Каталог материалов
Как работает ЖК телевизор?
12.09.2011

Как работает ЖК телевизор?

От редакции

Мы продолжаем знакомить читателей с основами современной телевизионной техники. Те, кто знакомы с нашими предыдущими публикациями («Цифровое телевидение: что это такое?» и «Мобильное телевидение: что это такое?», «3D-телевидение: что это такое?»), смогут расширить свои знания в этой области.

Серость жизни не скрасит даже цветной телевизор
Народная мудрость

Роль телевидения в жизни современного человека трудно переоценить. Когда-то (по историческим меркам еще совсем недавно) телевизионных каналов было совсем мало, сами телевизоры были примитивны, а качество изображения (тогда еще черно-белого) оставляло желать лучшего, но и тогда популярность телевидения была весьма высокой. Зачастую приходилось делать предельно простой выбор между вариантами: «можно купить» и «нигде не достать».

За последние двадцать лет ситуация изменилась кардинально. В любом магазине бытовой электроники полки и витрины заставлены сотнями моделей телевизоров различных марок, типов, размеров и цен. Выбор аппаратуры огромен, и разобраться в этом порой нелегко даже специалисту.

В данной статье рассмотрены две основные технологии современного телевизоростроения, а также преимущества и недостатки каждой из них. Все это сделано для того, чтобы заинтересованный читатель смог сделать обоснованный выбор.

Плоские телевизоры сменяют кинескопные

Все многообразие представленных моделей определяется двумя наиболее важными параметрами: типом конструкции и размером экрана. Сегодня традиционные кинескопные телевизоры сходят со сцены, и рынок завоевывают два типа плоских телевизоров: жидкокристаллические (ЖК) — LCD (Liquid Crystal Display) и плазменные — PDP (Plasma Display Panel). Именно эти современные технологии сегодня являются главными конкурентами, и именно их противоборство зачастую заставляет покупателей чесать затылки, выбирая замену устаревшему кинескопному «старичку».

В отличие от кинескопных, плоские телевизоры (иногда говорят плоскопараллельные панели) не имеют геометрических искажений изображения и в них не используется высокое напряжение (да-да, те самые киловольты, без которых ни один кинескоп работать не может). Такие телевизоры не создают вредных электрических и магнитных полей, так как они не содержат таких узлов разверток и высоковольтного напряжения, какие используются в традиционных телевизорах. Они и сами не подвержены влиянию внешних полей, что с успехом позволяет использовать их в качестве устройств отображения информации в домашних кинотеатрах совместно с акустическими системами, содержащими динамические головки с неэкранированными магнитами.

Плоские телевизоры имеют очень малую толщину корпуса, позволяющую более экономично использовать жилое пространство и вписывать их практически в любой интерьер. И еще, что очень важно, только плоские современные телевизоры в полной мере поддерживают новейшие цифровые технологии, в том числе обеспечение показа телевидения высокой четкости.

Главное отличие новых технологий формирования изображения на плоских экранах от кинескопных заключается в управлении всем массивом элементов изображения одновременно. Напомним читателю, что процесс воспроизведения изображения на экране кинескопа сводится к последовательному прорисовыванию электронными лучами отдельных строк, цельная картина из которых складывается только благодаря инерционности ее восприятия зрением человека.

И та, и другая технологии используют общий базовый принцип получения многообразия цветов — разбиение экрана на мельчайшие точки (пикселы), каждая из которых формируется тремя еще меньшими точками (субпикселами) или ячейками трех основных цветов: красного, зеленого, синего (триадами). Если зритель находится на каком-то удалении от экрана, то он не может различить субпикселы друг от друга и воспринимает их как единое целое. Поэтому, используя три этих цвета в различных пропорциях, можно создавать многообразие цветов, а в равных пропорциях, но с различной интенсивностью, — все оттенки серого от белого до черного.

Рассмотрим, прежде всего, чем же отличаются друг от друга эти две современные технологии.

На жидких кристаллах

ЖК-телевизоры (их еще называют ЖК-дисплеями) используют тонкий слой жидкокристаллического материала — органического соединения, характеризующегося сочетанием свойств жидкости (например, текучестью) и твердых кристаллов (например, оптической анизотропией, т.е. различием оптических свойств среды в зависимости от направления распространения в ней света и его поляризации).

Рассмотрим, как это все работает. С технической точки зрения технология работы ЖК-дисплея представляет собой способ модуляции (изменения проницаемости) света с помощью набора большого количества ЖК-ячеек (это и есть субпикселы). Для получения изображения субпикселы не светятся сами, а только изменяют прозрачность.

Такую плоскую конструкцию называют ЖК-матрицей. Говоря проще, изображение на экране создается путем пропускания или прерывания света специального источника задней подсветки множеством ячеек. Благодаря их способности становиться полностью прозрачными или наоборот закрытыми, можно управлять проходящим светом, создавая цельное изображение.

Источник подсветки излучает обычный неполяризованный белый свет. Как известно из курса физики, свет представляет собой электромагнитную волну, где векторы электрического и магнитного полей направлены перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны, а поляризация влияет на ориентацию вектора электрического поля.

Работа ЖК-дисплея основана на использовании эффекта вращения плоскости поляризации светового потока слоем ЖК-материала (так называемого крутящего или твист-эффекта). Известно, что молекулы ЖК-материала обладают дипольным моментом. Напомним читателю, что диполь — это совокупность двух разноименных электрических зарядов одинакового значения, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

В результате взаимодействия электрических полей диполей образуется спиралевидная структура из молекул ЖК-материала, которая в отсутствии приложенного к ячейке напряжения обеспечивает поворот плоскости поляризации светового потока на 90° (рис.1,а).

Конструкция ЖК-дисплея такова, что плоскости поляризации верхнего и нижнего поляризационных фильтров (их еще называют поляроидами) повернуты друг относительно друга на 90°. Как показано на рис.1,а световой поток сначала проходит через верхний поляризационный фильтр. При этом его половина (на рисунке условно показана белым цветом), не имеющая азимутальной поляризации, теряется. Остальная часть уже поляризованного светового потока (на рисунке условно показана черным цветом), проходя через слои ЖК-материала, поворачивается на 90°. В результате ориентация плоскости поляризации светового потока совпадает с плоскостью поляризации нижнего фильтра и световой поток проходит через него практически без потерь.

Если же к ЖК-ячейке приложить определенное напряжение, как это показано на рис.1,б, то спиралевидная молекулярная структура разрушается и проходящий через ЖК-материал световой поток уже не изменяет плоскость поляризации и практически полностью поглощается нижним поляризационным фильтром. Таким образом, ЖК-матрица имеет два крайних оптических состояния: прозрачное и непрозрачное. Отношение коэффициентов пропускания светового потока в обоих состояниях определяет контрастность изображения.

Поэтому, если на кристалл подать напряжение, то угол поворота плоскости поляризации будет зависеть от его величины подобно стрелке компаса, ориентирующейся по магнитному полю Земли. В зависимости от угла поворота, т.е. от уровня приложенного напряжения, могут быть и промежуточные значения прозрачности, а это значит, что через кристалл будет проходить больше или меньше света, в результате чего каждый субпиксел даст то или иное количество красного, зеленого или синего цвета.

Это свойство жидких кристаллов и стало причиной их успеха в дисплейных технологиях.

Итак, каждый пиксел благодаря триадам обретает строго определенный цвет, который задается с помощью прозрачных цветовых фильтров. Если быть точным, то фильтры просто не пропускают ненужные цвета спектра, поглощая до 75% света. Каждый субпиксел имеет одинаковое строение и отличается только размещенным напротив него цветовым фильтром. Различные сочетания цветов соседних пикселов обеспечивают получение обширного диапазона цветовых оттенков на экране.

Ложка дегтя в бочке меда

ЖК-технология имеет много преимуществ. Прежде всего, благодаря полупроводниковым технологиям производства (литография, напыление и т.п.), удается делать чрезвычайно маленькие пикселы, в связи с чем ЖК-матрицы очень компактны. Поэтому они находят применение во многих портативных приборах: мобильных телефонах, навигаторах, дисплеях и т.п. Основной их объем занимают люминесцентные лампы задней подсветки. Но в связи с внедрением в последних разработках ЖК-телевизоров в качестве источников задней подсветки современных миниатюрных белых светодиодов (так называемые LED (Light Emitting Diode)-телевизоры), они становятся еще более плоскими.

Поскольку качественные ЖК-матрицы «живут» очень долго, то телевизоры с ними имеют большую долговечность. Большинство встречающихся дефектов ЖК-телевизоров связаны с отказами ламп подсветки или источников их питания (инверторов). Неисправные лампы подсветки в большинстве случаев можно заменить.

ЖК-панели имеют большую яркость свечения и пикселы в них не мерцают, поэтому их можно рассматривать с достаточно близкого расстояния, что и является причиной их массового использования в качестве компьютерных мониторов.

ЖК-панели потребляют от питающей сети гораздо меньше энергии, нежели аналогичные по размеру диагонали кинескопные телевизоры.

Но, как известно, без ложки дегтя не обходится ни одна бочка меда. И, главное, что здесь необходимо отметить: получение настоящего глубокого черного цвета на ЖК-матрице долгое время было затруднительно. Ведь и в закрытом состоянии ячейки не могут быть абсолютно непрозрачными, а даже, если это так, то свет «умудряется» просачиваться между ними и в итоге черные области выглядят темно-серыми.

Применение для подсветки нескольких тысяч светодиодов, о которых говорилось выше, стало одновременно и эффективным методом повышения контрастности изображения. Целенаправленное выключение светодиодов, расположенных за темными областями изображения, делает черный цвет более глубоким. В ряде моделей благодаря используемой управляемой светодиодной подсветке величина контрастности достигает 1000000:1. Однако какими бы малыми светодиоды ни были, и как бы много их ни было, их все равно в тысячи раз меньше, чем ячеек. Поэтому с высокой точностью подсветить лишь светлые области изображения не всегда возможно. Вследствие этого неизбежно появление артефактов изображения — светлых окаймлений вокруг светлых объектов на темном фоне.

Еще одной проблемой использования ЖК-матриц долгое время было уменьшение яркости, контрастности и насыщенности изображения в зависимости от углов обзора (углов поля зрения). Ведь не надо забывать, что излучаемый подсветкой свет проходит через два поляризационных фильтра, и лишь затем покидает поверхность экрана. Ранее, когда ЖК-матрицы использовались только в мониторах, непосредственно перед которыми находился пользователь, эта проблема не была так важна. Другое дело в телевизорах с большими экранами, перед которыми в качестве зрителей может собираться вся семья. Надо отметить, что в последнее время в связи с внедрением новейших технологий построения ЖК-матриц с этим недостатком удалось успешно справиться. Сейчас нормой стали углы обзора во всех направлениях не менее 170°.

И еще одна важная, но решаемая проблема связана с инерционностью изменения свечения, вызванной тем, что реакция ЖК-материала на изменение приложенного напряжения отнюдь не мгновенна. Это может выражаться в появлении так называемых «шлейфов» за быстро перемещающимися на экране объектами. Используется даже (особенно часто в компьютерных мониторах) связанный с этим явлением специальный параметр, называемый временем отклика.

Одним из вариантов решения этой проблемы могло бы быть отключение подсветки во время смены кадров, но при этом появляется не полезное для зрения мерцание. В современных моделях ЖК-телевизоров и мониторов эта проблема решена схемными и конструктивными методами, время отклика не превышает 5 мс и никакие «шлейфы» даже при просмотре очень «быстрых» фильмов уже не видны.

Текст: Александр Пескин,
доцент МГТУ
им. Н.Э.Баумана

<

Смотрите также


Если вам понравилась данная статья, поделитесь ей в социальных сетях:



Каталог материалов