Технология LCD.

Технология LCD.

Технология LCD использует особые свойства группы прозрачных химических соединений со скрученными молекулами, которые называют жидкими кристаллами. Скрученные молекулы меняют поляризацию света, проходящего сквозь них. В ЖК-индикаторе поляризационный светофильтр создает две раздельные световые волны. Поляризационный светофильтр пропускает только ту световую волну, у которой плоскость поляризации параллельна его оси. Располагая в ЖК-индикаторе второй светофильтр так, чтобы его ось была перпендикулярна оси первого, можно полностью предотвратить прохождение света (экран будет темным).

Вращая ось поляризации второго фильтра, т.е. изменяя угол между осями светофильтров, можно изменить количество пропускаемой световой энергии, а значит, и яркость экрана. Эти свойства и используются при разработке дисплеев, в которых кристаллы управляют количеством света, проходящего через них. 

Свет генерируется источником подсветки и проходит через поляризационный фильтр. Если такой кристалл не находится под действием электрического поля, то после прохождения света его поляризация меняется (на 90^о в дисплеях Twisted Nematic - т. е. TN, а в системах Scan Twisted Nematic или STN на 180-270°, за счет чего у последних несколько выше яркость и контрастность изображения). 

Так как поляризаторы, расположенные на входе и выходе (того же TN), смещены друг относительно друга также на 90^о, то свет может беспрепятственно проходить через жидкокристаллическую среду.
Если же к прозрачным электродам приложено напряжение, спираль молекул распрямляется (они ориентируются вдоль поля). Поворота плоскости поляризации уже не происходит, и, как следствие, выходной поляризатор не пропускает свет. Таким образом получают темный сегмент на светлом фоне, и наоборот в монохромных дисплеях. Если несколько изменить конструкцию элемента (используя зеркало на выходе второго поляризатора), то темный или светлый сегмент можно увидеть и в отраженном свете. Примером в данном случае может служить индикатор наручных часов. 

Управление яркостью. В ЖК-экранах как с активной, так и с пассивной матрицами, второй поляризационный светофильтр управляет количеством света, проходящим через ячейку. Свет попадает на поляризационный фильтр, установленный под прямым углом к первому, и проходит через него, но если на кристалл действует поле, угол изгиба молекул меняется, и кристалл пропускает только часть падающего света. Ячейки поворачивают плоскость поляризации световой волны таким образом, чтобы она находилась как можно ближе к плоскости поляризации, пропускаемой светофильтром. Чем больше света проходит через светофильтр в каждой ячейке, тем ярче пиксель. Это позволяет управлять яркостью, получая оттенки серого цвета, необходимые для изображений высокого качества. В монохромных (черно-белых) ЖК-экранах градации серого цвета (вплоть до 64) создаются за счет изменения либо яркости ячейки, либо соотношения между количеством включенных и выключенных ячеек, соответствующих одному пикселю. В цветных ЖК-экранах, в свою очередь, на один пиксель приходится три ячейки, и, управляя их яркостью, можно добиться различного цвета изображения на экране.

Управление цветом. В цветном ЖК-индикаторе есть еще один дополнительный светофильтр, который имеет три ячейки на каждый пиксель изображения - по одной для отображения красной, зеленой и синей точек. Световая волна проходит через жидкокристаллическую ячейку, причем каждый цвет имеет свою ячейку. Когда транзисторы активной матрицы выключены, (т.е. через них не проходит ток), жидкие кристаллы не пропускают свет со дна ячейки (верхний рисунок). В ячейке находится три транзистора, по одному для каждого из трех цветов. Каждый из них может быть включен (т.е. может пропускать ток) независимо от других. При его включении происходит переориентация жидких кристаллов, кристалл становится прозрачным. Поэтому он пропускает белый свет. Цветной светофильтр, расположенный перед транзисторами, пропускает свет лишь в узком спектральном интервале вблизи нужного значения длины волны (т.е. только свет определенного цвета). В результате формируется обыкновенная красно-зелено-голубая триада, образующая один элемент изображения. На рис. 1 показан принцип работы подобного дисплея. 

Рис. 1. Работа точки растра цветного LCD-монитора

Дисплей на жидких кристаллах потребляет очень мало энергии, но для подсветки требуется значительная мощность (ресурс устройств подсветки около 20 000 часов). Эти дисплеи самые дешевые среди обширного семейства плоских панельных дисплеев. С их помощью можно получать высококонтрастные цветные изображения. При низкой температуре эти дисплеи замедляют работу. Если температура становится ниже определенного предела, они утрачивают работоспособность.
Каждую ячейку такого экрана можно изобразить в виде простой схемы замещения, представляющей собой RC цепочку. Благодаря видеосигналу конденсатор заряжается, а через очень высокое параллельно включенное сопротивление достаточно долго разряжается. Поскольку время разряда в несколько раз больше, чем время, через которое видеосигнал повторяется, изображение получается устойчивым и контрастным. Возможность изменения амплитуды напряжения позволяет использовать в воспроизводимом изображении различные оттенки цвета. Цветные фильтры размещаются на верхней (ближней к глазу наблюдателя) подложке на внутренней стороне. В качестве материалов для цветных фильтров используются пленки различных материалов красителей. Варианты топологии цветных фильтров приведены на рис. 2.

Рис. 2. Варианты топологии цветных фильтров точек растра на экране LCD-мониторов

Рис. 3. Структура LCD-панели жидкокристаллического TFT монитора и работа пиксела (одного цвета) под управлением напряжения