apa
Monitors (part II - LCD)
by , 21 juli 2009 at 20:56 (1678 Bekeken)
Liquid Crystal Displays (LCD):
LCD's zijn in werkelijkheid niet veel meer dan regelbare lichtfilters. In een CRT wordt licht uitgezonden door die pixels die moeten oplichten; in een LCD wordt het licht weggefilterd voor die pixels die donker moeten zijn (de andere pixels laten het licht door). Om dit te verwezenlijken, bestaat een LCD uit twee componenten: een lichtbron en een lichtfilter.
Naargelang de gebruikte lichtbron onderscheiden we reflectieve LCD's (die binnenvallend (omgevings)licht weerkaatsen) en transmissieve LCD's (die een eigen lichtbron bevatten). LCD's voor gebruik als computermonitor zijn steeds van het transmissieve type. De lichtbron wordt steeds achter de lichtfilter geplaatst; we noemen het daarom een backlight.
Teneinde een mooi effen beeld te verkrijgen moet de backlight niet alleen helder zijn maar vooral zeer diffuus (= gelijkmatig; zodat er niet veel meer licht zichtbaar is dichtbij de lamp als er iets verder van) licht produceren.
De backlight produceert wit licht. Wit licht kan je zien als een mengeling van rood licht, groen licht en blauw licht (= 3 hoofdkleuren). Door dat licht door filters (zoals bij discotheeklichten) te jagen, kan je die hoofkleuren er weer uithalen. Dat is hoe men het licht voor de sub-pixels bekomt (1 pixel bestaat namelijk uit 3 sub-pixels: 1 voor iedere hoofdkleur).
Jammer genoeg bestaat er geen enkele lichtbron die perfect wit licht uitzendt: naargelang het type lichtbron zal één of andere hoofkleur sterker in het licht aanwezig zijn dan de andere. De afwijking die op die manier ontstaat t.o.v. wit licht wordt gemeten a.h.v. de kleurtemperatuur. Op monitors kan de kleurtemperatuur aangepast worden om de afwijkingen te corrigeren (we noemen dit calibreren). Eenvoudig gezegd stuurt de computer dan beelden door waarbij de helderheid van de verschillende hoofkleuren zo gewijzigd wordt dat het de afwijkingen van het scherm compenseert.
De calibratie is trouwens ook afhankelijk van de omgeving (hoeveel en welk type licht er is, ...): het omgevingslicht vermengt zich immers met het monitor-licht en kan op die manier de kleurtemperatuur, zoals door onze ogen opgevangen, veranderen.
Als backlight wordt klassiek een Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL) gebruikt. Dit soort lampen lijkt op een klassiek TL-licht en produceert helder wit licht. Een nadeel van CCFL is dat de kleurtemperatuur niet beïnvloedbaar is aan de lichtbron zelf (de mate waarin rood, groen en blauw in het licht aanwezig is, kan niet gekozen worden). CCFL's hebben een opwarmtijd wat betekent dat de kleurtemperatuur verandert naarmate het scherm langer opstaat. Gewoonlijk duurt het ongeveer 30 minuten eer zo'n backlight zijn "normale" kleurtemperatuur bereikt.
Recentelijk is men begonnen met het gebruiken van Light Emitting Diodes (LED) als backlight voor LCD's. LED's hebben grote voordelen boven CCFL's: ze zijn veel duurzamer, verbruiken erg weinig stroom en hebben een korte opwarmtijd. Ze bestaan uit een reeks losse LED's voor iedere hoofkleur (er zijn dus rode, groene en blauwe LED's aanwezig): daardoor kan je de kleurtemperatuur in dit geval wel aan de lichtbron veranderen (de helderheid van een bepaalde hoofdkleur kan onafhankelijk veranderd worden t.o.v. de andere). LED's zijn echter heel wat minder helder dan CCFL's waardoor er veel in een LCD geplaatst moeten worden.
Om beelden te kunnen vormen, moet het licht nu correct gefilterd worden zodat het licht tegengehouden wordt voor alle pixels die donker moeten zijn: dit gebeurt met de tweede belangrijke component van LCD's: de lichtfilter.
De lichtfilter bestaat uit 3 platen die tegen elkaar geplaatst worden. De 2 buitenste platen zijn polariserende filters. Licht kan je een beetje vergelijken met spirelli pasta: het kronkelt een beetje in alle richtingen. Polariserende filters zijn een soort traliesen die het licht doorlaten in 1 richting: ze vormen de spirelli's om tot tagliatelli's.
Door 2 zo'n polariserende filters na elkaar te plaatsen, wordt het licht 2 maal gefilterd. Stel dat de 2 filters 90° t.o.v. elkaar geroteerd staan, dan zal er geen licht doorheen de tweede filter komen.
Hier kan je meer te weten komen over polarisatie.
De truuk van een LCD bestaat er nu in om de tagliatelli's tussen beide platen te draaien. Dat gebeurt in het derde onderdeel van de lichtfilter. Deze laag bestaat uit zgn. vloeibare kristallen. Dit soort kristallen kan de lichtgolven/tagliatelli's meer of minder draaien naarmate er meer of minder stroom door gestuurd wordt.
De stroom wordt naar de kristallen gestuurd door elektrische geleiders die voor en achter de kristallen bevinden op hele dunne films. Om de afzonderlijke pixels aan te sturen kan men twee technieken onderscheiden:
- Passieve matrix: op de ene film worden de geleiders aangebracht voor de kolommen. Op de andere film worden de geleiders aangebracht voor de rijen. Om de spanning naar een bepaalde pixel te wijzigen, wordt diens kolom onder stroom gezet terwijl diens rij verbonden wordt met de massa. Enkel ter hoogte van de kruising van rij en kolom ontstaat nu een elektrisch veld. De kristallen zullen op die plek draaien waardoor de lichtgolven geroteerd worden.
LCD's met een passieve matrix zijn eenvoudig, maar hebben toch grote nadelen:
- Ze reageren langzaam. Dit is vooral merkbaar bij snelle bewegingen: er lijkt dan een staart te hangen achter het bewegende beeld (zoals achter een snel bewegende mousepointer; we noemen dit ghosting). Passieve matrix-schermen hebben responstijden die kunnen variëren tussen de 60ms en de 400ms.
- Het is erg moeilijk om precies één enkele pixel te bewerken: hoewel minder groot, ontstaat er in een passieve matrix ook spanning tussen de elektroden van nabijgelegen pixels. Ook daar ontstaat dus een (zij het kleiner) elektrisch veld en ook daar zullen de lichtgolven geroteerd worden.
- Actieve matrix: aan iedere pixel is er een transistor aangebracht die ervoor zorgt dat de elektrode pas onder stroom komt te staan wanneer die specifieke pixel veranderd wordt. Transistoren zijn een soort schakelaars waarmee de stroomtoevoer afgesloten of doorgelaten kan worden op basis van een signaal. Die transistoren zorgen ervoor dat de stroomtoevoer naar de pixels volledig afgesloten kan worden zodat er geen elektisch veld gezet wordt over die pixels tenzij dat werkelijk de bedoeling is. Om een pixel te veranderen wordt diens transistor eerst geschakeld zodat een elektrisch veld opgewekt kan worden voor die pixel. Terwijl die pixel onder stroom staat, staan de overige transistoren in de uit-stand en vloeit er geen stroom door.
De transistoren staan aangebracht op een doorzichtige film die we Thin Film Transistor (TFT) noemen.
Tegenwoordig komen er drie soorten TFT systemen voor:
- Twisted Nematic (TN): in deze panelen staan de kristallen opgesteld in een soort helix-structuur waarvan ieder uiteinde vasthangt aan een polarisatiefilter. Iedere sub-pixel heeft op die manier zijn eigen helix. De polarisatiefilters staan evenwijdig met elkaar en in rust laten de kristallen het licht ongemoeid door (wat verklaart waarom dode pixels hier licht doorlaten en dus helder zijn). Door de elektroden onder stroom te zetten zullen de kristallen zich ontkrullen en zal er steeds minder licht doorgelaten worden.
Omdat de helixen vasthangen aan beide uiteinden, kunnen ze niet volledig vrij roteren. Dit heeft tot gevolg dat er altijd wat kristallen zijn die het licht doorlaten wanneer de elektroden onder stroom staan. Daardoor hebben TN-panelen een beperkt contrast. Een helix-structuur ziet er ook zeer verschillend uit naargelang de hoek waaronder men er naar kijkt. Dat verklaart de beperkte kijkhoek die TN panelen kenmerkt.
TN-panelen bestaan het langst en de technologie erachter is dan ook het verst doorontwikkeld. De matrices van TN-panelen halen daarom de laagste responstijden van alle bestaande technologieën (16ms en lager). Spijtig genoeg wordt de responstijd niet bij alle fabrikanten/paneelypes op dezelfde manier gemeten. TN-panelen blijken vooral bij grijs-grijs overgangen hele lage responstijden te halen; maar bij zwart-wit overgangen komen de responstijden niet veel lager uit dan bij de andere technologieën.
Omdat TN-panelen het langst bestaan is de kostprijs van deze panelen ook het laagst (de kosten voor R&D zijn ondertussen namelijk ruimschoots terugverdiend). In mijn ogen is dit dan ook het enige echte voordeel van TN-panelen.- In-Plane Switching (IPS): deze technologie werd in 1996 geïntroduceerd door Hitachi. De geleiders staan hier allen op 1 film en de kristallen staan hier niet in helix-structuur opgesteld, maar staan allen steeds parallel opgesteld. In rust staan de kristallen horizontaal opgesteld en wordt er geen licht doorgelaten (dode pixels zijn daarom ook donker). Wanneer de elektrodes onder stroom staan, roteren de kristallen tot ze vertikaal komen te staan en een maximum aan licht doorlaten.
De geleiders in IPS-panelen nemen plaats in op 1 enkele film waardoor er minder plaats overblijft om licht door te laten. Dit verklaart waarom IPS-panelen minder helder zijn. Om dat te compenseren wordt gewoonlijk een sterkere backlight gebruikt (die dan weer een kortere levensduur heeft en een hoger verbruik kent).
IPS-panelen kennen dan weer een grote kijkhoek, geven de beste kleurenreproductie en hebben een responstijd dat nagenoeg gelijk is aan dat van TN-panelen. De eerste 2 kenmerken hebben IPS-panelen dan ook populair gemaakt voor grafisch werk.- Vertical Alignment (VA): hier worden de geleiders terug aan weerszijden van de kristallen aangebracht waardoor het nadeel van helderheid hier verdwijnt. De kristallen staan hier allen parallel opgesteld t.o.v. elkaar (net als bij IPS), maar hier laten ze in rust het licht door (bij IPS niet).
De eerste versie van deze technologie staat bekend als Single-domain Vertical Alignment (SVA) en werd in 1996 voorgesteld door Fujitsu. In deze basisversie was er een grote invloed van de hoek waaronder men naar de kristallen keek waardoor de kijkhoek erg beperkt was.
Ondertussen bestaan er 2 dominante technologieën gebaseerd op hetzelfde principe die de nadelen van SVA's wegwerken: Multi-domain Vertical Alignment (MVA: voorgesteld door Fujitsu in 1998) en Patterned Vertical Alignment (PVA: ontwikkeld door Samsung). Daarbij zie je verschillende kristallen naargelang de hoek waarnaar je naar het scherm kijkt. Dit verklaart waarom MVA/PVA-panelen wel een grote kijkhoek kennen.
Bij VA-panelen kan het licht goed tegengehouden worden om een donker beeld te produceren. Dat verklaart waarom deze panelen diep zwart kunnen weergeven.
Hoewel deze panelen vrij snel zijn voor de meeste helderheidsovergangen, zijn ze (zeer) langzaam voor overgangen met weinig kleurverschil. Fabrikanten adverteren hier echter gewoonlijk met de responstijd voor grote kleurveranderingen (zwart-wit), en daar doen deze schermen het gewoonlijk wel goed. Door deze zwakke responstijden zijn deze panelen ongeschikt voor snel bewegende scènes (zoals in films of games).
Omdat deze schermen gebruik maken van meerdere reeksen kristallen voor 1 pixel, is het beeld verschillend wanneer je loodrecht op het scherm kijkt (tussen de 2 kristalreeksen in) dan wanneer je vanuit een hoek kijkt (op 1 enkele kristalreeks). Spijtig genoeg is het beeld voor de loodrechte kijker minder goed van voor de schuine kijker: deze panelen kunnen minder helderheidvariaties tonen aan de loodrechte kijker dan aan de schuine kijker. Dat betekent concreet dat deze panelen minder goed zijn in kleurreproductie.
Delen van dit artikel (en het vorige) zijn gebaseerd op volgende bronnen:
Reacties
Trackback-signaleringen
Totaal aantal trackback-signaleringen 0
Trackback-link:
Go to Profile
Deze weblog als gelezen markeren
