Плоскопанельные мониторы.

Мониторы на основе ЭЛТ имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих использование мониторов.

Та­кими недостатками являются:

• большие масса и габаритные размеры;

• значительное энергопотребление, наличие тепловыделения;

• излучения, вредные для здоровья человека;

• значительная нелинейность растра, сложность ее коррекции.

Первые два недостатка не позволяют использовать мониторы на основе ЭЛТ в переносных компьютерах типа Notebook, остальные осложняют работу оператора и наносят вред его здоровью.

Однако главными недостатками обычных мониторов все же яв­ляются большие габариты, масса и энергопотребление. Для устра­нения этих недостатков были разработаны малогабаритные дис­плеи на основе жидких кристаллов - ЖК-мониторы. Главное отличие ЖК-монитора от обычного состоит в том, что он совершенно плоский. По этой при­чине мониторы подобного типа стали называть плоскопанельными.

В настоящее время плоско панельные мониторы используются как в составе переносных компьютеров типа Notebook, так и в качестве самостоятельного устройства отображения, которое можно подключить к любому PC.

Основными представителями плоскопанельных мониторов яв­ляются ЖК-мониторы. Они составляют основную долю рынка плоскопанельных мониторов с экраном размером 13 — 17". Рассмотрим их устройство и принцип действия.

Основным элементом ЖК-монитора является ЖК-экран, состоящий из двух панелей, выполненных из стекла, между которыми размещен слой жид­кокристаллического вещества. Эти стеклянные панели обычно называют подложками. Как и в обычном мониторе, экран ЖК-монитора представляет собой совокупность отдельных элемен­тов — ЖК-ячеек, каждая из которых генерирует 1 пиксел изоб­ражения. Однако, в отличие от зерна люминофора ЭЛТ, 1 ЖК-ячейка сама не генерирует свет, а лишь управляет интенсивностью проходящего света, поэтому ЖК-мониторы всегда используют подсветку.

Принцип действия ЖК-монитора: ЖК-ячейка пред­ставляет собой электронно-управляемый светофильтр, принцип действия которого основан на эффекте поляризации световой волны. Жидкокристаллическое вещество, размещенное между подложками, имеет молекулы вытянутой формы, называемые нематическими. Благодаря этому молекулы ЖК-вещества имеют упорядоченную ориентацию, что приводит к появлению оптичес­кой анизотропии, при которой показатель преломления ЖК-вещества зависит от направления распространения световой вол­ны.

Другим важным свойством ЖК-вещестиа является зависимость ориента­ции молекул от направления внешнего электрического поля. Ис­пользуя два этих свойства, можно создать электронно-управляе­мый светофильтр.

Технология Twisted Nematic.

В ЖК-мониторах чаще всего ис­пользуются ЖК-ячейки с твистированной (закрученной на 90°) ориентацией молекул (рис. 3.8, а). Для создания такой ячейки применяются подложки, у которых ориентирующие канавки так­же развернуты друг относительно друга на угол 90°. Такая ячейка называется твистированной нематической (Twisted Nematic). Проходя через эту ячейку, плоскость поляризации световой вол­ны также поворачивается на 90°. Помимо ориентирующего дей­ствия, подложки ЖК-ячейки играют роль поляризационных фильтров, поскольку пропускают световую волну только с линей­ной поляризацией. Верхняя подложка называется поляризато­ром, а нижняя — анализатором. Векторы поляризации подложек так же, как и векторы их ориентирующего действия, развернуты на 90° друг относительно друга.

При отсутствии внешнего электрического поля падающий на ячейку свет проходит через поляризатор и приобретает опреде­ленную поляризацию, совпадающую с ориентацией молекул жид­кокристаллического вещества у поверхности поляризатора. По мере распространения света по направлению к нижней подлож­ке (анализатору) его плоскость поляризации поворачивается на 90°. Достигнув анализатора, свет свободно проходит через него, поскольку плоскость его поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора. В результате ЖК-ячейка оказывается прозрачной.

Ситуация изменится, если к подложкам приложить напряже­ние 3—10 В. В этом случае между подложками возникнет элект­рическое поле и молекулы жидкокристаллического вещества рас­положатся параллельно силовым линиям поля (рис. 3.8, б). Твистированная структура жидкокристаллического вещества ис­чезает, и поворота плоскости поляризации проходящего через не­го света не происходит. В результате плоскость поляризации све­та не совпадает с плоскостью поляризации анализатора, и ЖК-ячейка оказывается непрозрачной.

Подсветка ЖК-экрана. В качестве ламп подсветки ЖК-экранов используют специальные электролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотребле­нием. Это, наряду с низким управляющим напряжением ЖК-ячейки, объясняет низкое энергопотребление ЖК-экранов В зави­симости от места расположения подсветки различают экраны с подсветкой сзади (backlight, или backlit) и с подсветкой по бокам (sidelihgt, или sidelit).

Если пиксел изображения образован единственной ЖК-ячейкой, изображение на экране будет монохромным. Для полу­чения цветного изображения ЖК-ячейки объединяют в триады, снабдив каждую из них светофильтром, пропускающим один из трех основных цветов.

Недостатки технологии Twisted Nematic. Благодаря примене­нию технологии Twisted Nematic была решена проблема габари­тов и энергопотребления, однако эта технология имеет ряд серь­езных недостатков:

• низкое быстродействие ячеек — на изменение ориентации молекул жидкокристаллического вещества требовалось до 500 мс, что не позволяло использовать такие ЖК-экраны для отображе­ния динамических изображений (например, на экране монитора пропадало изображение указателя мыши при ее быстром переме­щении);

• зависимость качества изображения (яркости, контрастнос­ти) от внешних засветок;

• взаимное влияние ячеек, вызванное влиянием управляюще­го сигнала одной ячейки на соседние;

• ограниченный угол зрения, под которым изображение на ЖК-экране хорошо видно;

• низкая яркость и насыщенность изображения;

• ограниченные размеры ЖК-экрана;

• высокая стоимость.

Технология Super-Twisted Nematic. Для устранения перечислен­ных выше недостатков технология Twisted Nematic была усовер­шенствована. С целью улучшения контрастности изображения угол закручивания молекул ЖК-вещества был увеличен сначала до 120°, а затем - до 270°. Такие ячейки получили название STN (Super-Twisted Nematic — сверхзакрученные нематические ячейки).

Технология Dual Super-Twisted Nematic. Дальнейшим шагом в этом направлении стало использование не одной, а двух ячеек од­новременно, последовательно поворачивающих плоскость поля­ризации в противоположных направлениях. Эта технология полу­чила название DSTN (Dual Super-Twisted Nematic - двойные сверхзакрученные нематические ячейки).

Двойное сканирование ЖК-экрана.

Проблема низкого быстро­действия ЖК-ячеек была частично решена путем использования так называемого двойного сканирования, когда весь ЖК-экраи разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно. Двойное сканирование совместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции ЖК-ячейки до 150 мс и значительно повысить ча­стоту обновления экрана.

Технология TFT. Радикально повысить контрастность и быстро­действие ЖК-экранов позволила так называемая технология ак­тивных ЖК-ячеек. В отличие от обычной (пассивной) активная ЖК-ячейка имеет собственный электронный ключ, выполненный на транзисторе. Такой ключ позволяет коммутировать более вы­сокое (десятки вольт) напряжение, используя сигнал низкого уровня (около 0,7 В).

Благодаря применению активных ЖК-ячеек стало возможным значительно снизить уровень сигнала управления и тем самым решить проблему частичной засветки соседних пикселов. По­скольку электронные ключи выполняются по тонкопленочной технологии, подобные ЖК-экраны получили название TFT-экраны (Thin Film Transistor — тонкопленочный транзистор).

Технология TFT была разработана специалистами фирмы Toshiba. Она позволила не только значительно улучшить показа­тели ЖК-мониторов (например, яркость, контрастность, угол зре­ния), но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной мо­нитор. Каждый элемент такой ЖК-матрицы образован тремя тонкопленочными транзисторами и триадой управляемых ими ЖК-ячеек.

Контроллер ЖК-экрана нужен для решения задачи формирования и подачи управляю­щего сигнала видеоадаптера на каждую ЖК-ячейку экрана. Контроллер является наиболее сложным элементом ЖК-монитора. Он выполняет синхронизацию по час­тоте и фазе выходных сигналов видеоадаптера и управляющих ЖК-экраном синхросигналов, формируемых с помощью схем уп­равления строками и столбцами. Рассогласование этих сигналов по частоте ведет к таким дефектам изображения, как дрожание растра, образование вертикальных линий на изображении либо его пол­ное пропадание. После выравнивания частот указанных сигналов контроллер ЖК-экрана производит их синхронизацию по фазе, что позволяет добиться необходимой фокусировки изображения и полностью устранить его дрожание.

Помимо адресации ячеек и синхронизации изображения, кон­троллер ЖК-экрана выполняет дополнительное аналого-цифро­вое преобразование видеосигнала. Необходимость преобразова­ния обусловлена тем, что ЖК-экран (как совокупность огромного количества ячеек) представляет собой устройство с цифровым управлением, т. е. на схему адресации ячеек необходимо подавать цифровой код. В результате значительно уменьшается количест­во оттенков цвета, отображаемых ЖК-монитором.

Технология Digital Flat Panel Initiative. С целью устранения про­межуточных преобразований была разработана новая технология DFPf (Digital Flat Panel Initiative — цифровая инициализация пло­ской панели), в соответствии с которой содержимое ячеек видео­памяти передается непосредственно в ячейки ЖК-экрана. Реали­зация этой технологии позволяет повысить скорость обновления экрана и разрешить проблему синхронизации работы контролле­ров экрана и видеоадаптера. Многие современные видеоадапте­ры позволяют обнаружить-факт подключения к ним ЖК-монито­ра и соответствующим образом изменить свой выходной сигнал.