Экраны на жидких кристаллах
Антон Орлов, http://antorlov.chat.ru
Когда большинство людей слышат слово "компьютер", то они при этом обычно представляют себе два больших ящика, наполненных электроникой. Один из них - это системный блок. Ну, а второй - это монитор, основное устройство вывода информации.
Однако монитор не всегда должен быть "большим ящиком". Вы ведь неоднократно видели ноутбуки - портативные компьютеры, и их экран представлял из себя тонкую пластинку. А сейчас во многих фирмах, поставляющих компьютерные комплектующие, появились плоские мониторы, которые можно даже повесить на стену. И наверняка вас занимал вопрос об устройстве этих экранов, тем более что в отличие от описания принципов работы электронно-лучевых трудок, использующихся в телевизорах и компьютерных мониторах, в школьной программе про такие экраны не рассказывалось.
Свет, который нас окружает, как все мы может узнать из курса школьной физики, имеет и волновые свойства. В частности, у каждой его единицы - волны есть такой параметр, как направление плоскости колебания - как, скажем, у веревки, которую одним концом привязали к забору, а другой конец дергают вверх-вниз, направление плоскости колебания будет вертикальным, а если ее дергать вправо-влево, то оно будет горизонтальным. Обычный свет от лампы, Солнца, свечи содержит в себе волны со всеми направлениями колебаний.
Существуют вещества с кристаллической структурой, которые обладают удивительным свойством - они способны пропускать через себя только волны света со вполне определенным направлением колебаний. В результате после прохождения пучка света через пластину из такого вещества (именуемую поляризационным фильтром) все его световые волны будут иметь одинаковое направление плоскости колебаний. Причем частотные характеристики каждой световой волны (то есть цвет пучка света) не изменятся - только немного уменьшится яркость пучка.
Свет поляризуется - то есть все его волны приобретают одинаковое направление плоскости колебаний. Формируется плоскость поляризации света - то есть единственная оставшаяся плоскость, в которой происходят колебания световых волн после прохождения через поляризационный фильтр.
Вещества, именуемые жидкими кристаллами, обладают двумя важными свойствами. Во-первых, при прохождении через их слой поляризованного света его плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов. А, во-вторых, при подаче электростатического поля на слой жидких кристаллов их структура изменяется и такого поворота плоскости поляризации прошедшего через их слой света не происходит.
А теперь представьте себе "бутерброд" из двух поляризационных фильтров с плоскостями поляризации, перпендикулярными друг другу, а между ними - слой жидких кристаллов. Если эта конструкция находится вне электростатического поля, то свет проходит через первый фильтр, поляризуется, поворачивает свою плоскость поляризации на 90 градусов в слое кристаллов и свободно проходит через второй фильтр.
Но если на слой жидких кристаллов подать электростатическое поле, то плоскость поляризации проходящего через них света не повернется на 90 градусов и не пройдет через второй фильтр! Получится "затвор" для света - со стороны будет видно, как внезапно трехслойная конструкция стала темной, непрозрачной.
Более того - если изменять напряженность электростатического поля, то прозрачность слоя из фильтров и кристаллов будет постепенно изменяться! То есть при малой напряженности поля трехслойная конструкция будет лишь слегка замутненной, при средней - достаточно темной, а при сильном поле - полностью непрозрачной. Это и понятно - ведь чем мощнее поле, тем сильнее изменяется структура кристаллов и тем большее количество молекул кристаллов изменяют свою конфигурацию.
В LCD-мониторах используется именно этот эффект. Делается матрица из множества мелких жидкокристаллических ячеек. Каждые несколько (обычно три) стоящих вокруг одного центра ячеек соответствуют одному пикселу изображения.
За матрицей и перед ней помещаются поляризационные фильтры с перпендикулярными направлениями поляризации. А к одному из этих фильтров прикрепляется сетка из красных, зеленых и синих светофильтров, каждый из которых точно совмещается с соответствующей ячейкой матрицы. К каждой ячейке матрицы подводится микроэлектрод для создания электростатического поля. А за всем этим сооружением размещается лампа для подсветки (рис.15.1).
В результате, управляя прозрачностью ячеек с жидкими кристаллами с помощью подачи на них электростатического поля, можно формировать изображение. Комбинируя сочетания количества красных, зеленых и синих ячеек в каждой их группе и различную прозрачность каждой ячейки, можно получать различные цвета. Чем больше возможность регулировать напряженность электростатического поля на каждой ячейке, тем больше разных цветов может экран передавать.
Для просмотра изображения на жидкокристаллическом экране не обязательно иметь подсветку. Можно использовать и отраженный свет. Только в этом случае дальний от экрана поляризационный фильтр следует заменить зеркалом. В этом случае вне действия электростатического поля свет пройдет через наружный фильтр, повернется в слое жидких кристаллов на 90 градусов, отразится от зеркала и снова пройдет через кристаллы, и в результате развернется на 180 градусов, что позволит ему вновь пройти через наружный фильтр. А при наличии на кристаллах электростатического поля этого не произойдет.
Рис.15.1. Один элемент жидкокристаллического экрана
Используя полупрозрачный дальний от экрана фильтр, можно сочетать работу с задней подсветкой и работу в отраженном свете.
Для того, чтобы получить возможность подавать напряжение на каждую отдельную ячейку с жидкими кристаллами, под жидкокристаллическую матрицу, содержащую эти ячейки, помещается матрица такого же размера из тонкопленочных транзисторов, пропускающих свет. К каждому столбцу и строке транзисторов с края матрицы подводятся электроды. Транзисторы устроены так, что они создают электростатическое поле лишь тогда, когда и на строку, содержащую этот транзистор, и на его столбец будет подано определенное напряжение.
Подавая ток на электроды строк и столбцов, можно тем самым управлять каждым транзистором. Процесс преобразования данных, посылаемых видеокартой компьютера, в сигналы транзисторам выполняет специальный преобразователь, встроенный в монитор.
Нетрудно понять все трудности при разработке и производстве жидкокристаллических дисплеев. Во-первых, сделать матрицу с миллионами ячеек с одинаковым качеством нелегко - ведь экран с разрешением 1024*768 точек имеет 786432 точки-пиксела, каждый из которых состоит из трех единиц - красного, зеленого и синего субпикселов. То есть всего в экране такого разрешения должно быть 2359296 (т.е.больше двух миллионов!) жидкокристаллических ячеек. Добиться, чтобы они все полноценно работали, очень трудно - наверняка некоторые из ячеек окажутся дефектными и не будут пропускать свет. Поэтому жидкокристаллические мониторы с большим размером экрана делают из двух-трех отдельных матриц, соединяя их вместе.
Для того, чтобы жидкокристаллический монитор мог передавать оттенки цветов, необходимо точно дозировать напряжение на каждой из ячеек, а транзисторы, предназначенные для этого, покамест не обладают такой возможностью. Кроме того, трудно добиться нормальной яркости изображения, особенно при работе в отраженном свете, - ведь при этом свету надо проходить через множество светофильтров. Поэтому обычный цвет LCD-экрана, работающего в отраженном свете - серый.
В отличие от мониторов на электронно-лучевых трубках среди жидкокристаллических дисплеев нет двух одинаковых. Каждая матрица - уникальна. Поэтому при приобретении такого монитора следует внимательно осматривать каждый предлагаемый экземпляр на предмет качества изображения, количества дефектных ячеек.
