Жидкокристаллические мониторы

Жидкокристаллические мониторы, они же ЖК-мониторы или LCD-мониторы (Liquid Crystal Display) содержат те же компоненты, что и CRT-монитор, однако для формирования пикселей изображения используют не пучки электронов, а жидкие кристаллы. Эти вещества названы так потому, что они обычно находятся в жидком состоянии, но при этом обладают некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией (неоднородностью в различных направлениях) свойств (в частности оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул. Под воздействием электричества молекулы жидких кристаллов, имеющие продолговатую форму, могут изменять свою ориентацию и вследствие этого изменять свойства светового луча проходящего сквозь них. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в черно-белых (точнее, в черно-серых) дисплеях для калькуляторов и в часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. В настоящее время LCD-мониторы получают все большее распространение и в настольных компьютерах.

Экран LCD-монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых так же, как и в CRT-мониторах, пикселями), которые используются для формирования изображения. LCD-монитор имеет несколько слоев (рис. 1.3.38), где ключевую роль играют две плоские панели сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. Поэтому LCD-мониторы, а также плазменные мониторы, часто называют плоскопанельными мониторами (flat panel monitors).

На панелях имеются бороздки-электроды, расположенные таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Жидкие кристаллы, расположенные в ячейках, образованных панелями могут с помощью электродов изменять свою ориентацию, поэтому такие ячейки называют кручеными нематическими (twisted nematic) (слово nema по-гречески означает иголка). Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света).

Изменение интенсивности проходящего через LCD-монитор светового потока от черного до белого достигается с помощью использования явления поляризации света (см. 1.3.5.3.1).

Рис. 1.3.38. LCD-монитор

Поскольку источник света дает неполяризованное излучение, первый, внутренний, фильтр-поляризатор пропускает свет только с одним направлением поляризации. Направление поляризации второго, наружного фильтра-поляризатора повернуто на 90° по отношению к направлению поляризации первого фильтра.

Когда к электродам какого-либо пикселя при­ложено напряжение (рис. 1.3.39а), спираль жидких кристаллов расправ­ляется и не меняет направление поля­ризации проходящего вдоль нее света. В этом случае свет будет задержан наружным поляризационным фильтром, и пиксель будет иметь черный цвет. При снятии напряжения (рис. 1.3.39б) спираль закручивается так, чтобы находящиеся на ее концах кристаллы легли в бороздки. Свет, прошедший через внутренний поляри­зационный фильтр, следуя вдоль спи­рали, меняет свою поляризацию на 90° и потому пропускается внешним фильтром, т.е. формируется светлый (белый) пиксель. Изменяя напряжение, можно получить серые оттенки.

Для вывода цветного изображения требуется, чтобы свет порождался в задней части LCD-монитора. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров (красного, зеленого и синего), которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты.

Для вывода цветного изображения можно поставить на пути лучей несколько фильтров, однако это приводит к ослаблению проходящего излучения. Более часто используют следующее свойство жидкокристаллической ячейки: при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны света, т.е. заданного цвета.

Рис. 1.3.39. Прохождение света через LCD-монитор: а) при приложенным к электродам напряжении; б) при отсутствии напряжения

Технология функционирования LCD-мониторов не может обеспечить быструю смену данных на экране. Изображение формируется строка за строкой путем последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, делающего их прозрачными. Из-за довольно большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно. Кроме того, изображение не отображается плавно и дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения. Мониторы с такой технологией формирования изображений назвали мониторами с пассивной матрицей (passive matrix). Несмотря на применения технологий улучшения контрастности изображения за счет увеличения угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° (в технологии Super Twisted Nematic), эти мониторы в настоящее время практически не выпускаются.

В мониторах с активной матрицей (active matrix) используются отдельные управляющие элементы (транзисторы) для каждой ячейки экрана, компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно уменьшить время изменения их прозрачности. Поскольку транзисторы размещены на задней стороне панели и должны пропускать свет, они реализованы в пластиковых пленках по технологии TFT (Thin Film Transistor – тонкопленочный транзистор). Иногда мониторы с использованием технологии TFT называют TFT-мониторами.