Матрица: "перезагрузка"

ОДНИМ ИЗ ВАЖНЫХ «ОРГАНОВ» НОУТБУКА ЯВЛЯЕТСЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ДИСПЛЕЙ (TFT LCD). СУЩЕСТВУЮТ СЛЕДУЮЩИЕ КЛЮЧЕВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛЮБОГО ЖК-ДИСПЛЕЯ: КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, РАЗРЕШЕНИЕ И РАЗМЕР, ЯРКОСТЬ, КОНТРАСТНОСТЬ, АНТИБЛИКОВОЕ ПОКРЫТИЕ, УГОЛ ОБЗОРА, ЦВЕТОПЕРЕДАЧА, ВРЕМЯ ОТКЛИКА.

КОНСТРУКЦИЯ

Представим себе простейшую матричную ЖК-панель с подсветкой. Даже простейшая матрица представляет собой сложную многослойную конструкцию.

Однако все эти рабочие слои сами по себе свет не излучают, они могут либо пропускать его, либо не пропускать. Чтобы увидеть на экране изображение, необходим дополнительный источник света. Для этого используют специальные лампы подсветки. В зависимости от строения матрицы дисплея искусственный источник света помещают либо позади экрана, и в этом случае речь идет о так называемой задней подсветке (Backlight), либо перед дисплеем, либо по бокам — передняя или боковая подсветка.

Свет от лампы проходит через систему отражателей, затем направляется через первый поляризационный фильтр и попадает в слой жидких кристаллов, контролируемый транзистором. После этого свет проходит через цветовые фильтры (каждый пиксель матрицы строится из трех компонентов цвета — красный, зеленый и синий). Транзистор создает электрическое поле, задающее пространственную ориентацию жидких кристаллов. Свет, проходящий через такую упорядоченную молекулярную структуру, меняет свою поляризацию и в зависимости от нее будет либо полностью поглощен вторым поляризационным фильтром на выходе (образуя черный пиксель), либо не будет поглощаться или поглотится частично (образуя различные цветовые оттенки, вплоть до чисто белого).

В чем же фокус? В жидких кристаллах и поляризации.

Большинство молекул в жидком кристалле имеют вытянутую форму. Если жидкий кристалл попадает в электрическое поле, его молекулы выстраиваются между электродами подобно тому, как металлические опилки выстраиваются в магнитном поле. Электроды расположены по обе стороны от кристалла, поэтому поле разворачивает длинные молекулы вдоль силовых линий. Чем сильнее разность потенциалов между электродами, тем меньше поворот вектора поляризации, производимый ЖК. И тем меньше света выходит из второго поляроида наружу. Когда разница потенциалов усиливается настолько, что отклонения вовсе не происходит, точка становится черной (прутковые молекулы вытягиваются между поляроидами и больше не влияют на поляризацию света).

В отсутствие внешнего воздействия кристаллы пропускают свет через поляризаторы, в результате чего точка становится светлой (фактически просвечивается свет от лампы подсветки).

В зависимости от схемы подсветки дисплеи делятся на три категории.

Рефлективный

Рефлективная (Reflective) конструкция дисплея подразумевает наличие на заднем плане зеркального слоя, а лампы подсветки расположены перед дисплеем по бокам (боковая подсветка). Свет от лампы или от солнца проходит сквозь матрицу и, отражаясь от зеркала, формирует картинку. Сделано это для того, чтобы картинка была хорошо видна при ярком солнечном свете. Однако в помещении качество картинки оставляет желать лучшего, так как свет от лампы дважды проходит сквозь ЖК-панель, и, поскольку ее мощность гораздо меньше солнечных лучей, контрастность падает. К тому же при таком строении дисплея довольно трудно добиться ярких и сочных цветов.

Трансфлективный

Конструкция дисплеев с трансфлективной (Transflective) матрицей подразумевает наличие задней подсветки и полупрозрачного полуотражающего слоя между ЖК-матрицей и лампой подсветки. Такая прослойка при правильно подобранном соотношении характеристик прозрачности и отражения обеспечивает хорошее качество картинки как в условиях искусственного освещения, так и при ярком солнечном свете. При работе в помещении частично отражающий слой пропускает свет от лампы подсветки через себя с небольшими потерями, и картинка на экране отображается с хорошей контрастностью и четкими и сочными цветами. При прямом солнечном свете тот же слой работает в качестве зеркала, как и в случае с рефлективной матрицей, правда, отражается не весь свет — часть все же поглощается, но, учитывая мощность источника (в данном случае это солнце), оставшегося вполне хватает для нормальной работы.

Трансфлективный тип конструкции самый дорогой из применяющихся сегодня в ноутбуках, однако в последнее время матрицы с подобной конструкцией становятся все более и более популярными.

Трансмиссивный

В данном случае используется задняя лампа подсветки, и свет, проходя через матрицу, формирует четкое изображение с яркими цветами. Одна из основных проблем таких экранов — плохая видимость при ярком дневном свете. Дело в том, что солнечное освещение в тысячи раз сильнее лампы подсветки, и поэтому отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, который она излучает.

Для борьбы с этим производителям приходится идти на ряд ухищрений. Самый простой способ — это увеличить яркость лампы (или добавить вторую лампу подсветки). Основной минус — увеличение энергопотребления и как следствие снижение общего времени автономной работы ноутбука. Второй путь — это модификация рабочих слоев матрицы, например, нанесение антибликового покрытия на один или несколько слоев дисплея, замена стандартного поляризационного слоя на минимально отражающий, добавление «повышающих яркость пленок», увеличивающих эффективность источника света.

Трансмиссивному (Transmissive) дисплею просто нет равных по качеству выдаваемой картинки, поэтому неудивительно, что в большинстве современных ноутбуков используются матрицы именно с этим типом конструкции.

ТЕХНОЛОГИЯ

На сегодняшний день при производстве дисплеев для ноутбуков используют три основных технологии.

TN (Twisted Nematic) + Film TFT

В основе технологии лежит традиционная технология скрученных кристаллов (TN). Термин «Film» обозначает дополнительное наружное пленочное покрытие, позволяющее увеличить угол обзора со скромных 90° (по 45° с каждой стороны) до впечатляющих 140°.

Транзистор находится в выключенном состоянии, не создавая электрического поля, молекулы жидких кристаллов находятся в нормальном состоянии и выстроены так, чтобы менять угол поляризации проходящего через них света на 90° (в этом случае жидкие кристаллы образуют спираль). Поскольку угол поляризации второго фильтра перпендикулярен углу первого, то проходящий через неактивный транзистор свет будет без потерь выходить наружу, образуя яркую точку, цвет которой задается световым фильтром. Когда транзистор генерирует электрическое поле, все молекулы жидких кристаллов выстраиваются в линии, параллельные углу поляризации первого фильтра, и тем самым не влияют на проходящий через них световой поток. Второй поляризующий фильтр поглощает свет полностью, создавая черную точку на месте одной из трех цветовых компонентов.

Технология обладает известными недостатками — маленькие углы обзора, низкая контрастность, плохая цветопередача и большое время отклика. Правда, последний недостаток удалось вскоре исправить. Компания AU Optronics разработала технологию, позволяющую TN матрицам достичь времени отклика 16 мс.

Данная технология является самой широко применяемой при изготовлении ЖК-матриц для ноутбуков. Оказалось, что сочетание дешевизны технологии с возможностью красиво подать ее потребителю перечеркивает все остальные недостатки.

Super-TFT или IPS (In-Plane Switching)

Эта технология, разработанная компанией Hitachi, позволила расширить угол обзора почти до 170°. Секрет в более точном, чем в TN + film TFT, механизме управления ориентацией жидких кристаллов, что и явилось ее главным достижением. Такой важный параметр, как контрастность, остался на старом уровне TN + film TFT, а время отклика стало даже больше. Основное отличие заключается в том, что при отсутствии электрического поля молекулы жидких кристаллов выстроены вертикально и не влияют на угол поляризации проходящего через них света. Поскольку углы поляризации фильтров перпендикулярны, то свет, идущий через выключенный транзистор, полностью поглощается вторым фильтром.

Создаваемое электродами поле поворачивает молекулы жидких кристаллов на 90° относительно позиции покоя, меняя тем самым поляризацию светового потока, который пройдет второй поляризующий фильтр без помех. Очевиден плюс такого подхода: «мертвые» пиксели будут гаснуть, а не светиться, как в TN матрицах, что менее заметно для глаза. Кроме того, такое строение матрицы обеспечивает превосходную цветопередачу.

Минус не столь очевиден, но существенен: электроды располагаются на одной плоскости, по паре на цветовой элемент, и закрывают собой часть проходящего света. В результате страдает контрастность, которую приходится компенсировать более мощной подсветкой. Но это — мелочь по сравнению с главным недостатком, состоящем в том, что создание электрического поля в подобной системе требует больших затрат энергии и занимает больше времени, из-за чего растет время отклика. Тем не менее не стоит думать, что данная технология состоит из одних недостатков. IPS представляет собой компромисс, когда за счет снижения одних характеристик цифровых панелей можно улучшить другие, чтобы удовлетворить интересы определенного круга потребителей.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)

Суть технологии MVA заключается в следующем: для расширения угла обзора все цветовые элементы панели разбиты на ячейки (или зоны), образуемые выступами на внутренней поверхности фильтров. Цель такой конструкции — дать возможность жидким кристаллам двигаться независимо от своих соседей в противоположном направлении. Это позволяет наблюдателю, вне зависимости от угла обзора, видеть один и тот же оттенок цвета. В выключенном положении молекулы жидких кристаллов ориентированы перпендикулярно второму фильтру (каждому его выступу), что на выходе дает точку черного цвета. При слабом электрическом поле молекулы немного поворачиваются, образуя на выходе точку половинной интенсивности серого цвета. Стоит заметить, что интенсивность света для наблюдателя не зависит от угла обзора, поскольку более яркие ячейки, попавшие в поле зрения, будут компенсироваться находящимися рядом более темными. В полном электрическом поле молекулы выстроятся так, чтобы при разных углах наблюдения на выходе была видна точка максимальной интенсивности.

Потенциал технологии MVA и ее клонов значителен. Один из главных ее плюсов — сокращенное время отклика. Также можно отметить и такое преимущество MVA, как очень хороший черный цвет. Однако сложное устройство панели не только серьезно увеличивает стоимость готового ЖК-дисплея и ноутбука в целом на ее основе, но и не позволяет производителю в полной мере реализовать все возможности MVA.

РАЗРЕШЕНИЕ И РАЗМЕР

Классифицировать матрицы можно по их размерам (принято измерять диагональ в дюймах), разрешению (в пикселях по горизонтали и вертикали — наиболее распространенное значение) или по соотношению сторон (aspect ratio — «обычное» 4:3 и «широкоформатное» 16:10). Большинство производителей матриц и ноутбуков придерживаются спецификаций, разрабатываемых группой Standart Panels Working Group.

Чем выше разрешение матрицы, тем меньше расстояние между соседними пикселями (при одинаковом физическом размере матрицы), тем меньше визуальные размеры элементарных элементов внешнего оформления операционной системы компьютера, иконок, названий файлов и элементов меню в графических ОС и символов в текстовых, но и тем больше информации помещается на всей площади экрана и тем более четкими будут элементы изображения, имеющие те же линейные размеры. Однозначно утверждать, что высокое разрешение матрицы — это хорошо, а более низкое — плохо, нельзя, равно как и наоборот. Каждый должен подобрать оптимальный для своих глаз и привычек размер и разрешение матрицы, попробовав в работе несколько разных ноутбуков; наша таблица позволит составить впечатление о типах матриц.

Самые маленькие матрицы имеют размер 8,9”, самые распространенные — 12, 14, 15”. В последнее время появились широкоформатные матрицы с разрешением 15,4”, 17” и даже 19”.

ЯРКОСТЬ

Для пользователя основной характеристикой все же является яркость изображения.

Минимальная яркость дисплея (измеряется в кд/м2) критична при работе в темноте, в этом случае допустимым уровнем минимальной яркости считается яркость не более, чем 25 кд/м2. Высокая яркость будет ослеплять и быстро утомит ваши глаза.

Максимальная яркость дисплея (измеряется в кд/м2) — чем выше максимальный уровень яркости дисплея, тем лучшими потребительскими качествами обладает дисплей. Невысокая максимальная яркость не подходит для работы при ярком (дневном или искусственном) освещении. Заметим, что при работе от сети и от батареи максимальная яркость может существенно отличаться. Это в первую очередь зависит от того, какая энергосберегающая схема реализована в данном ноутбуке. Рекомендуемое значение максимальной яркости — не менее 200 кд/м2. Имейте в виду, что монитор с очень высокой яркостью вполне способен слепить глаза.

Диапазон изменения яркости экрана (измеряется в кд/м2) — разница между минимальным и максимальным уровнями яркости дисплея. Чем больше диапазон изменения яркости, тем это лучше для пользователя, поскольку яркость дисплея можно будет подстроить практически под любой уровень внешнего освещения.

Оптимальная яркость — яркость дисплея, при которой достигается оптимальный для человеческого глаза контраст. При работе на таком уровне яркости нагрузка на глаза минимальная, и, следовательно, уставать они будут меньше.

Неравномерность яркости дисплея (измеряется в %). Этот параметр показывает, насколько отличается яркость пикселей, находящихся в различных частях дисплея. В нашем тестировании яркость измерялась в центре дисплея и во всех четырех углах. Согласно нормативам ГОСТа, неравномерность яркости не должна превышать 20%.

Коэффициент пульсаций яркости. Он показывает коэффициент модуляции яркости экрана, от которого косвенно зависит степень эргономической безопасности работы за конкретным ноутбуком.

КОНТРАСТНОСТЬ

Данный параметр определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Казалось бы, при такой высокой яркости у ЖК-мониторов никаких проблем не должно быть и с контрастом... Но проблема состоит в том, что ЖК-мониторам трудно создавать точки черного цвета, в основном из-за постоянно включенной подсветки, а для получения темных тонов используется эффект поляризации. Черный цвет будет черен настолько, насколько удалось заблокировать непрерывный световой поток. Получается, что уровень черного для современных TN + Film матриц составляет около 0,7-1,5 кд/м2, что при соответствующем ему уровне белого 150-250 кд/м2 дает контрастность порядка 200:1, но не больше. В результате получается, что при работе даже в полутьме, например дома вечером, яркость 1 кд/м2 выглядит уже не черным, а отчетливым серым цветом. У MVA- и PVA-матриц уровень черного порядка 0,1-0,2 кд/м2, поэтому контраст 500:1 для таких матриц — дело привычное.

При покупке ноутбука следует помнить о том, что недостаток контрастности сказывается на количестве цветов: близкие по значению оттенки сливаются в один, особенно в области темных тонов. Это положение можно немного подправить настройками яркости, но только в ущерб другим оттенкам. Отсюда вывод: если вы любите поиграть, то подбирайте себе ноутбук с более высокой контрастностью, так как в играх зачастую превалирует темная гамма. Рекомендуемое значение контрастности — 300:1 и выше.

АНТИБЛИКОВОЕ ПОКРЫТИЕ

Как мы уже упоминали выше, для увеличения контрастности дисплея используются специально разработанные светоотражающие (антибликовые) покрытия. На рынке сейчас существует множество таких технологий от разных производителей: R-Bright (Rover Computers), Super Bright (Samsung), X-Black (Sony), TruBrite (Toshiba), Bright View, Crystal View (Fujitsu Siemens), XBRITE, UltraSharp Crystal Clear и т.д.

Все они в принципе схожи и позволяют реально улучшить качество изображения, отображаемого на дисплее.

Качество антибликового покрытия (измеряется в кд/м2) определяется количеством света, отраженного от экрана при его освещении (под углом 40 градусов к нормали). В этом случае чем меньше света отразилось, тем выше качество антибликового покрытия. В нашем тесте качество покрытия определяется величиной отраженной яркости, нормированной на внешнюю освещенность в 250 кд/м2 (в соответствии со стандартом ГОСТа).

УГОЛ ОБЗОРА

Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Проблема в том, что при отклонении влево или вправо у TN + Film матриц цвета начинают искажаться гораздо раньше, чем успевает уменьшиться контрастность: если вы посмотрите на такой монитор сбоку под углом около 45 градусов, то увидите, что белый цвет приобрел отчетливый желтый оттенок. Таким образом, если бы производители учитывали искажения цвета, возникающие при отклонении от центра, то заявленные горизонтальные углы обзора TN + Film матриц (140-160) уменьшились бы до скромных 80-100 градусов.

Падение контрастности до 10:1 воспринимается глазом как очень сильное, реально пользователь воспринимает максимальный угол обзора как угол, при котором искажения становятся видны (задолго до десятикратного падения яркости). Для более реалистичной оценки мы ввели новый параметр — оптимальный горизонтальный угол обзора — угол, при котором яркость изображения падает в 2 раза.

Кроме этого измерялась яркость матрицы под углами 45° и 55°, затем сравнивалась с максимальной яркостью при нулевом угле наблюдения. Из величины падения максимальной яркости на углах 45° и 55° также можно сделать вывод о величине горизонтального угла обзора матрицы.

Теперь про вертикальные углы обзора. Если посмотреть на TN + Film матрицу даже под небольшим углом снизу, то можно заметить, что изображение практически сразу темнеет, если же посмотреть сверху, то оно, наоборот, слегка светлеет. Причем потемнение заметно сильнее, поэтому угол обзора «вниз» меньше угла обзора «вверх». Производители часто приводят суммарный угол обзора, который никак не отражает истинное состояние дел.

Для остальных типов матриц недостаток углов обзора практически незаметен — у них прекрасные углы обзора по вертикали и нет существенных цветовых искажений по горизонтали.

ЦВЕТОПЕРЕДАЧА ДИСПЛЕЯ

Известно, что для ЖК-матриц характеристики видеопреобразователя нелинейны, поэтому, чтобы определить, насколько хорош контраст матрицы, пользуются специальным тестом. Коэффициенты контраста вычисляются по четырем уровням градаций яркости, одновременно выведенным на экран. Коэффициенты контраста должны иметь близкие значения и быть больше, чем 1,5 (согласно ГОСТу).

При использовании не очень сложного математического аппарата по этим коэффициентам легко построить график гамма-функции для данного монитора. В идеале он должен иметь вид степенной функции. Согласно методике тестирования оценивается контраст трех основных цветов: красного, синего и зеленого. По вычисленным коэффициентам контраста строятся гамма-функции основных цветов. Чем ближе гамма-графики друг к другу, тем точнее цветопередача дисплея. Если вам нужен дисплей с точной цветопередачей, обратите внимание на гамма-графики основных цветов.

Следует заметить, что, поскольку конструкция ЖК-дисплея достаточно сложна, на общую цветопередачу накладывают отпечаток частотная и динамическая характеристика видеоусилителя, проходные характеристики аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, динамические параметры самой ЖК-ячейки изображения, а также спектральные характеристики светофильтров (R, G, B). На выходе же необходимо получить точные кривые цветности (графики гамма-функций). Поэтому для матричных дисплеев характерна ситуация, когда форма гамма-функций отличается от идеальной.

Цветовая температура является параметром, приближенно описывающим относительное распределение яркости излучения в видимой области спектра для тел, не слишком сильно отличающихся от серых. Цветовая температура измеряется внешним колориметром при выведении на экран белого поля в nokia тесте при максимальной яркости экрана.

ВРЕМЯ ОТКЛИКА

Этот параметр обозначает время, за которое транзистор успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов. Чем меньше указанная величина, тем лучше. Для того, чтобы быстро движущиеся объекты, которыми наполнены игры и видео, не казались смазанными, дисплею достаточно обладать временем отклика 25 мс. Но учтите, что разные производители мониторов по-разному трактуют время отклика. Фактически этот параметр состоит из двух величин — времени на включение пикселя (come-up time) и времени на выключение (come-down time). Например, время включения может составлять 10 мс, а время выключения — 20 мс. Тогда суммарное время отклика (мы его будем называть просто временем отклика) будет равно 30 мс, а производитель может указать в паспорте среднее время, то есть 15 мс, или минимальное, то есть 10 мс.

Кроме того, величина времени отклика зависит от того, каким образом оно измеряется. Согласно действующим стандартам (и методике нашего теста), время отклика измеряется при переключении пикселя с черного на белый и обратно, причем меряется не время полного переключения, а только время перехода от 10-процентной яркости к 90-процентной. Но тут есть один нюанс, о котором производители обычно умалчивают.

Как мы уже упоминали раньше, кристаллы в ЖК-матрице управляются напряжением, причем чем больше поданное на ячейку напряжение, тем больше угол поворота кристаллов и тем больше света пропускает ячейка. Однако от величины поданного напряжения зависит и скорость поворота кристаллов. Получается, что уменьшение угла поворота уменьшает время реакции, но уменьшение скорости поворота это время увеличивает. На практике результат противоборства зависит от типа матрицы.

Для PVA-матриц время сильно растет с уменьшением разницы между конечным и начальным состояниями пикселя, а для TN + Film оно сначала растет, а потом падает. Причем время переключения резко уменьшается на переходах именно с черного на белый, а на переходах с черного на различные градации серого может быть в 2-3 раза больше. Получается, что как раз в игровых приложениях, где переключения осуществляются в основном между близкими полутонами, о заявленном быстродействии можно забыть. Вот только за заявленные рекордные скорости оказывается уже заплачено — уменьшенными углами обзора и ухудшенной цветопередачей.

Поэтому, если вас интересует реальная скорость вашей матрицы, обязательно попросите продавца поставить игру подинамичней или же просто попробуйте быстро скроллинговать страницу. Бывает, что в таких экспериментах новомодный 25 мс монитор уступает более старому, но зато более честному 40 мс конкуренту.

УРОВЕНЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Напряженность электрического и индукция магнитного полей измерялась специальными приборами ИЭП-01 и ИМП-01 в двух диапазонах частот: от 5 Гц до 2 кГц и от 2 кГц до 400 кГц.

Согласно требованиям ГОСТа напряженность электрического в первом диапазоне (Е1) не должна превышать 25 В/м и 2,5 В/м во втором диапазоне. Индукция магнитного поля не должна превышать 250 нТл в первом диапазоне и 2,5 нТл во втором диапазоне частот.

ВЫВОД

На сегодняшний день недостатков у жидкокристаллических панелей хоть отбавляй. Рассчитывать на скорое окончательное решение всех проблем посредством какой-то одной чудо-технологии наподобие голографических дисплеев мы бы не советовали. Разработчикам и производителям предстоит еще многое улучшать.

Пока что, несмотря на стремительный научно-технический прогресс в целом и в изготовлении ЖК-матриц в частности, практически во всех ноутбуках используются ЖК-матрицы, созданные по технологии не самой совершенной TN + Film TFT, у которой имеются проблемы с контрастностью, цветопередачей и углами обзора. Более того, в мобильных компьютерах к недостаткам подобных панелей добавляется снижение яркости изображения из-за использования только одной лампы подсветки, да и то установленной горизонтально в нижней части матрицы. Как говорится, все дело в цене.

Нам остается только надеяться на появление новой дешевой и более удачной технологии изготовления дисплеев для ноутбуков. Унывать не стоит, тем более что предпосылки для оптимизма все же есть.