многим и этого будет вполне достаточно, ведь эти 10 тысяч часов истекут только через шесть лет функционирования аппарата при 4-5 часах ежедневного просмотра телепередач (если дисплей использовать в качестве телевизора). Правда с каждым днем этот недостаток становится все менее и менее актуальным — многие производители уже сегодня предлагают довольно эффективные пути решения этой проблемы.

Во многом плазменные экраны напоминают жидкокристаллические. Разница состоит лишь в способе формирования цвета отдельной точки. У плазменного дисплея, как и у ЖК, нет никаких проблем ни со сведением лучей, ни проблем с геометрией экрана, ни с фокусировкой. Они не страдают от вибрации (если у вас дома системный блок стоит рядом с ЭЛТ-монитором, то вы, наверное, замечали легкую вибрацию на экране, когда активно работает жесткий диск или привод компакт-дисков), все PDP имеют абсолютно плоскую внешнюю поверхность.

Кажется, что плазменные матрицы унаследовали у своих предшественников только достоинства — они лишены недостатков присущих ЖК. Так, плазменные дисплеи имеют малое время отклика (чем до сих пор не могут похвастаться многие дисплеи дешевых КПК и ноутбуков), то есть время между посылкой сигнала и фактической сменой картинки на экране достаточно небольшое. Этот факт позволяет без проблем использовать PDP в качестве телевизоров и играть в быстрые игры, при подключении дисплея к компьютеру. Плазменные экраны полностью цифровые, аналоговый выход для подключения к настольному компьютеру — это скорее исключение, нежели правило. Возможно, многие знают, что главным недостатком ЖК-мониторов является значительное ухудшение качества изображения на экране при смене угла просмотра. Плазменные экраны, обладая всеми достоинствами ЖК, лишены этого недостатка. Здесь они могут дать фору даже самым дорогим и качественным ЭЛТ-экранам: у многих моделей угол видимости достигает 160 градусов.

ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ В БУДУЩЕМ

Управляемые оптические транспаранты.

Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологиче­ского характера. Хотя принципиально возможность со­здания таких экранов продемонстрирована, однако а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. По­этому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, получен­ное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристал­лах, если использовать сэндвичевые структуры, в кото­рые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотопо­лупроводника, производится лучом света. О подобном проекторе уже рассказывалось в главе VII. Теперь же познакомимся с физическими явлениями, положенными в основу его работы.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутст­вие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциа­лов, поданная на электроды оптической ячейки, в кото­рую еще дополнительно введен слой фотополупровод­ника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжения на нем. При подсветке фотопо­лупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происхо­дит перераспределение электрических напряжений в ячейке — теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частно­сти, его оптические характеристики, изменяются соответ­ственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристал­лического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практи­чески, конечно, выбор электрооптического эффекта в та­ком сэндвичевом устройстве, называемом электрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическими характеристиками и чисто технологическими причинами.

Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально — в точке засветки фотополупро­водника. Поэтому такие транспаранты обладают очень вы­сокой разрешающей способностью. Так, объем информа­ции, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1х1 см² .

Описанный способ записи изображения, помимо все­го прочего, обладает большими достоинствами, так как он