Изображение формируется с помощью отдельных элементов, как правило, через систему развёртки. Простые приборы (электронные часы , телефоны, плееры , термометры и пр.) могут иметь монохромный или 2-5 цветный дисплей . Многоцветное изображение формируется с помощью 2008) в большинстве настольных мониторов на основе TN- (и некоторых *VA) матриц, а также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .

Устройство ЖК-монитора

Субпиксел цветного ЖК-дисплея

Каждый пиксел ЖК-дисплея состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. В отсутствие жидких кристаллов свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокируется вторым.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны , поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается, и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света - ячейку можно считать прозрачной. Если же к электродам приложено напряжение - молекулы стремятся выстроиться в направлении поля , что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение , можно управлять степенью прозрачности. Если постоянное напряжение приложено в течении долгого времени - жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток , или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (непрозрачность структуры не зависит от полярности поля). Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам. Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки(в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения. Таким образом полноценный ЖК-монитор состоит из электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

Технические характеристики ЖК-монитора

Важнейшие характеристики ЖК-мониторов:

• Разрешение : Горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселах . В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно, «родное», физическое разрешение, остальные достигаются интерполяцией .

Фрагмент матрицы ЖК монитора (0,78х0,78 мм), увеличеный в 46 раз.

• Размер точки: расстояние между центрами соседних пикселов. Непосредственно связан с физическим разрешением.

• Соотношение сторон экрана (формат): Отношение ширины к высоте, например: 5:4, 4:3, 5:3, 8:5, 16:9, 16:10.

• Видимая диагональ: размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.

• Контрастность : отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведенная для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.

• Яркость : количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.

• Время отклика : минимальное время, необходимое пикселу для изменения своей яркости. Методы измерения неоднозначны.

• Угол обзора: угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению.

• Тип матрицы: технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

• Входы: (напр, DVI , HDMI и пр.).

Технологии

Часы с ЖКИ-дисплеем

Жидкокристаллические мониторы были разработаны в 1963 году в исследовательском центре Давида Сарнова (David Sarnoff) компании RCA, Принстон, штат Нью-Джерси.

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, примененный в конкретных разработках.

Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display - кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс. Компании Sony, Sharp и Philips совместно разработали технологию PALC (англ. Plasma Addressed Liquid Crystal - плазменное управление жидкими кристаллами), которая соединила в себе преимущества LCD (яркость и сочность цветов, контрастность) и плазменных панелей (большие углы видимости по горизонту, H, и вертикали, V, высокую скорость обновления). В качестве регулятора яркости в этих дисплеях используются газоразрядные плазменные ячейки, а для цветовой фильтрации применяется ЖК-матрица. Технология PALC позволяет адресовать каждый пиксель дисплея по отдельности, а это означает непревзойденную управляемость и качество изображения.

TN+film (Twisted Nematic + film)

Часть «film» в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90° до 150°). В настоящее время приставку «film» часто опускают, называя такие матрицы просто TN. К сожалению, способа улучшения контрастности и времени отклика для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.

TN + film - самая простая технология.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселам не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И так как направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость.

IPS (In-Plane Switching)

Технология In-Plane Switching была разработана компаниями Hitachi и NEC и предназначалась для избавления от недостатков TN + film. Однако, хотя с помощью IPS удалось добиться увеличения угла обзора до 170°, а также высокой контрастности и цветопередачи, время отклика осталось на низком уровне.

На настоящий момент матрицы, изготовленные по технологии IPS единственные из ЖК-мониторов, всегда передающие полную глубину цвета RGB - 24 бита, по 8 бит на канал. TN-матрицы почти всегда имеют 6-бит, как и часть MVA.

Если к матрице IPS не приложено напряжение, молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. Поэтому отображение черного цвета близко к идеалу. При выходе из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным.

При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению и пропускают свет.

IPS в настоящее время вытеснено технологией S-IPS (Super-IPS, Hitachi год), которая наследует все преимущества технологии IPS с одновременным уменьшением времени отклика . Но, несмотря на то, что цветность S-IPS панелей приблизилась к обычным мониторам CRT , контрастность все равно остаётся слабым местом. S-IPS активно используется в панелях размером от 20", LG.Philips , NEC остаются единственными производителями панелей по данной технологии.

AS-IPS - технология Advanced Super IPS (Расширенная Супер-IPS), также была разработана корпорацией Hitachi в году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации LG.Philips.

A-TW-IPS - Advanced True White IPS (Расширенная IPS с настоящим белым), разработано LG.Philips для корпорации году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК , на матрицах производства Hitachi Displays.

*VA (Vertical Alignment)

MVA - Multi-domain Vertical Alignment. Эта технология разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160°(на современных моделях мониторов до 176-178 градусов), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика, но значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.

Достоинствами технологии MVA являются глубокий черный цвет и отсутствие, как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля.

Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения, большее время отклика.

Аналогами MVA являются технологии:

• PVA (Patterned Vertical Alignment ) от Samsung.
• Super PVA от Samsung.
• Super MVA от CMO.

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским качествам.

Преимущества и недостатки

Искажение изображения на ЖК-мониторе при большом угле обзора

Макрофотография типичной жк-матрицы. В центре можно увидеть два дефектных субпикселя (зелёный и синий).

В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно отнести: малый размер и вес в сравнении с ЭЛТ . У ЖК-мониторов, в отличие от ЭЛТ , нет видимого мерцания, дефектов фокусировки и сведения лучей, помех от магнитных полей, проблем с геометрией изображения и четкостью. Энергопотребление ЖК-мониторов в 2-4 раза меньше, чем у ЭЛТ и плазменных экранов сравнимых размеров. Энергопотребление ЖК мониторов на 95 % определяется мощностью ламп подсветки или светодиодной матрицы подсветки (англ. backlight - задний свет) ЖК-матрицы. Во многих современных (2007) мониторах для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более Герц . Светодиодная подсветка в основном используется в небольших дисплеях, хотя в последние годы она все шире применяется в ноутбуках и даже в настольных мониторах. Несмотря на технические трудности её реализации, она имеет и очевидные преимущества перед флуоресцентными лампами, например более широкий спектр излучения, а значит, и цветовой охват.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:

• В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией с потерей чёткости. Причем слишком низкие разрешения (например 320x200) вообще не могут быть отображены на многих мониторах.
• Цветовой охват и точность цветопередачи ниже, чем у плазменных панелей и ЭЛТ соответственно. На многих мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах).
• Многие из ЖК-мониторов имеют сравнительно малый контраст и глубину чёрного цвета. Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения.
• Из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки).
• Фактическая скорость смены изображения также остаётся ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев . Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.
• Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.
• Массово производимые ЖК-мониторы более уязвимы, чем ЭЛТ. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема дефектных пикселей .
• Вопреки расхожему мнению пикселы ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения.

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи. С другой стороны, эта технология встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

См. также

• Видимая область экрана
• Антибликовое покрытие
• en:Backlight

Ссылки

• Информация о флюоресцентных лампах, используемых для подсветки ЖК-матрицы
• Жидкокристаллические дисплеи (технологии TN + film, IPS, MVA, PVA)

Литература

• Артамонов О. Параметры современных ЖК-мониторов
• Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? . «Компьютер-бизнес-маркет», № 4 (292), январь 2005, стр. 284-291.
• Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов . «BROADCASTING Телевидение и радиовещение»: 1 часть - № 2(46) март 2005, с.55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005, с.71-73.
• Мухин И. А. Современные плоскопанельные отображающие устройства ."BROADCASTING Телевидение и радиовещение": № 1(37), январь-февраль 2004, с.43-47.
• Мухин И. А., Украинский О. В. Способы улучшения качества телевизионного изображения, воспроизводимого жидкокристаллическими панелями . Материалы доклада на научно-технической конференции «Современное телевидение», Москва, март 2006.

Модуль поиска не установлен.

Жидкокристаллические дисплеи(технологии TN, TN+Film и TFT)

Сергей Ярошенко

Непрерывно возрастающее количество пользователей меняют свои ЭЛТ-мониторы на LCD. Если для 19-дюймовых ЭЛТ-мониторов значительный размер корпуса, комфортно не помещавшийся на офисный стол, привел к фатальным последствиям, то снижение цены и минимальные размеры 19-дюймовых LCD-собратьев сегодня повышают их привлекательность.

Принцип работы LCD-мониторов (Liquid Crystal Display - жидкокристаллический дисплей) основан на использовании вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда назвали "жидкими кристаллами".

Происхождение LCD-мониторов

Жидкокристаллические материалы были открыты в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение. Дальше патента дело не пошло, поскольку в то время технологическая база была еще слишком слаба для создания надежных и функциональных устройств. Первый прорыв совершили ученые Фергесон и Вильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля на нематические кристаллы. В результате, в конце 1966 года, корпорация RCA продемонстрировала цифровые часы с LCD-прототипом.

Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Именно этой корпорацией:

В 1964 году был произведен первый в мире калькулятор CS10A;
- в 1975 году по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы;
- в 1976 году был выпущен черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселей.

Принцип работы LCD-дисплеев

Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию, и вследствие этого, изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них.

Экран LCD-монитора представляет собой массив сегментов (пикселей), которыми можно манипулировать для отображения информации. Дисплей имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Между панелями находится тонкий слой жидких кристаллов. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, придавая им нужную ориентацию. На каждой панели бороздки параллельны, а между панелями перпендикулярны. Продольные бороздки образуются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы жидких кристаллов принимают одинаковую ориентацию. Стеклянные панели расположены очень близко друг к другу. Они освещаются источником света (в зависимости от того, где он расположен, LCD-дисплеи работают на отражение или на прохождение света). При прохождении панели плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90°. Появление электрического тока заставляет молекулы жидких кристаллов выстраиваться вдоль электрического поля, а угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90°.

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникает необходимость добавить к стеклянным панелям еще два слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному направлению поляризации. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, т.к. первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем.

В присутствии электрического поля поворот вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для света. Если разность потенциалов будет такова, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, а дисплей будет казаться черным.

Расположив большое число электродов, создающих электрические поля в локальных местах дисплея (ячейки), получим возможность (при правильном управлении потенциалами этих электродов) отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Технологические новшества позволили ограничить размеры электродов до точки, соответственно, на одной и той же площади панели стало возможным расположить большее число электродов, что увеличивало разрешение LCD-монитора и позволяло отображать сложные изображения в цвете.

Для формирования цветного изображения LCD-дисплей подсвечивали сзади. Цвет получался в результате использования трех фильтров, которые выделяли из белого света три основные компоненты. Комбинируя эти компоненты для каждой точки (пикселя) дисплея, появилась возможность воспроизвести любой цвет.

Пассивная (passive matrix) и активная матрицы (active matrix)

Функциональные возможности LCD-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 электроды получают электрический заряд циклическим методом при построчном обновлении дисплея. В результате разряда емкостей ячеек изображение исчезает, т. к. кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. Из-за большой электрической емкости ячеек напряжение на них не способно изменяться быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно.

В случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить цифровую информацию (0 или 1), и в результате изображение сохраняется только до тех пор, пока не поступит другой сигнал.

Тусклые и "тормозные" жидкокристаллические мониторы с пассивной матрицей давно ушли в прошлое, в магазинах можно встретить лишь модели на основе активной матрицы, обеспечивающей яркое, четкое изображение.

При использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы производят из прозрачных материалов, что позволяет световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки - Thin Film Transistor (TFT).

Технология изготовления TN

Исторически первой технологией изготовления LCD-дисплеев была т.н. технология Twisted Nematic (TN). Название произошло из-за того, что в выключенном состоянии кристаллы в ячейках образовывали спираль. Эффект возникал в результате размещения кристаллов между выравнивающими панелями с бороздками, направленными перпендикулярно друг другу. При приложении электрического поля все кристаллы выстраивались одинаково, т.е. спираль распрямлялась, а при снятии кристаллы вновь стремились ориентироваться вдоль бороздок.

У TN-дисплеев было несколько существенных недостатков:

Во-первых, естественным состоянием дисплея, когда кристаллы образуют спираль, было прозрачное, т.е. она пропускала свет. Благодаря этому, при выходе из строя одного из тонкопленочных транзисторов свет беспрепятственно выходил наружу, образуя весьма заметную постоянно горящую точку;
- во-вторых, развернуть все жидкие кристаллы перпендикулярно фильтру оказалось практически невозможно, поэтому контрастность таких дисплеев оставляла желать лучшего, а уровень черного мог превышать 2 кд/м2 . Такой цвет выглядел как темно-серый, но отнюдь не как черный;
- в-третьих, низкая скорость реакции, первые дисплеи имели время отклика около 50 мс. Впрочем, второй и третий недостатки удалось преодолеть с внедрением технологии Super Twisted Nematic (STN), которая позволила уменьшить время отклика до 30 мс.
- в-четвертых, маленькие углы обзора, всего около 90°. Однако нанесение на поверхность экрана полимерной пленки с большим показателем преломления позволило расширить углы обзора до 120-160° без существенного изменения технологии. Такие дисплеи получили название TN+Film.

Технология изготовления STN

Технология STN позволяла увеличить торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD с 90° до 270°, что обеспечивало лучшую контрастность изображения при увеличении размеров панели.

Режим DSTN. Часто STN-ячейки использовались в паре. Такая конструкция называлась Double Super Twisted Nematic (DSTN). В ней одна двухслойная DSTN-ячейка состояла из 2 STN-ячеек, молекулы, которых при работе поворачивались в противоположные стороны. Свет, проходя через такую конструкцию в "запертом" состоянии, терял большую часть своей энергии. Контрастность и разрешающая способность DSTN-дисплеев повысилась, поэтому появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксель приходилось три LCD-ячейки и три оптических фильтра основных цветов. Цветные дисплеи не были способны работать от отраженного света, поэтому лампа задней подсветки - их обязательный атрибут.

Для многих жидкокристаллические дисплеи (LCD) ассоциируются, прежде всего, с плоскими мониторами, "крутыми" телевизорами, ноутбуками, видеокамерами и сотовыми телефонами. Некоторые добавят сюда КПК, электронные игры, банковские автоматы. Но существует еще множество областей, где необходимы дисплеи с высокой яркостью, прочной конструкцией, работающие в широком диапазоне температур.

Плоские дисплеи нашли применение там, где критичными параметрами являются минимальные энергопотребление, вес и габариты. Машиностроение, автомобильная промышленность, железнодорожный транспорт, морские буровые установки, горное оборудование, наружные торговые точки, авиационная электроника, морской флот, специальные транспортные средства, системы безопасности, медицинское оборудование, вооружение - вот далеко не полный перечень применений жидкокристаллических дисплеев.

Постоянное развитие технологий в этой области позволило снизить стоимость производства LCD до такого уровня, при котором произошел качественный переход: дорогая экзотика стала обыденным явлением. Важным фактором быстрого распространения ЖК-дисплеев в промышленности стала и простота применения.

В этой статье рассматриваются основные параметры различные типов жидкокристаллических дисплеев, что позволит сделать осознанный и правильный выбор LCD для каждого конкретного применения (метод "побольше и подешевше" практически всегда оказывается слишком дорогим).

Все многообразие ЖК-дисплеев можно разделить на несколько типов в зависимости от технологии производства, конструкции, оптических и электрических характеристик.

Технология

В настоящее время при производстве LCD применяются две технологии (рис.1): пассивная матрица (PMLCD-STN) и активная матрица (AMLCD).

Технологии MIM-LCD и Diode-LCD не получили широкого распространения и поэтому не будем на них тратить время.

Рис. 1. Виды технологий жидкокристаллических дисплеев

STN (Super Twisted Nematic)- матрица, состоящая из ЖК-элементов с изменяемой прозрачностью.

TFT (Thin Film Transistor)- активная матрица, в которой каждый пиксел управляется отдельным транзистором.

По сравнению с пассивной матрицей, TFT LCD имеет более высокую контрастность, насыщенность, меньшее время переключения (нет "хвостов" у движущихся объектов).

Управление яркостью в жидкокристаллическом дисплее основано на поляризации света (курс общей физики): свет поляризуется, проходя через поляризационный фильтр (с определенным углом поляризации). При этом наблюдатель видит только снижение яркости света (почти в 2 раза). Если за этим фильтром поставить еще один такой фильтр, то свет будет полностью поглощаться (угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу поляризации первого) или полностью проходить (углы поляризации совпадают). При плавном изменении угла поляризации второго фильтра интенсивность проходящего света будет также плавно изменяться.

Принцип действия и "бутербродная" структура всех TFT LCD примерно одинакова (рис. 2). Свет от лампы подсветки (неоновая или светодиоды) проходит через первый поляризатор и попадает в слой жидких кристаллов, управляемых тонкопленочным транзистором (TFT). Транзистор создает электрическое поле, которое формирует ориентацию жидких кристаллов. Пройдя такую структуру, свет меняет свою поляризацию и будет - или полностью поглощен вторым поляризационным фильтром (черный экран), или не будет поглощаться (белый), или поглощение будет частичным (цвета спектра). Цвет изображения определяют цветовые фильтры (аналогично электронно-лучевым трубкам, каждый пиксел матрицы состоит из трех субпикселов - красного, зеленого и голубого).

Рис. 2. Структура TFT LCD

Пиксел TFT

Цветные фильтры для красного, зелёного и синего цветов интегрированы в стеклянную основу и расположены близко друг к другу. Это может быть вертикальная полоса, мозаичная структура или дельта-структура (рис. 3). Каждый пиксел (точка) состоит из трёх ячеек указанных цветов (субпикселей). Это означает, что при разрешении m x n активная матрица содержит 3m x n транзисторов и субпикселов. Шаг пиксела (с тремя субпикселами) для 15.1" TFT ЖК-дисплея (1024 x 768 точек) составляет примерно 0.30 мм, а для 18.1" (1280 x 1024 точки)- 0.28 мм. TFT LCD имеют физическое ограничение, которое определяется максимальной площадью экрана. Не ждите разрешения 1280 x 1024 при диагонали 15" и шаге точки 0.297 мм.

Рис. 3. Структура цветного фильтра

На близком расстоянии точки явственно различимы, но это не беда: при формировании цвета используется свойство человеческого глаза смешивать цвета при угле зрения менее 0,03°. На расстоянии 40 см от ЖК-дисплея при шаге между субпикселами 0,1 мм угол зрения составит 0,014° (цвет каждого субпиксела различит только человек с орлиным зрением).

Типы ЖК-дисплеев

TN (Twist Nematic) TFT или TN+Film TFT - первая технология, появившаяся на рынке ЖК-дисплеев, основное достоинство которой& - дешевизна. Недостатки: черный цвет больше похож на темно-серый, что приводит к низкой контрастности изображения, "мертвые" пиксели (при выходе из строя транзистора) очень яркие и заметные.

IPS (In-Pane Switching) (Hitachi) или Super Fine TFT (NEC, 1995 год). Характеризуется наибольшим углом обзора и высокой точностью цветопередачи. Угол обзора расширен до 170°, остальные функции - как у TN+Film (время отклика порядка 25мс), практически идеальный черный цвет. Преимущества: хорошая контрастность, "мертвый" пиксель - черный.

Super IPS (Hitachi), Advansed SFT (производитель - NEC). Достоинства: яркое контрастное изображение, искажения цвета почти незаметны, увеличены углы обзора (до 170° по вертикали и по горизонтали) и обеспечена исключительная четкость.

UA-IPS (Ultra Advanced IPS), UA-SFT (Ultra Advanced SFT) (NEC). Время реакции достаточно для обеспечения минимальных искажений цвета при просмотре экрана под разными углами, повышенная прозрачность панели и расширение цветовой гаммы при достаточно высоком уровне яркости.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) (Fujitsu).Основное преимущество - наименьшее время реакции и высокая контрастность. Главный недостаток - высокая стоимость.

PVA (Patterned Vertical Alignment) (Samsung). Микроструктурное вертикальное размещение ЖК.

Конструкция

Конструкция жидкокристаллического дисплея определяется расположением слоев в "бутерброде" (включая и светопроводящий слой) и имеет наибольшее значение для качества изображения на экране (в любых условиях: от темного помещения до работы при солнечном свете). В настоящее время используются три основных типа цветных LCD:

• пропускающий (transmissive), предназначенный в основном для оборудования, работающего в помещении;
• отражающий (reflective) применяется в калькуляторах и часах;
• проекционный (projection) используется в ЖК-проекторах.

Компромиссной разновидностью пропускающего типа дисплея для работы, как в помещении, так и при внешнем освещении, является полупрозрачный (transflective) тип конструкции.

Пропускающий тип дисплея (transmissive) . В этом типе конструкции свет поступает сквозь жидкокристаллическую панель с задней стороны (подсветка) (рис. 4).По этой технологии сделаны большинство ЖК-дисплеев, используемых в ноутбуках и карманных компьютерах. Transmissive LCD имеет высокое качество изображения в помещении и низкое (черный экран) при солнечном свете, т.к. отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, излучаемый подсветкой. Эта проблема решается (в настоящее время) двумя способами: увеличением яркости задней подсветки и уменьшением количества отраженного солнечного света.

Рис. 4. Конструкция жидкокристаллического дисплея пропускающего типа

Для работы при дневном освещении в тени необходима лампа подсветки, обеспечивающая 500 кд/м2, при прямом солнечном свете - 1000 кд/м 2 . Яркости в 300 кд/м 2 можно добиться путем предельного увеличения яркости одной лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) или добавлением второй лампы, расположенной напротив. Модели жидкокристаллических дисплеев с повышенной яркостью используют от 8 до 16 ламп. Однако увеличение яркости подсветки увеличивает расход энергии батарей (одна лампа подсветки потребляет около 30% энергии, используемой устройством). Следовательно, экраны с повышенной яркостью можно использовать только при наличии внешнего источника питания.

Уменьшение количества отраженного света достигается нанесением антиотражающего покрытия на один или несколько слоев дисплея, заменой стандартного поляризационного слоя на минимально отражающий, добавлением пленок, повышающих яркость и, таким образом, увеличивающих эффективность источника света. В ЖК-дисплеях Fujitsu преобразователь заполняется жидкостью с коэффициентом рефракции, равным коэффициенту рефракции сенсорной панели, что значительно сокращает количество отраженного света (но сильно сказывается на стоимости).

Полупрозрачный тип дисплея (transflective) похож на пропускающий, но у него между слоем жидких кристаллов и подсветкой имеется т. н. частично отражающий слой (рис.5). Он может быть или частично серебряным, или полностью зеркальным со множеством маленьких отверстий. Когда такой экран используется в помещении, он работает аналогично transmissive LCD, в котором часть освещения поглощается отражающим слоем. При дневном освещении солнечный свет отражается от зеркального слоя и освещает слой ЖК, при этом свет проходит жидкие кристаллы дважды (внутрь, а затем наружу). Как следствие, качество изображения при дневном освещении ниже, чем при искусственном освещении в помещении, когда свет проходит LCD один раз.

Рис. 5. Конструкция жидкокристаллического дисплея полупрозрачного типа

Баланс между качеством изображения в помещении и при дневном освещении достигается подбором характеристик пропускающего и отражающего слоев.

Отражающий тип дисплея (reflective) имеет полностью отражающий зеркальный слой. Все освещение (солнечный свет или свет передней подсветки) (рис. 6), проходит сквозь ЖКИ, отражается от зеркального слоя и снова проходит сквозь ЖКИ. В этом случае качество изображения у дисплеев отражающего типа ниже, чем у полупропускающего (так как в обоих случаях используются сходные технологии). В помещении передняя подсветка не так эффективна, как задняя, и, соответственно, качество изображения - ниже.

Рис. 6. Конструкция жидкокристаллического дисплея отражающего типа

Основные параметры жидкокристаллических панелей

Разрешение. Цифровая панель, число пикселей в которой строго соответствует номинальному разрешению, должна корректно и быстро масштабировать изображение. Простой способ проверки качества масштабирования - изменение разрешения (на экране текст, написанный мелким шрифтом). По контурам букв легко заметить качество интерполяции. Качественный алгоритм дает ровные, но немного размытые буквы, тогда как быстрая целочисленная интерполяция обязательно вносит искажения. Быстродействие - второй параметр разрешения (для масштабирования одного кадра требуется время на интерполяцию).

Мертвые пиксели. На плоской панели могут не работать несколько пикселей (они всегда одного цвета), которые появляются в процессе производства и восстановлению не подлежат.

Стандарт ISO 13406-2 определяет предельные значения количества дефектных пикселов на миллион. В соответствии с таблицей ЖК-панели делятся на 4 класса.

Таблица 1

Тип 1 - постоянно светящиеся пиксели (белый); Тип 2 - "мертвые" пиксели (черный); Тип 3 - дефектные красные, синие и зеленые субпиксели.

Угол обзора. Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Но в первую очередь при изменении угла обзора от 90(видны искажения цвета. Поэтому, чем больше угол обзора, тем лучше. Различают горизонтальный и вертикальный угол обзора, рекомендуемые минимальные значения - 140 и 120 градусов соответственно (наилучшие углы обзора даёт технология MVA).

Время отклика (инерционность)- время, за которое транзистор успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов (чем меньше, тем лучше). Для того чтобы быстро движущиеся объекты не казались смазанными, достаточно времени отклика 25 мс. Этот параметр состоит из двух величин: времени на включение пикселя (come-up time) и времени на выключение (come-down time). Время отклика (точнее, время выключения как наибольшее время, за которое отдельный пиксель максимально изменяет свою яркость) определяет частоту обновления изображения на экране

FPS = 1 с/время отклика.

Яркость - преимущество ЖК-дисплея, которая в среднем в два раза выше показателей ЭЛТ: с увеличением интенсивности лампы подсветки сразу возрастает яркость, а в ЭЛТ необходимо усиливать поток электронов, что приведёт к значительному усложнению её конструкции и повысит электромагнитное излучение. Рекомендуемое значение яркости - не менее 200 кд/м 2 .

Контрастность определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Основная проблема заключается в сложности получения точки чёрного цвета, т.к. лампа подсветки включена постоянно и для получения тёмных тонов используется эффект поляризации. Чёрный цвет зависит от качества перекрытия светового потока подсветки.

ЖК-дисплеи как сенсоры. Снижение стоимости и появление моделей LCD, работающих в жестких условиях эксплуатации, позволило совместить в одном лице (в лице жидкокристаллического дисплея) средство вывода визуальной информации и средство ввода информации (клавиатура). Задача построения такой системы упрощается использованием контроллера последовательного интерфейса, который подключается, с одной стороны, к ЖК-дисплею, а с другой - непосредственно к последовательному порту (СОМ1 - СОМ4) (рис.7). Для управления, декодирования сигналов и подавления "дребезга" (если так можно назвать определение прикосновения) применяется PIC-контроллер (например, IF190 фирмы Data Display), обеспечивающий высокое быстродействие и точность определения точки прикосновения.

Рис. 7. Блок-схема TFT LCD на примере NL6448BC-26-01 дисплея фирмы NEC

Завершим на этом теоретические изыскания и перейдем к реалиям сегодняшнего дня, а точнее - к тому, что имеется сейчас на рынке жидкокристаллических дисплеев. Среди всех изготовителей TFT LCD рассмотрим продукцию NEC, Sharp, Siemens и Samsung. Выбор этих фирм обусловлен

1. лидерством на рынке ЖК-дисплеев и технологий производства TFT LCD;
2. доступностью продукции на рынке стран СНГ.

Компания NEC Corporation выпускает жидкокристаллические дисплеи (20% рынка) практически с момента их появления и предлагает не только широкий выбор, но и различные варианты исполнения: стандартный (Standard), специальный (Special) и особый (Specific). Стандартный вариант - компьютеры, офисное оборудование, домашняя электроника, коммуникационные системы и т.п. Специальное исполнение применяется на транспорте (любом: наземном и морском), системах управления движением, системах безопасности, медицинском оборудовании (не связанном с системами жизнеобеспечения). Для систем вооружений, авиации, космического оборудования, систем управления ядерными реакторами, систем жизнеобеспечения и других аналогичных предназначен особый вариант исполнения (понятно, что стоит это недешево).

Перечень выпускаемых ЖК-панелей для промышленного применения (инвертер для лампы подсветки поставляется отдельно) приведен в таблице 2, а блок-схема (на примере 10-дюймового дисплея NL6448BC26-01)- на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид дисплея

Таблица 2. Модели ЖК-панелей фирмы NEC

Модель	Размер по диагонали, дюйм	Количество пикселей	Число цветов	Описание
NL8060BC31-17	12,1	800x600	262144	Высокая яркость (350кд/м 2)
NL8060BC31-20	12,1	800x600	262144	Широкий угол обзора
NL10276BC20-04	10,4	1024x768	262144	-
NL8060BC26-17	10,4	800x600	262144	-
NL6448AC33-18A	10,4	640x480	262144	Встроенный инвертор
NL6448AC33-29	10,4	640x480	262144	Высокая яркость, широкий угол обзора, встроенный инвертор
NL6448BC33-46	10,4	640x480	262144	Высокая яркость, широкий угол обзора
NL6448CC33-30W	10,4	640x480	262144	Без подсветки
NL6448BC26-01	8,4	640x480	262144	Высокая яркость (450 кд/м 2)
NL6448BC20-08	6,5	640x480	262144	-
NL10276BC12-02	6,3	1024x768	16, 19M	-
NL3224AC35-01	5,5	320x240	Full color
NL3224AC35-06	5,5	320x240	Full color	Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор, тонкий
NL3224AC35-10	5,5	320x240	Full color	Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор
NL3224AC35-13	5,5	320x240	Full color	Отдельный вход NTSC/PAL RGB, встроенный инвертор
NL3224AC35-20	5,5	320x240	262, 144	Высокая яркость (400 кд/м 2)

Сыграла значительную роль в развитии LCD-технологий. Компания Sharp и сейчас находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. В 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы с разрешением 160х120 пикселов. Краткий перечень продукции - в таблице 3.

Таблица 3. Модели ЖК-панелей фирмы Sharp

Выпускает жидкокристаллические дисплеи с активной матрицей на низкотемпературных поликремниевых тонкопленочных транзисторах. Основные характеристики дисплеев с диагональю 10,5" и 15" приведены в таблице 4. Обратите внимание на диапазон рабочих температур и стойкость к ударам.

Таблица 4. Основные характеристики ЖК-дисплеев фирмы Siemens

Примечания:

I - встроенный инвертор l - в соответствии с требованиями стандарта MIL-STD810

Фирма выпускает жидкокристаллические дисплеи под торговой маркой "Wiseview™". Начав с выпуска 2-дюймовой TFT панели для поддержки Интернета и анимации в мобильных телефонах, Samsung теперь производит гамму дисплеев от 1,8" до 10,4" в сегменте малых и средних TFT LCD, причем некоторые модели предназначены для работы при естественном освещении (таблица 5).

Таблица 5. Основные характеристики ЖК-дисплеев Samsung малых и средних размеров

Примечания:

LED - светодиодная; CCFL - флуоресцентная лампа с холодным катодом;

В дисплеях используется технология PVA.

Выводы.

В настоящее время выбор модели жидкокристаллического дисплея определяется требованиями конкретного применения и в значительно меньшей степени - стоимостью LCD.

Компания Tianma Microelectronics на сегодняшний день является одним из самых крупных производителей жидкокристаллических дисплеев.

Дисплеи Tianma нашли применение в самых разнообразных областях: мобильная телефония, MP3/MP4-плееры, телекоммуникационные и навигационные системы, автомобильные системы, цифровая фотография и др. Продукцию компании используют в своих изделиях такие бренды как: AT&T, Alcatel, BBK, Bosсh, Casio, Citroen, Denon, Funai, General Electric, Grundig, LG, Magellan, Motorola, NEC, Pioneer, Polaroid, Ricoh, Samsung, Siemens и Thomson.

Tianma Microelectronics была основана в Китае в 1983 году. Сейчас она имеет в своем составе несколько научно-исследовательских центров и фабрик. Работают представительства в Германии (Карлсруэ), США (Калифорния), Корее (Кенгидо) и Тайване (Таоюан).

В 1984 году компания освоила массовое производство незамысловатых (по нынешним меркам) TN LCD-дисплеев. В июле 2011 года управляющая компания AVIC International Group приобрела подразделение NEC LCD Technologies, специализирующееся на дисплеях. Сегодня, кроме TN, Tianma может предложить STN, CSTN и TFT-дисплеи.

TFT-дисплеи

Принцип работы LCD TFT

LCD TFT (Liquid crystal display Thin film transistor ) — наиболее распространенный вид жидкокристаллических дисплеев (рис. 1). Своим названием они обязаны тонкопленочному транзистору (TFT), являющемуся разновидностью полевого, в котором металлические контакты и полупроводниковый канал изготавливаются в виде тонких пленок. TFT используется для управления жидкими кристаллами, т.е. для формирования цвета пикселей.

Рис. 1.

В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si). Кроме аморфного кремния на данный момент разработано много других технологий, но лидером по объему производства пока остается a-Si. Именно по этой технологии изготавливает свои TFT-дисплеи компания Tianma.

Дисплей состоит из ЖК-матрицы, источников света для подсветки, контактного жгута и корпуса. Каждый пиксель ЖК-матрицы представляет собой слой молекул между двумя прозрачными электродами и два поляризационных фильтра. А пиксели в свою очередь составлены из субпикселей (рис. 2), формирующих различные цвета. Поверхность электродов специально обработана для изначальной ориентации молекул жидких кристаллов в одном направлении.

Рис. 2.

Такая структура поворачивает плоскость поляризации световой волны, и, доходя до второго фильтра, свет проходит его без потерь.

Если к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что приводит к разрушению винтовой упорядоченности. С ростом напряженности электрического поля спираль постепенно раскручивается, и через второй фильтр проходит все меньше и меньше света.

При определенной величине поля почти все молекулы становятся параллельны, и плоскость поляризации света практически не вращается. Это приводит к непрозрачности структуры. Таким образом, меняя напряжение, подаваемое на электроды, можно управлять степенью прозрачности и, соответственно, интенсивностью свечения субпикселей.

Основные параметры LCD TFT

Для описания TFT-дисплеев используется много параметров. Рассмотрим наиболее важные из них:

• Диагональ экрана (Diagonal)- расстояние между противоположными углами матрицы. Диагональ экрана обычно измеряется и записывается в дюймах.
• Разрешение (Resolution)- горизонтальный и вертикальный размеры экрана, измеренные в пикселях. Разрешение TFT-дисплея имеет одно фиксированное значение, все остальные достигаются интерполяцией. Чем больше пикселей на экране, тем качественнее изображение можно получить, и тем дисплей дороже.
• Яркость (Brightness)- количество света, излучаемое дисплеем. Яркость обычно измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м 2). Зависит от мощности лампы, подсветки и ее характеристик. Яркость желательно выбирать с запасом, чтобы картинка хорошо воспринималась при любом уровне внешней освещенности. С увеличением диагонали экрана повышается, как правило, и показатель яркости. Если для двухдюймовых панелей яркость может быть около 200 кд/м 2 , то для 10-дюймовых яркость уже порядка 300…400кд/м 2 .
• Контрастность (Contrast)- отношение яркостей самой светлой и самой темной точек при заданной яркости подсветки. Чем меньше засвечен черный цвет, и чем выше яркость белого, тем выше контрастность. Чем больше это соотношение, тем лучше будет цветопередача изображения. Контрастность обычно записывается в виде 1000:1.
• Время отклика (Response time)- минимальное время, за которое ячейка жидкокристаллической панели изменяет свою яркость. Чем оно меньше, тем лучше. Измеряется этот показатель в миллисекундах. Его оптимальное значение- менее 20мс. Малое время отклика очень важно при просмотре динамично меняющегося изображения на больших экранах. При его хорошем значении за изображением не должно быть никаких шлейфов.
• Угол обзора (Viewing angle)- угол, при котором падение контраста изображения в центре панели достигает заданного (обычно 10). Появление этого параметра обусловлено тем, что дисплеи имеют ограниченный угол обзора, и контрастность изображения весьма сильно зависит от угла падения взгляда на LCD-панель. При определенных углах контраст резко падает, и чтение информации с экрана становится почти невозможным. Угол обзора обычно записывается в виде 170°/160°. Первая цифра относится к вертикали, а вторая- к горизонтали.

Интерфейсы LCD TFT

Для соединения ЖК-панели с управляющим микропроцессором Tianma предлагает на выбор несколько интерфейсов: параллельный цифровой интерфейс (CPU 8/16 bit), последовательный периферийный интерфейс (SPI), RGB-интерфейс и интерфейс низковольтной дифференциальной передачи сигналов (LVDS).

Остановимся подробнее на каждом из них:

• CPU 8/16 bit- один из самых старых и распространенных интерфейсов. Применяется повсеместно в цифровой электронике. Состоит из шины адреса/данных (8 или 16 бит) и соответствующих управляющих сигналов. Использование этого интерфейса при подключении LCD-панелей постепенно отмирает. Его преимущественно используют на небольших ЖК-экранах.
• SPI- еще один старый и очень распространенный интерфейс. Является простым и недорогим вариантом сопряжения микроконтроллера и дисплея. Имеется на борту практически любого микроконтроллера, и, как правило, кроме дисплея через SPI подключается еще много внешней периферии. Основным преимуществом является использование всего четырех линий: двух линий данных, тактирующего сигнала и сигнала выбора микросхемы. Используется также преимущественно на небольших экранах.
• RGB- классический вариант подключения ЖК-панели. Своим названием обязан трем основным цветам, формирующим цвет пикселя: RED (красный), GREEN (зеленый) и BLUE (синий).

С точки зрения количества связей интерфейс является довольно громоздким. Больше всего цифровых линий уходит на передачу трех цветов: 6/8 линий (разрядов) на цвет — суммарно 18 или 24. Плюс к этому — сигналы тактовой частоты, строчной и кадровой синхронизации.

Интерфейс имеет много недостатков: большое количество связей, сложность синхронизации при передаче данных на высоких частотах (т.е. при работе с высоким разрешением) и низкая помехозащищенность.

• LVDS- самый распространенный на текущий момент интерфейс, обеспечивающий высокую пропускную способность. Был разработан компанией National Semiconductor в 1994 году.

LVDS реализует дифференциальную передачу данных, что обеспечивает высокую помехозащищенность интерфейса и позволяет добиться высокой пропускной способности. LVDS подразумевает наличие в схеме трансмиттеров и ресиверов. Трансмиттер подключается к управляющему микроконтроллеру. Ресивер располагается на LCD-панели.

Передачу данных обеспечивают пять дифференциальных пар: четыре пары используются для передачи данных и одна — для передачи тактовых сигналов.

LVDS используется для передачи как 18-разрядного цветового кода (три цвета по 6 бит), так и для 24-разрядного цвета (три цвета по 8 бит). Передача одного цвета происходит сразу по нескольким дифференциальным парам. Сигналы строчной и кадровой синхронизации также поступают на LCD-панель через дифференциальные каналы.

Для увеличения пропускной способности этого интерфейса National Semiconductor расширила интерфейс LVDS и удвоила количество дифференциальных пар, используемых для передачи данных. Это усовершенствование получило название LDI — LVDS Display Interface. В документации Tianma такой вариант интерфейса обозначается как «LVDS 2 port».

Как было сказано выше, LDI получил восемь дифференциальных пар, предназначенных для передачи данных, и две дифференциальные пары тактовых сигналов, т.е. LDI, по сути дела, представляет собой два независимых полнофункциональных канала LVDS, передача данных в каждом из которых осуществляется собственным тактовым сигналом.

Соответственно, наличие двух каналов позволило вдвое увеличить пропускную способность интерфейса. Теперь за один пиксельный такт можно передать информацию о двух пикселях. При такой организации один канал предназначен для передачи четных точек экрана (Even), а второй — для нечетных (Odd).

Сенсорный экран LCD TFT

Часто TFT-дисплеи комплектуются сенсорными экранами, получившими сейчас небывалое распространение в мобильных телефонах, игровых консолях, платежных терминалах и прочих устройствах. Наиболее востребованы два типа сенсорных экранов: резистивные и емкостные.

Резистивные сенсорные экраны обладают рядом достоинств, которые позволили им занять очень большую долю на рынке. Самое главное их преимущество — низкая цена. Кроме этого резистивные экраны обладают стойкостью к загрязнению: т.е. загрязнение не нарушает работу сенсорного экрана. Экраны реагируют на прикосновение практически любым твердым гладким предметом.

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны, на которые нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения.

Емкостные сенсорные экраны обладают лучшим светопропусканием и большей долговечностью по сравнению с резистивными, но восприимчивы к воздействию влаги и токопроводящих загрязнений. Экраны реагируют на прикосновение только токопроводящего предмета (пальца или специального стилуса). То есть, если вы захотите воспользоваться обычным стилусом или любым другим твердым предметом, экран на ваше касание никак не отреагирует. По точности определения координат емкостные экраны ни в чем не уступают резистивным.

Принцип работы экрана этого типа основан на способности человеческого тела проводить электрический ток. В основе емкостного экрана лежит стеклянная подложка, на поверхность которой нанесен резистивный материал, прикрытый токопроводящей пленкой. В момент касания пальцем экрана возникает электрический ток, а специальный контроллер вычисляет координаты касания.

LCD TFT компании Tianma

Ассортимент TFT-дисплеев, выпускаемых компанией Tianma, достаточно обширен. Формат данной статьи не позволяет рассказать о всех моделях, поэтому в таблице 1 представлен краткий обзор дисплеев, сгруппированных по диагонали и разрешению. Для детального ознакомления со всей линейкой лучше обратится к сайту производителя по адресу: http://tianma-europe.com/products/tftcolormodules/index.html .

Таблица 1. TFT-дисплеи компании Tianma

Диагональ, дюйм	Разрешение	Яркость, кд/м 2	Интерфейс
1,44	128×128	180	CPU 8 bit, SPI
1,45	128×128	140	CPU 8 bit
1,77	128×160	250	CPU 8 bit
2,0	176×220	220	CPU 8/16 bit
2,0	240×320	170…200	CPU 8/16 bit, SPI
2,2	240×320	90…220	CPU 8/16 bit, RGB18 bit, SPI
2,3	320×240	250	CPU 8/16 bit
2,4	240×320	180…310	CPU 8/16 bit
2,7	320×240	300	8-bit RGB/ CCIR656/601
2,8	240×320	210…260	CPU 8/16 bit
2,8	240×400	220	CPU 16 bit
3,2	240×400	250…350	RGB 18 bit, CPU 8/16/18 bit
3,5	240×320	80…100	RGB 6bit, SPI
3,5	320×240	300…350	RGB 24bit
3,5	272×480	300	CPU 8/9/16/18 bit
3,5	320×480	300	CPU / RGB
4,3	480×272	280…400	RGB 24bit
4,7	480×272	280…320	RGB 24bit
5,0	640×480	350	RGB 18 bit, SPI
5,0	800×480	250…300	RGB 24 bit
5,6	320×234	200…330	analog RGB
5,7	320×240	320…450	RGB 18 bit
5,7	640×480	400	RGB 18 bit
6,0	800×480	280…400	RGB 24 bit
6,2	800×480	400	RGB 24 bit
6,95	800×480	280…400	RGB 18 bit
6,95	1280×800	400	LVDS
7,0	800×480	280…500	RGB 24/18 bit
7,0	800×600	200	RGB 18 bit
7,0	1024×600	250	LVDS
8,0	800×600	250	RGB 24 bit
9,0	800×480	250	RGB 24 bit
9,7	1024×768	220…350	RGB 24 bit , LVDS
10,4	800×600	230…400	LVDS, RGB 18 bit
12,1	800×600	400…450	LVDS
15,0	1024×768	250…400	LVDS
19,0	1440×900	250	LVDS

Часть производимых компанией Tianma TFT-дисплеев комплектуется сенсорными экранами. Компания использует резистивные и емкостные экраны. Подавляющее большинство — резистивные.

Большинство TFT-дисплеев работает в расширенном температурном диапазоне -20…70°С.

TN- и STN-дисплеи

Первой технологией изготовления LCD-дисплеев была технология Twisted Nematic (TN). Она была разработана в 1973 году. Название обязано своим происхождением поведению жидких кристаллов, которые при размещении между выравнивающими панелями с бороздками выстраивалась в спираль.

TN-дисплеи имеют несколько существенных недостатков: низкая контрастность, большое время реакции, маленькие углы обзора и почти невозможное формирование оттенков. Но они обладают самой низкой стоимостью и поэтому находят самое широкое применение в недорогих изделиях с невысокими требованиями к качеству изображения.

Типичные представители этой технологии представлены на рисунках 3 и 4.

Рис. 3.

Рис. 4.

Развитием технологии TN LCD-дисплеев стала Super Twisted Nematic (STN). STN позволила увеличить угол кручения ориентации кристаллов внутри LCD-дисплея до 270 градусов. Это позволило увеличить контрастность изображения и размеры панелей.

На основе технологии TN, STN и их производных компания Tianma производит большое количество символьных и графических LCD-индикаторов.

Символьные индикаторы (рисунок 5) сделаны на технологии STN под управлением контроллера ST7066U. Подключение к внешнему управляющему микропроцессору происходит через 8-битный параллельный цифровой интерфейс. Возможные варианты количества символов: 8х1 (8 символов в строке, 1 строка), 8х2 (8 символов в строке, 2 строки), 16х1, 16х2, 20х2, 20х4 и 40х2. Подсветка выполнена из нескольких последовательно расположенных SMD-светодиодов. Стандартный цвет подсветки — желто-зеленый. Индикаторы рассчитаны на работу при температуре -20…70°С.

Рис. 5.

Монохромные графические индикаторы сделаны на основе STN или FSTN-технологии. Управляющих контроллеров здесь предложено достаточно много: ST7579, SBN1661, ST7565R, SDN8080 и другие. Подключение к внешнему управляющему микропроцессору происходит через последовательный либо параллельный 4/8-битный цифровой интерфейс. Доступны индикаторы со следующими разрешениями: 96х16, 96х32, 122х32, 128х64, 240х64, 240х128 и 320х240.

Подсветка выполнена из светодиодов. Индикаторы рассчитаны на работу при температуре -20…70°С.

Цветные графические индикаторы (рис. 6) сделаны на основе Color Super Twisted Nematic (СSTN) технологии. Технология довольно старая, но, тем не менее, все еще занимает небольшую долю ранка цветных дисплеев.

Рис. 6.

Управляющих контроллеров предложено несколько: ST7637, UC1697v, ST7669V и ST7628. Подключение к внешнему управляющему микропроцессору происходит через параллельный 8/16-битный цифровой интерфейс. Доступны следующие разрешения дисплеев: 96х64,128х128 и 128х160, 240х128.

Индикаторы рассчитаны на работу при температуре -20…70°С.

Заключение

В настоящий момент Tianma осваивает технологию активной матрицы на органических светодиодах (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode, AMOLED). К концу этого года в Шанхае планируется выпуск первых OLED-дисплеев.

Технология подразумевает использование органических светодиодов в качестве светоизлучающих элементов и активной матрицы из TFT-транзисторов для управления светодиодами. Дисплеи AMOLED отличаются от TFT улучшенной цветопередачей, повышенной яркостью и более высокой контрастностью картинки. Еще один несомненный плюс этих экранов — пониженное энергопотребление, что позволяет более экономно расходовать заряд аккумулятора.

Выведя на рынок свои OLED-дисплеи, компания Tianma, несомненно, еще больше укрепит свое положение лидера на рынке жидкокристаллических дисплеев.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Новые дисплеи компании Tianma

Компания Tianma выпустила новые дисплеи с возможностью подключения через параллельный или последовательный интерфейсы.

TM050QDH01

Данный дисплей разработан в первую очередь для видеонаблюдения и переносных портативных устройств. На борту этого 5" TFT-дисплея стоят два контроллера NT39403 + NT39207, он имеет VGA-разрешение 640 x 480, а также высокую контрастность и яркость.

TM022HDHT1 — интерфейсы SPI + RGB 18 бит

Компактный дисплей диагональю 2,2" с книжной ориентацией, разрешением 240 x 320, с универсальным контроллером ILI9340 ориентирован на переносные устройства. Имеет полуотражающий поляризатор, который позволяет использовать данный дисплей без подсветки.

TM020HBH03 — интерфейсы CPU 8/16 бит, 4-wire SPI

TFT-дисплей 2,0" с сенсорным экраном и достаточно широким для такой диагонали разрешением — 240 x 320.

TM035HBHT1 — интерфейсы RGB 6 бит + SPI

TM035HDHT1 — интерфейсы RGB 6 бит + SPI

Два дисплея с полуотражающим поляризатором и двумя интерфейсами. Отличие этих моделей друг от друга заключается в наличии сенсорной панели у TM035HBHT1.

Основные преимущества:

• два интерфейса позволяют использовать эти TFT-дисплеи в различных применениях, особенно там, где не хватает выводов для стандартного RGB-интерфейса.
• Низкое энергопотребление, как у TM050QDH01 (100мА при напряжении 9,75В), так и у TM022HDHT1 (20мА при напряжении 12,8В).
• Компактный корпус позволяет встроить эти дисплеи практически в любой форм-фактор.
• Некоторые дисплеи можно использовать без подсветки, что также сказывается на энергопотреблении.

О компании Tianma Microelectronics

LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Жидкие кристаллы были открыты давным-давно, но изначально они использовались для других целей. Молекулы жидких кристаллов под воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча проходящего сквозь них. Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD мониторы для настольных компьютеров.

Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которые могут манипулироваться для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. 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 напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в такой световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света). Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели.

При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вдоль поля и на угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90°.

Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади так, чтобы свет порождался в задней части LCD дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.

Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 19" и более LCD мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это описывается далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270°.

В будущем следует ожидать расширения вторжения LCD мониторов на рынок, благодаря тому факту, что с развитием технологии конечная цена устройств снижается, что дает возможность большему числу пользователей покупать новые продукты.

Вкратце расскажем о разрешении LCD мониторов. Это разрешение одно и его еще называют native, оно соответствует максимальному физическому разрешению CRT мониторов. Именно в native разрешении LCD монитор воспроизводит изображение лучше всего. Это разрешение определяется размером пикселей, который у LCD монитора фиксирован. Например, если LCD 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 черными, т.е. вокруг изображения образуется широкая черная 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 небольшие искажения, и ухудшается резкость. Поэтому, при выборе LCD монитора важно четко знать какое именно разрешение вам нужно.

Отдельно стоит упомянуть о яркости LCD мониторов, так как пока нет никаких стандартов для определения того, достаточной ли яркостью обладает LCD монитор. При этом в центре яркость LCD монитора может быть на 25% выше, чем у краев экрана. Единственный способ определить, подходит ли вам яркость конкретного LCD монитора, это сравнить его яркость с другими LCD мониторами.

И последний параметр, о котором нужно упомянуть, это контрастность. Контрастность LCD монитора определяется отношением яркостей между самым ярким белым и самым темным черным цветом. Хорошим контрастным соотношением считается 120:1, что обеспечивает воспроизведение живых насыщенных цветов. Контрастное соотношение 300:1 и выше используется тогда, когда требуется точное отображение черно-белых полутонов. Но, как и в случае с яркостью пока нет никаких стандартов, поэтому главным определяющим фактором являются ваши глаза.

Стоит отметить и такую особенность части LCD мониторов, как возможность поворота самого экрана на 90°, с одновременным автоматическим разворотом изображения. В результате, например, если вы занимаетесь версткой, то теперь лист формата A4 можно полностью уместить на экране без необходимости использовать вертикальную прокрутку, что бы увидеть весь текст на странице. Правда, среди CRT мониторов тоже есть модели с такой возможностью, но они крайне редки. В случае с LCD мониторами, эта функция становиться почти стандартной.

К преимуществам LCD мониторов можно отнести то, что они действительно плоски в буквальном смысле этого слова, а создаваемое на их экранах изображение отличается четкостью и насыщенностью цветов. Отсутствие искажений на экране и массы других проблем свойственных традиционным CRT мониторам. Добавим, что потребляемая и рассеивая мощность у LCD мониторов существенно ниже, чем у CRT мониторов.

Главной проблемой развития технологий LCD для сектора настольных компьютеров, похоже, является размер монитора, который влияет на его стоимость. С ростом размеров дисплеев снижаются производственные возможности. В настоящее время максимальная диагональ LCD монитора пригодного к массовому производству достигает 20", а недавно некоторые разработчики представили 43" модели и даже 64" модели TFT-LCD мониторов готовых к началу коммерческого производства.

Но похоже, что исход битвы между CRT и LCD мониторами за место на рынке уже предрешен. Причем не в пользу CRT мониторов. Будущее, судя по всему, все же за LCD мониторами с активной матрицей. Исход битвы стал ясен после того, как IBM объявила о выпуске монитора с матрицей, имеющей 200 пикселей на дюйм, то есть с плотностью в два раза больше, чем у CRT мониторов. Как утверждают эксперты, качество картинки отличается так же как при печати на матричном и лазерном принтерах. Поэтому вопрос перехода к повсеместному использованию LCD мониторов лишь в их цене.