11 лет назад 23 июля 2009 в 0:00 487

В ы когда-нибудь использовали цифровую фото- или видеокамеру (пусть даже и в телефоне), ЖК- или плазменный телевизор, ЖК-монитор, ЖК-проектор, GPS-навигатор, оптическую мышь, MP3-плеер, сканер, ноутбук, КПК, да и что уж там, простой калькулятор или электронные часы? Думаю, что по крайней мере половину перечисленных вещей – наверняка, а значит, вы не раз сталкивались с матрицами в своей жизни. И это неудивительно, ведь подобный тип организации элементов применяется в технике довольно часто: даже оперативная и флэш-память – это с некоторой натяжкой те же матрицы, системы из повторяющихся элементов. Как же устроен каждый из видов матриц? Об этом мы с вами сегодня и поговорим.

Фото- и видеоматрицы
Именно так выглядит ЖК-матрица, если смотреть на нее через микроскоп

Фото- и видеоматрицы
Матрицы, использующиеся в фотоаппаратах и видеокамерах, – это своеобразные «оцифровщики», задача которых – превратить визуальную информацию в электрическую, то есть изображение преобразовать в набор электрических сигналов, которые затем уже трансформируются в стройную последовательность нулей и единиц. Тут сразу стоит оговориться, что применяемые в фотоаппаратах и видеокамерах матрицы принципиально не различаются между собой – просто «фото» более медлительны, но зато демонстрируют большую по размеру и более качественную картинку, тогда как «видео» способны выдавать по 30 кадров в секунду, но с меньшим разрешением. Также важно заметить, что такие же матрицы применяются в сканерах, оптических мышках (для анализа положения «грызуна»), сканерах штрих-кодов в супермаркетах и даже в современных системах астрономической и солнечной навигации.

Итак, для начала скажем об основных существующих типах светочувствительных матриц – их можно условно отнести к двум категориям. Первая – однослойные матрицы, в которых рядом расположены пиксели синего, зеленого и красного цыетов. Соответственно, каждый элемент регистрирует свет только «своей» части спектра. Второй тип – матрицы с полноцветными пикселями. Их на сегодняшний день очень мало – серийные образцы можно найти только в аппаратах компании Sigma. Устроены они так: свет последовательно проходит через три регистрирующих элемента, расположенных в три слоя, каждый из них занимает 100% площади пикселя.
Однако мы с вами поговорим о более стандартных типах матриц, «однослойных», ведь 99% современных устройств используют именно такие, они бывают двух основных типов: CMOS и CCD (по-русски – ПЗС). Объединяет их многое, но главное – это фильтр Байера, покрывающий сверху матрицу практически любого современного цифрового фотоаппарата. Предназначен сей фильтр для того, чтобы впоследствии сделать записанное матрицей изображение цветным, ведь сами по себе ячейки способны регистрировать лишь интенсивность излучения, но не длину его волны.

матрица

Состоит же фильтр Байера из бесконечного повторения одного квадрата из четырех элементов: зеленого и синего в одном ряду, красного с зеленым – в другом. Таким образом, любая матрица с таким фильтром обладает 25% красных, 25% синих и 50% зеленых элементов. Их преобладание – дань особенностям человеческого зрения, которое более восприимчиво к оттенкам зеленого, чем к каким бы то ни было другим цветам. Над каждым элементом матрицы Байера находится микролинза, которая позволяет пикселям охватывать большую плоскость, – дело в том, что сами «точки» покрывают лишь 30-70% от площади матрицы, а расстояние между ними заполнено различными служебными элементами (в зависимости от типа матрицы), и вот, чтобы избежать потери части пространства, окрестность каждого пикселя накрывают микролинзой, проецирующей изображение на него. Дать единое описание того, что находится под фильтром Байера, невозможно – конструкция глубинных слоев матрицы зависит от ее типа. Для начала давайте рассмотрим CCD-матрицу.

Итак, самый массивный элемент такой матрицы – кремниевая подложка. Каждый пиксель в ней покрыт прозрачным электродом – обычно это оксид кремния, хотя возможны и соединения индия. Помимо этого в матрице существуют каналы, заполненные кремнием с другим типом проводимости (подложка p-типа, а канал – n-типа), эти каналы называют зоной генерации носителей. Под зоной генерации носителей находится зона потенциальной ямы – это область подложки с проводимостью p-типа, которая собирает электроны, «выбитые» светом из зоны генерации носителей. Итак, схема работы такого элемента проста: при открытии затвора фотокамеры поступающий свет начинает «выбивать» из зоны генерации носителей электроны, которые собираются в зоне потенциальной ямы, причем не стоит забывать две вещи: во-первых, каждый пиксель регистрирует свет только определенного цвета за счет фильтра Байера, во-вторых, интенсивность света влияет на количество электронов, которые в итоге оказываются в потенциальной яме.

После закрытия шторки затвора изменением зарядов на электродах пикселей достигается перетекание электронов по строке матрицы к еще одному каналу, который работает на более высокой частоте и перемещает приходящие от строк сигналы к выходному устройству, усиливающему сигнал от матрицы (ведь последний состоит всего из нескольких электронов) и преобразующему его в цифровой формат. Выглядит это примерно так: сначала «к выходу» перемещается заряд нижнего правого пикселя матрицы, как только он снят, туда же направляют следующий по строке пиксель, при этом если прохождение зарядов вдоль строки довольно неспешное, то уже «вертикальный» сдвиг проходит довольно быстро: пока вдоль строки перемещается лишь один заряд, через вертикальный «канал связи» успевает пройти весь предыдущий столбец.

Свечение люминофора вызывает электрический разряд в ячейке с инертным газом
Свечение люминофора вызывает электрический разряд в ячейке с инертным газом

Кстати, так же работают и сканеры, только их «матрицы» состоят лишь из одной линейки пикселей, а двухмерное изображение создается за счет ее перемещения. Что касается КМОП-матриц, то их принцип работы и устройство несколько напоминает оное у современных процессоров (тем более что любой из них – это тоже КМОП-структура), да и от CCD они отличаются не кардинально – просто элементы в схеме используются другие. А потому подробно описывать их не будем, отметим лишь, что матрицы типа CMOS гораздо «моложе» своих CCD-конкуренток, и фактически сравнимое с последними качество изображения они стали демонстрировать лишь в последние несколько лет. Характеризуются же они низким энергопотреблением и еще одной интересной особенностью: так как матрица состоит из тех же элементов, что и электронные компоненты, ее вполне можно изготавливать на одном кристалле со всеми необходимыми для работы микросхемами, что делает такие устройства очень компактными и недорогими в производстве. Ну а мы с вами от регистрации изображения перейдем к его показу, а именно ЖК- и плазменным матрицам.

Жидкокристаллические матрицы
Что касается жидкокристаллических матриц, то здесь количество возможных типов и применяемых технологий огромно. Общая же схема такова: существует пиксель, который состоит из трех субпикселей – красного, синего и зеленого. Как правило, субпиксели – это прямоугольники с соотношением сторон 3:1, которые вместе образуют квадрат, называемый пикселем. Каждый субпиксель может демонстрировать свет различной яркости, при этом сочетание трех оттенков разной яркости и дает нам любой цвет спектра. Скажем, белый – это все цвета на максимуме, черный – отсутствие какого-либо из них и т. д.

Таким образом, если забыть о проблеме регулирования яркости света, устройство субпикселя просто до безобразия: сзади на него светит лампа подсветки, лучи от которой проходят через соответствующий световой фильтр (красный, синий или зеленый). Построенный из таких элементов монитор мог бы давать ровный белый свет. Однако нам ведь его мало, не правда ли (смайл)? Для получения других цветов используется особая структура (я расскажу о ней на примере TN-матриц), которая состоит из двух поляризационных фильтров, двух прозрачных электродов и молекул жидких кристаллов между ними. Первый фильтр поглощает половину поляризованного света, а другую половину (за счет его перпендикулярного первому направлению) мог бы поглотить второй. Но не тут-то было! Жидкие кристаллы в матрице за счет специальной обработки соприкасающихся с ними электродов выстраиваются в спиральную структуру с поворотом в 90 градусов. Проходя через слой такого вещества, свет также меняет свое направление поляризации на 90 градусов и свободно проходит через второй фильтр, ну а далее уже через цветовой фильтр, формируя картинку.

Если же к электродам, между которыми находятся жидкие кристаллы, прикладывается напряжение, то они выстраиваются параллельно и никакого изменения поляризации света не происходит, а значит, он весь без остатка поглощается вторым фильтром, и субпиксель не загорается. Фишка же заключается в том, что к электродам можно прикладывать различное напряжение, и от него будет зависеть то, какая часть молекул жидких кристаллов «подчинилась» команде, а какая – нет. Таким образом, можно варьировать яркость субпикселя, а повторив эту процедуру трижды (для трех субпикселей) – получить пиксель произвольного цвета. Теперь стоит поговорить о том, как же субпиксель «узнает», как ему надо гореть, то есть как происходит передача сигнала от его источника (ТВ-тюнера, видеокарты и т. д.) субпикселю. Конечно, теоретически к каждому из них можно было бы провести отдельный провод, по которому бы передавались сигналы, но на практике, учитывая размеры ЖК-мониторов и их разрешение, это невозможно (хотя, скажем, в электронных часах зачастую все устроено именно так).

Для решения этой проблемы информация пикселям передается в двух измерениях: по горизонтали и по вертикали, т. е. вся матрица становится разделенной на ряды и колонки, а «адрес» каждого пикселя задается сочетанием номера его ряда и номера его колонки. Матрицы, использующие этот метод, разделяются, опять-таки, на два типа: активные и пассивные. Разница между ними не так уж очевидна, но стоит отметить, что последние используются в реальной жизни все реже и реже, уступая место своим «активным» аналогам, хотя раньше они были очень популярны и применялись, например, в карманных разговорниках и органайзерах.

Активные матрицы, в свою очередь, оснащены дополнительной «подматрицей» – матрицей тонкопленочных (TFT) транзисторов, причем каждому субпикселю выделяется собственный транзистор. Работа этих транзисторов позволяет повысить быстродействие и контрастность матрицы, ведь сами по себе транзисторы – отличные «улучшальщики» и стабилизаторы напряжения. Хотя главная их особенность в другом – транзистор продолжает контролировать состояние пикселя даже тогда, когда происходит адресация других пикселей, то есть когда картинка на мониторе уже меняется, но очередь до данной конкретной ячейки еще не дошла. Это позволяет избежать «случайной» адресации пикселя или его потухания во время обновления картинки. Что касается огромного количества типов активных ЖК-матриц, то оно объясняется различной геометрией фильтров, электродов и самих жидких кристаллов в ячейках (мы, как я уже говорил, рассмотрели устройство TN-матрицы) и об основных из них вы можете прочитать во врезке. Ну а нам с вами, похоже, пришло время поговорить о «плазме».

Плазменные панели – тоже матрицы
Итак, переходим с вами к плазменным панелям. И тут сразу хочется сделать маленькое лирическое отступление. Наверняка многие из читателей сильно удивились такому странному объединению тем: фото- и видеоматрицы, ЖК-матрицы и плазменные панели. Но наша цель состоит не только в том, чтобы рассказать о каждой технологии в отдельности, но и выделить то общее, что их объединяет. Мы ведь уже заметили, что CMOS-матрицы фотоаппаратов сделаны из тех же самых конструктивных элементов, что и современные микросхемы. А ведь процессоры (о которых мы, кстати, недавно говорили) и матрицы – довольно далекие друг от друга материи. Мы же сейчас речь ведем о вещах гораздо более схожих, и поэтому параллели в нашей статье можно найти на каждом шагу. Уверен, особенно внимательные читатели это уже сделали. Остальным же советую сейчас над этим задуматься, чтобы при изучении плазменных панелей не пропустить всего того, что объединяет их с ЖК-мониторами и фотоматрицами.

Итак, сама по себе плазменная панель – это два параллельных куска стекла. И все? – спросите вы. Конечно же, нет, иначе это было бы настоящее волшебство (смайл).
Между стеклами находятся (маленькая подсказка: как и у ЖК-мониторов), два электрода, причем передний из них, естественно, прозрачен. Между электродами, отделенными слоями диэлектрика, расположен основной элемент матрицы (о нем – чуть ниже). К слову, передний электрод также отделен диэлектриком и от стекла дисплея. Основной элемент плазменной панели – пиксель, состоящий из трех субпикселей. При этом все они непосвященному человеку могут казаться одинаковыми: крошечные ячейки, наполненные инертным газом (обычно неоном или ксеноном). Если субпиксель должен загореться, то к нему прикладывается достаточно сильное напряжение (именно в этой силе и заключается причина большего энергопотребления «плазмы» в сравнении с ЖК-панелью аналогичного размера), которое вызывает ультрафиолетовое излучение в среде инертного газа.

Естественно, варьируя поступающее напряжение можно изменять интенсивность излучения. Кстати, именно структура плазменной панели объясняет то, почему по этой технологии не делаются крошечные дисплеи, а пиксели в таких девайсах до сих пор достаточно велики: изготовление субпикселей-ячеек более мелкого, чем существующий, размера крайне затруднительно. Поэтому по размеру зерна «плазмы» сильно отстают от жидкокристаллических конкурентов (маленькую ячейку с жидкими кристаллами произвести куда проще хотя бы из-за того, что они жидкие, а не газообразные). Видимым же этот свет делают люминофоры – особые вещества, излучающие под воздействием ультрафиолета. Разница между тремя субпикселями одного пикселя как раз и заключается в том, какой люминофор каждый из них использует, причем подбираются эти вещества сверхточно, чтобы излучать как можно более «чистый» свет соответствующего цвета.

О тонком и сложном подборе говорят уже сами химические формулы применяющихся сегодня люминофоров. Так, в синих субпикселях используют вещество BaMgAl10O17:Eu2+, в красных – Y2O3:Eu3+ или Y0,65Gd0,35BO3:Eu3, в зеленых – Zn2SiO4:Mn2+ или BaAl12O19:Mn2+. Ничего себе формулки, а (смайл)?
Регулируя яркость каждого из трех субпикселей одного пикселя (что делается варьированием напряжения, подаваемого на него, а значит, изменением интенсивности ультрафиолетового излучения и, следовательно, яркости люминофора), удается получить любой желаемый цвет видимого спектра. Опять-таки, как и в случае с ЖК-панелями, провести отдельный электрод к каждому из трех субпикселей представляется малореальным (представьте себе – 12 млн электродов в Full HD-панели, по два на каждый из субпикселей), а потому все субпиксели объединены в столбцы и колонки, по которым и происходит адресация каждого из них.

Еще раз хочется заострить внимание и на том, что адресация всех пикселей происходит не сразу, а по очереди – как правило, горизонтальными рядами, однако благодаря скорости процесса заметить это невозможно, а при указании времени отклика матрицы имеется в виду полный цикл переключения всех ее пикселей (все это справедливо и для ЖК-изделий). Что ж, похоже, что и плазменные панели перестали быть для нас terra incognita, а это значит, что пришло время подводить итоги нашего повествования.

Заключение
Оптическая мышка, сканер, плазменный телевизор, цифровой фотоаппарат, ЖК-дисплейчик любимого будильника – казалось бы, все это совершенно разные устройства. Но одной из главных задач этой статьи было показать, насколько похожи технологии, используемые во всех них, какими близкими путями идет научная мысль в различных областях. Естественно, это можно увидеть не только на примерах разнообразных матриц, но и еще на десятках и сотнях других технологий. Вопрос, который мы оставляем без ответа, звучит примерно так: является ли подобная схожесть причиной того, что существующие технологические решения являются единственно верными, а потому оптимальными, или это следствие банального заимствования, когда идею из одной области использовали специалисты, работающие в другой? Лично я, как человек безоговорочно верящий в прогресс, скорее склоняюсь к первому варианту.

Типы ЖК-мониторов: сам черт ногу сломит
К оличество различных аббревиатур, которыми засыпают простого пользователя производители и продавцы ЖК-дисплеев, превышает все допустимые нормы. Мыло того что сами эти экраны именуются «LCD TFT», так еще и к этим шести «зашифрованным» словам производитель норовит прибавить пару-тройку, а то и сразу четыре штуки. Чем же отличается каждый из этих типов от других, и какой лучше выбрать?

Самым массовым типом матриц на данный момент являются TN + Film (Twisted Nematic + Film, «повернутый нематик»), которые представляют собой обыкновенную TN-матрицу (о принципе ее работы мы уже писали), оснащенную дополнительным слоем, улучшающим такой немаловажный параметр изделия, как углы обзора. Главной проблемой таких матриц является неважная контрастность, а также (несмотря на все ухищрения) маленькие углы, при которых изображение остается неискаженным. В плюсы стоит занести дешевизну и отличное время отклика – некоторым производителям его удалось снизить до 2 мс.

С точки зрения потребительских качеств полной противоположностью TN + Film являются IPS-матрицы (In-Plane Switching, «плоскостное переключение»), которые при высокой цене и медленном отклике обеспечивают отличную контрастность и углы обзора, а главное – поразительно точную цветопередачу. Именно IPS-матрицы способны охватить все палитру цветов RGB (а значит, передают 24-битный цвет), тогда как все прочие технологии обеспечивают лишь 18-битную цветность. Наиболее современные типы таких матриц – S-IPS (Super IPS) и AS-IPS (Advanced Super IPS), разработанные компанией Hitachi в 1998 и 2002 годах соответственно. Их отличиями от IPS-аналогов являются улучшенная цветопередача и контрастность, а также немного уменьшенное время отклика. Помимо этого к IPS-семейству относятся технологии A-TW-IPS и AFFS. Что касается принципа функционирования таких матриц, то в двух словах его можно описать как «двойное магнитное поле», а вот никакой спиралевидной организации молекул там нет.

Третьим и последним основным типом ЖК-матриц является VA (Vertical Alignment, «вертикальное выравнивание»). Эта технология – некий компромисс между TN + Film и IPS и по всем параметрам находится где-то между ними. Существует она в двух ипостасях: MVA и PVA, которые по своей сути различаются незначительно. Разница же в названии объясняется тем, что первая технология появилась на свет в лабораториях Fujitsu, а вторая совершенно независимо была разработана в исследовательском центре Samsung. Разновидностями VA-матриц также являются Super MVA и Super PVA, а в двух словах их можно описать как «ничего особенного» – ни тебе спиралей, ни двойного магнитного поля.

Надеюсь, после этого краткого экскурса никому больше не удастся запудрить вам мозги длинными и трудновыговариваемыми аббревиатурами, ведь теперь все они нам с вами понятны, а значит, к выбору монитора или телевизора можно подходить со знанием дела.

Никто не прокомментировал материал. Есть мысли?