Матриці - що таке? Типи матриць

Сьогодні вже практично неможливо знайти людину, яка б досі користувався ЕПТ-монітором або старим кінескопним телевізором. Цю техніку швидко і успішно витіснили РК-моделі, в основі яких лежать рідкі кристали. Але не менш важливі матриці. Що таке рідкі кристали і матриці? Все це ви дізнаєтеся з нашої статті.

Передісторія

Вперше про рідких кристалах світ дізнався в 1888 році, коли відомий ботанік Фрідріх Райнітцер виявив існування дивних речовин в рослинах. Його здивувало, що деякі речовини, спочатку володіють кристалічною будовою, при нагріванні повністю змінюють свої властивості.

Так, при температурі в 178 градусів Цельсія речовина це спочатку каламутніла, а потім і зовсім перетворювалося на рідину. Але відкриття на цьому не закінчилися. З`ясувалося, що дивна рідина в електромагнітному відношенні проявляє себе як кристал. Саме тоді з`явився термін «рідкий кристал».

Принцип роботи РК-матриць

На цьому і заснована робота матриці. Що таке матриця? Це багатозначний термін. Одне з його значень - дисплей ноутбука, РК-монітор або екран сучасного телевізора. Зараз ми дізнаємося, на чому заснований принцип їх роботи.

А грунтується він на звичайній поляризації світла. Якщо ви пам`ятаєте шкільний курс фізики, то там якраз розповідається про те, що деякі речовини здатні пропускати світло тільки одного спектра. Саме тому два поляризатора під кутом 90 градусів взагалі можуть не пропускати світло. У випадку, коли між ними розташоване якесь пристрій, який може світло повертати, ми отримаємо можливість регулювати яскравість світіння та інші параметри. Загалом-то, це і є найпростіша матриця.

Спрощене пристрій матриць

Звичайний РК-дисплей завжди складатиметься з кількох постійних частин:

• Лампи підсвічування.
• Відбивачі, які забезпечують рівномірність згаданої вище підсвічування.
• Поляризатори.
• Підкладка зі скла, на яку нанесені проводять контакти.
• Деяка кількість горезвісних рідких кристалів.
• Ще один поляризатор і підкладка.

Кожен піксель такої матриці формується з червоною, зеленою і синьою точок, комбінація яких дозволяє отримувати будь-який з наявних кольорів. Якщо включити все одночасно, в результаті виходить білий. До речі, а що таке дозвіл матриці? Ця кількість пікселів на ній (1280х1024, наприклад).

Які бувають матриці?

Якщо спрощено, то вони бувають пасивні (прості) і активні. Пасивні - найпростіші, в них пікселі спрацьовують послідовно, від рядка до рядка. Відповідно, при спробах налагодити виробництво дисплеїв з великою діагоналлю з`ясувалося, що припадає непропорційно збільшувати довжину провідників. У результаті не тільки значно підвищувалася вартість, але і збільшувалося напруга, що призводило до різкого зростання числа перешкод. А тому пасивні матриці можуть бути використані тільки лише при виробництві недорогих моніторів з невеликою діагоналлю.

Активні різновиди моніторів, TFT, дозволяють управляти кожним (!) З мільйонів пікселів окремо. Справа в тому, що кожним пікселем управляє окремий транзистор. Щоб осередок передчасно не втрачала заряд, до неї додають окремий конденсатор. Зрозуміло, за рахунок подібної схеми вдалося багаторазово зменшити час відгуку кожного пікселя.

Математичне обґрунтування

У математиці матрицею називається об`єкт, записаний у вигляді таблиці, елементи якої знаходяться на перетині її рядків і стовпців. Потрібно відзначити, що матриці взагалі широко використовуються в комп`ютерах. Той же дисплей можна трактувати як матрицю. Оскільки кожен піксель володіє певними координатами. Таким чином, будь-яке зображення, яке утворюється на дисплеї ноутбука, є матриця, в комірках якої містяться кольору кожного пікселя.

Кожне значення займає рівно 1 байт пам`яті. Трохи? На жаль, але навіть у цьому випадку один тільки кадр FullHD (1920-1080) займатиме пару Мб. А скільки місця буде потрібно для фільму на 90 хвилин? Саме тому зображення стискають. Величезне значення при цьому має визначник.

До речі, а що таке визначник матриці? Це многочлен, що комбінує елементи квадратної матриці таким чином, що його значення зберігається при транспонировании і лінійних комбінаціях рядків або стовпців. Під матрицею в цьому випадку розуміється математичне вираз, що описує розташування пікселів, в якому закодовані їх кольору. Квадратної вона називається тому, що число рядків і стовпців в ній однаково.

Чому це так важливо? Справа в тому, що при кодуванні використовується перетворення Хаара. По суті, перетворення Хаара - це поворот точок таким чином, щоб їх можна було зручно і компактно закодувати. У результаті виходить ортогональна матриця, для декодування якої якраз використовується визначник.

Зараз ми розглянемо основні типи матриці (Що таке сама матриця, ми вже з`ясували).

TN + film

Одна з найбільш дешевих і поширених сьогодні моделей дисплеїв. Відрізняється порівняно швидким часом відгуку, але досить поганий передачею кольору. Проблема в тому, що кристали в цій матриці розташовані так, що кути огляду виходять незначними. Щоб боротися з цим явищем, була розроблена спеціальна плівка, яка дозволяє дещо розширити кути огляду.

Кристали в цій матриці збудовані в колону, тим самим нагадуючи солдат на параді. Кристали скручені в спіраль, завдяки чому ідеально щільно чіпляються один за одного. Щоб шари добре прилягали до подложкам, на поверхні останніх робляться спеціальні виїмки.

До кожного кристалу підведений електрод, який регулює напругу на ньому. Якщо напруги немає, то кристали повертаються на 90 градусів, в результаті чого світло вільно проходить через них. Виходить звичайний білий піксель матриці. Що таке червоний або зелений колір? Як він виходить?

Як тільки подається напруга, спіраль стискається, причому ступінь стиснення безпосередньо залежить від сили струму. Якщо значення максимальне, то кристали взагалі перестають пропускати світло, в результаті чого виходить чорний фон. Щоб отримати сірий колір і його відтінки, положення кристалів у спіралі регулюється так, щоб деяка кількість світла вони пропускали.

До речі, за замовчуванням в цих матрицях завжди активовані всі кольори, в результаті чого піксель білий. Саме тому так легко визначити згорілий піксель, який завжди проявляється у вигляді яскравої точки на моніторі. Враховуючи, що з передачею кольору у матриць цього типу завжди проблеми, дуже складно домогтися також відображення чорного кольору.

Щоб хоч якось виправити становище, інженери розташували кристали під кутом 210 °, в результаті чого якість передачі кольору і час відгуку зросли. Але і в цьому випадку не обійшлося без накладок: на відміну від класичних TN-матриць, виникла проблема з відтінками білого, кольору розмиття. Так з`явилася технологія DSTN. Суть її в тому, що дисплей ділиться на дві половини, кожна з яких управляється окремо. Якість відображення різко покращився, але виріс вага і вартість моніторів.

Ось що таке матриця в ноутбуці TN + film типу.

S-IPS

Компанія Hitachi, як слід намучившись з вадами попередньої технології, вирішила більше не намагатися вдосконалити її, а попросту винаходити щось кардинально нове. Тим більше що Гюнтер Баур в 1971 році з`ясував, що кристали можна розташовувати не у вигляді скручених колон, а укладати паралельно один одному на скляну підкладку. Зрозуміло, в цьому випадку туди ж кріпляться передають електроди.

Якщо на першому поляризаційному фільтрі немає напруги, світло вільно проходить через нього, але затримується на другий підкладці, площина поляризації якої завжди розташована під кутом 90 градусів по відношенню до першої. За рахунок цього не тільки різко збільшується швидкість спрацьовування монітора, але і чорний колір - дійсно чорний, а не варіація темно-сірого відтінку. Крім того, великою гідністю є розгорнуті кути огляду.

Недоліки технології

На жаль, але на поворот кристалів, які розташовані паралельно один одному, потрібно набагато більше часу. А тому і час відгуку на старих моделях досягало воістину циклопічного значення, 35-25 мс! Часом можна було спостерігати навіть шлейф від курсора, а вже про динамічні сцени в іграшках і фільмах користувачам краще було забути.

Так як електроди розташовані на одній підкладці, потрібно набагато більше електроенергії для розвороту кристалів у необхідному напрямку. А тому всі монітори на основі IPS-матриць рідко отримують зірку Energy Star за економічність. Зрозуміло, для підсвічування підкладки також потрібно застосовувати більш потужні лампи, а це ніяк не покращує ситуацію з підвищеним споживанням електроенергії.

Технологічність виготовлення таких матриць висока, а тому до недавнього часу вони були дуже і дуже недешевими. Словом, з усіма перевагами та недоліками, такі монітори чудово підходять для дизайнерів: якість передачі кольору у них чудове, а часом відгуку в деяких випадках можна пожертвувати.

Ось що таке IPS-матриця.

MVA / PVA

Так як в обох вищеописаних типів матриць є недоліки, які усунути фактично неможливо, в Fujitsu була розроблена нова технологія. Фактично MVA / PVA є доопрацьованій версією IPS. Головна відмінність - електроди. Вони розташовуються на другий підкладці у вигляді своєрідних трикутників. Таке рішення дозволяє швидше реагувати кристалам на зміну напруги, а передача кольору стає набагато якісніше.

Фотоапарати

А що таке матриця у фотоапараті? У цьому випадку так називається кристал провідника, який також відомий під назвою приладу з зарядовим зв`язком (ПЗЗ). Чим в матриці фотоапарата більше осередків, тим вона краща. Коли затвор камери відкривається, через матрицю проходить потік електронів: чим їх більше, тим виникає струм сильніше. Відповідно, в темних частинах струму не утворюється. Ділянки матриці, чутливі до певних квітам, в результаті і формують повноцінне зображення.

До речі, а що таке розмір матриці, якщо говорити про комп`ютери або ноутбуках? Все просто - так називається діагональ екрану.