Transcript Telewizory i matryce LCD

Przygotował: Daniel Karpiński IVeog
Historia





- 1888 rok botanik Fredreich Rheinizer
odkrywa ciekły kryształ,
- połowa lat 60-tych - naukowcy wykazują
zmianę wartości,
przewodnictwa światła ciekłego kryształu
pobudzanego polem elektrycznym,
- koniec lat 60-tych - pierwsze prototypowe
wyświetlacze o dużej niestabilności,
- lata 70-te - brytyjscy naukowcy proponują
stabilny rodzaj ciekłych kryształów
(biphenyl).
O LCD
Ciekłe kryształy to substancje prawie przezroczyste,
mogące przyjmować stan zarówno stały, jak i ciekły.
Światło, przechodząc przez nie, podąża za ułożeniem
molekuł, które je tworzą. W 1960 roku odkryto, że
pobudzenie napięciem elektrycznym ciekłych kryształów
zmienia ich położenie, a co za tym idzie, sposób
przenikania przez nie światła.
Od tego czasu materiału tego zaczęto używać w różnego
rodzaju urządzeniach, które znamy dzisiaj, np.
telewizorach, projektorach, cyfrowych kamerach wideo
czy aparatach fotograficznych. Obecnie stosuje się prawie
wyłącznie technologię TFT, która gwarantuje dobrą jakość
obrazu. Tanie rozwiązania DSTN, będące matrycami
pasywnymi, odeszły już do lamusa.
Aktywny czy bierny ?
W zależności od źródła światła rozróżnia się:
wyświetlacze z matrycą aktywną, posiadającą swoje własne
źródło światła - zwykle są to elementy TFT, podświetlające
układ od tyłu. Matryca tych wyświetlaczy pochłania lub
przepuszcza światło oświetlajace matrycę,
 wyświetlacze z matrycą bierną, które bazują na zewnętrznym
źródle światła, ich matryca odbija lub pochłania światło
padajace od przodu. Wadą wyświetlaczy z matrycą bierną jest
mała intensywność generowanego obrazu, brak możliwości
pracy w ciemności, oraz w przypadku wyświetlaczy kolorowych
silna zależność wyświetlanych kolorów od barwy zewnętrznego
światła.
 Wyświetlacze z matrycą aktywną generują intensywniejsze
obrazy, mają znacznie szerszą możliwość regulacji (niemal taką
samą jak zwykłe monitory CRT) ale są drogie w produkcji i
pobierają więcej energii.

Matryce bierne
Kryształy w matrycach
pasywnych są adresowane
poprzez ładunki lokalne,
przy czym nic nie powstrzymuje
ładunków elektrycznych przed
rozpływaniem się na boki i wpływaniem
na położenie kryształów sąsiednich.
Stąd rozmyty obraz matrycy pasywnej,
smugi i cienie ciągnące się za
obiektami.
Matryce aktywne
Matryce aktywne zbudowane są z
tranzystorów cienkowarstwowych (ang.
thin film transistor, TFT), które gromadzą
i przechowują ładunki elektryczne,
zapobiegając ich rozlewaniu na inne
piksele. Taki tranzystor przekazuje
odpowiednie napięcie tylko do jednego
kryształu, co zmniejsza smużenie i
rozmycie obrazu. Obecnie stosuje się
właściwie wyłącznie matryce aktywne.
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). 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.
Początki i rozwój Matryc LCD: Komórki
TN – świetna idea
Przednią cześć filtra polaryzacyjnego stanowią komórki ciekłych
kryształów TN (Twisted Nematic). W monitorach LCD znajduje się
także drugi filtr polaryzacyjny, tym razem jednak zorientowany
pionowo. Brak kryształów skutkowałyby całkowitym wygaszeniem
obrazu, gdyż dwa przeciwnie zorientowane filtry polaryzacyjne
pochłaniałby całkowicie światło. Jednak dzięki zastosowaniu
komórek TN – kryształów zanurzonych w płynie, które mają
możliwość obracania się o 90 stopni wewnątrz nienaładowanych
komórek – można zmieniać kierunek polaryzacji światła. W dużym
uproszczeniu, wraz ze „skręcaniem” kryształu, kierunek polaryzacji
światła może się zmieniać o 90 stopni, dzięki czemu promienie
świetlne mogą przejść przez drugi filtr polaryzacyjny. Jeżeli do
komórki zostanie dołączone napięcie, wówczas kryształ traci
możliwość rotacji i ustawia się tak, że światło nie zmienia kierunku
polaryzacji. Tak więc, drugi filtr blokuje wychodzące promienie a
piksel pozostaje ciemny. W ten sposób można skonstruować prosty
obraz monochromatyczny.
Większy kontrast: obrót o 270
stopni zamiast o 90
Dokładne badanie pokazało, że w przypadku obracania
kryształów o 270 stopni, nie zaś o 90, uzyskuje się większy
kontrast obrazu. Tak więc opracowano nowe rozwiązanie pod
nazwą Super Twisted Nematic (STN-LCD). Nowe komórki
miały jednak wadę: posiadały tendencję do zniekształcania
kolorów. Ale i z tym mankamentem dość szybko sobie
poradzono. W przypadku zastosowania dwóch komórek STN
ułożonych jedna za drugą - z zachowaniem przeciwstawnych
kierunków polaryzacji - problem przekłamań kolorów znikał.
Matryce te zostały nazwane Dual Super Twisted Nematic
(DSTN). Jednak i to rozwiązanie nie było doskonałe. Okazało
się, że tego typu matryce są zbyt wolne, co wywołuje na
ekranie niekorzystny efekt smużenia. Jednak w najnowszych
matrycach DSTN udało się w znacznym stopniu
wyeliminować ten efekt.
Szybsze, jaśniejsze, o większym kontraście: od
komórek TN do wyświetlaczy TFT
Wyświetlacze TFT (Thin Film Transistor) oferują wyższy
kontrast, lepsze odwzorowanie kolorów a przede wszystkim
są znacznie szybsze. Większa szybkość działania
wyświetlacza umożliwia wyeliminowanie zakłóceń podczas
prezentacji ruchomych obrazów np.: w trakcie przewijania
bocznego paska, szybkich ruchów myszką czy oglądania
filmów. W wyświetlaczach TFT zastosowano cieńszą warstwę
nematyku (warstwa kryształów pomiędzy filtrami
polaryzacyjnymi). Dzięki temu, że w panelach TFT kryształy
są obracane tylko o 90 stopni oraz nie trzeba stosować drugiej
warstwy kryształów w celu kompensacji przekłamań kolorów,
wyświetlacze tego typu mają dużo większy kontrast. W
średniej klasy wyświetlaczach TFT, kontrast jest większy niż
100:1. W wyświetlaczach TFT tranzystory sterujące zostały
umieszczone bezpośrednio na sub-pikselach – rozwiązanie to
nosi nazwę cienkiej powłoki tranzystorów. W ten sposób udało
się wyeliminować bardzo dużą ilość połączeń kablowych.
Zwiększenie szybkości matrycy
Dzięki takiemu rozwiązaniu, wyświetlacze
TFT są 10 razy szybsze w porównaniu do
modeli DSTN. Ten drugi typ wyświetlaczy
wymagał nawet ponad 200 ms do
odświeżania obrazu, co sprawiało, że monitor
nie nadążał z wyświetlaniem aktualnej pozycji
myszki nawet w sytuacji, gdy użytkownik
ruszał nią powoli. Natomiast urządzenia TFT
potrzebują około 35 ms na odświeżenie
obrazu. Dzięki temu na monitorach z tą
matrycą można odtwarzać np. filmy.
Kąt widzenia
Czynnikiem obniżającym wartość obu typów
wyświetlaczy LCD (DSTN i TFT ) jest fakt, że
posiadają one ograniczony kąt widzenia
obrazu. Wynika to z własności kryształów,
które nie zawsze są ułożone idealnie
równoległe względem siebie. Nierównoległe
ustawienie powoduje rozproszenie światła,
które przechodzi przez ciekły kryształ pod
niewłaściwym kątem, co w momencie
patrzenia na monitor z boku objawia się
dobrze znaną degradacją kolorów i
osłabieniem kontrastu.
Większy kąt widzenia
Ratunkiem okazały się wyświetlacze Super-TFT. Matryce,
które są także znane jako S-TFT, zostały oparte na
technologii IPS (In Plane Switching) i zapewniają kąt
widzenia szerszy niż 60 stopni w każdym kierunku.
Zwiększenie kąta widzenia stało się możliwe dzięki idealnie
równoległemu ułożeniu wydłużonych (w formie cienkich
słupków) kryształów. W tej technologii, kryształy są ułożone
pionowo pomiędzy dwoma filtrami polaryzacyjnymi. W stanie
niezenergetyzowanym, dzięki własności polaryzacji, kryształy
blokują światło podświetlenia i piksel pozostaje ciemny. Wraz
ze wzrostem napięcia, kryształy obracają się aż do momentu,
kiedy będą ustawione idealnie równolegle z filtrami
polaryzacyjnymi, w wyniku czego całe świtało będzie mogło
przechodzić na powierzchnię ekranu.
Szybka matryca MVA: każdy subpiksel jest jeszcze dzielony
Najnowszym wynalazkiem jest matryca nazwana MVA (Multi-Domain
Vertical Alignment), która zapewnia pełnię kontrastu, jasności i wierność
odwzorowania kolorów przy dużym kącie widzenia obrazu, bez ograniczania
czasu reakcji matrycy. Podobnie jak w wyświetlaczach S-TFT, matryce MVA
posiadają kryształy ustawione pionowo względem filtrów polaryzacyjnych,
które pozostają w stanie niezenergetyzowanym. Wraz ze wzrostem napięcia
sterującego, kryształy ustawiają się równolegle do płaszczyzny filtrów i
umożliwiają przenikanie światła. Różnica polega na tym, że w matrycach
MVA wymagana jest mniejsza dawka energii na wytworzenie pola
elektrycznego i ustawienie wszystkich kryształów w jednym kierunku.
Oznacza to, że kryształy nie są ustawiane tylko równolegle względem siebie,
lecz jednocześnie we wszystkich kierunkach. Działanie takie wywołuje
jednak efekt rozpraszania światła, tak więc aby go zneutralizować, każda
komórka dzielona jest na kilka mniejszych obszarów (domen). Obszary takie
ułożone są pod katem względem siebie i względem powierzchni ekranu.
Ciekłe kryształy, które znajdują się w różnych domenach, w momencie
przyłożenia napięcia sterującego zawsze obracają się w przeciwnych
kierunkach, co wynika z fizycznych własności kryształów. W rezultacie
zanikają negatywne efekty widoczne przy patrzeniu na monitor pod dużym
kątem, jakie są związane z rozpraszaniem światła.
Szybka matryca MVA
Kontrast i wierność kolorów pozostają
niezmienione, brak jest także utraty jasności
obrazu, co miało miejsce przy matrycach IPS.
Wyświetlacze MVA są także dużo szybsze,
dzięki uproszczeniu tworzenia pola
elektrycznego. Jednak i te super-komórki
posiadają dwie wady. Po pierwsze są one
znacznie droższe niż wyświetlacze TFT i STFT. Po drugie - nie są w stanie zapewnić tak
dużej głębi czerni jak inne matryce.
Niezależnie od wszystkich ograniczeń,
monitory LCD przeszły długą drogę rozwoju w
dość krótkim czasie obecności na rynku.
Nowoczesne modele mogą swobodnie
konkurować z urządzeniami CRT, spełniając
wyrafinowane oczekiwania użytkowników a co
więcej oferując dobrą jasność, liniowość i dużą
rozdzielczość obrazu.
Budowa i działanie LCD-TFT
Matryca TFT-LCD ( Thin Film Transistor Liquid Crystal
Display )
składa się z:
 - warstwy szkła z tranzystorami TFT (podłoże),
 - warstwy szkła z filtrami RGB,
 - ciekłego kryształu wprowadzonego pomiędzy w/w
warstwy.
Tranzystor TFT odgrywa krytyczną role w transmisji i
kontroli sygnałów elektrycznych sterujących ciekłym
kryształem. Kontroluje on przepływ światła poprzez zmian
położenia (reorientacje) molekuł, proporcjonalną do napięcia
sterującego. Przysłaniane światło białe padając na
odpowiednie filtry RGB może utworzy dowolny kolor.
Działanie LCD
Panel LCD składa się w dużym uproszczeniu z kilku
najważniejszych elementów. Dwóch warstw szkła między, którymi
rozłożone są ciekłe kryształy, lamp podświetlających, tranzystorów
oraz ciekłych kryształów :)
Lampy stanowią źródło światła, które jest przepuszczane przez
ciekłe kryształy oraz pomiędzy nimi.
Zewnętrzna warstwa szkła pokryta jest filtrem nadającym kolor
poszczególnym sub-pixelom. Do wewnętrznej podczepione są
tranzystory, przez które przepuszczany jest prąd. One przyciągają
kryształy powodując ich ruch w odpowiednim kierunku (dla
poszczególnych technologiach występują różne ułożenie
kryształów). Zmieniając położenie kryształy zaczynają
przepuszczać światło (lampy podświetlające matryce), nadając
kolor poszczególnym sub-pixelom ulokowanym na przedniej
warstwie szkła. Trzy sub-pixele formują pixel, każdy w kolorze
czerwonym, zielonym oraz niebieskim. Różne kombinacje
kolorystyczne sub-pixeli dają nam obraz oraz kolor na ekranie.
Schemat budowy panelu
ciekłokrystalicznego
Każdy sub-piksel posiada:
- tranzystor sterujący (TFT),
- elektrodę sterującą (Gate Bus-Line),
- elektrodę punktu (IT0) elektroda polaryzująca ciekły kryształ,
- kondensator pamięci (Cs) kondensator podtrzymania napięcia,
- wspólną dla wszystkich sub-pikseli elektrodę odniesienia.
Lampy CCFL
Panel TFT-LCD jest wyposażony w źródło światła białego.
Funkcję tą spełnia układ lamp jarzeniowych nazwanych
CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) zasilany
napięciem zmiennym od 1000 do 1500 V (30 do 70 kHz),
ponieważ prąd stały powoduje wytrącanie jonów rtęci z
gazu co powoduje niestabilne świecenie i krótszy czas
pracy.
Emisja CCFL
Inicjacja procesu świecenia rozpoczyna się w
sytuacji, kiedy dodatnie jony przyspieszane silnym
polem elektrycznym, uderzaj w powierzchnie
katody, wywołuj c wtórną emisje elektronów.
Następuje emisja świata UV w wyniku wtórnej
emisji elektronów. Ultrafiolet padając na materiał
fluorescencyjny wywołuje emisje świata
widzialnego. Napicie zasilania lampy (około 1000V)
spada radykalnie (do 300 700 V), ponieważ
impedancja lampy gwałtownie maleje.
Cechy szczególne monitorów LCD
Monitor LCD, w przeciwieństwie do modeli CRT, wyświetla najlepszy
obraz tylko w rozdzielczości rzeczywistej, ponieważ ma stałą liczbę
pikseli. Oczywiście prezentacja w innej rozdzielczości jest możliwa,
jednak wtedy mamy do wyboru wyświetlanie obrazu na fragmencie
matrycy odpowiadającej danej rozdzielczości (np. 640x480 na panelu
o rzeczywistej rozdzielczości 1024x768) lub na całej powierzchni
ekranu przy użyciu algorytmów skalowania. Jakość obrazu o niskiej
rozdzielczości powiększonego do rozmiarów matrycy zawsze będzie
zdecydowanie słabsza od uzyskanej w rozdzielczości rzeczywistej,
jednak przy sprawnych algorytmach skalowania może być
zadowalająca np. podczas gier. O tym także należy pamiętać, kupując
monitor LCD. Na przykład gracz korzystający z 17-calowego ekranu
wyświetlającego obraz o rozdzielczości 1280x1024 piksele musi
używać karty graficznej o dużej mocy obliczeniowej. Aby zachować
optymalną jakość obrazu w grach, a przy tym zapewnić ich
odpowiednią płynność procesor graficzny musi również przetwarzać
grafikę 3D we wspomnianej rozdzielczości. Dla gracza dysponującego
mało wydają kartą graficzną lepszym wyborem będzie, co prawda,
mniejszy, 15-calowy, lecz jednocześnie mniej wymagający od
podsystemu graficznego monitor o rozdzielczości 1024x768 pikseli.
Rodzaje matryc LCD
Wyróżniamy kilka rodzajów matryc LCD:
 TN (Twisted Nematic)
 MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)
 IPS (In-Plane Switching)
Niestety, na razie nie opracowano matrycy
idealnej. Każda z technologii ma wady i zalety i
każda sprawdzi się lepiej bądź gorzej w
określonych zastosowaniach.
Matryce TN
Najczęściej spotykane w modelach 15
calowych oraz 17 calowych. Pojawiają się
już pierwsze matryce 19'to calowe.
Matryce charakteryzujące się z reguły
znośnym obrazem ale rekompensują ją
bardzo dobrą szybkością działania (jednak
nie wszystkie). Matryce TN jako pierwsze
osiągneły wynik 16 ms (łączny czas reakcji
dla przejścia czarny - biały - czarny).
Jeśli kupujesz panel z wyższym czasem
reakcji to kupujesz historie. Matryce TN
posiadają jedną wadę - kąty widzenia.
Ciężko na nich osiągnąć idealne pole
widzenia.
Monitory oparte o ten typ panela nie
nadają się z reguły do zastosowań
profesjonalnych. Ciężko osiągnąć na nich
dobre odwzorowanie kolorów, gdyż w
większość wypadków wyświetlają one 262
tys kolorów, imitując pozostałe.
Powyższy rysunek obrazujący sposób
działanie matrycy TN oraz
nieuporządkowanego sposobu ich ułożenia
podczas działania.
Panele tego typu nie nadają się do
zastosowań profesjonalnych (mamy na
myśli głównie pracę z grafiką), jednak z
racji niskiej ceny i wspomnianego krótkiego
czasu reakcji (obecnie najnowsze modele
osiągnęły czas ~4ms) dobrze sprawdzą się
w grach i podczas oglądania dynamicznych
materiałów wideo.
Matryce MVA
MVA (Multi Domain Vertical Aligment) jest technologią
wymyśloną przez Fujitsu. Matryce w tej technologii
opanowały segment monitorów 19", 20", 21" calowych.
Segment monitorów 17" jest podzielony pomiedzy te dwie
technologie MVA oraz TN z silną dominacją tej drugiej. MVA
występuje również w 15", jednak ich cena trochę odstrasza Iiyama AX3835UT.
Jedną z pierwszych paneli na rynku o dobrej jakości była
matrycą MVA 17,4" stosowana w modelach Neovo X-174
oraz Beilinea 10 17 40 (oba modele wyszły z produkcji,
podobnie jak matryca).
Obecnie na rynku są matryce 17'to calowe oparte o
technologię Premium MVA.
Matryce MVA
Do najważniejszych zalet MVA należą
bardzo szerokie kąty widzenia - 170
stopni w każdym kierunku. Znacznie
lepsze odwzorowanie kolorów, inne
ułożenie pixeli w matrycy dzięki czemu
są one mniej zauważalne dla
użytkownika. Ma to swoją ogromną
zaletę w wypadku gdy trafi się nam
egzemplarz z nieświecącym pixelem lub
subpixelem. Jest on niezauważalny w
codziennej pracy. W matrycach TN taki
mały szczególik "wali" nam po oczach.
Wszystko było by fajnie gdyby nie
szybkość działania matrycy. Rozpiętość
granicznych przejść kolorystycznych w
pixelach jest bardzo duża. Efektem tego
mogą być czasy reakcji sięgające
prawie 100 ms w skrajnych wypadkach.
Jednak nie jest to nie do zniesienia.
Powyższy rysunek przedstawia jak
rozkładają się ciekłekryształy w
matrycy MVA - pełna regularność,
dzięki której uzyskujemy o niebo
lepszą jakość obrazu.
Pochodne matryc MVA, czyli matryce
PVA oraz WVA
Ponieważ matryce MVA oraz MVA Premium stały się wzorcem
nowej jakości obrazu w LCD, szybko pojawiły się nowe
"technologie" oparte na "Vertical Aligment" czyli
charakterystycznemu, wielokierunkowemu ułożeniu ciekłych
kryształów w ich komórkach. Do takich technologii należy PVA
wymyślone przez Samsunga oraz WVA opatentowane przez
CMO. Różnice pomiędzy nimi a MVA są bardzo małe z punktu
widzenia użytkownika, a wynikają one tylko z powodów
formalnych - czyli uzyskania odzielnych patentów dla nich. PVA
oraz WVA posiadają swoje odpowiedniki również w stosunku do
MVA Premium. W obu wypadkach mamy do czynienia z
dostawioną literką "S" (Super) przed każdą z nazw. Podobnie jak
w MVA Premium mamy tu doczynienia z zwiększonymi kątami
widzenia oraz szybszym czasem reakcji.
Matryce IPS oraz S-IPS
Technologia IPS jest trzecią choć jak na
razie najmniej dotąd popularna
technologią wytwarzania matryc
monitorów LCD. Do tej pory stosowana
była głównie w modelach 18” oraz w
jednym modelu 22”. Ten ostatni
charakteryzuje się bardzo wysoką
rozdzielczością natywną – 3840 x 2400
pixeli o rekordowo małej plamce 0,1245
mm. Jednak czas reakcji jest jak na
dzisiejsze możliwości monitorów bardzo
niski i wynosi aż 50 ms. Kąty widzenia
po 170 stopni w każdym kierunku i tak
nam nie zrekompensują niewiarygodnie
wysokiej ceny, która wynosi około
50.000 zł (październik 2003). Jest to
wybitnie specjalistyczny monitor do
profesjonalnych zastosowań.
W chwili obecnej S-IPS staje się co raz
lepszą technologią. Posiada on zalety
matryc VA (ładne kolory, szerokie kąty
widzenia) oraz TN (szybkość działania).
Wracając do samej technologii, to w
odróżnieniu od poprzednich ułożenie
ciekłych kryształów jest równoległe do
obu warstw szklanych.
Częstotliwość odświeżania
obrazu w monitorach LCD
Bezwładność monitorów ciekłokrystalicznych
jest znacznie większa niż monitorów CRT.
Obraz na monitorze LCD nie migocze, nie ma
więc potrzeby niwelowania efektu migotania
przez zwiększanie częstotliwości
odświeżania. Częstotliwość odświeżania
monitorów LCD dobiera się tak, aby zapewnić
płynne zmiany obrazu przy animacji. Do tego
celu w zupełności wystarczy odświeżanie z
częstotliwością 60Hz, i z taką częstotliwością
pracuje większość monitorów LCD.
Migotanie obrazu
Człowiek odbiera obraz animowany jako ciągły (nie
“skaczący”) przy częstotliwości generowania kolejnych klatek
animacji około 30Hz. Wrażenie ciągłości osiągane przy 30 Hz
nieznacznie poprawia się w zakresie do około 60Hz, po czym
dalszy wzrost częstotliwości klatek animacji nie jest już
postrzegany. Animacja z szybkością 60 klatek na sekundę
jest postrzegana jako idealna. Szybkość generowania klatek
animacji nie ma związku z częstotliwością odświeżania
obrazu i zależy wyłącznie od wydajności podsystemu
graficznego komputera. Jeżeli szybkość generowania klatek
przekracza częstotliwość odświeżania obrazu, to
“nadmiarowe” klatki wogóle nie są wyświetlane – są więc one
generowane niepotrzebnie.
Oferowana przez niemal wszystkie monitory LCD
częstotliwość odświeżania 60Hz zapewnia całkowitą
płynność animacji.
Bezwładność
W przypadku monitorów LCD w poprawnym odbiorze
animacji przeszkadza efekt bezwładności monitora, który jest
widoczny w postaci ciemnych smug w miejscach, gdzie w
trakcie animacji przesuwa się granica pomiędzy jasnymi i
ciemnymi obszarami obrazu. Intensywność tego efektu
zależy od bezwładności matrycy LCD, która jest parametrem
konstrukcyjnym samej matrycy i nie zależy od częstotliwości
odświeżania obrazu. Efekt smug jest wyraźnie widoczny w
matrycach o bezwładności od 30ms wzwyż. Typowe
współczesne matryce ze specyfikowaną bezwładnością 25ms
na ogół wykazują minimalne “smużenie”, praktycznie
niedostrzegalne dla niewprawnego oka (chociaż należy
zauważyć, że matryce różnych producentów o
specyfikowanej identycznej bezwładności zachowują się w
praktyce bardzo różnie). Matryce o bezwładności poniżej
25ms praktycznie nie dają efektu “smużenia”.
Dopalacz kryształów (FFD) czyli
szybszy czas reakcji
Kilka słów na temat technologii FFD (Feed Forward
Driving):
Czas reakcji oraz poruszania się kryształu zależna jest
od wielkości przyłożonego do niego napięcia. Każda z
np. 64 pozycji kryształu dzięki której uzyskujemy
konkretne odcienie ma z góry ustaloną wartość napięcia
docelowego, którą należy przyłożyć, aby kryształ
odpowiednio się umiejscowił produkując uzyskanie
pożądanego odcienia barwy. Konstruktorzy nowej
metody postanowili zwiększyć znacząco wielkość
przykładanego napięcia by kryształ reagował i poruszał
się znacznie szybciej. Aby uzyskać odpowiedni efekt,
dodano moduł pamięci, w którym zarejestrowane są
przejścia między wszystkimi kombinacjami odcieni.
FFD - przykład
Kryształy zazwyczaj mogą się obracać w przedziale <0 - 90> stopni. Więcej nie
trzeba do blokowania/odsłaniania światła. Powiedzmy, że dla kąta 0 stopni mamy
maksymalne zablokowanie strumienia światła czyli brak koloru dla subpiksela, a dla
kąta 90 stopni mamy maksymalne odsłonięcie światła z lamp, czyli maksymalne
nasycenie koloru podstawowego.
Kryształy reagują na przyłożone napięcie. Powiedzmy że 0 stopniom odpowiada 0V,
a 90 stopniom 5V. Zmieniając napięcie uzyskujemy różne wychylenia docelowe
kryształów i różne kąty. W ten sposób uzyskujemy odcienie barw. W tym przypadku
dla napięcia 2,5 V przyjmijmy, że uzyskamy kolor szary (127) (w praktyce tak nie musi
być, bo nie jest to funkcja liniowa, ale dla naszego przykładu możemy tak przyjąć).
Kryształy reagują tym szybciej im większe przyłoży się napięcie, dlatego właśnie tak
"długie" kątowo przejście od 0 stopni do 90 stopni jest szybsze od przejścia
powiedzmy od 0 stopni do 45 stopni (czarny do szarego). A więc w klasycznym
przypadku (teraźniejsze 25ms) podajemy napięcie docelowego koloru (ustalamy je na
stałe) i czekamy, aż kryształ zareaguje - dojdzie do celu.
Ta obserwacja jest podstawą do skrócenia czasu reakcji. Zamiast podawać stałe
napięcie docelowe 2,5V podaje się większe (np. 5V) czyli przejścia do białego aby
dać "kopa" (akcelerację) i po odpowiednio odmierzonym czasie ustawiamy napięcie
docelowe na 2,5V z tablicy w dodatkowej pamięci, aby zatrzymać już kryształ w tym
miejscu (127).
Szczegóły przedstawionej technologii, są bardziej złożone, ale idea jest właśnie taka.
Porównanie CTR - LCD
kolor brązowy - zaleta
kolor niebieski - wada
brak biały - neutralny
Przyszłość wyświetlaczy
Obecnie największe nadzieje wiązane są z
wyświetlaczami organicznymi OLED
(Organic Light Emitting Diodes). Od
produktów LCD różnią się przede
wszystkim tym, że nie wymagają
podświetlania tylnego, a poza tym są
wyjątkowo energooszczędne, dzięki czemu
idealnie nadają się do urządzeń
przenośnych.
Budowa OLED
Panel OLED składa się z kilku elementów, a jego
konstrukcja jest zdecydowanie prostsza niż matrycy LCD.
Dwa polimerowe półprzewodniki typu p i n muszą zostać ze
sobą złączone, a następnie należy przez nie przepuścić
prąd. Skutkiem zachodzących w tym procesie zmian jest
emisja światła. Problemem przy konstrukcji panelu OLED
jest za to uzyskanie równomiernego rozświetlania
powierzchni tworzywa. Różnice w szybkości przepływu
ładunków dodatnich i ujemnych sprawiają, że w prosty
sposób nie można równomierne rozświetlić ekranu. W celu
zapewnienia równomierności rozprowadzania ładunków
elektrycznych stosuje się specyficzne substancje. Innego
rodzaju środki chemiczne niezbędne są do uzyskania
powierzchni świecącej kolorami czerwonym, zielonym i
niebieskim (czyli barwami podstawowymi).
OLED
Wyświetlacze OLED są aktywne lub pasywne.
Aktualnie azjatyccy producenci telefonów
komórkowych stosują prawie wyłącznie
tańsze niewielkie ekrany pasywne. W
wypadku konstrukcji aktywnych niezbędne
jest zastosowanie tranzystorów, które
pozwolą pikselom na długotrwałe świecenie.
Ponieważ materiał ten świeci samoczynnie,
jego "wysterowanie" wymaga napięcia o
nieporównywalnie mniejszej mocy niż w
panelach LCD.
Największy OLED
Największy wyświetlacz OLED pokazał Seiko
Epson. Wykorzystując swoją oryginalną
technologię atramentową, skonstruowała
ekran z wyświetlaczem o 40-calowej
przekątnej. Jest to pełnokolorowy prototyp
ekranu polimerowego (Organic Light-Emitting
Diode, OLED). Urządzenie ma pod wieloma
względami przewagę nad wyświetlaczami
LCD. Oferuje bardzo wysoki kontrast, szeroki
kąt widzenia i krótki czas reakcji. Jeden z
największych problemów w produkcji takich
wyświetlaczy to trudność formowania warstw
organicznych na wielkowymiarowych
podłożach z tranzystorów TFT (Thin Film
Transistors). Firma, mając duże
doświadczenie na rynku drukarek
atramentowych, opracowała oryginalną
technologię pokrywania podłoża TFT
warstwą materiału organicznego. Tak powstał
wyświetlacz składający się de facto z kilku
mniejszych wyświetlaczy.
Ma rozdzielczość 1280x768 pikseli,
38 pikseli na cal, wyświetla 260
tysięcy kolorów. Producent szacuje,
że produkcja na skalę przemysłową
będzie możliwa w roku 2007.
OLED nie bez wad
Do 2007 roku firmy muszą rozwiązać kilka poważnych
problemów z organicznymi wyświetlaczami - m.in.
przedłużyć ich żywotność. Okazuje się bowiem, że
OLED są nietrwałe - przeciętny czas ich pracy wynosi
ok. 2 tys. godzin. Po tym czasie efektywność
elektroluminescencyjnych składników wyraźnie spada.
Japoński koncern pracuje właśnie nad wydłużeniem
czasu ich żywotności do co najmniej 10 tys. godzin. W
2005 r. czas pracy ma zostać podwojony, aby w 2007
roku osiągnąć zakładane 10 tys. godzin. Jeszcze
później czas pracy ma zostać wydłużony o kolejne 5 tys.
godzin. Wtedy też firma zamierza rozpocząć masową
produkcję 40-calowych ekranów OLED.
To co do tej pory
Największe pojedyncze, organiczne
wyświetlacze skonstruowały LG.
Philips i Samsung. Na
międzynarodowych targach Flat
Panel Displays w Japonii LG.Philips
zaprezentował prototypową,
aktywną matrycę OLED, w której
wykorzystano technologię LTPS
(low-temperature polysilicon),
pozwalającą na zaadaptowanie linii
produkcyjnych wykorzystywanych w
produkcji paneli LCD do
wytwarzania matryc OLED. Matryca
Terminu wprowadzenia urządzenia do
OLED pokazana przez LG.Philips
masowej produkcji na razie nie podano. Inne
zawiera 3 miliony pikseli przy
firmy informujące o konstruowaniu
przekątnej 20,1 cala. Z kolei
wyświetlaczy o przekątnych większych niż
zaprezentowany przez Samunga 21- 20,1 cala, m.in. wspomniany Epson, tworzyły
ekrany składające się z kilku matryc.
calowy wyświetlacz OLED
charakteryzuje się rozdzielczością Produkty LG.Philips oraz Samsung są
największymi wyświetlaczami
WUXGA (1920x1200 pikseli) i
jednomodułowymi.
kontrastem 5000:1.
Giętkie panele LCD
Na targach CeBIT Samsung po raz
pierwszy zaprezentował
elastyczny, 5-calowy plastikowy
wyświetlacz ciekłokrystaliczny.
Urządzenie dysponuje dobrymi
parametrami i pozwoli na
stosowanie wyświetlaczy LCD w
całkowicie innych zastosowaniach
niż obecnie. Plastikowe panele
LCD można będzie instalować np.
w hełmach, okularach czy innych
częściach garderoby. Zamiast
szkła zastosowano tu elastyczny
plastik o dużej odporności
mechanicznej. Samsung opracował
największy na razie wyświetlacz
tego typu, dysponujący 5-calową
przekątną. Wyświetlacz
wyprodukowano we współpracy z
kilkoma japońskimi dostawcami
tworzyw sztucznych, m.in.
Ekran pokazany na targach CeBIT dysponuje
rozdzielczością 400 x 300 pikseli i wyświetla 262
tys. kolorów, ma jasność 120 cd/m2, czas reakcji
25 ms, a kontrast 300:1. Producent twierdzi, że
potrzebuje jeszcze mniej więcej 2 lat, aby
technologię tę wprowadzić na rynek masowy.
Najpierw plastikowe wyświetlacze LCD znalazłyby
się w telefonach komórkowych, urządzeniach PDA
oraz w innych produktach mobilnych.
System 3D-LCD - trójwymiarowe
wyświetlacze firmy Philips
Firma Philips od kilku lat wyposaża twórców oprogramowania i
ośrodki akademickie w prototypową wersję swojego systemu 3D,
który mimo swej prostoty zapewnia już stereoskopowe pole
widzenia. Kilka czynników wpływa na nasza, zdolność postrzegania
świata w trzech wymiarach (3D). Należą do nich perspektywa
(różny rozmiar postrzeganych obiektów w zależności od dystansu),
przesłanianie (obiekty bliżej nas zasłaniają obiekty dalsze) i efekty
atmosferyczne (odległe obiekty wydają się rozmyte). Te czynniki i
jeszcze kilka innych pomagają nam w poznawaniu trójwymiarowego
świata. Wiele z nich jest również obecnych w obrazach
dwuwymiarowych, takich jak zdjęcia czy kineskopy telewizorów.
Umożliwia nam to odbiór informacji w 2D tak, jakby była w Ml. To.
czego brakuje obrazom 2D to stereoskopia, czyli fakt. że każde z,
naszych oczu widzi obraz z trochę innej perspektywy. Każde oko
przesyła trochę inną informację do mózgu, który łączy je nadając
efekt głębi.
Przedstawianie dwóch różnych obrazów naszym oczom
jest podstawą wszystkich systemów 3D). Niektóre z nich
używają okularów, które filtrują obraz przesyłany do oka,
inne oddzielają obraz wprost przed oczyma. Jeszcze
inne. tak zwane auto-stereoskopowe unikają takich
warunków, ale w zamian stawiają inne: widz musi
pozostawać w jednej pozycji lub, kiedy możliwy jest
ruch, efekt ograniczony jest do jednego widza. System
Philips 3D-LCD Multiview jest w pełni
autostereoskopowy: nie ma żadnych urządzeń
nakładanych bezpośrednio na głowę, nie ma ograniczeń
co do ruchu widza ani ilości osób mogących
jednocześnie oglądać ten sam obraz.
Wyświetlacz
Wyświetlacz jest zwykłym panelem LCD z arkuszem cylindrycznych soczewek
(rysunek 1). Są one ułożone tak, że punkt skupienia soczewki leży dokładnie
na pikselu LCD pod nim. Kiedy oko patrzy na soczewkę, wprost, skupia ona
wzrok pośrodku, między soczewkami. Drugie oko skupi się trochę na innym
fragmencie, już nie na środku. Obszar LCD leżący za każdą soczewką składa
się z pewnej ilości podpikseli. Stereoskopowa para obrazów, którą widz
postrzega jako 3D jest twożona przez ułożenie tych zestawów do innego
obrazu. Jest to uproszczony opis sposobu w jaki działa ten system. Trzeba
jeszcze dodać, że zamiast dwóch obrazów tworzonych jest aż siedem.
Soczewki
Zastosowanie cylindrycznych soczewek nie jest niczym
nowym, ale w przeszłości stanowiły one nie lada
problem. Pierwszym problemem były ciemne pasy na
wyświetlaczu - odstępy między pikselami LCD. Po
drugie rozdzielczość pionowa i pozioma wyświetlacza
LCD była nierówno rozkładana. Rożne kroki
przedsięwzięte przez naukowców firmy Philips
rozwiązały te problemy.
Każda soczewka przekazuje światło z pikseli pod nią na
front wyświetlacza. Przez to lewe oko widza widzi jeden
zestaw podpikseli, a prawe inny. Każda soczewka w
zestawie zachowuje się dokładnie w laki sposób.
Skutkiem tego na wyświetlaczu widać nakładające się
obrazy złożone z nakładających się zestawów
podpikseli.
Problem pustych przestrzeni pomiędzy podpikselami
powiększonych przez soczewki został rozwiązany przez
ustawienie soczewek przystających, przez co obrazy
pikselowe są raczej przeplatane niż nakładane. Wynikiem
jest obraz bez przerw.
Wiemy, że mamy siedem obrazów ułożonych na zmianę
dla jednego i drugiego oka. Numerując je liczbami od 1 do
7 załóżmy, że obrazy przeznaczone dla prawego oka są
oznaczone liczbami parzystymi. Są one tak ułożone, że
kiedy lewe oko widzi np. obraz piąty, to oko prawe widzi
obraz trzeci. Jeśli przesunie się trochę w prawo, jego lewe
oko będzie widziało obraz czwarty, a prawe obraz drugi.
Oczy widzą zatem cały czas inne obrazy, łącząc je w obraz
trójwymiarowy System ten pozwala na nieskrępowane
ruchu głowy bez straty jakości 3D. Zasada ta została
pokazana na rysunku kolorowym na okładce bieżącego
numeru „SE".
Skos soczewek
Przeplatanie się obrazów
o numerach parzystych i
nieparzystych osiągane
jest przez układanie
soczewek w lekkim
skosie (9 46°) biorąc pod
uwagę ułożenie pikseli.
Zostało to na rysunku.
Przerywane linie
pokazują jak grupowane
są piksele aby mogły
stworzyć różne obrazy.
Ponieważ LCD jest w punkcie skupienia
systemu soczewek, pozycje pikseli w
wyświetlaczu łącza, się z danym kątem
widzenia. W związku z rym wszystkie
punkty wzdłuż linii A są widziane przez
jedno z oczu widza w pewnym kącie
patrzenia. Linia A odnosi się do pozycji, w
której widziane są piksele obrazu
trzeciego. Pod każdą soczewką piksele
obrazu trzeciego pokazują się w
kolejnych wierszach. Linia C pokazuje
inną pozycję, w której wyświetlany byłby
obraz czwarty.
Kiedy oko przenosi się miedzy pozycjami
do których odnoszą się linie A i C
widoczne jest przejście, ponieważ obraz
trzeci wygasa a obraz czwarty
równocześnie się pojawia. To spokojne
przejście stwarza wrażenie trwałego
obiektu zamiast obrazów
przeskakujących z jednego do drugiego.