Жидкокристаллические дисплеи

Жидкокристаллические дисплеи носят обозначение LCD (Liquid Crystal Displays)- дисплей на жидких кристаллах. Они имеют принципиально иное строение, нежели CRT-мониторы. Известно, что существуют три агрегатных состояния вещества: твёрдое, жидкое и газообразное. Твёрдое состояние отличается от двух других упорядоченным расположением молекул. Исключение представляют жидкие кристаллы, способные приобретать упорядоченное расположение молекул как твёрдые вещества, и в то же время сохраняющие свойство текучести, подобно жидкости. В физике это называется мезофазой, промежуточной фазой (в данном случае между кристаллической и жидкой фазами агрегатного состояния). Существует несколько видов жидких кристаллов, экраны LCD-дисплеев чаще всего изготавливают на основе цианофенила.

Работа LCD-дисплеев основана на явлении поляризации светового потока. Позади LCD- дисплея расположен источник света (подсветка). Преобразуя пропускаемый световой поток, дисплей формирует на экране (своей лицевой стороне) требуемое изображение. Известно, что кристаллы-поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы “просеивает” свет, этот эффект называется “поляризацией света”. Жидкие кристаллы обладают выраженной анизотропией - зависимостью физических параметров от внешнего воздействия- света, давления и т.д. Электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, или протекающий через него электрический ток способны переориентировать молекулы. Под действием внешнего электрического поля молекулы жидкого кристалла выстраиваются в упорядоченную структуру. Свет, пропущенный через такую среду, приобретает направленную поляризацию.

Экран LCD- дисплея представляет собой массив маленьких сегментов (пикселов), которые управляются независимо друг от друга и формируют общее изображение. LCD- дисплей имеет сложную структуру и состоит из нескольких слоёв. Тонкий слой жидких кристаллов заключён между двух параллельных близко расположенных стёкол (подложек). Подложки изготавливают из свободного от натрия и очень прозрачного стекла. На обе подложки нанесены продольные бороздки. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Бороздки направляют жидкие кристаллы. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах одинаково ориентируются во всех ячейках. Это позволяет обеспечить одинаковые повороты плоскости поляризации света для всех ячеек. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематических) способны в отсутствии электрического напряжения поворачивать вектор электрического и магнитного поля (плоскость поляризации) световой волны. Жидкие кристаллы, расположенных между подложками, выстраивают спиралевидные структуры, способные поворачивать плоскость поляризации светового луча на 90^о (иначе говоря, их торсионный угол, т.е. угол кручения ориентации кристаллов внутри LCD-дисплея, равен 90^о). На обратные стороны подложек нанесены полоски прозрачных проводников: на одном стекле горизонтальных, на другом- соответственно вертикальных. Таким образом при установке подложек в дисплей создаётся матрица из множества пар прозрачных проводников. Подавая напряжение на требуемые пары проводников, можно создавать электрический потенциал в любой точке матрицы. При появлении электрического поля молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вдоль поля, в результате угол поворота плоскости поляризации света в кристаллах становится отличным от 90^о. Человеческий глаз не способен зафиксировать изменение плоскости поляризации без дополнительных устройств, поэтому для усиления оптического эффекта используются два дополнительных стекла- поляризационные фильтры, расположенные с лицевой и обратной стороны дисплея. Эти фильтры пропускают через себя без потерь поток света с соответствующей осью поляризации и поглощают остальную часть светового потока. Фильтр, расположенный со стороны подсветки дисплея, называется поляризатором, а фильтр на выходе светового потока из дисплея называют анализатором. Поляризатор и анализатор расположены так, что их плоскости поляризации света перпендикулярны друг другу.

При отсутствии электрического напряжения отдельно взятая ячейка LCD-дисплея будет прозрачна и на экран выводится светящаяся точка; если подать напряжение, ячейка перестанет пропускать сквозь себя свет и свечение точки на экране прекратится, экран в этом месте станет чёрным. Порядок преобразования светового потока, проходящего сквозь ячейку LCD-дисплея таков: первый поляризационный фильтр (поляризатор) пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Поляризованный свет далее поступает на жидкие кристаллы. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается на 90^о, и к моменту прохождения пучка лучей к анализатору плоскость поляризации света уже повёрнута в направлении, совпадающим с плоскостью поляризации анализатора, поэтому свет проходит второй поляризационный фильтр без помех и на экране видно свечение. Если на прозрачные проводники, ведущие к ячейке с жидкими кристаллами, подать ток, то при наличии электрического поля поворот вектора поляризации в жидких кристаллах происходит на меньший угол, тем самым поляризация света, поступающего к анализатору, будет отличаться от поляризации этого фильтра и он становится только частично прозрачным для излучения. Регулируя величину напряжения, можно добиваться того, что молекулы жидких кристаллов будут поворачиваться на разный угол, обеспечивая слабую смену поляризации и, как следствие, частичное пропускание света анализатором. Так организуются градации яркости.

Если разность потенциалов, подаваемых на ячейку жидких кристаллов будет такой, что поворота плоскости поляризации света, проходящего через жидкие кристаллы, не произойдёт совсем, то вектор поляризации поступающего к анализатору света будет перпендикулярен плоскости поляризации анализатора и световой луч будет полностью поглощён этим поляризационным фильтром. В итоге освещаемый сзади экран будет спереди казаться чёрным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью).

Рис.7.1. Принцип работы LCD-дисплея

Для вывода цветного изображения на экран жидкокристаллического дисплея могут использоваться два способа. Требуемый цвет ячейки может достигаться использованием трёх фильтров, расположенных друг за другом, которые выделяют из белого света подсветки дисплея три основные цвета – красный, синий и зелёный. Жидкие кристаллы являются своего рода шторками, которые в той или иной мере либо пропускают, либо не пропускают световой поток через соответствующие светофильтры. При комбинировании трёх основных цветов для каждой ячейки экрана появляется возможность воспроизвести любой цвет и яркость. Такой способ формирования цвета сопровождается снижением яркости проходящего сквозь экран излучения. Во втором случае изменением напряжённости электрического поля меняется угол поворота плоскости поляризации света задней подсветки экрана. Поскольку изменение угла происходит по-разному для световых волн разной длины (т.е. разного цвета), это позволяет варьированием напряжения выделять из светового потока для данной жидкокристаллической ячейки экрана требуемый цвет. Подобный метод формирования цвета сложнее, но эффективнее.

Компания Samsung Electronics наладила выпуск LCD на тонкоплёночных транзисторах (TFT-LCD) со светодиодной подсветкой, не требующей применения светофильтров. В этих панелях используется метод обработки цвета с высокоскоростным регулированием степени прозрачности жидких кристаллов и продолжительности свечения красных, зеленых и синих (RGB) светодиодов подсветки в нужном соотношении, которое рассчитывается специальным процессором. Время отклика при этом составляет не более 5 мс. За счет сочетания световых потоков RGB в точных пропорциях новая ЖК-панель обеспечивает высокую цветовую насыщенность изображения. Яркость свечения достигает 500 кд/кв.м при потребляемой мощности всего 82 Вт.

Рис.7.2. TFT-LCD-панель с подсветкой из цветных светодиодов

При формировании изображения на экране LCD-дисплея, как и на CRT-дисплее, выполняется сканирование точек, т.е. электрический потенциал сначала подаётся на одну жидкокристаллическую ячейку, затем на вторую и т.д., до 786432-й точки (если разрешение равно 1024х768). Сканирование ячеек экрана выполняется сверху вниз слева направо, потом повторяется сначала. Таким образом, отдельно взятая ячейка получив электрический сигнал, затем 786432 сигналов пропускает, ожидая своей очереди. Чтобы в этих условиях сохранить свечение ячейки, жидкий кристалл должен обладать высокой инертностью, удерживая своё состояние достаточно долго- около 300 миллисекунд. Это время срабатывания ячеек LCD-дисплея называют скоростью реакции или временем отклика. LCD-дисплеи, имеющие скорость реакции сотни миллисекунд, называются дисплеями с пассивной матрицей (passive matrix). Такие конструктивные решения применялись на ранних моделях. При выводе на экран динамично перемещающихся объектов изображение на этих дисплеях " размывалось", поскольку не успевало своевременно обновляться в силу большой инертности ячеек матрицы. Подобного недостатка лишены LCD- дисплеи с активной матрицей (active matrix). Их отличие заключается в дополнительном полупроводниковом слое, содержащем для каждой ячейки экрана запоминающий транзистор, хранящий цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1), позволяющую удерживать статус каждой точки матрицы на протяжении всего времени между сканирующими сигналами. Это позволяет использовать " быстрые" кристаллы, поскольку изображение в этом случае удерживается не инертностью кристалла, а транзисторной схемой. Запоминающие транзисторы у дисплеев с активной матрицей должны изготавливаться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них. Для этих целей используют пластиковую плёнку- тонкоплёночный транзистор (Thin Film Transistor, TFT), размещаемую на подложке дисплея. Толщина этой плёнки 0, 1 – 0, 01 мкм. Скорость реакции TFT-мониторов (скорость изменения цвета жидкого кристалла) достигла приемлемых величин порядка 5- 10 мс, хотя и этих значений бывает недостаточно для отображения динамичного видео и активных трёхмерных игр.

Помимо сокращения времени отклика, некоторые современные жидкокристаллические дисплеи используют технологию " сканирующая подсветка" (Scanning Backlight). Технология предусматривает то, что подсветка сканирует экран сверху вниз, попеременно включая и выключая лампы, что напоминает принцип работы электронно-лучевой трубки. Это позволяет увеличить частоту смены кадров на LCD с 50 до 75 Гц. Выключением подсветки в момент смены кадров можно значительно повысить четкость, поскольку глаз не заметит неизбежного в это время размазывания контуров. Подобная технология стала возможной после появления ламп с быстрым запуском, а после их замены светодиодами (такие дисплеи появляются всё чаще) будет реализовываться очень просто. Субъективные экспертизы показали, что такой прием на треть повышает воспринимаемую четкость изображения. Смена же кадров с частотой 75 Гц практически полностью исключает появление артефактов движения в виде тянущихся шлейфов.

Основные характеристики LCD-дисплеев