Жидкокриссталлические экраны

Принцип работы

Экраны LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности, оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

Работа  ЖКД основана на явлении поляризации  светового потока. Известно, что  так называемые 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. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD для настольных компьютеров.

Экран LCD представляет собой массив маленьких  сегментов, называемых пикселями, которыми можно манипулировать для отображения  информации. LCD имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного  материала, называемого субстрат или  подложка. Слои собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между  собой (см. рис. 1). На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу.

Жидкокристаллическая  панель освещается источником света (в  зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение  света). Как видно на рисунке 2, плоскость  поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной  панели. При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль  поля, угол поворота плоскости поляризации  света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через  жидкие кристаллы.

Поворот плоскости поляризации светового  луча незаметен для глаза, поэтому  возникла необходимость добавить к  стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные  фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации  соответствует заданному. Поэтому  при прохождении поляризатора пучок  света будет ослаблен в зависимости  от угла между его плоскостью поляризации  и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как  первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка  ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор  без проблем.

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что  поворота плоскости поляризации  в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью  поглощен вторым поляризатором, и экран  при освещении сзади будет  спереди казаться черным (лучи подсветки  поглощаются в экране полностью) (см. рис. 4б). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут принимать любую форму. Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD-монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD. 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, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.  
Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством 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 (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.

Первые LCD были очень маленькими, около 8 дюймов по диагонали, в то время как сегодня  они достигли 15-дюймовых размеров для  использования в ноутбуках, а  для настольных компьютеров производятся LCD с диагональю 20-дюймов и более. Вслед за увеличением размеров следует  увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью  появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее. Одной  из первых проблем была необходимость  стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN технологии.

Функциональные  возможности LCD-мониторов с активной матрицей почти такие же, как у  дисплеев с пассивной матрицей. Разница  заключается в матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов дисплея. В случае с пассивной  матрицей разные электроды получают электрический заряд циклическим  методом при построчном обновлении дисплея, а в результате разряда  емкостей элементов изображение  исчезает, так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В случае с активной матрицей к  каждому электроду добавлен запоминающий транзистор, который может хранить  цифровую информацию (двоичные значения 0 или 1) и в результате изображение  сохраняется до тех пор, пока не поступит другой сигнал. Частично проблема отсрочки затухания изображения в пассивных матрицах решается за счет использования большего числа жидкокристаллических слоев для увеличения пассивности и уменьшения перемещений, теперь же, при использовании активных матриц появилась возможность сократить число жидкокристаллических слоев. Запоминающие транзисторы должны производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы. Для этих целей используются пластиковые пленки, называемые Thin Film Transistor (или просто TFT).  
Thin Film Transistor (TFT), то есть тонкопленочный транзистор, это те управляющие элементы, при помощи которых контролируется каждый пиксель на экране. Тонкопленочный транзистор действительно очень тонкий, его толщина 0,1–0,01 мкм.  
В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний (a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si).  
Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число используемых транзисторов очень велико. Заметим, что монитор, который может отображать изображение с разрешением 800х600 пикселей в режиме SVGA и только с тремя цветами имеет 1440000 отдельных транзисторов. Производители устанавливают нормы на предельное количество транзисторов, которые могут быть нерабочими в LCD-панели. Правда, у каждого производителя свое мнение о том, какое количество транзисторов могут не работать. 
Пиксель на основе TFT устроен следующим образом: в стеклянной пластине друг за другом интегрировано три цветных фильтра (красный, зеленый и синий). Каждый пиксель представляет собой комбинацию трех цветных ячеек или субпиксельных элементов (см. рис. 7). Это означает, например, что у дисплея, имеющего разрешение 1280x1024, существует ровно 3840x1024 транзистора и субпиксельных элемента. Размер точки (пикселя) для 15,1-дюймового дисплея TFT (1024x768) приблизительно равен 0,0188 дюйма (или 0,3 мм), а для 18,1-дюймового дисплея TFT — около 0,011 дюйма (или 0,28 мм).

TFT обладают рядом преимуществ перед  ЭЛТ-мониторами, среди которых — пониженное потребление энергии и теплоотдача, плоский экран и отсутствие следа от движущихся объектов. Последние разработки позволяют получить изображение более высокого качества, чем обычные TFT.

Что такое  поляризатор и какую роль он выполняет  в работе жидкокристаллического  элемента? Какую роль выполняют электроды  внутри жидкокристаллического элемента?

Поляриза́тор —- устройство, предназначенное для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения из излучения с произвольным состоянием поляризации. В соответствии с типом поляризации, получаемой с помощью поляризаторов, они делятся на линейные и круговые. Линейные поляризаторы позволяют получать плоскополяризованный свет, круговые — свет, поляризованный по кругу.

Линейные  поляризаторы основаны на использовании  одного из трёх физических явлений. Одно из них — двойное лучепреломление, другое — линейный дихроизм и третье — поляризация света, происходящая при отражении на границах раздела сред. Круговые поляризаторы обычно представляют собой совокупность линейного поляризатора и четвертьволновой пластинки.

Поляризаторы  используются при изучении распределений механических напряжений в прозрачных объектах с помощью поляризованного света, при изучении структуры органических веществ, в сахариметрии и в особенности в кристаллооптике. Широко применяются в фотографических поляризационных светофильтрах.

Устройство

Для большинства практических применений поляризационный фильтр изготавливают в виде двух стеклянных пластинок с находящейся между  ними поляроидной плёнкой, обладающей линейным дихроизмом. Поляроидная плёнка представляет собой слой ацетилцеллюлозы, содержащий большое количество мелких кристаллов герапатита (иодистое соединение сернокислого хинина). Применяются также иодно-поливиниловые плёнки с одинаково ориентированными полимерными цепями. Идентичность ориентации кристаллов достигается с помощью электрического поля, а полимерные цепи ориентируют механическим растяжением. Фильтр с круговой поляризацией дополнительно имеет, кроме того, еще и оптический компенсатор — четвертьволновую фазовую пластинку (по вносимой ею разности хода). В ней используется явление двойного лучепреломления в кристаллах. Скорости обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле (а следовательно, и оптические длины их путей) различны; поэтому, проходя через кристалл, они приобретают разность хода, определяемую его толщиной. Она ставится, по пути следуемого луча, за поляризатором и при сборке поворачивается до тех пор, пока её оптические оси не совпадут с осями колебаний. В этом положении четвертьволновая пластинка превращает свет поляризованный линейно, в свет с круговой поляризацией (или наоборот,) дополняя разность хода до 90 градусов.

Типы и применение

• Поляризационный фильтр линейной поляризации (англ. Linear Polarizer, LP). Содержит один поляризатор, поворачивающийся в оправе. Его применение основывается на том, что часть света в окружающем нас мире поляризована. Частично поляризованы все лучи, неотвесно падающие отражённые от диэлектрических поверхностей. Частично поляризован свет, поступающий от неба и облаков. Поэтому, применяя поляризатор при съёмке, фотограф получает дополнительную возможность изменения яркости и контраста различных частей изображения. Например, результатом съёмки пейзажа в солнечный день с применением такого фильтра может получиться тёмное, густо-синее небо. При съёмке находящихся за стеклом объектов поляризатор позволяет избавиться от отражения фотографа в стекле.
• Для съёмки в условиях низкой освещённости выпускаются Low Light Polarizer, частично поляризующие свет и потому имеющие низкую кратность. При сложении двух таких фильтров перпендикулярно их плоскостями поляризации вместо полного гашения светового потока получается 2/3 величины потока.
• Фильтр с круговой поляризацией (англ. Circumpolar, CP, CPL). Помимо поляризатора, содержит так называемую «четвертьволновую пластинку», на выходе которой линейно-поляризованный свет приобретает круговую поляризацию. С точки зрения получаемого на снимке эффекта, круговой поляризатор ничем от линейного не отличается. Появление таких фильтров было продиктовано развитием элементов TTL автоматики фотоаппарата, которые, в отличие от фотоматериала, оказались зависимы от того, является ли попадающий на них через объектив свет поляризованным. В частности, линейно-поляризованный свет частично нарушает работу автоматики фазовой фокусировки в зеркальных фотоаппаратах и затрудняет экспозамер.
• Составные нейтральные фильтры. Если сложить вместе два поляризатора, то при совпадающих плоскостях поляризации такой фильтр имеет максимальное светопропускание (и эквивалентен нейтрально-серому фильтру 2x). При перпендикулярных же направлениях поляризации при идеальных поляризаторах фильтр полностью поглощает падающий на него цвет. Выбирая угол поворота, можно в очень широких пределах менять светопропускание такого фильтра.
• Составные цветные поляризационные фильтры. Они состоят из двух поляризующих фильтров, которые можно вращать, и между ними находится пластинка, поворачивающая плоскость поляризации света. Из-за того, что угол поворота зависит от длины волны, при каждом положении поляризаторов часть спектра проходит сквозь такую систему, а часть задерживается. Поворот же поляризаторов друг относительно друга приводит к изменению спектральной характеристики фильтра. Выпускаются, например, красно-зелёные фильтры Cokin Р170 Varicolor Red/Green и оранжево-голубой Cokin Р171 Varicolor Red/Blue.
• Электронно управляемые фильтры. Если в качестве второго поляризатора в конструкции составных фильтров используется жидкокристаллический элемент, это позволяет управлять свойствами фильтра непосредственно в процессе съёмки.
• В астрономии поляризационные фильтры входят в состав инструментов, предназначенных для изучения степени линейной и круговой поляризации света космических объектов. Поляризационные наблюдения являются основным способом получения информации о силе магнитного поля в областях генерации излучения, например, на белых карликах.