Cum functioneaza un display LCD? | TN vs VA vs IPS
In acest articol vom trece prin tot ce inseamna LCD
Un LCD (Liquid Crystal Display) este un Ecran cu Cristale Lichide, deci se bazeaza pe proprietatea lor de a schimba directia de propagare a luminii polarizate.
Istorie:
Botanistul Fridrich Reinitzer a fost primul om care a cercetat aceste cristale. Ulterior si fizicianul Otto Lehman a luat parte la acest proces. Dupa ce ei au pus bazele cercetarii, au urmat o gramada de oameni sa dezvolte mai departe aceata tehnologie, pana cand vestite companii ca Fujitsu, Hitachi, LG, Samsung, Sharp si asa mai departe, si-au pus amprenta pe aceasta tehnologie, intr-o maniera proprie.
Ce sunt cristalele lichide?
Sunt „o combinatie” intre lichid si solid, in sensul ca structura lor moleculara este fixa desi ele sunt lichide. Daca structura moleculara este una fixa, inseamna ca lumina polarizata poate fi manipulata dupa aranjamentul molecular, ceea ce va duce la o schimbare a traiecoriei ei. Deci lumina cand va strabate aceste cristale lichide, in loc sa treaca pe cealata parte in linie dreapta sau sa se opreasca, se va orienta in functie de aranjamentul molecular, care poate fi modificat la aplicarea unei tensiuni.
Ce inseamna Polarizare?
Pentru a intelege ce inseamna lumina polarizata, trebuie intai sa intelegem sa este lumina.
Lumina reprezista o unda in spectrul electromagnetic. Aceasta unda isi imprastie razele in toate directiile
Fenomenul de polarizare al luminii se produce atunci cand lumina este blocata in a radia in toate directiile si radiaza doar intr-o singura directie, de exemplu doar pe vertical.
Cum este posibil acest fenomen?
Acest lucru este posibil cu ajutorul unui filtru polarizat, care este o bucata de plastic sau sticla tratata chimic, iar daca ar fi sa ne gandim la cum ar arata acest filtru marit, am vedea un grilaj cu linii paralele (verticale sa zicem). Aceste linii paralele nu vor face altceva decat vor absorbi lumina care radiaza in toate directiile. Daca lumina nu mai poate trece prin acele bare inseamna ca va trece printre ele. Deci spunem ca lumina care trece printre acele bare este polarizata vertical.
Ochelarii de soare au in componenta lor filtrul polarizat. Putem sa experimentam fenomenul de polarizare atunci cand ne uitam cu ochelarii de soare la un ecran. Observam ca daca ii rasucim, la un moment dat imaginea se intuneca de tot. In acel moment barele ecranului cu barele ochelarilor sunt perpendiculare, ceea ce inseamna ca lumina nu mai poate trece nici pe vertical nici pe orizontal, deci este blocata.
De cate tipuri sunt ecranele LCD?
-Cu matrice Pasiva (cele vechi):
Pentru a controla un subpixel, ecranele cu matrice pasiva folosesc o grila de comanda formata din linii si coloane. Un subpixel este controlat la intersectia unui rand cu o coloana.
STN (Super Twisted Nematic);
DTSN (Dual-Scan Super Twist Nematic).
-Cu matrice Activa:
Fiecare subpixel este comandat de cate un (doua in cazul ecranurilor IPS) tranzistor + un condensator TFT. Aceste tranzistoare vor controla cata lumina va fi lasata sa treaca prin subprixel (prin orientarea moleculelor de cristal).
TN (Twisted nematic);
VA (Vertical alignament):MVA: P-MVA; S-PVA; AMVA; MVA Sharp; PVA; S-PVA; cPVA; A-PVA; SVA;
IPS (In-plane Switching): Super TFT; S-IPS; E-IPS; AS-IPS; H-IPS; e-IPS; UH-IPS; H2-IPS; S-IPS II; p-IPS; AH-IPS; PLS; S-PLS II; p-IPS; AH-IPS; PLS; S-PLS; AD-PLS; AHVA; Retina.
Cum functioneaza un LCD?
Un LCD contine mai multe straturi. Daca le luam din spate catre fata avem urmatoarea configuratie:
- Reflector de lumina / folie reflectorizanta – propulseaza toata lumina in fata.
- Sursa de lumina (alba) – de cele mai multe ori avem o banda de leduri lipita pe una din margini sau doua benzi chiar pe spate (la TV-uri). Pentru o calitate mai buna unele LCD-uri sunt prevazute cu mini LED-uri (a nu se confunda cu micro LED-uri). Panourile mai vechi erau retroiluminate cu lampi fluorescente. De asemenea in cazul LCD-urilor simple putem avea o oglinda care va prelua lumina din exterior.
- Folii de prelucrare a luminii – cu scopul de a focaliza si raspandi lumina uniform pe toata suprafta.
- Filtrul polarizar (vertical) – pe aici va trece doar lumina polarizata vertical.
- Matricea TFT cu tranzistoare si condensoatare insotita de electrozi negativi. La TN si VA fiecarui subpixel ii este atribuit un tranzistor si un condensator. La IPS vom avea cate doua tranzistoare si condensatoare + ambii electrozi, atat anodul cat si catodul care sunt pozitionat in dreapta si in stanga subpixelui pentru a putea dirija miscarea de rotatie a moleculelor. De asemenea, in cazul matricei pasive avem pe acest strat grila de comanda a pixelilor.
- Stratul cu cristale lichide – este diferit in functie de tipul ecranului si avem trei modele: TN, VA si IPS.
Modelul TN are dispunere nematica (rasucita). Avem doua stari posibile:
-OF (in lipsa tensiunii, cristalele raman rasucite / alineate pe filtrul 2) – lumina reuseste sa treaca prin ambele filtre;
-ON (la actiunea tensiunii cristalele se indreapta) – lumina nu mai poate sa treaca prin filtrul 2.
Modelul VA are dispunere verticala. Avem doua stari posibile:
-OF (in lipsa tensiunii, cristalele sunt alinealate vertical / perpendicular pe filtrul 2) – lumina este blocata de filtrul 2;
-ON (la aplicarea tensiunii, cristalele se inclina pana la 90°, deci coincid cu filtrul 2) – lumina trece prin filtrul 2.
Modelul IPS are dispunere orizontala. Avem doua stari posibile:
-OF (in lipsa tensiunii, cristalele sunt alineate orizontal / perpendiculaere pe filtrul 2) – lumina este blocata de filtrul 2;
-ON (la aplicarea tensiunii, cristalele se rotesc pana la 90°, deci se alineaza cu filtrul 2) – lumina trece prin filtrul 2.
7. Al doilea strat cu electrozi, de aceasta data pozitivi (exceptand modelul IPS in care avem atat anodul cat si catodul pozitionati pe primul strat de electrozi).
8. Filtrul de coloare. Acest strat formeaza pixelii pe care noi ii putem vedea cu ochiul liber. Acest filtru este format dintr-o multitudine de pixeli, in functie de rezolutie. Spre exemplu, rezolutia FULL HD are 1920 de pixeli pe orizontala si 1080 pe verticala. Asta inseamna un total de 2.073.600 de pixeli (1920 X 1080=2.073.600).
Ce este un pixel?
Un pixel este format din 3 subpixeli: rosu, verde si albastru, dupa modelul RGB. Fiecare subpixel este controlat de catre o celula, in cazul matricei pasive sau de catre un tranzistor TFT (chiar doua tranzistoare in cazul modelului IPS). Asadar, un panou obisnuit de tip TN / VA in format FULL HD va avea 1920 (pixeli pe orizontala) X 1080 (pixeli pe verticala) X 3 (subpixeli) X 1 (tranzistor) = 6.220.800 tranzistoare TFT, iar un panou IPS de doua ori mai mult avand in vedere faptul ca utilizeaza cate doua tranzistoare pe subpixel, deci 1920 (pixeli pe orizontala) X 1080 (pixeli pe verticala) X 3 (subpixeli) X 2 (tranzistoare) = 12. 441.600 tranzistoare TFT.
Cum se obtin culorile?
Prin combinarea celor 3 culori: rosu, verde si albastru putem obtine orice culoare. Dupa cum stim, cantitatea de luminia care trece prin subpixeli, (reprezentati de filtrul de culoare) este controlata fie din jonctiune in cazul matricei pasive, fie din tranzistoare in cazul matricei active. Cu alte cuvine, tensiunea din tranzistoare, va controla orientarea cristalelor, deci cantitatea de lumina care va trece prin filtrul colorat.
Sa luam pentru exemplu un panoul LCD TFT pe 8 biti, adica 256 de valori (28),ne vom raporta la un singur pixel, si avem urmatoarele situatii:
-Cand tensiunea aplicata la toate cele 3 culori este minima, adica 0, cristalele nu coincid nici cu filtrul 2 de iesire, nici cu subpixeli – lumina nu poate sa treaca prin subpixelii colorati, pe ecran vom vedea culoarea negru.
-Cand toti cei 3 subpixeli primesc valoarea maxima, adica 255 (255 si nu 256 pentru ca numaratoarea incepe de la 0 in informatica) culoarea rezultata este alb (pentru ca ochiul uman cand vede la un loc aceste 3 culori combinate, percepe culoarea alb).
-Daca cei 3 subpixeli ar fi luminati la jumate, cu valoarea 128, ar compune culoarea gri.
-Daca doar subpixelul albastru ar primi valoarea maxima (255), iar ceilati doi ar fi pe zero, evident ca ecranul va afisa culoarea albastru.
-Sau daca am avea subpixelii rosu si verde luminati la maxim iar pe cel albastru oprit, culoarea rezultata va fi galben.
In acest fel putem jongla cu aceste culori si valori si vom obtine pana la 16.777.216 de nuante, rezultati prin inmultirea celor 3 subpixeli cu cei 8 biti, adica un total de 24 de biti (3 subpixeli X 8 biti= 24 de biti; 24 de biti = 224 = 16.777.216).
9. Al doilea filtru polarizat (Orizontal) – cu axele de transmisie la 90° fata de primul filtru.
In acest fel se obtinea proiectarea imaginii.
Ce diferente exista intre tipurile TN, VA si IPS?
Stim deja ca in functie de producator la mai gasim si sub alte denumiri:
TN (Twisted nematic):
Avantaje:
-Timplul de raspuns;
-Pretul este mai scazut decat la cele VA si IPS.
Dezavantaje:
-Unhiuri de vizualizare;
-Reproducerea culorilor, este mai slaba.
VA (Vertical alignament): MVA: P-MVA; S-PVA; AMVA; MVA Sharp; PVA; S-PVA; cPVA; A-PVA; SVA:
Avantaje:
-Contrastul;
-Unghiuri de vizualiarare.
Dezavantaje:
-Timp de raspuns ceva mai crescut.
IPS (In-plane Switching): Super TFT; S-IPS; E-IPS; AS-IPS; H-IPS; e-IPS; UH-IPS; H2-IPS; S-IPS II; p-IPS; AH-IPS; PLS; S-PLS II; p-IPS; AH-IPS; PLS; S-PLS; AD-PLS; AHVA; Retina:
Avantaje:
-Unghiuri de vizualiare foarte bune;
-Cea mai buna reproducere a culorilor.
Dezavantaje:
-Sunt ceva mai scumpe.
Daca am face un mic clasament pe puncte cu toate cele 3 tipuri de ecrane, clasamentul ar arata asa:
In concluzie, toate cele 3 tipuri de panouri isi au propria intrebuintare:
-Cele TN sunt utilizare in industria jocurilor;
-Cele IPS in industria editarii grafice;
-Cele VA reprezista o cale de mijloc, fiind ideale pentru vizionarea filmelor, datorita balansului extraordinar intre alb si negru.
Un alt fip de ecran foarte cunoscut este QLED-ul care se bazeaza pe tehnologia LCD-urilor, doar ca intr-o maniera proprie si ceva mai diferita.