LCD, LED, плазменные, 3D-телевизоры. Принципы работы

Монитор на жидких кристаллах представляет собой цифровое устройство, состоящее из четырех основных компонентов: электронных микросхем, матрицы пикселей, подсветки матрицы и верхнего защитного слоя. Изображение генерирует матрица пикселей, но сама по себе она не излучает свет, и чтобы что-то увидеть на ЖК-мониторе, надо либо посветить на него в упор спереди, либо подсветить его сзади. Поэтому производители используют в современных ЖК-дисплеях разного рода подсветку. Она бывает двух основных типов: электролюминесцентная (лампа с горячим или холодным катодом) и светодиодная (LED — light-emitting diode, светоизлучающий диод).

Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны 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. Используетс флюоресцентная лампа с холодным катодом (CCFL) расположенная сзади или горячим катодом от компании Sony (HCFL).

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки, контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической рамкой жёсткости.

Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. Если бы жидких кристаллов не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение, можно управлять степенью прозрачности.

Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным — отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют искусственный источник света, кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Таким образом, полноценный монитор с ЖК-дисплеем состоит из высокоточной электроники, обрабатывающей входной видеосигнал, ЖК-матрицы, модуля подсветки, блока питания и корпуса с элементами управления. Именно совокупность этих составляющих определяет свойства монитора в целом, хотя некоторые характеристики важнее других.

LED-подсветка бывает двух типов — белая и цветная. Белая подсветка на самом деле не белая, а синяя, просто для получения белого цвета поверх светодиодов устанавливают желтый фильтр. «Белая» подсветка состоит из светодиодов одного типа и цвета, их устанавливают как по краям матрицы, так и по всей ее поверхности. Цветная же подсветка состоит из диодных ячеек трех цветов (красного, зеленого и синего) и помещается по всей площади матрицы. «Белая» подсветка проще и значительно дешевле цветной, поэтому в бюджетных моделях мониторов используется именно она. Более того, в основном «белая» подсветка ставится по краям, как и люминесцентные лампы, а не по всей поверхности монитора (опять же из-за экономии). Соответственно, она не дает преимуществ в цветопередаче и может дать, а может и не дать преимущество в равномерности подсветки — все зависит от конкретной модели монитора. Цветная же подсветка должна дать преимущество, как в качестве цветопередачи, так и в равномерности подсветки. Оба типа подсветки однозначно потребляют меньше энергии и позволяют выпускать очень тонкие ЖК-панели.

Плазменный монитор. Газоразрядный экран (также широко применяется английская калька «плазменная панель») — устройство отображения информации, монитор, основанный на явлении свечения люминофора под воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих при электрическом разряде в ионизированном газе, иначе говоря в плазме.

Плазменная панель представляет собой матрицу газонаполненных ячеек, заключенных между двумя параллельными стеклянными пластинами, внутри которых расположены прозрачные электроды, образующие шины сканирования, подсветки и адресации. Разряд в газе протекает между разрядными электродами (сканирования и подсветки) на лицевой стороне экрана и электродом адресации на задней стороне.

Особенности конструкции:

суб-пиксель плазменной панели обладает следующими размерами 200 мкм x 200 мкм x 100 мкм;

передний электрод изготовляется из оксида индия и олова, поскольку он проводит ток и максимально прозрачен.

при протекании больших токов по довольно большому плазменному экрану из-за сопротивления проводников возникает существенное падение напряжения, приводящее к искажениям сигнала, в связи с чем добавляют промежуточные проводники из хрома, несмотря на его непрозрачность;

для создания плазмы ячейки обычно заполняются газом - неоном или ксеноном (реже используется гелий и/или аргон, или, чаще, их смеси).

Химический состав люминофора:

Зелёный: Zn2SiO4:Mn2+ / BaAl12O19:Mn2+;+ / YBO3:Tb / (Y, Gd) BO3:Eu [1]

Красный: Y2O3:Eu3+ / Y0,65Gd0,35BO3:Eu3+

Синий: BaMgAl10O17:Eu2+

Существующая проблема в адресации миллионов пикселей решается расположением пары передних дорожек в виде строк (шины сканирования и подсветки), а каждой задней дорожки в виде столбцов (шина адресации). Внутренняя электроника плазменных экранов автоматически выбирает нужные пиксели. Эта операция проходит быстрее, чем сканирование лучом на ЭЛТ-мониторах. В последних моделях PDP обновление экрана происходит на частотах 400—600 Гц, что не позволяет человеческому глазу замечать мерцания экрана.

Работа плазменной панели состоит из трех этапов:

инициализация, в ходе которой происходит упорядочивание положения зарядов среды и её подготовка к следующему этапу (адресации). При этом на электроде адресации напряжение отсутствует, а на электрод сканирования относительно электрода подсветки подается импульс инициализации, имеющий ступенчатый вид. На первой ступени этого импульса происходит упорядочивание расположения ионовой газовой среды, на второй ступени разряд в газе, а на третьей — завершение упорядочивания.

адресация, в ходе которой происходит подготовка пикселя к подсвечиванию. На шину адресации подается положительный импульс (+75 В), а на шину сканирования отрицательный (-75 В). На шине подсветки напряжение устанавливается равным +150 В.

подсветка, в ходе которой на шину сканирования подается положительный, а на шину подсветки отрицательный импульс, равный 190 В. Сумма потенциалов ионов на каждой шине и дополнительных импульсов приводит к превышению порогового потенциала и разряду в газовой среде. После разряда происходит повторное распределение ионов у шин сканирования и подсветки. Смена полярности импульсов приводит к повторному разряду в плазме. Таким образом, меняя полярность импульсов обеспечивается многократный разряд ячейки.

Один цикл «инициализация — адресация — подсветка» образует формирование одного подполя изображения. Складывая несколько подполей можно обеспечивать изображение заданной яркости и контраста. В стандартном исполнении каждый кадр плазменной панели формируется сложением восьми подполей.

Таким образом, при подведении к электродам высокочастотного напряжения происходит ионизация газа или образование плазмы. В плазме происходит емкостной высокочастотный разряд, что приводит к ультрафиолетовому излучению, которое вызывает свечение люминофора: красное, зелёное или синее. Это свечение проходя через переднюю стеклянную пластину попадает в глаз зрителя.

Причина нашего 3D восприятия мира проста – окружающие нас предметы мы видим при помощи двух глаз, которые смотрят вперед (бинокулярное зрение). При этом глаза находятся на расстоянии примерно в 5 см друг от друга, поэтому они воспринимают различные образы. Если вы посмотрите на клавиатуру только левым глазом, закрыв правый, а потом наоборот – вы увидите практически одно и то же изображение. Однако эти изображения немного сдвинуты относительно друг друга. Такое явление называется параллаксом и имеет решающее значение в нашей способности к восприятию глубины объекта. Человеческий мозг устроен так, что при получении смещенных изображений от разных глаз, он совмещает их, получая одно,позволяющее нам видеть как удаленность предметов, так и их глубину. При этом, чем дальше от вас расположен предмет, тем большее смещение между изображениями, получаемыми разными глазами.

Таким образом, технологии 3D работают так, чтобы обмануть ваши глаза и заставить вас считать видимое изображение объемным, предоставляя каждому глазу немного разные изображения.

Безочковые 3D телевизоры

Наиболее привлекательными и лишенными многих неудобств представляются сегодня автостереоскопические 3D телевизоры, которые позволяют смотреть объемное видео без всяких очков. Приятно отметить, что такие модели уже начали появляться в продаже, но, к сожалению, они пока очень дорогие и качество изображения оставляет еще желать лучшего.

 В автостерескопических телевизорах используются наносимые на экран специальные прозрачные оптические элементы. За счет чего каждый глаз и получает свое изображение и, поэтому создается иллюзия глубины. Наиболее распространены сегодня два варианта автостереоскопии. Первый известен, как метод лентикулярных линз, второй – метод параллаксного барьера. На поверхность экрана нанесено либо множество миниатюрных продольных линз, либо перед ЖК панелью расположено множество щелевых отверстий. За счет таких ухищрений каждый глаз видит свое изображение, из которых мозг собирает виртуальное объемное.

 Технология параллаксного барьера, была впервые разработанна Sharp. Эта технология использует в качестве визуальных барьеров управляемые жидкие кристаллы, которые под действием управляющего сигнала могут поворачиваться и тем самым менять направление проходящего через них света. Существенным преимуществом этого метода является то, что жидкокристаллический барьер может быть отключен, чтобы смотреть двумерное изображение.

 Однако, после длительного просмотра зрительное утомление и даже головная боль здесь также могут ощущаться. Чтобы наблюдать 3D эффект зритель должен находиться перед экраном в определенных зонах, таких зон несколько, так что вся семья может с покойно смотреть 3D телевизор.

Практика

29. В программе Gif Animator оформите в виде баннера 468х60 фразу «я учусь в группе 470!» Сохраните результат в файл.