Что означает lcd дисплей
LCD-дисплей особенности, характеристики и отзывы
Экраны, основанные на технологии LCD, являются одними из самых распространенных типов дисплеев для многих электронных устройств. Это часы, смартфоны, телевизоры, мониторы. Также на схемах Arduino LCD-дисплей имеет широкое применение. И этой популярностью технология обязана множеству факторов. Для того чтобы знать, каким образом они получили столь широкое распространение, нужно вникнуть в особенности технологии. Об этом далее.
Что означает LCD?
Начнем с азов. Аббревиатура означает Liquid Crystal Display, что переводится как «жидкокристаллический экран». То есть LCD и ЖК-экраны – это одно и то же. Они получили свое название благодаря находящемуся в перманентно жидком состоянии веществу, которое обладает оптическими свойствами кристалла.
Сейчас LCD-дисплей выделяется из прочих видов благодаря особенной технологии изготовления. Из-за того, что молекулы кристаллов постоянно находятся в жидком состоянии, становится возможным управление ими с помощью электричества. При этом они отсеивают заданный спектр света и преломляют его под необходимым углом, изменяя свое положение. Как отмечают отзывы, технология позволяет качественно передавать картинку.
Как устроен LCD-дисплей?
Устройство всех ныне существующих жидкокристаллических экранов идентично. Это касается дисплея телефона, ноутбука, телевизора или LCD-дисплея «Ардуино». Все они состоят из:
Матрица дисплея представляет собой две стеклянные пластины со слоем жидких кристаллов между ними. Это так называемая «пиксельная сетка», в каждой ячейке которой находятся несколько молекул жидких кристаллов и пара поляризационных фильтров, что в связке образуют один пиксель. Стоит отметить, что эти фильтры расположены перпендикулярно относительно друг друга.
Между всеми ячейками дисплея есть прозрачная прослойка электродов, которые позволяют управлять каждым пикселем в отдельности. ЖК-дисплеи бывают двух типов: одни из них используют прохождение света через матрицу, другие же – его отражение. И хоть между ними и нет особой разницы, в большинстве случаев производители используют первый тип.
Как работает ЖК-экран?
Рассмотрим принцип действия жидкокристаллического экрана телевизора. LCD-дисплей 3-D работает таким образом, что если между фильтрами нет молекул кристаллов, то первый фильтр пропускает свет, проходящий через них, а второй блокирует. Кристаллы между фильтрами расположены так, чтобы преломленный через них свет, прошедший через первый, мог так же пройти и через второй. В этом заключается устройство TN-матриц. ЖК-дисплеи с другим типом матриц могут работать иначе, но общий принцип работы остается неизменным. Так, при спокойных, то есть, выключенных кристаллах свечение блокируется фильтрами. Во всех остальных случаях излучение меняется так, чтобы на экране возникла картинка. Для того чтобы молекулы не находились в беспорядочном состоянии без воздействия электрического тока, на контактной поверхности электродов присутствуют специальные борозды, которые выстраивают их в правильном порядке. То есть воздействие электричества на матрицу дает изображение на экран. В спокойном же положении кристаллов он остается темным.
Высокое разрешение современных ЖК-дисплеев означает несметное количество пикселей в матрице, каждым из которых можно управлять отдельно. То есть, если увеличивать некоторый участок экрана, то становятся видными ячейки. И если менять напряжение каждой, то изменяется и отображаемая картинка.
Разновидности подсветки
На данный момент ЖК-панели имеют два типа подсветки. Это люминесцентные лампы и светодиоды. Используемый в телевизоре тип подсветки непосредственно влияет на качество получаемого изображения. На более старых LCD-дисплеях используется люминесцентная подсветка, имеющая проблемы в виде неравномерного распределения световых потоков по всей площади экрана. Это образует своеобразные засветы, что в свою очередь снижает качество получаемого изображения. Сегодня такие типы экранов встречаются достаточно редко.
Светодиодная подсветка, она же LED, является самой современной для этого типа экранов и отличается от люминесцентной многими положительными качествами. Это низкое энергопотребление, а также более яркое свечение, которое в свою очередь позволяет достичь более высокого качества изображения. Также эта подсветка куда меньше в размерах, что позволяет уменьшить толщину и размеры рамок дисплея. Уменьшение окантовки, в свою очередь, позволяет производителям увеличивать диагональ самой панели без роста габаритов устройства, что важно для комфортного просмотра контента при подключении LCD-дисплея к внешнему источнику изображения.
Виды матриц
Существует множество видов матриц на жидких кристаллах, но на нашем рынке особой популярностью пользуются только два из них. Это TN+Film экраны и IPS. Разберем, в чем их особенности.
Этот тип чаще используется в смартфонах и планшетах как сенсорный LCD-дисплей, но также он встречается на телевизорах и мониторах более высокого ценового диапазона. И несмотря на то, что обе эти технологии отвечают высоким требованиям, есть существенные различия. Не зря матрицы на технологии IPS ставятся на более дорогие устройства, ведь она позволяет передавать куда более естественные цвета. Как отмечают отзывы, картинка получается более насыщенной. Также ее просматривать можно под разным углом без каких-либо изменений в контрастности. Это существенный плюс для современного телевизора.
Однако, помимо плюсов, у нее есть и минусы. Несмотря на высокое качество изображения и цветопередачи, матрицы на основе технологии IPS имеют весьма медленный по сравнению с TN-панелями отклик — так говорят отзывы. Но с помощью современных технологий и этот параметр смог достичь достаточно высокого уровня.
TN+Film
В TN+Film матрицах же куда более низкое качество и четкость изображения. Но быстрый отклик, который не смазывает спецэффекты в играх и фильмах. Измеряют эти параметры с помощью специализированных устройств. И не всегда разница бывает заметна невооруженным глазом при просмотре фильма или в процессе игры. Потому, какой из них выбрать, решать только вам.
Подводим итоги
Да, хоть некоторые из различий и не углядеть простым взглядом, но все же люди, занимающиеся обработкой фотографий или монтажом видео, больше предпочитают IPS-матрицы за «честность» картинки. Потому и стоят они дороже TN-панелей. Для игр же, где важна скорость реакции и отклик монитора, чаще выбирают второй вид. Для остальных различия в типах матриц не имеют особого значения.
Но не стоит забывать, что помимо технологии изготовления, многое зависит от производителя дисплея и от материалов, используемых при изготовлении. При выборе монитора или телевизора стоит иметь в виду, что покупая более дорогое устройство, вы можете получить лучшее качество изображения. Это относится к обоим типам матриц.
И конечно, стоит понимать, на какой бы экран не пал ваш выбор, для начала стоит ознакомиться со всеми спецификациями, возможностями устройства и определиться, для каких нужд вы его приобретаете. LCD-дисплеи являются настолько популярными по нескольким причинам. Это небольшие размеры и низкое энергопотребление. Поэтому они напрямую конкурируют с плазменными экранами. Но имеют гораздо меньшую стоимость и куда больший ресурс, что делает их незаменимыми при выборе монитора или телевизора.
LCD, LED и OLED: что выбрать и в чём разница дисплеев, мониторов и телевизоров
Жидкокристаллический дисплей (ЖК-дисплей, ЖКД; жидкокристаллический индикатор, ЖКИ; англ. liquid crystal display, LCD) — дисплей на основе жидких кристаллов, а также устройство (монитор, телевизор) на основе такого дисплея.
Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) изготовлены из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.
Основной их особенностью является возможность изменять ориентацию в пространстве под воздействием электрического поля. А если сзади матрицы поставить источник света, то, проходя через кристалл, поток будет окрашиваться в определенный цвет. Изменяя напряжённость электрического поля, можно изменять положение кристаллов, а значит и видимое количество одного из основных цветов. Кристаллы работают, как клапан или фильтр. Управление всей матрицей даёт возможность вывода на экран определённого изображения.
Жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м исследователи из британской корпорации Marconi получили патент на их промышленное применение.
В конце 1966 г. корпорация RCA продемонстрировала прототип LCD-монитора – цифровые часы. Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла корпорация Sharp. Она и до сих пор 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. Так, в 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов.
Одним из самых качественных типов LCD-матриц является IPS. Именно IPS технология доминирует в мобильных устройствах, так как она обладает хорошей цветопередачей и, что особенно важно для смартфонов — хорошими углами обзора.
Ресурс работы ЖК телевизора (дисплея) около 60000 часов.
Светодиодный экран (LED screen, LED display) — устройство отображения и передачи визуальной информации (дисплей, монитор, телевизор), в котором каждой точкой — пикселем — является один или несколько полупроводниковых светодиодов (LED).
LED — именно так сейчас принято сокращенно называть жидкокристаллическую (ЖК) панель со светодиодной (LED) подсветкой. Не так давно для подсветки ЖК-матрицы использовались люминисцентные лампы (CCFL), но сегодня их окончательно и бесповоротно вытеснили светодиоды. Матрица работает на просвет. По сути, каждый RGB-пиксель представляет собой «заслонку» (а фактически фильтр) для света, излучаемого светодиодами. Кстати, очень интересный вариант, когда в телевизоре используется «локальная» подсветка, то есть множество светодиодов установлены позади матрицы и могут освещать только определенную зону. Тогда достигается высокий показатель контрастности в одном кадре, однако первые такие модели буквально «шли пятнами». Впрочем, сегодня большинство LED-телевизоров имеют торцевую подсветку, когда диоды расположены по бокам (в торце). Такая конструкция и позволяет сделать предельно плоские, энергоэффективные и легкие видеопанели.
Чаще всего срок службы LED телевизоров принадлежит диапазону от 50 до 100 тысяч часов.
Органический светодиод (англ. organic light-emitting diode, сокр. OLED) — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, эффективно излучающих свет при прохождении через них электрического тока.
Основная технология создания дисплеев основана на том, что органическая пленка на углеродной основе помещается между двумя проводниками, пропускающими электрический ток, из-за которого пленка излучает свет.
Главное отличие этой технологии от LED в том, что свет испускается каждым пикселем в отдельности, так что яркий белый или красочный цветной пиксель может находиться рядом с пикселем черного или совершенно другого цвета, и они не будут влиять друг на друга.
Это отличает их от традиционных ЖК-панелей, которые оснащаются специальной подсветкой, свет от которой проходит через слой пикселей.
К сожалению, между собой OLED пиксели отличаются не только цветом, но и рядом других характеристик — уровнем яркости, сроком службы, скоростью включения/выключения и прочими. Чтобы обеспечить относительно равномерные характеристики экрана в целом, производителям приходится идти на самые разные ухищрения: варьировать форму и размер светодиодов, размещать их в особом порядке, использовать программные трюки, регулировать яркость свечения с помощью ШИМ (то есть, грубо говоря, пульсацией), и так далее.
Причем технологии реализации самих матриц немного различаются. Так, в LG используется «сэндвич», а у Samsung — классическая RGB-схема. OLED можно гнуть вроде как без особых последствий. Поэтому вогнутые телевизоры также были построены на базе этой технологии.
Lcd дисплей
Как известно, LCD заняли почётное первое место на рынке, сместив старые ЭЛТ мониторы. В те времена, когда «пузатые ящики» стояли на каждом рабочем столе, выбор монитора был сильно ограничен. И при приобретении компьютерной техники большинство людей брали первый попавшийся дисплей на прилавке. Потому как они практически ничем не отличались друг от друга. «Трубчатые» мониторы имели ряд серьёзных проблем, в том числе и связанные со здоровьем пользователя. Ведь мерцание экрана негативно влияло на глаза. И люди, постоянно работающие за компьютером, регулярно портили себе зрение.
Подобные проблемы и внушительные габариты дисплеев CRT заставляли производителей постоянно улучшать технологии производства. И в результате на свет появились LCD экраны. Разработка получилась настолько удачной, что со временем LCD стали основой для развития всё новых технологий в мониторостроении.
Что означает LCD
Название «Liquid Crystal Display» переводится как «Жидкокристаллический дисплей». Эта технология делает мониторы гораздо тоньше. И при этом значительно увеличивается площадь экрана.
Жидкие кристаллы и управление ими
Liquid Crystal (жидкие кристаллы) представляет собой органические вещества. При воздействии электрического напряжения кристаллы способны менять интенсивность пропускаемого через них света.
LCD матрица устроена так, что между двумя пластинами из стекла или пластика расположена сетка из жидких кристаллов. ЖК кристаллы, в свою очередь, расположены параллельно друг к другу. И это позволяет свету проникать через панель. А когда на матрицу приходит электрический сигнал, кристаллы начинают менять своё положение. И перекрывают проходящий через них свет.
Прилагая к матрице разный уровень напряжения, можно манипулировать интенсивностью света. Таким образом, при подаче слабого напряжения кристаллы будут оставаться в стандартном положении — 0 градусов. И поэтому свет будет проходить без потерь. Однако если изменить напряжение, кристаллы могут повернуться вплоть до 90 градусов. И тогда свет вообще не проникнет через панель – экран будет чёрным.
Любой современный ЖК-дисплей, будь то монитор компьютера, экран ноутбука или смартфона, имеет сотни тысяч таких кристаллов. И все они объединены в LCD матрицу. Именно с помощью таких ячеек, размером долей миллиметра, можно формировать изображение. А также менять яркость, контрастность и цветопередачу.
История создания жидкокристаллического дисплея
Виды ЖК экранов
По типу матрицы мониторы делятся на:
Наибольшее распространение получили как раз TFT дисплеи. Потому как они имеют больший функционал и лучшую стабильность.
Стоит отметить профессиональные LTV мониторы для видеонаблюдения. Такие дисплеи разительно отличаются от обычных компьютерных. Например, могут плавно отображать сразу несколько видеотрансляций на одном экране.
Как устроен LCD дисплей
Устройство LCD дисплея напоминает собой сэндвич. То есть, различные слои наложены друг на друга. В основе лежат пластины из стекла или, редко, из пластика. А между этими пластинами находится «начинка»:
Источником света в LCD мониторах являются флуоресцентные лампы или светодиоды.
ЖК матрица
Основой LCD дисплея является матрица. ЖК матрица же состоит из различных слоёв:
Изображение строится с помощью целого массива пикселей. Которые, в свою очередь, снабжены светодиодами красного, зелёного и синего цвета.
Пассивная матрица
Принцип работы пассивной матрицы состоит в том, что каждая строка и столбец дисплея имеет собственный драйвер. И этот драйвер быстро выполняет анализ сигнала для активации необходимых пикселей. Но в современных реалиях, при увеличении размеров монитора и параметров яркости, изготовление таких матриц становится затруднительным. Потому как приходится увеличивать мощность потока энергии через линию управления. И из-за этого светодиоды в таких дисплеях больше подвержены выгоранию.
Активная матрица
Этот вид матриц решает проблемы с потребляемой энергией за счёт внедрения TFT технологии. Тонкоплёночные транзисторы управляют током через светодиод. А значит, управляют и яркостью отдельного пикселя. В этом случае через матрицу может проходить и более слабый ток для понижения яркости экрана.
Таким образом, яркость, контрастность и отображение цвета на таких матрицах лучше. А потребляемая энергия меньше.
Модуль подсветки
Каждый LCD дисплей снабжён модулем подсветки, который и создаёт свет. Потому что, без дополнительного внутреннего свечения человеческий глаз попросту не распознает изображение.
На базе флуоресцентных ламп
Такой тип подсветки позволяет получить различные цвета, в том числе и белый цвет экрана, который чаще всего используется в LCD дисплеях. Потребление электроэнергии при подсветке флуоресцентными лампами невелико. Однако для стабильной работы нужен источник переменного напряжения 80-100 В.
Дисплеи с такой подсветкой потребляют меньше энергии, но срок службы не так уж и велик.
На базе светодиодов
В отличие от предыдущей схемы подсветки, светодиоды дают более продолжительный срок эксплуатации. А также большую яркость экрана. Такая подсветка может работать и без преобразователей. Но необходима установка токоограничительных транзисторов.
Модуль управления
Плата управления является важным узлом в устройстве дисплея.
Именно на этой плате располагается основная распиновка и два микропроцессора, отвечающие за функционирование монитора.
Первый микропроцессор это восьми битный микроконтроллер. Он отвечает за ряд простых, но очень нужных функций:
Для того чтобы настройки монитора не сбивались, к этому микроконтроллеру прилагается схема памяти.
Назначение второго микропроцессора куда обширней. Ведь он отвечает за обработку аналогового сигнала и подготовку его вывода на ЖК-панель.
Таким образом, плату управления можно назвать мозгом дисплея. Потому что всё управление ЖК дисплеем проходит именно в цифровом виде. Сигнал, проходящий с видеокарты, попадает сюда, после чего мы и получаем изображение.
Блок питания
Блок питания ЖК монитора служит для преобразования переменного сетевого напряжения — 220V в постоянное, но небольшой величины, от 4 до 12V.
Стоит отметить, что некоторые неисправности ЖК мониторов возникают именно из-за проблем с блоком питания. Потому как из-за сильных скачков напряжения транзисторы перегорают.
Корпус
Всё, что было перечислено выше, упаковано в корпус монитора. В плане характеристик корпуса всё зависит от фантазий разработчиков. Будь то форма или материал, из которого он изготовлен.
Интересной частью корпуса является панель управления монитором. В этой роли выступают как обычные механические кнопки, так и интерактивные иконки на самом экране. А также каждый монитор снабжён всей необходимой распиновкой. А некоторые даже разъёмами для аудиосистемы.
Характеристики ЖК мониторов
Мониторы компьютерные жидкокристаллические имеют ряд присущих им технических характеристик. И по этому выбрать себе подходящий монитор не так просто. Каждый вид дисплея имеет свои плюсы и минусы. Однако выявить явного фаворита практически невозможно.
Тип ЖК матрицы
Преимущества и недостатки ЖК мониторов во многом зависят от типа матрицы. И при выборе нового дисплея к своему компу, стоит учесть то, чем вы занимаетесь. Потому что каждая матрица в той или иной мере отличается по качеству изображения.
Отдельно стоит отметить новую прогрессивную технологию LTPS. Она обеспечивает невероятно быстрое время отклика, которое выше показателей IPS в два раза.
Разрешение монитора
Показатель разрешения монитора зависит от соотношения точек с физическими габаритами экрана. И чем больше разрешение экрана, тем больше деталей он отображает.
Яркость
Этот параметр зависит как от типа подсветки, так и от типа самой матрицы. А самыми яркими считаются мониторы со светодиодной подсветкой и IPS матрицами.
Контрастность
Эта характеристика отвечает за баланс чёрного и белого цвета в изображении. И чем выше контрастность, тем глубже отображаются оттенки цветов. Например, хорошей контрастностью отличаются мониторы с MVA матрицей.
Угол обзора
От угла обзора зависит то, с какого положения монитора изображение будет оставаться чётким. Ведь при низких углах обзора цвета начинают отображаться некорректно (затемняются). И тогда приходится смотреть на монитор только под прямым углом. Такого недостатка практически лишены IPS матрицы.
Время реакции пикселя
От этого показателя зависит плавность движения изображения. И при низких его значениях динамическое изображение отображается некорректно. Что проявляется в появлении шлейфов, полос и артефактов. Да, конечно при просмотре обычного видео это не так заметно. А вот при игре в динамичные видеоигры такой недостаток быстро заявит о себе.
Количество отображаемых цветов
Помимо цветных мониторов, и по сей день, продолжает жить монохромный ЖК-дисплей. Такие экраны отображают только один цвет разных оттенков. А используются они, например, в бортовых компьютерах станков, бытовых агрегатов и автомобилей.
Что касается обычных LCD мониторов, то в любом из них используется система RGB Color. Red – красный, Green – зелёный, Blue – синий. При этом, многообразие и качество цветовой гаммы зависит от типа матрицы. А самая качественная цветопередача у IPS матриц.
Бывает, что цветные мониторы отображают не те цвета. Например, встречается такое явление, как инверсия ЖК дисплея. При инверсии цвета начинают отображаться некорректно, а то и вовсе меняются местами.
Интерфейс монитора
Эта характеристика напрямую зависит от модели и производителя. Так, помимо стандартных элементов настройки и управления питанием, мониторы снабжаются дополнительным интерфейсом аудиосистемы. А также управления подсветкой монитора и многим другим.
Послесловие
LCD дисплеи прошли сложный путь и продолжают развиваться по сей день. И на рынке появляются всё новые конкуренты. Например, плазма и amoled технологии. Однако до сих пор LCD мониторы занимают почётное первое место. И, хотя, технические характеристики таких дисплеев ещё не совершенны. Тем не менее, каждый найдёт себе LCD по вкусу.
Взгляд изнутри: LCD и E-Ink дисплеи
Demain n’existe pas!
В последней статье из серии «Взгляд изнутри» речь зашла о повседневных вещах, но, не смотря на обилие материала, полученного в этом направлении в течение прошедшего месяца, всё-таки давайте вернёмся к тематике, связанной с IT.
Специально ко Дню Защитника Отечества на препарационный стол легли LCD и E-Ink дисплеи, которые, так или иначе, достались мне в несколько побитом жизнью виде.
Как Антон кидал телефон об стену, а также о результатах скрупулёзного разбора дисплеев читайте под катом.
Предисловие
Жил-был на свете Антон Городецкий.
Бросила жена, он грустил не по-детски…
Так начинается известная песня группы Уматурман. Так же начинается и история с исследованием дисплеев. После первой публикации на Хабре пришёл ко мне мой друг-аспирант ФНМ МГУ и говорит: «Я тут свой мобильник разбил, не хочешь ли ты его распилить?» Я удивился, потому что этот человек всегда носил с собой китаефон, который я считал практически не убиваемым. Придя однажды домой, Антон по привычке кинул телефон в шкаф, но, видимо, что-то не рассчитав попал аккурат дисплеем в ребро полки.
Осознавая свои смехотворные потери от утраты мобильного и ввиду общего плохого настроения в тот день, он поступил, как истинный джентльмен, швыряя вновь и вновь бездыханное тело телефона о бетонную стену. Когда же останки дошли до меня, то половина китаефона просто отсутствовала, дисплей был покрыт мелкой паутинкой трещин.
Пришлось отложить его до лучших времён (как я тогда полагал, пока кто-нибудь таким же образом не поступит с iPhone или другим сенсорным смартфоном) и начать заниматься HDD и CD, потом лампочками, флешками и т.д.
Через некоторое время уже мой сосед приносит мне треснувший E-Ink дисплей. Его друг разбил тонкое стекло в небезызвестной читалке с порядковым номером 601 во время игры в страйкбол, кажется, и отдал читалку практически даром для ремонта и восстановления.
Вот это уже было интереснее, две технологии можно сравнить между собой, попытаться разглядеть RGB-субпиксели и микрокапсулы, в которых плавают заряженные частицы. Но я надеялся на получение смартфона с ёмкостным сенсором, чтобы сравнить заодно его и резистивный сенсор китаефона.
И вот Василий (научный коллега по одной из лабораторий факультета), приехав к нам на ХимФак из Черноголовки и увидев, чем я собственно занимаюсь с электронным микроскопом, сказал, что готов пожертвовать телефон известного корейского производителя с несколько побитым дисплеем для разборки и распила с пометкой «ради науки ничего не жалко».
Несмотря на все заверения, что сенсор ёмкостной, он оказался резистивным, пусть и более продвинутой конструкции, нежели сенсорная панель китаефона. Из этого телефона была добыта важная деталь, которая ждёт своего часа распила – матрица фото/видео камеры…
Часть теоретическая
Как устроен LCD дисплей?
Мы все так давно пользуемся плоскими телевизорами, мониторами, телефонами, смартфонами, что уже и забыли, что когда-то хороший монитор весил килограмм 10-15 (у нас один такой мастодонт ещё стоит и, главное, исправно работает!).
Всё это стало возможным, благодаря открытиям вековой давности (жидкие кристаллы открыты в 1888 году) и развитию технологий в последние 30-40 лет (1968 год – устройство для отображения информации, использовавшее ЖК, 1970-е – общедоступность жидких кристаллов). Многое о жидких кристаллах и ЖК-мониторах можно подчерпнуть на Wiki.
Итак, практически любой ЖК-монитор состоит из следующих основных частей: активной матрицы, представляющей собой набор транзисторов, с помощью которых и формируется изображение, слоя жидких кристаллов со светофильтрами, которые либо пропускают свет, либо нет, и системы подсветки, которую на сегодняшний день стараются полностью перевести на светодиоды. Хотя на моём «стареньком» Asus G2S дисплей великолепного качества подсвечивается именно люминесцентными лампами.
Как это всё работает? Свет, поступая от источника (LED или лампы) через специальную прозрачную пластину-волновод, рассеивается таким образом, чтобы вся матрица имела равную освещённость по всей свой площади. Далее фотоны проходят поляризационный фильтр, который пропускает только волны с заданной поляризацией. Затем проникнув через стеклянную подложку, на которой находится активная матрица из тонкоплёночных транзисторов, свет попадает на молекулу жидкого кристалла.
Эта молекула получает «команду» от нижележащего транзистора, на какой угол повернуть поляризацию световой волны, чтобы она, пройдя сквозь ещё один поляризационный фильтр, задала интенсивность свечения отдельного субпиксела. А за окраску субпиксела отвечает слой светофильтров (красных, зелёных или синих). Смешиваясь, волны от трёх невидимых глазу человека субпикселей формируют пиксел изображения заданного цвета и интенсивности.
а) Схематическое устройство LCD дисплея, б) устройство жидкокристаллической плёнки в деталях.
Очень наглядно, как мне кажется, это продемонстрировано в ролике компании Sharp:
Помимо хорошо зарекомендовавшей себя технологии LCD + TFT (thin-film transistors – тонкоплёночные транзисторы) существует активно продвигаемая технология органических светодиодов OLED + TFT, то есть AMOLED – active matrix OLED. Основное отличие последней заключается в том, что роль поляризатора, слоя ЖК и светофильтров играют органические светодиоды трёх цветов.
По сути, это молекулы, способные при протекании электрического тока испускать свет, а в зависимости от количества протекшего тока менять интенсивность окраски, подобно тому, как это происходит в обычных LED. Убрав поляризаторы и ЖК из панели, мы потенциально можем сделать её более тонкой, а самое главное – гибкой!
Какие сенсорные панели бывают?
Так как сенсоры на данный момент больше применяют с LCD и OLED дисплеями, то думаю, будет разумно сразу про них и рассказать.
Очень подробное описание танчскринов или сенсорных панелей дано тут (источник когда-то жил здесь, но почему-то исчез), поэтому я не буду описывать все типы сенсорных панелей, остановлюсь лишь на двух основных: резистивном и ёмкостном.
Начнём с резистивного сенсора. Состоит он из 4 основных компонент: стеклянной панели (1), как носителя всей сенсорной панели, двух прозрачных полимерных мембран с резистивным покрытием (2, 4), слоя микроизоляторов (3), разделяющих эти мембраны, и 4, 5 или 8 проводков, которые и отвечают за «считывание» касания.
Схема устройства резистивного сенсора
Когда мы нажимаем на такой сенсор с определённой силой, то происходит соприкосновение мембран, электрическая цепь замыкается, как показано на рисунке ниже, измеряется сопротивление, которое впоследствии пересчитывается в координаты:
Принцип расчёта координат для 4-х проводного резистивного дисплея (Источник)
Всё предельно просто.
Важно помнить две вещи: а) резистивные сенсоры на многих китайских телефонах не отличаются высоким качеством, это может быть связано как раз с неравномерностью расстояния между мембранами или некачественными микроизоляторами, то есть «мозг» телефона не может адекватно пересчитать измеренные сопротивления в координаты; б) такой сенсор требует именно нажатия, продавливания одной мембраны до другой.
Ёмкостные сенсоры несколько отличаются от резистивных. Стоит сразу оговориться, что речь будет идти лишь о проекционно-ёмкостных сенсорах, которые сейчас применяется в iPhone и прочих портативных устройствах.
Принцип работы такого тачскрина довольно прост. На внутренней стороне экрана наносится сетка электродов, а внешняя покрывается, например, ITO – сложным оксидом индия-олова. Когда мы касаемся стекла, наш палец образует с таким электродом маленький конденсатор, а обрабатывающая электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).
Соответственно, ёмкостной сенсор реагирует только на плотное прикосновение и только проводящими предметами, то есть от касания гвоздём такой экран работать будет через раз, равно как и от руки, вымоченной в ацетоне или обезвоженной. Пожалуй, основным преимуществом данного тачскрина перед резистивным является возможность сделать достаточно прочную основу – особо прочное стекло, как, например, Gorilla Glass.
Схема работы поверхностно-ёмкостного сенсора(Источник)
Как устроен E-Ink дисплей?
Пожалуй, E-Ink по сравнению с LCD устроен гораздо проще. Вновь мы имеем дело с активной матрицей, ответственной за формирование изображения, однако ЖК-кристаллов и ламп подсветки здесь нет и в помине, вместо них – колбочки с двумя типами частиц: отрицательно заряженными чёрными и положительно заряженными белыми. Изображение формируется подачей определённой разности потенциалов и перераспределения частиц внутри таких микроколбочек, на рисунке ниже это наглядно продемонстрировано:
Сверху схема работы E-Ink дисплея, снизу реальные микрофотографии такого работающего дисплея (Источник)
Если кому-то этого недостаточно, то принцип работы электронной бумаги продемонстрирован в этом видео:
Помимо технологии E-Ink существует технологи SiPix, в которой есть только один вид частиц, а сама «заливка» чёрная:
Схема работы SiPix дисплея (Источник)
Тем же, кто серьёзно хочет ознакомиться с «магнитной» электронной бумагой, прошу сюда, в Персте когда-то была отличная статья.
Часть практическая
Китаефон vs корейский смартфон (резистивный сенсор)
После «аккуратной» отвёрточной разборки оставшейся от китаефона платы и дисплея, я с превеликим удивлением обнаружил упоминание одного известного корейского производителя на материнской плате телефона:
Самсунг и китаефон едины!
Экран разбирал бережно и аккуратно – так, что все поляризаторы остались целыми, поэтому просто не мог не поиграться с ними и с работающим большим братом препарируемого объекта и вспомнить практикум по оптике:
Так работают 2 поляризационных фильтра: в одном положении световой поток практически не проходит через них, при повороте на 90 градусов – полностью проходит
Обратите внимание, что вся подсветка зиждется всего-навсего на четырёх крохотных светодиодах (я думаю, их суммарная мощность не более 1 Вт).
Затем долго искал сенсор, искренне полагая, что это будет довольно толстая панелька. Оказалось совершенно наоборот. Как в китайском, так и в корейском телефоне сенсор представляет из себя несколько листов пластика, которые очень качественно и плотно приклеены к стеклу внешней панели:
Слева сенсор китаефона, справа – корейского телефона
Резистивный сенсор китайского телефона выполнен по схеме «чем проще, тем лучше», в отличие от своего более дорогого собрата из Южной Кореи. Если я не прав, то поправьте меня в комментариях, но слева на картинке – типичный 4-х контактный, а справа – 8-ми контактный сенсор.
LCD-дисплей китаефона
Так как дисплей китайского телефона всё равно был разбит, а корейского – всего лишь незначительно повреждён, то на примере первого я и постараюсь рассказать о LCD. Но пока не будем его ломать окончательно, а посмотрим под оптическим микроскопом:
Оптическая микрофотография горизонтальных линий LCD-дисплея китайского телефона. Левой верхней фотографии присущ некоторый обман нашего зрения из-за «неправильных» цветов: белая тонкая полоска и есть контакт.
Один провод питает сразу две линии пикселов, а развязка между ними устроена с помощью совершенно необычного «электрического жука» (правая нижняя фотография). За всей это электрической схемой находятся дорожки-светофильтры, выкрашенные в соответствующие цвета: красный ( R), зелёный (G) и синий (B).
С противоположного конца матрицы по отношению к месту крепления шлейфа можно найти аналогичную цветовую разбивку, номера дорожек и всё те же переключатели (если бы кто-нибудь просветил в комментариях, как это работает, то было бы очень здорово!):
Номера-номера-номера…
Так вживую выглядит работающий LCD дисплей под микроскопом:
Вот и всё, теперь этой красоты мы уже не увидим, я раскрошил в буквальном смысле этого слова, а немножко помучавшись одну такую кроху «расщепил» на два отдельных кусочка стекла, из которых и состоит основная часть дисплея…
Теперь можно посмотреть на отдельные дорожки светофильтров. О тёмных «пятнах» на них я расскажу чуть позже:
Оптическая микрофотография светофильтров с загадочными пятнами…
А теперь небольшой методический аспект, касающийся электронной микроскопии. Те же самые цветные полосы, но уже под пучком электронного микроскопа: цвет исчез! Как я и говорил ранее (например, в самой первой статье) электронному пучку совершенно «чёрно-бело» взаимодействует ли он с цветным веществом или нет.
Вроде бы те же полоски, но уже без цвета…
Заглянем и на обратную сторону. На ней расположены транзисторы:
В оптический микроскоп – в цвете…
И электронный микроскоп – черно-белое изображение!
В оптический микроскоп это видно чуть хуже, но СЭМ позволяет разглядеть окантовку каждого субпикселя – это довольно важно для нижеследующего вывода.
Итак, что это за странные тёмные области?! Долго думал, ломал себе голову, прочитал много источников (пожалуй, самым доступным оказалась Wiki) и, кстати, по этой причине задержал выпуск статьи в четверг 23 февраля. И вот к какому выводу я пришёл (возможно, я не прав – поправьте!).
В VA- или MVA-технологии – одна из самых простых, и не думаю, что китайцы придумали что-то новое: каждый субпиксел должен быть чёрный. То есть через него не проходит свет (здесь приведён пример работающего и неработающего дисплея), принимая во внимание то, что в «обычном» состоянии (без приложения внешнего воздействия) жидкий кристалл разориентирован и не даёт «нужной» поляризации, то логично предположить, что каждый отдельный субпиксел имеет свою плёнку с ЖК.
Таким образом, вся панель собрана из единичных микро-ЖК-дисплеев. Сюда органично вписывается и замечание об окантовке каждого отдельного субпиксела. Для меня это стало, своего рода, неожиданным открытием прямо по ходу подготовки статьи!
Дисплей корейского телефона ломать я пожалел: надо ведь что-то показывать детям и тем, кто приходит к нам на факультет на экскурсию. Не думаю, что можно было бы увидеть ещё что-то интересное.
Далее, баловства ради приведу пример «организации» пикселов у двух ведущих производителей коммуникаторов: HTC и Apple. iPhone 3 был пожертвован на безболезненную операцию одним добрым человеком, а HTC Desire HD собственно мой:
Микрофотографии дисплея HTC Desire HD
Небольшое замечание по поводу дисплея HTC: специально не искал, но не может ли быть вот эта полоса посреди верхних двух микрофотографий тем частью того самого ёмкостного сенсора?!
Микрофотографии дисплея iPhone 3
Если мне не изменяет память, то у HTC дисплей – superLCD, а у iPhone 3 – обычный LCD. Так называемый Retina Display, то есть LCD, у которого оба контакта для переключения жидкого кристалла лежат в одной плоскости, In-Plane Switching – IPS, устанавливается уже в iPhone 4.
Надеюсь, что скоро на тему сравнения различных технологий дисплеев выйдет статья при поддержке 3DNews. А пока хочу просто отметить тот факт, что дисплей HTC действительно необычен: контакты на отдельные субпикселы заведены нестандартным образом – как-то сверху, в отличие от iPhone 3.
И напоследок в этом разделе добавлю, что размеры одного субпиксела у китаефона – 50 на 200 микрометров, HTC – 25 на 100 микрометров, а iPhone – 15-20 на 70 микрометров.
E-Ink известного украинского производителя
Начнём, пожалуй, с банальных вещей – «пикселов», а точнее ячеек, которые ответственны за формирование изображения:
Оптическая микрофотография активной матрицы E-Ink дисплея
Размер такой ячейки около 125 микрометров. Так как смотрим мы на матрицу через стекло, на которое она нанесена, то прошу обратить внимание на жёлтый слой на «заднем» плане – это золотое напыление, от которого нам впоследствии предстоит избавиться.
Далее токоподводящие контакты. Это фото меня особенно впечатлило:
Вперёд на амбразуру!
Сравнение горизонтальных (слева) и вертикальных (справа) «вводов»
Кроме всего прочего, на стеклянной подложке обнаружилось много интересных вещей. Например, позиционных меток и контактов, которые, по всей видимости, предназначены для тестирования дисплея на производстве:
Оптические микрофотографии меток и тестовых контактных площадок
Конечно, такое происходит не часто и обычно является несчастным случаем, но дисплеи иногда ломаются. Например, эта едва заметная трещина толщиной меньше человеческого волоса способна навсегда лишить радости читать любимую книгу о туманном Альбионе в душном московском метро:
Если дисплеи ломают, значит это кому-нибудь нужно… Мне, например!
Кстати, вот оно, то золото, о котором я упоминал – гладкая площадка «снизу» ячейки для качественного контакта с чернилами (о них чуть ниже). Золото удаляем механически и вот результат:
You’ve got a lot of guts. Let’s see what they look like! (с)
Под тонкой золотой плёнкой скрываются управляющие компоненты активной матрицы, если можно её так именовать.
Но самое интересно, конечно же, это сами «чернила»:
СЭМ-микрофотография чернил на поверхности активной матрицы.
Конечно, трудно найти хотя бы один разрушенную микрокапсулу, чтобы заглянуть внутрь и увидеть «белые» и «чёрные» пигментные частицы:
СЭМ-микрофотография поверхности электронных «чернил»
Оптическая микрофотография «чернил»
Или всё-таки внутри что-то есть?!
То ли разрушенная сфера, то ли выдранная из несущего полимера
Размер отдельных шариков, то есть некоторого аналога субпиксела в E-Ink, может составлять всего 20-30 мкм, что значительно ниже геометрических размеров субпикселов в LCD-дисплеях. При условии, что такая капсула может работать в половину своего размера, то и изображение получается на хороших, качественных E-Ink дисплеях гораздо более приятным, чем на LCD.
И на десерт – видео о том, как работают E-Ink дисплеи под микроскопом:
Заключение
В конце моего повествования, я хотел бы поблагодарить тех, кто помогал мне при написании этой статьи: Антона (разбитый китаефон его рук дела), Алексея (пострадавший E-Ink, вовремя вырванный из цепких лап сервиса), Василия (за корейский телефон, камера которого станет героем одной из следующих публикаций), Машу (не побоялась-таки дать мне свой iPhone), Катерину (за оправдание своей фамилии).
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»