|
Как выбрать ЖК-монитор?
(с) 2002. И. А. Мухин, СПб ГУТ
Экраны на жидких кристаллах – LCD (Liquid Crystal Display) – появились более 20 лет назад. Но только в последние годы качество изображения, формируемого этими устройствами, достигло уровня, позволяющего конкурировать с экранами на основе ЭЛТ (электронно-лучевой трубки, кинескопа). В тех сферах применения, где к качеству картинки не предъявляются строгие требования, достоинства, присущие жидкокристаллическим (ЖК) экранам, делают их более желанными. Принцип действия ЖК-матриц основан на поляризации света и вращении плоскополяризованного света молекулами жидкокристаллического вещества. Пиксель ЖК-матрицы состоит из трех одинаковых субпикселей, отличающихся только цветом выходного светофильтра (красный, зеленый, синий). Большинство цветных ЖК-матриц работает на просвет. Субпиксели сами не являются источником света, они лишь регулируют интенсивность проходящего сквозь них светового потока. На рисунке 1 показана ячейка самых распространенных на сегодняшний день TN-матриц (Twisted Nematic), в которых используются закрученные нематические жидкие кристаллы.
Рис. 1. Ячейка TN-матрицы С тыльной стороны матрицы находится источник неполяризованного света – галогенные или электролюминисцентные лампы с холодным катодом – CCFL (Cold Cathode Fluorescence Light). Естественный свет, пройдя через входной поляризатор, становится плоскополяризованным. Далее он подвергается “скручиванию” на 900 спиралевидной структурой ЖК-вещества, сформированной специальными направляющими слоями, и почти без потерь проходит через выходной поляризатор (анализатор), так как плоскость поляризации света и анализатора совпадают. При появлении внешнего электрического поля жидкие кристаллы, не меняя своего положения в плоскости экрана, разворачиваются в плоскостях, перпендикулярных экрану. То есть спиралевидная структура не раскручивается, а просто разрушается, так как каждый из составляющих ее кристаллов стремится развернуться в направлении силовых линий электрического поля. Чем выше напряженность поля, тем меньше угол между направлением ориентации жидких кристаллов и перпендикуляром к экрану, то есть тем сильнее разрушается твист-структура и тем меньшая часть света подвергается скручиванию и проходит через ячейку. Ячейка темнеет. ЖК-матрицы бывают пассивные и активные. Для управления ячейками пассивной матрицы используются прозрачные полоски-электроды. Они нанесены на стекла, между которыми находится ЖК-вещество, причем с одной стороны полоски нанесены горизонтально, а с другой – вертикально, образуя решетчатую структуру. На пересечении электродов как раз и находятся ячейки. В пассивной матрице можно управлять одновременно только ячейками одной строки. При переходе к управлению следующей строкой, изображение, сформированное на предыдущей строке, постепенно исчезает. Пассивные матрицы требуют довольно большого времени для обновления изображения, а потому применяются только там, где не требуется высокой частоты смены изображений – в часах, сотовых телефонах и т. д. Отличительной особенностью любой активной матрицы является наличие активных элементов – тонкопленочных транзисторов (TFT – Thin Film Transistor), которые управляют яркостью пикселей. Транзисторы сформированы на прозрачной пленке и выполнены либо из аморфного кремния (a-Si), либо из поликристаллического (p-Si). Поликристаллический кремний используется в матрицах с более высоким разрешением. Устройство активной ЖК-матрицы (TN) показано на рис. 2.
Рис. 2. Устройство активной TN-матрицы Каждый субпиксель имеет индивидуальный прозрачный электрод, конденсатор памяти и полевой транзистор, который подключен стоком к вертикальной линии данных, затвором – к горизонтальной линии данных, а истоком – к индивидуальному электроду. Формирование изображения в активных ЖК-панелях очень упрощенно можно представить так. Входной видеосигнал (цифровой или аналоговый, подвергнутый оцифровке) первой строки изображения поступает на вертикальные линии данных. Напряжения на каждой из линий соответствуют яркостям субпикселей первой строки. После этого на горизонтальную линию данных первой строки поступает импульс, который открывает все транзисторы (TFT) этой строки. Через открытые транзисторы заряжаются конденсаторы всех субпикселей первой строки до значений на вертикальных линиях данных. После этого импульс с горизонтальной линии данных первой строки исчезает, и все транзисторы закрываются. Но конденсаторы продолжают хранить заряд, поэтому напряженность поля и, соответственно, угол разворота ЖК-кристаллов в ячейках первой строки остаются постоянными. Далее все повторяется уже для второй, третьей и последующих строк. Прозрачность, а значит, и яркость каждого из субпикселей остается без изменений в течение всего периода обновления экрана. То есть даже если бы экран обновлялся всего раз в секунду (частота – 1 Hz!), то он все равно бы не мелькал. Для качественной передачи движущихся объектов желательна частота смены (обновления) кадров всего порядка 20-25 Hz, но для облегчения совместимости с широко распространенными видеоадаптерами, а также для упрощения отображения телевизионного изображения или видеофильмов (не путать с телефильмами), современные ЖК-мониторы работают на частотах 60, 75 или 85 Hz. ЖК-экраны обладают рядом достоинств:
Но, к сожалению, LCD имеют также ряд существенных недостатков. Один из них – появление тянущихся продолжений (“хвостов”) за движущимися предметами. Дело здесь в следующем. При частоте обновления 85 Hz кадры изображения поступают из видеоадаптора к монитору каждые 11,8 мс. Но вот само изображение, формируемое матрицей, не успевает обновляться с такой высокой частотой. Причина – инерционность (“медлительность”) жидких кристаллов. Напряжения на индивидуальных электродах субпикселей, благодаря применению транзисторов, могут меняться очень быстро, а вот для того чтобы жидкие кристаллы полностью переориентировались в соответствии с меняющейся напряженностью электрического поля, нужно время – время отклика. Чем меньше это время, тем быстрее исчезает старое изображение и появляется новое, то есть тем меньше эффект тянущихся продолжений (“призраков”) за движущимися объектами. Для отображения динамичных сюжетов (игр или просмотра видеофильмов) желательна матрица с временем отклика не более 20 мс. Другой недостаток – низкое качество изображения при несовпадении разрешений. Дело в том, что качественное отображение картинки на экране возможно только в том случае, если число строк разложения входного сигнала (режим работы видеоадаптера компьютера) соответствует физическому разрешению экрана. Зачастую это условие не выполняется. Например, физическое разрешение 17" LCD-монитора – 1280x1024 пикселя, а видеоадаптер работает в режиме 1024 на 768 точек. Чтобы получить качественную картинку, можно использовать не все пиксели панели, а только матрицу 1024х768 (рис. 3).
Рис. 3. Формирование изображения ЖК-панелью при различных режимах работы видеокарты Но при этом, очевидно, изображение будет занимать лишь часть рабочей поверхности экрана. Чтобы развернуть изображение на весь экран, применяется метод нелинейной интерполяции, когда одно разрешение пересчитывается в другое. Например, фирма Samsung разработала и реализовала функцию усовершенствованного масштабирования изображения (IEF – Image Enhancement Function). Но так как разрешения экрана и сигнала не являются кратными, такой метод не дает хороших результатов. В итоге мелкий шрифт на полученном изображении воспроизводится с заметными искажениями, а некоторые вертикальные или горизонтальные линии имеют зачастую удвоенную толщину либо вовсе исчезают. Картинка кажется “нерезкой, расфокусированной”. Поэтому для работы с мелким текстом или графикой при различных режимах работы видеокарты больше подходит экран на основе ЭЛТ. Следующий недостаток – невысокий контраст формируемого LCD-изображения – примерно 250:1 – 500:1 (при 600:1 – 1000:1 для PDP). Контраст – это отношение яркости самых светлых участков изображения к самым темным. Следовательно, чем ярче светлые участки и чем темнее темные, тем выше контраст. Яркость современных ЖК-панелей достаточно высока (300-500 кд/м2), и причина низкого контраста – в повышенной яркости темных участков изображения. Дело здесь в том, что поляризатор и анализатор не идеальны. Поляризатор просто подавляет, но не задерживает полностью свет, направление поляризации которого ортогонально направлению поляризации поляризатора. Поэтому “закрытая” ячейка пропускает свет. В результате черные детали изображения становятся серыми, что приводит к уменьшению контраста. Измерять контраст можно несколькими способами, поэтому у разных производителей контраст изображения, воспроизводимого одной и той же матрицей, может значительно различаться. Другой неприятной особенностью ЖК-панели является неравномерное распределение яркости по полю экрана. Для подсветки используется несколько тонких и длинных ламп, поэтому, несмотря на применение всевозможных отражателей и рассеивателей, добиться равномерной освещенности ЖК-матрицы очень сложно. Кроме того, ЖК-экраны имеют плохую цветопередачу. Дело в том, что субпиксели ЖК-матрицы не являются светоизлучающими элементами, а представляют собой фильтры, пропускающие свет от белых ламп подсветки. Спектральные характеристики пропускания фильтров делают широкими, чтобы увеличить яркость. Поэтому цвета субпикселей получаются ненасыщенными, а значит, панель имеет небольшой цветовой охват. Это означает, что хоть она и передает 16,8 млн цветов, среди них нет таких, которые может передать, например, ЭЛТ или плазменная панель. Важно не только количество передаваемых цветов, но и то, какие это цвета. Нельзя изобразить семицветную радугу на небе, даже если у вас двадцать синих карандашей разных оттенков. Следующая серьезная проблема – ЖК-экраны имеют небольшой угол обзора, то есть стоит только взглянуть на монитор под углом, и изображение становится блеклым и малоконтрастным, значительно ухудшается цветопередача. Разработчики ЖК-экранов придумывают новые конструкции матриц в основном для того, чтобы увеличить углы обзора и улучшить качество цветопередачи. Поэтому на этом вопросе нужно остановиться подробнее. Рассмотрим процесс прохождения света через ячейку самого распространенного типа матриц – TN (рис. 4).
Рис. 4. Углы обзора TN-матрицы Когда электрического поля нет, то все жидкие кристаллы, хоть и свернуты в спирали, но расположены параллельно экрану. Диаграмма направленности излучения получается узкой, но симметричной – с какой стороны ни посмотри на экран, яркость примерно одинакова. Если в ячейке появляется электрическое поле средней напряженности, то жидкие кристаллы “наклоняются”, скажем, на угол 450. Диаграмма направленности становится шире, но она – несимметричная! Если посмотреть на ячейку так, чтобы направление взгляда совпало со средним направлением наклоненных жидких кристаллов, то мы увидим темную ячейку, так как в этом направлении свет скручиванию не подвергается, а значит, не может пройти через выходной поляризатор. Зато если посмотреть на ячейку с других направлений, то она покажется нам яркой. В третьем случае, когда все жидкие кристаллы развернутся перпендикулярно экрану, диаграмма направленности будет очень широкой и симметричной. С любой стороны ячейка будет казаться нам одинаково черной. Таким образом, получается, что воспринимаемая нами яркость субпикселя зависит от того, под каким углом мы на него смотрим, то есть от диаграммы направленности его излучения. А диаграмма направленности меняет свою форму в зависимости от истинной яркости субпикселя. Например, мы вывели на экран пиксель оранжевого цвета. Это означает, что красный субпиксель имеет максимальную яркость (узкую, но симметричную диаграмму направленности), зеленый пиксель – среднее значение яркости (несимметричную диаграмму направленности), а синий пиксель – нулевую яркость (широкую и симметричную диаграмму направленности). Если мы смотрим на экран под прямым углом, то направленность излучения ячеек нам не важна, цвета трех субпикселей сливаются, и мы видим оранжевую точку. Но посмотрим на нее под углом. Синий пиксель так и останется темным. Яркость зеленого пикселя либо уменьшится, либо увеличится, в зависимости от направления взгляда, так как диаграмма излучения при средней яркости несимметрична. А красный пиксель будет немного темнее, но зато с одинаковой яркостью под любым углом. В итоге цвет точки исказится – она будет иметь либо красный, либо зеленый оттенок. Для борьбы с изменением яркости и цветопередачи при увеличении угла обзора различными фирмами было предложено несколько вариантов решения проблемы. Самый простой способ – нанесение на верхний слой дисплея рассеивающих пленок. В этом случае свет, выходящий из панели перпендикулярно ей, окажется переориентированным и будет распространяться от экрана под разными углами. Почти все дисплеи на матрицах типа TN имеют такие пленки. Поэтому такие матрицы иногда называют TN+Film (пленка) или FTN. В 1995 г. компаниями NEC и Hitachi была разработана технология планарной (плоскостной) коммутации (IPS – In-Plane Switching). Суть ее в следующем. Оба электрода, создающих управляющее электрическое поле, размещаются не спереди и сзади ячейки, а только сзади – на тыльной подложке, справа и слева от ячейки (рис. 5).
Рис. 5. Устройство ячейки IPS Направляющие слои, задающие положение жидких кристаллов в ячейке, сформированы таким образом, чтобы все жидкие кристаллы имели одну и ту же ориентацию в пространстве. То есть в отличие от матриц типа TN, жидкие кристаллы уже не имеют скрученной структуры. При изменении напряжения на электродах все кристаллы одновременно поворачиваются, соответственно меняется угол между плоскостью поляризации анализатора и плоскостью поляризации света, что приводит к изменению интенсивности проходящего излучения. Горизонтальное выстраивание кристаллов приводит к расширению угла обзора, так как при этом боковое рассеяние света больше, чем в случае, когда кристаллы расположены в виде скрученной структуры. Кроме того, матрицы IPS имеют по сравнению с TN более высокий контраст, так как в закрытом состоянии ячейки пропускают меньше света. Недостаток – инерционность (время отклика) этих матриц такая же, как и у матриц TN. Другой способ увеличения угла обзора – многодоменное вертикальное выстраивание (MVA – Multi-Domain Vertical Alignment) придумала в 1996 г. компания Fujitsu. В матрицах MVA, в отличие от матриц TN и IPS, используются “негативные” жидкие кристаллы (Negative Liquid Crystal), молекулы которых разворачиваются более длинной стороной не вдоль линий электрического поля, а поперек (рис. 6).
Рис. 6. Устройство ячейки MVA Жидкие кристаллы каждого из субпикселей ограничены специальными направляющими слоями. Поверхность каждого из слоев похожа на стиральную доску – она образована длинными вытянутыми треугольными выступами (“хребтами”). Направляющие слои расположены так, что их выступы параллельны, но расположены не напротив друг друга, а чередуясь(в шахматном порядке). Таким образом, в субпикселе получаются домены – области, в которых стенки направляющих слоев параллельны. Благодаря специальной микроструктуре направляющих слоев, при отсутствии электрического поля жидкие кристаллы выстраиваются перпендикулярно стенкам доменов. Но из-за треугольных выступов стенки доменов не параллельны плоскости экрана. Поэтому получается, что жидкие кристаллы не перпендикулярны поверхности экрана; в одних доменах они немного повернуты по часовой стрелке, а в других доменах – против часовой стрелки. Именно это заставляет кристаллы каждого из доменов поворачиваться в нужную сторону при появлении электрического поля. Таким образом, получается, что каждый субпиксель состоит из доменов двух видов, в одних доменах кристаллы разворачиваются, например, по часовой стрелке, а в других – против. Если смотреть на экран под прямым углом, то яркости доменов одинаковы, так как одинаковы углы наклона всех жидких кристаллов относительно направления взгляда. Если же посмотреть на экран сбоку, то получается, что жидкие кристаллы одних доменов почти параллельны направлению взгляда, а ЖК других доменов – почти перпендикулярны. В первом случае изменения поляризации света почти не происходит, свет задерживается анализатором, и домен кажется темным. Во втором случае, наоборот, кристаллы изменяют поляризацию света, и ячейка кажется яркой. Так как размеры доменов очень малы, человек не различает разноярких областей в пределах одного субпикселя. Темный домен компенсируется более ярким, и даже при значительных углах зрения суммарная яркость ячейки остается постоянной. Однако при наличии только двух доменов угол обзора увеличится только в одной плоскости. Для устранения этого недостатка субпиксель разбивается на две половинки, в каждой из которых направляющие треугольные выступы перпендикулярны друг другу (рис. 7).
Рис. 7. Взаимное расположение доменов В итоге получаем субпиксель, состоящий из доменов четырех типов. Принцип многодоменного выстраивания жидких кристаллов используется также в матрицах PVA (Patterned Vertical Alignment) фирмы Samsung. Для разворота кристаллов в разные стороны используются специальные электроды, расположенные на внутренних поверхностях подложек в шахматном порядке (рис. 8).
Рис. 8. Устройство ячейки PVA Благодаря такому расположению линии электрического поля пронизывают объем ячейки не перпендикулярно поверхности экрана, а под углом, причем в двух разных направлениях. Поэтому одни жидкие кристаллы закручиваются, например, по часовой стрелке, а другие – против. Углы обзора матриц MVA и PVA больше, чем у IPS. Кроме того, при увеличении угла обзора яркость трех субпикселей, составляющих пиксель, уменьшается одинаково, то есть пиксель темнеет, но не меняет цветового тона, как это происходит в матрицах TN. То есть при увеличении угла обзора цветопередача этих матриц лучше, чем у матриц типа TN. Матрицы MVA и PVA обладают меньшей инерционностью (меньшим временем отклика), чем у матриц IPS, а потому лучше отображают движущиеся объекты, то есть больше подходят для просмотра видеофильмов и игр. В закрытом состоянии ячейки этих типов матриц пропускают примерно столько же света, сколько и ячейки IPS, зато в открытом состоянии – больше. Поэтому и контраст изображения, формируемый этими типами матриц, выше. Ниже приведена таблица, в которой указываются основные параметры наиболее распространенных матриц (таблица 1). Конкуренция фирм, производящих ЖК-панели, стимулирует развитие этих устройств. Совершенствование технологий порождает целые семейства. Например, на основе матриц TN появились матрицы STN (Super Twisted Nematic), где используются жидкие кристаллы, закрученные не на 900, а на 2700, что позволяет получить более высокий контраст. На основе STN, в свою очередь, появились матрицы DSTN (Double STN), где используются две ячейки STN, следующие друг за другом. Затем появились ячейки с компенсирующей пленкой, которые стали называться TSTN (Triple STN) или FCSTN (Film Compensated STN). На основе IPS-матриц также было создано несколько разновидностей: SIPS (Super IPS), SFT (Super Fine TFT), ASFT (Advanced SFT), SASFT (Super ASFT), DDIPS (Dual Domain IPS). Используя основные принципы, по которым работают существующие типы матриц, создаются новые устройства. Например, на основе MVA-матриц фирма Sharp разработала матрицы ASV (Advanced Super View) и ASM (Axially Symmetric aligned micro-cell Mode). В ASV-матрице жидкие кристаллы поворачиваются не в четырех, как у MVA, а во всех возможных направлениях, что увеличивает угол обзора. А в ASM того же эффекта добиваются необычным аксиально-симметричным (наподобие лопастей вентилятора) расположением жидких кристаллов. Кроме того, фирмы-разработчики стараются внедрить собственные дополнения для уже существующих типов матриц. В основном эти дополнения представляют собой технологии увеличения полезной площади ячеек и создания пленок, улучшающих цветопередачу или увеличивающих угол обзора. При выборе ЖК-монитора легко запутаться в многообразии матриц, усовершенствований и различных улучшений. Вполне может получиться, что монитор на TN-матрице с рассеивающей пленкой по совокупности параметров может оказаться лучше, чем дисплей с более дорогой IPS-матрицей. Поэтому нужно уметь оценивать качество дисплея не по приведенным в рекламных проспектах параметрам, а по качеству воспроизводимого изображения. Для этого нужно воспроизвести на экране тестовые изображения, содержание которых станет ясно ниже. Для оценки контраста нужно вывести на экран картинку, содержащую черные и белые участки (рис. 9).
Рис. 9. Оценка контраста Особое внимание нужно обратить на яркость черных участков. Чем они темнее – тем лучше. Светиться серым черные участки не должны. Если же яркость черных участков велика, следует проверить, нельзя ли уменьшить яркость ламп подсветки из экранного меню. Для оценки равномерности распределения яркости нужно вывести на экран сначала белое, а затем черное поле (рис. 10).
Рис. 10. Оценка равномерности распределения яркости Необходимо, чтобы все участки изображения имели одинаковую яркость, то есть не было темных или светлых пятен. Для оценки качества цветопередачи нужно вывести на экран качественное цветное изображение. Желательно, чтобы оно содержало фрагменты хорошо нам знакомые: человеческое лицо, ясное небо, зеленый лес или море. Иначе, увидев, например, бледно-красный рододендрон, мы не сможем выявить неисправность монитора, так как плохо помним истинный цвет данного растения. Следующий тест – оценка качества передачи движущихся предметов. Нужно вывести на экран видеоролик, содержащий движущиеся объекты, например, это может быть любой фильм или фрагмент компьютерной игры. Важно, чтобы исходный материал был высокого качества и воспроизводился соответствующей видеокартой. Иначе будет трудно понять, что является причиной некачественного изображения – видеосигнал или отображающий дисплей. Итак, подвижные предметы не должны расплываться на экране, за ними не должно быть тянущихся продолжений (“хвостов”). Чем меньше время отклика матрицы, тем менее инерционны жидкие кристаллы и тем более отчетливо отображаются движущиеся фрагменты изображения. Проверять в ЖК-мониторе геометрию, фокусировку, сведение и чистоту цвета не нужно, в матричных дисплеях таких дефектов нет в принципе. При выборе важно обратить внимание на наличие неработающих (“битых”, “мертвых”) субпикселей. Это точки, которые либо всегда светятся, либо всегда черные. Различными фирмами допускается наличие у матрицы от 3 до 7 (в зависимости от расположения на экране) неработающих субпикселей. Нужно выбрать такую матрицу, где количество таких точек минимально. При равных количествах неработающих субпикселей предпочтение нужно отдать той матрице, где больше черных (темных) точек, так как таково свойство глаза: яркие точки более заметны, нежели темные. Для поиска нужно вывести на экран белый, а затем черный фон и внимательно осмотреть матрицу. Если видеокарта вашего компьютера имеет DVI-выход (рис. 11), то желательно, чтобы ваш ЖК-монитор имел соответствующий DVI-вход.
Рис. 11. DVI-разъем DVI (Digital Visual Interface – цифровой видеоинтерфейс) – это стандарт передачи видеоданных, предусматривающий наличие обычного аналогового канала RGB и двух цифровых каналов TMDS (Transmission Minimized Differential Signaling – дифференциальный сигнал с минимизированными переходами). Дело в том, что и видеокарта, и ЖК-монитор являются устройствами цифровыми. При передаче сигнала в аналоговой форме требуется два преобразования – сначала в видеокарте (из “цифры” в “аналог”), затем, после передачи по кабелю, – в мониторе (из “аналога” в “цифру”). Передача данных в аналоговой форме более подвержена воздействию помех, да и преобразования вносят некоторые искажения. Так, например, возможно появление “снега” (шумов), что хорошо заметно на темном фоне, или дрожащих по горизонтали пикселей. Таким образом, передачу данных на ЖК-монитор желательно осуществлять по цифровому интерфейсу. Некоторые ЖК-мониторы позволяют разворачивать экран на 900, что может быть удобно при работе с документами, так как обычно лист бумаги располагается вертикально. Берегите экран вашего монитора от механических повреждений, и он сослужит вам добрую службу. |
