Вы смотрите прямо сейчас. Он может быть на столе, приклеен к стене или у вас в руке. Мониторы состоят из миллионов компонентов, но обычно мы видим только одно. Иногда это черный цвет, а иногда - настоящая радуга цветов. О мониторах не говорят с такой же пылкой страстью, как о процессорах и видеокартах, но они не менее важны.
Практически каждое вычислительное устройство необходимо использовать, поэтому внутри мониторов должно быть что-то особенное, да? Что ж, есть только один способ узнать. Давайте подготовим театр к еще одному увлекательному вскрытию важной части оборудования.
Картина рисует тысячу слов
Визуальное отображение результатов работы вычислительной системы является важным элементом всего, и мы окружены ими: мониторы, подключенные к настольным ПК, экраны ноутбуков, планшетов и смартфонов; в наши дни даже современные телевизоры по сути являются обычным компьютером.
Наиболее распространенным типом технологии, используемой во всех этих устройствах, является жидкокристаллический дисплей, и почти каждый монитор ПК имеет один внутри.
Наша добровольная жертва на этом уроке анатомии - ЖК-монитор Hewlett Packard LA2306x , произведенный еще в августе 2012 года. В то время это был приличный офисный монитор, но не лучший для игр. Как и все дисплеи, это в основном большая сетка из цветных точек (элементов изображения или пикселей ), которые меняются много раз в секунду, обеспечивая плавный визуальный вывод с компьютера.
Экран технически классифицируется как извивающиеся нитевидные, тонкопленочный транзистор, жидкокристаллический дисплей (TN TFT-LCD). Пока не беспокойтесь о том, что все это означает. Его диагональ 23 дюйма (от угла к углу), а расположение пикселей таково, что имеется 1920 столбцов и 1080 строк - более известное как разрешение монитора. Для этого типа дисплея требуется источник света, чтобы пикселей, а наш использует полосу белых светодиодов вдоль нижней части устройства.
Панели TFT-LCD настолько широко используются, что производители по всему миру (большинство из которых находятся в Китае и Тайване) выпускают тысячи их каждый день. В предыдущей статье «Сравнение технологий отображения: TN против VA против IPS, в чем разница?» мы подробно рассмотрели различные типы панелей TFT-LCD и рассмотрели разницу между тремя наиболее популярными типами:
- Извивающийся нитевидный - TN
- В плоском переключении - IPS
- Вертикальное выравнивание - VA
Вам обязательно стоит прочитать это, если вы хотите узнать больше о различиях между панелями дисплея, мы не будем рассматривать это в этой статье, но единицей, которую мы используем для нашего урока анатомии, является панель TN, которая очень распространена, поскольку это самый дешевый в производстве.
Хотя это не очевидно из этих изображений, дисплей действительно тонкий - чуть менее 2 дюймов (50 мм) в глубину. Да, есть мониторы, которые настолько изящные , что делают этот монитор похожим на коробку; но по сравнению со старыми мониторами они занимают очень мало места на вашем столе.
Перевернув монитор и сняв подставку, мы можем увидеть множество этикеток, указывающих на то, что продукт соответствует всем отраслевым стандартам в отношении электрических и экологических норм. Также обратите внимание, что 4 монтажных отверстия для стойки расположены на расстоянии 3,94 дюйма (100 мм) друг от друга - это потому, что компоновка крепления была разработана в соответствии со спецификациями, установленными Ассоциацией стандартов видеоэлектроники ( сокращенно VESA ), чтобы позволить монитору быть прикрепленным к различным стойкам или настенным креплениям.
Вентиляционные прорези вокруг задней панели необходимы, потому что, хотя монитор не потребляет много энергии (максимум 42 Вт), нагревание может повредить ЖК-панель. Слева на задней панели находится разъем для подключения стандартного сетевого кабеля переменного тока, а видеовходы - справа.
Этот конкретный монитор поддерживает 3 различных метода подключения и сигнализации. Каждый из них, по сути, описывает эволюцию этой технологии отображения. Слева направо:
- DisplayPort v1.2
Разъем USB справа не предназначен для подключения видео: на боковой стороне монитора есть два порта USB, и этот разъем используется для подключения их к компьютеру.
Так в чем разница между подключениями?
VGA полностью аналоговый, что означает, что информация о цвете каждого пикселя, отображаемого на экране, передается через 5 отдельных напряжений. Они ограничены тем, как быстро они могут изменяться и насколько они точны, что ограничивает общее количество пикселей для цвета и частоту обновления экрана.
Системы DisplayPort и DVI-D полностью цифровые, поддерживают большее количество пикселей и более высокую частоту обновлений. Используя цифровой сигнал, данные можно сжать, чтобы можно было отправить еще больше данных, или закодировать в целях безопасности; он также позволяет использовать другие цветовые форматы.
Разъемы HDMI и mini DisplayPort, расположенные рядом (между портами Ethernet и USB)
Для этого конкретного монитора это фактически не имеет значения, так как количество пикселей и частота обновления находятся в пределах возможностей всех трех методов подключения. Эта модель также немного необычна, так как большинство мониторов того же возраста предлагали другое цифровое соединение: HDMI (мультимедийный интерфейс высокой четкости). Этот и DisplayPort - два, которые вы найдете сегодня на большинстве мониторов.
Один лучше другого? Да, но для большинства людей между ними не так уж много. В настоящее время последней версией DisplayPort является 2.0, но ни одна видеокарта еще не поддерживает его - вместо этого большинство из них поддерживают 1.4a. Он поддерживает более высокое разрешение, более высокую частоту обновления и лучшее качество цвета, чем HDMI 2.0b (самая последняя версия этого подключения, обеспечиваемая графическими процессорами).
Но мы говорим о крайностях, таких как разрешение 8K (7680 x 4320 пикселей), поэтому для большинства пользователей не имеет значения, используете ли вы DisplayPort или HDMI.
Дай мне силу и контроль
Откроем монитор и посмотрим, что внутри. Чтобы получить это изображение, нам пришлось аккуратно удалить множество защитных слоев:
ЖК-панель находится вверху, приподнята в сторону, чтобы мы могли видеть используемую электронику. Печатная плата справа принимает электрическую сеть и преобразует ее в диапазон низких напряжений постоянного тока - кабель справа обеспечивает питание экрана, а маленький рядом с ним предназначен для кнопок управления на мониторе.
При более внимательном рассмотрении этой платы видно, что она немного похожа на внутреннюю часть блока питания ПК (в конце концов, она выполняет очень похожую работу). Дополнительная печатная плата наверху обеспечивает питание и управление электроникой дисплея.
Давайте посмотрим на этот раздел внутренностей монитора:
Мы можем видеть разъемы дисплея вверху, входы питания и управления внизу справа, выход на ЖК-панель внизу и подключение к дополнительным портам USB слева.
Большой чип посередине - это драйвер ЖК-дисплея MStar Semiconductor . Он принимает выходной видеосигнал с компьютера и определяет, когда и как активировать все пиксели на панели. Каждый монитор будет иметь один из них, но некоторые из них более продвинуты, чем другие.
Важный аспект этого чипа называется тактовой частотой пикселей - он определяет, сколько пикселей можно обрабатывать в секунду, и в этой модели HP он работает на частоте до 165 МГц для цифровых входов и 200 МГц для аналогового. Панель в этом мониторе имеет в общей сложности 1920 x 1080 = 2 073 600 пикселей, поэтому при тактовой частоте 165 МГц это означает, что пиксели могут обновляться не быстрее 79,6 раз в секунду.
Чтобы защитить микросхему драйвера и снизить уровень мощности / нагрева, большинство мониторов работают с меньшей частотой, чем эта, а наша анатомическая жертва обычно работает на частоте 124 МГц. Однако экраны с большим количеством пикселей нуждаются в более быстрой тактовой частоте, а если у вас большой монитор 4K, ваши пиксельные часы будут 500 МГц или даже выше.
На этом этапе мы действительно должны поговорить о так называемой частоте обновления . До того, как ЖК-панели стали нормой для мониторов, для дисплеев использовались электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) - они работают, направляя пучок электронов (субатомных частиц) на слой материала, который светится при попадании луча.
Массивный бежевый ЭЛТ-монитор. Ах, воспоминания. Источник: Википедия.
Большинство ЭЛТ запускают луч в верхнем левом углу экрана, затем перемещаются по строке, а затем возвращаются обратно по шаблону, называемому растровым сканированием . Как только узор будет закончен, луч будет отключен, а затем направлен обратно в исходное положение.
Этот обратный путь назывался вертикальным обратным ходом или обновлением , и в это время изображение на экране начинало исчезать. Для пользователя монитора это будет легкое мерцание, поскольку каждую секунду будет происходить множество вертикальных обновлений.
Изображение: Википедия
ЖК-панели не выцветают, но процесс рисования все равно повторяется и возвращается. Они не мерцают так же, как ЭЛТ, но чем чаще панель может отображать новое изображение, тем лучше будет впечатление пользователя.
Вот почему все спецификации монитора включают частоту вертикального обновления (или обычно просто частоту обновления) для заданного разрешения. Чем меньше пикселей необходимо обновить, тем быстрее панель может начать заново, поэтому мы видим более высокие частоты обновления на маленьких мониторах с низким разрешением по сравнению с большими мониторами 4K.
Asus TUF Gaming VG279QM с максимальной частотой обновления 280 Гц!
Обычно частота обновления фиксирована для заданного разрешения, но многие из последних мониторов теперь предлагают переменную частоту обновления ( VRR ), при которой микросхема драйвера дисплея (вместе с некоторой удобной DRAM) может сохранять, а затем изменять, когда он вытягивает новую изображение, основанное на том, когда графический процессор компьютера отправил новое изображение. Эта технология должна поддерживаться монитором и видеокартой, но AMD и Nvidia предлагают свои собственные версии одного и того же: FreeSync и G-Sync .
Зачем это нужно? Что ж, если монитор занят рисованием нового изображения, так же, как графическая карта отправляет свежие данные, изображение будет разделено, если только два представления не совпадают. Это называется разрывом и выглядит не так жарко. VRR помогает предотвратить это, гарантируя, что монитор всегда выводит только законченное изображение. Обратной стороной этой функции является то, что она может добавить немного дополнительной задержки между визуализируемыми изображениями и тем, когда они в конечном итоге появляются перед вами, а некоторые формы VRR работают только в узком диапазоне частот обновления.
Также стоит отметить, что G-Sync от Nvidia требует использования подключения DisplayPort почти для всех поддерживаемых мониторов, за некоторыми исключениями, в то время как более открытый FreeSync доступен через HDMI на многих дисплеях, а также через DisplayPort.
В любом случае, давайте вернемся к изучению внутренностей монитора ...
Наш монитор HP остается полностью функциональным, хотя разборка ЖК-панелей часто может их испортить. Итак, мы собираемся вывести еще один от HP, но этот уже мертв.
На самом деле это экран ноутбука, но панель практически ничем не отличается от панели монитора. Отличия заключаются в том, где находится вся вспомогательная электроника. Вытащим и перевернем:
Что мы здесь видим?
Самая очевидная вещь - это то, что панель производства Samsung , это еще один TFT-LCD, но мы можем заметить микросхему драйвера дисплея, скрытую под защитной пленкой. Учитывая, что это больше не работает, мы можем сорвать все это и присмотреться.
В названии чипа драйвера дисплея написано WiseView, но на самом деле это собственный продукт Samsung. Здесь почти ничего нет, кроме входа сигнала для подключения панели к ноутбуку (справа от драйвера) и нескольких полос проводов, которые прикрепляют чип к экрану. В нижнем левом углу процессора дисплея находится металлический разъем для питания.
Неси свет
Этот дисплей ноутбука примерно того же возраста, что и монитор HP, но одна часть его дизайна датирует его несколько более поздним сроком. Вместо использования светоизлучающих диодов (СИД) для создания фонового света внизу расположена одна люминесцентная лампа с холодным катодом ( CCFL ).
Ну, это было по дну, но мы его вырвали, чтобы вы могли хорошо его рассмотреть!
Они очень дешевы в производстве, но они не так энергоэффективны, как светодиоды, и свет, который они излучают, тоже не так хорош.
Лучи от Солнца покрывают весь спектр цветов (хотя и не все на одном уровне) и классифицируются как «белый» свет. Люминесцентная лампа может выглядеть примерно так же, но некоторые цвета она излучает очень сильно, а остальные - на очень низком уровне. Если вы хотите, чтобы изображение на мониторе выглядело как можно более естественно, это необходимо учесть и соответствующим образом скорректировать отображаемое изображение.
Использование светодиодов помогает облегчить проблему, поскольку они могут производить спектр света, более близкий к солнечному. Такие компании, как Toshiba , потратили значительные суммы денег на разработку светодиодов, чтобы быть еще ближе, но пройдет некоторое время, прежде чем мы увидим их использование во всех мониторах.
Упрощенное сравнение световых спектров от разных объектов. Изображение: Toshiba
Источник света также управляет общей яркостью панели дисплея, и она часто выражается в единицах, называемых нитами (единица СИ - кандела на квадратный метр, кд / м2, где 1 нит соответствует 1 кдм2). Наш монитор HP имеет максимальную яркость 250 нит, что является разумным для его возраста и предполагаемого использования, тогда как панель Samsung от ноутбука - 185.
Более высокие значения яркости помогают улучшить диапазон контрастности между темными и светлыми цветами, а для некоторых технологий отображения (таких как расширенный динамический диапазон, HDR) он должен составлять 1000 нит или более.
Большинство ЖК-мониторов и телевизоров также позволяют изменять «температуру» экрана - однако на самом деле вы не делаете панель горячее или холоднее. Вместо этого вы, по сути, пытаетесь воспроизвести, как солнечный свет появляется в разное время дня. Температурная часть относится к тому, насколько горячей должна быть поверхность Солнца, чтобы этот свет появился естественным образом.
Использование светодиодов может упростить задачу, хотя все зависит от того, какой тип белого светодиода используется.
Какой бы источник ни создавал фоновое освещение для ЖК-панели, его необходимо распределить по всему экрану - в случае с трупом нашего ноутбука это делается с помощью толстого слоя полимера, называемого световодной пластиной .
Теперь, когда с панели удалены все защитные слои и боковая рамка, мы можем увидеть, как устроен экран. На изображении выше верхняя часть является задней частью экрана и обычно покрыта слоем белого пластика. Слой полимера для рассеивания фонового света по панели составляет почти половину толщины всей конструкции.
Нижние слои изображения - это сам жидкокристаллический дисплей, но между ними зажато несколько листов материала. Первый лист рассеивает свет дальше от направляющей пластины, за ним следуют два призматических слоя, чтобы рассеять этот свет еще больше.
В конце концов, весь этот рассеянный и рассеянный свет достигнет внешних слоев реального ЖК-экрана: составной структуры из нескольких секций. Первый из них представляет собой тонкий слой , изготовленный из стекла, и это работа в р olarize свет , идущий от CCFL или светодиоды.
Поляризация заставляет волны ограничиваться одной плоскостью вибрации - анимация ниже предлагает способ визуализировать это, хотя это не совсем то же самое, что происходит на нашем мониторе.
Изображение: Baumer
Самый последний слой в ЖК-сэндвиче - тоже стекло, и оно тоже поляризует свет. Плоскость колебаний для двух стеклянных пластинок составляет 90 градусов друг к другу, и обычно это полностью блокирует прохождение любого света через панель - экран будет выглядеть почти черным.
Но между ними есть еще один бутерброд. Этот содержит тысячи маленьких карманов, заполненных компаундом: так называемым жидким кристаллом . Это также поляризует свет: в этой конкретной ЖК-технологии кристаллические молекулы образуют скрученную структуру (отсюда и название скрученный нематик ), и она «вращает» свет, чтобы соответствовать плоскости последнего поляризационного слоя.
Сравнение двух распространенных ЖК-технологий. Источник: Japan Display
Таким образом, без каких-либо помех свет от источников CCFL или светодиодов рассеивается и рассеивается, затем поляризуется и скручивается, пока не выскочит с другой стороны.
Мы бы увидели белый экран, и чтобы получить полностью черный, на кристаллы прикладывается напряжение таким образом, что они меняют свою плоскость поляризации. Когда фаза сдвинута на 90 градусов, кристаллы больше не пропускают свет и становятся почти полностью непрозрачными.
Уровень используемого напряжения определяет, сколько света пропускается панелью, и, поскольку существуют тысячи карманов для жидких кристаллов, управление всеми ними требует серьезного количества подключений. Мы можем видеть это в нашем тематическом исследовании - например, есть несколько трассировок, бегущих по краю панели:
И они подключены к драйверу дисплея через ряд лент, которые на самом деле являются гибкими печатными схемами - каждая из них содержит длинный тонкий чип для выполнения функций сигнализации. Чтобы снизить затраты, разъемы слегка приклеены к основной плате, хотя это делает все это очень хрупким!
В конечном счете, все эти следы образуют перекрестный массив соединений, и все они связаны с отдельными пикселями - карманами жидких кристаллов. Поднесите панель к окну, чтобы отчетливо увидеть их и сетку следов:
Внимательные читатели могли здесь что-то заметить: похоже, каждый пиксель имеет несколько цветов. Фактически, они это делают! Каждый пиксель на экране состоит из 3 субпикселей, к которым применен цветной фильтр: красный, зеленый и синий (RGB).
RGB был стандартным форматом для телевизоров и мониторов, так как, ну, всегда и обеспечивает достаточные комбинации, чтобы дать довольно точное представление реальных цветов. Пойдем всем NCIS и улучшаем!
Такое расположение субпикселей называется вертикальной полосой, и большинство широкоэкранных мониторов используют этот шаблон. Другие ЖК-экраны, например, в смартфонах, часто используют горизонтальную компоновку или даже наклонную. Речь идет о том, как обычно устанавливается монитор / экран: портрет или пейзаж.
Теперь помните, что это TFT-LCD, панель на тонкопленочных транзисторах . Это говорит нам о том, что существует микроскопический слой кремния, настолько тонкий, что свет легко проходит через всю сетку. Для каждого субпикселя в пленку встроен единственный транзистор, чтобы подавать напряжение для переключения кристаллов.
Поразительно, насколько малы все эти части. В нашей панели Samsung 6220800 субпикселей на площади менее 110 квадратных дюймов (710 квадратных сантиметров). Это означает, что каждый субпиксель покрывает площадь 0,000018 квадратных дюймов (0,0011 квадратных миллиметра)! Это тоже есть на ноутбуке 7-летней давности - только представьте, насколько они маленькие в современном ноутбуке 4K.
Самой последней частью всей ЖК-панели является защитный лист, обычно сделанный из стекла, покрытый тонким слоем полимера для уменьшения отражений (известного как антибликовое покрытие ). Все это должно быть достаточно жестким, чтобы не трескаться легко, но и достаточно твердым, чтобы не поцарапать.
Панели также не обязательно должны быть плоскими. Изогнутые телевизоры и мониторы, особенно предназначенные для энтузиастов игр, часто имеют определенную степень кривизны. Причина в том, что это предназначено для увеличения ощущения погружения в изображения, но это во многом будет зависеть от того, где вы сидите и что показывает дисплей.
На приведенной выше диаграмме показаны 3 наиболее часто используемых кривизны: черный - плоский, синий - 1800R, зеленый - 1500R и красный - 1000R.
Число соответствует радиусу круга, к которому подходит панель, измеренному в миллиметрах, поэтому 1500R будет кругом с радиусом 59 дюймов. Естественно, все это дороже в производстве, поэтому изогнутая версия стандартного монитора обычно продается по более высокой цене.
Samsung Odyssey G9 - супер широкий, супер изогнутый, супер дорогой
Какими бы удивительными ни были ЖК-панели, у всей этой замечательной технологии есть свои недостатки. Начнем с фонового источника света (или для краткости подсветки). Вы можете подумать, что он остается включенным постоянно, потому что жидкие кристаллы блокируют свет, но на самом деле они включаются и выключаются очень быстро, чтобы улучшить воспринимаемое качество цвета. К сожалению, из-за этой пульсации весь экран слегка мерцает, и некоторых людей это может сильно отвлекать; он также добавляет размытости движущимся изображениям. Мониторы более высокого качества пытаются пульсировать с очень высокой частотой, чтобы уменьшить проблему, или синхронизировать пульс с вертикальным обновлением (продается как уменьшение размытости при движении ).
Другая проблема заключается в том, что фоновое освещение может просачиваться через края ЖК-панели и между самими пикселями, хотя, опять же, мониторы более высокого качества пытаются уменьшить это. Говоря о пикселях, большинство панелей TFT-LCD, особенно TN, имеют ограничение на количество бит для представления цвета.
В основном это связано с системой, используемой для передачи данных изображения. Наша старая панель ноутбука Samsung, как и многие другие, использует низковольтный дифференциальный сигнал ( LVDS ) для передачи красного, зеленого и синего цветов. Он быстрый и требует очень мало энергии, но тот, который здесь используется, предлагает только 6 бит для цвета. Это меньше 8 или 10 бит, используемых многими графическими чипами, и это приводит к пятнистым цветам и заметным градиентам.
Одним из решений этого является так называемое управление частотой кадров ( FRC ), при котором цвета меняются циклически между последовательными кадрами, чтобы создать впечатление, что отображается больший диапазон цветов, чем есть на самом деле. К счастью, большинство достойных TN-панелей сегодня используют 8-битный LVDS, хотя некоторые по-прежнему используют FRC, чтобы утверждать, что модель предлагает «10-битные» цвета.
Дело не только в скручивании кристаллов
ЖК-панели TFT доминируют в индустрии дисплеев и используются в мониторах, телевизорах, телефонах, планшетах, автомобильных дисплеях и т. Д. Но это не единственная технология.
Телевизоры и мониторы иногда классифицируются как светодиодные, но только потому, что подсветка не является CCFL. В настоящих светодиодных дисплеях используется массив светодиодов для пикселей, но на самом деле они используются только для очень больших информационных экранов и, как правило, потребляют довольно много энергии.
OLED (органические светодиоды) лучше в этом отношении, и экраны, которые их используют, можно найти во всей индустрии смартфонов, а также популярны в телевизорах высокого класса. Светодиодные / OLED-дисплеи обладают превосходной цветопередачей и подлинным уровнем черного по сравнению с ЖК-панелями - это потому, что они не используют какой-либо фоновый свет. Сами пиксели излучают изображение, и они могут включаться и выключаться намного быстрее, чем может крутиться жидкий кристалл. Обратной стороной этого является то, что они не такие яркие, как ЖК-панели, и не работают так долго; по мере ухудшения качества изображения могут навсегда «застрять» (проблема, известная как выгорание ).
Кто-нибудь хочет 55-дюймовый OLED-монитор ? Кто-нибудь? Bueller? Изображение: CNET
Такие компании, как Samsung, LG и Sony, вложили значительные средства для решения этих проблем в еще одну развивающуюся технологию под названием microLED . По сути, это такие же источники света, которые мы видим вокруг, но они намного меньше. Первоначальные разработки показали, что они могут быть более яркими и надежными, чем OLED, и по-прежнему обеспечивать сверхбыструю производительность, но еще предстоит решить множество производственных проблем, прежде чем они станут массовыми.
Двадцать лет назад ЖК-мониторы все еще были очень дорогими , несмотря на бум продаж и резкое падение цен. На этом уроке анатомии мы можем понять, почему: это чрезвычайно сложные структуры, заполненные тысячами хрупких и крошечных компонентов. На их изготовление, надежное и дешевое, потребовались десятилетия. Но доведите его до совершенства, и теперь вы можете получить великолепные экраны для лечения ваших глаз по той же цене, что и твердотельный накопитель среднего размера или видеокарта низкого уровня.
Сегодня мониторы содержат миллионы пикселей, которые могут обновляться со сверхвысокой частотой, и все это заключено в стильные рамки. Если вы какое-то время не обновляли свой монитор, забудьте о новом процессоре, выберите вместо него красивый дисплей!
Итак, давайте наведем порядок в кинотеатре (бросив все части ноутбука в коробку) и приготовимся к следующему погружению в основы обычных технологий, так что следите за новостями.
На правах рекламы:
Cyber-Servise. IT-аутсорсинг на грани фантастики!
Город - Новокузнецк
