Жидкокристаллические дисплеи

Рисунок 7. Принцип работы ЖК-монитора.

1-источник света, 2-стеклянные пластины, 3-жидкие кристаллы, 4-поляризующие фильтры, 5-RGB фильтры.

«LCD» (англ. LiquidCrystalDisplay) — жидкокристаллические мониторы.

В ЖК мониторах используются жидкие кристаллы. Жидкие кристаллы были открыты случайно. В 1888 году Фридрих Рейнзер (Friedrich Reinitzer), австрийский ботаник, изучал роль холестерина в растениях. Один из экспериментов заключался в нагреве материала. Ученый обнаружил, что кристаллы становятся мутными и текут при 145,5°, а далее кристаллы превращаются в жидкость при 178,5°. Фридрих поделился открытием с Отто Леманном (Otto Lehmann), немецким физиком, который обнаружил у жидкости свойства кристалла в отношении реакции на свет. С тех пор и пошло название "жидкие кристаллы"[2].

Жидкие кристаллы способны под воздействием электричества "скручиваться" на определённый угол, как показано на рисунке 7. Они изменяют поляризацию проходящего через них светового потока при изменении электрического напряжения и изменяют ориентацию молекул кристаллов для обеспечения создания изображения.

Кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет. Этот эффект называется поляризацией света.

Рисунок 8. Устройство ЖК-монитора.

Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой многослойную конструкцию (Рисунок 7, 8). Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет – красный, синий или зеленый, и слой жидких кристаллов.

Thin Film Transistor (TFT), то есть тонкопленочный транзистор, это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1–0,01 мкм. В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si).

Число используемых транзисторов очень велико. Монитор с разрешением 800х600 пикселей в SVGA режиме и только с тремя цветами имеет 1440000 отдельных транзисторов. Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов. Размер точки (пикселя) для 15.1" дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0.0188 дюйма (или 0.30 мм), а для 18.1" дисплея TFT - около 0.011 дюйма (или 0.28 мм).

Вдобавок ко всему существует флуоресцентная подсветка, освещающая экран изнутри.

В LCD ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой (Рисунок 9).

Рисунок 9. Технологии поляризации.

На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу.

Плазменные дисплеи

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.

В плазменном телевизоре `пузырьки` газов неона и ксенона размещены в сотни и сотни тысяч маленьких ячеек, сжатых между двумя стеклянными панелями. Между панелями по обеим сторонам ячеек расположены также длинные электроды. `Адресные` электроды находятся за ячейками, вдоль задней стеклянной панели. Прозрачные электроды покрыты диэлектриком и защитной пленкой оксида магния (MgO). Они располагаются над ячейками, вдоль передней стеклянной панели. Формирование изображения в плазменном дисплее происходит в пространстве шириной примерно 0,1 мм между двумя стеклянными пластинами[3].

Обе `сетки` электродов перекрывают весь дисплей. Электроды дисплея выстроены в горизонтальные ряды вдоль экрана, а адресные электроды расположены вертикальными колонками, вертикальные и горизонтальные электроды формируют базовую сетку.

Для того, чтобы ионизировать газ в отдельной ячейке, компьютер плазменного дисплея заряжает те электроды, которые на ней пересекаются. Он делает это тысячи раз за малую долю секунды, заряжая каждую ячейку дисплея по очереди.

Когда пересекающиеся электроды заряжены, через ячейку проходит электрический разряд. Поток заряженных частиц заставляет атомы газа высвобождать фотоны света в ультрафиолетовом диапазоне.

Рисунок 10. Устройство плазменного дисплея.

Фотоны взаимодействуют с фосфорным покрытием внутренней стенки ячейки. Фосфор – материал, под действием света сам испускающий свет. Когда фотон света взаимодействует с атомом фосфора в ячейке, один из электронов атома переходит на более высокий энергетический уровень. После чего электрон смещается назад, при этом высвобождается фотон видимого света.

Пиксели в плазменной панели состоят из трех ячеек-субпикселей, каждая из которых имеет свое покрытие – из красного, зеленого или синего фосфора. В ходе работы панели эти цвета комбинируются компьютером, создаются новые цвета пикселя. Меняя ритм пульсации тока, проходящего через ячейки, контрольная система может увеличивать или уменьшать интенсивность свечения каждого субпикселя, создавая сотни и сотни различных комбинаций красного, зеленого и синего цветов[4].

Рисунок 11. Устройство пикселя плазменного дисплея.

Недостатки:

· Невозможность уменьшения габаритов, минимальный размер экрана 40".

· Уровень энергопотребления «плазмы» подразумевает подключение их к сети и не оставляет никакой возможности работы от аккумуляторов.

· Интерференция, «перекрывание» микроразрядов в соседних элементах экрана. В результате подобного «смешивания» качество изображения, естественно, ухудшается.

Проекционные дисплеи

Создание данных дисплеев стало возможным после выпуска в 2004 году корпорацией «Intel» новой технологии с кодовым названием – «Cayley», в основу которой заложен метод «LCOS» (англ. LiquidCrystalonSilicon) – жидкий кристалл на кремнии. «LCOS» основан на создании микродисплеев – единой микросхемы.

Технология-«LCOS» заключается в следующем: слой жидких кристаллов помещается между стеклянной пластиной и зеркальной полупроводниковой поверхностью с высокими отражательными свойствами, в которую вынесена вся схема управления пикселями[5]. Из таких слоев состоят микродисплеи, которые могут использоваться в проекционных телевизорах с большим экраном с обратной оптической проекцией.

Корпорация «Intel» разработала уникальный процесс производства микродисплеев LCOS. Повышение количества транзисторов на полупроводниках, используемых в микродисплеях LCOS, позволяет интегрировать в них дополнительные функции, улучшающие такие характеристики дисплея, как яркость и качество изображения.

Данная технология является полностью цифровой и поэтому обеспечивает воспроизведение значительно более четкого и точного изображения, чем в других архитектурах, основанных на аналоговых технологиях[3].

Ещё одним достоинством LCOS-технологии является возможность создавать одинаковые по размеру микродисплеи с разными уровнями разрешения.

OLED дисплеи

OLED(англ. Organic Light-Emitting Diode) – органический светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор, изготовленный из органических соединений, который эффективно излучает свет, если пропустить через него электрический ток[6].

Рисунок 12. Схема пикселя OLED дисплея и 2-х слойной OLED-панели.

1. Катод (−), 2. Эмиссионный слой, 3. Испускаемое излучение,

4. Проводящий слой, 5. Анод (+)

Для создания органических светодиодов (OLED) используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких полимеров. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, поток электронов протекает через прибор от катода к аноду. Таким образом катод отдает электроны в эмиссионный слой, а анод забирает электроны из проводящего слоя, или другими словами анод отдает дырки в проводящий слой. Эмиссионный слой получает отрицательный заряд, а проводящий слой положительный. Под действием электростатических сил электроны и дырки движутся навстречу друг к другу и при встрече рекомбинируют. Это происходит ближе к эмиссионному слою, потому что в органических полупроводниках дырки обладают большей подвижностью, чем электроны. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием (эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. Поэтому слой и называется эмиссионным[6].

Применение

На сегодняшний день OLED-технология применяется многими разработчиками узкой направленности, например, для создания приборов ночного видения. Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, коммерческие OLED-телевизоры, выпускаются небольшие OLED-дисплеи для цифровых индикаторов, лицевых панелей автомагнитол, карманных цифровых аудиопроигрывателей и т. д.

Преимущества:

· Уменьшенные габариты и вес;

· более низкое энергопотребление при той же яркости;

· возможность создания гибких экранов;

· возможность длительное время показывать статическую картинку без выгорания экрана;

· яркость излучения от нескольких кд/м2 (для ночной работы) до очень высоких яркостей — свыше 100 000 кд/м2;

· OLED-дисплеи обладают контрастностью 1000000:1;

· отсутствие такого параметра как угол обзора — изображение видно без потери качества с любого угла;

· мгновенный отклик (на несколько порядков выше, чем у LCD) — по сути полное отсутствие инерционности;

· большой диапазон рабочих температур (от −40 до +70 °C).

Недостатки:

· жизненный цикл - 17,5 тыс. часов (примерно 2 года) непрерывной работы

Лазерные дисплеи

В лазерных дисплеях пиксели на экране формируют из вертикальных трёхцветных полосок люминофора, расположенных так же, как в электронно-лучевых трубках. Люминофор возбуждается вертикальными веерными пучками света от линейки синих полупроводниковых лазеров (длина волны 405 нм). Вращающееся зеркало обеспечивает горизонтальную развёртку веерных лучей по экрану – почти как в лазерных принтерах (Рисунок 13). Напряжение на лазерных диодах модулируется процессором так, чтобы чётко передавать полутона и периодически регенерировать цветную картинку на экране.

Рисунок 13. Принцип работы лазерных мониторов.

Энергопотребление подобного модуля не превышает 30 Вт (примерно, 155 Вт/кв. м), что совсем немного в сравнении с, например, потреблением плазменных панелей или светодиодных экранов. Срок службы модуля 60 тыс. ч (до снижения яркости на 30%), что позволяет круглосуточно эксплуатировать его на протяжении почти 7 лет. Секторы обзора изображения по обеим координатам 178 градусов.

Применяются для экранов наружной рекламы.

Видеоадаптеры

Видеокарта (также видеоадаптер, графический адаптер, графическая плата, графическая карта, графический ускоритель) — электронное устройство, преобразующее графический образ, хранящийся, в памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора (Рисунок 14).

Под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором — графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа. Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический процессор, который может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора компьютера. Например, все современные видеокарты Nvidia и AMD (ATi) осуществляют рендеринг (процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы) графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения вычислительных задач.

Рисунок 14. Место видеоадаптера в видеосистеме

Видеокарта выполнена в виде печатной платы, устанавливаемой в разъём расширения, универсальный либо специализированный AGP или PCI-X. Также широко распространены и встроенные (интегрированные) в системную плату видеокарты — как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета или ЦП[7].

Типы видеоадаптеров