Все цвета радуги

Архив

Одной из главных особенностей почти всех придуманных человеком электронных устройств для визуального отображения информации (чаще называемых дисплеями) является то, что они излучают свет.

Одной из главных особенностей почти всех придуманных человеком электронных устройств для визуального отображения информации (чаще называемых дисплеями) является то, что они излучают свет. В природе сами по себе светятся только звезды (в том числе и Солнце) и огонь, все остальное цветовое многообразие мира обусловлено отраженным светом[Если, конечно, не считать молний, жуков-светляков и фосфоресцирующих гнилушек.]. Может быть, поэтому устройства на основе электронной бумаги, по всеобщему признанию, гораздо более комфортны для восприятия текста, чем светящиеся экраны КПК или ноутбуков?

Так или иначе, но почти вся история дисплеев, начиная с электронно-лучевой трубки, есть история попыток приспособить источники света для отображения информации. Все представленные сегодня на рынке (и даже еще не представленные) технологии производства дисплеев, кроме разве что упомянутой электронной бумаги, предполагают, что элементы экрана сами излучают свет. За одним огромным исключением, коим являются доминирующие ныне ЖК-технологии.

Жидкие кристаллы и поляризованный свет

Вообще-то словосочетание "жидкий кристалл" звучит примерно, как "твердая вода" или "горячий снег". Во второй половине XIX века, когда бурно развивалась наука кристаллография, любой физик не задумываясь заявил бы вам, что такого просто не может быть. В жидкости, по определению, молекулы движутся хаотично, тогда как в кристалле они жестко связаны, образуя стройную упорядоченную структуру. Тем не менее еще в 1888 году (раньше, чем появилась электронно-лучевая трубка!) австрийский ботаник Фридрих Райницер обнаружил необычное вещество - холестерилбензоат, - которое могло существовать в трех фазах: твердой, жидкой и промежуточной. Эта промежуточная фаза, будучи по всем признакам жидкостью, обладает также свойствами кристалла, то есть имеет разные характеристики по разным направлениям. В том числе характеристики оптические - например, жидкий кристалл по-разному в разных направлениях пропускает свет, поворачивая его плоскость поляризации. Причем оттого, что кристалл жидкий, а не твердый, поворотом можно управлять, если поместить слой такой жидкости в электрическое поле, которое будет выстраивать молекулы в нужном порядке.

Однако это еще не все. Если пропустить через слой жидких кристаллов естественный свет (неважно, от природного источника или созданного руками человека), то ничего не изменится. Существенной частью любой ЖК-ячейки служит поляризатор - пленка, которая может из естественного света, в котором плоскости колебаний отдельных световых волн ориентированы случайным образом, отфильтровать волны, колеблющиеся только в определенном направлении.

Объединив эти особенности поляризационных фильтров и свойство жидких кристаллов управляемо поворачивать плоскость поляризации проходящего света, мы получим ячейку, прозрачность которой можно изменять с помощью электрического сигнала.

Ячейка простейшей ЖК-матрицы

В середине 1960-х инженеры из RCA (Radio Corporation of America) Д. Фергюсон и Р. Вильямс, исследовавшие воздействие электрического поля на жидкие кристаллы так называемого нематического типа, продемонстрировали первые ЖК-индикаторы, отображающие цифры. В 1975 г. корпорацией Sharp были изготовлены первые компактные цифровые часы на жидких кристаллах. Во второй половине 70-х начался переход от сегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки, получивших название LCD - Liquid Crystal Display, ЖК-дисплей. В 1976 г. та же Sharp выпустила первый черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.

Первые ЖК-индикаторы и матрицы были пассивными. Устройство ячейки такой простейшей матрицы или индикатора показано на рис. 1. Здесь слой жидких кристаллов толщиной несколько микрон находится между двумя стеклянными электродами, причем молекулы ориентированы параллельно плоскости электродов. Сверху и снизу такого "сэндвича" расположены пластины-поляризаторы, ориентированные перпендикулярно друг другу. Толщина слоя жидких кристаллов рассчитана так, что в исходном состоянии он поворачивает плоскость поляризации световой волны ровно на 90 . В результате в обесточенной ячейке (на рис. 1 слева) свет беспрепятственно проходит через весь "пирог", отражается от зеркала (оно сделано матовым, чтобы не отражало окружающих предметов) и возвращается обратно. Подобная матрица в обесточенном состоянии выглядит, как обычная стеклянная пластинка.

Когда на электроды подается напряжение (на рис. 1 справа), электрическое поле ориентирует молекулы жидкого кристалла вдоль силовых линий, то есть перпендикулярно плоскости электродов. Жидкий кристалл теряет свои свойства и перестает поворачивать плоскость поляризации света. За счет перпендикулярной ориентации поляризационных пластин весь "пирог" перестает пропускать свет. Образуется черная точка (или сегмент цифрового индикатора - в зависимости от конфигурации электродов).

Энергия в такой ячейке расходуется только на перезаряд конденсатора, образованного электродами. Управлять сегментами, кстати, приходится с помощью переменного тока, потому что однажды "засвеченный" сегмент может оставаться в таком состоянии часами даже после снятия напряжения с электродов и возвращать в исходное состояние его приходится принудительно, подачей напряжения противоположной полярности.

Такие ЖК-дисплеи широко используют и поныне - вы их не раз встречали в тех же часах, дисплеях калькуляторов, плейеров, магнитол, фотокамер, в портативных измерительных приборах. Огромное преимущество сегментных ЖК-дисплеев почти перед любыми другими разновидностями устройств отображения информации заключается в том, что они практически не потребляют энергии, расходуяя ее лишь на изменение состояния кристалла. Зато обеспечить полутоновые изображения в таких пассивных матрицах напрашивающимся методом изменения величины подаваемого на электроды напряжения крайне сложно. Кроме того, простая пассивная матрица имеет неплохую контрастность в отраженном свете, но при наличии лампы-подсветки, увы, черного цвета в ней не добиться.

TN и ее сестры

По этим причинам в компьютерных дисплеях простые пассивные матрицы практически не использовали. Сначала придумали ячейки, использующие технологию STN (Super TN[TN означает Twisted Nematic - от наименования типа жидких кристаллов ("закрученные нематические").]), с помощью которой удалось увеличить угол "закручивания" поляризованного света внутри ЖК-ячейки с 90° до 270°, что позволило обеспечить лучшую контрастность изображения и более плавное управление полутонами. Дальнейшим усовершенствованием стала технология DSTN, где попросту взгромоздили друг на друга две STN-ячейки, молекулы которых при работе поворачиваются в противоположные стороны. Это позволило довести контрастность в проходящем свете до такой величины, что появилась возможность изготовить цветной дисплей, в котором на каждый пиксел приходится три ЖК-ячейки (субпиксела), каждая со своим цветным фильтром.

Кроме контрастности, большой проблемой пассивных матриц было огромное время прорисовки изображения. Система параллельных электродов по сути представляет собой конденсатор, да еще и заполненный электролитом (жидкими кристаллами), будто специально для увеличения его емкости. Вместе с неизбежно высоким сопротивлением тончайших прозрачных электродов ячейка образует отличный фильтр низкой частоты. Поэтому время реакции при подаче импульса напряжения было удручающе большим - сотня-другая миллисекунд считалась очень хорошим показателем. Это некритично для цифровых индикаторов в часах, но для компьютерных дисплеев с частотой обновления экрана порядка 60 Гц никуда не годится.

Быстродействие ячеек удалось повысить, поставив в каждой из них дополнительный тонкопленочный транзистор (TFT). Он резко улучшил временные характеристики упомянутого фильтра, в результате чего время обновления снизилось до приемлемых десятков миллисекунд.

Такие дисплеи стали называться активноматричными[Собственно, маркетологи давно могли бы убрать навязшую в зубах аббревиатуру TFT из названий мониторов, чтобы не вызывать лишних вопросов у "чайников", так как все мониторы теперь только с активными матрицами.]. К сожалению, транзисторы имеют обыкновение иногда сгорать, и при их количестве в несколько миллионов вероятность такого события становится весьма ощутимой - вот тогда и появляются всем известные битые пикселы, которые в технологии TFT TN выглядят, как бросающиеся в глаза ярко светящиеся точки.

Третьей серьезной проблемой, с которой столкнулись изготовители матриц, был малый угол обзора. Взгляните еще раз на рис. 1 и мысленно поставьте две ячейки друг на друга, чтобы получить нечто напоминающее ячейку DSTN. Даже удивительно, как производители вообще достигают углов обзора 120-160, а то и 170 градусов. Причем дело не только в том, что поляризаторы, электроды и не показанная на рисунке Black Matrix ("черная сетка", которая разделяет субпикселы, чтобы они не засвечивали друг друга) попросту загораживают свет, но и в том, что при взгляде на матрицу сбоку угол поляризации светового потока получается не совсем таким, как при строго перпендикулярном направлении взгляда.

Теперь ясно, почему изображение чернеет, синеет и даже может обращаться в негатив, стоит нам присесть перед монитором с TN-матрицей. Если же взглянуть на него сверху, изображение наоборот, светлеет. Это характерный признак TN-технологии, позволяющий легко отличить такие матрицы от других разновидностей.

Добавление "+film" означает, что матрицу покрывают специальной пленкой, увеличивающей угол обзора за счет эффекта преломления. Как и TFT, эту приставку давно пора убрать из спецификаций, так как в области компьютерных дисплеев никаких других TN, кроме "+film", больше не бывает.

Обычная TN-матрица имеет углы обзора градусов в 90 (по горизонтали, по вертикали не больше 20), а "film" позволяет увеличить их примерно до 140 (по вертикали - до 40-60), причем измеряется это для падения контраста до 10:1. Что при этом творится с цветопередачей - умалчивается (подробности см. во врезке).

Однако не нужно думать, что TN - однозначно плохо. Во-первых, эта технология гораздо дешевле других, и если вы попробуете найти на рынке, скажем, ноутбук с "более прогрессивными" типами матриц, то будете неприятно удивлены ценой. Во-вторых, за последние годы эта технология развивалась очень быстро, и дешевые мониторы заметно прибавили в качестве. И наконец, углы обзора имеют значение для больших матриц в настольных дисплеях. В ноутбуках же, где человек сидит, уставившись в экран 12-15 дюймов с расстояния 30 см и, как правило, пялится на него в одиночку, разницы между технологиями он может и не заметить.

IPS (Super-TFT)

В 1995 г., когда и TFT-TN-технология только вылезала из пеленок, дисплейное подразделение компании Hitachi при участии фирмы NEC предложило совсем иное построение ячейки ЖК-матрицы. Оно получило название Super-TFT, а ныне более известно под аббревиатурой IPS (In-Plane Switching - букв. "переключение в плоскости"). Упрощенно ячейка (точнее, две соседние ячейки) такой матрицы показан на рис. 2. На нем видно, что IPS-ячейка имеет гораздо меньшую глубину, чем DSTN. Это один факторов, хоть и не главный, за счет которого углы обзора в современных IPS-матрицах возрастают до 170 и больше, что сравнимо с ЭЛТ-мониторами.

Принцип действия этой ячейки диаметрально противоположен TN - при отсутствии напряжения (на рис. 2 слева) молекулы жидких кристаллов ориентированы так, что плоскость поляризации светового потока не поворачивают. Поляризаторы, как и ранее, ориентированы перпендикулярно друг другу, и такая ячейка не пропускает свет. Из-за этого, кстати, битые пикселы в IPS-матрице черные, а не светящиеся, что уже само по себе огромный плюс.

При подаче управляющего напряжения (рис. 2 справа) на электроды, которые здесь расположены на одной плоскости, молекулы выстраиваются иначе. Слой жидких кристаллов теперь поворачивает плоскость поляризации, и ячейка пропускает свет. Обратите внимание, что молекулы всегда ориентированы параллельно подложке, невзирая на то, пропускает ячейка свет, задерживает или пропускает наполовину. Этим свойством по большей части и обусловлено то, что в IPS-матрицах цветовой оттенок от угла обзора почти не зависит. Цветопередача у таких матриц также гораздо лучше, чем у TN. Мониторы, сделанные на таких матрицах, практически всегда отображают истинные 16,7 млн. цветов, без всякой "интерполяции", характерной для других технологий.

Впрочем, недостатки у IPS тоже имеются, и главный из них таков: из-за меньшей площади и ограниченного радиуса действия электродов создание нужной напряженности электрического поля требует больших затрат энергии и занимает больше времени, из-за чего растет время реакции. Сейчас, однако, этот недостаток успешно преодолен в различных вариантах технологии (вроде S-IPS). И самые лучшие ЖК-мониторы (хотя и далеко не все) делаются именно по технологии IPS в ее различных вариантах. Причем даже самые дешевые из них все же заметно дороже бюджетных мониторов, построенных по технологии TN+film.

Отличить IPS-матрицу от других типов можно по тому, что черный цвет при взгляде под углом приобретает фиолетовый оттенок (больше всего эффект заметен при взгляде не сверху или сбоку, а с угла дисплея).

MVA/PVA

Эти практически идентичные технологии (а также похожая на них технология компании Sharp под названием Advanced Super View, ASV, сведений о которой довольно мало) используют ячейку, похожую на обычную TN, только в отсутствие управляющего напряжения молекулы жидкого кристалла у них ориентированы перпендикулярно подложке и не оказывают влияния на поляризацию света. Поэтому, как и в IPS-ячейке, выключенный (а также битый) пиксел у них черный. При подаче управляющего напряжения молекулы поворачиваются параллельно плоскости поляризатора (как у выключенной ячейки TN), и теперь ячейка пропускает свет.

Но такая технология (которая называется VA - от "вертикальное выравнивание") почти не имела бы преимуществ перед TN (за исключением несветящегося битого пиксела), если бы ее не модернизировали так, как показано на рис. 3. Как видите, форма поляризатора здесь ступенчатая. Молекулы стремятся выстроиться перпендикулярно или параллельно поверхности, над которой располагаются, и ячейка как бы разбивается на зоны, в каждой из которых ориентация молекул относительно перпендикуляра к поверхности матрицы чуть отличается.

Поэтому (в идеале) оттенок ячейки одинаков при любом угле зрения. Аналогично, с некоторыми нюансами, устроена и ячейка PVA от Samsung.

MVA/PVA-матрицы также заметно дороже TN, но сейчас положение выправляется - например, некоторые бюджетные мониторы Samsung (вроде популярного 740T) уже давно делаются на PVA-матрицах, уступая TN-мониторам при равной цене только во времени реакции. В остальном они существенно лучше - имеют более широкий угол обзора (в лучших последних моделях - аж до 178 ) и глубокий черный цвет, как и у IPS. В некоторых отношениях MVA/PVA-матрицы даже обгоняют IPS - при сравнении различных моделей вы можете обратить внимание, что у MVA/PVA самые высокие показатели контрастности из всех разновидностей - вплоть до 1500:1 (подробности опять же во врезке). Правда, с качеством цветопередачи дела у них похуже - из-за фрагментации некоторые оттенки ячеек MVA и PVA зависят от угла обзора (явление "цветового сдвига"[Даже при небольшом смещении точки наблюдения в любом направлении яркость и оттенки PVA-матрицы заметно меняются, причем при прямом взгляде экран кажется чуть серебристым.]).

Кстати, практически все мониторы, которые могут менять ориентацию (портретное-ландшафтное расположение), по понятным причинам построены как минимум на MVA/PVA-матрицах - у технологии TN и по сей день слишком малы углы обзора по вертикали, чтобы можно было изменять ориентацию матрицы.

 

Монитор vs телевизор

В последнее время наметилась тенденция объединять функции монитора и плоского телевизора, и это кажется естественным: в принципе любой современный телевизор есть компьютерный монитор, к которому добавили тюнер для приема телевизионных каналов.

Компонентный RGB-вход, которым телевизоры оснащены через SCART-разъем, по сути есть тот же аналоговый VGA, известный с незапамятных времен, а цифровой видеоинтерфейс DVI совместим с телевизионным HDMI на уровне переходников. Большинство видеокарт сейчас выпускается с разъемом S-Video, что позволяет подключить к компьютеру практически любой телевизор.

Тем не менее телевизор и компьютерный монитор отличаются, как двое рабочих разных специальностей. Например, на обычном ЖК-мониторе практически невозможно работать при разрешениях экрана, отличающихся от номинального, а для телевизора это, можно сказать, штатный режим, мало того - вы вряд ли вообще найдете видео, соответствующее физическому разрешению конкретного экрана. О противоречивых требованиях к контрасту см. врезку; кроме того, для телевизора совершенно неважно, сколько оттенков он отображает (то есть настоящий у него 24-битный цвет, или "интерполированный"), зато очень важное значение имеет качество и "скорострельность" преобразователей ТВ-форматов в компьютерную картинку[Давно замечено, что плоские телевизоры дают качественную картинку лишь при воспроизведении с качественных же носителей (DVD), и она становится значительно хуже при отображении эфирного сигнала или подобных источников (типа аналогового видеомагнитофона). Но степень ее деградации сильно зависит от качества начинки телеприемника - как управляющего контроллера, так и преобразователей-декодеров.
] (для монитора эти функции все равно выполняет ПК, который заведомо мощнее любых встроенных контроллеров). Наконец, разница заключается и в том, что телевизор смотрят с расстояния несколько метров, потому для него и углы обзора не столь важны, и экран лучше выбирать большой и, возможно, с глянцевым покрытием, которое дает визуально более качественную картинку. На мониторе же достаточных размеров "глянец" делает работу крайне некомфортной из-за отражения окружающих предметов.

Если все же требуется некое универсальное устройство, то монитор в сочетании с ПК представляет собой вполне приличный телевизор во всем, кроме размеров экрана и удобства пользования. Но не наоборот: на телевизионном экране еще можно погулять по меню DVD-диска, но даже читать тексты, не говоря уж о том, чтобы их набирать, - довольно скучное занятие. Именно поэтому среди производителей ноутбуков распространилась мода на широкие экраны 16:9 или 16:10 - это гораздо удобнее, если использовать мобильное устройство для просмотра видео, и не мешает основным функциям его как ПК.

Но если внимательно всмотреться в широкоэкранные модели настольных мониторов, то окажется, что хорошее качество дают только дорогие девайсы, а то, что предлагается в среднем сегменте цен (до 1000 долларов), не стоит потраченных денег: лучше купить отдельный телевизор тех же размеров, тем более что стали появляться вполне приличные модели по приемлемым ценам. Если же вам греет душу идея расширенного рабочего поля, то гораздо лучше купить два недорогих монитора по 20" (с соотношением 4:3 каждый и суммарным разрешением 2560x1024 или 3200 1200), нежели один бюджетный "глянец", большинство из которых не дотягивает даже до истинного 1920x1080 (16:9), обладая разрешением что-нибудь вроде 1680x1050 (16:10).