LCD дисплеї: різновидів багато, принцип дії - один

LCD - ми часто чуємо цю абревіатуру в повсякденному житті. Сучасні гаджети, що демонструють нам яскраві картинки - всі оснащені екранами, побудованими за передовими технологіями.

Щоб розібратись, чому пристрої з одним типом екрану коштують куди дорожче за інші, варто розуміти принципи роботи кожного з різновидів. Почнемо з базового поняття і родоначальника сучасних дисплеїв - матриць LCD (або рідкокристалічних).

В першу чергу, окреслимо загальну структуру побудови такого дисплея:

1. Підсвітка.
2. Розсіювач.
3. Поляризаційний фільтр вертикальний.
4. Активна матриця (так звана TFT).
5. Прошарок рідких кристалів.
6. Кольоровий фільтр.
7. Ще один поляризаційний фільтр (горизонтальний).
8. Скло розсіювач.

Виходить такий собі багатошаровий бутерброд із кількох тонких прошарків, у кожного з яких є власна важлива функція.

Принцип роботи LCD дисплея 

Рідкі кристали розташовані між двома панелями поляризаційних фільтрів. На одному з фільтрів бороздки нанесені вертикально, на іншому - горизонтально. При проходженні світла, поляризаційні фільтри створюють електричне поле, а рідкі кристали під його впливом змінюють свою орієнтацію таким чином, щоб пропускати хвилі світла потрібної довжини та відсікати не потрібні.

Іншими словами за допомогою електрики можна змінювати орієнтацію молекул кристалів і тим самим забезпечувати створення зображення на екрані. Цим процесом управляє активна матриця, яка являє собою шар із прозорих тонкоплівкових транзисторів (так звана TFT технологія або активна матриця). 

Активна матриця отримує інформацію від джерела контенту, та керує оновленням необхідних пікселів настільки швидко, що людські очі бачать одну безперервну картинку. Виконує це TFT за допомогою управління поляризаторами.

Під дією сили струму, що регулює активна матриця, рідкі кристали вибудовуються таким чином, щоб пропускати через себе хвилі світла потрібного спектру. Потрапляючи на кольоровий фільтр, що складається із тисяч комірок, поділених на три кольори - червоний, зелений і синій (RGB - red, green, blue) - у результаті роботи TFT та поляризаторів якийсь із кольорів стає світитися сильніше, якийсь менше. Таким чином утворюється потрібний відтінок.

Завершує побудову зображення і кольору розсіювач, який згладжує картинку, щоб світло від пікселів на екрані виглядало не “квадратиками”. Швидко змінюючи напрямок кристалів, активна матриця будує кадр за кадром, а ми насолоджуємось дійством.

Ще кілька важливих понять

Часом відгуку матриці називають мінімальний час, за який один кадр може змінитися іншим. Показник швидкості оновлення пікселів називається частотою оновлення, що вимірюється в Герцах та пояснює скільки кадрів за секунду буде відображатись. Приклад: якщо показник відповідає значенню 60 Гц це означає, що екран за одну секунду здатен 60 разів змінити колір кожного пікселя і відобразити 60 кадрів. Чим більше значення кількості відображених кадрів за секунду, тим чіткіше і більш плавно буде змінюватись картинка на екрані. Максимальним показником наразі є 240 Гц, а більшість динамічних ігор для відчуття повноти ефектів вимагають розгортку не менше ніж у 120 fps (frames per second - кадрів за секунду).

За кожну точку на екрані - піксель - відповідає три кольори на кольоровому фільтрі - синій, зелений та червоний (RGB). Кожен колір називається субпіксель. Відповідно, світлові хвилі потрібної  довжини потрапляючи на кольоровий фільтр поєднують цих три кольори. 

Максимальний кут під яким зображення видно чітко називають кутом огляду. LCD дисплеї дозволяють відтворювати насичені і глибокі картинки, але найбільше їх критикували за маленькі кути огляду та проблеми з вигоранням пікселів на матриці. Завдяки модернізації активної матриці, виробники змогли досягти необхідних показників.

Різновиди LCD

До LCD відносяться такі види матриць як TN, IPS, PLS, VA, MVA та PVA. Ці матриці  використовуються рідкі кристали, які самостійно не світяться і їм для роботи потрібне яскраве джерело світла. Насправді, екрани побудовані за однаковим принципом, але отримали різні назви оскільки виробники створили різноманітні види шару тонких напівпровідникових плівок.

Twisted Nematic

TN (Twisted Nematic) один із найстаріших різновидів активної матриці. Найбільшими перевагами їх використання у техніці вважається надкороткий час відгуку та підтримку максимальної частоти розгортки кадрів у 240 Гц. Тому цьому типу матриці найчастіше віддають перевагу геймери. 

Проте у TN також є і відчутні мінуси - кут огляду складає 160-170 градусів, а можливість передачі кольору залишається у рамках палітри sRGB (до 16,7 млн кольорів). TN монітор не підійде для тих, хто професійно займається графічним дизайном, але без проблем впорається з рутинною роботою з документами, динамічними іграми і серфінгом в Інтернеті.

In-Plane-Switching

Одна із найрозповсюдженіших у широкому вжитку матриця IPS (In-Plane-Switching). Авторство розробки належить гіганту Samsung. Збільшення кута огляду і насиченішої картинки досягли за допомогою використання двох активних матриць та рівномірного розподілення кристалів. У такому випадку вплив поляризації змушує кристали світитись ще яскравіше.

Проте, такий підхід потребує більш потужного джерела світла. До того ж - збільшився і час відгуку. Розробники створили кілька модифікацій IPS у спробах нівелювати ці проблеми і досягли значних успіхів, проте це часто впливає на ціну виробу. Хоча така матриця стала досить популярною, оскільки вирішує більшість завдань невибагливих користувачів за співвідношенням ціна/якість. 

Зараз IPS встановлюють на смартфонах, телевізорах і моніторах. Насичені кольори, досить природна передача кольору, відносно невеликий час відгуку та досить широкий кут огляду дозволяють юзерам виконувати рутинні задачі із задоволенням і без особливих нарікань.

Модифікації IPS-матриць:

• S-IPS (super IPS) - характеризується збільшеними кутами огляду, швидким часом відгуку.
• H-IPS (Horizontal IPS) і UH-IPS (Ultra Horizontal IPS) - покращилася контрастність.
• E-IPS (Enhanced IPS) - пропускає більше світла, дозволяючи зменшити яскравість підсвічування і збільшити енергоефективність. Час відгуку - до 5 мс.
• P-IPS (Professional IPS) - відрізняються максимальною точністю передачі кольорів, ідеально підходять для професійної роботи з кольором і його корекції.
• AH-IPS (Advanced High Performance IPS) - володіють поліпшеною передачею кольору, підвищеною яскравістю і низьким енергоспоживанням. Швидкість реакції знаходиться на рівні 5-6 мс.

Компанія Samsung продовжила удосконалення IPS у прагненні здешевити виготовлення.

Plane To Line Switching

PLS (Plane To Line Switching) - варіант удосконаленої матриці IPS. Деталі доопрацювання виробник воліє не розповсюджувати, але до плюсів матриці відносяться:

1. Висока швидкість відгуку та щільність пікселів;
2. Низький рівень мерехтіння та знижене енергоспоживання;
3. Підтримка високої роздільної здатності екрану й технології HDR;
4. Яскравість сягає 1,100 кд/м2, кут огляду до 178 градусів;
5. Відмінна передача кольору sRGB-простору;
6. Більш безпечний для очей, ніж IPS.

Але є у PLS значні мінуси - найнижча контрастність серед рідкокристалічних-матриць та відносно невелике кольорове охоплення у порівнянні з більш технологічними розробками (до 16,7 млн кольорів). Тим більше - знизити ціну виробництва так і не вийшло. А оскільки дуже явних переваг звичайному користувачеві дана розробка не приносить, то і дуже широкого розповсюдження матриця не отримала. 

Матриці Vertical alignment

У прагненні розв'язати основні проблеми рідкокристалічних дисплеїв та здешевити технологію виготовлення, компанія Futjitsu створила новий тип активної матриці VA (vertical alignment). Орієнтація рідких кристалів у попередніх різновидах матриць була перпендикулярною щодо другого поляризаційного фільтру. Компанія змінила положення кристалів і розставила їх вертикально. У такому положенні кристали не 
пропускають світло взагалі, завдяки чому, чорний колір став глибшим і насиченішим. 

Показники VA матриці у швидкості відгуку наблизились до TN-технології, проте щодо кутів огляду - не змогли її перевершити. Тому компанії продовжили допрацьовувати VA матриці. Так, наступною розробкою Futjitsu являється MVA технологія (так звана, багатодоменна структура), яка подвоїла кількість кристалів у кожній комірці. 

Компанія змогла домогтись значного покращення кутів огляду, більш високої контрастності та зменшити час відгуку. Ці монітори стануть ідеальним вибором для тих, хто працює з текстом та кресленнями. Також, досить непогано виконають завдання по відображенню фільмів та не надто динамічних ігор. Але для тих, кому важлива робота з кольором або високою динамікою зміни кадрів такий монітор стане не найкращим вибором.

І нарешті, PVA матриці, які є унікальною розробкою південнокорейського гіганта Samsung (хоча з самого початку вона вважалася плагіатом, вдало замаскованим з метою не платити за дорогий патент прямому конкуренту). До незаперечних переваг цієї технології варто віднести невисоку ціну та чудову контрастність. Якість зображення на 

PVA-дисплеях приємно тішить око. Особливо такі екрани сподобаються професіоналам, які активно працюють за комп'ютером, займаючись дизайном, фотографією, монтажем відео тощо.

У PVA матрицях були значно покращені кути огляду, а відтінки чорного виразно глибокі та насичені. Повний лад і з часом відгуку. А ось до чого можна причепитися, то це до певних спотворень кольорів, якщо відбувається горизонтальне відхилення. Хоча останні моделі таких матриць вже поступово прибирають і цю «стару болячку», оскільки технологія сьогодні є серйозно доопрацьовано.

Висновки

Сподіваємось, що тепер шановному читачу стало трошки зрозуміліше що таке рідкокристалічний дисплей і як розшифровується купа незрозумілих букв у назвах телевізорів.

До речі, на наших полицях зачекались гарячі пропозиції від різноманітних брендів. Отож, нумо за покупками!