Принцип действия ЖК-ячейкиЖидкокристаллические мониторы Так же как в обычном мониторе, в ЖК - мониторе изображение представляет собой совокупность отдельных точек - пикселей. Однако принцип действия ЖК - монитора существенно отличается от принципа действия монитора на основе ЭЛТ. Различия заключаются в способах создания светящегося элемента и формирования растра.
В мониторе на основе ЭЛТ минимальным элементом изображения является зерно люминофора, яркость свечения которого зависит от интенсивности падающего на него электронного луча. В ЖК - мониторе минимальным элементом изображения является ЖК - ячейка. В отличие от зерна люминофора, ЖК - ячейка не генерирует свет, а только управляет интенсивностью проходящего света. Для формирования изображения на экране ЖК - монитора не требуется высокое напряжение, поэтому ЖК - мониторы имеют очень низкое энергопотребление.
Принцип действия ЖК-ячейки Жидкий кристалл - это вещество, которое, обладая основным свойством жидкости - текучестью, - сохраняет упорядоченность во взаимном расположении молекул и анизотропию некоторых свойств, характерные для кристаллов. В жидком кристалле молекулы имеют вытянутую, в большинстве случаев сигарообразную форму, чем определяется их некоторая преимущественная ориентация. От ориентации молекул зависят некоторые физические свойства жидкого кристалла, в частности, диэлектрическая проницаемость εи показатель преломления nпр.
Преимущественная ориентация молекул характеризуется вектором D, называемым директором. В зависимости от степени упорядоченности молекул различают три типа жидких кристаллов:
· · смектические; молекулы расположены слоями, а их продольные оси параллельны друг другу;
· · нематические; молекулы параллельны друг другу, но смещены вдоль своих продольных осей на произвольные расстояния. Послойная структура отсутствует. В ЖК - ячейке используются именно нематические кристаллы (в переводе с греческого «нематический» означает «нитевидный»);
· · холестерические; повторяют структуру нематических кристаллов, но направление директора изменяется по спирали. Образуется винтовая структура жидкого кристалла.
Итак, ЖК - ячейка - это тонкий слой жидкого кристалла (толщиной несколько десятков микрометров), заключенный между двумя стеклами из специального материала, называемыми подложками. Благодаря механической обработке (на внутреннюю поверхность подложки наносятся микроскопические канавки), подложки оказывают на молекулы жидкого кристалла ориентирующее действие, характеризующееся вектором ориентирующего действия. В зависимости от способа обработки поверхностей подложек и направления вектора ориентирующего действия в нематическом жидком кристалле можно получить три вида ориентации молекул:
· · планарную (гомогенную); все молекулы ориентированы параллельно друг другу и обоим подложкам;
· · нормальную (гомеотропную); все молекулы ориентированы параллельно друг другу и перпендикулярно (по нормали) обоим подложкам;
· · закрученную (твистированную); так же как и при планарной ориентации, молекулы жидкого кристалла располагаются параллельно подложкам, но векторы ориентирующего действия подложек развернуты относительно друг друга. В результате директор жидкокристаллического вещества плавно изменяет свою ориентацию.
Пространственная ориентация молекул ЖК в так называемом положении отдыха называется порядком жидких кристаллов. Согласно классификации Фриделя, различают три основные категории порядка ЖК: смектический, нематический и холестерический (рис.1).
Рисунок 1 – Типы жидких кристаллов
Принцип действия ЖК - ячейки основан на том, что ориентация молекул жидкокристаллического вещества, а вместе с ней и показатель преломления nпр зависят не только от ориентирующего действия подложек, но и от наличия внешнего электрического поля. Прикладывая напряжение к подложкам ячейки, можно управлять ее оптическими свойствами.
Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой. 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).
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 2.4б]. 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 иметь 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 дисплея. 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.
При построении ЖК - мониторов наибольшее распространение получили ЖК - ячейки с твистированной ориентацией. Их называют также твист - ячейками (от англ. twist - закручивать) или Twisted Nematic - твистированная нематическая ячейка. В качестве подложек используется специальное стекло, пропускающее свет только с определенной поляризацией. Верхняя подложка называется поляризатором, нижняя - анализатором. Между подложками находится нематическое жидкокристаллическое вещество с твистированной ориентацией молекул. Векторы поляризации подложек, так же как и векторы их ориентирующего действия, развернуты на 90° относительно друг друга.
При отсутствии внешнего электрического поля молекулы жидкокристаллического вещества сохраняют свою ориентацию (рис. 1.2, а).
Рисунок 1.2 - Принцип действия ячейки ЖК – монитора.
Падающий на ячейку свет проходит через поляризатор и приобретает определенную поляризацию, совпадающую с направлением директора жидкокристаллического вещества у поверхности поляризатора. По мере распространения света по направлению к нижней подложке (анализатору) его плоскость поляризации поворачивается вместе с директором на 90°. Достигнув анализатора, свет свободно проходит через него, поскольку плоскость его поляризации совпадает с плоскостью поляризации анализатора. В результате ЖК - ячейка оказывается прозрачной.
Ситуация изменится, если к подложкам приложить напряжение 3 - 10 В. В этом случае между подложками возникнет электрическое поле и молекулы жидкокристаллического вещества расположатся так, что директор будет ориентирован параллельно силовым линиям поля (рис. 1.2, б). Твистированная структура жидкокристаллического вещества нарушается, и поворота плоскости поляризации проходящего через него света не происходит. В результате плоскость поляризации света не совпадает с плоскостью поляризации анализатора и ЖК - ячейка оказывается непрозрачной.
Таким образом, ЖК - ячейка, по сути, является светофильтром с электрическим управлением (электронно - оптическим модулятором) и нуждается во внешней подсветке. В качестве подсветки используются три системы: просветная, отражательная и просветно - отражательная.
При работе с ЖК - ячейкой, принцип действия которой описан выше, используется просветная система подсветки. При использовании отражательной системы ЖК - ячейка дополнительно снабжается специальным зеркалом, расположенным за анализатором и отражающим прошедший через него свет (рис. 1.3, а). Если напряжение между подложками отсутствует, поворот плоскости поляризации света происходит дважды: при распространении света в прямом и обратном направлениях. При обратном распространении поляризатор выполняет функцию анализатора и пропускает отраженный от зеркала свет. Если к подложкам приложить напряжение, падающий свет поглотится анализатором и не дойдет до зеркала. Ячейка оказывается темной. Изображение на экране ЖК - мониторов с такими ячейками хорошо видно только при достаточном внешнем освещении.
В комбинированной, просветно - отражательной системе подсветки используется полупрозрачное зеркало, за которым размещается лампа подсветки (рис. 1.3, б). В результате ЖК - ячейка может работать как на просвет, так и на отражение. Комбинированная система подсветки является наиболее эффективной, поскольку позволяет работать при любом освещении. В настоящее время именно она получила наиболее широкое распространение.
Рисунок 1.3 - Отражательная (а) и просветно - отражательная (б) системы подсветки ЖК – ячейки.
В качестве ламп подсветки ЖК - экранов используют специальные электролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. В зависимости от места расположения подсветки экраны бывают с подсветкой сзади (backlight, или backlit) и с подсветкой по бокам (sidelihgt, или sidelit).
Если пиксель изображения образован единственной ЖК - ячейкой, изображение на экране будет монохромным. Для получения цветного изображения ЖК - ячейки объединяют в триады, снабдив каждую из них светофильтром, пропускающим один из трех основных цветов.
Преобразование сигнал - свет, выполняемое любым электронно - оптическим устройством, описывается соответствующей характеристикой. Например, ЭЛТ обычного монитора имеет модуляционную характеристику, описывающую зависимость яркости свечения люминофора от управляющего напряжения на модуляторе электронной пушки. Поскольку ЖК - ячейка является пассивным оптическим элементом и не излучает свет, ее оптическим параметром является не яркость, а контрастность, определяемая как отношение яркостей ячейки в прозрачном и непрозрачном состояниях. Зависимость контрастности ЖК - ячейки от приложенного напряжения называется вольт - контрастной характеристикой. Типичная вольт -контрастная характеристика ЖК - ячейки представлена на рис. 1.4.
Рисунок 1.4 - Вольт - контрастная характеристика ЖК – ячейки.
Выполнение преобразования сигнал - свет не является единственной технической проблемой при создании ЖК - монитора. Необходимо обеспечить также своевременную подачу управляющих сигналов на каждую ЖК - ячейку, соответствующую конкретному пикселю изображения, в течение одного периода кадровой развертки.
В мониторе на основе ЭЛТ эта задача решается автоматически в процессе развертки, поскольку развертывающий элемент - электронный луч - обеспечивает последовательную засветку всех зерен люминофора.
В ЖК - мониторе электронного луча нет, поэтому для подачи на ЖК - ячейки управляющего напряжения используются обычные провода. Однако использовать индивидуальный провод для каждой ячейки не представляется возможным: например, для обеспечения разрешения 640x480 необходимо 307200 проводов! Для решения этой задачи применяются специальные методы, подобные используемым при адресации ячеек оперативной памяти.
Методы адресации ячеек ЖК - экрана Для подачи управляющих сигналов на ЖК - ячейки, образующие матрицу размером NxM, могут быть использованы следующие способы адресации:
· · однокоординатная;
· · статическая двухкоординатная (матричная);
· · динамическая двухкоординатная (матричная).
Рисунок 1.5 - Однокоординатная адресация ячеек.
При однокоординатной адресации подача управляющего напряжения на каждую ячейку строки (или столбца) осуществляется по отдельным линиям (рис. 1.5). Если в строке содержится N ячеек, то для управления ими потребуется как минимум N+1 провод (один из них - общий для всех ячеек). Для подачи напряжения на все ячейки матрицы потребуется (N+1)хМ проводов. Кроме того, необходимо М схем управления. Очевидно, что использовать такой метод адресации ЖК - ячеек неэкономично.
При двухкоординатной (матричной) адресации (рис. 1.6) используются только две схемы управления и общие линии (провода), соединяющие все ячейки одного столбца (строки). В результате необходимое число линий управления уменьшается до 2х(NxM)1/2. Каждая ячейка активизируется только в том случае, если на нее одновременно поступят два сигнала: сигнал выбора строки и сигнал выбора столбца.
Если сигналы управления, формируемые схемами управления строками и столбцами, в течение кадра остаются неизменными, то такой способ матричной адресации является статическим.
!!!!!Недостаток этого способа состоит в том, что нельзя независимо управлять состоянием ячеек: если на какой - либо линии сигнал управления отсутствует, то все соединенные с ней ячейки (вся строка или весь столбец) будут выключены. Очевидно, что для управления ячейками ЖК - монитора PC статическая матричная адресация не подходит.
Рисунок 1.6 - Статическая адресация ЖК – ячеек.
При использовании динамической матричной адресации ЖК - ячеики опрашиваются построчно: на линии управления, соответствующей i -й строке, формируется сигнал выбора строки, после чего осуществляется одновременное обращение ко всем ячейкам данной строки. Затем осуществляется обращение к i+1 строке, и процесс повторяется. Следовательно, выходные сигналы схемы управления столбцами определяют состояние не всего экрана, а только одной его строки в течение периода строчной развертки.
Таким образом, формирование изображения на экране ЖК - монитора, как и обычного монитора, осуществляется построчно, но все ячейки строки обновляются одновременно. Каждая ЖК - ячейка должна при этом сохранять свое состояние до начала следующего цикла. Сигналы, формируемые схемой управления строками, представляют собой последовательность импульсов, период следования которых равен периоду кадровой развертки, причем сигналы на соседних линиях сдвинуты относительно друг друга на время, необходимое для активизации ячеек строки (рис. 1.7).
Рисунок 1.7 – Динамическая адрессация ЖК ячеек
Для ускорения обновления изображения все строки ЖК - экрана разбиваются на две равные группы (четное и нечетное поля), для каждой из которых используется собственная схема управления. Этот прием напоминает чересстрочную развертку, но формирование изображения обоих полей осуществляется одновременно. Такой способ формирования изображения называется двойным сканированием и позволяет вдвое сократить время обновления экрана, т. е. в два раза повысить частоту кадров. При этом можно использовать менее инерционные ЖК - ячейки, что позволяет повысить качество динамического изображения.
Динамическая адресация требует точного соблюдения временных соотношений между сигналами управления строк и столбцов. Для синхронизации сигналов управления строк и столбцов с выходными сигналами видеоадаптера ЖК - мониторы оснащаются схемами управления частотой и фазой.
Матричная адресация имеет серьезный недостаток, являющийся следствием использования общих линий управления для всех ЖК - ячеек строки (столбца): при активизации каких - либо ячеек соседние с ними ячейки также частично активизируются. В результате контрастность изображения на ЖК - экране резко ухудшается. Чем выше уровень управляющего напряжения, подаваемого на ЖК - ячейки, тем хуже контрастность.
|
Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели. 
