Technikálie: Jak zobrazuje LCD panel

0

Objev tekutých krystalů se datuje ještě před konec 19. století, větší vývoj v oblasti jejich aplikace v elektrotechnice spojený s nejdůležitějšími objevy byl však nastartován až v 60. a 70. letech 20. století. Rozvoj začal nejdříve v oblasti monochromatických (jednobarevných – zpravidla černá barva na kontrastním podkladu) displejů např. pro kalkulačky, později byly nasazeny do prvních notebooků, na přelomu tisíciletí již byly standardem v široké oblasti spotřební elektroniky. Dnes nechybí na stolech u počítačů či v obývacích pokojích.

Základní princip LCD

Displeje z tekutých krystalů využívají jevů spojených s polarizovaným světlem. Světlo má charakter elektromagnetického vlnění, což znamená, že vždy kmitá v nějakém směru (říkáme, že kmitá v nějaké rovině). Běžné světlo je výsledkem složením mnoha jednotlivých vlnění, které kmitají ve všech možných směrech. Pomocí polarizačního filtru lze ale vybrat jen světlo kmitající v jednom směru (běžné světlo jde tedy převést na polarizované). Pokud se za sebe umístí dva filtry polarizované navzájem kolmo, neprojde žádné světlo.

A zde právě nastupují tekuté krystaly, které mohou rovinu polarizace procházejícího světla otočit tak, aby prošlo i druhým filtrem. Působeným elektrického napětí mezi dvěma elektrodami se krystaly v různé míře uspořádají a více či méně stáčí rovinu polarizace. Tím lze řídit to, jaké množství světla projde. Zde je důležité zmínit, že LCD (byť to laikovi na první pohled přijde nesmyslné) nesvítí, jen regulují tok světla. Také proto vyžadují nějaký externí zdroj (u malých displejů např. v kalkulačkách se využívá odrazu od poslední vrstvy, u větších pak nějakého svítidla umístěného uvnitř displeje).

Pokud použijeme tři různé druhy krystalů, každý pro jednu základní barvu (černá, modrá, zelená), lze regulací množství propuštěného světla každým z nich namíchat různé barvy. Displej má nanesené pevné množství bodů (pixelů), každý z nich se skládá ze tří subpixelů, to jsou právě buňky pro základní barvy. Proto má také pevné rozlišení, což je nevýhoda např. oproti starým CRT.

Panely dříve menší rozlišení zobrazovaly jen daným počtem bodů, ostatní byly černé, dnes se pro zobrazení na celé ploše panelu využívá metody zvané interpolace.

Druhy panelů

Rozlišujeme dva základní druhy panelů – pasivní a aktivní. Pasivní vyžadují řídicí elektrody pro každý pixel, což by u větších kusů s velkým množstvím pixelů vyžadovalo miliony spojů. Dříve také byl problém v tom, že každá buňka se pomalu vracela do původního stavu, jakmile na ni přestalo působit napětí (což trvalo do doby, než začal cyklus nastavování pixelů nanovo a krystaly v příslušné buňce byly vráceny zpět). To dnes řeší tzv. bistabilní krystaly, které zůstanou v pozici, do jaké byly otočeny, pasivní displeje tak mají do budoucna ještě zajištěn jistý potenciál využití.

Aktivní displeje, přesně řečeno jejich výhradně používaná verze TFT (Thin-Film Transistor), řeší otáčení krystalů v jednotlivých buňkách adresováním jedné konkrétní buňky přes soustavu tranzistorů, v tomto případě fóliových, nanesených přímo na skleněném substrátu. Setrvačnost krystalů je zajištěna tím, že fungují zároveň jako malý kondenzátor (nabijí se, napětí pak nějakou dobu působí, a krystaly se tak samy nevrací do výchozí polohy). Konkrétních řešení TFT panelů je opět více, jmenovitě TN, IPS, MVA, PVA, AFFS a další.

TN (Twisted nematic, nejpoužívanější pro monitory a také nejlevnější) otáčí rovinu polarizace, pokud není aplikováno napětí – displej je proto průhledný. Čím větší napětí na buňku působí, tím více se struktura změní a více světla je blokováno. TN jsou velmi rychlé, mají ale obecně horší pozorovací úhly (to se částečně vyřešilo použitím dalších fólií – tzv. TN+film apod.) a horší barevné podání, zvládnou totiž jen 18 bitovou barevnou hloubku. To se částečně vyřešilo technologiemi nazývanými dithering a FRC.

Vypnutý TN displej propouští veškeré (polarizované) světlo Zapnutý TN displej propouští světla méně než displej vypnutý  

IPS (In-Plain Switching) jsou podobné TN, krystaly se však otáčí v podélné rovině, nikoli kolmo na skleněný substrát. Dosahuje se tak lepších barev a pozorovacích úhlů (barvy navíc při větších úhlech nedegradují), avšak počáteční verze trápila dlouhá odezva a horší kontrast. Pozdější vylepšení většinu negativních stránek odstranila.

MVA (Multi-domain Vertival Alignment) nabízí lepší barvy a pozorovací úhly než TN, avšak nedosahují úrovně IPS. Na druhou stranu, MVA jsou oproti IPS rychlejší.

PVA (Patterned Vertical Alignment) dnes zcela vytlačily MVA – dosahují totiž vyššího kontrastu. Dražší panely nabízí plnou 24bitovou barevnou hloubku, některé nové dokonce ještě vyšší.

AFFS (Advanced Fringe Field Switching) je jedna z novějších technologií nabízející větší propustnost pro světlo (stačí tak menší intenzita podsvícení), což šetří spotřebu elektrického proudu. Nižší napětí stačí také pro samotné řízení krystalů. Zajímavostí je i rychlejší zotavení po působení tlaku.

Složení běžného panelu

Podsvícení: některé menší panely podsvícení nemají, obsahují jen vrstvu, která odrazí zpět procházející světlo. Pro monitory a televizory je ale samozřejmě podsvícení naprosto nutné. Zpočátku byly používány drobné zářivky, dnes dochází k jejich nahrazování technologií LED. Ta má menší spotřebu a rozměry, RGB diody navíc s časem nedegradují a nabízí větší škálu barev (dokonce je lze zčásti vypínat a podstatně tak zlepšit kontrast a podání černé, nějaké světlo totiž vždy pronikne a LCD tak občas trpí tím, že černá není dokonale černou). Bílé diody trápí podobné potíže jako zářivky (spojené s postupnou degradací luminoforu, což je vrstva převádějící modré či ultrafialové záření na viditelné), ač to není tak výrazné.  

 

 

Použití LED ale automaticky neznamená lepší podsvícení, mezi panely s více zářivkami a panely s jedním páskem diod je stále ohromný rozdíl. U extratenkých displejů jsou LED jen po stranách v rámu, nejlepších barevných výsledků je ale dosaženo při rovnoměrném podsvícení po celé ploše.

Rozvaděč světla: při použití pouze jednoho lokálního zdroje světla (jedna zářivka či LED v rámu) se k lepšímu rozvodu světla využívá fotovodivé polymerové desky, která funguje překvapivě dobře, nicméně je stále poznat rozdíl mezi panelem s podsvícením umístěným uprostřed a na straně. Na polymerové desce bývá několik různých fólií, např. difuzních (ty způsobí vyzařování světla všemi směry, což přispívá k rovnoměrnějšímu podsvícení).

LCD: samotná matice s tekutými krystaly. Ty jsou umístěné mezi dvěma fóliemi s elektrodami a tranzistory, vše je naneseno mezi dvě skleněné desky (těm se říká substrát). Přímo na deskách bývají oba polarizační filtry (za a před maticí tekutých krystalů). Na její přední části se pak nachází další fólie na ochranu panelu, zlepšení pozorovacích úhlů, snížení vlivů oslnění (např. při používání venku) atd. Jsou to většinou také fólie, které dávají panelu jeho lesklé či matné charakteristiky.

 

Slovníček:

Barevná hloubka značí počet bitů, tedy informací o barevném odstínu na jeden pixel obrazu. Udává tedy počet barev v paletě – např. 18bitová hloubka znamená možnost zobrazit až 218 = 262 144 barev. Standardem jsou dnes 32bitové barevné hloubky (přes 4 mld. barev), některá zařízení už ale pracují i se 64bitovými hloubkami. U vysokých barevných hloubek už jsou však rozdíly mezi barvami lidským okem nepostřehnutelné

Dithering je jednou z používaných metod pro vyrobení barev tam, kde není k dispozici dostatečná barevná hloubka. Zdání chybějící barvy se vytváří smícháním barev tří blízkých pixelů, barevné přechody tak působí hladší. Příliš silný efekt ale vede k rozmazání obrazu

FRC (Frame Rate Control) umožňuje podobně jako dithering vytvořit zdání barev z palety, která jinak není k dispozici. Zabezpečuje to mírná změna barvy konkrétního pixelu každý obnovovací cyklus. Setrvačnost lidského oka pak zajistí jejich smíchání. Vnímavější uživatelé ale mohou zaznamenat blikání

Interpolace je metoda jak zobrazit snímky v menším rozlišení na panelech s vyšším rozlišením. S pomocí některého z používaných algoritmů dochází k dopočítání chybějících pixelů (např. zprůměrování barev). Ačkoli dnes jsou již metody interpolace poměrně pokročilé, zejména u rozlišení blízkých nativnímu rozlišení displeje, může stále docházet ke znatelnému zhoršení obrazu

Obnovovací frekvence znamená, kolikrát za sekundu může dojít ke změně otočení krystalů. Důležité je opravdu slovo může, pokud se barva pixelu mezi dvěma snímky nemění, pixelu bude pouze obnoveno původní natočení (postupně se totiž vrací do výchozí polohy)

Technikálie: Jak zobrazuje LCD panel

Ohodnoťte tento článek!