Плоскопанельные мониторы на жидких кристаллах
Общие сведения. Несмотря на широкое распространение, мониторы на основе ЭЛТ имеют ряд существенных недостатков:
=> большие масса, габариты и энергопотребление;
=> неполное использование поверхности экрана для видеоизображения, значительная нелинейность растра и сложность ее коррекции; => вредные для здоровья человека излучения.
Поэтому помимо электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) в мониторах используются малогабаритные устройства визуального отображения информации, выполненные в виде тонкой плоской панели. Такие устройства отображения разделяются на д в е группы:
=> светоизлучающие, к которым, помимо рассмотренных выше ЭЛТ, относятся плазменные, светодиодные и электролюминесцентные и другие индикаторы;
=> светоклапанные, или пассивные, к которым относятся индикаторы на жидких кристаллах. Пассивные индикаторные устройства потребляют значительно меньшую мощность, чем светоизлучающие, что весьма важно при изготовлении портативной аппаратуры.
В настоящее время плоскопанельные мониторы широко применяются не только в составе переносных портативных компьютеров (типа Notebook, Laptop), но и в качестве самостоятельных устройств визуального отображения информации для настольных персональных компьютеров. Обладая рядом важных достоинств, плоскопанельные мониторы практически вытеснили мониторы на основе ЭЛТ.
Наиболее популярными и технологически отработанными представителями семейства плоскопанельных мониторов являются мониторы на основе жидких кристаллов. Поэтому они заслуживают детального рассмотрения.
Жидкие кристаллы. К жидким кристаллам (ЖК) относятся жидкости, обладающие в определенном диапазоне температур зависимостью физических свойств от направления, или анизотропией, характерной для твердых кристаллов. Анизотропия обусловлена сигарообразной формой молекул ЖК и их упорядоченностью в расположении.
Жидкокристаллическое состояние вещества может быть получено плавлением {термотропные ЖК) или растворением {лиотропные ЖК) некоторых молекулярных кристаллов. Термотропные ЖК обрели более широкое распространение. Использование при их изготовлении смесей позволяет сохранить жидкокристаллическое состояние вещества в диапазоне температур —40...+80°С. Известны следующие виды термотропных Ж К:
=> нематические ЖК, которые характеризуются наличием лишь ориентационной упорядоченности молекул и однородной по всему объему ориентацией молекул при отсутствии внешних воздействий. К этому же типу относятся холестерические ЖК, у которых молекулы закручены по спирали;
=> смектические ЖК, имеющие слоистую структуру расположения молекул с ослабленной связью между слоями. Существует около 10 разновидностей смектических ЖК, отличающихся ориентацией расположения молекул в слое.
Среди различных физических эффектов, обусловленных анизотропией ЖК, важное место занимают электрооптические эффекты. Эти эффекты связаны с изменением оптических свойств ЖК при воздействии внешнего электрического поля. При создании плоских экранов современных мониторов чаще всего используется твист-эффект в термотропных нематических ЖК.
Жидкокристаллические ячейки. Рассмотрим сущность твист-эффекта. Для этого воспользуемся рис. 14.5, на котором изображена твистированная нематическая (Twisted Nematic) ячейка, представляющая собой тонкий слой нематических ЖК, заключенный между двумя стеклянными подложками. Верхнюю подложку называют поляризатором, нижнюю — анализатором. Подложки выполняют две функции:
=> пропускают световую волну с заданным направлением вектора Е напряженности электрического поля, определяющего поляризацию светового потока, т.е. выполняют функцию поляризационного фильтра. Для этого на верхнюю и нижнюю подложки нанесены поляризационные решетки с взаимно перпендикулярным направлением поляризации. Развернутые на 90° векторы поляризации поляризатора Еп и анализатора ЕА показаны на рис. 14.5;
=> обеспечивают (при отсутствии внешнего электрического поля) закрутку на 90° молекул между верхним и нижним слоями, создавая твистированную структуру молекул. Такая структура может быть получена с помощью ориентированных канавок, нанесенных на поверхности верхней и нижней подложки с разворотом на 90°.
При отсутствии внешнего электрического поля падающая световая волна с произвольной поляризацией проходит через верхнюю подложку и приобретает поляризацию Е, совпадающую с направлением продольных осей молекул верхнего слоя твистированной структуры (рис. 14.5,а). Твистированная структура молекул пропускает световую волну, изменяя при этом ее поляризацию. При достижении нижнего слоя молекул вектор электрического поля Еразворачивается на 90°. Так как его направление совпадает с направлением поляризации анализатора ЕА, световая волна свободно проходит через нижнюю подложку.
При наличии внешнего электрического поля с напряженностью Ев > 0,3 В/мкм молекулы жидкокристаллического вещества изменяют свою ориентацию. Их продольная ось располагается параллельно вектору внешнего электрического поля Еь (рис. 14.5,6). Твистированная структура молекул исчезает. При прохождении световой волны через слой ЖК ее поляризация сохраняется. Вектор напряженности электрического поля Е световой волны оказывается развернут на 90° относительно вектора поляризации анализатора ЕА. Световой поток через нижнюю подложку не проникает.
Рис. 14.5. Пояснение сущности гвист-эффекта
Твистированным нематическим ячейкам, или технологии Twisted Nematic, присущ ряд недостатков:
=> низкие контрастность, яркость и насыщенность изображения и сильная их зависимость от внешних засветок;
=> большое время (до 500 мс) изменения структуры молекул ЖК, не позволяющее выводить на экран монитора динамические изображения;
=> ограниченный угол видимости светящегося изображения и др.
Усовершенствование ЖК-ячеек шло по пути:
=> увеличения угла закручивания молекул твистированных структур до 270°. Такие ячейки получили название сверхзакрученных нематических ячеек, а технология — Super Twisted Nematic (STN). Из свойств ЖК известно, что с увеличением угла закручивания молекул повышается контрастность;
=> объединения двух ячеек с одновременным закручиванием молекул в противоположных направлениях — технология Dual Super Twisted Nematic (DSTN);
=> двойного сканирования экрана, позволяющего повысить быстродействие ЖК-ячеек. При этом экран разбивается на четные и нечетные строки, обновление которых выполняется одновременно. Двойное сканирование совместно с использованием более подвижных молекул позволило снизить время реакции ЖК-ячейки до 150 мс и значительно повысить частоту обновления экрана;
=> использования для индивидуального управления ячейкой встроенных тонкопленочных транзисторов — технология Thin Film Transistor (TFT). Транзисторный ключ с помощью напряжения около 0,7 В позволяет коммутировать напряжение в десятки вольт. Такая технология получила название технологии активных ячеек. Она позволила не только значительно повысить яркость и контрастность ЖК-мониторов, увеличить угол зрения, но и создать на основе активной ЖК-матрицы цветной монитор. Элемент такой матрицы содержит три ЖК-ячейки, каждая из которых снабжена светофильтром одного из трех основных цветов (красного, зеленого или синего) и управляется тонкопленочным транзистором. Изменяя уровень поданного на транзистор управляющего сигнала, можно регулировать яркость каждой ячейки триады.
Жидкокристаллические экраны мониторов. Экран монитора представляет собой совокупность ЖК-ячеек с матричной структурой. Каждая ячейка управляет интенсивностью проходящего через нее света. Поэтому ЖК-мониторы всегда используют подсветку. В зависимости от места расположения подсветки экраны бывают с подсветкой сзади (Back Light) и с подсветкой по бокам (Side Light). Для подсветки ЖК-экранов используются специальные электролюминесцентные лампы с холодным катодом, характеризующиеся низким энергопотреблением. Пиксел монохромного изображения формируется единственной ЖК-ячейкой. Для формирования пиксела цветного изображения ЖК-ячейки объединяются в триады. Каждая ячейка содержит светофильтр, пропускающий один из трех основных цветов.
Контроллер ЖК-экрана. При выводе изображения на ЭЛТ используется электронный луч, управляемый с помощью отклоняющей системы и модулятора, на который подается видеосигнал. Формирование изображения на ЖК-экране представляет собой весьма сложную задачу управления отдельными ячейками триад, решение которой возложено на контроллер. Основными функциями контроллера являются:
=> синхронизация по частоте и фазе выходных синхросигналов, формируемых схемами управления строками и столбцами, и видеосигналов, поступающих с видеоадаптера. При рассогласовании этих сигналов положение элементов растра на экране не соответствует временным параметрам видеосигнала, в результате чего возникают такие дефекты изображения, как дрожание растра, появление вертикальных линий на изображении либо его полное пропадание. Отсутствие синхронизации по фазе не позволяет добиться необходимой фокусировки изображения и полностью устранить его дрожание;
=> аналого-цифровое преобразование видеосигнала, так как на схему адресации ячеек необходимо подать цифровой код.
