Жидкокристаллические воспроизводящие устройства

Жидкокристал­лические экраны относятся к разряду так называемых светоклапанных устройств, в которых функции излучения и модуляции светового потока разделены. В этих устройствах ТВ сигнал воздействует на пространственный модулятор света (ПМС), модулирующий световой поток от внешнего источника одновременно по поверхности всего ТВ изображения. В ПМС под действием модулирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент отражения модулирующей среды, в результате чего ПМС становится носителем промежуточного изображения (аналогичного по своим оптическим свойствам изображению диапозитива). При этом световой поток, проходящий через ПМС, изменяется по интенсивности в соответствии с распределением плотностей отдельных участков (пикселей ПМС).

Работа жидкокристаллических экранов основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что поляроиды осуществляют деления изображения путем поляризации световых пучков во взаимно перпендикулярных плоскостях. Поляроид пропускает только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляризатора. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Данный эффект называется поляризацией света. Два скрещенных (ортогональных) поляризатора, помещенные на пути светового потока, полностью непрозрачны для света. Открытие свойств жидких кристаллов изменять угол поляризации под действием электростатического или электромагнитного поля позволили создать электронно-оптический модулятор света, прозрачность которого меняется под действием приложенного напряжения.

Основными элементами модулятора света являются два скрещенных поляризатора и помещенная между ними жидкокристаллическая ячейка, угол поворота плоскости поляризации которой может регулироваться. Прозрачность электронно-оптического модулятора изменяется при изменении угла поворота плоскости поляризации (рис. 9.12). Принцип работы и конструкцию жидкокристаллического экрана поясняет рис. 9.13. Экран состоит из нескольких слоев, основными из которых являются две стеклянные пластины 3, на которых нанесены полосковые электроды 2. Две пластины соединяются, оставляя зазор, который заполняется жидким кристаллом 4. Полосковые решетки пластин скрещены. В точках пересечения полосковых электродов образуются элементарные конденсаторы, напряжение на которых определяет угол поворота поляризации, а, следовательно, и прозрачность элементарной ячейки. С внешней стороны стеклянных пластин располагаются поляризационные фильтры 1, 5, векторы поляризации которых ортогональны. При подаче потенциала на некоторую пару полосковых электродов активизируется ячейка, на которой вертикальные и горизонтальные электроды пересекаются. Коммутация потенциалов осуществляется по закону развертки, используемой в телевидении и компьютерах. Схема строчной развертки переключает с тактовой частотой импульсы — отсчеты видеосигнала с одного вертикального электрода на другой. Схема кадровой развертки осуществляет перекоммутацию горизонтальных электродов. Принцип работы разверток для ЖК экрана и подачи сигналов U _R, U _B, U _G на горизонтальные электроды показан на рис. 9.14.

Для воспроизведения цветного изображения ЖК панель покрывают цветными RGB-светофильтрами, размеры и форма которых соответствуют размерам модулирующей ячейки. ЖК экраны плоских телевизоров и мониторов работают на просвет. Поэтому обязательным компонентом ЖК экрана является лампа задней подсветки. Для сокращения габаритов лампа помещается на боковой части экрана, а напротив нее — отражающее зеркало. Необходимым требованием к световому потоку, входящему в ЖК ячейку, является его малая расходимость, так как расходящийся световой поток скрещенными поляризаторами задерживается не полностью. Появляется эффект просачивания, т.е. фоновая засветка, снижающая контрастность воспроизводимого изображения. Необходимость направленного светового излучения ведет к тому, что изображение на ЖК экране воспринимается с номинальной яркостью в узком угловом интервале (10...15° относительно нормали к экрану). Отклонение от заданных углов наблюдения ведет к существенному уменьшению яркости экрана.

		Рисунок 9.13. Конструкция ЖК электронно-оптического модулятора света: 1 — поляризатор; 2 — полосковые электроды; 3 — стеклянные пластины; 4 — жидкий кристалл; 5 — поляризатор-анализатор
	Рисунок 9.12. Зависимость интенсивности света на выходе электронно-оптического модулятора от угла поворота плоскости поляризации

Модуляционная характеристика ЖК ячейки (см. рис. 9.12) существенно нелинейна, что заметно уменьшает число воспроизводимых градаций яркости. Поэтому видеосигнал перед подачей на ЖК ячейку необходимо подвергнуть нелинейной обработке, корректирующей форму модуляционной характеристики ячейки.

Рисунок 9.14. Принцип работы экрана на жидких кристаллах:

, f_с = 15625 Гц.

Устройство и принцип работы ЖК-модулятора наглядно показаны на рис. 9.15. Молекулы ЖК-материала обладают дипольным моментом. Взаимодействие электрических полей диполей образуют спиралевидную структуру из молекул ЖК-материала. Слои ориентирующего покрытия на верхней и нижней подложках при взаимодействии с дипольной структурой жидких кристаллов обеспечивают в отсутствие электрического поля закрутку спирали на 90º. Этот слой ЖК (LCD) обладает свойством поляризации проходящего светового потока. Векторы плоскостей поляризации верхнего и нижнего поляризационных фильтров (поляроидов) повернуты относительно друг друга на 90º. В результате плоскость поляризации светового луча в процессе прохождения слоя из ЖК поворачивается на 90º (рис.9.16, 9.17а).Теперь уже ориентация плоскости поляризации этого светового потока совпадает с плоскостью поляризации переднего поляроида, обращенного к зрителю, и поток проходит через него почти без потерь. То есть при отсутствии напряжения ячейка прозрачна благодаря повороту вектора поляризации на 90º. Если теперь приложить электрическое поле, то спиралевидная структура в слое ЖК-материала разрушается и свойства лучепреломления уменьшаются (и даже совсем исчезают) (рис.9.17б). Проходящий через слой ЖК поток света не изменяет вектор поляризации и поглощается в поляроиде, обращенном к зрителю. Таким образом, эффект имеет два оптических состояния – прозрачное и непрозрачное. При этом коэффициент светопропускания зависит от амплитуды напряжения входного сигнала, то есть в присутствии электрического поля поворот вектора поляризации происходит на угол меньший 90º.

а)

б)

Рисунок 9.15. Принцип работы ЖК-экрана.

Рисунок 9.16. Механизм поворота плоскости поляризации светового луча на 90º при прохождении одной панели

а) напряжения нет

б) напряжение есть

Рисунок 9.17. Механизм поворота вектора поляризации светового потока:

а) при отсутствии напряжения; б) при наличии напряжения.

Изображение получается путем проекции равномерного светового потока на ЖК-экран, который работает на просвет в отличие от киноэкрана. Роль кинопленки выполняют ячейки жидких кристаллов (пространство на пересечении горизонтальных и вертикальных электродов). Коэффициент светопропускания этих ячеек зависит от прикладываемого напряжения, то есть ячейки играют роль световых клапанов, коэффициент светопропускания которых не изменяется в течение времени передачи кадра. С приходом очередного импульса сигнала коэффициент изменяется в соответствии с амплитудой приходящего сигнала. Развертка осуществляется путем подачи тактовых импульсов на вертикальные электроды (колонки) и сигнальных импульсов на горизонтальные. Переключение горизонтальных шин осуществляется с частотой строк (кадровая развертка), определяемой стандартом на вещание. Необходимо помнить, что 50% светового потока теряется при прохождении заднего поляризатора (от зрителя), поверхность которого равномерно освещается люминесцентной лампой (рис. 9.15а, б).

Исследования показали, что если увеличить закрутку спирали молекул ЖК-материала от 90º до 180º или даже до 270º, то можно резко увеличить крутизну вольт-контрастной характеристики. При этом контраст изображения возрастает до 480:1 и более. При этом повышается и линейность вольт-контрастной характеристики. При указанной закрутке спирали молекул ЖК возможно изменение полярности изображения без изменения полярности подаваемого сигнала.

ЖК экраны обладают рядом преимуществ перед кинескопными, среди которых малая толщина экрана, пониженное потребление энергии, малый вес, высокое разрешение — 1024x768 точек, высокая яркость (200...250 кд/м²) и контрастность 300:1, отсутствие геометрических искажений, отсутствие искажения растров и их мелькания. Эти экраны широко используются в компьютерных мониторах, карманных и автомобильных цветных телевизорах, в видоискателях бытовых и профессиональных видеокамер.

Среди преимуществ ЖК-экранов следует отметить отличную фокусировку, отсутствие геометрических искажений и ошибок в совмещении цветов. Кроме того, у них никогда не мерцает экран. Почему? В этих экранах не используется электронный луч, рисующий растр слева направо и сверху вниз, при этом яркость элемента падает к концу кадра до 5-10%. Ячейки ЖК-экранов никогда не гаснут, они просто меняют интенсивность своего свечения один раз за время кадра в момент прихода сигнала.