Как устроен и из чего состоит компьютерный монитор

Как устроен и из чего состоит компьютерный монитор?

Приветствую, друзья! Единственное устройство вывода информации, с которым удобно работать пользователю – монитор, которым комплектуется любой компьютер. Принципиальное отличие этого девайса от телевизора, несмотря на подобие конструкции, в том, что компьютерный монитор никогда не оснащается тюнером.

А если вы хотите смотреть телепередачи на компьютере, то придется установить тюнер как отдельный модуль, но уже в сам системный блок.

За длительную историю своего развития, монитор претерпел множественные конструкционные изменения, «мутировав» от примитивной электронно-лучевой трубки, гибрида радара и осциллографа, в высокотехнологичный жидкокристаллический экран, который в том числе удобно вешать на стену.

В сегодняшнем посте я расскажу из чего состоит монитор и какие функции выполняют его внутренности. Речь пойдет о современных ЖК-дисплеях. Как устроен ЭЛТ-монитор, мы рассматривать не будем: технология морально устарела, а у меня все-таки передовой и прогрессивный блог.

Не забудьте оформить подписку на новостную рассылку, чтобы вовремя получать уведомления о новых публикациях. А почитать об истории развития мониторов вы можете тут .

Устройство жидкокристалического экрана

Жидкие кристаллы – это смесь определенных веществ, находящихся в кристаллическом и жидком состоянии одновременно. Как жидкость эта смесь является текучей и заполняет собой пространство, а как кристалл – образуется из молекул, которые расположены с четкой структурой.

Устройство практически всех LCD дисплеев идентично. Конструкция любого ЖК-дисплея включает следующие составляющие:

• ЖК-матрица;
• Светоисточник;
• Контактный жгут;
• Корпус.

Жидкие кристаллы, используемые в LCD экранах, состоят из стержнеобразных молекул, располагающихся параллельно друг другу. Так как они являются жидкостными – могут «течь», меняя свою пространственную ориентацию в зависимости от поступления электрического напряжения.

Основным структурным элементом любого LCD дисплея является пиксель, который состоит из субпикселей (три ячейки). Каждый субпиксель состоит из жидких кристаллов, расположенных послойной, образующих из внутренних молекул спираль. Такая структура кристаллов зажимается двумя электродами и цветными пластинами с покрытием из поляризационной пленки. Красные пластины находятся в первой ячейке, зеленые – во второй, синие – в третьей.

Компьютерный синдром

Компьютерный синдром, он же компьютерный зрительный синдром — это негативна реакция организма человека на длительную работу за компьютером. На данный момент его не относят к числу заболеваний.

Человеческий глаз не рассчитан на зрительные нагрузки, возникающие при постоянной работе за монитором. К данным нагрузкам относится постоянная фиксация зрения на экране, сопровождаемая резким уменьшением частоты моргания. В итоге слёзная плёнка, защищающая роговицу глаза, пересыхает.

Изображение на экране монитора мерцает, менее контрастно, дискретно (из пикселей), светится.

Постоянная статичная поза работающего за компьютером человека может привести к возникновению шейного остеохондроза.

Дочитали? Встаём и делаем маленькую разминку! Прямо сейчас.

• Потеря остроты зрения.
• Сложно быстро перемещать взгляд с близких объектов на дальние и обратно.
• Усталость глаз.
• Головная боль.
• Жжение в глазах.
• Покраснение глазных яблок.
• Боль при движении глаз.
• Боли в шее и в спине.
• Общее снижение работоспособности, повышенная утомляемость.

Методы защиты и профилактика:

• Повышения частоты монитора, замена монитора.
• Использование мониторов с опцией Flicker-Free и Low Blue.
• Использование очков с компьютерным спектральным фильтром защищающим от вредного синего света.
• Каждые 20 минут по 10 раз медленно открывать и закрывать глаза.
• Каждые 40 минут делать короткие перерывы в работе.
• Гимнастика для глаз в каком-либо из её вариантов, делается несколько раз в течение рабочего дня.
• Регулярные обследования у врача-офтальмолога. Он может посоветовать:
• Применение глазных капель, предотвращающих высыхание роговицы.
• Приём вовнутрь средств, улучшающих зрение (в первую очередь, препаратов на основе черники). Посоветуйтесь с врачом!
• Черника.
• При отёках век подходят сосудосуживающие средства. Посоветуйтесь с врачом!

Если у вас есть проблемы при работе с компьютером, не ставьте себе диагноз сами, обратитесь к врачу. Сам был свидетелем случая, когда замена компьютерного кресла избавила от болей в спине, проблема оказалась не в мониторе.

Характеристики ЖК мониторов

Мониторы компьютерные жидкокристаллические имеют ряд присущих им технических характеристик. И по этому выбрать себе подходящий монитор не так просто. Каждый вид дисплея имеет свои плюсы и минусы. Однако выявить явного фаворита практически невозможно.

Тип ЖК матрицы

Преимущества и недостатки ЖК мониторов во многом зависят от типа матрицы. И при выборе нового дисплея к своему компу, стоит учесть то, чем вы занимаетесь. Потому что каждая матрица в той или иной мере отличается по качеству изображения.

• TN матрица. Это наиболее распространённый и самый старый из представленных типов матриц. Экраны с такой матрицей отличаются самой низкой ценой среди конкурентов. А также быстрым временем отклика. Однако страдают малыми углами обзора и плохими показателями цветопередачи и контрастности.
• IPS матрица. Такие дисплеи подойдут тем, кто работает с фото и видео. А также просто любителям посмотреть фильмы или сериалы. Так как IPS матрицы обеспечивают приемлемую цветопередачу и углы обзора. А минусом можно считать высокую цену и повышенное время отклика экрана. . Это нечто среднее между IPS и TN технологиями. Такие экраны обладают отличной контрастностью и неплохим временем отклика. Однако углы обзора заметно ниже, чем у IPS. Так что, эти мониторы хорошо подойдут геймерам.

Отдельно стоит отметить новую прогрессивную технологию LTPS. Она обеспечивает невероятно быстрое время отклика, которое выше показателей IPS в два раза.

Разрешение монитора

Показатель разрешения монитора зависит от соотношения точек с физическими габаритами экрана. И чем больше разрешение экрана, тем больше деталей он отображает.

Яркость

Этот параметр зависит как от типа подсветки, так и от типа самой матрицы. А самыми яркими считаются мониторы со светодиодной подсветкой и IPS матрицами.

Контрастность

Эта характеристика отвечает за баланс чёрного и белого цвета в изображении. И чем выше контрастность, тем глубже отображаются оттенки цветов. Например, хорошей контрастностью отличаются мониторы с MVA матрицей.

Угол обзора

От угла обзора зависит то, с какого положения монитора изображение будет оставаться чётким. Ведь при низких углах обзора цвета начинают отображаться некорректно (затемняются). И тогда приходится смотреть на монитор только под прямым углом. Такого недостатка практически лишены IPS матрицы.

Время реакции пикселя

От этого показателя зависит плавность движения изображения. И при низких его значениях динамическое изображение отображается некорректно. Что проявляется в появлении шлейфов, полос и артефактов. Да, конечно при просмотре обычного видео это не так заметно. А вот при игре в динамичные видеоигры такой недостаток быстро заявит о себе.

Количество отображаемых цветов

Помимо цветных мониторов, и по сей день, продолжает жить монохромный ЖК-дисплей. Такие экраны отображают только один цвет разных оттенков. А используются они, например, в бортовых компьютерах станков, бытовых агрегатов и автомобилей.

Что касается обычных LCD мониторов, то в любом из них используется система RGB Color. Red – красный, Green – зелёный, Blue – синий. При этом, многообразие и качество цветовой гаммы зависит от типа матрицы. А самая качественная цветопередача у IPS матриц.

Бывает, что цветные мониторы отображают не те цвета. Например, встречается такое явление, как инверсия ЖК дисплея. При инверсии цвета начинают отображаться некорректно, а то и вовсе меняются местами.

Интерфейс монитора

Эта характеристика напрямую зависит от модели и производителя. Так, помимо стандартных элементов настройки и управления питанием, мониторы снабжаются дополнительным интерфейсом аудиосистемы. А также управления подсветкой монитора и многим другим.

Преимущества ЖК мониторов

• ЖК мониторы более экономичные;
• У них нет электромагнитного излучения в сравнении c ЭЛТ-мониторами;
• Они не мерцают, как ЭЛТ-мониторы;
• Они легкие и не такие объемные;
• У них большая видимая область экрана.

Разрешение: ЭЛТ-мониторы могут работать на нескольких разрешениях в полноэкранном режиме, когда ЖК монитор может работать только с одним разрешением. Меньшие разрешения возможны лишь при использовании части экрана. Так, например, на мониторе с разрешением 1024х768 при работе в разрешении 640х480 будет задействовано лишь 66% экрана.

Измерение диагонали: размер диагонали видимой области ЖК монитора соответствует размеру его реальной диагонали. В ЭЛТ-мониторах реальная диагональ теряет за рамкой монитора более дюйма.

Сведение лучей: в жидкокристаллических мониторах каждый пиксель включается или выключается отдельно, поэтому не возникает никаких проблем со сведением лучей, в отличие от ЭЛТ-мониторов, где требуется безукоризненная работа электронных пушек.

Сигналы: ЭЛТ-мониторы работают на аналоговых сигналах, а ЖК мониторы используют цифровые сигналы.

Отсутствие мерцания: качество изображения на ЖК мониторах выше, а при работе нагрузка на глаза меньше — сказывается ровная плоскость экрана и отсутствие мерцания.

Предисловие

Жил-был на свете Антон Городецкий.
Бросила жена, он грустил не по-детски…

Так начинается известная песня группы Уматурман. Так же начинается и история с исследованием дисплеев. После первой публикации на Хабре пришёл ко мне мой друг-аспирант ФНМ МГУ и говорит: «Я тут свой мобильник разбил, не хочешь ли ты его распилить?» Я удивился, потому что этот человек всегда носил с собой китаефон, который я считал практически не убиваемым. Придя однажды домой, Антон по привычке кинул телефон в шкаф, но, видимо, что-то не рассчитав попал аккурат дисплеем в ребро полки.

Осознавая свои смехотворные потери от утраты мобильного и ввиду общего плохого настроения в тот день, он поступил, как истинный джентльмен, швыряя вновь и вновь бездыханное тело телефона о бетонную стену. Когда же останки дошли до меня, то половина китаефона просто отсутствовала, дисплей был покрыт мелкой паутинкой трещин.
Пришлось отложить его до лучших времён (как я тогда полагал, пока кто-нибудь таким же образом не поступит с iPhone или другим сенсорным смартфоном) и начать заниматься HDD и CD, потом лампочками, флешками и т.д.

Через некоторое время уже мой сосед приносит мне треснувший E-Ink дисплей. Его друг разбил тонкое стекло в небезызвестной читалке с порядковым номером 601 во время игры в страйкбол, кажется, и отдал читалку практически даром для ремонта и восстановления.

Вот это уже было интереснее, две технологии можно сравнить между собой, попытаться разглядеть RGB-субпиксели и микрокапсулы, в которых плавают заряженные частицы. Но я надеялся на получение смартфона с ёмкостным сенсором, чтобы сравнить заодно его и резистивный сенсор китаефона.

И вот Василий (научный коллега по одной из лабораторий факультета), приехав к нам на ХимФак из Черноголовки и увидев, чем я собственно занимаюсь с электронным микроскопом, сказал, что готов пожертвовать телефон известного корейского производителя с несколько побитым дисплеем для разборки и распила с пометкой «ради науки ничего не жалко».

Несмотря на все заверения, что сенсор ёмкостной, он оказался резистивным, пусть и более продвинутой конструкции, нежели сенсорная панель китаефона. Из этого телефона была добыта важная деталь, которая ждёт своего часа распила – матрица фото/видео камеры…

Источник света

Изначально источником света для ЖК-экранов были газоразрядные лампы с холодным электродом (CCFL).

Под действием газового разряда ртуть излучает ультрафиолетовое свечение, которое, в свою очередь, возбуждает люминофор на стенках колбы и превращается в видимый свет. В отличие от обычных ламп дневного света, у таких ламп электрод без подогрева (что становится ясно из названия). Для нормальной работы им нужно высокое напряжение — до 900 вольт.

Сейчас вместо газоразрядных ламп используют светодиоды. От их типа сильно зависит конечная цена монитора. Так, в бюджетном сегменте используются обычные белые светодиоды W-Led. Основой для белых светодиодов служат синие светодиоды.

Они покрыты слоем люминофора, который преобразует часть синего спектра в другие цвета. В результате из синих светодиодов получаются белые светодиоды.

Обычный люминофор для белых светодиодов состоит из множества редкоземельных металлов: иттрий, гадолиний, церий, тербий, лантан.

В профессиональных устройствах подсветку из белых светодиодов дополняют зелеными светодиодами (GB-LED). Это дешевле люминофора, дающего нужный спектр. Использование же RGB-светодиодов даже в профессиональных устройствах — редкость, хотя это позволяет регулировать цветовую температуру и яркость без нарушения калибровки гамма-кривых монитора.

В последнее время производители обратили внимание не только на обычные люминофоры, изготавливаемые из редкоземельных металлов, но и на квантовые точки.

Квантовые точки не требуют использования редких компонентов и просты в производстве: достаточно в правильных условиях смешать два дешевых реактива. Из-за того, что идеально выдержать условия невозможно, квантовые точки имеют небольшие различия в размере, поэтому ширина спектра излучения составляет порядка 20 нм.

Такой ширины спектра недостаточно для того, чтобы перекрыть REC.2020 на 100%, но это значение находится очень близко.

Преимущества и недостатки

Искажение цветности и контрастности изображения на ЖК-мониторе при большом угле обзора

Дефекты дисплея (чёрные пиксели — не работающие)

В настоящее время ЖК-мониторы являются основным, бурно развивающимся направлением в технологии мониторов. К их преимуществам можно отнести: малый размер и вес в сравнении с англ. backlight — задний свет) ЖК-матрицы. Во многих современных (2007) мониторах для настройки пользователем яркости свечения экрана используется широтно-импульсная модуляция ламп подсветки частотой от 150 до 400 и более Герц. Светодиодная подсветка в основном используется в небольших дисплеях, хотя в последние годы она все шире применяется в ноутбуках и даже в настольных мониторах. Несмотря на технические трудности её реализации, она имеет и очевидные преимущества перед флуоресцентными лампами, например более широкий спектр излучения, а значит, и цветовой охват.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:

• В отличие от ЭЛТ, могут отображать чёткое изображение лишь в одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются плазменных дисплеев. Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично.
• Зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии.
• Массово производимые ЖК-мониторы более уязвимы, чем ЭЛТ. Особенно чувствительна матрица, незащищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация. Также существует проблема См. также