LCD-мониторы. LCD - что это? LCD-телевизоры - что это

Компания Tianma Microelectronics на сегодняшний день является одним из самых крупных производителей жидкокристаллических дисплеев.

Дисплеи Tianma нашли применение в самых разнообразных областях: мобильная телефония, MP3/MP4-плееры, телекоммуникационные и навигационные системы, автомобильные системы, цифровая фотография и др. Продукцию компании используют в своих изделиях такие бренды как: AT&T, Alcatel, BBK, Bosсh, Casio, Citroen, Denon, Funai, General Electric, Grundig, LG, Magellan, Motorola, NEC, Pioneer, Polaroid, Ricoh, Samsung, Siemens и Thomson.

Tianma Microelectronics была основана в Китае в 1983 году. Сейчас она имеет в своем составе несколько научно-исследовательских центров и фабрик. Работают представительства в Германии (Карлсруэ), США (Калифорния), Корее (Кенгидо) и Тайване (Таоюан).

В 1984 году компания освоила массовое производство незамысловатых (по нынешним меркам) TN LCD-дисплеев. В июле 2011 года управляющая компания AVIC International Group приобрела подразделение NEC LCD Technologies, специализирующееся на дисплеях. Сегодня, кроме TN, Tianma может предложить STN, CSTN и TFT-дисплеи.

TFT-дисплеи

Принцип работы LCD TFT

LCD TFT (Liquid crystal display Thin film transistor ) — наиболее распространенный вид жидкокристаллических дисплеев (рис. 1). Своим названием они обязаны тонкопленочному транзистору (TFT), являющемуся разновидностью полевого, в котором металлические контакты и полупроводниковый канал изготавливаются в виде тонких пленок. TFT используется для управления жидкими кристаллами, т.е. для формирования цвета пикселей.

Рис. 1.

В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si). Кроме аморфного кремния на данный момент разработано много других технологий, но лидером по объему производства пока остается a-Si. Именно по этой технологии изготавливает свои TFT-дисплеи компания Tianma.

Дисплей состоит из ЖК-матрицы, источников света для подсветки, контактного жгута и корпуса. Каждый пиксель ЖК-матрицы представляет собой слой молекул между двумя прозрачными электродами и два поляризационных фильтра. А пиксели в свою очередь составлены из субпикселей (рис. 2), формирующих различные цвета. Поверхность электродов специально обработана для изначальной ориентации молекул жидких кристаллов в одном направлении.

Рис. 2.

Такая структура поворачивает плоскость поляризации световой волны, и, доходя до второго фильтра, свет проходит его без потерь.

Если к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля, что приводит к разрушению винтовой упорядоченности. С ростом напряженности электрического поля спираль постепенно раскручивается, и через второй фильтр проходит все меньше и меньше света.

При определенной величине поля почти все молекулы становятся параллельны, и плоскость поляризации света практически не вращается. Это приводит к непрозрачности структуры. Таким образом, меняя напряжение, подаваемое на электроды, можно управлять степенью прозрачности и, соответственно, интенсивностью свечения субпикселей.

Основные параметры LCD TFT

Для описания TFT-дисплеев используется много параметров. Рассмотрим наиболее важные из них:

• Диагональ экрана (Diagonal)- расстояние между противоположными углами матрицы. Диагональ экрана обычно измеряется и записывается в дюймах.
• Разрешение (Resolution)- горизонтальный и вертикальный размеры экрана, измеренные в пикселях. Разрешение TFT-дисплея имеет одно фиксированное значение, все остальные достигаются интерполяцией. Чем больше пикселей на экране, тем качественнее изображение можно получить, и тем дисплей дороже.
• Яркость (Brightness)- количество света, излучаемое дисплеем. Яркость обычно измеряется в канделах на квадратный метр (кд/м 2). Зависит от мощности лампы, подсветки и ее характеристик. Яркость желательно выбирать с запасом, чтобы картинка хорошо воспринималась при любом уровне внешней освещенности. С увеличением диагонали экрана повышается, как правило, и показатель яркости. Если для двухдюймовых панелей яркость может быть около 200 кд/м 2 , то для 10-дюймовых яркость уже порядка 300…400кд/м 2 .
• Контрастность (Contrast)- отношение яркостей самой светлой и самой темной точек при заданной яркости подсветки. Чем меньше засвечен черный цвет, и чем выше яркость белого, тем выше контрастность. Чем больше это соотношение, тем лучше будет цветопередача изображения. Контрастность обычно записывается в виде 1000:1.
• Время отклика (Response time)- минимальное время, за которое ячейка жидкокристаллической панели изменяет свою яркость. Чем оно меньше, тем лучше. Измеряется этот показатель в миллисекундах. Его оптимальное значение- менее 20мс. Малое время отклика очень важно при просмотре динамично меняющегося изображения на больших экранах. При его хорошем значении за изображением не должно быть никаких шлейфов.
• Угол обзора (Viewing angle)- угол, при котором падение контраста изображения в центре панели достигает заданного (обычно 10). Появление этого параметра обусловлено тем, что дисплеи имеют ограниченный угол обзора, и контрастность изображения весьма сильно зависит от угла падения взгляда на LCD-панель. При определенных углах контраст резко падает, и чтение информации с экрана становится почти невозможным. Угол обзора обычно записывается в виде 170°/160°. Первая цифра относится к вертикали, а вторая- к горизонтали.

Интерфейсы LCD TFT

Для соединения ЖК-панели с управляющим микропроцессором Tianma предлагает на выбор несколько интерфейсов: параллельный цифровой интерфейс (CPU 8/16 bit), последовательный периферийный интерфейс (SPI), RGB-интерфейс и интерфейс низковольтной дифференциальной передачи сигналов (LVDS).

Остановимся подробнее на каждом из них:

• CPU 8/16 bit- один из самых старых и распространенных интерфейсов. Применяется повсеместно в цифровой электронике. Состоит из шины адреса/данных (8 или 16 бит) и соответствующих управляющих сигналов. Использование этого интерфейса при подключении LCD-панелей постепенно отмирает. Его преимущественно используют на небольших ЖК-экранах.
• SPI- еще один старый и очень распространенный интерфейс. Является простым и недорогим вариантом сопряжения микроконтроллера и дисплея. Имеется на борту практически любого микроконтроллера, и, как правило, кроме дисплея через SPI подключается еще много внешней периферии. Основным преимуществом является использование всего четырех линий: двух линий данных, тактирующего сигнала и сигнала выбора микросхемы. Используется также преимущественно на небольших экранах.
• RGB- классический вариант подключения ЖК-панели. Своим названием обязан трем основным цветам, формирующим цвет пикселя: RED (красный), GREEN (зеленый) и BLUE (синий).

С точки зрения количества связей интерфейс является довольно громоздким. Больше всего цифровых линий уходит на передачу трех цветов: 6/8 линий (разрядов) на цвет — суммарно 18 или 24. Плюс к этому — сигналы тактовой частоты, строчной и кадровой синхронизации.

Интерфейс имеет много недостатков: большое количество связей, сложность синхронизации при передаче данных на высоких частотах (т.е. при работе с высоким разрешением) и низкая помехозащищенность.

• LVDS- самый распространенный на текущий момент интерфейс, обеспечивающий высокую пропускную способность. Был разработан компанией National Semiconductor в 1994 году.

LVDS реализует дифференциальную передачу данных, что обеспечивает высокую помехозащищенность интерфейса и позволяет добиться высокой пропускной способности. LVDS подразумевает наличие в схеме трансмиттеров и ресиверов. Трансмиттер подключается к управляющему микроконтроллеру. Ресивер располагается на LCD-панели.

Передачу данных обеспечивают пять дифференциальных пар: четыре пары используются для передачи данных и одна — для передачи тактовых сигналов.

LVDS используется для передачи как 18-разрядного цветового кода (три цвета по 6 бит), так и для 24-разрядного цвета (три цвета по 8 бит). Передача одного цвета происходит сразу по нескольким дифференциальным парам. Сигналы строчной и кадровой синхронизации также поступают на LCD-панель через дифференциальные каналы.

Для увеличения пропускной способности этого интерфейса National Semiconductor расширила интерфейс LVDS и удвоила количество дифференциальных пар, используемых для передачи данных. Это усовершенствование получило название LDI — LVDS Display Interface. В документации Tianma такой вариант интерфейса обозначается как «LVDS 2 port».

Как было сказано выше, LDI получил восемь дифференциальных пар, предназначенных для передачи данных, и две дифференциальные пары тактовых сигналов, т.е. LDI, по сути дела, представляет собой два независимых полнофункциональных канала LVDS, передача данных в каждом из которых осуществляется собственным тактовым сигналом.

Соответственно, наличие двух каналов позволило вдвое увеличить пропускную способность интерфейса. Теперь за один пиксельный такт можно передать информацию о двух пикселях. При такой организации один канал предназначен для передачи четных точек экрана (Even), а второй — для нечетных (Odd).

Сенсорный экран LCD TFT

Часто TFT-дисплеи комплектуются сенсорными экранами, получившими сейчас небывалое распространение в мобильных телефонах, игровых консолях, платежных терминалах и прочих устройствах. Наиболее востребованы два типа сенсорных экранов: резистивные и емкостные.

Резистивные сенсорные экраны обладают рядом достоинств, которые позволили им занять очень большую долю на рынке. Самое главное их преимущество — низкая цена. Кроме этого резистивные экраны обладают стойкостью к загрязнению: т.е. загрязнение не нарушает работу сенсорного экрана. Экраны реагируют на прикосновение практически любым твердым гладким предметом.

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны, на которые нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения.

Емкостные сенсорные экраны обладают лучшим светопропусканием и большей долговечностью по сравнению с резистивными, но восприимчивы к воздействию влаги и токопроводящих загрязнений. Экраны реагируют на прикосновение только токопроводящего предмета (пальца или специального стилуса). То есть, если вы захотите воспользоваться обычным стилусом или любым другим твердым предметом, экран на ваше касание никак не отреагирует. По точности определения координат емкостные экраны ни в чем не уступают резистивным.

Принцип работы экрана этого типа основан на способности человеческого тела проводить электрический ток. В основе емкостного экрана лежит стеклянная подложка, на поверхность которой нанесен резистивный материал, прикрытый токопроводящей пленкой. В момент касания пальцем экрана возникает электрический ток, а специальный контроллер вычисляет координаты касания.

LCD TFT компании Tianma

Ассортимент TFT-дисплеев, выпускаемых компанией Tianma, достаточно обширен. Формат данной статьи не позволяет рассказать о всех моделях, поэтому в таблице 1 представлен краткий обзор дисплеев, сгруппированных по диагонали и разрешению. Для детального ознакомления со всей линейкой лучше обратится к сайту производителя по адресу: http://tianma-europe.com/products/tftcolormodules/index.html .

Таблица 1. TFT-дисплеи компании Tianma

Диагональ, дюйм	Разрешение	Яркость, кд/м 2	Интерфейс
1,44	128×128	180	CPU 8 bit, SPI
1,45	128×128	140	CPU 8 bit
1,77	128×160	250	CPU 8 bit
2,0	176×220	220	CPU 8/16 bit
2,0	240×320	170…200	CPU 8/16 bit, SPI
2,2	240×320	90…220	CPU 8/16 bit, RGB18 bit, SPI
2,3	320×240	250	CPU 8/16 bit
2,4	240×320	180…310	CPU 8/16 bit
2,7	320×240	300	8-bit RGB/ CCIR656/601
2,8	240×320	210…260	CPU 8/16 bit
2,8	240×400	220	CPU 16 bit
3,2	240×400	250…350	RGB 18 bit, CPU 8/16/18 bit
3,5	240×320	80…100	RGB 6bit, SPI
3,5	320×240	300…350	RGB 24bit
3,5	272×480	300	CPU 8/9/16/18 bit
3,5	320×480	300	CPU / RGB
4,3	480×272	280…400	RGB 24bit
4,7	480×272	280…320	RGB 24bit
5,0	640×480	350	RGB 18 bit, SPI
5,0	800×480	250…300	RGB 24 bit
5,6	320×234	200…330	analog RGB
5,7	320×240	320…450	RGB 18 bit
5,7	640×480	400	RGB 18 bit
6,0	800×480	280…400	RGB 24 bit
6,2	800×480	400	RGB 24 bit
6,95	800×480	280…400	RGB 18 bit
6,95	1280×800	400	LVDS
7,0	800×480	280…500	RGB 24/18 bit
7,0	800×600	200	RGB 18 bit
7,0	1024×600	250	LVDS
8,0	800×600	250	RGB 24 bit
9,0	800×480	250	RGB 24 bit
9,7	1024×768	220…350	RGB 24 bit , LVDS
10,4	800×600	230…400	LVDS, RGB 18 bit
12,1	800×600	400…450	LVDS
15,0	1024×768	250…400	LVDS
19,0	1440×900	250	LVDS

Часть производимых компанией Tianma TFT-дисплеев комплектуется сенсорными экранами. Компания использует резистивные и емкостные экраны. Подавляющее большинство — резистивные.

Большинство TFT-дисплеев работает в расширенном температурном диапазоне -20…70°С.

TN- и STN-дисплеи

Первой технологией изготовления LCD-дисплеев была технология Twisted Nematic (TN). Она была разработана в 1973 году. Название обязано своим происхождением поведению жидких кристаллов, которые при размещении между выравнивающими панелями с бороздками выстраивалась в спираль.

TN-дисплеи имеют несколько существенных недостатков: низкая контрастность, большое время реакции, маленькие углы обзора и почти невозможное формирование оттенков. Но они обладают самой низкой стоимостью и поэтому находят самое широкое применение в недорогих изделиях с невысокими требованиями к качеству изображения.

Типичные представители этой технологии представлены на рисунках 3 и 4.

Рис. 3.

Рис. 4.

Развитием технологии TN LCD-дисплеев стала Super Twisted Nematic (STN). STN позволила увеличить угол кручения ориентации кристаллов внутри LCD-дисплея до 270 градусов. Это позволило увеличить контрастность изображения и размеры панелей.

На основе технологии TN, STN и их производных компания Tianma производит большое количество символьных и графических LCD-индикаторов.

Символьные индикаторы (рисунок 5) сделаны на технологии STN под управлением контроллера ST7066U. Подключение к внешнему управляющему микропроцессору происходит через 8-битный параллельный цифровой интерфейс. Возможные варианты количества символов: 8х1 (8 символов в строке, 1 строка), 8х2 (8 символов в строке, 2 строки), 16х1, 16х2, 20х2, 20х4 и 40х2. Подсветка выполнена из нескольких последовательно расположенных SMD-светодиодов. Стандартный цвет подсветки — желто-зеленый. Индикаторы рассчитаны на работу при температуре -20…70°С.

Рис. 5.

Монохромные графические индикаторы сделаны на основе STN или FSTN-технологии. Управляющих контроллеров здесь предложено достаточно много: ST7579, SBN1661, ST7565R, SDN8080 и другие. Подключение к внешнему управляющему микропроцессору происходит через последовательный либо параллельный 4/8-битный цифровой интерфейс. Доступны индикаторы со следующими разрешениями: 96х16, 96х32, 122х32, 128х64, 240х64, 240х128 и 320х240.

Подсветка выполнена из светодиодов. Индикаторы рассчитаны на работу при температуре -20…70°С.

Цветные графические индикаторы (рис. 6) сделаны на основе Color Super Twisted Nematic (СSTN) технологии. Технология довольно старая, но, тем не менее, все еще занимает небольшую долю ранка цветных дисплеев.

Рис. 6.

Управляющих контроллеров предложено несколько: ST7637, UC1697v, ST7669V и ST7628. Подключение к внешнему управляющему микропроцессору происходит через параллельный 8/16-битный цифровой интерфейс. Доступны следующие разрешения дисплеев: 96х64,128х128 и 128х160, 240х128.

Индикаторы рассчитаны на работу при температуре -20…70°С.

Заключение

В настоящий момент Tianma осваивает технологию активной матрицы на органических светодиодах (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode, AMOLED). К концу этого года в Шанхае планируется выпуск первых OLED-дисплеев.

Технология подразумевает использование органических светодиодов в качестве светоизлучающих элементов и активной матрицы из TFT-транзисторов для управления светодиодами. Дисплеи AMOLED отличаются от TFT улучшенной цветопередачей, повышенной яркостью и более высокой контрастностью картинки. Еще один несомненный плюс этих экранов — пониженное энергопотребление, что позволяет более экономно расходовать заряд аккумулятора.

Выведя на рынок свои OLED-дисплеи, компания Tianma, несомненно, еще больше укрепит свое положение лидера на рынке жидкокристаллических дисплеев.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Новые дисплеи компании Tianma

Компания Tianma выпустила новые дисплеи с возможностью подключения через параллельный или последовательный интерфейсы.

TM050QDH01

Данный дисплей разработан в первую очередь для видеонаблюдения и переносных портативных устройств. На борту этого 5" TFT-дисплея стоят два контроллера NT39403 + NT39207, он имеет VGA-разрешение 640 x 480, а также высокую контрастность и яркость.

TM022HDHT1 — интерфейсы SPI + RGB 18 бит

Компактный дисплей диагональю 2,2" с книжной ориентацией, разрешением 240 x 320, с универсальным контроллером ILI9340 ориентирован на переносные устройства. Имеет полуотражающий поляризатор, который позволяет использовать данный дисплей без подсветки.

TM020HBH03 — интерфейсы CPU 8/16 бит, 4-wire SPI

TFT-дисплей 2,0" с сенсорным экраном и достаточно широким для такой диагонали разрешением — 240 x 320.

TM035HBHT1 — интерфейсы RGB 6 бит + SPI

TM035HDHT1 — интерфейсы RGB 6 бит + SPI

Два дисплея с полуотражающим поляризатором и двумя интерфейсами. Отличие этих моделей друг от друга заключается в наличии сенсорной панели у TM035HBHT1.

Основные преимущества:

• два интерфейса позволяют использовать эти TFT-дисплеи в различных применениях, особенно там, где не хватает выводов для стандартного RGB-интерфейса.
• Низкое энергопотребление, как у TM050QDH01 (100мА при напряжении 9,75В), так и у TM022HDHT1 (20мА при напряжении 12,8В).
• Компактный корпус позволяет встроить эти дисплеи практически в любой форм-фактор.
• Некоторые дисплеи можно использовать без подсветки, что также сказывается на энергопотреблении.

О компании Tianma Microelectronics

ЖК дисплей на основе микроконтроллера HD44780 является наиболее часто используемым в электроники. Вы можете его встретить в кофейных автоматах, часах, копирах, принтерах, роутерах и т.п. Также данный дисплей используется в LCD шилдах для Arduino .

ЖК дисплей представляет из себя модуль , состоящий из микроконтроллера HD44780 разработанный фирмой Hitachi и непосредственно самим ЖК дисплеем . Микроконтроллер принимает команды и обрисовывает соответствующие символы на ЖК дисплее.

Существует огромное количество разновидностей данного ЖК модуля, он может быть 1,2, 4 –ех строчный с различным числом символов на строке , с подсветкой или без , с различным цветом подсветки и т.п. Объединяет их всех наличие микроконтроллера HD44780 , зная команды которого позволит нам без проблем использовать в своих проектах ту или иную модификацию .

Предисловие

Для работы с дисплеями на основе HD44780 создано большое количество библиотек как на ассемблере так и на СИ , также для Arduino существует своя библиотека «LiquidCrystal ».

Для изучения я решил не использовать наработки, а поработать с ним на «низком уровн е», подергать его ножки самим , тем самым я получу представление о его работе. Полученные навыки позволят мне самому написать библиотеку если в этом будет необходимость.

Где взять первоисточник информации?

Если вы захотите сами разобраться как работать с LCD дисплеем на HD44780 и вникнуть глубже , то в этом вам поможет даташит на микроконтроллер HD44780 , которые легко найти в интернете (но если вам лень, вы можете с сайта).

Изучение я разобью на два этапа

1. Сначалая я приведу матчасть по работе с LCD на HD44780 , этому посвящён данный пост

Вам будет интересно:

Из серии «Взгляд изнутри» речь зашла о повседневных вещах, но, не смотря на обилие материала, полученного в этом направлении в течение прошедшего месяца, всё-таки давайте вернёмся к тематике, связанной с IT.

Специально ко Дню Защитника Отечества на препарационный стол легли LCD и E-Ink дисплеи, которые, так или иначе, достались мне в несколько побитом жизнью виде.

Как Антон кидал телефон об стену, а также о результатах скрупулёзного разбора дисплеев читайте под катом.

Предисловие

Жил-был на свете Антон Городецкий.
Бросила жена, он грустил не по-детски…

Так начинается известная песня группы Уматурман. Так же начинается и история с исследованием дисплеев. После первой публикации на Хабре пришёл ко мне мой друг-аспирант ФНМ МГУ и говорит: «Я тут свой мобильник разбил, не хочешь ли ты его распилить?» Я удивился, потому что этот человек всегда носил с собой китаефон, который я считал практически не убиваемым. Придя однажды домой, Антон по привычке кинул телефон в шкаф, но, видимо, что-то не рассчитав попал аккурат дисплеем в ребро полки.

Осознавая свои смехотворные потери от утраты мобильного и ввиду общего плохого настроения в тот день, он поступил, как истинный джентльмен, швыряя вновь и вновь бездыханное тело телефона о бетонную стену. Когда же останки дошли до меня, то половина китаефона просто отсутствовала, дисплей был покрыт мелкой паутинкой трещин.
Пришлось отложить его до лучших времён (как я тогда полагал, пока кто-нибудь таким же образом не поступит с iPhone или другим сенсорным смартфоном) и начать заниматься HDD и CD, потом лампочками, флешками и т.д.

Через некоторое время уже мой сосед приносит мне треснувший E-Ink дисплей. Его друг разбил тонкое стекло в небезызвестной читалке с порядковым номером 601 во время игры в страйкбол, кажется, и отдал читалку практически даром для ремонта и восстановления.

Вот это уже было интереснее, две технологии можно сравнить между собой, попытаться разглядеть RGB-субпиксели и микрокапсулы, в которых плавают заряженные частицы. Но я надеялся на получение смартфона с ёмкостным сенсором, чтобы сравнить заодно его и резистивный сенсор китаефона.

И вот Василий (научный коллега по одной из лабораторий факультета), приехав к нам на ХимФак из Черноголовки и увидев, чем я собственно занимаюсь с электронным микроскопом, сказал, что готов пожертвовать телефон известного корейского производителя с несколько побитым дисплеем для разборки и распила с пометкой «ради науки ничего не жалко».

Несмотря на все заверения, что сенсор ёмкостной, он оказался резистивным, пусть и более продвинутой конструкции, нежели сенсорная панель китаефона. Из этого телефона была добыта важная деталь, которая ждёт своего часа распила – матрица фото/видео камеры…

Часть теоретическая

Как устроен LCD дисплей?

Мы все так давно пользуемся плоскими телевизорами, мониторами, телефонами, смартфонами, что уже и забыли, что когда-то хороший монитор весил килограмм 10-15 (у нас один такой мастодонт ещё стоит и, главное, исправно работает!).

Всё это стало возможным, благодаря открытиям вековой давности (жидкие кристаллы открыты в 1888 году) и развитию технологий в последние 30-40 лет (1968 год – устройство для отображения информации, использовавшее ЖК, 1970-е – общедоступность жидких кристаллов). Многое о жидких кристаллах и ЖК-мониторах можно подчерпнуть на Wiki.

Итак, практически любой ЖК-монитор состоит из следующих основных частей: активной матрицы, представляющей собой набор транзисторов, с помощью которых и формируется изображение, слоя жидких кристаллов со светофильтрами, которые либо пропускают свет, либо нет, и системы подсветки, которую на сегодняшний день стараются полностью перевести на светодиоды. Хотя на моём «стареньком» Asus G2S дисплей великолепного качества подсвечивается именно люминесцентными лампами.

Как это всё работает? Свет, поступая от источника (LED или лампы) через специальную прозрачную пластину-волновод, рассеивается таким образом, чтобы вся матрица имела равную освещённость по всей свой площади. Далее фотоны проходят поляризационный фильтр, который пропускает только волны с заданной поляризацией . Затем проникнув через стеклянную подложку, на которой находится активная матрица из тонкоплёночных транзисторов, свет попадает на молекулу жидкого кристалла.

Эта молекула получает «команду» от нижележащего транзистора, на какой угол повернуть поляризацию световой волны, чтобы она, пройдя сквозь ещё один поляризационный фильтр, задала интенсивность свечения отдельного субпиксела. А за окраску субпиксела отвечает слой светофильтров (красных, зелёных или синих). Смешиваясь, волны от трёх невидимых глазу человека субпикселей формируют пиксел изображения заданного цвета и интенсивности.

а) Схематическое устройство LCD дисплея, б) устройство жидкокристаллической плёнки в деталях.

Очень наглядно, как мне кажется, это продемонстрировано в ролике компании Sharp :

Помимо хорошо зарекомендовавшей себя технологии LCD + TFT (thin-film transistors – тонкоплёночные транзисторы) существует активно продвигаемая технология органических светодиодов OLED + TFT, то есть AMOLED – active matrix OLED. Основное отличие последней заключается в том, что роль поляризатора, слоя ЖК и светофильтров играют органические светодиоды трёх цветов.

По сути, это молекулы, способные при протекании электрического тока испускать свет, а в зависимости от количества протекшего тока менять интенсивность окраски, подобно тому, как это происходит в обычных LED. Убрав поляризаторы и ЖК из панели, мы потенциально можем сделать её более тонкой, а самое главное – гибкой!

Какие сенсорные панели бывают?

Так как сенсоры на данный момент больше применяют с LCD и OLED дисплеями, то думаю, будет разумно сразу про них и рассказать.

Очень подробное описание танчскринов или сенсорных панелей дано (источник когда-то жил , но почему-то исчез), поэтому я не буду описывать все типы сенсорных панелей, остановлюсь лишь на двух основных: резистивном и ёмкостном.

Начнём с резистивного сенсора. Состоит он из 4 основных компонент: стеклянной панели (1), как носителя всей сенсорной панели, двух прозрачных полимерных мембран с резистивным покрытием (2, 4), слоя микроизоляторов (3), разделяющих эти мембраны, и 4, 5 или 8 проводков, которые и отвечают за «считывание» касания.

Схема устройства резистивного сенсора

Когда мы нажимаем на такой сенсор с определённой силой, то происходит соприкосновение мембран, электрическая цепь замыкается, как показано на рисунке ниже, измеряется сопротивление, которое впоследствии пересчитывается в координаты:

Принцип расчёта координат для 4-х проводного резистивного дисплея ()

Всё предельно просто.

Важно помнить две вещи: а) резистивные сенсоры на многих китайских телефонах не отличаются высоким качеством, это может быть связано как раз с неравномерностью расстояния между мембранами или некачественными микроизоляторами, то есть «мозг» телефона не может адекватно пересчитать измеренные сопротивления в координаты; б) такой сенсор требует именно нажатия, продавливания одной мембраны до другой.

Ёмкостные сенсоры несколько отличаются от резистивных. Стоит сразу оговориться, что речь будет идти лишь о проекционно-ёмкостных сенсорах, которые сейчас применяется в iPhone и прочих портативных устройствах.

Принцип работы такого тачскрина довольно прост. На внутренней стороне экрана наносится сетка электродов, а внешняя покрывается, например, ITO – сложным оксидом индия-олова. Когда мы касаемся стекла, наш палец образует с таким электродом маленький конденсатор, а обрабатывающая электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Соответственно, ёмкостной сенсор реагирует только на плотное прикосновение и только проводящими предметами, то есть от касания гвоздём такой экран работать будет через раз, равно как и от руки, вымоченной в ацетоне или обезвоженной. Пожалуй, основным преимуществом данного тачскрина перед резистивным является возможность сделать достаточно прочную основу – особо прочное стекло, как, например, Gorilla Glass.

Схема работы поверхностно-ёмкостного сенсора()

Как устроен E-Ink дисплей?

Пожалуй, E-Ink по сравнению с LCD устроен гораздо проще. Вновь мы имеем дело с активной матрицей, ответственной за формирование изображения, однако ЖК-кристаллов и ламп подсветки здесь нет и в помине, вместо них – колбочки с двумя типами частиц: отрицательно заряженными чёрными и положительно заряженными белыми. Изображение формируется подачей определённой разности потенциалов и перераспределения частиц внутри таких микроколбочек, на рисунке ниже это наглядно продемонстрировано:

Сверху схема работы E-Ink дисплея, снизу реальные микрофотографии такого работающего дисплея ()

Если кому-то этого недостаточно, то принцип работы электронной бумаги продемонстрирован в этом видео:

Помимо технологии E-Ink существует технологи SiPix, в которой есть только один вид частиц, а сама «заливка» чёрная:

Схема работы SiPix дисплея ()

Тем же, кто серьёзно хочет ознакомиться с «магнитной» электронной бумагой, прошу сюда , в Персте когда-то была отличная статья.

Часть практическая

Китаефон vs корейский смартфон (резистивный сенсор)

После «аккуратной» отвёрточной разборки оставшейся от китаефона платы и дисплея, я с превеликим удивлением обнаружил упоминание одного известного корейского производителя на материнской плате телефона:

Самсунг и китаефон едины!

Экран разбирал бережно и аккуратно – так, что все поляризаторы остались целыми, поэтому просто не мог не поиграться с ними и с работающим большим братом препарируемого объекта и вспомнить практикум по оптике:

Так работают 2 поляризационных фильтра : в одном положении световой поток практически не проходит через них, при повороте на 90 градусов – полностью проходит

Обратите внимание, что вся подсветка зиждется всего-навсего на четырёх крохотных светодиодах (я думаю, их суммарная мощность не более 1 Вт).

Затем долго искал сенсор, искренне полагая, что это будет довольно толстая панелька. Оказалось совершенно наоборот. Как в китайском, так и в корейском телефоне сенсор представляет из себя несколько листов пластика, которые очень качественно и плотно приклеены к стеклу внешней панели:

Слева сенсор китаефона, справа – корейского телефона

Резистивный сенсор китайского телефона выполнен по схеме «чем проще, тем лучше», в отличие от своего более дорогого собрата из Южной Кореи. Если я не прав, то поправьте меня в комментариях, но слева на картинке – типичный 4-х контактный, а справа – 8-ми контактный сенсор.

LCD-дисплей китаефона

Так как дисплей китайского телефона всё равно был разбит, а корейского – всего лишь незначительно повреждён, то на примере первого я и постараюсь рассказать о LCD. Но пока не будем его ломать окончательно, а посмотрим под оптическим микроскопом:

Оптическая микрофотография горизонтальных линий LCD-дисплея китайского телефона. Левой верхней фотографии присущ некоторый обман нашего зрения из-за «неправильных» цветов: белая тонкая полоска и есть контакт.

Один провод питает сразу две линии пикселов, а развязка между ними устроена с помощью совершенно необычного «электрического жука» (правая нижняя фотография). За всей это электрической схемой находятся дорожки-светофильтры, выкрашенные в соответствующие цвета: красный (R), зелёный (G) и синий (B).

С противоположного конца матрицы по отношению к месту крепления шлейфа можно найти аналогичную цветовую разбивку, номера дорожек и всё те же переключатели (если бы кто-нибудь просветил в комментариях, как это работает, то было бы очень здорово!):

Номера-номера-номера…

Так вживую выглядит работающий LCD дисплей под микроскопом:

Вот и всё, теперь этой красоты мы уже не увидим, я раскрошил в буквальном смысле этого слова, а немножко помучавшись одну такую кроху «расщепил» на два отдельных кусочка стекла, из которых и состоит основная часть дисплея…

Теперь можно посмотреть на отдельные дорожки светофильтров. О тёмных «пятнах» на них я расскажу чуть позже:

Оптическая микрофотография светофильтров с загадочными пятнами…

А теперь небольшой методический аспект, касающийся электронной микроскопии. Те же самые цветные полосы, но уже под пучком электронного микроскопа: цвет исчез! Как я и говорил ранее (например, в самой первой статье) электронному пучку совершенно «чёрно-бело» взаимодействует ли он с цветным веществом или нет.

Вроде бы те же полоски, но уже без цвета…

Заглянем и на обратную сторону. На ней расположены транзисторы:

В оптический микроскоп – в цвете…

И электронный микроскоп – черно-белое изображение!

В оптический микроскоп это видно чуть хуже, но СЭМ позволяет разглядеть окантовку каждого субпикселя – это довольно важно для нижеследующего вывода.

Итак, что это за странные тёмные области?! Долго думал, ломал себе голову, прочитал много источников (пожалуй, самым доступным оказалась Wiki) и, кстати, по этой причине задержал выпуск статьи в четверг 23 февраля. И вот к какому выводу я пришёл (возможно, я не прав – поправьте!).

В VA- или MVA-технологии – одна из самых простых, и не думаю, что китайцы придумали что-то новое: каждый субпиксел должен быть чёрный. То есть через него не проходит свет ( приведён пример работающего и неработающего дисплея), принимая во внимание то, что в «обычном» состоянии (без приложения внешнего воздействия) жидкий кристалл разориентирован и не даёт «нужной» поляризации, то логично предположить, что каждый отдельный субпиксел имеет свою плёнку с ЖК.

Таким образом, вся панель собрана из единичных микро-ЖК-дисплеев. Сюда органично вписывается и замечание об окантовке каждого отдельного субпиксела. Для меня это стало, своего рода, неожиданным открытием прямо по ходу подготовки статьи!

Дисплей корейского телефона ломать я пожалел: надо ведь что-то показывать детям и тем, кто приходит к нам на факультет на экскурсию. Не думаю, что можно было бы увидеть ещё что-то интересное.

Далее, баловства ради приведу пример «организации» пикселов у двух ведущих производителей коммуникаторов: HTC и Apple. iPhone 3 был пожертвован на безболезненную операцию одним добрым человеком, а HTC Desire HD собственно мой:

Микрофотографии дисплея HTC Desire HD

Небольшое замечание по поводу дисплея HTC: специально не искал, но не может ли быть вот эта полоса посреди верхних двух микрофотографий тем частью того самого ёмкостного сенсора?!

Микрофотографии дисплея iPhone 3

Если мне не изменяет память, то у HTC дисплей – superLCD, а у iPhone 3 – обычный LCD. Так называемый Retina Display, то есть LCD, у которого оба контакта для переключения жидкого кристалла лежат в одной плоскости, In-Plane Switching – IPS, устанавливается уже в iPhone 4.

Надеюсь, что скоро на тему сравнения различных технологий дисплеев выйдет статья при поддержке 3DNews. А пока хочу просто отметить тот факт, что дисплей HTC действительно необычен: контакты на отдельные субпикселы заведены нестандартным образом – как-то сверху, в отличие от iPhone 3.

И напоследок в этом разделе добавлю, что размеры одного субпиксела у китаефона – 50 на 200 микрометров, HTC – 25 на 100 микрометров, а iPhone – 15-20 на 70 микрометров.

E-Ink известного украинского производителя

Начнём, пожалуй, с банальных вещей – «пикселов», а точнее ячеек, которые ответственны за формирование изображения:

Оптическая микрофотография активной матрицы E-Ink дисплея

Размер такой ячейки около 125 микрометров. Так как смотрим мы на матрицу через стекло, на которое она нанесена, то прошу обратить внимание на жёлтый слой на «заднем» плане – это золотое напыление, от которого нам впоследствии предстоит избавиться.

Вперёд на амбразуру!

Сравнение горизонтальных (слева) и вертикальных (справа) «вводов»

Кроме всего прочего, на стеклянной подложке обнаружилось много интересных вещей. Например, позиционных меток и контактов, которые, по всей видимости, предназначены для тестирования дисплея на производстве:

Оптические микрофотографии меток и тестовых контактных площадок

Конечно, такое происходит не часто и обычно является несчастным случаем, но дисплеи иногда ломаются. Например, эта едва заметная трещина толщиной меньше человеческого волоса способна навсегда лишить радости читать любимую книгу о туманном Альбионе в душном московском метро:

Если дисплеи ломают, значит это кому-нибудь нужно… Мне, например!

Кстати, вот оно, то золото, о котором я упоминал – гладкая площадка «снизу» ячейки для качественного контакта с чернилами (о них чуть ниже). Золото удаляем механически и вот результат:

You"ve got a lot of guts. Let"s see what they look like! (с)

Под тонкой золотой плёнкой скрываются управляющие компоненты активной матрицы, если можно её так именовать.

Но самое интересно, конечно же, это сами «чернила»:

СЭМ-микрофотография чернил на поверхности активной матрицы.

Конечно, трудно найти хотя бы один разрушенную микрокапсулу, чтобы заглянуть внутрь и увидеть «белые» и «чёрные» пигментные частицы:

СЭМ-микрофотография поверхности электронных «чернил»

Оптическая микрофотография «чернил»

Или всё-таки внутри что-то есть?!

То ли разрушенная сфера, то ли выдранная из несущего полимера

Размер отдельных шариков, то есть некоторого аналога субпиксела в E-Ink, может составлять всего 20-30 мкм, что значительно ниже геометрических размеров субпикселов в LCD-дисплеях. При условии, что такая капсула может работать в половину своего размера, то и изображение получается на хороших, качественных E-Ink дисплеях гораздо более приятным, чем на LCD.

И на десерт – видео о том, как работают E-Ink дисплеи под микроскопом.

Что это - LCD? Если говорить коротко и ясно, это жидкокристаллический экран. Простые приборы, которые имеют такое оснащение, могут работать либо с черно-белым изображением, либо с 2-5 цветами. На данный момент описываемые экраны используются для отображения графической или текстовой информации. Их устанавливают в компьютеры, ноутбуки, телевизоры, телефоны, фотоаппараты, планшеты. Большинство электронных устройств на данный момент работает именно с таким экраном. Одной из популярных разновидностей такой техники является жидкокристаллический дисплей с активной матрицей.

История

Впервые жидкие кристаллы были открыты в 1888 году. Сделал это австриец Рейнитцер. В 1927 году русский физик Фредерикс открыл переход, который был назван в его честь. На данный момент он широко используется при создании жидкокристаллических дисплеев. В 1970 году компания RCA представила первый экран подобного типа. Его сразу стали применять в часах, калькуляторах и других приборах.

Чуть позже был создан матричный дисплей, который работал с черно-белым изображением. Цветной жидкокристаллический экран появился в 1987 году. Его создатель - компания Sharp. Диагональ этого прибора составляла 3 дюйма. Отзывы о LCD-экране такого типа были положительными.

Устройство

Рассматривая LCD-экраны, необходимо упомянуть о конструкции технологии.

Состоит данное устройство из ЖК-матрицы, источников света, которые обеспечивают непосредственно саму подсветку. Имеется пластиковый корпус, обрамленный металлической рамкой. Она необходима для придания жесткости. Также используются контактные жгуты, которые являются проводами.

ЖК-пиксели состоят из двух электродов прозрачного типа. Между ними размещается слой молекул, а также имеется два поляризационных фильтра. Их плоскости перпендикулярны. Следует отметить один нюанс. Он заключается в том, что если бы жидких кристаллов между вышеуказанными фильтрами не существовало, то свет, проходящий через один из них, блокировался бы сразу же вторым.

Поверхность электродов, которая соприкасается с жидкими кристаллами, покрыта специальной оболочкой. За счет этого молекулы движутся в одном направлении. Как уже было сказано выше, в основном они располагаются перпендикулярно. При отсутствии напряжения все молекулы имеют винтовую структуру. За счет этого свет преломляется и проходит через второй фильтр без потерь. Теперь любой человек должен понимать что это - LCD с точки зрения физики.

Преимущества

Если сравнивать с электронно-лучевыми приборами, то здесь выигрывает. Он имеет небольшие размеры и массу. ЖК-устройства не мерцают, у них нет проблем с фокусировкой, а также со сведением лучей, не появляются помехи, которые возникают от магнитных полей, нет никаких проблем с геометрией картинки и ее четкостью. Можно прикрепить дисплей LCD на кронштейнах к стене. Сделать это очень просто. При этом картинка не потеряет своих качеств.

Сколько потребляет ЖК-монитор, полностью зависит от настроек изображения, модели самого прибора, а также от характеристик подачи сигнала. Поэтому этот показатель может как совпадать с потреблением тех же лучевых устройств и плазменных экранов, так и быть гораздо ниже. На данный момент известно, что трата электроэнергии ЖК-мониторов будет определяться мощностью установленных ламп, которые обеспечивают подсветку.

Необходимо также сказать о малогабаритных дисплеях LCD. Что это, чем они отличаются? Большая часть таких приборов не имеет подсветки. Эти экраны используются в калькуляторах, часах. Такие устройства отличаются совершенно низким энергопотреблением, поэтому они могут работать до нескольких лет автономно.

Недостатки

Однако эти приборы имеют и минусы. К сожалению, много недостатков являются трудноустранимыми.

Если сравнивать с электронно-лучевой техникой, то четкое изображение на ЖК-дисплее можно получить лишь при штатном разрешении. Чтобы добиться хорошей характеристики других картинок, придется использовать интерполяцию.

ЖК-мониторы имеют средний контраст, а также плохую глубину черного цвета. Если захочется увеличить первый показатель, то нужно сделать больше яркость, что не всегда обеспечивает комфортный просмотр. Эта проблема заметна в устройствах LCD от Sony.

Скорость смены кадров у ЖК-дисплеев намного меньше, если сравнивать с плазменными экранами или электронно-лучевыми. На данный момент разработана технология Overdrive, однако она не решает проблемы скорости.

С углами обзора также имеются некоторые нюансы. Они полностью зависят от контрастности. У электронно-лучевой техники такой неприятности нет. ЖК-мониторы не защищены от механических повреждений, матрица не покрыта стеклом, поэтому при сильном нажатии можно деформировать кристаллы.

Подсветка

Поясняя, что это такое - LCD, следует сказать и об этой характеристике. Сами кристаллы не светятся. Поэтому для того чтобы изображение стало видимым, необходимо иметь источник света. Он может быть внешним или внутренним.

В качестве первого следует использовать солнечные лучи. Во втором варианте применяется искусственный источник.

Как правило, лампы со встроенной подсветкой устанавливаются сзади всех слоев жидких кристаллов, за счет чего они просвечиваются насквозь. Также встречается боковая подсветка, которая используется в часах. В телевизорах LCD (что это - ответ выше) такой тип конструкции не применяется.

Что касается внешнего освещения, то, как правило, черно-белые дисплеи часов и мобильных телефонов работают при наличии такого источника. Позади слоя с пикселями находится специальная матовая отражающая поверхность. Она позволяет отбивать солнечный свет или же излучение от ламп. Благодаря этому можно использовать такие устройства в темноте, так как производители встраивают боковую подсветку.

Дополнительная информацция

Есть дисплеи, в которых объединены внешний источник и дополнительно встроенные лампы. Ранее в некоторых часах, где был установлен ЖК-экран монохромного типа, использовалась специальная лампа накаливания небольшого размера. Однако из-за того что она потребляет слишком много энергии, такое решение не является выгодным. Подобные устройства уже не используются в телевизорах, так как они выделяют большое количество тепла. Из-за этого жидкие кристаллы разрушаются и перегорают.

В начале 2010 года стали распространенными LCD-телевизоры (что это такое, мы рассмотрели выше), которые имели Такие дисплеи не стоит путать с действительно настоящими LED-экранами, где каждый пиксель светится самостоятельно, являясь светодиодом.

Современные электронные устройства являются практически универсальными. Так, например, смартфон превосходно справляется не только со звонками (их приемом и совершением), но и возможностью бороздить просторы интернета, слушать музыку, просматривать видеоролики или читать книги. Для этих же задач подойдет планшет. Экран является одной из важнейших частей электроники, особенно если он - сенсорный и служит не только для отображения файлов, но и для управления. Ознакомимся с характеристиками дисплеев и технологиями, по которым они создаются. Уделим особое внимание тому, что такое IPS-экран, что это за технология, в чем ее преимущества.

Как устроен ЖК-экран

Прежде всего разберемся, как устроен которым оснащается современная техника. Во-первых, это активная матрица. Она состоит из микропленочных транзисторов. Благодаря им и формируется изображение. Во-вторых, это слой жидких кристаллов. Они оснащены светофильтрами и создают R-, G-, B-субпиксели. В-третьих, это система подсветки экрана, которая позволяет сделать изображение видимым. Она может быть люминесцентной или светодиодной.

Особенности IPS-технологии

Строго говоря, матрица IPS - разновидность технологии TFT, по которой создаются ЖК-экраны. Под TFT часто понимают мониторы, произведенные способом TN-TFT. Исходя из этого, можно произвести их сравнение. Чтобы ознакомиться с тонкостями выбора электроники, разберемся, что такое технология экрана IPS, что это понятие обозначает. Главное, что отличает эти дисплеи от TN-TFT, - расположение жидкокристаллических пикселей. Во втором случае они располагаются по спирали, находятся под углом в девяносто градусов горизонтально между двумя пластинами. В первом (который нас интересует больше всего) матрица состоит из тонкопленочных транзисторов. Причем кристаллы располагаются вдоль плоскости экрана параллельно друг другу. Без поступления на них напряжения они не поворачиваются. У TFT каждый транзистор управляет одной точкой экрана.

Отличие IPS от TN-TFT

Рассмотрим подробнее IPS, что это такое. У мониторов, созданных по данной технологии, есть масса преимуществ. Прежде всего, это великолепная цветопередача. Весь спектр оттенков ярок, реалистичен. Благодаря широкому углу обзора изображение не блекнет, с какой точки на него ни взгляни. У мониторов более высокая, четкая контрастность благодаря тому, что черный цвет передается просто идеально. Можно отметить следующие минусы, которыми обладает тип экрана IPS. Что это, прежде всего, большое потребление энергии, значительный недостаток. К тому же устройства, оснащенные такими экранами, стоят дорого, так как их производство очень затратное. Соответственно, TN-TFT обладают диаметрально противоположными характеристиками. У них меньше угол обзора, при изменении точки взгляда изображение искажается. На солнце ими пользоваться не очень удобно. Картинка темнеет, мешают блики. Однако такие дисплеи имеют быстрый отклик, меньше потребляют энергии и доступны по цене. Поэтому подобные мониторы устанавливают в бюджетных моделях электроники. Таким образом, можно заключить, в каких случаях подойдет IPS-экран, что это великолепная вещь для любителей кино, фото и видео. Однако из-за меньшей отзывчивости их не рекомендуют поклонникам динамичных компьютерных игр.

Разработки ведущих компаний

Сама технология IPS была создана японской компанией Hitachi совместно с NEC. Новым в ней было расположение жидкокристаллических кристаллов: не по спирали (как в TN-TFT), а параллельно друг другу и вдоль экрана. В результате такой монитор передает цвета более яркие и насыщенные. Изображение видно даже на открытом солнце. Угол обзора IPS-матрицы составляет сто семьдесят восемь градусов. Смотреть можно на экран с любой точки: снизу, сверху, справа, слева. Картинка остается четкой. Популярные планшеты с экраном IPS выпускает компания Apple, они создаются на матрице IPS Retina. На один дюйм используется увеличенная плотность пикселей. В результате изображение на дисплее выходит без зернистости, цвета передаются плавно. По словам разработчиков, человеческий глаз не замечает микрочастиц, если пикселей более 300 ppi. Сейчас устройства с IPS-дисплеями становятся более доступными по цене, ими начинают снабжать бюджетные модели электроники. Создаются новые разновидности матриц. Например, MVA/PVA. Они обладают быстрым откликом, широким углом обзора и замечательной цветопередачей.

Устройства с экраном мультитач

В последнее время большую популярность завоевали электронные приборы с сенсорным управлением. Причем это не только смартфоны. Выпускают ноутбуки, планшеты, у которых сенсорный экран IPS, служащий для управления файлами, изображениями. Такие устройства незаменимы для работы с видео, фотографиями. В зависимости от встречаются компактные и полноформатные устройства. мультитач способен распознавать одновременно десять касаний, то есть на таком мониторе можно работать сразу двумя руками. Небольшие мобильные устройства, например смартфоны или планшеты с диагональю в семь дюймов, распознают пять касаний. Этого вполне достаточно, если у вашего смартфона небольшой IPS-экран. Что это очень удобно, оценили многие покупатели компактных устройств.