Матрицы - что такое? Типы матриц

Сегодня уже практически невозможно найти человека, который бы до сих пор пользовался ЭЛТ-монитором или старым кинескопным телевизором. Эту технику быстро и успешно вытеснили ЖК-модели, в основе которых лежат жидкие кристаллы. Но не менее важны матрицы. Что такое жидкие кристаллы и матрицы? Все это вы узнаете из нашей статьи.

Предыстория

Впервые о жидких кристаллах мир узнал в 1888 году, когда известный ботаник Фридрих Райнитцер обнаружил существование странных веществ в растениях. Его изумило, что некоторые вещества, изначально обладающие кристаллическим строением, при нагревании полностью изменяют свои свойства.

Так, при температуре в 178 градусов Цельсия вещество это сначала мутнело, а затем и вовсе превращалось в жидкость. Но открытия на этом не закончились. Выяснилось, что странная жидкость в электромагнитном отношении проявляет себя как кристалл. Именно тогда появился термин «жидкий кристалл».

Принцип работы ЖК-матриц

На этом и основана работа матрицы. Что такое матрица? Это многозначный термин. Одно из его значений - дисплей ноутбука, ЖК-монитор или экран современного телевизора. Сейчас мы узнаем, на чем основан принцип их работы.

А зиждется он на обычной поляризации света. Если вы помните школьный курс физики, то там как раз рассказывается о том, что некоторые вещества способны пропускать свет только одного спектра. Именно поэтому два поляризатора под углом 90 градусов вообще могут не пропускать свет. В случае, когда между ними расположено какое-то устройство, которое может свет поворачивать, мы получим возможность регулировать яркость свечения и прочие параметры. В общем-то, это и есть простейшая матрица.

Упрощенное устройство матриц

Обычный ЖК-дисплей всегда будет состоять из нескольких постоянных частей:

• Лампы подсветки.
• Отражатели, которые обеспечивают равномерность упомянутой выше подсветки.
• Поляризаторы.
• Подложка из стекла, на которую нанесены проводящие контакты.
• Некоторое количество пресловутых жидких кристаллов.
• Еще один поляризатор и подложка.

Каждый пиксель такой матрицы формируется из красной, зелёной и синей точек, комбинация которых позволяет получать любой из имеющихся цветов. Если включить все одновременно, в результате получается белый. Кстати, а что такое разрешение матрицы? Это количество пикселей на ней (1280х1024, к примеру).

Какие бывают матрицы?

Если упрощенно, то они бывают пассивные (простые) и активные. Пассивные – самые простые, в них пиксели срабатывают последовательно, от строки к строке. Соответственно, при попытках наладить производство дисплеев с большой диагональю выяснилось, что приходится несоразмерно увеличивать длину проводников. В результате не только значительно повышалась стоимость, но и увеличивалось напряжение, что приводило к резкому росту числа помех. А потому пассивные матрицы могут быть использованы только лишь при производстве недорогих мониторов с небольшой диагональю.

Активные разновидности мониторов, TFT, позволяют управлять каждым (!) из миллионов пикселей по отдельности. Дело в том, что каждым пикселем управляет отдельный транзистор. Чтобы ячейка преждевременно не теряла заряд, к ней добавляют отдельный конденсатор. Разумеется, за счет подобной схемы удалось многократно уменьшить время отклика каждого пикселя.

Математическое обоснование

В математике матрицей называется объект, записанный в виде таблицы, элементы которой находятся на пересечении ее строк и столбцов. Нужно отметить, что матрицы вообще широко используются в компьютерах. Тот же дисплей можно трактовать как матрицу. Поскольку каждый пиксель обладает определенными координатами. Таким образом, любое изображение, которое образуется на дисплее ноутбука, есть матрица, в ячейках которой содержатся цвета каждого пикселя.

Каждое значение занимает ровно 1 байт памяти. Немного? Увы, но даже в этом случае один только кадр FullHD (1920×1080) будет занимать пару Мб. А сколько места потребуется для фильма на 90 минут? Именно поэтому изображение сжимают. Огромное значение при этом имеет определитель.

Кстати, а что такое определитель матрицы? Это многочлен, комбинирующий элементы квадратной матрицы таким образом, что его значение сохраняется при транспонировании и линейных комбинациях строк или столбцов. Под матрицей в этом случае понимается математическое выражение, описывающее расположение пикселей, в котором закодированы их цвета. Квадратной она называется потому, что число строк и столбцов в ней одинаково.

Почему это так важно? Дело в том, что при кодировании используется преобразование Хаара. По сути, преобразование Хаара — это поворот точек таким образом, чтобы их можно было удобно и компактно закодировать. В результате получается ортогональная матрица, для декодирования которой как раз используется определитель.

Сейчас мы рассмотрим основные типы матрицы (что такое сама матрица, мы уже выяснили).

TN+film

Одна из наиболее дешевых и распространенных сегодня моделей дисплеев. Отличается сравнительно быстрым временем отклика, но довольно плохой цветопередачей. Проблема в том, что кристаллы в этой матрице расположены так, что углы обзора получаются незначительными. Чтобы бороться с этим явлением, была разработана специальная пленка, которая позволяет несколько расширить углы обзора.

Кристаллы в этой матрице выстроены в колонну, тем самым напоминая солдат на параде. Кристаллы скручены в спираль, благодаря чему идеально плотно цепляются друг за друга. Чтобы слои хорошо прилегали к подложкам, на поверхности последних делаются специальные выемки.

К каждому кристаллу подведен электрод, регулирующий напряжение на нем. Если напряжения нет, то кристаллы поворачиваются на 90 градусов, в результате чего свет свободно проходит через них. Получается обычный белый пиксель матрицы. Что такое красный или зеленый цвет? Как он получается?

Как только подается напряжение, спираль сжимается, причем степень сжатия напрямую зависит от силы тока. Если значение максимальное, то кристаллы вообще перестают пропускать свет, в результате чего получается черный фон. Чтобы получить серый цвет и его оттенки, положение кристаллов в спирали регулируется так, чтобы некоторое количество света они пропускали.

Кстати, по умолчанию в этих матрицах всегда активированы все цвета, в результате чего пиксель белый. Именно поэтому так легко определить сгоревший пиксель, который всегда проявляется в виде яркой точки на мониторе. Учитывая, что с цветопередачей у матриц этого типа всегда проблемы, очень сложно добиться также отображения черного цвета.

Чтобы хоть как-то исправить положение, инженеры расположили кристаллы под углом 210°, в результате чего качество цветопередачи и время отклика возросли. Но и в этом случае не обошлось без накладок: в отличие от классических TN-матриц, возникла проблема с оттенками белого, цвета получались размытыми. Так появилась технология DSTN. Суть ее в том, что дисплей делится на две половины, каждая из которых управляется по отдельности. Качество отображения резко улучшилось, но вырос вес и стоимость мониторов.

Вот что такое матрица в ноутбуке TN+film типа.

S-IPS

Компания Hitachi, как следует намучившись с недостатками предыдущей технологии, решила больше не пытаться усовершенствовать ее, а попросту изобретать что-то кардинально новое. Тем более что Гюнтер Баур в 1971 году выяснил, что кристаллы можно располагать не в виде скрученных колонн, а укладывать параллельно друг другу на стеклянную подложку. Разумеется, в этом случае туда же крепятся передающие электроды.

Если на первом поляризационном фильтре нет напряжения, свет свободно проходит через него, но задерживается на второй подложке, плоскость поляризации которой всегда расположена под углом 90 градусов по отношении к первой. За счет этого не только резко увеличивается скорость срабатывания монитора, но и черный цвет - действительно черный, а не вариация темно-серого оттенка. Кроме того, большим достоинством являются развернутые углы обзора.

Недостатки технологии

Увы, но на поворот кристаллов, которые расположены параллельно друг другу, требуется намного больше времени. А потому и время отклика на старых моделях достигало поистине циклопического значения, 35-25 мс! Порой можно было наблюдать даже шлейф от курсора, а уж про динамичные сцены в игрушках и фильмах пользователям лучше было забыть.

Так как электроды расположены на одной подложке, требуется намного больше электроэнергии для разворота кристаллов в требуемом направлении. А потому все мониторы на основе IPS-матриц редко получают звезду Energy Star за экономичность. Разумеется, для подсветки подложки также требуется применять более мощные лампы, а это никак не улучшает ситуацию с повышенным потреблением электроэнергии.

Технологичность изготовления таких матриц высока, а потому до недавнего времени они были очень и очень недешевыми. Словом, со всеми достоинствами и недостатками, такие мониторы прекрасно подходят для дизайнеров: качество цветопередачи у них превосходное, а временем отклика в некоторых случаях можно пожертвовать.

Вот что такое IPS-матрица.

MVA/PVA

Так как у обоих вышеописанных типов матриц есть недостатки, которые устранить фактически невозможно, в Fujitsu была разработана новая технология. Фактически MVA/PVA является доработанной версией IPS. Главное отличие – электроды. Они располагаются на второй подложке в виде своеобразных треугольников. Такое решение позволяет быстрее реагировать кристаллам на изменение напряжения, а цветопередача становится намного качественнее.

Фотоаппараты

А что такое матрица в фотоаппарате? В этом случае так называется кристалл проводника, который также известен под названием прибора с зарядовой связью (ПЗС). Чем в матрице фотоаппарата больше ячеек, тем она лучше. Когда затвор камеры открывается, через матрицу проходит поток электронов: чем их больше, тем возникающий ток сильнее. Соответственно, в темных частях тока не образуется. Участки матрицы, чувствительные к определенным цветам, в результате и формируют полноценное изображение.

Кстати, а что такое размер матрицы, если говорить о компьютерах или ноутбуках? Все просто – так называется диагональ экрана.