Побудова і принцип роботи рідкокристалевого монітора

Принцип роботи

Екрани рідкокристалевого монітора (Liquid Crystal Display (LCD)) зроблені з речовини (ціанофеніл), що перебуває в рідкому стані, але при цьому має деякі властивості кристалічних тіл. Фактично це рідини, оним властива анізотропія, що пов'язана з упорядкованістю в орієнтації молекул. Робота LCD заснована на явищі поляризації світлового потоку. Відомо, що так звані кристалічні поляроїди здатні пропускати тільки ту складову світла, вектор електромагнітної індукції якої лежить у площині, паралельної оптичної площини поляроїда. Для частини світлового потоку, що залишилася, поляроїд буде непрозорим. Даний ефект називається поляризацією світла. Коли були вивчені рідкі речовини, довгі молекули яких чутливі до електростатичного й електромагнітного поля й здатні поляризувати світло, з'явилася можливість управляти поляризацією. Ці аморфні речовини за їхню схожість із кристалічними речовинами по електрооптичним властивостям, а також за здатність приймати форму посудини, назвали рідкими кристалами. Ґрунтуючись на цьому відкритті й у результаті подальших досліджень, стало можливим виявити зв'язок між підвищенням електричної напруги й зміною орієнтації молекул кристалів для забезпечення створення зображення.

Перше своє застосування рідкі кристали знайшли в дисплеях для калькуляторів і в електронних годинниках, а потім їх стали використовувати в моніторах комп'ютерів і телевізорах. Екран LCD являє собою масив маленьких сегментів (пікселів), якими можна маніпулювати для відображення інформації. LCD має кілька шарів, де ключову роль відіграють дві панелі, зроблені з вільного від натрію й дуже чистого скляного матеріалу - підложки, які містять тонкий шар рідких кристалів між собою (рис. 7.12).

Рисунок 7.12- Пристрій LCD

На панелях є бороздки, які направляють кристали, повідомляючи їм спеціальну орієнтацію. Бороздки розташовані таким чином, що вони паралельні на кожній панелі, але перпендикулярні між двома панелями. Поздовжні бороздки виходять у результаті розміщення на скляній поверхні тонких плівок із прозорого пластику, що потім спеціальним чином обробляється. Стікаючись із бороздками, молекули в рідких кристалах орієнтуються однаково у всіх осередках. Молекули рідких кристалів при відсутності напруги повертають вектор електричного (і магнітного) поля у світловій хвилі на деякий кут у площині, перпендикулярній осі поширення пучка. Нанесення бороздок на поверхню скла дозволяє забезпечити однаковий кут повороту площини поляризації для всіх осередків. Дві панелі розташовані дуже близько одна до одної. Рідкокристалева панель засвічується джерелом світла (залежно від того, де він розташований, рідкокристалеві панелі працюють на відбиття або на проходження світла). Площина поляризації світлового променя повертається на 90° при проходженні однієї панелі (рис. 7.13). З появою електричного поля, молекули рідких кристалів частково вибудовуються вертикально уздовж поля, кут повороту площини поляризації світла стає відмінним від 90 градусів і світло безперешкодно проходить через рідкі кристали. Поворот площини поляризації світлового променя непомітний для ока, тому виникла необхідність додати до скляних панелей ще два інших шари, що представляють собою поляризаційні фільтри. Ці фільтри пропускають тільки той компонент світлового пучка, у якого вісь поляризації відповідає заданій. Тому при проходженні поляризатора пучок світла буде ослаблений залежно від кута між його площиною поляризації й віссю поляризатора. При відсутності напруги осередок прозорий, тому що перший поляризатор пропускає тільки світло з відповідним вектором поляризації. Завдяки рідким кристалам вектор поляризації світла повертається, і до моменту проходження пучка до другого поляризатора він уже повернутий так, що проходить через другий поляризатор без проблем (рис 7.13.а). У присутності електричного поля поворот вектора поляризації відбувається на менший кут, тим самим другий поляризатор стає тільки частково прозорим для випромінювання. Якщо різниця потенціалів буде такою, що поворот площини поляризації в рідких кристалах не відбудеться зовсім, то світловий промінь буде повністю поглинений другим поляризатором, і екран буде здаватися чорним (промені підсвічування поглинаються в екрані повністю) (рис 7.13.б). Якщо розташувати велику кількість електродів, які створюють різні електричні поля в окремих місцях екрана (осередку), то з'явиться можливість при правильному керуванні потенціалами цих електродів відображати на екрані літери й інші елементи зображення. Електроди розміщуються в прозорому пластику і можуть мати будь-яку форму.

а) напруга вимкнута

б) під напругою

Рисунок 7.13- Принцип повороту вектору поляризації світла

Технологічні нововведення дозволили обмежити їхні розміри величиною маленької крапки, відповідно на одній і тій же площині екрана можна розташувати більше число електродів, що збільшує оптичну роздільну здатність LCD , і дозволяє відображати навіть складні зображення в кольорі. Для виводу кольорового зображення необхідне підсвічування монітора позаду, таким чином, щоб світло виходило із задньої частини LCD. Це необхідно для того, щоб можна було спостерігати зображення з гарною якістю, навіть якщо навколишнє середовище не є світлим. Колір утворюється у результаті використання трьох фільтрів, які виділяють із випромінювання джерела білого світла три основні компоненти. Комбінуючи три основні кольори для кожної крапки або пікселя екрана, з'являється можливість відтворити будь-який колір.

Перші LCD дисплеї були дуже маленькими, близько 8 дюймів, у той час як сьогодні вони сягають 20" і більше. Слідом за збільшенням розмірів треба збільшення оптичного розділення, наслідком чого є поява нових проблем, які були вирішені за допомогою спеціальних технологій. Однієї з перших проблем була необхідність стандарту у визначенні якості відображення при високих роздільних здатностях. Першим кроком на шляху до мети було збільшення кута повороту площини поляризації світла в кристалах з 90° до 270° за допомогою STN технології.

STN - це скорочення, що означає "Super Twisted Nematic". Технологія STN дозволяє збільшити торсіонний кут (кут крутіння) орієнтації кристалів усередині LCD дисплея з 90° до 270°, що забезпечує кращу контрастність зображення при збільшенні розмірів монітора. Часто STN осередки використовуються в парі. Така конструкція називається DSTN (Double Super Twisted Nematic), у якій один двошаровий DSTN-осередок складається з 2 STN-осередків, молекули яких при роботі повертаються в протилежні сторони. Світло, проходячи через таку конструкцію в "замкненому" стані, втрачає більшу частину своєї енергії. Контрастність і роздільна здатність DSTN досить висока, тому з'явилася можливість виготовити кольоровий дисплей, у якому на кожний піксель доводиться три рідкокристалевих осередків та три оптичних фільтрів основних кольорів. Кольорові дисплеї не здатні працювати від відбитого світла, тому лампа заднього підсвічування - їхній обов'язковий атрибут. Для скорочення габаритів лампа перебуває з боку, а напроти неї дзеркало, тому більшість LCD у центрі мають яскравість вище, ніж по краях (це не відноситься до настільних LCD). Також STN осередки використовуються в режимі TSTN (Triple Super Twisted Nematic), коли два тонких шару полімерної плівки додаються для поліпшення передачі кольору кольорових дисплеїв або для забезпечення гарної якості монохромних моніторів. Термін пасивна матриця (passive matrix) з'явився в результаті поділу монітора на крапки, кожна з яких, завдяки електродам, може задавати орієнтацію площини поляризації промінню, незалежно від інших, так що в результаті кожний такий елемент може бути підсвічений індивідуально для створення зображення. Матриця називається пасивною, тому що технологія створення LCD, що була описана вище, не може забезпечити швидку зміну інформації на екрані. Зображення формує рядок за рядком шляхом послідовного підведення управляючої напруги на окремі осередки, що робить їх прозорими. Через досить велику електричну ємність осередків напруга на них не може змінюватися досить швидко, тому відновлення картинки відбувається повільно. Такий дисплей має багато недоліків з погляду якості, тому що зображення не відображається плавно й тремтить на екрані. Маленька швидкість зміни прозорості кристалів не дозволяє правильно відображати зображення, що рухаються. Для рішення вищеописаних проблем застосовують спеціальні технології, Для поліпшення якості динамічного зображення було запропоновано збільшити кількість керуючих електродів. Тобто вся матриця розбивається на кілька незалежних підматриць (Dual Scan DSTN - два незалежні поля розгорнення зображення), кожна з яких містить меншу кількість пікселів, тому почергове управління ними займає менше часу. У результаті чого можна скоротити час інерції LCD. Також кращих результатів з погляду стабільності, якості, оптичного розділення, гладкості і яскравості зображення можна домогтися, використовуючи екрани з активною матрицею. В активній матриці (active matrix) використовуються окремі підсилювальні елементи для кожного осередку екрана, що компенсують вплив ємності осередків і дозволяють значно зменшити час зміни їхньої прозорості. Активна матриця має масу переваг у порівнянні з пасивною матрицею. Наприклад, краща яскравість і можливість дивитися на екран навіть із відхиленням до 45° і більше (тобто при куті огляду 120°-140°) без шкоди якості зображення, що неможливо у випадку з пасивною матрицею, що дозволяє бачити якісне зображення тільки із фронтальної позиції стосовно екрана. Помітимо, що дорогі моделі LCD з активною матрицею забезпечують кут огляду в 160°, і є всі підстави припускати, що технологія буде вдосконалюватися й надалі. Активна матриця може відображати зображення, що рухаються, без видимого тремтіння, тому що час реакції дисплея з активною матрицею близько 50 мс проти 300 мс для пасивної матриці, крім того, контрастність моніторів з активною матрицею вище, ніж в CRT. Слід зазначити, що яскравість окремого елемента екрана залишається незмінною на всьому інтервалі часу між відновленням картинки, а не являє собою короткий імпульс світла, випромінюваний елементом люмінофором CRT відразу після проходження по цьому елементу електронного променя. Саме тому для LCD достатньої є частота вертикального розгорнення, рівна 60 Гц.

Функціональні можливості LCD з активною матрицею майже такі ж, як у дисплеїв з пасивною матрицею. Різниця полягає в матриці електродів, що керує осередками рідких кристалів дисплея. У випадку з пасивною матрицею різні електроди одержують електричний заряд циклічним методом при порядковому відновленні дисплея, а в результаті розряду ємностей елементів зображення зникає, тому що кристали повертаються до своєї початкової конфігурації. У випадку з активною матрицею до кожного електрода доданий запам'ятовувальний транзистор, що може зберігати цифрову інформацію (двійкові значення 0 або 1) і в результаті зображення зберігається доти, поки не надійде інший сигнал. Частково проблема відстрочки загасання зображення в пасивних матрицях вирішується за рахунок використання більшого числа рідкокристалевих шарів для збільшення пасивності й зменшення переміщень, зараз же, при використанні активних матриць з'явилася можливість скоротити число рідкокристалевих шарів. Запам'ятовувальні транзистори повинні вироблятися із прозорих матеріалів, що дозволить світловому променю проходити крізь них, а значить, транзистори можна розташовувати на тильній частині дисплея, на скляній панелі, що містить рідкі кристали. Для цих цілей використовуються пластикові плівки, називані "Thin Film Transistor" (або просто TFT). TFT, тобто тонкоплівковий транзистор - це ті управляючі елементи, за допомогою яких контролюється кожний піксель на екрані. Тонкоплівковий транзистор дійсно дуже тонкий, його товщина 0,1 - 0,01 мікрона. У перших TFT-дисплеях, що з'явилися в 1972р., використовувався селенід кадмію, що володіє високою рухливістю електронів і підтримує високу щільність струму, але згодом був здійснений перехід на аморфний кремній ( a-Si), а в матрицях з високою розподільною здатністю використовується полікристалічний кремній ( p-Si). Технологія створення TFT дуже складна, при цьому є труднощі з досягненням прийнятного відсотка придатних виробів через те, що кількість використаних транзисторів дуже велика. Зазначимо, що монітор, що може відображати зображення з розподільною здатністю 800х600 пікселів в SVGA режимі та тільки із трьома кольорами має 1440000 окремих транзисторів. Виробники встановлюють норми на граничну кількість транзисторів, які можуть бути неробочими в LCD.

Кожний піксель являє собою комбінацію трьох кольорових осередків (фільтри червоний, зелений і синій) або субпіксельних елементів. Це означає, наприклад, що в дисплея, що має розрізнювальну здатність 1280x1024, існує рівно 3840x1024 транзистора й субпіксельних елемента. Розмір крапки (пікселя) для 15.1" дисплея TFT (1024x768) приблизно дорівнює 0.0188 дюйма (або 0.30 мм), а для 18.1" дисплея TFT - близько 0.011 дюйма (або 0.28 мм). TFT володіють рядом переваг перед CRT, серед яких - знижене споживання енергії й тепловіддача, плаский екран і відсутність сліду від об'єктів, що рухаються.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Побудова і принцип роботи плазмового монітора	\|	Побудова і принцип роботи органічних моніторів

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.014 сек.