utk_praca_semestralna_semII_(lcd)

CENTRUM EDUKACJI
„AKADEMIA SUKCESU”
Praca semestralna
Kierunek: Technik Informatyk
Przedmiot: Urządzenia Techniki Komputerowej
Semestr: II
Wykładowca : mgr inż. Adam Aleksiejczuk
Temat: Rodzaje, budowa, zasada działania i parametry
wyświetlaczy LCD.
Łukasz Stocki
(Imię i nazwisko Słuchacza)
Białystok, 11 Czerwiec 2011
1
RODZAJE MATRYC LCD
Twisted Nematic (TN oraz TFT)
Matryce TN charakteryzują się przyzwoitą szybkością działania i bardzo dobrym obrazem.
Monitory z matrycą TN nie są polecane do zastosowań profesjonalnych, natomiast doskonale
radzą sobie we wszelkiego rodzaju multimediach (grach czy też filmach). W technologii TFT
za każdy piksel odpowiedzialny jest określony tranzystor. Technologia ta pozwala na
uzyskanie jeszcze lepszych parametrów obrazu w szczególności poprawia kąt widzenia oraz
czytelność obrazu.
Multi Domain Vertical Aligment (MVA oraz MVA Premium)
Twórcą matryc MVA jest firma Fujitsu. Dużym atutem tych matryc jest szeroki kąt widzenia
zarówno w pionie jak i w poziomie sięgający do 170 stopni. Inne ułożenie pikseli w
porównaniu do matryc TN sprawia iż nie są one zauważalne w przypadku wystąpienia
jakiegokolwiek błędnego piksela bądź subpiksela. Znakomite odwzorowanie kolorów, oraz
bardzo dobry czas reakcji sprawia iż panele LCD posiadające ten typ matrycy są obecnie
najbardziej popularne.
Patterned Vertical Alignment (PVA)
Matryce PVA autorstwa firmy Samsung charakteryzują się bardzo dużym kątem widzenia,
dobry czas reakcji oraz zawrotnym kontrastem sięgającym nawet 1500:1 co gwarantuje
znacznie lepsze odwzorowanie czerni. Podobnie jak i w matrycach MVA piksele nie są
zauważalne dzięki czemu matryce te co raz częściej montowane są w panelach LCD.
In-Plane Switching (IPS oraz S-IPS)
Matryca ta została opracowana przez firmę Hitachi oraz NEC. Bardzo dobrze odwzorowane
kolory oraz szeroki kąt widzenia posiada ona również zalety matryc VA (Vertical Alignment)
oraz TN (szybkość działania). Doskonale nadaję się do profesjonalnych zastosowań.
BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA MONITORA LCD
Wyświetlacz ciekłokrystaliczny, LCD (ang. Liquid Crystal Display) - to urządzenie
wyświetlające obraz oparte na mechanizmie zmiany polaryzacji światła na skutek zmian
orientacji
uporządkowania
cząsteczek
chemicznych,
pozostających
w
fazie
ciekłokrystalicznej, pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.
Konstrukcja i działanie
Pasywny wyświetlacz LCD oparty na skręconej fazie nematycznej
Wszystkie rodzaje wyświetlaczy ciekłokrystalicznych składają się z czterech podstawowych
elementów:
2
 komórek, w których zatopiona jest niewielka ilość ciekłego kryształu
 elektrod, które są źródłem pola elektrycznego działającego bezpośrednio na ciekły
kryształ
 dwóch cienkich folii, z których jedna pełni rolę polaryzatora a druga analizatora.

źródła światła
Schemat pasywnego wyświetlacza odbiciowego zfazą nematyczną skręconą.
Zasadę działania wyświetlacza najłatwiej jest prześledzić na przykładzie pasywnego
wyświetlacza odbiciowego, z fazą nematyczną, skręconą. W wyświetlaczu tym światło
wnikające do niego jest wstępnie polaryzowane pionowo przez filtr polaryzacyjny (1).
Następnie światło przechodzi przez szklaną elektrodę (2) i warstwę ciekłego kryształu (3).
Specjalne mikrorowki na elektrodach (2 i 4) wymuszają takie uporządkowanie cząsteczek
tworzących warstwę ciekłokrystaliczną, aby przy wyłączonej elektrodzie nastąpiło obrócenie
polaryzacji światła o 90°. Dzięki temu światło może przejść przez folię (5) pełniącą rolę
analizatora światła, która przepuszcza tylko światło spolaryzowane poziomo, odbić się od
lustra (6), przejść ponownie przez analizator (5) ,ulec ponownej zmianie polaryzacji o 90° na
warstwie ciekłego kryształu i ostatecznie opuścić bez przeszkód wyświetlacz, przez górną
folię polaryzacyjną. Po przyłożeniu napięcia do elektrod, generowane przez nie pole
elektryczne wymusza taką zmianę uporządkowania cząsteczek w warstwie ciekłego kryształu,
że nie obraca ona polaryzacji światła. Powoduje to, że światło nie przechodzi przez analizator,
co daje efekt czerni.
Transmisyjne i odbiciowe
Wyświetlacze LCD mogą pracować w trybie transmisyjnym lub odbiciowym. Transmisyjne
wyświetlacze są oświetlane z jednej strony, a powstające na nich obrazy ogląda się od drugiej
strony. Stąd aktywne piksele są w takich wyświetlaczach zawsze ciemne, a nieaktywne jasne.
Tego typu wyświetlacze są stosowane w przypadku gdy potrzebna jest duża intensywność
obrazu (np: w projektorach multimedialnych czy komputerach).
3
Wyświetlacze transmisyjne są zwykle stosowane razem z aktywnymi matrycami, choć
czasem są też stosowane bierne wyświetlacze transmisyjne w np. zegarkach z uchylnymi
wyświetlaczami.
Wyświetlacze odbiciowe, posiadają na swoim dnie lustro, które odbija dochodzące do
powierzchni wyświetlacza światło. Tego rodzaju wyświetlacze mogą pracować wyłącznie w
trybie biernym i posiadają zwykle niezbyt dużą intensywność generowanego obrazu, ale za to
mają one bardzo mały pobór mocy. Są one najczęściej stosowane w kalkulatorach i
zegarkach, aczkolwiek czasami możne je też spotkać w przenośnych komputerach i
palmtopach.
Istnieją także wyświetlacze mieszane - transreflektywne, które potrafią działać w obu trybach.
Tryb odbiciowy jest stosowany gdy wyświetlacz pracuje przy niedoborze mocy (np: w
laptopie pracującym na własnej, prawie wyczerpanej baterii) a tryb transmisyjny gdy mocy
jest odpowiednio dużo.
Wyświetlacze oparte na fazie SmC*
W zależności od rodzaju użytej fazy ciekłokrystalicznej rozróżnia się wyświetlacze
nematyczne (N), nematyczne skręcone (N*) i smektyczne C skręcone (SmC*).
Wyświetlacze nematyczne i nematyczne skręcone, są z natury zawsze monochromatyczne.
Aby uzyskać z ich pomocą barwne obrazy konieczne jest albo stosowanie filtrów (w
przypadku wyświetlaczy z matrycą bierną), albo źródeł światła o określonym kolorze. Ze
względu na to, że w wyświetlaczach o dużej rozdzielczości z matrycą aktywną, każdy
wyświetlany piksel musi posiadać własne źródło światła (zwykle w formie diod LED)
wymaga to zastosowania minimum trzech takich źródeł o różnej barwie (zwykle czerwona,
zielona i niebieska) na każdy wyświetlany piksel, co bardzo komplikuje produkcję takich
wyświetlaczy i ogranicza ich maksymalną rozdzielczość.
Kolejną wadą wyświetlaczy nematycznych jest to, że działają one tylko w dwóch trybach każdy piksel może być więc tylko albo włączony albo wyłączony - co powoduje, że
uzyskiwanie efektów szarości lub różnej intensywności kolorów wymaga sterowania
intensywnością światła emitowanego przez diody, co dodatkowo komplikuje konstrukcję tych
wyświetlaczy.
Faza SmC* oprócz zmieniania kierunku polaryzacji światła posiada też zdolność selektywnej
zmiany barwy i intensywności przepuszczanego światła. Powoduje to, że tego rodzaju
wyświetlacze mogą okazać się znacznie prostsze w produkcji (tylko jedna celka i dioda na
jeden piksel), posiadać większą intensywność generowanych obrazów - nawet przy pracy w
trybie biernym. Problemem jest tylko znalezienie mieszanin związków, które z jednej strony
będą posiadać szeroki zakres temperaturowy występowania fazy SmC* a z drugiej strony
będą miały tzw. liniową charakterystykę odpowiedzi na zmiany intensywności lub kierunku
pola elektrycznego.
Wyświetlacze ULTRA CIENKIE i nie wymagające zewnętrznego
zasilania
Marzeniem wielu osób zajmujących się rozwojem wyświetlaczy ciekłokrystalicznych jest
uzyskanie jak najcieńszych i jednocześnie pobierających jak najmniejszą moc urządzeń.
Ideałem byłoby tu urządzenie nie pobierające energii w ogóle i cienkie jak papier - tzw.
papier elektroniczny.
4
Pierwsze tego rodzaju urządzenie zostało zaprezentowane w 2000r. przez firmę ZBD
Displays Limited, ale technologia jego produkcji okazała się na tyle droga i złożona, że nie
zostało ono nigdy wdrożone do masowej produkcji.
Od lipca 2003 r. na Tajwanie rozpoczęto produkcję na większą skalę tego rodzaju urządzenia,
na razie o wielkości znaczka pocztowego, na bazie dokonań francuskiej firmy Nemoptic. Nie
jest to jednak "papier elektroniczny" w pełnym tego słowa znaczeniu - ze względu na
trudności z produkcją wyświetlaczy o większej powierzchni.
Wyświetlacze te jak na razie, mają szansę zastąpić stare wyświetlacze odbiciowe stosowane w
kalkulatorach i zegarkach, gdyż są mniej szkodliwe dla oczu i lżejsze.
PARAMETRY WYŚWIETLACZY LCD
Podstawowe parametry monitorów LCD to:
Przekątna ekranu:
Wartość podawana w calach (np. 21’’), jest rzeczywistą przekątna w przeciwieństwie do
monitora CRT.
Stosunek szerokości do wysokości ekranu (ang. aspect ratio):
Określa format obrazu, inaczej mówiąc jego proporcje. Najczęściej spotykane to 4:3, 16:9
i 16:10.
Rozdzielczość nominalna:
Zwykle jest to maksymalna rozdzielczość, jaką obsługuje dany monitor. Przejście do niższych
rozdzielczości powoduje pogorszenie jakości obrazu.
Kąt widzenia:
Są to kąty pod jakimi można obserwować obraz na panelu LCD bez utraty jakości. Kąt
widzenia możemy podzielić na dwa rodzaje : kąt poziomy oraz kąt pionowy. Kąt widzenia w
szczególności poziomy odgrywa bardzo ważną role w monitorach LCD z tunerem TV
szczególnie gdy chcemy oglądać telewizję w kilka osób.
Czas reakcji:
Jest to czas, który informuje o szybkości działania matrycy wyrażony w ms (milisekundach)
a konkretnie czas zapalenia lub zgaszenia piksela podczas zmiany stanu np. przejście
z czarnego do białego tła.
Jasność
Jasność zwana jest też luminescencją. Jest to maksymalne natężenie światła, jaką jest w stanie
wyemitować ekran monitora wyświetlając czystą biel. Podaje się ją w kandelach na metr
kwadratowy (cd/m˛). Wysoka jasność jest szczególnie przydatna przy oglądaniu filmów,
zdjęć oraz w grach. Przy biurowej pracy jej duża wartość potrafi szybko zmęczyć wzrok.
Dlatego też w tym przypadku najbardziej ergonomiczną wartością jest około 140 cd/m˛.
Kontrast
W przypadku monitorów ciekłokrystalicznych mamy do czynienia z pojęciem kontrastu
panelu lub monitora. Kontrast monitora/panelu podawany jest w postaci stosunku pewnej
liczby do jedności, np.: 1000:1. Stosunek ten oznacza ile razy wyświetlana na ekranie
5
monitora biel jest jaśniejsza od wyświetlanej czerni przy takiej samej mocy podświetlenia.
Obecne monitory LCD posiadają kontrast na poziomie od 500:1 do 2000:1. Kontrast monitora
zależy przede wszystkim od użytego do produkcji panelu. W przypadku ekranów TN jasność
czerni przy maksymalnej mocy podświetlenia waha się w granicach 0.3-0.7 cd/m˛. Oznacza to
iż przy jasności 300 cd/m˛ matryca tego typu jest w stanie osiągnąć kontrast od około 430:1
do 1000:1. Matryce MVA oraz PVA posiadają nieco ciemniejszą czerń od około 0.1-0.2 do
0.5 cd/m˛, co pozwala przy jasności 300 cd/m˛ osiągnąć kontrast od około 600:1 do nawet
1500-2000:1. Najsłabiej wypadają, wbrew pozorom, monitory wyposażone w ekrany IPS.
Matryce te pomimo bardzo wysokich parametrów związanych z jasnością reprodukowanych
kolorów oraz kątami widzenia, posiadają stosunkową jasną czerń która przy jasności bieli 300
cd/m˛ osiąga wartość przeciętnie od 0.4 do 0.7 cd/m˛, co przekłada się na kontrast od około
430:1 do 750:1.
Kontrast dynamiczny
Kontrast dynamiczny nie odzwierciedla faktycznego kontrastu, jaki jest w stanie osiągnąć
monitor w pojedynczej scenie. Słowo "dynamiczny" oznacza, że kontrast osiągalny będzie
przy pewnych założeniach w danym okresie czasu, nie w scenie statycznej. Kontrast
dynamiczny jest dużo wyższy niż kontrast statyczny, wynosi bowiem przeważnie od około
2000:1 do nawet 10 000:1. Zasada działania kontrastu dynamicznego jest bardzo prosta.
Monitor wyposażony zostaje w układ, który bada wyświetlany na ekranie obraz. Jeżeli
wykryje, iż większość sceny pokrywa ciemny kolor, automatycznie obniży moc lamp
podświetlających ekran monitora do minimum, nawet pomimo tego, iż jasność panelu będzie
ustawiona na maksimum. W tym momencie ciemna powierzchnia ekranu będzie cechowała
się bardzo niską jasnością, przeważnie rzędu 0.05-0.1 cd/m˛. W momencie kiedy wyświetlany
na ekranie monitora obraz rozjaśni się, układ natychmiast podniesie moc lamp
podświetlających ekran wskutek czego biel osiągnie bardzo wysoką jasność około 300-500
cd/m˛. Stosunek jasności czerni przy minimalnej mocy lamp podświetlających do jasności
bieli przy maksymalnej mocy lamp nazywamy kontrastem dynamicznym, który w tym
przypadku przyjmuje wartość od 3000:1 do 10 000:1. Kontrast dynamiczny całkowicie nie
sprawdza się podczas codziennej pracy z monitorem. Jego jedyne zastosowanie gry i filmy.
Gamut
Gamut, a dokładnie gamut barwowy, to zakres barw, jakie jest w stanie wyświetlić monitor
LCD. Gamut zależy zarówno od zastosowanej matrycy (w mniejszym stopniu), ale także i od
podświetlenia - o czym pisaliśmy wcześniej w artykule. Im większy gamut, tym lepiej,
ponieważ większą przestrzeń barwową monitor będzie w stanie odwzorować.
Największym gamutem mogą pochwalić się matryce IPS, następnie PVA i MVA, a na samym
końcu uplasuje się TN (przy zastosowaniu identycznego podświetlenia). Warto dodać, że
obecne matryce TN są w stanie wyświetlić większy gamut niż monitory CRT. Dodatkowo
warto wiedzieć, że z łatwością znajdziemy matryce TN z przestrzenią barwową wynoszącą
92% AdobeRGB, niemniej jednak ekrany IPS, a także PVA są w stanie osiągać dużo wyższe
wartości.