Типы ЖК-дисплеев: технологии TN, IPS, VA - что выбрать?

В большинстве современных мониторов, телевизоров и ноутбуков используются жидко-кристаллические дисплеи - LCD (Liquid Crystal Display). 

(Сейчас также начинает распространяться принципиально иная технология - матрицы на органических светодиодах - OLED. Однако, на сегодня (2021 г.) она практически еще не применяется в ПК-мониторах, крайне редко встречается в ноутбуках - единичные элитные модели. Более распространены OLED-дисплеи во флагманских смартфонах. В любом случае, подавляющее большинство экранов компьютеров на сегодня - это конечно же ЖК (LCD).

Вопрос: Как работают любые экраны на жидких кристаллах (LCD-дисплеи)

Любые ЖК-дисплеи устроены похожим образом. 

Свет от ламп белой подсветки (⚠) проходит через нижний поляризационный фильтр, то есть на матрицу точек на жидких кристаллах попадает свет, поляризованный под определенным углом. 

ЖК-слой выступает в качестве затвора для светового потока. В зависимости от взаимного расположения кристаллов проходящий через них свет поляризуется или не поляризуется. 

При подключении тока к электродам конкретной точки меняется взаимное расположение кристаллов в ней. Это приводит к изменению плоскости поляризации света проходящего через эту точку на определенный угол. 

Два поляризационных фильтра - до и после слоя жидких кристаллов - имеют перпендикулярное по отношению друг к другу направление поляризации. Если нижний, входной слой пропускает свет, условно, с поляризацией 0°, то верхний, выходной - пропускает только свет, поляризованный на 90°. 

Соответственно, чтобы весь свет белой подсветки прошел через оба, жидкие кристаллы должны “повернуть” плоскость поляризации света на 90°, и весь свет пройдет через выходной фильтр - белая точка. 

Чем на больший угол (от 0° до 90°) повернута плоскость поляризации, тем светлее точка.

Цветовой фильтр выделяет из белого света одну компоненту  - Red (красную), Green (зеленую) и Blue (cинюю).  Каждый видимый RGB-пиксель, таким образом, состоит из трех ЖК-точек - субпикселей. Конечный цвет пикселя получается за счет соотношения интенсивности свечения R, G и B субпикселя. 

⚠ (Кстати, в старых мониторах использовались флуоресцентные лампы, а в современности применяют светодиодные - LED-подсветка, что часто и отмечено в спецификациях. Но здесь имеется в виду именно общая подсветка, источник белого света на задней панели матрицы. Весь этот световой поток и разбивается ЖК-матрицей на отдельные точки. 
И этот момент ни в коем случае нельзя путать с технологией OLED - там каждый субпиксель является конечным источником света,  фактически “лампочкой” на основе органического светодиода.)

LCD-матрицы TN, IPS или  VA - преимущества, недостатки, назначение

Система жидких кристаллов может быть организована различным образом: TN, IPS или  VA. Все эти технологии базируются на общих принципах работы ЖК-матрицы, описанных выше. Но реализуют их по разному. 

Эти различия в технологиях влияют на такие параметры как контрастность изображения, качество цветопередачи, скорость переключения пикселей, степень искажения изображения при различных углах обзора. 

Ну и, наконец, на себестоимость производства.

Соответственно, матрицы различных типов имеют ряд преимуществ и недостатков для отдельных типов профессиональных и развлекательных приложений. И этот момент надо учитывать, выбирая для себя монитор или ноутбук, в зависимости от того какие типы задач приоритетны конкретно для Вас.

TN

Этой технологии уже довольно много лет: TN+Film-матрицы были запатентованы еще в 1970 году. 

В TN (Twisted Nematic) если к точкам не прилагается напряжение (OFF), жидкие кристаллы поворачиваются друг относительно друга в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя прозрачными электродами. 

В результате происходит поляризация света на 90°, и световой поток проходит через выходной поляризационный фильтр. И если RGB-субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

Проблема в том, что на самом деле часть света в любом случае поляризуется недостаточно и фактически “белая” точка здесь - немного серая. Кроме того, точка выходит слишком “глубокой” - изображение сильно искажается при изменении угла обзора, особенно по по вертикали.

Достоинства TN:

• Самое малое время отклика среди современных матриц (уже меньше 1 мс). 
• Хорошее качество работы с черно-белым изображением, особенно c текстом и цифрами. 
• Невысокая себестоимость производства TN-матриц. 

Недостатки TN: 

• Низкая контрастность изображения 
• Худшая цветопередача
• Наименьшие углы обзора 
• Недокументируемый момент: на практике, у некоторых людей от такой матрицы начинают болеть глаза, но это сугубо индивидуально.

Основные предназначения TN-дисплеев: 

• Самые дешевые мониторы и ноутбуки.
• Маленькие мониторы (редко встретишь выше 24 дюйма) и мини-ноутбуки, бюджетные модели компактных ноутбуков c экранами до 14”. 
• Игровые мониторы - для высокодинамичных изображений. 
• Мониторы для работы с офисными пакетами, в особенности с текстовыми редакторами, в принципе, со средствами разработки программного кода IDE.
  Кстати, интересное замечание. В корпоративном сегменте, в большой рабочей комнате, хорошие углы обзора зачастую являются недостатком, а не преимуществом. Поэтому мы рекомендуем сохранять TN в офисах, благо они дают преимущество по работе с текстом и цифрами.

IPS

В 1996 году была разработана технология IPS (in-plane switching, вращение-в-плоскости), которая была призвана избавиться от недостатков TN.

Если к матрице IPS не приложено напряжение (OFF), молекулы жидких кристаллов не поворачиваются и поляризации света не происходит, свет не проходит через выходной поляризационный фильтр, образуется черная точка. 

При приложении напряжения (ON) молекулы жидких кристаллов поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению и поляризуют свет под нужным углом. (То есть схема построена с точностью наоборот по отношению к TN). 

Стоит отметить, что на рынке представлено около 7 вариантов IPS, отличающихся качеством изображения и назначения, но производители практически никогда не указывают, какая именно у них вариация. 
Само название технологии (in-plane switching), означает, что геометрия расположения кристаллов и их вращения, можно сказать, «более плоская», чем у TN. Вследствие этого, углы обзора IPS традиционно лучше.

В свое время IPS мониторы были «медленные». Время отклика составляло 25 мс, и когда дошло до 8 мс, это уже воспринималось как прорыв. Сейчас технологические проблемы уже решены и на рынок выплеснулась волна быстрых IPS, с откликом до 1 мс, фактически не уступающим по этому параметру TN. 

Да и цена таких матриц из-за массовизации производства стала намного более щадящей.

Достоинства IPS:

• Высокая контрастность, почти идеальный черный цвет.
• Лучшая цветопередача, высокий цветовой охват.
• Лучшие, самые высокие углы обзора, в том числе и по горизонтали.
• В современности - нормальная скорость переключения пикселей.

Недостатки IPS

• Недостаточная скорость переключения в дешевых IPS-матрицах.
• В среднем, более высокая стоимостью.

Основные предназначения для IPS-дисплеев: 

• На сегодня IPS, фактически, универсальны
• Особый акцент на работу с изображениями вследствие наилучшей цветопередачи. Практически 100% профессиональных мониторов для дизайнеров оборудуются именно IPS .
• Поскольку решены проблемы со временем отклика, то эти мониторы также активно внедряются и в игровой сегмент.
• Из-за высоких углов обзора хороши в качестве телевизора или экрана ноутбука при просмотре видео более чем одним человеком, когда зрители смотрят на экран с разных углов.

VA / MVA/ *VA

Технология VA (vertical alignment, вертикальное выравнивание) была представлена также в 1996 году компанией Fujitsu. Наследницей технологии VA стала технология MVA (multi-domain vertical alignment), разработанная компанией Fujitsu как компромисс между TN- и IPS-технологиями. Поскольку сейчас есть целый ряд вариаций, то мы чаще всего используем название для технологии *VA, или просто VA.

Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении (OFF) выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет, как и в IPS - точка черная. 

При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. 

Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют до 176°—178°, при этом, благодаря использованию технологий ускорения (RTC), эти матрицы практически не отстают от TN по времени отклика. Они значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

Достоинством технологии VA является глубокий чёрный цвет, яркие и насыщенные цвета.
Недостатки VA в сравнении с IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения.

Фактически, VA – наиболее «консьюмерская» технология - наиболее сочная, яркая картинка и высокая скорость срабатывания для динамичных видео и игр.

Основные предназначения для VA-дисплеев: 

• Просмотр видео - такие мониторы дают сочную красивую картинку
• Обработка фотографий, контент для Instagram и прочих. соцсетей.
• Игры. Мы провели бы такое разделение: для шутров и симуляторов, там где главнее процесс, а не эстетическое удовольствие, – скорее TN. Для бродилок, ролевых, “красивых” игр - VA. А IPS - для стратегий и смешанных жанров.