ЖК-панели: разложим по пикселям, заглянем в кристаллы

Соревнование за право считаться лидером в области средств отображения информации можно считать завершённым. Четверть века назад кинескопные мониторы и телевизоры с почётом отправили на пенсию, и в борьбу за место под солнцем вступили жидкокристаллические и плазменные панели. Она была долгой, упорной и шла с переменным успехом, но, в конце концов, хозяева «плазмы» выбросили на ринг полотенце и ушли с рынка. Фанфары!

Мы так привыкли пользоваться ЖК панелями – большими и совсем маленькими – что не задумываемся о том, как они устроены и каким образом формируют изображение. А зря. ЖК панель – пример современного высокотехнологичного устройства, включающего множество интересных технических решений. Попробуем в них разобраться.

Формирование высококачественных изображений, которые ещё иногда называют фотореалистическими, всегда происходит путём образования растра точек или пикселей. Чем больше точек приходится на квадратный дюйм картинки, тем выше её качество и разрешение, которое измеряется в dpi (dot per inch, точек на квадратный дюйм). Формат изображения выбирается исходя из технических возможностей промышленности и свойств человеческого зрения (разрешающей способности по вертикали и горизонтали, а также инерционности зрения). В телевидении стандартной чёткости растр состоял из 800 пикселей по горизонтали и 600 по вертикали при чересстрочной развёртке, а современное телевидение высокой чёткости имеет 1080 пикселей в строке с прогрессивной развёрткой и форматом картинки 16:9 вместо 4:3.

Существуют два принципиально различных подхода к формированию изображений: с использованием самосветящихся точек (цветовая модель RGB), и с использованием несамосветящихся точек (цветовая модель CMYK). С точки зрения пользователя разница между ними состоит в том, что первые изображения можно наблюдать в темноте, как, например, экран ноутбука, а вторые – нельзя, как, например, экран ридера на основе технологии E-Ink. Правда, у некоторых современных ридеров появилась подсветка, но к формированию изображения она отношения не имеет.

Каждый пиксель изображения состоит из трёх субпикселей, красного R, синего B и зелёного G. Смешивая в различной пропорции цвета субпикселей, мы получаем любой цветовой оттенок пикселя, находящийся в пределах цветового охвата (Gamut).

а) вакуумный кинескоп

б) плазменная панель

в) OLED дисплей

Различные технологии формирования изображения, по сути, отличаются разными способами управления свечением субпикселей.

В вакуумном кинескопе зёрна люминофоров трёх цветов наносили на внутреннюю сторону экрана, и люминофор светился при попадании на него электронного луча.

В плазменных панелях каждый субпиксель представлял собой крохотную ячейку, заполненную смесью инертных газов. Когда на ячейку подавали напряжение, ионизированный газ заставлял светиться люминофор, нанесённый на внутренние стенки ячейки.

В ЖК панелях белый свет от источника подсветки, проходит через управляющие структуры и окрашивается с помощью цветных светофильтров.

В OLED дисплеях субпиксели создают цветные органические светодиоды.

Сегодня мы поговорим об устройстве ЖК панели.

По принципу действия она представляет собой оптический затвор, который управляет световым потоком от лампы подсветки. Первоначально для подсветки использовали трубчатые лампы с холодным катодом, но в последние годы перешли на светодиодную подсветку. В небольших матрицах светодиоды устанавливают по периметру экрана, а в бесшовных панелях с большой диагональю – рядами по всей плоскости экрана. Светодиодная подсветка потребляет на треть меньше энергии, выделяет меньше тепла и имеет существенно больший ресурс.

Рис. 2. Устройство ЖК матрицы

Световой поток через поляризационный фильтр поступает на жидкие кристаллы, заключённые между двумя стёклами.

Яркостью каждого субпикселя управляет свой тонкоплёночный транзистор (Thin FilmTrasistor, TFT), давший название матрице. Транзисторы подключают запоминающие конденсаторы к шине с данными на момент записи информации в данный субпиксель и переключают запоминающий конденсатор в режим сохранения заряда на всё остальное время. Этот конденсатор представляет собой не отдельный радиоэлемент, а просто ёмкость между электродами стока и затворной шиной следующей строки.

Рис. 3. Ячейка ЖК матрицы

Напряжение, сохранённое в запоминающем конденсаторе TFT матрицы, действует на жидкие кристаллы данного субпикселя, поворачивая плоскость поляризации проходящего через них света на угол, пропорциональный этому напряжению. Пройдя через ячейку с жидкими кристаллами, свет попадает на матричный светофильтр, на котором для каждого субпикселя есть свой светофильтр одного из основных цветов RGB. Далее световой поток поступает на внешний поляризационный фильтр, коэффициент пропускания света которого зависит от угла поляризации падающей на него световой волны. В идеале, он не должен пропускать свет, поляризованный ортогонально его собственной плоскости поляризации, но на практике небольшая часть света всё-таки проходит, поэтому недостатком всех ЖК дисплеев является недостаточная глубина чёрного цвета. В результате, световой поток от одних субпикселей проходит через поляризационный светофильтр без потерь, от других субпикселей – ослабляется на определённую величину, а от какой-то части субпикселей практически полностью поглощается. Таким образом, регулируя уровень основных цветов в отдельных субпикселях, можно получить пиксель любого цветового оттенка, а из множества цветных пикселей можно составить полноэкранное цветное изображение.

Большая часть ЖК матриц, представленных на рынке, выполнена по технологии TN + Film.

О других, более совершенных технологиях, мы расскажем в следующей статье.