Жидкие картинки: Дисплейные матрицы
Заканчивается 2010 год, и мы уже давно перестали замечать, насколько прочно в нашу жизнь влились тонкие дисплеи. Мобильный телефон, подмигивающий ярким экраном, электронные часы, которые носишь уже по привычке, информационные дисплеи в холлах кинотеатров и даже тоненький «ридер» в руках симпатичной студентки – за все это (кроме студентки) спасибо современным технологиям.
Несмотря на обилие различных технологий создания тонких дисплеев, наибольшей популярностью пользуются экраны на жидких кристаллах. Они были открыты еще в 1888 году, однако их практическое применение и реализация в дисплеях начались лишь спустя десятки лет. Хотя если бы инженеры прошлого догадывались о перспективах открытия, кто знает, наверняка бы в музейных экспозициях Второй мировой мы обнаружили старенькие карабины M1 Grand с тепловизорами и ЖК-счетчиками боекомплекта.
Сейчас трудно себе представить современное устройство, будь то телефон, плеер или монитор, в котором нет ЖК-дисплея. Электронные часы и калькуляторы – вот они, первые массовые продукты, использующие жидкие кристаллы, которые были приручены в 70-х годах прошлого века.
Первые из них, естественно, были монохромными. Буквально через десяток лет появились матричные дисплеи, которые могли воспроизводить черно-белое видеоизображение, а прямо вслед за ними свет увидели и цветные матрицы. На сегодняшний день одним из двигателей «жиденькой» индустрии являются дисплеи мониторов.
Казалось бы, все ЖК-мониторы схожи друг с другом, чем им там отличаться, кроме как диагональю и производителями? Но не тут-то было. Технологий, определяющих основные дисплейные качества монитора, существует немало.
А как это у вас тут работает?
Жидкокристаллический дисплей имеет строение лазаньи , где слой жидких кристаллов находится между двумя полированными прозрачными панелями. На панелях расположены направляющие для кристаллов пленки с мельчайшими засечками, которые и являются «регулировщиками светопропускаемости» в мониторе. То есть по сути каждый пиксель жидких кристаллов – это маленькая дверца, которая, приоткрываясь, регулирует количество света, проходящего через нее. Кристаллы меняют свое положение при воздействии на них разряда электрического тока – чем выше напряжение, тем меньше света пропускают жидкие кристаллы. В цветных матрицах каждый пиксель состоит из трех ячеек: красной, синей, зеленой (знакомая с детства аббревиатура RGB – Red, Green, Blue). Так как ячейки сами светиться не могут (в отличие от тех же OLED), в ЖКмониторах используется задняя подсветка, обычно состоящая из 4-6 ламп, сейчас активно заменяемых светодиодами. Здесь кстати, наши друзья из Поднебесной зачастую халявят, в результате чего подсветка ЖК-экрана получается неравномерной – где-то по бокам экрана зияют белые пятна, а вот ближе к центру и в углах наблюдаются темные участки.
Сегодня ЖК матрицы производят по разным технологиям, которые имеют свои очевидные достоинства и недостатки.
Кому подешевле?
Самый старый, дешевый, распространенный и простой в производстве вид матриц – это TN (Twisted Nematic). В TN-матрицах жидкие кристаллы «живут» по технологии спирального расположения.
При подаче напряжения кристаллы постепенно разворачиваются и препятствуют прохождению света. Интенсивность подачи света полностью зависит от напряжения, подаваемого на кристаллы. К сожалению, добиться эффекта полного черного цвета в этих матрицах достаточно проблематично. Плохая цветопередача и небольшие углы обзора – все это из-за асинхронности движения кристаллов при их поворотах.
Кристаллы не успевают разворачиваться, в результате чего световой поток рассеивается. Но благодаря экономичности ввиду небольшого потребления энергии и максимальной скорости срабатывания ячейки данная технология до сих пор очень популярна. Тем более что в слегка улучшенной ее версии – TN+Film – имеется дополнительный слой для увеличения угла обзора. Для работы в офисных приложениях – это самый наилучший вариант, так что самая старая технология по-прежнему остается самой популярной.
До чего дошел прогресс – монитор на IPS!
Стандартом для профессиональных мониторов являются матрицы IPS (In-Plane Switching). Эти матрицы предназначены в первую очередь для тех, кто занимается компьютерной графикой, потому как IPS обеспечивает самую высокую контрастность и цветопередачу среди всех остальных типов дисплейных матриц. Технология IPS в корне отличается от TN – здесь кристаллы в матрице не поворачиваются, пока на экран не подается напряжение. Второй цветовой фильтр остается всегда повернутым перпендикулярно первому, так что свет через него не проходит, и кристаллы остаются идеально черными. Минусы данной технологии заключаются в меньшей скорости срабатывания ячейки (то есть слишком большое время отклика) и высокой стоимости. При выходе из строя пикселя на экране появляется черная точка (а не белая как у TN), так как при отсутствии напряжения второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому и не пропускает свет.
Свежий Apple iPhone 4, подаренный, кстати, нашему президенту самим Стивом Джобсом за день до начала продаж, как раз имеет 3.5-дюймовый IPS-дисплей с разрешением 960x640. Именно экран, именуемый разработчиками Retina (от англ. «сетчатка»), с IPS-матрицей, является чуть ли не главной фишкой нового iPhone. В нем размер каждого пикселя уменьшили до такого состояния, что его едва-едва можно разглядеть невооруженным глазом. Но уже сейчас есть прототипы дисплеев, в которых без увеличительного стекла пиксели никак не разглядеть – таким образом, получается, что картинка на такой матрице будет иметь идеальную детализацию, практически как в жизни. Текст, отображаемый мелким шрифтом, выглядит более резко, что делает процесс чтения гораздо комфортнее. А вот при просмотре видео быстро меняющиеся кадры будут немного «замылены» ввиду главного недостатка IPS – большого времени отклика.
В общем, если тебе нужно максимальное качественное изображение, то с уверенностью можно сказать, что матрицы IPS – это то, что нужно. Но перед этим придется договориться с самим собой, чтобы выложить за обычный монитор пару-тройку десятков тысяч рублей.
Золотая середина PVA (Patterned Vertical Alignment) и MVA (Multi-domain Vertical Alignment) – именно эти технологии ЖК-матриц являются той самой золотой серединой между идеальным качеством и низкой ценой. В выключенном состоянии в VA-матрицах кристаллы расположены перпендикулярно плоскости экрана, то есть не пропускают свет. В матрицах MVA углы обзора составляют до 176°-178°. Как и в IPSматрицах, пиксели, вышедшие из строя, на экране видны как черные точки. Особых существенных различий между технологиями PVA и MVA нет, просто PVA является фирменной разработкой компании Samsung.
Главным достоинством матриц типа VA, помимо стоимости и энергопотребления, является высокая контрастность, яркость изображения и цветопередача (намного лучше, чем у TN, но все же малость хуже IPS), а также малое время отклика и максимально широкие углы обзора.
У этих двух технологий есть улучшенные версии: Premium MVA и Super-PVA. Их отличает еще меньшее время отклика, так как в них применяется система динамического повышения напряжения для отдельных участков матрицы, именуемая Overdrive, а контрастность и цветопередача намного лучше и, можно сказать, сравнима с IPS. Но из недостатков можно отметить искажение в полутонах при даже небольшом отклонении взгляда.
PVA- и MVA-матрицы – самый оптимальный вариант для домашней мультимедийной и игровой системы. Живые полупроводнички OLED (Organic Light Emitting Diode) – технология на основе органических светоизлучающих полупроводников. Полупроводники наносятся на подложку тонкими слоями, но при этом никакой дополнительной подсветки им не требуется. Органические светодиоды-пиксели при пропускании через них электрического тока начинают светиться в десятки раз ярче ЖК-мониторов, обеспечивая высокую динамичность, контрастность, хорошую цветопередачу, углы обзора до 180° и широкую цветовую палитру.
OLED-экран представляет собой матрицу, состоящую из ячеек трех основных цветов: красный, синий, зеленый. Для получения нужного цвета регулируется напряжение на каждой из ячеек, в результате смешения разных цветов с разной яркостью и получается итоговый цвет всего пикселя. С новой технологией больше не будет битых пикселей – органический дисплей имеет небольшую толщину и высокую гибкость.
Такой дисплей даже можно свернуть в трубочку и прихлопнуть надоедливую муху. Органическая пленка, лежащая в основе OLED-экранов, устойчива к ударам, так что теперь хоть бей, хоть роняй свой телефон экраном вниз, ему будет, что называется, «по барабану». Но не все так идеально, как звучит. Что нельзя разбить, то все равно можно как-нибудь испортить – органические соединения губит кислород. Инженеры многих компаний пытаются с этим бороться, изолируя органику под слоем полимера, изза чего возрастает толщина дисплея, утрачивается гибкость, и он становится менее устойчив к ударам. Из очевидных минусов стоит отметить относительно низкое время службы – порядка 2-3 лет. Но для большинства мобильных устройств, будь то телефон или планшетный компьютер, этого времени будет вполне достаточно – все равно у многих из нас карманная электроника дольше не задерживается.
Transparent OLED состоит из прозрачных органических светодиодов. Когда ток не подается на дисплей, то он практически прозрачен, а при включении он пропускает свет в обоих направлениях. Такая технология улучшает контраст изображения, читать текст становится намного удобнее даже при ярком солнечном свете, в то время как обычные дисплеи очень негативно относятся к прямым солнечным лучам – в солнечную погоду прочитать или разглядеть на экране что-то просто невозможно. Даже великий и ужасный iPad с IPS-матрицей под яркими лучами калифорнийского солнца становится настоящим зеркалом – хоть на стену вешай.
TN – дешево, быстро, но с посредственной цветопередачей. Подходит для игр. IPS – дорого, медленно, самые лучшие цвета. Выбор дизайнера. MVA – промежуточный вариант с неплохой цветопередачей, низкм временем отклика и средней ценой. Пожалуй, самый оптимальный вариант.
Серо и экономично
Еще одна популярная технология носит название E Ink, то есть «электронные чернила». В данном случае применяется матрица, аналогичная таковой в ЖК-мониторах, только на нее наносят не кристаллы, а слой микроскопических прозрачных капсул, в которых находится вязкая жидкость с положительно заряженными частицами белого цвета и отрицательно заряженными черными. Эти частицы можно заставить всплыть к лицевой поверхности экрана или, наоборот, «утопить» с помощью электрического заряда на подложке, что, в свою очередь, позволяет видеть текст, будто он напечатан обычной типографской краской. Белый пигмент отражает свет, не создавая бликов, подобно белому листу бумаги.
Электронные чернила также имеют свойство бистабильности – то есть если снять напряжение с ячейки, частицы краски останутся там же, где и находились, и для удержания картинки не придется затрачивать электроэнергию. Другими словами, для постоянного отображения одного кадра не требуется непрерывная подача тока на матрицу, она нужна лишь для того, чтобы перестроить ячейки, сменив тем самым структуру изображения (к примеру, если нужно перелистнуть страницу в электронной книге). Угол обзора у E Ink-дисплеев больше, чем у обычных ЖК-экранов, матрицы гораздо более гибкие и тонкие (такие же, как и OLED), а самое главное – они фактически безвредны для глаз человека. В ЖКмониторах используется подсветка импульсными газоразрядными лампами, от чего человеческий глаз сильно устает, в то время как для электронной бумаги подсветкой служит отраженный свет. Общеизвестно, что отраженный свет для глаз практически безвреден, в то время как взгляд на источник света сильно утомляет.
Данная технология была представлена всего несколько лет назад, и вот уже в течение пары лет активно применяется в электронных книгах, коих было выпущено невероятное множество. Но несмотря на все положительные качества, включая даже некоторую многоцветность (дисплей умеет отображать до 6 оттенков серого), электронные книги очень сильно бьют по карману граждан, ведь продаются они приблизительно за ту же стоимость, за которую можно купить средней руки нетбук. А ведь «электробумага» разрабатывалась как раз для того, чтобы вскоре заменить газеты и журналы, сделав E Ink-дисплеи такими же дешевыми и недорогими, как бульварные газеты.
Альтернатива E Ink
Mirasol – новая и перспективная технология электронной бумаги от компании Qualcomm. Принцип ее работы заключается в отражении нужной длины волны, благодаря чему меняется цветовое состояние ячейки, формирующей пиксель. Mirasol более проста в работе и обеспечивает большую яркость картинки, чем E Ink, да к тому же требует еще меньших энергозатрат. Из основных достоинств – более высокая скорость обновления изображения, что позволяет просматривать видео с тем же комфортом, что и на обычном ЖК-экране. Дисплеи Mirasol используют крошечную отражающую поверхность, где пиксели похожи на чешуйки крыльев бабочки. Благодаря их строению создается впечатление, будто они мерцают, поэтому при ярком освещении дисплей фактически становится ярче.
Существующий Mirasol-дисплей поддерживает разрешение 1024х768 пикселей и обладает диагональю в 5.7 дюймов. Запуск массового производства намечается на начало 2011 года.
Очень здорово, что мы живем в такое время, когда есть чему удивляться, а от демонстрации перспективных разработок до готовой продукции проходит пара лет. Еще совсем недавно OLED и E Ink были чем-то невероятным, и широкой публике демонстрировались лишь «сырые» лабораторные образцы. И вот уже сейчас, спустя два-три года, можно увидеть на полках магазинах электронные читалки с E Ink-экранами и телефоны с OLED. Это действительно круто.
Не разгадай человечество тайну жидких кристаллов, пользоваться бы нам сейчас коммуникаторами с ЭЛТ-экранами, как в Pip-Boy 3000 из Fallout.
