LCD: как они работают

Из всего ряда плоских дисплеев LCD выделяются тем, что сама жидкокристаллическая панель не является источником света; она лишь пропускает через себя свет, излучаемый неоновой лампой. Подтип таких дисплеев, TFT LCD, принято также называть жидкокристаллическими дисплеями с активной матрицей. Аббревиатура TFT (тонкоплёночный транзистор) обозначает управляющий элемент матрицы, контролирующий работу каждого отдельного пикселя.

Чтобы понять, как LCD контролирует яркость, нужно вспомнить эффект поляризации света из курса общей физики. Если не вдаваться в подробности, то данный эффект можно описать так: свет поляризуется, проходя через первый специальный фильтр, характеризуемый определённым углом поляризации. Для человеческого глаза ничего не меняется, только в два раза падает яркость света. Но если за первым фильтром поставить ещё один такой же, то свет будет либо полностью им поглощаться (если угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого), либо беспрепятственно проходить (если углы совпадают). Плавное изменение угла второго фильтра позволяет плавно регулировать интенсивность света.

Общий принцип действия всех TFT LCD показан на рисунке ниже: свет от неоновой лампы проходит через систему отражателей, направляется через первый поляризационный фильтр и попадает в слой жидких кристаллов, контролируемый транзистором; затем свет проходит через цветовые фильтры (как и в CRT, каждый пиксель матрицы строится из трёх компонент цвета - красной, зелёной и синей). Транзистор создаёт электрическое поле, задающее пространственную ориентацию жидких кристаллов. Свет, проходя через такую упорядоченную молекулярную структуру, меняет свою поляризацию, и в зависимости от неё будет либо полностью поглощён вторым поляризационным фильтром на выходе (образуя чёрный пиксель), либо не будет поглощаться или поглотится частично (образуя различные цветовые оттенки, вплоть до чистого белого).

Поляризация, лежащая в основе LCD технологии, имеет и свои минусы. Один из главных - сокращение угла обзора жидкокристаллического дисплея, и производители LCD панелей это учитывают. В настоящее время распространены три технологии, позволяющие если не искоренить, то хотя бы значительно уменьшить такой недостаток. Следующий раздел посвящен подробному их описанию.

Типы жидкокристаллических дисплеев

Самый распространённый тип цифровых панелей основан на технологии, сокращённо называемой TN TFT или TN+Film TFT (Twisted Nematic + Film). Термин Film обозначает дополнительное наружное плёночное покрытие, позволяющее увеличить угол обзора со стандартных 90 градусов (по 45 с каждой стороны) до приблизительно 140 градусов. Схема работы TN TFT дисплея показана на рисунке ниже:

1. Когда транзистор находится в выключенном состоянии, то есть не создаёт электрическое поле, молекулы жидких кристаллов находятся в своём нормальном состоянии и выстроены так, чтобы менять угол поляризации проходящего через них светового потока на 90 градусов (жидкие кристаллы образуют спираль). Поскольку угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого, то проходящий через неактивный транзистор свет будет без потерь выходить наружу, образуя яркую точку, цвет которой задаётся световым фильтром.
2. Когда транзистор генерирует электрическое поле, все молекулы жидких кристаллов выстраиваются в линии, параллельные углу поляризации первого фильтра, и тем самым никоим образом не влияют на проходящий через них световой поток. Второй поляризующий фильтр поглощает свет полностью, создавая чёрную точку на месте одной из трёх цветовых компонент.

TN TFT - первая технология, появившаяся на рынке LCD, которая до сих пор чувствует себя уверенно в категории бюджетных решений, поскольку создание подобных цифровых панелей обходится относительно дёшево. Но, как и многие другие дешёвые вещи, LCD мониторы на матрице TN TFT не лишены недостатков. Во-первых, чёрный цвет у старых моделей таких дисплеев больше смахивает на тёмно-серый (поскольку очень трудно было развернуть все жидкие кристаллы строго перпендикулярно к фильтру), что приводит к низкой контрастности картинки. С годами технологический процесс совершенствовался, и новые TN панели демонстрируют значительно увеличившуюся глубину тёмных оттенков. Во-вторых, в случае отказа транзистора (а такое бывает) на экране образуется посторонняя <мёртвая> яркая точка, которая для глаза намного заметнее <мёртвой> чёрной. Но эти два недостатка не мешают данной технологии занимать место лидера среди 15.1 дюймовых панелей, поскольку главным фактором для бюджетных решений всё равно остаётся стоимость.

Один из вариантов борьбы с недостатками предложила технология Super-TFT или IPS (In-Plane Switching), разработанная компанией Hitachi. IPS позволила расширить угол обзора до примерно 170 градусов за счёт более точного механизма управления ориентацией жидких кристаллов, что и явилось её главным достижением. Такой важный параметр как контрастность остался на старом уровне TN TFT, а время отклика даже стало больше. Рассмотрим, чем отличается принцип работы Super-TFT от TN TFT:

1. При отсутствии электрического поля молекулы жидких кристаллов выстроены вертикально и не влияют на угол поляризации проходящего через них света. Поскольку углы поляризации фильтров перпендикулярны, то свет идущий через выключенный транзистор полностью поглощается вторым фильтром.
2. Создаваемое электродами поле поворачивает молекулы жидких кристаллов на 90 градусов относительно позиции покоя, меняя тем самым поляризацию светового потока, который пройдёт второй поляризующий фильтр без помех.

Очевиден плюс такого подхода: <мёртвые> пиксели будут гаснуть, а не светиться, как в обычном TN TFT, что менее заметно для глаза. Минус не столь очевиден, но существенен: электроды располагаются на одной плоскости, по паре на цветовой элемент, и закрывают собой часть проходящего света. В результате страдает контрастность, которую приходится компенсировать более мощной подсветкой. Но это мелочь по сравнению с главным недостатком состоящем в том, что создание электрического поля в подобной системе требует больших затрат энергии и занимает больше времени, из-за чего растёт время отклика. Тем не менее, не стоит думать, что данная технология просто неудачна. IPS представляет собой компромисс, когда за счёт снижения одних характеристик цифровых панелей можно улучшить другие, чтобы удовлетворить интересам определённого круга потребителей.

Третья технология, разработанная компанией Fujitsu, обещает устранить (по крайней мере, в теории) основные недостатки LCD панелей. Она носит название MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) и является развитием предыдущей технологии VA. Суть её в следующем: для расширения угла обзора все цветовые элементы панели разбиты на ячейки или зоны, образуемые выступами на внутренней поверхности фильтров. Цель такой конструкции - дать возможность жидким кристаллам двигаться независимо от своих соседей в противоположном направлении. Это позволяет наблюдателю независимо от угла обзора видеть один и тот же оттенок цвета. На рисунке ниже показаны три степени яркости одной ячейки:

1. В выключенном положении молекулы жидких кристаллов ориентированы перпендикулярно второму фильтру (каждому его выступу), что на выходе даёт точку чёрного цвета.
2. При слабом электрическом поле молекулы немного поворачиваются, образуя на выходе точку серого цвета (половинной интенсивности). Обратите внимание, что интенсивность света для наблюдателя не зависит от угла обзора, поскольку попавшие в поле зрения более яркие ячейки будут компенсироваться находящимися рядом более тёмными.
3. В полном электрическом поле молекулы выстроятся так, чтобы при разных углах наблюдения на выходе была видна точка максимальной интенсивности.

Потенциал технологии MVA значителен. Один из главных её плюсов - сокращённое время отклика. Однако сложное устройство панели не только увеличивает стоимость готового LCD решения на её основе, но и не позволяет производителю в полной мере реализовать все возможности MVA по причине сложностей технического характера и не доведённого до ума процесса производства. На сегодняшний день рыночная доля дисплеев с технологией MVA мала, но неуклонно растёт. Будет ли данная технология доминировать на рынке LCD или её место займёт новая разработка, покажет время. Пока же MVA является самым технически совершенным LCD решением.