Технологии изготовления экранов планшетов (ликбез).

Экраны современных планшетов производятся с применением следующих технологий: AMOLED, TFT, TFT IPS, 3Qi, PLS. Каждая технология изготовления обладает определенными особенностями, влияющими на характеристики экрана и качество получаемого изображения.
AMOLED (Active Matrix Organic Light Emitting Diode, от англ. «активная матрица на органических светодиодах») — это технология производства органических электролюминесцентных дисплеев. Отличительная особенность таких дисплеев состоит в том, что они не нуждаются в дополнительной подсветке. По сравнению с традиционными LCD-технологиями, экраны AMOLED имеют целый ряд преимуществ: очень высокие контрастность и яркость (информация легко воспринимается практически при любых условиях), отличная цветопередача и пониженное потребление энергии.
TFT (Thin Film Transistor, от англ. «тонкопленочный транзистор») — это общее название технологии, которая применяется во всех жидкокристаллических мониторах.

Качество изображения (цветопередача, углы обзора и т. п.) в значительной мере зависят от типа используемой матрицы.
TFT IPS (In-Plane Switching, от англ. «переключение в одной плоскости») ЖК-матрицы на основе TFT IPS выгодно отличаются от других типов матриц на основе TFT. Они обладают более широкими углами обзора и улучшенной цветопередачей, что существенно повышает их стоимость.
3Qi. Новая технология 3Qi, предложенная компанией Pixel Qi, предусматривает два режима работы у экрана планшета. Первый режим соответствует работе цветной ЖК-матрицы с подсветкой, второй режим обеспечивает работу матрицы без подсветки, а также в черно-белом режиме (как в электронных книгах). Первый режим используется при просмотре видео и игр, тогда как второй — обеспечивает комфортное чтение электронных книг. Отключение подсветки экрана позволяет увеличить время работы от батареи.
PLS (Plane-to-Line Switching) – тип ЖК-матрицы, задуманной как более дешевая альтернатива IPS. Был представлен компанией Samsung еще в 2010 году. PLS-матицы обеспечивают более высокую плотность пикселей (по сравнению с IPS ), более низкое энергопотребление, а также прекрасную цветопередачу и высокую ярость. К недостаткам можно отнести более низкую контрастность, неравномерность засветки и среднее время отклика.

Сенсорные экраны. На данный момент существует несколько типов сенсорных экранов: резистивные, емкостные и матричные.
Резистивные экраны реагируют на прикосновение любым предметом: рукой (голой или в перчатке), стилусом (пером), кредитной картой и т. п. Принцип работы заключается в том, что при нажатии происходит механическое замыкание проводящих слоев, что приводит к изменению сопротивления на проводниках. Это изменение улавливается специальным датчиком и преобразовывается в координаты точки касания. Недостатком такого типа экранов является низкое светопропускание, которое не превышает 85 %. Однако серьезного дискомфорта при работе с таким экраном не возникает.

Емкостные экраны обладают заметным преимуществом: поддерживают нажатие в двух точках одновременно (мультитач, см. «Мультитач-экран»). Прозрачность таких экранов достигает 90 %. Емкостные экраны очень долговечны, т. к. их верхний слой выполнен из стекла. Основной недостаток такого типа экранов заключается в том, что они не восприимчивы к нажатию в перчатках, а также к прикосновению других твердых предметов.
Матричные экраны. В небольшом количестве на рынке встречаются аппараты, экран которых изготовлен по матричной технологии. Характеристики такого типа дисплеев аналогичны резистивным, однако их конструкция упрощена до предела, что существенно снижает стоимость таких планшетов.

Устойчивое к царапинам стекло. Наличие у экрана планшета защитного стекла, устойчивого к механическим воздействиям в ряде случаев является важным параметром. Современные планшеты имеют большой экран, который занимает почти всю площадь устройства. Поверхность экрана можно случайно повредить, например, положив планшет в сумку с ключами. Даже мелкие царапины на экране могут испортить внешний вид и существенно снизить комфорт использования устройства. В качестве защиты экрана нередко применяют специальную пленку или чехол, однако они не способны полностью предотвратить повреждения.
Производители современных смартфонов и планшетов для защиты экрана часто используют специальное, устойчивое к царапинам стекло. При изготовлении такого стекла применяется дополнительная химическая обработка. Получается очень твердая поверхность, защищенная от появления царапин (при обычном режиме эксплуатации устройства). Примером такого стекла может служить Gorilla Glass производства компании Corning.

Число пикселей на дюйм (от 0 до 359). Число пикселей на дюйм (PPI) показывает плотность расположения точечных элементов изображения на экране. Чем больше точек приходится на дюйм, тем более четкое и качественное изображение видит пользователь. Идеальным экраном можно считать тот, у которого минимальный элемент изображения неразличим человеческим глазом.
Разрешающая способность глаза человека определяется угловой величиной. В зависимости от расстояния между глазом и экраном сетка из пикселей изображения перестает различаться для разных значений PPI.

Для сотовых телефонов и другой портативной техники можно считать, что экран устройства располагается на расстоянии 25 см. В этом случае, если PPI составляет 300 точек на дюйм или более, то человеческий глаз не способен различать отдельные точки изображения.
Для планшета это расстояние можно считать равным 36 см, а PPI должно составлять 260 точек на дюйм.
Для ноутбуков, при расстоянии до экрана 50 см, необходима плотность точек 220.
В данном поле значение PPI рассчитывается, исходя из значений разрешения экрана и величины его диагонали.

Широкоформатные и обычные экраны.  Экраны современных планшетов делятся на обычные и широкоформатные.

У широкоформатного экрана (соотношение сторон 16:9 или 16:10) ширина значительно превосходит высоту. Такой экран идеален для просмотра фильмов, поскольку большинство современных кинокартин имеют схожий формат.

      У обычного, не широкоформатного экрана (соотношение сторон 4:3 или 5:4) ширина лишь незначительно превосходит высоту. Пространство такого экрана оптимально используется при просмотре веб-сайтов или чтении книг. При демонстрации широкоформатного фильма значительная часть экрана не используется, а сверху и снизу изображения появляются черные полосы.

 

IPS матрицы — технология, типы, преимущества

Появление в девяностых годах прошлого века жидкокристаллических LCD мониторов существенно улучшило потребительские качества компьютеров и телевизионных приемников. Отображаемая ими картинка стала максимально реалистичной, яркой и насыщенной. Кроме того, частота обновления экрана выросла в десятки раз, что существенно снизило нагрузку на глаза пользователя. Сегодня мы расскажем вам о том, что такое IPS-матрица – один из трех конструктивных видов дисплеев на жидких кристаллах. 

Конструкция и принцип работы IPS матрицы

Активный элемент – экран, жидкокристаллического монитора (дисплея), на котором и происходит отображение информации, принято называть матрицей. Потому что он составлен из тонкопленочных TFT-транзисторов, расположенных в строгом геометрическом порядке друг относительно друга. 

Каждый такой транзистор обеспечивает работу одного элемента, формирующего изображение – пикселя. Эта элементарная частица экрана представляет собой сборку из нескольких жидких кристаллов. Существует три варианта ориентации этих кристаллов друг относительно друга:

1. Перпендикулярно (TN). 
2. Параллельно (IPS).
3. Вертикально (VA).

Схема TN является родоначальником, с нее началось развитие жидкокристаллических дисплеев. Ее сущность в том, что на управляющих электродах нанесены бороздки, глубина которых равна толщине двух-трех молекулярных слоев жидкого кристалла, благодаря чему происходит их сцепление. Сборка пикселя состоит из кристаллов, расположенных перпендикулярно друг другу.

В 1995 году инженером Гюнтером Бауэром (не путать с мотогонщиком) была предложена схема IPS, в которой электроды с бороздками расположены параллельно друг другу. Соответственно, и управляемые им кристаллы. Аббревиатура расшифровывается как in-plane-switching, что в переводе с английского означает «параллельное переключение». 

Конструкция IPS элемента

Жидкокристаллическая панель, построенная по принципу IPS, состоит из двух модулей:

1. Подсветки. Обычно для этого используется LED (светодиодный) источник света.
2. Матрицы с жидкими кристаллами.

Активный элемент матрицы представляет собой слоеный пирог из трех, как минимум, элементов. В нем есть управляющие электроды и соединенные с ними кристаллы. А также RGB-фильтры, формирующие цветовую палитру.

Принцип работы IPS элемента

Как работает IPS матрица? Принцип ее работы заключается в модуляции светового потока, излучаемого блоком подсветки. В зависимости от наличия или отсутствия напряжения на управляющих электродах сборка может быть непрозрачной, прозрачной полностью или частично. 

Если напряжение на электроды не подано, то фотоны, проходя через первый кристалл пакета, поляризуются его фильтром, смещая суммарный вектор на 900 в горизонтальной плоскости. Прохождение через второй слой, параллельный первому, обнуляют поляризацию, и поток света в нем гасится.

Подача напряжения сопровождается поворотом кристаллов друг относительно друга на определенный угол, который зависит от силы тока. В тот момент, когда элементы сборки расположены перпендикулярно, светопроницаемость достигает максимума.

Этим сборка IPS кардинально отличается от TN. У нее, при отсутствии напряжения на электродах, экран выглядит абсолютно черным. Что и позволяет получить максимально четкую и контрастную картинку. Сборка же TN белый немодулированный свет частично пропускает в любом случае, из-за чего качество изображения снижается.

Виды IPS матриц

Жидкокристаллические LED-экраны, построенные по архитектуре IPS, используются до сих пор. С момента своего появления они несколько раз модернизировались с целью повышения качества отображаемой картинки и улучшения потребительских качеств. Тем не менее, сейчас на рынке компьютерной техники встречаются все типы IPS матриц.

Super-IPS. Устройство второй генерации. У супер-ИПС существенно повышена скорость отклика, благодаря чему на экран можно выводить динамично изменяющиеся изображения. Например, сеттинг компьютерных игр. 

Третье поколение AS-IPS отличается повышенной яркостью изображения. Также улучшена контрастность и другие параметры изображения.

Горизонтальная IPS (H-IPS) создавалась специально для компьютерных дизайнеров (CG-художников) и фотографов. Эти матрицы передают наиболее реалистичное изображение.

P-IPS (Professional) матрица. На сегодняшний день она наиболее популярна и ставится на мониторы премиум-класса. У нее наиболее реалистичная цветопередача. Кроме того, существенно снижено время отклика, что позволяет транслировать быстро меняющиеся сюжеты без искажений.

E-IPS матрицы создавались с целью получить бюджетный, общедоступный вариант экрана. Для этого был упрощен блок подсветки, в нем используются самые дешевые светодиоды. Из-за чего несколько пострадало качество цветопередачи. При этом скорость отклика осталась на прежней высоте.

На сегодняшний день наилучшими свойствами обладает матрица AH-IPS. В ее конструкции сконцентрированы все достижения микроэлектронной промышленности, достигнутые за последние тридцать лет. 

Отдельно стоит упомянуть про матрицы PLS, являющиеся разновидностью технологии IPS. Они разработаны компанией Samsung, прямого конкурента LG. Обладают высокой светопропускаемостью и яркостью, четкостью и контрастностью картинки. Эффект достигнут за счет плотного расположения пикселей и большим углом поворота кристаллов. Матрицы обладают очень большим углом обзора, что позволяет использовать их в сверхшироких экранах. Кроме того, их энергоемкость снижена за счет использования светодиодов для формирования опорного луча света.

Достоинства и недостатки технологии IPS

Основным достоинством матриц, построенных по технологии IPS, является высокое качество цветопередачи и контрастность изображения. Они способны транслировать его в формате 4К. А глубина цветного изображения достигает 10 бит на канал.

Эти матрицы обеспечивают очень широкий угол обзора, близкий к 180 градусам. На экран можно смотреть не только прямо и перпендикулярно его плоскости, но и сбоку. При этом качество изображения практически не уменьшается. Это свойство позволяет использовать IPS матрицы в сверхшироких экранах для трансляции спортивных состязаний и иных зрелищ на улицах.

За счет того, что при отсутствии напряжения на управляющих электродах несущий световой поток не воздействует на жидкие кристаллы сборки пикселя, не происходит выгорание элементов. Экраны могут длительно работать с преобладанием одного фонового цвета. Ресурсоемкость мониторов IPS значительно выше, чем у плазменных панелей.

Основной недостаток IPS-мониторов в том, что они энергоемки. Особенно это касается устаревших моделей, в которых подсветка осуществляется не светодиодами, а люминесцентными лампами.

Отстают такие дисплеи и в скорости реакции. Особенно в том случае, если сборка пикселя состоит более, чем из трех кристаллов. Имея высокое качество цветопередачи и контрастность изображения, они немного «тормозят». Хотя для рядового пользователя этот эффект не имеет существенного значения и не замечается им.

Где применяются экраны с IPS-матрицей 

Жидкокристаллические экраны с IPS-матрицей находят широкое применение везде, где требуется получить яркое, контрастное изображение. Это не только компьютерные мониторы – как отдельные для системных блоков, так и для ноутбуков, планшетов, смартфонов.

IPS экраны широко используются в так называемых домашних кинотеатрах. Благодаря широкому углу обзора, они позволяют наблюдать действо на экране, расположившись в любом удобном месте – картинка будет четкой для любого зрителя. Используются они и в качестве промышленных дисплеев для контроля за производственным процессом. 

IPS-технология позволяет нам общаться и получать информацию в наиболее доступном, визуальном виде. Её без преувеличения можно назвать одним из величайших технологических достижений нашей цивилизации.

История технологии IPS LCD

Опубликовано 7 января 2021 г. 7 января 2021 г. by Kristoffer Bonheur

Жидкокристаллические дисплеи или ЖК-дисплеи, представленные в конце 1980-х, имели ряд ограничений. К ним относятся плохой угол обзора и некачественная цветопередача, а также плохое качество изображения вне оси и качество движущихся изображений.

Проблемы с ограничениями ЖК-дисплеев TN

ЖК-дисплеи с революционным эффектом скрученного нематика или технологией отображения TN изначально больше подходили для использования в буквенно-цифровых считываниях, например, на дисплеях некоторых калькуляторов, цифровых наручных часах и более ранних моделях мобильных устройств. телефоны. Более ранние прогнозы предполагали, что применение ЖК-дисплеев будет ограничено этими устройствами с небольшими дисплеями.

Технология экрана TN была единственной жизнеспособной технологией для ЖК-дисплеев TFT с активной матрицей в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Но спрос на ЖК-приложения рос вместе с развитием потребительских электронных устройств и цифровых технологий. Необходимо было устранить ограничения технологии TN и других ЖК-технологий.

Тем не менее, ЖК-технологии быстро развивались за последние два десятилетия, поскольку производители вложили значительные средства, а рынки дисплеев и бытовой электроники стали высококонкурентными и инновационными. Внедрение плоскостной коммутации или технологии экранов IPS ознаменовало собой еще один прорыв в применении ЖК-дисплеев, который быстро расширился от устройств с небольшими дисплеями до телевизоров и мобильных устройств высокой четкости.

Рождение ЖК-технологии IPS

Переключение в плоскости или IPS — это технология отображения, которая включает размещение и переключение ориентации молекул жидкокристаллического слоя между стеклянными подложками. Как уже упоминалось, это просто вариант тонкопленочного транзистора или TFT LCD.

Обратите внимание, что на самом деле существует только два общих или распространенных варианта ЖК-дисплеев TFT. Это скрученный нематический или TN TFT LCD и IPS TFT LCD.

В экране IPS жидкие кристаллы выровнены относительно экрана горизонтально, а не вертикально. Кроме того, IPS также использует боковое электрическое поле, в котором электрическое поле прикладывается между каждым концом молекул кристалла, чтобы удерживать кристаллы параллельно паре электродов и стеклянной подложке экрана.

Молекулы жидких кристаллов также могут свободно перемещаться в нужное положение, поскольку они не закреплены на нижней стеклянной подложке. Аналогичная концепция была представлена ​​в 1974 году, но реализованная продукция не смогла превзойти дисплеи TN.

Гюнтер Баур и его коллеги в 1990 году подали патент в Соединенных Штатах и ​​нескольких странах на детали преимущественных молекулярных структур. Они передали патент немецкой многонациональной химической и фармацевтической компании Merck KGaA.

Массовое производство внутриплоскостной коммутации

Японский многонациональный конгломерат Hitachi подал патенты на усовершенствование технологии. В конце концов, в 1996 году они представили реализованный продукт. Первоначальный прием был плохим из-за высокой стоимости производства. Следовательно, IPS был ограничен мониторами высокого класса. Со временем, как и в случае с любой другой технологией, усовершенствования и усовершенствования снизили стоимость до уровня, приемлемого для массового производства.

Корейская многонациональная компания LG также разработала свою версию ЖК-дисплеев IPS и впоследствии представила полученный продукт в 2007 году. С тех пор компания стала крупнейшим производителем ЖК-дисплеев на основе плоскостной коммутации.

Стоит отметить, что эта технология стала еще более популярной, когда Apple представила iPad первого поколения в январе 2010 года. Стив Джобс объяснил, что плоскостное переключение является одним из основных преимуществ этого флагманского продукта. Другие устройства других производителей также позиционировали IPS в качестве точки продажи из-за ее преимуществ.

Дальнейшее развитие технологии IPS LCD

Исследователи и производители расширили возможности IPS LCD, чтобы конкурировать с другими технологиями отображения, такими как дисплеи на органических светодиодах или OLED, а также с новыми технологиями дисплеев с квантовыми точками и microLED. .

Apple представила особую торговую марку и бренд ЖК-дисплеев под названием Retina Display или, точнее, Liquid Retina Display в 2014 году одновременно с выпуском iPhone 4. Базовая технология была аналогична другим реализациям IPS.

Однако жидкокристаллический дисплей Retina представляет собой ЖК-дисплей IPS с разрешением и плотностью пикселей, достаточно высокими, чтобы сделать отдельные пиксели невидимыми с обычного расстояния просмотра, что приводит к воспроизведению четких графических изображений с плавными изгибами.

Конкретный вариант плоскостного переключения под названием Mini-LED IPS LCD начал появляться примерно в 2019 и 2019 годах. Обратите внимание, что это не конкретная технология отображения. Вместо этого это схема подсветки, используемая в панелях, основанных на технологии ЖК-дисплеев со светодиодной подсветкой.

Мини-светодиодные дисплеи используют малогабаритные светодиоды для подсветки ЖК-панелей, улучшения возможностей локального затемнения и повышения коэффициента контрастности. Следовательно, IPS-дисплей с такой схемой подсветки, возможно, может соответствовать преимуществам OLED-дисплеев.

Чтобы еще больше улучшить возможности технологии IPS LCD, другие производители разработали дополнительные технологии. Примеры включают использование низкотемпературного поликремния или LTPS и технологий низкотемпературного поликристаллического оксида или LTPO объединительных плат.

Экраны: IPS или не IPS

Какую ЖК-панель выбрать?

Количество доступных ЖК-панелей (жидкокристаллических дисплеев) огромно, но их можно разделить на несколько различных категорий в зависимости от технологии, способа изготовления или даже отдельного бренда.

Лучший способ сузить область поиска — рассмотреть ваше приложение. Каков ваш конечный продукт и как вы хотите, чтобы он работал?

Обычные приложения могут использоваться в развлекательных целях, таких как просмотр видео и игры, или для выполнения технических творческих работ, таких как редактирование изображений, где точность цветопередачи имеет первостепенное значение.

После определения приложения для вашего дисплея вы можете начать определять, какие функции должны иметь приоритет над другими. Затем вы сможете сузить область поиска и выбрать панель, наиболее подходящую для вашего использования.

IPS и TN

Две наиболее часто используемые сегодня ЖК-панели представляют собой разновидности ЖК-панели TFT (тонкопленочный транзистор).

Это ЖК-панель IPS (переключение в плоскости) и ЖК-панель без IPS или ЖК-панель TN (Twisted Nematic).

TN является наиболее распространенным типом ЖК-дисплея в настоящее время, поскольку он предлагает лучшее соотношение цены и качества.

Вы получаете высочайшую производительность при минимальных затратах. Дисплеи TN развились до такой степени, что они имеют невероятно быстрое время отклика, что означает, что они отлично подходят для развлекательных целей.

Что касается угла обзора, дисплей TN страдает особенно в вертикальном направлении; при просмотре фильма вы должны сидеть прямо перед экраном, чтобы получить наилучшее изображение.

Большинство дисплеев TN могут отображать только 70 % цветовых гамм NTSC, Adobe RGB и sRGB, а в некоторых случаях — от 10 до 30 % для дисплеев самого низкого качества.

Когда дело доходит до выбора дисплея для творческого приложения, важно рассматривать только высококачественный дисплей TN, так как цветовой охват будет выше.

Панели IPS (переключение в плоскости) на самом деле делятся на несколько типов: IPS, S-IPS, AS-IPS, IPS-Pro и H-IPS.

Все они используют различные варианты технологий, которые производители разработали и используют в своих продуктах.

В целом, панели IPS предназначены для устранения недостатков технологии TN, в частности, с акцентом на угол обзора, контрастность и черный цвет.

Угол обзора на определенных экранах IPS улучшился до такой степени, что кристально чистый просмотр возможен при 178 из 180 градусов, доступных пользователю.

Контрастность и уровень черного также значительно улучшились. Панели IPS не подсвечиваются и не показывают хвостовой свет при прикосновении, что может происходить на панелях TN; это важно для устройств с сенсорным экраном, таких как смартфоны и планшеты.