آناتومي گجت: مانيتور و هرآنچه درباره آن بدانيد
مطلب حاضر دربارهي قطعهاي الكترونيكي است كه اكنون شما به آن نگاه ميكنيد. قطعهاي كه شايد روي ميز، روي ديوار، چسبيده به كيبورد يا در دستان شما قرار داشته باشد. مانيتور يا نمايشگر از ميليونها قطعه تشكيل ميشود؛ اما ما بهعنوان متخصصان نهايي تنها به يكي از آنها نگاه ميكنيم. قطعهاي كه برخي اوقات رنگ سياه به خود ميگيرد و برخي اوقات، تركيبي از هزاران يا ميليونها رنگ را نمايش ميدهد. نمايشگرها برخلاف قطعات ديگر كامپيوتر مانند پردازنده مركزي و گرافيكي، توجه زيادي را ازسوي متخصصان و حتي رسانههاي سختافزاري دريافت نميكنند؛ اما اهميت بسيار بالايي در دنياي پردازش دارند.
تقريبا تمامي دستگاههاي پردازشي براي كاركرد نهايي خود به مانيتور نياز دارند. درنتيجه قطعا بايد شاهد ساختاري پيچيده و حرفهاي در داخل آنها باشيم. براي درك اين ساختار پيچيده، راهي به جز كالبدشكافي نمايشگر نداريم. با اخبار تخصصي، علمي، تكنولوژيكي، فناوري مرجع متخصصين ايران همراه باشيد تا يكي ديگر از تجهيزات مهم و حياتي دنياي كامپيوتر شخصي را با هم مطالعه كنيم.
تصويري با هزاران معني
نمايي بصري از خروجي سيستم پردازشي، الماني حياتي براي كل ساختار پردازش محسوب ميشود. ما امروز در محاصرهي همين خروجيها قرار داريم. نمايشگرهايي كه به كامپيوتر روميزي، لپتاپ، تبلت و موبايلهاي هوشمند متصل هستند، ما را احاطه كردهاند. در دنياي امروز، تلويزيونها هم حتي حكم كامپيوتر دارند و خروجي پردازشي را به ما نشان ميدهند. مرسومترين فناوري كه در تمامي اين دستگاهها استفاده ميشود، نمايشگر كريستال مايع (Liquid Crystal Display) يا همان LCD است. تقريبا تمامي مانيتورهاي كامپيوتر شخصي، يك LCD دارند.
مانيتوري كه در اين مطلب مطالعه شده است، Hewlett Packard LA2306x است كه در سال ۲۰۱۲ به بازار عرضه شد. نمايشگر مذكور در زمان خود يكي از محصولات ردهبالاي اداري بود؛ اما متخصصد گيمينگ زيادي نداشت. در مانيتور حاضر مانند تمامي نمايشگرها، شاهد سطرها و ستونهايي از نقطههاي رنگي هستيم كه به پيكسل شناخته ميشوند. اين نقطهها چندين بار در ثانيه تغيير رنگ ميدهند و تركيب آنها، خروجي روان تصوير را از كامپيوتر بههمراه دارد.
تعريف دقيقتر نمايشگر كامپيوتري، دستهبندي آنها را بهصورت twisted nematic, thin film transistor, liquid crystal display يا TN TFT-LCD تفسير ميكند. البته نگران اين نامگذاريها و پيچيدگيهاي مرتبط نباشيد. تنها اطلاعاتي كه فعلا نياز داريم اين است كه با مانيتور ۲۳ اينچي (ابعاد قطري از گوشه تا موبايل) روبهرو هستيم كه پيكسلها با ۱۹۲۰ ستون و ۱۰۸۰ سطر در آن قرار گرفتهاند (كه بهعنوان رزولوشن مانيتور شناخته ميشوند). اين نوع از نمايشگر به منبع نوري نياز دارد تا پيكسلها را قابل ديدن بكند. نمايشگر مورد آزمايش، از رديف LED سفيد در پايين يونيت بهره ميبرد.
پنلهاي TFT LCD بهقدري پركاربرد هستند كه توليدكنندهها در سرتاسر جهان (اغلب در چين و تايوان فعال هستند) روزانه هزاران قطعه از آنها را توليد ميكنند. اين نمايشگرها در سه دستهي اصلي TN و IPS و VA يا Twisted nematic و In-plane swithcing و Vertical alignment قرار ميگيرند. براي اطلاعات بيشتر ميتوانيد به مقاله مقايسهي پنلهاي TN، VA و IPS مراجعه كنيد. مانيتور مورد مطالعه از پنل TN استفاده ميكند كه بهخاطر ارزان بودن، در بسياري از محصولات بازار ديده ميشود.
مانيتور HP حاضر در اين مقاله ضخامتي كمتر از ۵۰ ميليمتر دارد. البته قطعا مانيتورهاي امروزي با ضخامت بسيار پايينتر در بازار وجود دارند. در نگاهي به پنل پشتي و پس از بازكردن پايه، مجموعهاي از برچسبها را در محصول HP ميبينيم كه نشاندهندهي هماهنگي آن با استانداردهاي صنعتي الكترونيكي و زيستمحيطي هستند. نكتهي مهم اينكه سوراخهاي اتصال در پشت مانيتور، فاصلهي ۱۰۰ ميليمتري دارند تا با استاندارد انجمن VESA براي اتصال به پايهها يا صفحههاي ديواري طراحي شدهاند.
سوراخهاي جريان هوايي كه در پنل پشتي ميبينيد، جزو استاندارد صنعتي هستند. مانيتورها توان مصرفي بالايي ندارند (حداكثر ۴۲ وات)؛ اما گرم شدن حدودي آنها هم ميتواند خطرهايي جدي براي پنل LCD ايجاد كند. در سمت چپ پنل پشتي، ورودي منبع تغذيهي AC ديده ميشود و وروديهاي تصوير نيز در سمت راست قرار دارند.
مانيتور مورد مطالعه از سه نوع اتصال و روشهاي سيگنالدهي تصويري همراهي ميكند. از سمت چپ به راست، پورتهاي DisplayPort v1.2 و DVI-D dual link و VGA را مشاهده ميكنيد. سوكت USB در سمت راست نيز براي انتقال تصوير ويديويي نيست. اين سوكت براي اتصال دو پورت جانبي USB استفاده ميشود كه در مانيتور قرار دارند.
چه تفاوتي بين سه درگاه ورودي مانيتور وجود دارد؟
ورودي VGA را ميتوان ورودي كاملا آنالوگ دانست. به بيان ديگر، اطلاعات دربارهي رنگ هريك از پيكسلها، ازطريق پنج ولتاژ مجزا براي نمايش به نمايشگر ارسال ميشود. درنتيجه اطلاعات ازلحاظ سرعت ممكن براي تغيير كردن و دقت، محدود خواهند بود. درنهايت، مجموع تعداد پيكسلهايي كه رنگآميزي ميشوند و فركانس بهروزرساني نمايشگر هم تفاوت پيدا ميكند.
وروديهاي ديگر مانيتور يعني DisplayPort و DVI-D كاملا ديجيتال هستند. درنتيجه از پيكسلهاي بيشتري همراهي ميكنند و اطلاعات آنها هم با فركانس بالاتري بهروزرساني ميشود. بهخاطر استفاده از سيگنال ديجيتال، دادهها امكان فشرده شدن هم دارند و ميتوان دادههاي بيشتري را در زمان مشخص ارسال كرد. همچنين در ساختار ديجيتال امكان رمزنگاري دادهها براي امنيت بيشتر هم فراهم ميشود. از مزيتهاي ديگر ساختار ديجيتال ميتوان به امكان استفاده از فرمتهاي رنگي بيشتر اشاره كرد.
استفاد از پورتهاي گوناگون در مانيتوري كه در مطلب حاضر مطالعه ميشود، در عمل تفاوت چنداني ايجاد نميكند. درواقع فركانس بهروزرساني تصوير و تعداد پيكسلها كاملا در محدودهي همراهي هر سه اتصال قرار دارد. ازطرفي محصول HP كمي هم با محصولات همرده تفاوت دارد. اغلب مانيتورها در آن زمان پورت HDMI را هم به متخصص ارائه ميكردند. درواقع پورتهاي HDMI و ديسپليپورت ديگر به استانداردي در نمايشگرهاي كامپيوتر شخصي تبديل شده بودند.
آيا تفاوتي بين ديسپلي پورت و HDMI وجود دارد؟ قطعا بله؛ اما اغلب متخصصان تفاوت چنداني بين آنها احساس نميكنند. جديدترين نسخه از استاندارد ديسپليپورت (DisplayPort 2.0) اكنون توسعه يافته است؛ اما هيج كارت گرافيكي هنوز از آن همراهي نميكند و اغلب محصولات، محدود به نسخهي 1.4a هستند. آخرين نسخهي ديسپليپورت در مقايسه با آخرين نسخهي HDMI يعني 2.0b، از رزولوشن بالاتر و فركانس بهروزرساني سريعتر و كيفيت رنگ بهتر بهره ميبرد. البته منظور برتري، در رزولوشنهاي بسيار حرفهاي همچون 8K ديده ميشود. درنتيجه اغلب متخصصان درك يا متخصصدي از آن نخواهند داشت.
قدرت و كنترل كامل
اكنون نوبت آن رسيده است تا نگاهي به داخل مانيتور داشته باشيم و بهمعناي واقعي آناتومي گجت را مطالعه كنيم. براي رسيدن به تصوير پايين، بهجز بازكردن پنل مانيتور بايد لايههاي محافظتي متعددي هم برداشته ميشدند.
پنل LCD روي همهي قطعات قرار دارد. براي مشاهدهي قطعات الكترونيكي ديگر بايد ابتدا آن را برداريد. برد مداري كه در سمت راست مشاهده ميكنيد، ورودي اصلي برق را دريافت كرده و آن را به بازهاي از ولتاژهاي پايين جريان مستقيم تبديل ميكند. كابلي كه در سمت راست قرار دارد، وظيفهي تأمين برق نمايشگر را برعهده ميگيرد و كابلهاي كوچكتر، متخصصد كنترل عملكرد با دكمههاي روي پنل را دارند.
با نگاهي عميقتر به برد مداري موجود در مانيتور، متوجه شباهت آن با بردهاي موجود در منبع تغذيه ميشويم. البته همانطور كه ميدانيم اين برد هم عملكرد مشابهي دارد. برد اضافهاي كه در بالاي تصوير فوق ميبينيد، وظيفهي تأمين نيرو و كنترل قطعات الكترونيكي نمايشگر را برعهده دارد.
بياييد نگاهي عميقتر به اين بخش از آناتومي مانيتور داشته باشيم.
در تصوير برد مداري اصلي، اتصالهاي ورودي تصوير را در بالا ميبينيم و وروديهاي نيرو و كنترل در سمت راست قرار دارند. خروجي كه به پنل LCD متصل ميشود هم در پايين برد قرار دارد. در سمت چپ هم بخش اتصال به پورتهاي USB اضافه را مشاهده ميكنيد.
تراشهي بزرگي كه در وسط برد بالا قرار دارد، بهنام درايور MStar Semiconductor مخصوص نمايشگر LCD شناخته ميشود. تراشهي مذكور، خروجي سيگنال تصويري را از كامپيوتر ميگيرد و مديريت زمان و چگونگي فعال كردن همهي پيكسلهاي موجود در پنل را برعهده دارد. هر مانيتوري يكي از اين تراشهها دارد كه در برخي نمونهها پيچيدهتر است.
يكي از مهمترين جنبههاي عملكردي تراشهي اصلي مانيتور بهنان pixel clock شناخته ميشود. به بيان ساده، كلاك پيكسل مشخص ميكند كه در هر ثانيه، چه تعداد پيكسل مديريت و تنظيم شوند. در مانيتور موجود، كلاك پيكسل برابر با ۱۶۵ مگاهرتز براي ورودي ديجيتال و ۲۰۰ مگاهرتز براي سيگنال آنالوگ گزارش ميشود. همانطور كه گفته شد، پنل مانيتور رزولوشن 1920x1080 دارد يعني ۲،۰۷۳،۳۰۰ پيكسل در آن ديده ميشود. با سرعت كلاك ۱۶۵ مگاهرتز، پيكسلها حداكثر در هر ثانيه حداكثر ۷۹/۶ مرتبه بهروزرساني ميشوند.
اكثر مانيتورها براي حفاظت از تراشهي اصلي و پايين نگه داشتن سطح گرما، در سرعت كلاك پايينتر از حداكثر عمل ميكنند. مانيتور HP مورد آزمايش، بهصورت معمول فركانس ۱۲۴ مگاهرتز دارد. نمايشگرهايي كه پيكسلهاي بيشتري دارند، به سرعتهاي بيشتر هم نياز پيدا ميكنند. بهعنوان مثال در مانيتور 4K بزرگ، كلاك پيكسل به ۵۰۰ مگاهرتز يا حتي بيشتر ميرسد.
اكنون كه با مفهوم كلي كلاك پيكسل آشنا شديد، بهتر است مفهومي بهنام نرخ نوسازي يا refresh rate را هم توضيح دهيم. پيش از اينكه پنلهاي LCD به استاندارد دنياي نمايشگرها تبديل شوند، CRT يا لامپ پرتوي كاتدي در نمايشگرها استفاده ميشد. اين لامپها پرتو الكتروني را به لايهاي از ماده ميتابانند كه در زمان برخورد پرتو، روشن ميشود.
اكثر لامپهاي CRT، اشعه را از بالا و سمت چپ نمايشگر شروع ميكنند. سپس مسير سطري طي شده و با زاويهي كوچك، برگشت داده ميشود. درنهايت الگويي موسوم به raster scan طي ميشود. به محض اينكه الگوي حركتي به پايان ميرسد، اشعه غيرفعال ميشود و مجددا به نقطهي شروع باز ميگردد. مسير بازگشتي بهنام vertical retrace يا refresh شناخته شده و در بازهي زماني بازگشت، تصوير نمايشگر محو ميشد. متخصص مانيتور، لرزش كوتاه را حس ميكرد چون بسياري از نوسازيهاي عمودي در عرض يك ثانيه رخ ميداد.
پنلهاي LCD عملكردي كاملا متفاوت نسبت به مانيتورهاي قديمي CRT دارند و طبق تعريف و ساختار بالا محو نميشوند. البته فرايند شكلدهي به تصوير در آنها روندي مشابه را تكرار ميكند. قطعا چشمك زدن پنل LCD بهاندازهي مانيتور CRT قابل احساس نيست؛ اما افزايش فركانس، هميشه به بهبود تجربهي متخصص ميانجامد.
بهخاطر اهميت نرخ نوسازي در تجربهي متخصص، مشخصات همهي نمايشگرها شامل بخشي بهنام نرخ نوسازي عمودي ميشود كه اغلب آن را با عبارت سادهتر نرخ نوسازي يا refresh rate مخصوص هر رزولوشن ميبينيم. هرچه تعداد پيكسلها كمتر باشد، پنل براي نوسازي تصوير به زمان كمتري نياز پيدا ميكند. به همين دليل، در مانتيورهايي با رزولوشن پايينتر، نسبت به رزولوشنهاي عظيم همچون 4K، نرخ نوسازي بالاتري را مشاهده ميكنيم.
در اغلب موارد، نرخ نوسازي براي رزولوشن بهصورت ثابت ديده ميشود؛ اما بسياري از مانيتورهاي جديد، نرخ نوسازي متغير (VRR) دارند. در اين محصولات، تراشهي درايور نمايشگر بهكمك كمي حافظهي DRAM، براساس خروجي كارت گرافيك، نرخ نوسازي را تنظيم ميكند و تغيير ميدهد. فناوري مذكور بايد در هر دو بخش نمايشگر و پردازندهي گرافيكي همراهي شود. دو غول اصلي دنياي گرافيك يعني انويديا و AMD، فناوريهاي اختصاصي را براي نرخ نوسازي متغير عرضه كردهاند: G-Sync و FreeSync.
نرخ نوسازي در مانيتورها تأثير زيادي روي كيفيت خروجي دارد
چرا به هماهنگي كارت گرافيك و مانيتور نياز داريم؟ اگر زمانيكه كارت گرافيك تصاوير جديد را ارسال ميكند، مانيتور مشغول رندر كردن تصويري ديگر باشد، شاهد پاره شدن (Tearing) تصوير خواهيم بود كه بههيچوجه جلوهي زيبايي ندارد. با هماهنگ شدن نرخ نوسازي تصوير بين نمايشگر و كارت گرافيك، چنين رخدادي پيش نميآيد و مانيتور هميشه تصوير جديد دريافت ميكند. تنها نقطهي ضعف VRR اين است كه احتمالا از زمان رندر شدن تصوير تا نمايش روي نمايشگر با كمي تأخير روبهرو خواهيم شد. بههمين دليل VRR تنها براي بازهي كوچكي از نرخهاي نوسازي اجرا ميشود.
نكتهي قابلتوج در VRR اينكه انويديا براي فناوري G-Sync از متخصصان ميخواهد كه تنها از پورتهاي ديسپليپورت براي تقريبا تمامي مانيتورها استفاده كنند. البته استثناءهايي جزئي هم ديده ميشود. درمقابل، فناوري FreeSync كمي بازتر بهانديشه متخصصين ميرسد و براي بسياري از مانيتورها، هر دو پورت HDMI و DisplayPort را همراهي ميكند.
اكنون و پس از آشنايي كلي با فرايندهاي نوسازي، نگاه به آناتومي مانيتور را ادامه ميدهيم. صفحهي LCD كه در تصوير پايين ميبينيد، درواقع پنل نمايشگر لپتاپ است؛ اما تفاوت زيادي با پنلهاي موجود در نمايشگرهاي مرسوم ندارد. تنها تفاوت آنها را ميتوان در محل قرارگيري بخشهاي الكترونيكي مشاهده كرد. در تصوير زير، نمايش جلو و پشت پنل را مشاهده ميكنيد.
نماي جلو پنل LCD
نماي پشت پنل LCD
با دقت به پشت پنل LCD متوجه ميشويم كه اين پنل در شركت سامسونگ ساخته شده است. مشخصات جزئي هم نشان ميدهد كه با پنل TFT روبهرو هستيم و در زير فيلم محافظ نيز تراشهي درايور نمايشگر ديده ميشود. پنل مورد مطالعه معيوب است و كالبدشكافي عميقتر آن اشمالي ايجاد نميكند. در تصوير زير، پس از برداشتن فيلم محافظ تراشه، جزئيات برد را بهتر مشاهده ميكنيد.
با نگاه عميقتر به برد و تراشه، برند آن يعني WiseView را مشاهده ميكنيم؛ البته همانطور كه گفته شد، پنل و تراشههاي آن در سامسونگ ساخته ميشوند. در تصوير بالا، بهجز ورودي سيگنال كه پنل را به لپ تاپ متصل ميكند (در سمت راست درايور)، سيمهاي متعددي هم وجود دارند كه تراشه را به نمايشگر وصل ميكنند. در سمت چپ و پايين تراشه، سوكت فلزي را مشاهده ميكنيم كه براي انتقل قدرت به برد الكترونيكي استفاده ميشود.
تابش نور به پنل نمايشگر
پنل لپتاپي كه براي مطالعهي بخش دوم مطالعه ميشود، عمري نزديك به مانيتور HP مورد مطالعه دارد. البته بخشهايي در طراحي آن ديده ميشوند كه عمر بالاتر را نشان ميدهند. در اين پنل بهجاي استفاده از ديودهاي LED براي ايجاد نور پسزمينه، از لامپ فلورسنت پرتوي كاتدي (CCFL) استفاده ميشود كه در پايين پنل قرار دارد.
براي مطالعه عميقتر لامپ كاتدي، بايد آن را از بخش پايين پنل جدا كنيم. اين لامپها هزينهي توليد پايينتري نسبت به LED دارند؛ اما بازدهي آنها نيز پايينتر است. نوري كه با لامپهاي كاتدي تابانده ميشود هم به اندازهي LEDها كيفيت ندارد.
اشعههاي نور خورشيد، كل طيف رنگي را پوشش ميدهند. با وجود اينكه همهي نورها به يك اندازه پوشش داده نميشوند؛ اما بههرحال همگي در ميان نور تابيدهشده از خورشيد وجود دارند و نور موسوم به «نور سفيد» را ايجاد ميكنند. لامپ فلورسنت با وجود ظاهر مشابه با نور خورشيد، برخي از رنگها را بسيار قويتر ايجاد ميكند و ساير آنها در سطوحي ضعيفتر توليد ميشوند. اگر بخواهيم تصوير موجود در مانيتور تا حد امكان طبيعي بهانديشه متخصصين برسد، بايد ضعيف بودن برخي از پرتوهاي نوري را در انديشه متخصصين بگيريم و تصوير نمايش داده شده را تنظيم كنيم.
اگر در پنلهاي نمايشگر از LED براي تاباندن نور اصلي استفاده كنيم، اشكال تنظيم كردن نورها از بين ميرود. لامپهاي LED توانايي توليد پرتوهاي نوري را دارند كه شباهت و نزديكي زيادي به نور خورشيد خواهند داشت. شركتهايي همچون توشيبا، سرمايهگذاريهاي عظيمي انجام دادهاند تا لامپهاي LED را با نزديكترين مشخصات به نور خورشيد توليد كنند؛ اما هنوز تا عرضهي عمومي و تجاري آنها فاصلهي زيادي در پيش داريم.
منبع نوري مانيتور، روشنايي كلي پنل نمايشگر را هم تنظيم ميكند كه اغلب با واحدي بهنام نيت اندازهگيري ميشود. البته در استاندارد اندازهگيري SI از واحدي موسوم به cd/m2 استفاده ميشود؛ اما هر دو واحد، مقداري برابر دارند يعني هر يك نيت با يك cd/m2 برابر ميشود. مانيتور HP مورد آزمايش، حداكثر روشنايي ۲۵۰ نيت دارد كه باتوجهبه عمرش، مقدار قابلقبولي به شمار ميرود. پنل لپتاپي سامسونگ نيز روشنايي ۱۸۵ نيت دارد.
مقادير بالاتر روشنايي، بهمعناي بهتر بودن بازهي كنتراست بين نور روشن و تيره خواهد بود. درنتيجه براي محصولات جديدتر با كيفيت بالاتر، به حداكثر روشنايي بيشتري نياز داريم. بهعنوان مثال براي ارائهي فناوريهاي حرفهاي همچون HDR، به حداكثر روشنايي هزار نيت يا بالاتر نياز پيدا خواهيم كرد.
اكثر مانيتورها و تلويزيونهاي LCD امكان تنظيم دماي تصوير را نيز به متخصص ميدهند. البته فراموش نكنيد كه با تنظيم اين دما، قطعا اتفاقي در خود پنل ازلحاظ سرما يا گرما رخ نميدهد! درواقع با تنظيم دماي نور، شما چگونگي و ظاهر نور خورشيد را در ساعتهاي متفاوت روز، كپي و شبيهسازي ميكنيد. بخش دما، مرتبط با اين حقيقت ميشود كه سطح خورشيد براي رسيدن به چنين نوري، بايد چه مقدار گرم يا سرد باشد.
با استفاده از LED ميتوان دماي نور را بهتر تنظيم كرد. البته نوع LED مورد استفاده در پنل نمايشگر هم تأثير زيادي بر عملكرد و خروجي در بخش دماي نور دارد. صرفانديشه متخصصين از نوع نور پسزمينه كه براي پنل LCD استفاده ميشود، درنهايت بايد نور در كل نمايشگر توزيع شود. در پنل لپتاپي مورد مطالعه، براي پخش كردن نور در همهي بخشهاي نمايشگر، از لايهي ضخيمي از پليمر بهنام صفحهي هدايت نور (Light Guide Plate) استفاده ميشود.
پس از حذف تمامي لايههاي محافظ و پوششها از پنل، ميتوانيم ساختار داخلي آن را بهتر مشاهده كنيم. لايهي بالايي در تصوير بالا، پشت نمايشگر را نشان ميدهد كه عموما با يك لايهي پلاستيك سفيد پوشيده ميشود. لايهي پليمري كه براي پخش كردن نور در سطح پنل متخصصد دارد، تقريبا نيمي از ضخامت كل پنل را اشغال ميكند.
لايهي پاييني، همان نمايشگر كريستالي است. در بخشهاي مياني نيز صفحههاي متعددي از جنس مواد گوناگون را مشاهده ميكنيم. صفحهها وظيفهي پخش كردن بيشتر نور را برعهده دارند. هر صفحه، نوري كه توسط لايهي پليمري پخش شده بود را بيشتر پخش ميكند. در مجموع، علاوه بر لايهي پليمري، سه لايهي ديگر براي پخش كردن نور استفاده ميشوند.
درنهايت، كل نور پخششده و شكستهشده به لايههاي خارجي نمايشگر LCD ميرسد. لايههاي خارجي، تركيبي از مواد و بخشهاي متنوع هستند. لايهي اولي با ضخامت بسيار پايين از جنس شيشه است و وظيفهي قطبي كردن نور تابانده شده از CCFL يا LED را برعهده دارد.
قطبي كردن، امواج را مجبور ميكند تا محدود به صفحهي لرزش (صفحهي قطبيت)، حركت كنند. تصوير متحرك زير، نمايي تصويري از شكست و بازتاب پرتوها را نشان ميدهد. البته اين تصوير، نمايي واقعي از رخدادهاي پيشآمده در مانتيور را نمايش نميدهد.
لايهي پاياني LCD نيز از جنس شيشه است و نور را قطبي ميكند. صفحهي قطبيت يا لرزش لايههاي بيروني و داخلي، زاويهي ۹۰ درجه را با هم تشكيل ميدهند. بهصورت عادي، اين پيكربندي باعث ميشود تا نور امكان عبور از پنل را نداشته باشد و تقريبا با صفحهاي سياه روبهرو باشيم.
در بين دو لايهاي كه قطبي كردن نور را برعهده دارند، چند لايهي ساندويچي ديگر ديده ميشود. آنها شامل هزاران بخش كوچك ميشوند كه با تركيبي مخصوص پر شدهاند. تركيب مذكور، همان كريستال مايع است. اين لايهها هم وظيفهي قطبي كردن نور را برعهده ميگيرند. در فناوري LCD مورد آزمايش، مولكولهاي كريستالي ساختار پيچيده شده را ايجاد ميكنند كه بهنام twisted nematic شناخته ميشود و نور را بهنوعي ميچرخاند.
در توضيح خلاصهي مراحل بالا، نور از لامپهاي CCFL يا LED تا رسيدن به صفحهي خارجي پنل و خروج از نمايشگر، ابتدا پخش و شكسته و درنهايت قطبي و چرخانده ميشود. درنهايت ما پنل سفيد را مشاهده ميكنيم و براي ايجاد نور كاملا سياه، ولتاژ الكتريكي به كريستالها تابنده ميشوند تا صفحهي قطبيت خود را تغيير دهند. وقتي صفحهي قطبيت زاويهي ۹۰ درجه پيدا كند، نور امكان عبور ندارد و صفحهاي تاريك ايجاد ميشود.
اندازهي ولتاژي كه براي چرخاندن صفحهي قطبيت استفاده ميشود، سطح تاريك يا روشن بودن پنل را مشخص ميكند. ازآنجاكه هزاران قطعه و بخش شامل كريستال مايع در پنل وجود دارد، كنترل كردن همهي آنها به مجموعهي قابلتوجه از اتصالهاي جرياني و كنترلي نياز پيدا ميكند. با نگاهي عميقتر به پنل مورد مطالعه، جريانهاي متعدد اتصالي و كنترلي را مشاده ميكنيم كه در لبهي پنل ديده ميشوند.
جريانهاي كنترلي و اتصالي، به استفاده از تعداد زيادي روبان به درايور نمايشگر متصل ميشوند. منظور از روبان، مدارهاي چاپي انعطافپذير هستند. هريك از آنها شامل تراشهي بلند نازك ميشود كه وظايف سيگنالدهي را برعهده ميگيرد. كانكتورها با هدف كاهش هزينهها به برد اصلي چسبانده ميشوند. همين صرفهجويي در هزينه باعث ميشود تا كل ساختار بردها و پنل، بسيار شكننده باشد.
تركيب روبانهاي اتصالي و سيگنالدهي، مجموعهاي را تشكيل ميدهد كه درنهايت به پيكسلهاي تكي متصل ميشوند. پيكسل، همان بخشهاي كوچكي هستيم كه گفتيم شامل كريستل مايع هستند. اگر پنل خالي را جلوي نور بگيريم، بهخوبي ميتوان اين كريستالهاي مجزا را مشاهده كرد.
اگر بهطور دقيق به تصوير بالا نگاه كنيد، متوجه نكتهي مهمي ميشويد. ظاهرا هريك از پيكسلها، رنگهاي متعددي را نشان ميدهند. درواقع همين اتفاق هم ميابتد. هر پيكسل در نمايشگر، از سه زيرپيكسل ساخته ميشود كه فيلتر رنگي روي آنها اعمال شده است. فيلترهايي كه باعث ايجاد رنگهاي قرمز و سبز و آبي ميشوند (RGB).
استاندارد RGB از مدتها پيش بهعنوان استانداردي در رنگبندي تلويزيونها و مانيتورها شناخته ميشود. اين استاندارد، تركيب لازم و كافي را براي ساختن انواع رنگ طبيعي دراختيار ما قرار ميدهد.
تركيببندي مورد استفاده براي زيرپيكسلهاي رنگي بهنام «نوار عمودي» يا Vertical Strip شناخته ميشود. اغلب مانيتورهاي وايد از همين پيكربندي استفاده ميكنند. ديگر نمايشگرهاي LCD، مثلا آنهايي كه در موبايلهاي هوشمند استفاده ميشوند، از آرايهاي افقي يا زاويهدار بهره ميبرند. درواقع پيكربندي رنگها وابستگي زيادي به تنظيم نهايي مانيتور يا نمايشگر دارد (همان حالتهاي Portrait يا Landscape).
همانطور كه به ياد داريد، در اين مطلب مانيتور TFT-LCFD شامل پنل ترانزيستوري فيلم نازك مطالعه ميشود. در فناوري مذكور، يك لايهي سيليكوني ميكروسكوپي وجود دارد كه بهخاطر ضخامت بسيار پايين، امكان عبور نور از آن وجود دارد. براي هر زير پيكسل، يك ترانزيستور تكي وجود دارد كه در فيلم گنجانده شده است. اين ترانزيستور، وظيفهي نهايي اعمال جريان براي جرخاندن كريستالها را برعهده ميگيرد.
تغيير رنگها و شدت نور با تغيير زاويهي كريستالهاي مايع موجود در پنل رخ ميدهد
اگر با دقت به توضيحات بالا نگاه كنيم، متوجه پيچيدگي و ابعاد بسيار كوچك هريك از بخشهاي موجود در پنلهاي نمايشگر ميشويم. بخشهاي بسيار ريزي كه در اتصالهايي خارقالعاده، انتقال جريان و سيگنال را برعهده ميگيرند. در پنل سامسونگ مورد آزمايش، ۶،۲۲۰،۸۰۰ زيرپيكسل ديده ميشوند. فراموش نكنيد كه اين تعداد زيرپيكسل در مساحتي بهاندازهي ۷۱۰ سانتيمتر مربع گنجانده شدهاند. به بيان ديگر، هر زيرپيكسل، مساحتي به اندازهي ۰/۰۰۱۱ ميليمتر مربع را پوشش ميدهد. بهعلاوه، فراموش نكنيد كه با پنلي ساخت هفت سال پيش روبهرو هستيم و در پنلهاي حرفهاي با رزولوشن 4K امروزي، ابعادي بسيار ريزتر را مشاهده ميكنيم.
آخرين لايهي مانيتور LCD، صفحهي محافظ است كه اغلب از جنس شيشه ساخته ميشود. پوشش نازك پليمر هم روي شيشهي مذكور قرار ميگيرد كه وظيفهي كاهش بازتاب نور را برعهده دارد (anti-glare). لايهي محافظ بايد بهاندازهي كافي سخت باشد تا در برابر شكنندگي و خش، مقاومت كند.
همانطور كه ميدانيد، پنلهاي نمايشگر الزاما نبايد تخت باشند. تلويزيونها و مانيتورهاي خميده، خصوصا انواع مخصوص بازي، شعاع مشخصي از خميدگي دارند كه فناوري آنها را پيچيدهتر هم ميكند. دليل طراحي و ساخت مانيتورهاي خميده را بايد در افزايش حس عمق در تصوير جستوجو كرد. البته احساس نهايي عمق در تصوير، وابستگي زيادي به محل نشستن متخصص و محتواي درحال پخش در مانيتور دارد.
در تصوير بالا، سه نوع خميدگي مرسومتر پنل را مشاهده ميكنيم. خط مشكي، پنل تخت را نشان ميدهد. خطوط آبي و سبز قرمز نيز پنلهايي با خميدگيهاي 1800R و 1500R و 1000R را نمايش ميدهند. اعدادي كه در تعريف پنلهاي خميده استفاده ميشود، درواقع شعاع ميليمتري دايرهاي است كه پنل در آن جاي ميگيرد. درنهايت بايد بدانيد كه توليد پنلهاي خميده هزينههاي بيشتري دارد و اغلب ارزش آنها نيز از نمونههاي معمولي بيشتر خواهد بود.
با وجود كيفيت و كارايي بالاي پنلهاي LCD، نقاط ضعفي در اين فناوري ديده ميشود. منبع نور پسزمينه كه بهنام بكلايت شناخته ميشود، يكي از اشكالات را ايجاد ميكند. شايد تصور كنيد كه منبع نور هميشه روشن است، چون كريستالهاي مايع، نور را مسدود ميكنند. درواقع اينگونه نيست و كريستالها بهسرعت خاموش و روشن ميشوند تا كيفيت رنگ نهايي به حداكثر برسد. متأسفانه، پالسهاي خاموش و روشني كه در پيكسلها ايجاد ميشود، كمي لرزش را در نمايشگر بههمراه دارد كه براي برخي از افراد، خوشايند نيست. همچنين بهخاطر همين رخداد، تصاوير متحرك با كمي حالت مات ديده ميشوند. در مجموع، مانيتورهايي كه كيفيت بالاتري دارند، در نرخهاي بسيار بالا خاموش و روشن ميشوند تا چالشي از بابت لرزش نداشته باشند. در فناوريهاي پيشرفتهتر هم پالس پيكسلها با نرخ نوسازي عمودي هماهنگ ميشود كه در محتواي بازاريابي آن را با عبارت motion blur reduction ميبينيم.
اشكال ديگر پنلهاي مورد مطالعه اين است كه نور پسزمينه شايد از لبههاي پنل LCD يا حتي بين پيكسلها درز كند. البته مجددا مانيتورهاي با كيفيت بالاتر با هدف جلوگيري هرچه بيشتر از درز نور ساخته ميشوند. نكتهي مهمتر پنلهاي TFT-LCD اينكه خصوصا در نمونههاي TN، تعداد بيتهايي كه يك نور را نمايش ميدهند، محدود ميشود.
محدوديت تعداد بيتها در نمايش هر رنگ، به سيستم مورد استفاده براي انتقال دادهي تصوير وابسته است. بهعنوان مثال، پنل سامسونگ مورد مطالعه، از سيستم LVDS براي انتقال رنگهاي قرمز و سبز و آبي استفاده ميكند. اين سيستم سرعت بالا و مصرف توان پايين دارد. البته نمونهاي كه در پنل مورد آزمايش ميبينيم، تنها ۶ بيت رنگ ارائه ميكند. اين تنظيمات، از هشت يا ۱۰ بيت رنگي كه در تراشههاي گرافيكي مرسوم ميبينيم، كمتر است.
براي اشكال بالا، راهكاري بهنام كنترل نرخ فريم يا FRC وجود دارد كه رنگها را در فريمهاي پشت سر هم، ميچرخاند. درنتيجه اين تصور ايجاد ميشود كه بازهاي بزرگ از رنگها نمايش داده شدهاند. اكثر پنلهاي TN امروزي از ساختار هشت بيتي LVDS بهره ميبرند. البته برخي از آنها هنور از FRC هم استفاده ميكنند تا با ادعاي عرضهي رنگ ۱۰ بيتي، روي بازاريابي محصول هم تمركز داشته باشند.
ساختاري پيچيدهتر از چرخش كريستالها
پنلهاي نمايشگر TFT-LCD بهنوعي صنعت نمايشگر را در اشغال خود در آوردهاند. اين پنلها در انواع نمايشگر از مانيتورهاي كامپيوتر شخصي تا تلويزيون، موبايل هوشمند، تبلت، نمايشگر خودرو و بسياري موارد ديگر، متخصصد دارند. البته همه ميدانيم كه TFT-LCD تنها فناوري نمايشگري موجود در بازار نيست.
تلويزيونها و مانيتورها برخي اوقات بهنام نمايشگر LED معرفي ميشوند. البته استفاده از نام LED در آنها بدين معنا است كه بهجاي CCFL، از LED براي تابش نور استفاده ميكنند. مانيتورهاي كاملا LED از آرايهاي از ديودها براي نوردهي به پيكسلها بهره ميبرند. البته چنين مانيتورهايي اغلب براي نمايشگرهايي با هدف نمايش اطلاعات بسيار زياد استفاده ميشوند و مصرف توان بسيار بالايي هم دارند.
پنلهاي OLED (نام كامل Organic LED) با ساختار نوردهي LED براي هر پيكسل، راهكارهايي مناسب هستند. نمايشگرهايي كه از اين پنلها استفاده ميكنند، بيشتر در موبايلهاي هوشمند ديده ميشوند. البته تلويزيونهاي حرفهاي هم اخيرا از فناوري بهره ميبرند. نمايشگرهاي LED و OLED توانايي توليد رنگ بسيار حرفهاي دارند و نسبت به پنلهاي LCD، رنگ مشكي بسيار طبيعيتر و عميقتري هم توليد ميكنند. دليل كيفيت و سرعت بالاتر نيز اين است كه پنلهاي LED و OLED هيچ نور پسزمينهاي ندارند و خود پيكسلها، نور را ايجاد ميكنند. درنتيجه سرعت تغيير رنگ آنها نيز نسبت به تغيير زاويهي كريستالهاي مايع در نمايشگر، بسيار بيشتر خواهد بود. البته پنلهاي مذكور، نقاط ضعفي هم دارند. آنها بهاندازهي پنلهاي LCD روشن نيستند و دوام بالايي هم ندارند. با گذشت زمان و فرسوده شدن پنلها، اشكالاتي در نمايش تصوير پيش ميآيد كه حتي شايد به ثابت ماندن تصوير در بخشي از پنل (موسوم به burn-in) ختم شود.
شركتهايي همچون سوني، الجي و سامسونگ براي حل چالشهاي موجود در پنلهاي OLED، فناوري جديدي بهنام microLED را معرفي ميكنند. فناوري جديد بهصورت خلاصه شبيه به منابع نوري بهانديشه متخصصين ميرسد كه در اطراف خود مشاهده ميكنيم؛ اما تفاوت اصلي آنها در ابعاد بسيار كوچكترشان ديده ميشود. آزمايشها و نمونههاي اوليه نشان ميدهد كه microLED توانايي فعاليت روشنتر و همچنين دوام بيشتر را نسبت به OLED دارد. همچنين بهرهوري و كارايي آنها نيز در سطوح بالاتري ديده ميشود. البته هنوز تا رسيدن به مرحلهي تجاري و عرضهي عمومي پنلها، چالشهاي توليدي زيادي وجود دارند.
حدود ۲۰ سال پيش، ارزش مانيتور LCD بسيار زياد بودند. البته پس از مدتي با افزايش فروش و كاهش هزينههاي توليد، ارزشها مسير كاهش شديد را طي كردند. آناتومي بالا نشان داد كه چرا ارزش پنلهاي LCD گران بوده است. ما با ساختاري بسيار پيچيده با جزئيات زياد روبهرو شديم كه از هزاران قطعهي ريز و شكننده تشكيل ميشود. بالاخره امروز به مرحلهاي رسيدهايم كه پنلها با كيفيت بسيار بالا و ارزشهاي مقرونبهصرفهتر توليد و فروخته ميشوند.
مانيتورهاي امروزي ميليونها پيكسل را در خود جاي ميدهند و نرخ نوسازي بسيار بالايي هم دارند. طراحي آنها به بلوغ نسبي رسيده است و شاهد عرضهي محصولاتي با فريمها و پايههاي بسيار جذاب هستيم. درنهايت امروز فناوري نمايشگرها بهحدي بالغ بهانديشه متخصصين ميرسد كه شايد در تصميمگيري بعدي براي ارتقا كامپيوتر شخصي، درانديشه متخصصينگرفتن خريد مانيتور، جذابتر و معقولتر باشد.
هم انديشي ها