Жидкокристаллические панели

 

Жидкокристаллические электронно-оптические преобразователи относятся к классу так называемых светоклапанных устройств, в которых функции излучения светового потока и модуляции его интенсивности разделены между собой. В этих устройствах световой поток формируется обычным источником света, а изменение пространственного распределения яркости (то есть собственно формирование изображения) осуществляется пространственным модулятором света ПМС), который модулирует световой поток телевизионным сигналом одновременно по всей поверхности изображения.  Работа самого ПМС основана на использовании эффекта поляризации светового потока.

 

Известно, что существуют материалы и среды, пропускающие свет только с определенным типом поляризации (горизонтальной или вертикальной), что зависит от ориентации молекул этих материалов. Этот эффект называется оптической анизотропией, а сами такие материалы называются полароидами или поляризационными фильтрами.

 

Если на пути обычного неполяризованного светового потока поместить поляризационный фильтр, то на его выходе мы получим уже поляризованный свет с плоскостью поляризации, совпадающей с плоскостью поляризации фильтра. Если вслед за ним поместить второй такой фильтр, но с плоскостью поляризации, перпендикулярной первому, то свет через эту пару не будет проходить совсем, поскольку каждый из фильтров будет пропускать только компоненту со своей поляризацией. Если же плоскости поляризации двух фильтров будут не перпендикулярны, то через эту пару будет проходить с ослаблением, пропорциональным косинусу разности углов поляризации каждого из фильтров, и при разности углов равной нулю, пара фильтров станет абсолютно прозрачной. Таким образом, если мы сумеем управлять углом поляризации одного из фильтров (или обоих), то мы сможем управлять потоком света, проходящего через эти фильтры.

Жидкие кристаллы, как особый вид материалов,  были открыты в 1889 году австрийским ботаником Ф. Рейницером и немецким физиком А. Леманом. Среди свойств жидких кристаллов оказалась и оптическая анизотропия, связанная с особой (продолговатой, типа карандаша), формой молекул этих веществ. Оказалось, также, что помещая жидкие кристаллы в электрическое поле можно управлять этой анизотропией – управлять направлением расположения молекул в жидком кристалле, а, следовательно – углом поляризации проходящего через него света. 

И только в 70-х годах прошлого столетия на основе этого эффекта были созданы первые жидкокристаллические индикаторы, а затем и дисплеи, которые так и называются – LCD (от Liquid Crystal Display – дисплей на жидких кристаллах).  

Конструкция и принцип работы. Жидкокристаллический дисплей имеет конструкцию, изображенную на Рис. 4.10. Панель дисплея имеет три основных слоя – две прозрачные пластины и слой жидких кристаллов между ними. Верхняя, и нижняя пластины имеют свойство поляризовать свет, то есть пропускать световые лучи только с определёнными углами поляризации. Углы поляризации верхней и нижней поляризационных пластин строго перпендикулярны, таким образом, в обычных условиях свет через эту пару пластин не проходит.

Однако между этими пластинами находится слой жидких кристаллов, который в свою очередь может изменять поляризацию проходящего через него света. Если этот слой сможет изменить угол поляризации света на 90°, то направление поляризации проходящего света снова совпадет с поляризацией верхней пластины, и свет полностью через нее пройдет. Если же мы сможем управлять углом поляризации жидких кристаллов, а сделать это можно подавая на них электрическое поле, то мы сможем управлять интенсивностью света, проходящей через этот “слоеный пирог” - Рис. 4.10.

Рис. 4.10 Конструкция ЖКИ-панели

Если подробнее рассмотреть строение экрана на жидких кристаллах, то можно выделить несколько слоёв, каждый из которых имеет своё назначение.

С тыльной стороны дисплея размещается система подсветки. Система подсветки должна обеспечивать мощный и равномерный по всей плоскости экранной панели поток света (потери при прохождении света через слои ЖК-экрана достигают 50% при максимальной яркости). В обычных ЖКИ дисплеях подсветка выполняется с помощью обычных люминесцентных ламп (ламп “дневного света”), только очень малого диаметра. Лампы подсветки излучают неполяризованный свет.

Первая поляризационная пластина (нижняя) пропускает световую волну только с определённым (на рисунке – горизонтальным) направлением вектора поляризации. Слой прозрачных жидких кристаллов, прилегающих к первой пластине, имеет такое же направление вектора поляризации. Следующие слои кристаллов имеют направление поляризации, смещенное относительно первого на определённый угол, и образуют нечто вроде спирали. Соответственно меняется с каждым слоем и вектор поляризации. Последний слой жидких кристаллов имеет угол вектора поляризации, перпендикулярный к первому (вертикальный) и совпадающий с углом вектора поляризации второй поляризационной пластины (верхней).

Таким образом, при прохождении света через все слои жидких кристаллов угол его поляризации поворачивается на 90° и свет полностью проходит через вторую поляризационную пластину, образуя на экране световой поток максимальной яркости. Это происходит только тогда, когда на жидкие кристаллы не действует электрическое поле – Рис. 4.11.

 

 

Рис. 4.11. Прохождение света через ЖК панель

при отсутствии электрического поля

Формирование электрического поля в жидких кристаллах осуществляется с помощью полосок параллельных полупрозрачных электродов, которые наносятся на верхнюю и нижнюю стеклянные подложки. На одной подложке эти полоски имеют горизонтальное направление, на другой – вертикальный. При подаче электрического импульса на какой-либо горизонтальный и вертикальный электроды, в точке их пересечения изменяется электрическое поле. Это, в свою очередь, изменит оптические свойства ближайших молекул жидкокристаллического вещества, и соответственно – направление вектора поляризации. А с изменением напряженности электрического поля будет изменяться и интенсивность проходящего через эту область светового потока – Рис. 4.12.

 

Рис. 4.12. Прохождение света через ЖК панель

при наличии электрического поля

 

В результате, на верхней поверхности ЖК-дисплея получим оптическую картинку – распределение яркости по поверхности. Для получения цветного изображения каждый пиксель ЖК-панели должен состоять из трех субпикселей – красного, зеленого и синего цвета. Для этого перед второй поляризационной пластиной (Рис. 4.10) устанавливается слой светофильтров, пропускающих для каждого из субпикселей только один цвет – R, G или B.

 

Как и любое техническое устройство, ЖК-дисплей, в том виде, как он описан выше, имеет свои недостатки. Главными из них являются – недостаточно высокая контрастность изображения (отношение максимальной яркости дисплея к минимальной), и достаточно большая (хотя и гораздо меньшая, чем для ЭЛТ-мониторов) потребляемая мощность. Эти недостатки в основном обусловлены применением в качестве элементов подсветки флуоресцентных ламп с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamps, CCFL). Поэтому в последнее время были предложены более прогрессивные технологии подсветки ЖКИ-дисплеев, в частности – с использованием светодиодов (LED). Такие дисплеи получили название LED LCD. Различие между этими технологиями можно увидеть из Рис. 4.13

 

 

Рис. 4.13 ЖКИ-дисплей с CCFL и LED подсветкой.

Первый же очевидный эффект такой замены – значительное уменьшение общей толщины ЖК-панели. Вместо привычных для CCFL 10 сантиметров толщины, получается менее 3-х сантиметров. Во-вторых, обеспечивается более равномерная подсветка по всей поверхности экрана (используется до 300 светодиодов подсветки и более). Повышается яркость изображения, поскольку светодиоды обладают большей, чем люминесцентные лампы яркостью свечения. Наконец, уменьшается потребляемая мощность, поскольку светодиоды имеют гораздо больший световой к.п.д.

И еще одно преимущество LED-подсветки. Благодаря безинерционности светодиодов появилась возможность реализовать так называемую “динамическую” подсветку – при ярких сценах яркость подсветки увеличивается, при отображении темных сцен – уменьшается. Правда, это требует довольно сложного микропроцессорного управления подсветкой, но позволяет получить величины контрастности до 500.000:1 и даже до 1.000.000:1, что недостижимо для других типов дисплеев.

На сегодняшний день по соотношению качество/цена LED LCD дисплеи являются, по-видимому, наилучшими из имеющихся на рынке.

Плазменные панели.

Плазменные панели или дисплеи (PDP – Plasma Display Panel) имеют гораздо большую историю, чем ЖК-панели. Их работа основана на эффекте свечения некоторых материалов и газов под действием ультрафиолетового излучения. И в этом они гораздо более близки к электронно-лучевым трубкам, чем ЖК-панели. По своим характеристикам на сегодняшний день они близки к ЖК телевизионным мониторам, поэтому на рынке в основном конкурируют друг с другом.

Конструктивно плазменная панель – Рис. 4.14 состоит из двух плоских стеклянных пластин, расположенных на небольшом расстоянии, между которыми находится слой инертного газа (как правило, смесь ксенона и неона). На переднюю, прозрачную пластину нанесены тончайшие прозрачные проводники – электроды, а на заднюю – ответные проводники. Задняя стенка имеет микроскопические ячейки – субпиксели, заполненные люминофорами трех основных цветов (красного, синего и зеленого), по три ячейки на каждый пиксель.