Дисплеи. Принципы работы
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Федеральное государственное
автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Национальный исследовательский
ядерный университет МИФИ
Институт международных отношений
Факультет: «Управления и экономики
высоких технологий»
Кафедра: № 55 «Международных
отношений»
Специальность: 030701 «Международные
отношения»
Реферат по перспективным наукоемким
технологиям на тему:
«Дисплеи. Принципы работы»
Студент:
Ржепишевская А.Б., У04-02
Москва, 2016
Аннотация
Данная работа посвящена изучению истории развития дисплеев, а также
основных принципов работы СRT-мониторов,
LCD-мониторов. Проведен сравнительный
анализ характеристик этих видов дисплеев. Рассмотрены различные виды сенсорных
экранов и современные типы мониторов.
Содержание
Аннотация
Введение
. История создания дисплея
. Принцип работы СRT-монитора
. Принцип работы LCD-монитора
. Сравнение характеристик мониторов LCD над CRT
.1 Превосходства мониторов LCD над CRT
.2 Превосходства мониторов CRT над LCD
. Принцип работы сенсорного монитора
.1 Резистивные сенсорные экраны
.2 Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах
.3 Ёмкостные сенсорные экраны
. OLED-дисплеи
Заключение
Список использованных источников
Введение
С изобретением ЭВМ появилась потребность вывода информации на экран.
Сегодня мир невозможно представить без различных видов дисплеев, которые
находят применения в самых разных областях науки и техники: медицине,
автомобильной промышленности, телекоммуникации, бытовой технике и т.д. На
данный момент один список технологий, которые применяются для изготовления
дисплеев, поражает воображение. Дисплеи бывают флуоресцентными вакуумными
(VFD), светодиодными (LED), жидкокристаллическими (LCD), лазерными,
органическими светодиодными (OLED), ферроэлектрическими (FLD), дисплеи на
интерферометрическом модуляторе (IMOD), нанокристаллическими и др. И можно с
уверенностью сказать, что данный список в будущем будет только увеличиваться.
В данном реферате рассмотрены лишь некоторые основные виды мониторов,
которые заложили базу для развития данного направления в науке и технике.
1
1. История создания дисплея
До 50-х годов компьютеры выводили информацию только на печатающие
устройства. Достаточно часто компьютеры тех лет оснащались осциллографами,
которые, однако, использовались не для вывода информации, а всего лишь для
проверки электронных цепей вычислительной машины. Впервые в 1950 году в
Кембриджском университете (Англия) электронно-лучевая трубка осциллографа была
использована для вывода графической информации на компьютере EDSAC (Electronic
Delay Storage Automatic Computer).
Примерно полтора года спустя английский ученый Кристофер Стретчи написал
для компьютера "Марк 1" программу, игравшую в шашки и выводившую
информацию на экран. Однако это были лишь отдельные примеры, не носившие
серьезного системного характера.
Реальный прорыв в представлении графической информации на экране дисплея
произошел в Америке в рамках военного проекта на базе компьютера
"Вихрь". Данный компьютер использовался для фиксации информации о
вторжении самолетов в воздушное пространство США. Первая демонстрация
"Вихря" состоялась 20 апреля 1951 года - радиолокатор посылал
информацию о положении самолета компьютеру, и тот передавал на экран положение
самолета-цели, которая отображалась в виде движущейся точки и буквы T (Target).
Это был первый крупный проект, в котором электронно-лучевая трубка
использовалась для отображения графической информации.
Первые мониторы были векторными - в мониторах этого типа электронный
пучок создает линии на экране, перемещаясь непосредственно от одного набора
координат к другому. Соответственно нет необходимости разбивать в подобных
мониторах экран на пикселы. Позднее появились мониторы с растровым сканированием.
В мониторах подобного типа электронный пучок сканирует экран слева направо и
сверху вниз, пробегая каждый раз всю поверхность экрана.
Следующей ступенькой развития мониторов явилось цветное изображение, для
получения которого требуется уже не один, а три пучка, каждый из которых
высвечивает определенные точки на поверхности дисплея. Со временем помимо
CRT-мониторов появились и другие технологии, которые позволили создавать более
компактные и легкие экранные панели.
2
2. Принцип работы СRT-монитора
ЭЛТ-монитор - монитор на основе электронно-лучевой трубки (CRT (Cathode
Ray Tube) - монитор).
Устройство ЭЛТ цветного изображения (рис.1):
- Электронные пушки.
- Электронные лучи.
- Фокусирующая катушка.
- Отклоняющие катушки.
- Анод.
- Маска, благодаря которой красный луч попадает на красный люминофор, и
т. д.
- Красные, зелёные и синие зёрна люминофора.
- Маска и зёрна люминофора (увеличенно).или ЭЛТ-монитор имеет стеклянную
трубку, внутри которой вакуум. С фронтальной стороны внутренняя часть стекла
трубки покрыта люминофором (7). В качестве люминофоров для цветных ЭЛТ
используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов -
иттрия, эрбия и т.п. Люминофор - это вещество, которое испускает свет при
бомбардировке его заряженными частицами.
Для создания изображения в CRT-мониторе используется электронная пушка
(1), которая испускает поток электронов (2) сквозь металлическую маску или
решетку на внутреннюю поверхность стеклянного экрана монитора (6), которая
покрыта разноцветными люминофорными точками.
Электроны попадают на люминофорный слой, после чего энергия электронов
преобразуется в свет, т.е. поток электронов заставляет точки люминофора
светиться. В цветном CRT-мониторе используются три электронные пушки, в отличие
от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах, которые сейчас практически
не производятся и мало кому интересны.
Наши глаза реагируют на основные цвета: красный (Red), зеленый (Green) и
синий (Blue) и на их комбинации, которые создают бесконечное число цветов.
Люминофорный слой, покрывающий фронтальную часть электронно-лучевой трубки,
состоит из очень маленьких элементов.
Рисунок
1
3.
Принцип работы LCD-монитора
(Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества,
которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми
свойствами, присущими кристаллическим телам. Молекулы жидких кристаллов под
воздействием электричества могут изменять свою ориентацию и вследствие этого
изменять свойства светового луча, проходящего сквозь них. Первое свое
применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в кварцевых
часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров.
Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между
слоями которой располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки,
контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового, с металлической
рамкой жёсткости.
Каждый пиксель ЖК-матрицы (рис. 2) состоит из слоя молекул между двумя
прозрачными электродами, и двух поляризационных фильтров, плоскости поляризации
которых (как правило) перпендикулярны.
Рисунок
2 Схематическое устройство красного субпиксела ЖК-монитора
В отсутствие напряжения кристаллы выстраиваются в винтовую структуру. Эта
структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его
поляризации поворачивается и через него свет проходит практически без потерь
(рис. 3).
монитор дисплей сенсорный экран
Рисунок
3
Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся
выстроиться в направлении электрического поля, что искажает винтовую структуру.
При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения
молекулы возвращаются в исходное положение (рис.4).
Рисунок
4
При достаточной величине поля практически все молекулы становятся
параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение,
можно управлять степенью прозрачности.
Экран LCD-дисплея состоит из матрицы LCD-элементов. Для того чтобы
получить изображение, нужно адресовать отдельные LCD-элементы.
Различают два основных метода адресации и соответственно два вида матриц:
пассивную и активную. В пассивной матрице точка изображения активируется
подачей напряжения на проводники-электроды строки и столбца. При этом
электрическое поле возникает не только в точке пересечения адресных
проводников, но и на всем пути распространения тока, что препятствует достижению
высокого контраста. В активной матрице каждой точкой изображения управляет свой
электронный переключатель, что обеспечивает высокий уровень
контрастности.дисплей не излучает, а работает как оптический затвор. Поэтому
для воспроизведения изображения ему требуется источник света, который
располагается позади LCD-панели. Время жизни внутреннего источника света TFT
LCD-монитора зависит от его типа. Как правило, источники света для 15-дюймовых
мониторов теряют около 50% первоначальной яркости за 20 000 часов.
4.
Сравнение характеристик мониторов LCD над CRT
.1
Превосходства мониторов LCD над CRT
. LCD-дисплеи занимают на столе примерно в 3 раза меньше места и
весят на 3/4 меньше, чем CRT-модели. Экономия веса и пространства критична для
целого ряда приложений.
. В отличие от CRT-мониторов LCD-дисплеи абсолютно не генерируют
магнитные поля.
. LCD-дисплеи не подвержены влиянию магнитных полей и,
следовательно, могут использоваться на объектах, где такие поля генерируются.
Это делает их использование предпочтительным на ряде объектов (например, на
подводных лодках).
. LCD-мониторы обладают меньшей хрупкостью и соответственно лучше
подходят для работы в полевых условиях.
. LCD-мониторы потребляют примерно на 60% меньше электроэнергии по
сравнению с CRT-мониторами и выделяют соответственно меньше теплоты.
. LCD-дисплеи имеют меньшую склонность к такому дефекту
изображения, как появление муара.
.2
Превосходства мониторов CRT над LCD
. LCD-дисплеи оптимизированы для работы только с одним
разрешением. Например, для 15-дюймового монитора оптимальное разрешение - 1024
x 768 точек. Если в вашей работе требуется перенастройка монитора на различные
разрешения, что актуально в CAD-приложениях, то такой дисплей не может
считаться оптимальным решением.
. LCD-дисплеи плохо переносят экстремальные температуры. При
температуре ниже -32° они кристаллизуются и разрушаются, а при высоких температурах
изображение расплывается.
. LCD-панели имеют ограниченный угол обзора.
. LCD-мониторы менее пригодны для передачи непрерывного
видеоизображения.
. LCD-мониторы пока имеют более высокие цены.
. LCD-мониторы имеют большую склонность к дрожанию, чем CRT-дисплеи.
. Изготовление LCD-мониторов с диагональю более 21 дюйма
экономически невыгодно; их будут производить по другим технологиям.
5.
Принцип работы сенсорного монитора
Сенсорный экран (touch монитор) - это монитор, который чувствителен к
прикосновениям, позволяющий людям работать с компьютером с помощью касаний к
картинкам и словам.
Существует три основных вида сенсорных технологий:
. Резистивные
. Поверхностно акустически волновые (ПАВ)
. Емкостный
.1
Резистивные сенсорные экраны
Принцип действия резистивного сенсорного экрана заключается в следующем
(рис. 5). Сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой
мембраны с нанесёнными как на панель, так и на мембрану резистивным покрытием.
Между стеклом экрана и гибкой мембраной равномерно распределены микроизоляторы,
которые не позволяют контактировать проводящим поверхностям по активной области
экрана. Когда на экран воздействуют, нажимая на него, резистивные покрытия
панели и пластиковой мембраны между собой замыкаются и в точке соприкосновения
изменяется удельное сопротивление, которое регистрируется контроллером панели и
с помощью аналогово-цифрового преобразователя преобразовывается в координату
точки прикосновения.
К сильным сторонам резистивных экранов можно отнести достаточную простоту
и малую стоимость, весьма неплохую чувствительность, а также восприимчивость
экрана не только к пальцам руки, но и к любым касающимся его предметам.
Слабые стороны резистивных экранов - плохое светопропускание (для
устранения этого недостатка приходится использовать более яркую подсветку), и
плохая поддержка экраном множественных нажатий (мультитач). Вследствие
конструктивных особенностей резистивные экраны не могут определить силу нажатия
и подвержены механическому износу.
Рисунок
5
5.2 Сенсорные
экраны на поверхностно-акустических волнах
Конструктивно сенсорный экран на поверхностно-акустических волнах (ПАВ)
выполнен в виде стеклянной панели с расположенными по углам экрана
пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП) (рис. 6). Также по периметру панели
экрана расположены отражающие и принимающие датчики. Принцип действия
сенсорного экрана на поверхностно-акустических волнах состоит в следующем.
Высокочастотный электрический сигнал формируется в специальном контроллере и
посылается на ПЭП. ПЭП в свою очередь преобразуют поступивший сигнал в
поверхностно-акустические волны, а отражающие датчики, расположенные по
периметру, этот сигнал отражают. Далее по цепочке: отражённая волна поступает
на соответствующий принимающий датчик и обратно отсылается на ПЭП. ПЭП же,
приняв отражённую волну, преобразовывает полученные данные уже в электрический
сигнал, который поступает на контроллер, где этот сигнал анализируется. При
прикосновении к экрану пальцем часть энергии акустических волн, формируемых
ПЭП, в точке касания поглощается. Расположенные по периметру экрана приёмники
улавливают эти изменения, а микроконтроллер вычисляет положение точки касания.
Реагирует на касание предметом, способным поглотить волну (палец, рука в
перчатке, пористая резина и т.п.).
К достаточно существенным недостаткам сенсорных экранов на
поверхностно-акустических волнах следует отнести ложные срабатывания или сбои
при наличии посторонних вибраций или при воздействии акустическими шумами, а
также при загрязнении поверхности экрана. Любой посторонний предмет,
находящийся на экране (например, грязь, жевательная резинка), полностью
заблокирует его работу. Кроме того, вследствие конструктивных особенностей,
экран регистрирует только прикосновения предметом, который поглощает
акустические волны. Например, на прикосновение пластиковой карточки экран
просто не среагирует.
Точность срабатывания сенсорного экрана на поверхностно-акустических
волнах гораздо выше, чем резистивных, но ниже, чем традиционных ёмкостных. Для
рисования или ввода текста они не пригодны.
Рисунок
6
.3 Ёмкостные
сенсорные экраны
Поверхностно-емкостный экран (или упрощённо - емкостный) в основе своего
принципа работы использует явление проводимости переменного тока предметом
большой емкости (рис. 7).
Конструктивно емкостный сенсорный экран состоит из стеклянной панели,
покрытой прозрачным резистивным материалом (обычно применяются сплавы оксида
индия и оксида олова). По углам емкостного экрана располагаются электроды,
которые подают переменное напряжение (не значительное по абсолютной величине)
на проводящий слой экрана. Причем подаваемое напряжение абсолютно одинаково.
При прикосновении к экрану пальцем руки или другим токопроводящим предметом в точке
прикосновения появляется утечка тока. При этом следует отметить, что чем ближе
предмет, которым прикасаются к электроду, тем меньше сопротивление экрана и,
следовательно, сила тока в точке прикосновения больше. Во всех четырёх углах
экрана расположены датчики, которые следят за изменением силы тока и
регистрируют эти изменения, которые затем передаются в контроллер. Контроллер
уже преобразовывает полученные от датчиков данные и вычисляет координаты точки
прикосновения.
В более ранних моделях емкостных экранов использовали постоянный ток -
такая конструкция была предельно простая, но в работе это приводило к сбоям,
особенно при не достаточном контакте прикасающегося к экрану предмета
(человека) с землёй.
Емкостные сенсорные экраны зарекомендовали себя в работе как надёжные
устройства, запас по касаниям - около 200 000 000 касаний (более 6-ти лет
касаний с интервалом 1 сек.). Емкостные экраны неприхотливы к внешним условиям
- они не пропускают влагу и отлично работают даже загрязненными. Прозрачность
экрана находится на уровне приблизительно 90 %. К недостаткам следует отнести
нечувствительность к диэлектрикам, например, на прикосновение в перчатке экран
не отреагирует.
Рисунок
7
6.
6.
OLED-дисплеи
Аббревиатура OLED произошла от сокращения Organic Light-Emitting Diode,
что можно перевести как органический свето-эмиссионный диод, и основана на
способности некоторых органических полимеров испускать свет (люминесценции) при
подаче на них электрического тока (рис. 8). Использование различных люминофоров
позволяет получить свечение заданного цвета. Так с помощью комбинирования
свечения красного, синего и зеленого органического светодиода можно получить на
выходе большое количество качественных цветов.
Рисунок
8
дисплеи имеют очень высокую контрастность и супернасыщенность цветов.
Другим важным преимуществом этих дисплеев является энергоемкость. В отличие от
других типов дисплеев, черные пиксели на OLED-дисплее выключены - для их
отображения не нужна энергия - что увеличивает время работы аккумулятора.
Свойства OLED-дисплеев
· Низкая потребляемая мощность: 10 мА (схемы управления OLED
токовые)
· Высокий контраст 2000:1 и считывание изображения при ярком
солнечном свете
· Широкий угол обзора более ±175˚
· Короткое время отклика: 10 мкс при температуре +25˚C
· Широкий диапазон рабочих температур от -40 до +80˚C
· Малая толщина модуля дисплея, небольшой вес и высокая
надёжность: MTBF 100 000 часов
Применения
· Автомобильная промышленность
· Телекоммуникации
· Промышленные системы управления
· Бытовая техника
· Измерительное оборудование
· Клавиатуры управления кассовых терминалов
· Медицинское оборудование
Заключение
В заключение хотелось бы сказать, что многообразие современных экранов с
каждым годом только увеличивается. Существуют различные проекты
усовершенствования качества вывода изображения на экран, яркости, материалов и
технологий, используемых для создания экранов. Так, например, существует
множество идей о создании 3-D
мониторов и гибких экранов. Внешний вид современного компьютера сложно отличить
от телевизора, что было даже трудно представить несколько лет назад. Более
того, компьютер можно подключить к монитору телевизора, и смотреть программы.
Экраны сейчас можно встретить практически везде: в каждом доме, на улице, в
магазине, в больнице, учебном заведении и т.д. Из всего этого можно сделать
вывод, что технологии дисплеев - перспективная развивающаяся наука, которая за
короткий срок своего существования достигла огромных успехов и продолжает
развиваться до сих пор.
Список
использованных источников
1. OLED
- будущее на рынке телевизионных технологий?/ Журнал «Mediasat - ТВ,
радиовещание и телекоммуникации» - 20.07.2015 URL: http://mediasat.info/2015/07/20/oled/
. Современные
технологии дисплеев [Интернет-ресурс] - 20.02.2013 URL:
http://www.techgid.ru/it/3231/display-technologies
. Олег
Довбня. 3 типа сенсорных экранов. Принципы работы тачскринов. Журнал «Новости
высоких технологий» - 28.05.2013 URL:
http://hi-news.ru/technology/fakty-tri-tipa-sensornyx-ekranov-princip-raboty-tachskrinov.html
. Сайт
интернет-компании: http://digitaldevice.ua/
5. Сайт
интернет-компании: <http://www.prosoft.ru/>
. Принцип действия
ЭЛТ-монитора [Интернет-ресурс] - 2014 URL:
<http://www.informatika.edusite.ru/slovar_10.htm>
. Краткая история
компьютерных дисплеев [Интернет-ресурс] - 10.11.2010
URL:
http://mydiv.net/arts/view-kratkaja-istorija-kompjuternyh-displeev.html