Плоские мониторы (Flat Monitors) как они устроены

» »

Плоские мониторы (Flat Monitors) как они устроены (картинка, фото)
Плоские мониторы (Flat Monitors) как они устроены
Статья создана: , обновлена:

Содержание

Плоские мониторы

Мониторы на основе электронно лучевой трубы в настоящее время являются наиболее распространенными, однако они обладают рядом недостатков: значительные масса, габариты и энергопотребление; наличие тепловыделения и излучения, потенциально вредного для здоровья человека. В связи с этим на смену ЭЛТ мониторам приходят плоскопараллельные мониторы, жидкокристаллические (ЖК мониторы), плазменные, электролюминесцентные, мониторы электростатической эмиссии, органические светодиодные мониторы. В таблице приведены сравнительные типоразмеры плоскопанельных и ЭЛТ мониторов.

Таблица размеров и разрешений различных типов мониторов

Размер плоскопанельного дисплея, дюймы Размер ЭЛТ-дисплея, дюймы Типичное разрешение
13.5 15 800 x 600
От 14.5 до 15 17 1024 x 768
От 17 до 18 21 1280 х 1024 или 1600 х 1200

Жидкокристаллические мониторы, ЖКД (LCD - Liquid Crystal Display)

Формирование изображения в таких мониторах основано на взаимосвязи между изменением электрического напряжения, приложенного к жидкокристаллическому веществу, и изменением ориентации его молекул.

Экран ЖК монитора представляет собой массив отдельных ячеек (пикселей), оптические свойства которых могут меняться при отображении информации. Панели ЖК монитора имеют несколько слоев, среди которых ключевую роль играют два слоя, выполненные из свободного от натрия и очень чистого стекла, между которыми расположен тонкий слой жидких кристаллов. На панели нанесены параллельные бороздки, вдоль которых ориентируются кристаллы (выравнивающий слой). Бороздки на подложках перпендикулярны между собой. Технология получения бороздок состоит в нанесении на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках.

Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели используют отражение или прохождение света). В качестве источников света используются специальные электролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов в отсутствие напряжения на подложках поворачивают вектор электрической напряженности электромагнитного поля в световой волне, проходящей через ячейку, на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок позволяет обеспечить одинаковые углы поворота для всех ячеек. Фактически каждая жидкокристаллическая ячейка представляет собой электронно-управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны.

Чтобы поворот плоскости поляризации светового луча был заметен для глаза, на стеклянные панели дополнительно наносят два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры выполняют функции поляризатора и анализатора.

Принцип работы и конструкция ЖКД
Принцип работы и конструкция ЖКД

Принцип действия ячейки ЖК монитора состоит в следующем. При отсутствии напряжения между подложками ячейка ЖК монитора прозрачна, поскольку вследствие перпендикулярного расположения бороздок на подложках и благодаря соответствующему закручиванию оптических осей жидких кристаллов вектор поляризации света поворачивается и проходит без изменения через систему «поляризатор-анализатор». Ячейки, у которых ориентирующие канавки, обеспечивающие соответствующее закручивание молекул жидкокристаллического вещества, расположены под углом 90°, называются твистированными нематическими.

Технология, при которой закручивание молекул составляет 90°, называется твистированной нематической (TN - Twisted Nematic). Мониторы, реализующие эту технологию, имеют следующие недостатки:

  • низкое быстродействие;
  • зависимость качества изображения (яркости, контрастности) от внешних засветок;
  • значительное взаимное влияние ячеек;
  • ограниченный угол зрения, под которым изображение хорошо видно;
  • низкая яркость и насыщенность изображения.

Следующим этапом на пути совершенствования ЖК мониторов

было увеличение угла закручивания молекул ЖК вещества с 90 до 270° с помощью STN-технологии (STN - Super Twisted Nematic). Использование двух ячеек, одновременно поворачивающих плоскость поляризации в противоположных направлениях, согласно DSTN-технологии (DSTN - Dual Super Twisted Nematic), позволило значительно улучшить характеристики ЖК мониторов.

Для повышения быстродействия жидкокристаллических ячеек используется технология двойного сканирования (DSS - Dual Screens), когда весь ЖК экран разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно. Двойное сканирование совместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции жидкокристаллические ячейки с 500 миллисекунд (у ЖК мониторов, реализующих технологию TN - Twisted Nematic) до 1-50 миллисекунд и значительно повысить частоту обновления экрана.

Активные и пассивные матрицы

Термин «пассивная матрица» (passive matrix) относится к такому конструктивному решению монитора, согласно которому монитор разделен на отдельные ячейки, каждая из которых функционирует независимо от остальных, так что в результате каждый такой элемент может быть подсвечен индивидуально для создания изображения.

Пассивные матрицы мониторов не могут обеспечить быстродействие при отображении информации на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки. Вследствие достаточно большой электрической емкости отдельных ячеек напряжение на них не может изменяться весьма быстро, поэтому изображение не отображается плавно и дрожит на экране. При этом между соседними электродами возникает некоторое взаимное влияние, которое может проявляться в виде колец на экране.

В активной матрице используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно увеличить быстродействие.

Функциональные возможности ЖК мониторов с активной матрицей почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. 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. Такой транзистор, выполняя роль коммутирующего ключа, позволяет коммутировать более высокое (до десятков вольт) напряжение, используя сигнал низкого уровня (около 0.7 В). Благодаря применению активных жидкокристаллических ячеек стало возможным значительно снизить уровень сигнала управления и тем самым решить проблему частичной засветки соседних ячеек.

Таблица сравнительных характеристик ЖКД с активной и пассивной матрицей

Тип дисплея Угол зрения, град. Отношение контраста Скорость реакции, мс Яркость, нит Энергопотребление, Вт Долговечность
Пассивная матрица 49-100 40:1 300 70-90 45 60 тысяч часов
Активная матрица Более 140 140:1 25 70-90 50 60 тысяч часов
ЭЛТ Более 190 300:1 Не определено 220-270 180 Годы

Поскольку запоминающие транзисторы выполняются по тонко-пленочной технологии, подобные ЖК мониторы получили название TFT мониторы (Thin Film Transistor - тонкопленочный транзистор). Тонкопленочный транзистор имеет толщину от 0.1 до 0.01 мкм. Технология TFT была разработана специалистами Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показатели ЖК мониторов (яркость, контрастность, угол зрения), но и создать на основе активной ЖК матрицы цветной монитор.

Характеристики

К числу основных характеристик жидкокристаллических мониторов относятся следующие.

Размер экрана ЖК мониторов составляет от 13 до 16'. В отличие от ЭЛТ мониторов, номинальный размер экрана и размер его видимой области практически совпадают.

Ориентация экрана у ЖК монитора в отличие от ЭЛТ монитора может быть как портретная, так и ландшафтная. ЖК монитор можно легко развернуть на 90°, причем ориентация изображения останется прежней.

Поле обзора обычно характеризуется углами обзора, отсчитываемыми от перпендикуляра к плоскости экрана по горизонтали и вертикали. Современные модели ЖК мониторов обеспечивают значения углов обзора: по горизонтали - ±45 … 70°; по вертикали - от 15 до 50° (вниз) и от 20 до 70° (вверх).

Разрешение определяется размером отдельной жидкокристаллической ячейки, то есть фиксированным размером пикселей. Например, если LCD монитор имеет разрешение 1024x 768, это значит, что на каждой из 768 линий расположено 1024 электродов, то есть пикселей. При этом можно использовать и более низкое разрешение. Для этого применяются два способа. Метод «Centering» (центрирование) состоит в том, что для получения изображения используется только то количество пикселей, которое необходимо для изображения с более низким разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а только в середине: все неиспользуемые пиксели остаются черными, образуя вокруг изображения широкую черную раму. Метод «Expansion» (растяжение) основан на растяжении изображения на весь экран, что приводит к возникновению некоторых искажений и ухудшению резкости.

Яркость. Типовая яркость ЖК монитора составляет 150-200 нит. При этом в центре яркость ЖК монитора может быть на 25 процентов выше, чем у краев экрана.

Контрастность изображения показывает, во сколько раз изменяется его яркость при изменении уровня видеосигнала от минимального до максимального. Приемлемая цветопередача обеспечивается при контрастности не менее 130:1, а высококачественная - при 300:1.

Инерционность характеризуется минимальным временем, необходимым для активизации его ячейки, и обычно составляет 30-70 мс, что сопоставимо с ЭЛТ мониторами.

Палитра ЖК мониторов по сравнению с обычными ограничена определенным количеством воспроизводимых на экране оттенков цветов. Типовой диапазон палитры составляет 262 144 или 16 777 216 оттенков цветов.

Массогабаритные характеристики и энергопотребление выгодно отличают жидкокристаллический от ЭЛТ мониторов. Масса большинства моделей не превышает нескольких килограммов, толщина экрана - 2.00 миллиметров, а потребляемая мощность в рабочем режиме - не более 35-40 Вт.

Недостатками ЖК дисплеев являются:

  • девиации яркости ячеек в зависимости от положения на экране;
  • обычное наличие короткозамкнутых или разорванных цепей, порождающих «негорящие» или «засвеченные» точки;
  • более высокая цена, чем у аналогичных ЭЛТ мониторов.

Другие типы плоскопараллельных дисплеев

Поликремниевые панели

Тонкопленочные транзисторы, образующие отдельные ячейки в жидкокристаллическом слое традиционных дисплеев с активной матрицей, формируются из аморфного кремния (a-Si), размещенного на стеклянном основании. Преимущество использования аморфного кремния состоит в том, что процесс не требует высоких температур, так что довольно недорогое стекло может использоваться как основание. Неудобство - то, что некристаллическая структура основы препятствует свободному перемещению электронов, что требует приложения относительно высокой электрической мощности для управления устройством.

Было выявлено, что кристаллический (или поликристаллический) кремний может быть намного более подходящим веществом Для использования в качестве основы. Однако соответствующая технология требовала применения высоких температур (до 1000 °С) и кварца (или специального стекла) в качестве подложки. В конце 1990-х годов были произведены первые образцы TFT-дисплеев, использующих низкотемпературный поликремний (p-Si), для производства которых было достаточно температур около 450 °С. Первоначально они использовались в устройствах, которые требовали только небольших матриц (типа проекторов и цифровых камер).

Один их наиболее дорогостоящих элементов TFT-панели - внешняя схема управления, требующая большого количества проводников к стеклянной панели, поскольку каждый пиксель имеет собственное соединение с внешней схемой.

Устройство жидкокристаллических панелей с активной матрицей
Устройство жидкокристаллических панелей с активной матрицей
  • а - с использованием аморфного кремния (a-Si);
  • б - на низкотемпературном поликремнии (p-Si).

Главная привлекательность технологии p-Si состоит в том, что повышенная эффективность транзисторов позволяет вмонтировать схему управления и периферийную электронику непосредственно в дисплей. Это значительно снижает число компонент для сборки дисплея (специалисты Toshiba считают, что на 40 процентов), а также уменьшает число соединительных проводов до 5 процентов от прототипа. Технология приводит к более тонким панелям с увеличенной яркостью и контрастностью.

Плазменные дисплеи (Plasma Display Panel - PDF)

Панель монитора состоит из двух стеклянных пластин, пространство между которыми заполнено инертным газом, например аргоном или неоном. На стеклянную поверхность нанесены миниатюрные прозрачные электроды, к которым прилагается высокочастотное напряжение. 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 лампа дневного света. Высокая яркость и контрастность наряду с отсутствием дрожания являются важнейшими преимуществами таких мониторов. Кроме того, угол по отношению к нормали, под которым можно увидеть изображение на плазменных мониторах, существенно больше, чем у ЖК мониторов.

Конструкция плазменного монитора
Конструкция плазменного монитора

Основными недостатками такого типа мониторов является достаточно высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали монитора, и низкая разрешающая способность (не более 1024 х 768), обусловленная большим размером элемента изображения. Кроме того, люминофорные свойства элементов со временем ухудшаются, и экран становится менее ярким, поэтому срок службы плазменных мониторов ограничен 10000 ч, что составляет около 5 лет при интенсивном использовании. Плазменные панели гораздо чаще используются как экраны для коллективного просмотра изображения с одного и того же компьютера, чем как Дисплей для персональной ЭВМ, а также для конференций, презентаций, информационных щитов, то есть там, где требуются большие размеры экранов для отображения информации.

Электролюминесцентные мониторы (ElectricLuminiescent displays - ELD) по своей конструкции аналогичны ЖК мониторам. Принцип Действия электролюминесцентных мониторов основан на явлении испускании света при возникновении туннельного эффекта в полупроводниковом р-n переходе. Такие мониторы имеют высокие частоты развертки и яркость свечения, кроме того, они надежны в работе. Вместе с тем они уступают ЖК мониторам по энергопотреблению, поскольку на ячейки подается относительно высокое напряжение - около 100 В. При ярком освещении цвета электролюминесцентных мониторов тускнеют.

Мониторы электростатической эмиссии (Field Emission Displays - FED)

Являются сочетанием традиционной технологии, основанной на использовании ЭЛТ, и жидкокристаллической. Мониторы FED основаны на процессе, который несколько похож на тот, что применяется в ЭЛТ мониторах, так как в обоих методах применяется люминофор, светящийся под воздействием электронного луча.

Принцип электростатической эмиссии
Принцип электростатической эмиссии

В качестве пикселей выступают такие же зерна люминофора, как и в ЭЛТ мониторе, что позволяет получить чистые и насыщенные цвета, свойственные ЭЛТ мониторам. Однако активизация этих зерен производится не электронным лучом, а электронными ключами, подобными тем, что используются в ЖК мониторах, построенных по TFT-технологии.

Управление этими ключами осуществляется специальной схемой, принцип действия которой аналогичен принципу действия контроллера ЖК монитора. Для функционирования монитора электростатической эмиссии необходимо высокое напряжение - около 5000 В. Энергопотребление мониторов электростатической эмиссии значительно выше, чем ЖК мониторов, но на 30 % ниже, чем энергопотребление ЭЛТ мониторов с экраном того же размера. Данная технология обеспечивает наилучшее качество изображения среди всех плоскопанельных мониторов и самую низкую инерционность (около 5 мкс).

Технология тонких ЭЛТ

Тонкая электронно-лучевая трубка («ThinCRT» - ТЭЛТ), предложена Candescent Technologies как вариант монитора электростатической эмиссии, работающего по принципу обычной ЭЛТ. Здесь электронная пушка, система управления отклонением луча и теневая маска заменяются перфорированным листом проводника, излучающим электроны при подведении напряжения. ТЭЛТ имеет толщину 3.5 миллиметров и состоит из двух стеклянных пластин, разделенных вакуумным промежутком в 1 миллиметра. Для сопротивления внешнему давлению внутри находятся тонкие (0.05 миллиметра) распорки. Технология называется «холодный катод», поскольку испускание электронов происходит при комнатной температуре.

Принцип работы LEP монитор
ов
Тонкая ЭЛТ принцип работы LEP монитор ов

LEP монитор ы (Light Emission Plastics - светоизлучающий пластик)

По своей технологии похожи на ЖК и ELD монитор ы, но отличаются материалом, из которого изготовлен экран: в LEP-мoниторах используется специальный органический полимер (пластик), обладающий полупроводниковыми свойствами. При пропускании электрического тока такой материал начинает светиться.

Данная технология аналогична светодиодной, но если там свет излучается обычными полупроводниковыми материалами, то здесь используется двухслойный полимер - полупроводниковый полимер poly-phenylene vinylene (PPV) и эмиссионный слой цианозамещенного производного от PPV (CN-PPV) для получения того же эффекта.

Органические светодиоды (Organic LED - OLED)

Основная ячейка OLED-структуры состоит из нескольких слоев органических соединений, зажатых между прозрачным анодом и металлическим катодом. Сюда входят - слой, инжектирующий положительные заряды («дырки» - p); слой, их проводящий; излучающий слой; слой, проводящий электроны (отрицательные заряды - n). Когда соответствующее напряжение (около нескольких вольт) подается на ячейку, электроны и «дырки» рекомбинируют (n-p рекомбинация) в излучающем слое, возбуждая электролюминесцентное свечение. Структура всех этих слоев выбирается таким образом, чтобы максимизировать интенсивность излучения. Как яркость, так и цвет излучения определяются флюоресцентными присадками, внедряемыми в слои ячейки.

Для управления пассивной OLED-матрицей электроток пропускается через соответствующие пиксели, путем прикладывания напряжения к выбранным строкам и столбцам экрана. Цепи внешнего контроллера передают видеосигналы и обеспечивают их синхронизацию. Время срабатывания - не более 1/60 с.

В отличие от пассивной, активная OLED-матрица содержит электронную схему, внедренную в поверхностный слой подложки - по 2 или более транзисторов на пиксель. Эти транзисторы соединены со взаимно перпендикулярными линиями анодов и катодов и способны поддерживать пиксель в состоянии «включено» до перемены состояния в следующем кадре. Дисплей на активной матрице является более сложным для производства, однако обеспечивает более яркое и четкое изображение, нежели более дешевая технология пассивной матрицы.

Матрицы OLED
Матрицы OLED
  • а - пассивная;
  • б - активная.

Разрушенный пиксель OLED-дисплея производит «темную точку» на экране, что менее воздействует на общее качество изображения, чем аналогичные дефекты в LCD, которые приводят к постоянно светящимся точкам.

Системы OLED классифицируются в соответствии с размером молекул тех материалов, из которых они компонуются. Если это относительно длинные молекулы, то вы имеете дело с Light-Emitting Polymers (LEP), а если малые (почти мономеры), то - Small Molecule Organic Light Emitting Diodes (SMOLED). Обе схемы используют генерацию света при подаче напряжения на тонкую полимерную пленку. Формируются электроны и «дырки», которые рекомбинируют по двум путям - синглетное состояние (излучение света); триплетное состояние (без излучения). Эффективность OLED определяется отношением частот этих типов рекомбинации. Исследования показывают, что для SMOLED синглетные рекомбинации происходят в 3 раза реже, чем триплетные, что приводит к ограничению максимального КПД устройства в 25 %. Для сравнения - оказывается, что для LEP-отношение синглет/триплет может превосходить единицу и даже приближаться к 2.

Недостаток SMOLED заключается в том, что для их производства требуется технология вакуумного напыления комплектующих пленок, в то время как LEP могут быть растворены и нанесены по технологии жидкого покрытия.

HAD-технологии. Какими бы дисплеями вы ни пользовались, все они дают плоское двумерное изображение, однако постоянно предпринимаются попытки реализовать стереовидение. Одна из таких технологий, предложенная Reality Vision (Великобритания) - HAD (holographic autostereoscopic display), заключается в преобразовании обычного ЖКД путем замены лампы подсветки на голографический оптический элемент (Holographic Optical Element - НОЕ), который подразделяется на два набора горизонтальных полос, передающих изображения, предназначенные для левого и правого глаза.

Поскольку основное назначение системы - компьютерные игры, предусмотрен простой переход к стереоизображению от плоского и обратно (для этого достаточно подключить/отключить один из этих наборов).

Принципиальным ограничением является потеря стереоэффекта при смещении наблюдателя из предусмотренных «левой» и «правой» зон видения. Для устранения этого в проекте Reality Vision предусмотрено вращение экрана, отслеживающее перемещение наблюдателя (для этого последний должен закрепить на голове датчик перемещения).

Есть вопросы, замечания, дополнения? Пишите в комментариях.
flat monitors, плоские мониторы, устройство

Страница: Плоские мониторы (Flat Monitors) как они устроены

Дата публикации: 2010.09.10 13:09.Обновление: 2014.05.15 00:33

Следующая статья:

Полезные темы:

Принтеры и как они устроены
Принтеры и как они устроены
В статье дается полное описание устройства принтеров и описание с графическими схемами основных частей печатающих устройств
Жидкие кристаллы и как они устроены
Жидкие кристаллы и как они устроены
Полное описание, как устроены жидкие кристаллы на кремнии в различного рода экранах
Сканеры и как они устроены
Сканеры и как они устроены
В статье дано полное описание устройства сканеров и по каким критериям классифицируются сканирующие устройства
Плазменные экраны и как они устроены
Плазменные экраны и как они устроены
Полное описание как устроены плазменные экраны широко используемые в уличных условиях
Цифровое фото - как оно устроено
Цифровое фото - как оно устроено
В статье описывается принцип работы цифровой фотокамеры и методах хранения полученных при съемке данных
Технология ЖКД (LCD) и как они устроены
Технология ЖКД (LCD) и как они устроены
Полное описание как устроена технология ЖКД (LCD) в современных телевизорах, панелях
Системы телекоммуникации и как они устроены
Системы телекоммуникации и как они устроены
Описание основных принципов систем телекоммуникаций, сетей, мобильных компьютеров и другие элементов данной цепочки
наверх