LCD дисплеи: разновидностей много, принцип действия – один

LCD - мы часто слышим эту аббревиатуру в повседневной жизни. Современные гаджеты, демонстрирующие нам яркие картинки – все оснащены экранами, построенными по передовым технологиям.

Чтобы разобраться, почему устройства с одним типом экрана гаджеты стоят куда дороже других, следует понимать принципы работы каждой из разновидностей. Начнем с базового понятия и родоначальника современных дисплеев – матриц LCD (или жидкокристаллических).

В первую очередь, очертим общую структуру построения такого дисплея:

1. Подсветка.
2. Рассеиватель.
3. Поляризационный фильтр вертикальный.
4. Активная матрица (так называемая TFT).
5. Прослойка жидких кристаллов.
6. Цветовой фильтр.
7. Еще один поляризационный фильтр (горизонтальный).
8. Стекло рассеиватель.

Получается некий многослойный бутерброд из нескольких тонких прослоек, у каждого из которых есть собственная важная функция.

Принцип работы LCD дисплея 

Жидкие кристаллы расположены между двумя панелями поляризационных фильтров. На одном из фильтров бороздки нанесены вертикально, на другом – горизонтально. При прохождении света поляризационные фильтры создают электрическое поле, а жидкие кристаллы под его влиянием изменяют свою ориентацию таким образом, чтобы пропускать волны света нужной длины и отсекать не нужные.

Другими словами, с помощью электричества можно изменять ориентацию молекул кристаллов и тем самым обеспечивать создание изображения на экране. Этим процессом управляет активная матрица, представляющая собой слой из прозрачных тонкопленочных транзисторов (так называемая TFT технология или активная матрица). 

Активная матрица получает информацию от источника контента, и управляет обновлением необходимых пикселей настолько быстро, что человеческие глаза видят одну непрерывную картинку. Выполняет это TFT посредством управления поляризаторами.

Под действием силы тока, который регулирует активная матрица, жидкие кристаллы выстраиваются таким образом, чтобы пропускать через себя волны света требуемого спектра. Волны попадают на цветной фильтр, состоящий из тысяч ячеек, разделенных на три цвета – красный, зеленый и синий (RGB – red, green, blue). В результате работы TFT и поляризаторов, какой-то из цветов светиться сильнее или меньше. Таким образом, образуется нужный оттенок.

Завершает построение изображения и цвета рассеиватель, который сглаживает картинку, чтобы свет от пикселей на экране выглядел не “квадратиками”. Быстро меняя направление кристаллов, активная матрица строит кадр за кадром, а мы наслаждаемся действом.

Еще несколько важных понятий

Время отклика матрицы называют минимальное время, за которое один кадр может смениться другим. Показатель скорости обновления пикселей называется частотой обновления, которая измеряется в Герцах и объясняет, сколько кадров в секунду будет отображаться. Пример: если показатель соответствует 60 Гц, это означает, что экран за одну секунду способен 60 раз изменить цвет каждого пикселя и отобразить 60 кадров. Чем больше количество отображаемых кадров в секунду, тем четче и плавнее будет изменяться картинка на экране. Максимальный показателем сейчас 240 Гц, а большинство динамических игр для ощущения полноты эффектов требуют развертки не менее чем в 120 fps (frames per second - кадров в секунду).

Каждой точке на экране - пиксель - соответствует три цвета на цветном фильтре - синий, зеленый и красный (RGB). Каждый цвет называется субпикселем. Соответственно, световые волны нужной длины попадая на цветной фильтр сочетают эти три цвета.

Максимальный угол под которым изображение видно четко называют углом обзора. LCD дисплеи позволяют воспроизводить насыщенные и глубокие картинки, но больше всего их критиковали за маленькие углы обзора и проблемы с выгоранием пикселей на матрице. Благодаря модернизации активной матрицы, производители смогли добиться необходимых показателей.

Разновидности LCD

К LCD относятся такие виды матриц как TN, IPS, PLS, VA, MVA и PVA. Эти матрицы используются жидкие кристаллы, которые самостоятельно не светятся и им для работы нужен яркий источник света. На самом деле экраны построены по одинаковому принципу, но получили разные названия поскольку производители создали различные виды слоя тонких полупроводниковых пленок.

Twisted Nematic

TN (Twisted Nematic) одна из старейших разновидностей активной матрицы. Наибольшими преимуществами их использования в технике считается сверхкраткое время отклика и поддержание максимальной частоты развертки кадров в 240 Гц. Поэтому этот тип матрицы чаще всего предпочитают геймеры. 

Однако у TN также есть и ощутимые минусы - угол обзора составляет 160-170 градусов, а возможность цветопередачи остается в рамках палитры sRGB (до 16,7 млн цветов). TN монитор не подойдет для тех, кто профессионально занимается графическим дизайном, но без проблем справится с рутинной работой с документами, динамическими играми и серфингом в Интернете.

In-Plane-Switching

Одна из самых распространенных в широком употреблении матрица IPS (In-Plane-Switching). Авторство разработки принадлежит гиганту Samsung. Увеличение угла обзора и более насыщенной картинки достигли посредством использования двух активных матриц и равномерного распределения кристаллов. В таком случае влияние поляризации заставляет кристаллы светиться еще ярче.

Однако такой подход требует более мощного источника света. К тому же – увеличилось и время отклика. Разработчики создали несколько модификаций IPS в попытках нивелировать эти проблемы и добились значительных успехов, однако это часто влияет на цену изделия. Хотя такая матрица стала довольно популярной, поскольку решает большинство задач неприхотливых пользователей по соотношению цена/качество.

Сейчас IPS устанавливают на смартфонах, телевизорах и мониторах. Насыщенные цвета, довольно естественная цветопередача, относительно небольшое время отклика и достаточно широкий угол обзора позволяют пользователям выполнять рутинные задачи с удовольствием и без особых нареканий.

Модификации IPS-матриц:

• S-IPS (super IPS) - характеризуется увеличенными углами обзора, быстрым временем отклика.
• H-IPS (Horizontal IPS) и UH-IPS (Ultra Horizontal IPS) - улучшилась контрастность.
• E-IPS (Enhanced IPS) - пропускает больше света, позволяя уменьшить яркость подсветки и увеличить энергоэффективность. Время отклика – до 5 мс.
• P-IPS (Professional IPS) - отличаются максимальной точностью цветопередачи, идеально подходят для профессиональной работы с цветом и его коррекции.
AH-IPS (Advanced High Performance IPS) - обладают улучшенной цветопередачей, повышенной яркостью и низким энергопотреблением. Скорость реакции находится на уровне 5-6 мс.

Компания Samsung продолжила усовершенствование IPS в стремлении удешевить изготовление.

Plane To Line Switching

PLS (Plane To Line Switching) - вариант усовершенствованной матрицы IPS. Детали доработки производитель предпочитает не распространять, но к плюсам матрицы относятся:

1. Высокая скорость отклика и плотность пикселей;
2. Низкий уровень мерцания и сниженное энергопотребление;
3. Поддержка высокого разрешения экрана и технологии HDR;
4. Яркость достигает 1,100 кд/м2, угол обзора до 178 градусов;
5. Отличная цветопередача sRGB-пространства;
6. Более безопасен для глаз, чем IPS.

Но есть у PLS значительные минусы - самая низкая контрастность среди жидкокристаллических матриц и относительно небольшой цветовой охват по сравнению с более технологичными разработками (до 16,7 млн цветов). Тем более – снизить цену производства так и не получилось. А поскольку очень явных преимуществ обычному пользователю данная разработка не приносит, то и очень широкое распространение матрица не получила.

Матрицы Vertical alignment

В стремлении решить основные проблемы жидкокристаллических дисплеев и удешевить технологию изготовления, компания Futjitsu создала новый тип активной матрицы VA (vertical alignment). Ориентация жидких кристаллов в предыдущих разновидностях матриц была паралельно вертикальному поляризационному фильтру. Компания сменила положение кристаллов и расставила их перпендикулярно. В таком положении кристаллы не пропускают свет вообще, благодаря чему, черный цвет стал глубже и насыщеннее.

Показатели VA матрицы в скорости отклика приблизились к TN-технологии, однако относительно углов обзора - не смогли ее превзойти. Потому компании продолжили дорабатывать VA матрицы. Так, последующей разработкой Futjitsu является MVA технология (так называемая многодоменная структура), которая удвоила количество кристаллов в каждой ячейке. 

Компания смогла добиться значительного улучшения углов обзора, более высокой контрастности и уменьшения времени отклика. Эти мониторы станут идеальным выбором для работающих с текстом и чертежами. Также, неплохо выполнят задачи по отображению фильмов и не слишком динамичных игр. Но для тех, кому важна работа с цветом или высокой динамикой смены кадров такой монитор станет не лучшим выбором.

И наконец, PVA матрицы, являющиеся уникальной разработкой южнокорейского гиганта Samsung (хотя с самого начала она считалась плагиатом, удачно замаскированным с целью не платить за дорогой патент прямому конкуренту). К неоспоримым преимуществам этой технологии следует отнести невысокую цену и отличную контрастность. Качество изображения на PVA-дисплеях приятно радует глаз. Особенно такие экраны понравятся профессионалам, активно занимающихсяь дизайном, фотографией, монтажом видео и т.д.

В PVA матрицах были значительно улучшены углы обзора, а оттенки черного определенно глубокие и насыщенные. Полный порядок и со временем отклика. А вот к чему можно придраться, это к определенным искажениям цветов, если происходит горизонтальное отклонение. Хотя последние модели таких матриц уже постепенно убирают и эту «старую болячку», поскольку технология сегодня серьезно доработана.

Выводы

Надеемся, что теперь уважаемому читателю стало немного понятнее что такое жидкокристаллический дисплей и как расшифровывается куча непонятных букв в названиях телевизоров.

Кстати, на наших полках заждались горячие предложения от различных брендов. Итак, давайте за покупками!