Каждый день мы видим самые разнообразные экраны. В их числе рекламные дисплеи на улице, состоящие из светодиодов, а также читалки, в пикселях которых черный пигмент перемещается во взвеси белого пигмента. Или экран кинотеатра, который вовсе не простой кусок ткани, а холст со специальной фактурой и покрытием. Но сейчас речь пойдет не о них, а о жидкокристаллических экранах и о том, каким образом электричество превращается в конечное изображение.
Источник света
Изначально источником света для ЖК-экранов были газоразрядные лампы с холодным электродом (CCFL).
Под действием газового разряда ртуть излучает ультрафиолетовое свечение, которое, в свою очередь, возбуждает люминофор на стенках колбы и превращается в видимый свет. В отличие от обычных ламп дневного света, у таких ламп электрод без подогрева (что становится ясно из названия). Для нормальной работы им нужно высокое напряжение — до 900 вольт.
Сейчас вместо газоразрядных ламп используют светодиоды. От их типа сильно зависит конечная цена монитора. Так, в бюджетном сегменте используются обычные белые светодиоды W-Led. Основой для белых светодиодов служат синие светодиоды.
Они покрыты слоем люминофора, который преобразует часть синего спектра в другие цвета. В результате из синих светодиодов получаются белые светодиоды.
Обычный люминофор для белых светодиодов состоит из множества редкоземельных металлов: иттрий, гадолиний, церий, тербий, лантан.
В профессиональных устройствах подсветку из белых светодиодов дополняют зелеными светодиодами (GB-LED). Это дешевле люминофора, дающего нужный спектр. Использование же RGB-светодиодов даже в профессиональных устройствах — редкость, хотя это позволяет регулировать цветовую температуру и яркость без нарушения калибровки гамма-кривых монитора. В последнее время производители обратили внимание не только на обычные люминофоры, изготавливаемые из редкоземельных металлов, но и на квантовые точки.
Квантовые точки не требуют использования редких компонентов и просты в производстве: достаточно в правильных условиях смешать два дешевых реактива. Из-за того, что идеально выдержать условия невозможно, квантовые точки имеют небольшие различия в размере, поэтому ширина спектра излучения составляет порядка 20 нм.
Такой ширины спектра недостаточно для того, чтобы перекрыть REC.2020 на 100%, но это значение находится очень близко.
Подсветка
Подсветка может быть как боковой (Edge), так и прямой (Direct). Изначально боковая подсветка появилась для ртутных ламп. Потом на нее перешли и светодиоды.
Прямая подсветка ограничена довольно маленькими зонами, за которые отвечают отдельные светодиоды. Она более требовательна к качеству светодиодов, но позволяет хоть как-то реализовать технологию HDR не в OLED-устройствах.
Некоторых производителей при реализации HDR не останавливает наличие боковой подсветки, что приводит к большой площади изменения локальной яркости подсветки.
Полноценный HDR возможен только на OLED — это типичное заблуждение. В студиях кинопроизводства используют все те же самые дисплеи TFT LСD, но с одним маленьким отличием. В таких мониторах дополнительная матрица TFT обеспечивает попиксельное затенение подсветки, за счет чего получается монитор, превосходящий OLED почти по всем показателям, включая нескромную цену.
Рассеиватель
Как можно понять из названия, задача этой части ЖК-экрана — получить равномерное освещение, выдаваемое источником света. Первый слой — отражающий, обычно представляет из себя комбинацию белого пластика и фольги. Следующим идет световод.
Тут используется эффект полного отражения света в диэлектрике, а чтобы свет хоть как-то мог выйти, на поверхность световода наносят мельчайшие линзы.
Аналогичный способ используют и в акриловых вывесках и указателях.
Третий и шестой слои — рассеивающая пленка. Она обладает настолько мелкой и хаотичной структурой поверхности, что снимок был сделан на грани возможностей обычного объектива.
Четвертый и пятый слои отражают большую часть света и обладают либо призматическим, либо полуцилиндрическим рельефом.
Здесь снова используется принцип полного отражения в диэлектрическом материале, но уже как в катафотах.
Свет поочерёдно отражается от двух поверхностей, образованных микроклиньями на плёнке, и возвращается обратно.
Использование двух световозвращающих пленок обусловлено тем, что на производстве, чтобы получить более качественный рельеф, проще вытягивать пленку, чем пытаться штамповать заготовку и получить что-то непригодное.
Прямая подсветка устроена по тому же принципу, только вместо световода установлены рассеивающие линзы на светодиодах.
TFT-панель
Можно подумать, что эффект «капель воды» дает антибликовое покрытие, но нет. Это вид со стороны подсветки. Мельчайшие неровности находятся на поверхности первого слоя TFT-панели — поляризующей пленки, которая приклеена к стеклянной подложке. Основную работу по поляризации в дешевой поляризующей пленке выполняют атомы йода, вшитые внутрь полимера. А за счет 15-кратного вытягивания пленки молекулы полимера ориентируются в пространстве, и пленка получает свойства линейного поляризатора.
В отличие от демонстрационных моделей со шнурком в решетке, в реальности небольшая проводимость йода вдоль цепочки вызывает поглощение в видимом спектре вдоль ориентации.
После первого слоя преполяризатора идет непосредственно матрица TFT (тонкоплёночных транзисторов). Принцип работы всех панелей заключается в изменении поляризации света на тонкопленочных транзисторах. В зависимости от конфигурации электродов получаются разновидности TN(+film), IPS, VA. Современные панели настолько оптимизированы, что в конечном результате могут иметь как достоинства, так и недостатки панелей других типов.
Расположение слоя жидких кристаллов можно увидеть на приведенной выше схеме. Под действием электрического поля жидкие кристаллы меняют ориентацию и тем самым вращают плоскость поляризации проходящего через них света. За ним следуют светофильтры. Они обеспечивают разбиение белого цвета на цвета субпикселей. В зависимости от полосы пропускания фильтра, меняется конечная цветопередача всего монитора. Поэтому не факт, что, заменив подсветку W-LED на RGB, вы получите монитор, который станет пригоден для решения полиграфических задач.
Анализатор — это та же самая поляризационная пленка, но ориентированная перпендикулярно поляризатору. Она превращает изображение в видимое. Удалив эту пленку с экрана, можно скрыть изображение от посторонних глаз.
Антибликовое покрытие — последний слой. Вариантов его реализации множество, но основных — не так уж много. В первую очередь, это использование пластика с низким коэффициентом преломления света, что, в свою очередь, уменьшает коэффициент отражения от экрана.
Гладкое покрытие дает более контрастную картинку при условии, что за спиной нет сильных источников света. Матовое покрытие рассеивает свет равномерно и независимо от угла падения, что снижает контраст изображения, но при этом не создает отвлекающих бликов на экране.
Компромиссом является полуматовое/глянцевое покрытие, степень рассеивания отраженного света которого зависит от угла падения.
В самых дорогих моделях встречаются и другие типы антибликовых покрытий: с поляризацией, интерференцией и переменным эффективным коэффициентом преломления. Ну, и какой экран без управляющей электроники. От электроники зависит интерфейс подключения монитора, частота обновления, глубина цветопередачи и маленькие фичи – разгон матрицы, хранение калибровки в самом мониторе, управление подсветкой, наличие технологий синхронизации и не только.
Несмотря на кажущуюся простоту, жидкокристаллические экраны — это очень сложные устройства, объединяющие в себе множество достижений в области химии, физики и электроники.
