Реферат по физике. Тема: «Принцип действия жидкокристаллических мониторов. Их техническая характеристика»

Государственное бюджетное образовательное

Учреждение Ямало-Ненецкого автономного округа

«Ямальский многопрофильный колледж»

Реферат по физике

Тема:  «Принцип действия

жидкокристаллических мониторов.

Их техническая характеристика»

                                                                                               Выполнил студент  206 группы

                                                                                               Специальность «Компьютерные сети»

                                                                                               Пономарева Владислава Владимировича

                                                                           Руководитель Н.М. Ержанова

преподаватель физики

Салехард- 2014

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………….3

1. Строение и классификация жидких кристаллов………………………………………….4

2.  Принцип работы ЖК мониторов………………………………………………………….5  

3. Характеристики ЖК мониторов……………………………………………………………7

1.  Время отклика…………………………………………………………………………7
2.  Углы обзора……………………………………………………………………………8
3.  Яркость и контрастность………………………………………………………...…..11
4.  Цветопередача………………………………………………………………………..12

4. Безопасность………………………………………………………………………………..14

5. Разновидности матриц……………………………………………………………………..16

      5.1. TN+Film-матрицы…………………………………………………………………….16

      5.2. IPS-матрицы…………………………………………………………………………..16

      5.3. MVA-матрицы………………………………………………………………………..17

4.  PVA-матрицы…………………………………………………………………...……17

Заключение……………………………………………………………………………………18

Приложение…………………………………………………………………………………...19

Список использованной литературы………………………………………………………. .24

Введение

Жидкие кристаллы - это вещество, которое обладает свойствами, как жидкости, так и твердого тела. Одно из самых важных свойств жидких кристаллов (именно оно используется в ЖК^[1]-мониторах) - возможность изменять свою ориентацию в пространстве в зависимости от прикладного напряжения.

        Как обычно и происходит в науке, жидкие кристаллы были открыты случайно. В 1888 году Фридрих Рейнитцер (Friedrich Reinitzer), австрийский ботаник, изучал роль холестерина в растениях. Один из экспериментов заключался в нагреве материала. Ученый обнаружил, что кристаллы становятся мутными и текут при 145,5°, а далее кристаллы превращаются в жидкость при 178,5°. Фридрих поделился открытием с Отто Леманном (Otto Lehmann), немецким физиком, который обнаружил у жидкости свойства кристалла в отношении реакции на свет. С тех пор и пошло название "жидкие кристаллы".

        Что же это за вещества с таким парадоксальным названием «жидкие кристаллы», и почему к ним проявляется столь значительный интерес? В наше время наука стала производительной силой, и поэтому, как правило, повышенный научный интерес к тому или иному явлению или объекту означает, что это явление или объект представляет интерес для материального производства.  В этом отношении не являются исключением и жидкие кристаллы. Интерес к ним прежде всего обусловлен возможностями их эффективного применения в ряде отраслей производственной деятельности. Внедрение жидких кристаллов означает экономическую эффективность, простоту, удобство.

Вскоре после открытия уникальных свойств жидких кристаллов появились первые коммерческие образцы миниатюрных ЖК-дисплеев. Однако широкое распространение они получили только в середине 80-х годов XX века, когда монохромные жидкокристаллические дисплеи стали находить применение в качестве индикаторов в часах, микрокалькуляторах, видеокамерах. Массовое производство первых 10-дюймовых TFT^[2] матриц для ноутбуков началось только в 90-х годах XX века.                            

Цель моего реферата: Изучить строение и классификацию жидких кристаллов, рассмотреть принцип работы и технические характеристики ЖК-мониторов, изучить возможность применения жидких кристаллов в других сферах человеческой деятельности.

1. Строение и  классификация жидких кристаллов

         Принято выделять три агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное. Но некоторые органические вещества способны при плавлении в определенной фазе проявлять свойства, присущие как кристаллам, так и жидкостям. Приобретая текучесть, свойственную жидкостям, они в этой фазе не теряют упорядоченности молекул, свойственной твердым кристаллам. Эту фазу вполне можно назвать четвертым агрегатным состоянием. Правда, не следует забывать, что имеют ее только некоторые вещества и только в определенном диапазоне температур. На рисунках показана молекула и её формула, обладающая свойствами жидкого кристалла - метоксибензидин бутиланалин^[3] (см. приложение 1, рис.1,2).

        Пространственная ориентация молекул ЖК в так называемом положении отдыха называется порядком жидких кристаллов. Согласно классификации Фриделя, различают три основные категории порядка ЖК: смектический, нематический и холестерический (см. приложение 1, рис.3)

        Смектические ЖК наиболее упорядочены и ближе по структуре к обычным твердым кристаллам. У них, кроме простой взаимной ориентации молекул, присутствует еще и деление их на плоскости.  

        Направление преимущественной ориентации длинных осей молекул в жидких кристаллах обозначается вектором единичной длины, называемым директором.

        Основной же интерес представляют материалы с нематическим порядком, они применяются в современных жидкокристаллических панелях всех типов (TN, IPS и VA)2. В нематиках нормальным состоянием является положение молекул с упорядоченной по всему объему ориентацией молекул, свойственной кристаллам, но с хаотическим положением их центров тяжести, свойственным жидкостям. Молекулы в них сориентированы относительно параллельно, а вдоль оси директора смещены на различные расстояния.

        Жидкие кристаллы с холестерическим порядком по структуре напоминают нематики, разбитые на слои. Молекулы в каждом последующем слое повернуты относительно предыдущего на некоторый небольшой угол, и директор плавно закручивается по спирали. Эта слоистая природа, образуемая оптической активностью молекул и является основным признаком холестерического порядка. Холестерики иногда называют «скрученными нематиками».
        Граница между нематическим и холестерическим порядками является в некоторой степени условной. Холестерический порядок можно получить не только у холестерического материала в чистом виде, но и при помощи добавления к нематическому материалу специальных добавок с содержанием хиральных (оптически активных) молекул. Такие молекулы содержат асимметрический атом углерода и, в отличие от молекул нематиков, являются зеркально-несимметричными.

        Порядок в жидких кристаллах определяется междумолекулярными силами, которые создают упругость ЖК материала. Да, здесь можно говорить именно об упругих свойствах, хотя природа их отлична от упругих свойств обычных кристаллов, так как жидкие кристаллы все же обладают текучестью. В нормальном (или основном) состоянии молекулы стремятся вернуться в свое «положение отдыха», например, в нематическом материале — в положение с одинаковой ориентацией директора.

        Упругость ЖК меньше упругости обычных кристаллов на несколько порядков и дает совершенно уникальную возможность управлять их положением при помощи внешних воздействий. Таким воздействием может служить, к примеру, электрическое поле.

2. Принцип работы ЖК мониторов

        Работа ЖК-мониторов основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы - поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Таким образом, в результате исследований жидких кристаллов, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-дисплеи (а по-другому ЖК-дисплеи) для настольных компьютеров.

        Экран ЖК-монитора (см. приложение 2, рис.1) представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которыми можно манипулировать для отображения информации. ЖК-монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат между собой тонкий слой жидких кристаллов. На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического или магнитного поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).

        Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем (см. приложение 2, рис.2).

        В присутствии электрического поля поворот вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) (см. приложение 2, рис.3).

        Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана, то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут иметь любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение ЖК монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части ЖК-дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.
        Другой способ: можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонентов света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Первый метод проще, второй эффективнее.

3. Характеристики ЖК мониторов

3.1. Время отклика

        И так, экран монитора состоит из множества точек, то есть пикселей. Этому множеству пикселей задаются цвета, и формируется изображение. Это происходит за счет изменения угла поворота жидких кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля. Однако жидкие кристаллы – вещество сравнительно вязкое, поэтому поворот происходит не мгновенно, а за достаточно большое время порядка единиц или даже десятков миллисекунд. На графике это выглядит так (см. приложение 3, рис.1).

        Также стоит обратить внимание на несимметричность времени отклика – иначе говоря, на разницу между временем зажигания и временем гашения пикселя.

Традиционно производители матриц и мониторов измеряют время отклика как суммарное время переключения пикселя с черного на белый и обратно, причем измеряется время изменения яркости пикселя от 10% до 90% (такое определение, вопреки распространенному мнению, является не уловкой производителей панелей, а скорее необходимостью – дело в том, что момент точного начала загорания пикселя и момент точного достижения им яркости 100% принципиально невозможно определить из-за наличия шумов и конечной точности измерительного оборудования, а потому имеет смысл говорить лишь о вхождении яркости пикселя в некоторый интервал, который в данном случае определяется как 10%) (см. приложение 3, рис.2).

К сожалению, такое измерение на самом деле не дает полного представления о том, как будет себя вести монитор при работе с динамичной графикой. Дело в том, что измеренное таким образом время отклика является минимальным, какое вообще может показать матрица. Допустим, нас интересует переключение пикселя не с черного на белый, а с черного на темно-серый. Тогда, с одной стороны, кристаллам надо повернуться на меньший угол, но, с другой стороны, скорость их поворота пропорциональна напряженности приложенного электрического поля, а именно им и определяется угол поворота – чем меньший угол нам нужен, тем меньше должно быть электрическое поле. Таким образом, у нас есть две противоборствующие тенденции – уменьшается не только угол поворота, но и его скорость, так что на практике время поворота кристалла (то есть время отклика монитора) будет зависеть от соотношения этих тенденций. Как показывают измерения, время отклика всегда будет больше, чем при переключении с черного на белый, а насколько больше – зависит от типа матрицы (подробнее это будет рассмотрено ниже, при описании различных типов матриц).

Итак, мало того, что по паспортному времени отклика нельзя определенно сказать, насколько быстр монитор, так как у разных типов матриц зависимость времени отклика от начального и конечного состояния пикселя выглядит поразному, но и нельзя даже напрямую сравнивать мониторы на базе разных матриц (например, TN+Film и PVA), полагаясь лишь на заявленные производителем цифры. Для корректного сравнения нужен либо двумерный график зависимости времени отклика от конечного состояния пикселя (то есть время отклика для переходов с черного на серый), либо трехмерный график (поверхность) времени отклика при всех возможных переходах, включая переходы между двумя промежуточными уровнями (то есть между двумя градациями серого). К сожалению, в абсолютном большинстве случаев производители матриц и мониторов такой информации не предоставляют.

3.2. Углы обзора

        Другой традиционной проблемой ЖК-мониторов являются углы обзора; если изображение на ЭЛТ^[4] практически не страдает даже при взгляде почти параллельно плоскости экрана, то на многих ЖК-матрицах даже небольшое отклонение от перпендикуляра приводит к заметному падению контрастности и искажению цветопередачи.

В то же время все производители на данный момент заявляют, казалось бы, более чем достаточные углы обзора – у большинства моделей мониторов они составляют не менее 160 градусов, как по вертикали, так и по горизонтали. Проблема здесь, как и со временем отклика, в том, как эти углы измеряются.

Согласно текущим стандартам, производители матриц определяют угол обзора как угол относительно перпендикуляра к центру матрицы, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре матрицы падает до 10:1.

Во-первых, считается, что искажения изображения становятся легко заметны при падении контрастности уже в несколько раз, то есть примерно до 100:1 – иначе говоря, используемый производителями критерий весьма и весьма мягок, и уже, поэтому в большинстве случаев к заявленным углам обзора стоит относиться скептически, ибо на практике вы заметите, что картинка отличается от идеальной при намного меньших углах. Более того, некоторые производители указывают углы обзора для предельной контрастности не 10:1, а вдвое меньше – 5:1, в результате чего на свет "легким движением руки" недорогая TN+Film-матрица с углами обзора 150/140 градусов превращается в матрицу с углами уже 160/160 градусов. Очевидно, что с точки зрения пользователя от такой "модернизации" ничего не меняется – матрица-то остается та же самая, а вот с точки зрения заявленных характеристик на первый взгляд все выглядит так, будто производитель монитора начал устанавливать новые матрицы, с увеличенным углом обзора, и лишь в сноске мелкими буквами написано, что изменился-то только метод измерения.

Во-вторых, измерения контрастности проводятся в центре экрана, в то время как человек, находящийся перед монитором, видит края экрана под другим углом, нежели центр. Например, на приведенной ниже фотографии изображен монитор Greenwood LC521FT^[5], причем камера смотрит на него чуть снизу, под небольшим углом (см. приложение 3, рис.3).

Если Вы думаете, что фоном на экране монитора градиентная заливка от черного в верхней части до темно-серого в нижней – вы ошибаетесь. На мониторе абсолютно равномерный синий фон (RGB:{128; 128; 128})^[6], а такой сильный перепад яркости между верхом и низом экрана возникает из-за недостаточно большого угла обзора по вертикали. Тем не менее, яркость в центре экрана существенно ближе к идеалу, чем в верхней его части (которая выглядит практически черной), а потому стандартный метод измерения углов обзора покажет достаточно большую контрастность, чтобы не считать вертикальный угол обзора в 25 градусов (а примерно под таким углом камера смотрит на экран) предельным.

В-третьих, на примере этой фотографии также можно проиллюстрировать еще одну особенность заявляемых производителями углов – как правило, указывается суммарный угол в обе стороны от нормы (то есть, в случае с вертикальным углом обзора – суммируются предельные углы при взгляде на матрицу сверху и при взгляде снизу), в то время как для данного монитора (впрочем, как и для других моделей на TN+Film матрицах) угол обзора сверху существенно больше, да и эффект там проявляется другой – при взгляде сверху нижняя часть изображения сначала выцветает, а потом, по мере увеличения угла, инвертируется (белый цвет приобретает характерный синеватый оттенок и становится темнее светлых оттенков серого). В результате в паспортных характеристиках мы получаем достаточно большой угол обзора по вертикали, в реальности же малейшее отклонение экрана монитора назад приводит к более чем заметному потемнению верхней части экрана.

           В-четвертых, с углами обзора также возникает ситуация, похожая на описанную выше в главе про время отклика: измеряемое только в предельном случае переключения с черного на белый и обратно. Производитель указывает контрастность, наблюдаемую при взгляде строго перпендикулярно экрану, он также указывает, под каким углом эта контрастность упадет до 10:1, но мы ничего не знаем о том, как она изменяется между этими двумя точками.

Возьмем две матрицы с совершенно идентичными паспортными характеристиками – максимальная контрастность составляет 400:1, угол обзора (измеренный по падению контрастности до 10:1) равен 160 градусам (по 80 градусов в обе стороны). Но если посмотреть на матрицы под углом, скажем, 40 градусов – то одна из них будет иметь вдвое большую контрастность, чем другая; иначе говоря, с точки зрения покупателя у одной матрицы будут большие углы обзора, нежели у другой, в то время как их паспортные характеристики совершенно идентичны.
        В-пятых, при измерении углов обзора учитывается только падение контрастности, но не искажение цветопередачи. Например, на фотографии ниже запечатлен монитор Greenwood LC521FT, на экране которого – чистое белое поле (см. приложение 3 рис.4).

Как Вы видите, помимо потемнения белого цвета при взгляде сбоку, он также приобретает сильный желтовато-коричневый оттенок – таким образом, в некоторых случаях изменение цвета может быть даже заметнее, чем падение контрастности, однако при измерении углов обзора производителем это не учитывается.

И, наконец, в-шестых, производители указывают только вертикальные и горизонтальные углы обзора, в то время как, очевидно, на монитор можно посмотреть и, скажем, справа сверху. Ниже приведен график зависимости контрастности от обоих углов обзора (см. приложение 4, рис.1).

Таким образом, получается, что углы обзора по вертикали и горизонтали (то есть именно те углы, которые указываются в спецификациях) как раз максимальны, в то время как "диагональные" углы обзора существенно меньше.

Итак, паспортный параметр монитора "углы обзора", вообще говоря, достаточно мало говорит о том, как будет выглядеть изображение на этом мониторе. Более того, с ним связано такое количество оговорок и специфических особенностей различных типов матриц, что для объективной оценки реальных углов обзора требуется достаточно большое исследование, а потому единственный практически пригодный для покупателя способ оценки качества монитора – это посмотреть на различные мониторы вживую, не полагаясь на скупые паспортные характеристики.

3.3. Яркость и контрастность

        Под яркостью понимается яркость белого цвета (то есть на матрицу подается максимальный сигнал) в центре экрана, под контрастностью – отношение уровня белого цвета к уровню черного, также в центре экрана.

Проблема с контрастностью принципиальна для ЖК-мониторв в силу самого их принципа действия. Из-за неидеальности поляризаторов, не идеально точного расположения кристаллов и так далее – задержать весь свет невозможно, а потому какой-то его процент всегда будет проходить через матрицу, слегка "подсвечивая" черный цвет монитора.

Проблема с контрастностью принципиальна для ЖК-матриц в силу самого их принципа действия. В отличие от абсолютного большинства электронных устройств, отображения информации (ЭЛТ, OLED^[7] и так далее) по отношению к свету матрица является не активным, а пассивным элементом – иначе говоря, она не способна излучать свет, а лишь способна модулировать проходящий через нее. Поэтому позади ЖК-матрицы всегда размещается модуль подсветки, а матрица лишь управляет своей прозрачностью, ослабляя свет от модуля подсветки в заданное количество раз. Регулировка прозрачности осуществляется за счет поворота плоскости поляризации – жидкие кристаллы расположены между двумя однонаправленными поляризаторами: однонаправленность означает, что если свет между ними не изменил свою плоскость поляризации, то он проходит через второй поляризатор без потерь.

Если же плоскость поляризации была повернута жидкими кристаллами, то второй поляризатор задержит световой поток, и соответствующая ячейка будет выглядеть черной. Однако по различным причинам – из-за неидеальности поляризаторов, не идеально точного расположения кристаллов и так далее – задержать весь свет невозможно, а потому какой-то его процент всегда будет проходить через матрицу, слегка "подсвечивая" черный цвет монитора.

Как я уже отметил выше, эти измерения производятся производителем матрицы, а не монитора, а потому делаются на специальном стенде, где матрица подключается к источнику тестового сигнала, а лампы подсветки питаются током определенной величины – таким образом, получаются некие эталонные значения. В реальном же мониторе добавляется влияние его электроники, которая, во-первых, отлична от лабораторного генератора сигналов, во-вторых, еще и в некоторой степени управляется пользователем, регулирующим яркость, контрастность, цветовую температуру и другие параметры, а потому и реальные параметры монитора очень часто не соответствуют заявленным. Например, если электроника монитора дает небольшую "подсветку" черного цвета (разумеется, это дефект, однако на некоторых недорогих моделях он достаточно распространен), то реальная контрастность окажется значительно ниже заявленной.

Помимо того, что контрастность матрицы измеряется в условиях специального тестового стенда, а не готового монитора (то есть без учета особенностей электроники этого монитора), пользователь может сам регулировать яркость и контрастность, что также влияет на многие параметры изображения, причем как именно влияет – зависит от реализации этих регулировок опять же в конкретной модели монитора.

Итак, если делать краткий вывод из сказанного выше – если сравнивать два монитора на матрицах одинакового типа по паспортному значению контрастности можно (монитор с большей заявленной контрастностью, как правило, будет иметь и большую реальную контрастность), то сравнивать мониторы на разных типах матриц, а уж тем более делать какие-то выводы о реальной абсолютной (а не относительной, то есть в категориях "лучше - хуже") контрастности по одним только заявленным производителем монитора цифрам, вряд ли стоит.

3.4. Цветопередача

Цветопередачей называют количество цветов, которые способна отображать матрица. Многие матрицы не способны отображать более 262 тысяч цветов, что соответствует 18 битам. С точки зрения цветопередачи производители обычно указывают лишь одну цифру – количество цветов, которое традиционно равняется 16,2 млн. или 16,7 млн. Впрочем, даже здесь уже есть подвох – дело в том, что очень многие из выпускаемых сейчас матриц (а из "быстрых" матриц – все поголовно) не умеют отображать более 262 тысяч цветов (что соответствует 18 битам, или по 6 бит на каждый из трех базовых цветов^[8]).

Изображение на 18-битной матрице без дополнительных мер выглядит весьма грустно – фактически такая матрица годится только для офисной работы. По этой причине используется так называемый FRC^[9] – метод эмуляции недостающих цветов, при котором цвет пикселя меняется с каждым кадром в небольших пределах. Допустим, нам надо вывести цвет RGB:{154; 154; 154}, который наша матрица физически не поддерживает, однако она поддерживает два соседних цвета – RGB:{152; 152; 152} и RGB:{156; 156; 156}.

Если теперь поочередно (с частотой кадровой развертки) выводить эти два цвета, то, в результате близости их цветов и инерционности как человеческого глаза (очевидно, не воспринимающего мерцание на частоте 60Гц), так и самой матрицы ("сглаживающей" момент переключения цветов) мы будем видеть некий усредненный цвет, то есть искомый RGB:{154; 154; 154}. Разумеется, это все же эмуляция, не дотягивающая до полноценной "true color".

        На практике могут применяться более сложные механизмы FRC,  когда нужный цвет формируется несколькими расположенными рядом пикселями с немного различающимися цветами, то есть меняющие на каждом кадре цвет не одного пикселя, а, скажем, группы из четырех пикселей – это позволяет более точно передавать недоступные матрице оттенки цвета, однако суть от этого, в общем-то, не меняется – "полноцветными" такие матрицы можно называть лишь условно.

         Также качество цветопередачи определяется температурой Цветовая температура определяет тональность изображения на экране монитора

– чем ниже температура, тем теплее цвета (таково уж восприятие человека – как более холодный он воспринимает спектр излучения тела, которое на самом деле более горячее). Необходимость в ней возникает потому, что с точки зрения человеческого глаза нет как такового некоего универсального белого цвета, который глаз всегда бы воспринимал как белый – в зависимости от условий глаз подстраивается под некоторый диапазон.

Цветовая температура измеряется в Кельвинах и равна температуре абсолютно черного тела, излучающего такой же спектр. Существуют три наиболее распространенных значения – 5500К, использующееся обычно при печати и в фотографии, 6500К (для сравнения – цветовая температура 6000К соответствует яркому солнечному свету при безоблачном небе, а температуру 6500...7000К имеет небо с легкой облачностью), использующееся при обработке изображений на мониторе, также температура 9300К, соответствующая в природе цветовой температуре легкой тени в ясный день. Если же говорить об искусственных источниках света, то обычная бытовая лампа накаливания имеет цветовую температуру около 2000К, мощные студийные лампы накаливания и лампы дневного света с "теплым" люминофором – около 3000К, лампы дневного света с "холодным" люминофором – 4000К.

Еще одним параметром, в некоторой степени определяющим качество цветопередачи, является так называемый цветовой охват.

Как известно, человеческий глаз воспринимает свет в диапазоне длин волн примерно от 390 нм до 760 нм, воспринимая различные длины волны как различные цвета – от фиолетового до красного. В то же время различные устройства отображения информации, как правило, воспроизводят существенно меньший диапазон цветов. Наиболее удобно это наблюдать на так называемой цветовой диаграмме. В цветовом пространстве нужный тон задается тремя координатами – две из них задают цвет, а третья – яркость; на диаграмме же присутствуют только две координаты, определяющие цвет, причем там же выделяется пространство цветов, видимое человеческим глазом (границам этого пространства соответствуют чистые цвета, которые можно создать монохроматическим источником света, внутренней области – цвета с более сложным спектром) (см. приложение 4, рис.2).

        На этой диаграмме белым треугольником выделена область, соответствующая цветопередаче устройств, соответствующих стандарту ЖК-матриц, а белым кружком в его центре – точка белого цвета при цветовой температуре 6500К. Как видите, диапазон цветов весьма мал по сравнению с видимым глазом диапазоном, а потому многие цвета на этапе получения изображения оказываются за его пределами (например, ЖК-матрицы в принципе не способны воспроизвести ни один действительно чистый цвет) – в таком случае они заменяются цветами, лежащими на границе описывающего треугольника.

        Как видите, обеспечение качественной цветопередачи – весьма сложная и комплексная задача.

4. Безопасность

        Следующей темой моего реферата я хотел бы рассмотреть безопасность для здоровья. Несмотря на то, что эта тема напрямую не связана с качеством изображения, я все же рассмотрю ее. Впрочем, речь пойдет не столько о том, насколько безопасны ЖК-мониторы, сколько о том, опасны ли их собратья на ЭЛТ.

        Во-первых, монитор может представлять опасность с точки зрения излучений. Мне доводилось услышать множество утверждения о наличии у ЭЛТ-мониторов самых разнообразных их видов, от альфа-частиц до гамма-излучения. Давайте рассмотрим их по очереди... Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия - 4 – так как изначально в электронно-лучевой трубке гелия нет, то может это излучение взяться разве что за счет протекания в ней ядерных реакций, что, очевидно, невозможно. Следующее излучение – бета-излучение, которое представляет собой поток электронов; внутри электронно-лучевой трубки действительно присутствует поток электронов, разгоняющихся до энергий порядка 25 кэВ (так как рабочее напряжение кинескопа составляет порядка 25 кВ), однако между ним и пользователем находится стекло почти сантиметровой толщины, преодолеть которое не в состоянии ни один электрон.

Ударяясь в люминофор и тормозя в нем, электроны лишь часть своей энергии передают ему (собственно говоря, за счет этой энергии люминофор и светится), другая же часть энергии уходит в так называемое тормозное излучение, возникающее при торможении заряженной частицы в поле электронной оболочки неподвижного атома.

Спектр тормозного излучения простирается от нуля до максимальной энергии тормозящих частиц – то есть максимальная его энергия может составлять 25 кэВ, что соответствует очень мягкому рентгену^[10].

        Следом за рентгеновским излучением следует гамма-излучение с энергиями квантов в десятки МэВ, а возникает оно либо при переходах между разными энергетическими уровнями ядерного ядра после реакции ядерного распада, либо как тормозное напряжение при бомбардировке мишени частицами с энергиями в десятки МэВ. Очевидно, что ядерные реакции в мониторе не идут, и миллионновольтных напряжений в нем нет, а потому гамма-излучение он испускать не может.

        Итак, из излучений остался только мягкий рентген с энергией порядка 25 кэВ. Для борьбы с ним во всех без исключения кинескопах переднее стекло трубки (а тормозное излучение всегда направлено вперед, по направлению движения вызвавших его частиц) содержит в себе свинец и ряд других тяжелых металлов (добавление одного только свинца приводит к помутнению стекла со временем), а потому более чем эффективно задерживает это излучение. Таким образом, рентгеновское излучение монитора изначально имеет весьма мягкий спектр, а после прохождения через свинцовое стекло трубки его уровень не превышает обычного природного фонового уровня излучения.

        Во-вторых, помимо излучений, старые мониторы могли представлять собой некоторую не то что опасность, но скорее неприятность из-за наличия мощного электростатического поля на передней поверхности трубки, однако абсолютно все мониторы, соответствующие стандарту MPR-II (не говоря уж о серии стандартов TCO), имеют на трубке заземленное проводящее покрытие, снижающее электростатическое поле до приемлемых величин.

        В-третьих, отклоняющая система монитора излучает сравнительно мощное электромагнитное поле. Однако отклоняющая система расположена на горловине трубки, то есть сравнительно далеко от пользователя, к тому же в хороших современных мониторах она еще и закрыта защитным металлическим экраном – иначе говоря, нанести себе какой-либо вред за ее счет можно разве что, если долгими днями сидеть, прислонив голову к задней или боковой стенкам монитора, но никак не в метре перед экраном.

        Таким образом, получается, что в современном ЭЛТ-мониторе нет ничего опасного для здоровья – все приписываемые ему излучения либо вообще отсутствуют, либо же подавляются до безопасного уровня. Более того, если обратить внимание на жалобы пользователей на наносимый их здоровью ущерб, то в первую очередь выделяются жалобы на головную боль, усталость глаз и ухудшение зрения. Однако я позволю себе заметить, что после воздействия такой дозы рентгеновского излучения, которая вызывала бы головную боль и покраснение глаз, уже надо срочно решать вопрос с выбором места на кладбище, а не с выбором нового или заменой старого монитора...

Иначе говоря, вызваны все эти расстройства банальным плохим качеством изображения, а отнюдь не всевозможными излучениями. Наиболее частые причины – плохая фокусировка монитора, плохое сведение лучей или "мылящая" видеокарта, что приводит к нечеткому изображению на экране монитора, очень сильно утомляющему глаза. Также нередко встречается неправильно настроенный монитор – например, с выкрученной на максимум контрастностью при убранной в ноль яркости или же, наоборот, со слишком высокой яркостью при низкой контрастности. Сильно влияет на усталость глаз также попытка работать в полной темноте...

        Таким образом, главное достоинство ЖК-мониторов сводится не столько к отсутствию излучений (по причине отсутствия, как электронных пучков, так и каких-либо отклоняющих систем и вообще высоких напряжений, кроме напряжения питания ламп подсветки), сколько к принципиальному отсутствию таких понятий, как "фокусировка" и "сведение" – четкость изображения на ЖК всегда идеальна, за исключением разве что некоторых недорогих моделей, имеющих проблемы с подстройкой под аналоговый сигнал видеокарты. Тем не менее, проблемы с настройкой яркости и контрастности на комфортный уровень это не отменяет – от избыточной яркости или недостаточной контрастности глаза на ЖК-мониторе будут страдать точно так же, как и на ЭЛТ.

        На этом позвольте мне закончить с теорией и перейти к конкретике – то есть вкратце рассказать различным типам матриц, а также их типичным характеристикам.

5. Разновидности матриц

5.1. TN+Film-матрицы

        TN-матрицы (на ранних этапах своего развития получившие приставку "Film", обозначающую дополнительную пленку, улучшающую углы обзора – так как в настоящий момент все матрицы этого типа имеют такую пленку, то отдельное упоминание о ней давно уже перестало быть обязательным, а потому, говоря о современных матрицах, "TN" и "TN+Film" можно считать синонимами) – самый старый тип матриц, ведущий свое существование еще со времен пассивных матриц.

        TN-матрицы никогда не выделялись высокими параметрами, в первую очередь страдала цветопередача, которая у старых ЖК-мониторов не просто отличалась от ЭЛТ-мониторов, а была столь специфической, что к ней зачастую приходилось привыкать даже в офисных приложениях, а о работе с фотографиями лучше было и не упоминать. По этой причине TN-матрицам долгое время прочили замену и вытеснение с рынка, сначала в лице IPS-матриц, а потом MVA-матриц (о них я скажу дальше), однако на практике все получилось совсем иначе, чем в прогнозах аналитиков.

        Свое название – а TN расшифровывается как "Twisted Nematic" – эти матрицы получили за способ организации жидких кристаллов в панели, при котором при подаче напряжения кристаллы сворачиваются в спираль, ось которой перпендикулярна плоскости панели. К сожалению, форма спирали оказывается слегка искажена (крайние кристаллы не точно параллельны поверхности, а находятся под небольшим углом к ней), к тому же, очевидно, оптические характеристики спирали при взгляде вдоль ее оси и под углом будут сильно различаться – из-за первого недостатка TN-матрицы не могут похвастаться большой контрастностью, а из-за второго – большими углами обзора (см. приложение 5, рис.1).

5.2. IPS-матрицы

        Технология IPS была разработана компанией Hitachi в 1996 году именно для устранения двух проблем TN-матриц – маленьких углов обзора и низкого качества цветопередачи. Свое название – In-Plane Switching – она получила за счет того, что кристаллы в ячейках IPS-панели всегда расположены в одной плоскости и всегда параллельны плоскости панели (не считая небольших искажений, вносимых электродами). При подаче на ячейку напряжения все кристаллы поворачиваются на 90 градусов, причем, в отличие от TN, в активном состоянии панель пропускает свет, а в пассивном (при отсутствии напряжения) – нет, так что при выходе из строя тонкопленочного транзистора соответствующий пиксель всегда будет черным (см. приложение 5, рис.2).

        Как видно из рисунка, от TN-матриц IPS отличается не только структурой кристаллов, но и расположением электродов – оба электрода находятся на одной пластине, а потому занимают большую площадь, нежели электроды в TN-матрицах, что снижает контрастность и яркость матрицы.

5.3. MVA-матрицы

        Технология MVA (Multidomain Vertical Alignment) была разработана компанией Fujitsu в 1998 году как компромисс между TN+Film и IPS-матрицами – с одной стороны, эта технология позволила обеспечить полное время отклика 25 мс (что на тот момент было совершенно недостижимо для IPS и труднодостижимо для TN), с другой стороны, MVA-матрицы имеют углы обзора 160...170 градусов, что позволяет им легко превосходить по этому параметру TN и напрямую конкурировать с IPS. Кроме того, технология MVA позволяет получить значительно более высокую контрастность, нежели TN или IPS.

        И кристаллы в этих матрицах располагаются следующим образом (см. приложение 5 рис.3,4).

5.4. PVA-матрицы

        Технология PVA – Patterned Vertical Alignment – была разработана компанией Samsung в качестве альтернативы MVA. Отмечу, что такая модель разработки для Samsung не нова – в свое время существовала также технология ACE, фактически аналогичная более привычному IPS. Тем не менее, говорить о том, что PVA есть копия MVA, созданная лишь с целью ухода от лицензионных выплат Fujitsu, параметры и пути развития MVA и PVA матриц различаются достаточно, чтобы можно было говорить о PVA как о самостоятельной технологии.

        Тем не менее, структура жидких кристаллов в PVA такая же, как и в MVA – домены с различной ориентацией кристаллов позволяют сохранять нужный цвет практически независимо от угла, под которым пользователь смотрит на монитор. Фактически в последних моделях мониторов от Samsung углы обзора при традиционном их измерении по падению контрастности до 10:1 ограничиваются даже не матрицей, а скорее пластиковой рамкой вокруг экрана.

Заключение

        Итак,  уже достаточно подробно изложено то, как  жидкие кристаллы применяются в ЖК-мониторах, но это далеко не единственная сфера применения этих веществ, поэтому заключительную часть реферата посвящена  именно этому.

        Расположение молекул в жидких кристаллах изменяется под действием таких факторов, как температура, давление, электрические и магнитные поля; изменения же расположения молекул приводят (как уже упоминалось выше) к изменению оптических свойств, таких, как цвет, прозрачность и способность к вращению плоскости поляризации проходящего света. На всем этом основаны многочисленные применения жидких кристаллов. Например, зависимость цвета от температуры используется для медицинской диагностики. Нанося на тело пациента некоторые жидкокристаллические материалы, врач может легко выявлять затронутые болезнью ткани по изменению цвета в тех местах, где эти ткани выделяют повышенные количества тепла. Температурная зависимость цвета позволяет также контролировать качество изделий без их разрушения. Если металлическое изделие нагревать, то его внутренний дефект изменит распределение температуры на поверхности. Эти дефекты выявляются по изменению цвета нанесенного на поверхность жидкокристаллического материала.

        Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств (прикладывая низковольтные электрические поля к разным частям, соответствующим образом выбранной пленки, можно получать видимые глазом фигуры, образованные, например, прозрачными и непрозрачными участками). Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц.

Приложение 1

Рисунок  1. Формура метоксибензидин бутиланалин

Рисунок  2. Молекула жидкого кристалла по микроскопом

Рисунок  3. Структура жидких кристаллов

Приложение 2

Рисунок  1. Строение ЖК - матрицы

Рисунок 2. Поляризационные фильтры (нет электромагнитного поля)

Рисунок 3. Поляризационные фильтры (есть электромагнитное поле)

                                        Приложение 3

Рисунок 1. График времени отклика

Рисунок 2. Время отклика  (переход с черного на белый)

Рисунок 3.   Монитор Greenwood LC521FT                Рисунок 4.Монитор Greenwood LC521FT

                 (камера снизу)                                                    (камера сбоку)

Приложение 4

Рисунок 1. Углы обзора

Рисунок 2. Цветовой охват

Приложение 5

Рисунок 1. Строение жидких кристаллов в TN+Film-матрице

Рисунок 2. Строение жидких кристаллов в IPS-матрице

Рисунок 3. Строение жидких кристаллов в MVA-матрице

Рисунок 4. Строение жидких кристаллов в MVA-матрице

Список использованной литературы

1. Астафуров В.И. Бусев А.И. Строение вещества: Книга для учащихся. – 2-е изд., перераб. - М.: «Просвещение», 1983. – 160 с.

2. Ватаманюк А.А. Ремонт и обслуживание компьютера дома. – СПБ.: Питер, 2006. – 272с.: ил.

3. Гончаренко С.У., Воловик П.Н. Физика: Учеб. пособие для 10 кл. веч. (смен.) сред. Шк. и самообразования. – 6-е изд., перераб. - М.: «Просвещение», 1989. – 239 с.

4. Информатика для ссузов: учебное пособие / П.П. беленький [и др.]: под общ. ред. П.П. Беленького.- М.: КНОРУС, 2005 . – 448 с.  

5. Информационные технологии и компьютеризация делопроизводства: учеб. пособие для нач. проф. образования  / В.В. Сапков. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «академия», 2007. – 288 с.

6. Кабардин О.Ф., Орлов В.А. и др. под ред. Пинского А.А. Физика. Учебник для 10 кл., шк. и кл. с углубл. изучением физики / «Просвещение» 2001. – 415 с.

7. Мякишев Г.Я. Синяков А.З. Физика. Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. – 3-е изд. – М.: «Дрофа» 1998.- 352 с.: ил.

8. Партыка Т.Л., Попов И.И. Вычислительная техника: учеб. пособие. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. – 608 с.: ил. – (Профессиональное образование).

9. - www.alhimik.ru/stroenie/gl_16.html

10. - www.comp.potrebitel.ru/data/3/84/032.shtml

11. - www.reflist.ru/doc/19446.shtml