Жидкокристаллические экраны — технология, бредущая в массы

Прогресс, как я уже неоднократно упоминал, настырно идет вперед. Как танк, под чьи гусеницы безропотно ложатся устаревшие технологии и не прижившиеся идеи. Направление движения — строго вперед, к ожидающим очередного технологического чуда массам. Сегодня на повестке дня чудо под названием “Жидкокристаллический, или плоский, или TFT, или LCD (liquid crystal display) экран”.

Краткий Васистдас

(Was ist das? — нем.)

Для начала немного теории. Жидкий кристалл (liquid crystal) — это вещество, обладающее свойствами как жидкости (текучесть), так и твердого кристалла (например, зависимость свойств среды от направления). ЖК-экран состоит из ЖК-элементов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из нематических кристаллов, электродов и поляризаторов. В отсутствие электрического поля свет беспрепятственно проходит через ЖК-элемент. Как только к электродам приложено напряжение, в кристалле происходят молекулярные изменения и поляризаторы перестают пропускать свет.

ЖК-элементы расположены в виде матрицы. Существует два способа подачи электрического тока на каждый отдельно взятый элемент матрицы. Первый, называемый также “пассивной матрицей” (обозначаются аббревиатурой STN), — когда выбранная точка активизируется подачей напряжения на соответствующие прозрачные проводники-электроды выбранной строки и столбца. У этого способа существует один весьма существенный минус: электрическое поле в проводниках воздействует не только на конкретный ЖК-элемент, но и на все остальные элементы матрицы, находящиеся на пути распространения тока. Этого минуса лишены так называемые “активные матрицы”, в которых каждой точкой изображения управляет свой собственный электронный переключатель. За счет такой оригинальной конструкции четкость и контрастность картинки, получаемой на активной матрице, значительно лучше изображения, генерируемого пассивной матрицей. Как правило, активные матрицы собираются из тонкопленочных полевых транзисторов (в качестве подложки электронных переключателей), отсюда термин TFT — Thin Film Transistor.

В настоящее время получила широкое распространение компромиссная технология DSTN (Dual Scan), при которой одновременно обновляются две строки матрицы. Это позволяет достичь хорошей контрастности изображения при небольшой себестоимости производственного процесса.

Жидкий пиксель

Немного подробнее стоит остановиться на внутреннем устройстве пикселя. Пытливый читатель уже, наверное, заметил одно очень важное упущение, сделанное в предыдущей главе. Суть в том, что, пропуская или не пропуская свет через ЖК-элемент, мы можем получить только два цвета — белый (прозрачный) и черный (непрозрачный). Хороший пример — экран обычных электронных часов. Для полноценного же дисплея, компьютерного, жизненно необходим цвет, который достигается посредством использования так называемых “цветовых фильтров”. Их задача — выделять из источника белого света три основных цветовых компоненты: красную, зеленую и синюю (RGB — red, green, blue). Комбинацией этих компонент можно получить любой требуемый цвет. Три последовательно расположенных в ЖК-ячейке фильтра формируют цветной пиксель.

Существует альтернативный и более сложный метод. Используется свойство ЖК-кристалла менять, в зависимости от величины напряжения, угол поляризации. Таким образом, можно поглощать световые волны заданной длины (разная длина — разный цвет). Трудность реализации заключается в необходимости точно и быстро менять напряжение тока. Этот метод значительно более эффективнее вышеприведенного, однако требует дополнительных затрат при производстве, что в конечном итоге сказывается на розничной стоимости панелей. Выбор способа цветовой реализации варьируется в зависимости от предпочтений конкретного производителя.

В силу конструктивных особенностей у TFT экранов существует несколько существенных проблем, одна из которых — изменение разрешения экрана. Как вы, надеюсь, уже поняли из предыдущих абзацев, в ЖК-панели каждый ЖК-элемент отвечает за один конкретный пиксель. То есть, если матрица состоит из 1024 на 768 элементов, то и разрешение поддерживаемой панелью будет одно-единственное — 1024 на 768 точек. Поэтому, если вам захочется поиграть в “Квейк” в разрешении 800 на 600, то придется покупать еще один монитор. Шучу. Придется прочитать следующие абзацы.

В чем задача? В том, чтобы LCD экран мог быстро и эффективно масштабировать картинку, приводя ее размеры к нужному пользователю разрешению. Напомню, что выполнять эту процедуру надо в режиме реального времени и желательно без потери качества.

В случае с обычным CRT монитором (cathode ray tube — электронно-лучевая трубка, ЭЛТ) масштабирование изображения происходит посредством изменения отклоняющего луч напряжения. В случае же с активной матрицей, где необходимо контролировать каждый пиксель, для масштабирования необходима сложная микропроцессорная логика. Если коэффициент масштабирования — целое число (например, разрешение 800х600 увеличивается в 2 раза до 1600х1200), то проблема решается просто: высота и ширина каждого пикселя увеличивается в два раза (см. рисунок 1). Если же коэффициент — дробь, как в случае с увеличением 800х600 до 1024х768 (в 1,28 раза), то тут уже необходим более сложный алгоритм, определяющий необходимость масштабирования каждого отдельного пикселя. В случае со стандартным математическим алгоритмом могут возникать неприятные эффекты, вариант которых представлен на рисунке 2. Чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать так называемый эффект “сглаживания”, когда яркость ЖК-элементов, чьи координаты нельзя определить точно, искусственно понижается (см. рисунок 3).

Хочу все знать

При выборе определенной модели TFT монитора потенциальному покупателю просто необходимо ознакомиться с рядом параметров, определяющих качество и стоимость будущего приобретения. Список характеристик, приведенных ниже, призван значительно облегчить вам эту задачу.

Видимая диагональ

У обычных ЭЛТ мониторов диагональ видимой области экранного пространства меньше заявленной производителями диагонали экрана (на 1 дюйм, реже на 1,2 дюйма). Обычно в документации к монитору указывается характеристика “Viewable Size” (“Видимый размер” — рус.), определяющая действительное доступное для отображения пространство. В TFT мониторах такого термина не существует, все экранное пространство является “видимым” (если вы внимательно читали предыдущие абзацы, то поймете, почему). Поэтому жидкокристаллическая панель с диагональю 15,1 дюйма имеет точно такую же “Viewable Size”, как и 17-дюймовый ЭЛТ монитор.

Угол обзора

Наилучшее качество изображения на TFT мониторе получается в случае, когда оператор сидит прямо перед ним. Если смотреть на изображение со стороны, то его качество значительно ухудшается, исчезает контрастность, искажаются цвета. Такой эффект обусловлен тем, что свет, проходя через подложку и ЖК-кристаллы, приобретает вертикальное направление, перпендикулярное плоскости панели.

Если для экранов банкоматов такая скрытность вполне приемлема (чтобы хакер код не подсмотрел), то для повседневного бытового использования необходим угол обзора как минимум в 90 градусов. Максимальный угол обзора ЖК-матрицы определяется как угол, при котором контрастность изображения падает в десять раз по отношению к стандартной.

У пассивной матрицы угол обзора очень маленький — порядка 10-15 градусов; у активной матрицы немного больше, по умолчанию порядка 45 градусов, однако с помощью современных технологий эту цифру вполне реально можно увеличить до 160 градусов и более. На настоящий момент лидируют три технологии искусственного увеличения угла обзора — IPS (in-plane switching), MVA (multi domain vertical alignment) и TN+film (twisted nematic and retardation film). Если вы хотите обзавестись действительно качественным и удобным экраном, то перед покупкой тщательно изучите его характеристики на предмет наличия вышеприведенных терминов.

Выхожу я на панель…

Термин “плоский дисплей” не ограничивается одной лишь TFT технологией. В настоящее время производятся и реально используются экраны, сделанные по газопламенной и электролюминесцентной технологии (последние, правда, в розничной продаже не встречаются). Газопламенные дисплеи в основном используются для проведения разного рода презентаций, требующих большого экранного пространства и неприхотливости при монтаже и транспортировке. К недостаткам этого типа панелей можно отнести неэкономное потребление электроэнергии; стандартно используемое напряжение составляет 200 В. Также, по отзывам специалистов, срок службы газопламенных экранов недолог, а розничная цена (это уже по моим собственным наблюдениям) может вызвать временное онемение даже у обеспеченных пользователей.

Электролюминесцентные дисплеи (LED ) являются очень качественным и очень дорогим решением, использующимся в основном в военной технике. В магазинах и прайс-листах московских фирм искать панели этого типа не стоит (разве только из-под офицерской полы на Тушинском радиорынке). Как правило, эти экраны делаются одноцветными с преобладающим желтым оттенком (китайцы их, что ли, собирают?).

Контрастность

В терминах TFT технологии под “контрастностью” понимают отношение максимального значения яркости (см. далее) к минимальному. Чем больше отличаются друг от друга эти цифры — тем лучше. К примеру, у обычного ЭЛТ монитора значение контрастности составляет примерно 500 к 1. Другими словами, получить черную картинку на ЭЛТ никакой сложности не представляет. С TFT все немного сложнее, так как менять яркость задней подсветки для одного конкретного ЖК-элемента нельзя. Чтобы получить абсолютно черную точку, нужно, чтобы ЖК-элемент блокировал световые волны абсолютно и безоговорочно. К сожалению, на практике это трудно выполнимо. На сегодняшний день уже существуют патенты и технологии, которые в скором будущем, возможно, позволят решить эту задачу. Для нормального восприятия картинки человеческим глазом необходимо, чтобы отношение максимальной и минимальной яркости составляло примерно 250:1.

Яркость

Максимальная яркость ЖК-панели определяется свойствами флюоресцентных элементов, являющихся основой задней подсветки. Подсветка заводской TFT панели может без особого труда обеспечить яркость в 200-250 кандел на квадратный метр. Теоретически это не предел, однако увеличивать яркость больше указанных значений следует только в случае, если вы ставите своей целью ослепить пользователя (в одном идиотском кинофильме про хакеров эта идея была реализована в виде компьютерного вируса).

Яркость обычной жидкокристаллической панели составляет 100-120 кандел/м2. Производство панелей с более высоким показателем яркости возможно, однако при этом значительно повысится энергопотребление и электромагнитное излучение, а также сократится срок эксплуатации экрана.

Ошибки пикселей

В процессе производства ЖК-панели существует определенный (и, по проверенным сведениям, довольно-таки большой) процент брака, тем или иными путями попадающего в розничную продажу. Проблема заключается в неисправности одного или даже целой группы ЖК-элементов. Дефект можно определить визуально, при близком осмотре работающего TFT экрана. Если заметите дрожащие или откровенно яркие пиксели с одним, неизменяющимся цветом, то можете быть уверены — это брак. Настоятельно рекомендую перед приобретением ЖК-монитора подключить его к компьютеру и проверить на предмет описанных дефектов. Единственный способ устранить “ошибки пикселей” — это заменить панель на новую. Крайне не рекомендуется прикасаться к экрану руками или другими посторонними предметами — даже если изначально на нем никаких дефектов не было, то со временем они обязательно появятся.

Время отклика

Ранние модели TFT мониторов испытывали серьезные проблемы при отображении анимационных и видеороликов. Кадры накладывались друг на друга, искажая картинку и раздражая пользователя неожиданным (в некоторых клипах такая фишка очень даже приветствуется) эффектом “текущей плазмы”. Проблема заключается в большом времени отклика ЖК-элементов — то есть во времени, необходимом для изменения цвета каждого конкретного элемента. В современных системах время отклика составляет порядка 20-30 миллисекунд. Для сравнения: стандартный видеоролик показывается с частотой 25 кадров в секунду, то есть на воспроизведение одного кадра отводится 40 миллисекунд. Если время отклика составляет, скажем, 45-50 миллисекунд, то при проигрывании видео, содержащего “быстрые последовательности”, например, вид из иллюминатора реактивного самолета (летящего, разумеется), то с большой вероятностью картинка получится смазанной.

Цветопередача

Приобретая качественный и дорогостоящий TFT монитор, покупателю не стоит забывать о том, что большинство современных видеоадаптеров оборудовано VGA коннектором, изначально предназначенным для использования с аналоговыми ЭЛТ экранами. В случае подключения цифрового ЖК экрана к такому коннектору возникает насущная необходимость в преобразовании сигнала в цифровую форму.

Любое аналого-цифровое преобразование происходит с заданным диапазоном точности (то есть с потерей качества), что в итоге может привести к неправильной цветопередаче. Кроме этого на АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) налагаются строгие требования по скорости и разрядности производимых вычислений (и немногие АЦП этим требованиям соответствуют). Большинство производителей почему-то предпочитают экономить на схемах преобразования и используют недорогие 18-битные микросхемы, способные передавать только 262.144 цветов (“псевдо RGB”). Если вам необходимо работать с палитрой True Color, состоящей из 16 миллионов цветов, то предпочтительным выбором для вас, скорее всего, станет модель, использующая 32-битный АЦП. Кроме этого, с недавнего времени производители видеоплат стали комплектовать их специальным цифровым DVI выходом. Стоимость недорогой DVI платы не превышает 50$, что по сравнению со стоимостью TFT монитора, право же, сущие пустяки.

Преимущества и недостатки

Предполагая, что читатель в той или иной степени знаком с основными характеристиками ЭЛТ мониторов, попробуем выжать сухой остаток и обзорно перечислить основные преимущества и недостатки TFT технологии.

TFT обеспечивает практически идеальную фокусировку, контролируя каждый пиксель результирующего изображения. TFT в силу своих конструктивных особенностей не создает традиционных для ЭЛТ проблем, связанных с геометрическими искажениями и сходимостью луча (нет луча — нет проблемы). TFT не мигает, так как не использует электронный луч для последовательного сканирования каждой линии экрана. Для перемещения луча из правого нижнего угла в левый верхний ЭЛТ монитору необходимо некоторое время (“гашение”), что визуально также приводит к мерцанию изображения. У TFT такой проблемы нет, так как ЖК-элементы никогда не выключаются полностью, они просто изменяют свою яркость.

Таблица №01 аккумулирует все фактические сведения, приведенные в статье.

И еще. Чтобы раз и навсегда снять вопросы типа “Так какой же монитор, в конце концов, следует покупать?”, я решил сделать маленькую, но очень полезную табличку, описывающую оптимальный, на мой взгляд, TFT монитор. Смотрите Таблицу №02.

Куда идем мы с Пятачком?

Словосочетание “бредущая технология”, использованное мною в заголовке статьи, не случайно. Именно “бредущая”, а не “идущая”, не “бегущая” и уж тем более не “скачущая”. Сформулировать процесс популяризации TFT технологии другим термином, на мой взгляд, было бы сложно.

Технология производства жидкокристаллических экранов существует довольно давно. По всем правилам технического прогресса, TFT экраны давно уже должны были если не полностью, то хотя бы частично потеснить традиционные ЭЛТ. Однако этого не происходит. TFT все еще остаются экзотикой, не используемой широко ни в профессиональной, ни в бытовой сфере.

Последнее время в новостях разных СМИ частенько можно встретить выдержки из “результатов революционных маркетинговых исследований”, проводимых то одним, то другим “карманным” маркетинговым агентством. Причины и обоснования приводятся разные, но вывод, как правило, делается один: “Скоро рынок мониторов полностью будет принадлежать TFT”. Признаюсь сразу, экономика и статистика — это те самые две стихии, в которых я ни черта не разбираюсь. Поэтому говорить о правильности и ценности чужих мнений не возьмусь. Просто выскажу свое собственное, глубоко непрофессиональное и, подозреваю, абсолютно антимаркетинговое мнение. Смысл его в следующем: производством как TFT, так и ЭЛТ мониторов занимаются одни и те же компании. Они определяют спрос, формируют предложение и с помощью тех или иных рычагов регулируют розничные цены. Теперь представьте себе следующую ситуацию: цены на TFT панели резко (скажем, в течение месяца) опускаются до планки в 300-400$, столько сейчас стоит хороший ЭЛТ монитор. Думаю, первым же результатом такого демпинга будет падение спроса на ЭЛТ. Слово “крах” в данном случае подходит больше. Представляете? Отлично продающиеся ЭЛТ модели, налаженный конвейер, дилерская сеть, забитые склады — и все это уже никому не нужно. Потери индустрии были бы, мягко говоря, чудовищны. Кроме того, перед производителями встал бы законный вопрос: “Как удовлетворить возросший спрос на ЖК панели? Где нам их взять в таком количестве?” Именно поэтому пришествие TFT технологии если и произойдет, то не скоро, не спеша и постепенно. Никак не через “полгода” или “в течение следующего квартала”, как пророчат нам некоторые нетерпеливые маркетинговые агентства.

На данный момент ведутся активные разработки в области улучшения и удешевления TFT технологии. В будущем их внедрение и активное использование, несомненно, приведет к значительному увеличению спроса. Когда-нибудь этот спрос достигнет определенного предела, при котором производителям выгодно будет понижать цены и вкладывать деньги в производство. И тогда, быть может, настанет светлый день. День, когда я поставлю на свой стол новенький, красивый и очень плоский TFT экран…

Таблица 1
TFT ЭЛТ
Яркость Супер. 170 — 250 кандел/м2 Средне. 80 — 120 кандел/м2
Контрастность Средне. 200:1 — 400:1 Супер 350:1 — 700:1
Угол обзора Средне. 45 — 170 градусов Супер. 150 и более градусов
Сходимость Супер. Отсутствует как таковая Средне. От 0,20 до 0,30 мм
Фокусировка Супер. Просто супер От удовлетворительной до очень хорошей (зависит от модели)
Геометрические искажения Супер. Отсутствуют Средне. Имеются в большинстве моделей
Ошибки пикселей Плохо. В среднем до 8 шт. Супер. Отсутствуют
Тип сигнала Супер. Аналоговый или цифровой Средне. Подавляющее большинство моделей использует аналоговый
Масштабирование в разных разрешениях Плохо. Отсутствует или реализуется посредством сложных алгоритмов Супер. На аппаратном уровне
Гамма-коррекция Средне или удовлетворительно Супер. В дорогих моделях можно достичь фотореалистичного изображения
Цветопередача Средне Супер
Мерцание Супер. Отсутствует в силу конструктивных особенностей Средне. При частотах выше 85 Гц практически незаметно
Время отклика Плохо. 20 — 30 миллисекунд Супер. Не имеет никакого значения в силу конструктивных особенностей
Энергопотребление Супер. 24 — 40 Ватт Плохо. 60 — 150 Ватт
Вес, размеры Супер. Легко и тонко Очень плохо. Можно надорваться, занимает много места
Таблица 2
Диагональ 15,1 дюйма
Яркость не менее 200 кандел/м2
Контрастность не менее 300:1
Ошибки пикселей или отсутствуют, или не более 5
Угол обзора не менее 140 градусов
Кол-во цветов 16,7 миллиона
Внешний вид Хотите испортить интерьер за такие деньги?
Цена 1000$