LCD, PDP, LEP мониторы

На протяжении всей истории персональных компьютеров их неизменными спутниками оставались мониторы, построенные на основе использования электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). Известно, что изображение в таких мониторах создается за счет излучения света люминофором, который размещается на внутренней поверхности трубки. Активируется люминофор в результате его бомбардировки заряженными частицами, выпускаемыми электронной пушкой, располагающейся в основании катодной трубки. Именно благодаря такой конструкции ЭЛТ-мониторы обладают большими габаритами, которые практически не представляется возможным уменьшить без резкой потери качества изображения. Еще одним и, на мой взгляд, самым важным минусом при работе за таким монитором является то, что здоровье пользователя постоянно находится под ударом: усталость глаз и постепенное снижение зрения, постоянное облучение и нахождение в статическом поле. Да, хотя стандарты безопасности с каждым годом становятся все жестче, но все равно это проблему не снимает. Тогда возникает разумный вопрос: стоит ли экономить деньги на своем здоровье, если есть возможность приобрести более безопасное устройство?

В этом обзоре будут подробно рассмотрены альтернативные технологии производства мониторов от уже довольно распространенной LCD и до еще таких довольно экзотических как PDP и LEP. Автор постарается объективно дать оценку каждой технологии, указать на все их плюсы и минусы.

Итак, начнем, пожалуй, с LCD-мониторов, как наиболее реальной замене старичку ЭЛТ.

LCD-мониторы

Широко распространенной альтернативой электронно-лучевым мониторам выступают матрицы на жидких кристаллах (Liquid Crystal Display или LCD). Впервые эту технологию стали применять на рынке портативных компьютеров. Первые LCD-мониторы были монохромными, унаследовав эту особенность у своих предшественников - экранов для наручных часов и калькуляторов. Впоследствии на свет появились и цветные образцы.

В основе технологии, пот которой создаются жидкокристаллические мониторы, лежат особые физико-химические свойства группы веществ, которые условно называют жидкими кристаллами. По сути, это особые жидкости, молекулы которых взаимно ориентированы. В результате жидкие кристаллы проявляют однородность физических свойств, которые можно менять, подавая напряжение на полюсные контакты, расположенные по краям матрицы, заполненной жидкими кристаллами. При этом молекулы вещества меняют свою пространственную ориентацию. Вследствие всего этого оптические свойства матрицы меняются: изменяется степень ее прозрачности и характеристики отражаемого света.

Хочу сразу отметить тот факт, что процесс внедрения LCD-мониторов тормозился с одной стороны тем, что эта технология была на те времена довольно нова и еще сыра, свойства жидких кристаллов открывались постепенно; с другой - стоимость ЖК-матриц была слишком высока, вследствие чего готовые продукты на их основе не могли конкурировать с довольно дешевыми, относительно LCD, ЭЛТ-мониторами.

матрица LCD

Необходимо пару слов сказать об эффекте поляризации. Поляризация - это отклонение от равновесного значения разности потенциалов между гальваническим электродом и раствором при прохождении электрического тока. Поляризация основана на поляризуемости отдельных веществ. Поляризуемость - способность атомов, ионов и молекул в электрическом поле Е приобретать дипольный момент р равный: р=aЕ. Иногда коэффициент пропорциональности "a" называют поляризуемостью. Как же это применяется в ЖК-матрицах? Каждый элемент ЖК-матрицы представляет собой один пиксел изображения. Для того, чтобы упорядочить все молекулы ЖК-наполнителя (тем самым придав нужные свойства), необходимо создать поляризационный эффект. Для этого на подложки экрана нанесены микроскопические направляющие каналы, вертикальные на одной стенке и горизонтальные на другой.

Однако был замечен и такой факт: молекулы ЖК-наполнителей примерно таким же образом реагируют при попадании на них луча света, как и при наличии или отсутствии электромагнитных полей. Поэтому вся матрица пикселов подвергается подсветке от внешнего источника - прямым или отраженным светом. В результате этого все молекулы экрана синхронно поворачиваются на определенный угол относительно направления луча света, в следствие чего в итоге мы получаем равномерно окрашенный экран.

Но тут возникает небольшая дилемма. Человеческий глаз не способен зафиксировать изменение плоскости поляризации без дополнительных устройств. Поэтому на внешнюю часть ЖК-матрицы обычно надевают еще два специальных фильтра. Эти поляризационные фильтры пропускают через себя без потерь поток света с соответствующей осью поляризации и задерживает остальные.

Принцип формирования изображения на LCD-мониторе аналогичен ЭЛТ-мониторам, то есть при помощи точек-пикселей. Однако вместо луча электронной пушки, бьющего в слой люминофора, мы имеем дело с большим количеством электродов, каждый из которых, собственно и отвечает за единичный пиксел изображения. Однако, каким же образом пиксел изображения окрашивается в нужный цвет? Есть два способа решения данной проблемы. Первый представляет собой разложения белого цвета на составляющие части при помощи цветовых фильтров. Но здесь палка в двух концах. С одной стороны это довольно простой и недорогой способ, с другой же - потери силы светового потока при прохождении через систему фильтров оказываются весьма значительными.

Второй способ намного более приемлем, но соответственно и дороже, так как требует точной технической реализации. В этом случае обыгрывается динамическое изменение характеристик вектора поляризации потока в результате изменения подаваемого напряжения. Разные части спектра светового потока реагируют на такое изменение по-разному, поэтому "лишние" части излучения можно попросту отсеивать.

Пассивные и активные LCD матрицы

За свою не столь долгую историю жидкокристаллические матрицы, а, следовательно, и мониторы на жидких кристаллах успели пережить смену нескольких поколений. Самыми первыми появились LCD-мониторы с так называемой пассивной матрицей, активно использовавших технологию STN (Super Twisted Nematic), которая увеличивала угол кручения молекул внутри матрицы монитора до 270°, повышая тем самым общую контрастность изображения. Пассивные мониторы подразумевали наличие обособленных электродов, каждый их которых отвечал за формирование отдельного пиксела изображения независимо от других, т.е. подсветка осуществлялась попиксельно. Сам термин "пассивная" указывал на то, что электроемкость каждой ячейки требовала определенного времени на смену напряжения, что в результате приводило к тому, что все изображения перерисовывалось довольно долго, буквально строка за строкой. Таким образом, на пассивных матрицах еще можно было работать в офисных программах, в то время, как динамическое изображение казалось заторможенным и размазанным (хотя, кому-то это явно нравилось если брать в расчет Motion Blur ;о). Кроме того, электроды довольно часто интерферировали друг с другом, создавая тем самым некрасивые разводы.

В последствии на смену пришла технология двойного сканирования, которая заключалась в следующем. Вся активная область экрана разделялась на две части. Таким образом, прорисовывание изображения происходило параллельно в обеих частях. Как следствие, частота обновления удваивается, а смазанность и дрожь практически исчезает. Сегодня еще можно встретить портативные компьютеры, использующие матрицы двойного сканирования. Однако, мониторы для персональных компьютеров изготавливаются уже по другим принципам.

Более дорогой, чем в случае с двойным сканированием, но, соответственно, и более качественный способ отображения экрана на жидкокристаллический монитор - это применение так называемых активных матриц. В этом случае также действует принцип один электрод - одна ячейка, однако каждый пиксел экрана обслуживает еще и дополнительный элемент, который, во-первых, снижает время, уходящее на смену напряжения на электроде (практически в шесть раз по сравнению с пассивной матрицей), а, во-вторых, устраняет опасность взаимодействия соседних ячеек друг с другом. В результате повышаются практически все параметры изображения - четкость, яркость и скорость перерисовки. Благодаря прикрепленному к каждой ячейке транзистору матрица "помнит" состояние всех элементов экрана, и сбрасывает его только в момент получения команды на обновление. Кроме того, увеличивается угол обзора, что в свое время было большой проблемой: при отклонении головы пользователя от перпендикулярного по отношению к монитору состояния изображения начинало тухнуть и смазываться.

Самой же последней технологией в мире LCD-мониторов следует считать внедрение тонкопленочных компьютеров, или TFT (Thin Film Transistor). Это - сверхтонкие пленки, толщина которых измеряется сотыми долями микрона. Матрица такого монитора состоит из огромного количества микроскопических транзисторов. К сожалению, продвижение этой технологии к массовому пользователю затруднено слишком дорогим и капризным технологическим процессом, во многом схожим с выращиванием кристаллов для подложки процессоров.

Стоит ли игра свеч?

Бытует мнение, что один из главных недостатков LCD-мониторов кроется в их фиксированном разрешении, которое жестко определяется количеством пикселей по горизонтали и вертикали и, соответственно, плотностью ячеек на дюйм. Однако, это не совсем верно. Да, это факт, что максимальное разрешение каждой матрицы строго определяется производителем и превысить его ну ни как не удастся. Однако тем же недостатком фактически обладают и обычные ЭЛТ-мониторы. Понизить же рабочее разрешение на ЖК-мониторах можно двумя принципиально различными способами. Во-первых, изображение может сжиматься вокруг центра экрана, оставляя вокруг себя черную рамку незадействованных ячеек. Во-вторых, разрешение изменяют, прибегая к интерполяции, то есть для обеспечения переходя между виртуальными пикселями растянутого изображения будут применять усредненные значения ячеек.

Этак, какие же плюсы мы имеем, приобретая на данный момент LCD-монитор взамен ЭЛТ-монитору? Во-первых, практически полная безвредность для человеческого организма. А это, на мой взгляд, один из самых важных факторов, влияющих на выбор именно этой технологии. Во-вторых, это компактность, удобство эксплуатации и эргономичность. Ну и в-третьих, абсолютно плоский экран, который способен воспроизвести изображение без малейших искажений. Из отрицательных моментов можно выделить все еще высокую цену и невозможность (на данный момент) полностью корректной цветопередачи.

PDP. Плазменные экранные матрицы

Прообразом для создания плазменных экранных матриц (Plasma Display Panels) стали самые обычные лампы дневного освещения. Плазменные мониторы состоят из полой стеклянной панели, заполненной газом. На поверхность внутренней стороны стенок выведены микроскопические электроды, образующие две симметричные матрицы, а снаружи эта конструкция покрыта слоем люминофора. Когда на контакты подается ток, между ними возникает крошечный разряд, который заставляет светиться (в ультрафиолетовой части спектра) располагающиеся рядом молекулы газа. Следствием этого является освещение участка люминофора, как это происходит в обычных ЭЛТ-мониторах.

Основные плюсы этой технологии это: во-первых, плазменные мониторы выгодно отличаются от своих конкурентов высокой яркостью и контрастностью изображения; во-вторых, в их габаритах составляющая толщины представляет собой ничтожно малую долю. Основные минусы, не позволяющие использовать эту технологию для производства мониторов, это низкая разрешающая способность и крайне высокая энергоемкость. Кроме того, стоимость таких устройств является заоблачной для массового пользователя. Да и проблемы с цветопередачей для PDP также актуальны, как и для всех прочих решений, отличных от ЭЛТ. Впрочем, сегодня еще рано судить о том, какая из существующих технологий придет на смену ЭЛТ. При современных темпах разработок и внедрения ответ на этот вопрос мы должны получить в течение ближайших трех лет.

LEP. Светоизлучающие пластики

Иная альтернатива развития мониторов, не связанная с существующими наработками - технология изготовления и использования дисплеев на основе так называемых светоизлучающих пластиков.

первый монитор, построенный по технологии LEP

Светоизлучающие пластики (Light Emission Plastics) - сложные полимеры с рядом интересных свойств. Вообще-то, использование пластических полимерных материалов в качестве полупроводников началось уже довольно давно, и встретить их можно в самых различных отраслях техники, в том числе и в бытовой электронике, включая персональные компьютеры. Однако некоторые представители этого семейства обладали и довольно необычным свойством - способностью эмитировать фотоны под воздействием электрического тока, то есть светиться.

технология LEP позволяет довести обзорность до 1800

Поначалу КПД полимерных светильников был крайне низким, и соотношение излучаемого света к затраченному потоку электронов измерялось долями процента. Но в последнее время компания Cambridge Display Technology существенно продвинулась в разработке светоизлучающего пластика и повысила эффективность этих материалов в сотни раз. Сейчас с уверенностью можно сказать, что LEP сравнились по своей функциональности с привычными светодиодами. Поэтому на повестку дня стал вопрос об их практическом применении.

кусочек светоизлучающего пластика

LEP необычайно просты и дешевы в производстве. В принципе, LEP-дисплей представляет собой многослойный набор тончайших полимерных пленок. Даже по сравнению с экранами на жидких кристаллах пластиковые мониторы кажутся совсем тонкими - всего пары миллиметров вполне достаточно для воспроизводства на них качественного изображения. По многим же параметрам светоизлучающие пластики превосходят всех своих конкурентов. Они не подвержены инверсионным эффектам, что позволяет менять картинку на таком дисплее с очень высокой частотой. Для работы LEP расходуют электрический ток слабого напряжения, да и вообще отличаются низкой электроемкостью. Кроме того, то, что пластик сам излучает, а не использует отраженный или прямой поток от другого источника, позволяет забыть о тех проблемах, с которыми сталкиваются производители мониторов на жидких кристаллах, в частности - ограниченного угла обзора. Конечно, не обошли эту еще молодую технологию и свои специфические проблемы, такие, например, как ограниченный срок службы полимерных матриц, который сегодня намного меньше, чем у электронных трубок и ЖК-дисплеев. Другая проблема касается воспроизведения светоизлучающим пластиком цветных изображений.

схема технологии LEP

Таким образом, подводя итог всему вышесказанному, хочу отметить тот факт, что в ближайшие три года прямым наследником ЭЛТ-мониторов будет все-таки LCD-мониторы. Эта технология развивается уже довольно давно по компьютерным меркам, что дает основание говорить о том, что техпроцесс все улучшается, а себестоимость продукции падает, становясь все более доступной массовому пользователю.

Дополнительные материалы: