Жидкокристаллические дисплеи

Поляризация света

Особенности жидкокристаллического вещества (ЖКВ)

Устройство матрицы ЖКД

1.4.Качество изображения, формируемого ЖКД

1.5.Качество воспроизведения цветов.

1.6.Дисплеи на квантовых точках (QLED)

2. Плазменные панели

2.1.Принцип работы плазменной панели

2.2.Управление излучением плазменной панели

2.3.Цветовой охват плазменной панели

3. Дисплеи на органических светодиодах

3.1. Принцип построения OLED дисплея.

3.2. Управление матрицей OLED

3.3. Формирование цветного изображения в OLED дисплеях.

4. Анализ качества воспроизведения цвета в плоскопанельных дисплеях

4.1. Расчет цветового охвата плоскопанельных дисплеев.    

4.2. Сравнительный анализ цветового охвата дисплеев.

4.3. Число цветностей, воспроизводимых дисплеем.

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Плоскопанельные воспроизводящие устройства являются наиболее распространенными и перспективными отображающими устройствами, обеспечивающими высокое качество изображения.

Плоскопанельные воспроизводящие устройства (дисплеи) по принципу действия можно разделить на:

· жидкокристаллические (ЖКД);

· плазменные (ПД);

· светодиодные (ОLED);

Дисплей на жидких кристаллах используются в компьютерных мониторах, телевизорах, телефонах, цифровых фотоаппаратах,  электронных книгах, навигаторах, планшетах.

    Плазменные панели применяют в качестве плазменных телевизоров, рекламных щитов, информационных табло на выставках, вокзалах, аэропортах, а также для презентаций.

 Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, в OLED-телевизоры.

В пособии приводятся сведения о конструктивных особенностях плоскопанельных  дисплеев, принципы их работы и спектральные характеристики излучения первичных цветов дисплеев. Даны примеры расчетов координат цветности цветовых треугольников дисплеев в системе XYZ и в равноконтрастной системе W U V.

 

Поляризация света

Квант света, излученный атомом, линейно поляризован. Однако излучение источников света является суммой излучений огромного числа атомов, каждый из которых имеет свое направление поляризации. Поэтому в суммарном излучении свет неполяризован или естественно поляризован    (электромагнитное излучение распространяется во всех направлениях) (Рис.1.1.).      

               

 

Рисунок 1.1. Электрическое поле неполяризованного света.

 

                           

 

              

Рисунок 1.2. Электрическое поле поляризованного света (электромагнитное излучение распространяется в одном направлении).

 

                                   

                                                                                     

 

                                   

Рисунок 1.3. Вертикально поляризованный свет, полученный при прохождении естественного света через идеальный поляризатор.

 

Особенности жидкокристаллического вещества (ЖКВ)

Одним из важнейших элементов жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) является жидкокристаллическое вещество («жидкие кристаллы»), молекулы которого управляют изменением вида поляризации проходящего сквозь них света.

По своей структуре ЖКВ напоминает желеобразную жидкость и имеет две отличительные особенности.  Во-первых, молекулам ЖКВ свойственен дальний ориентационный порядок, т.е. упорядочение в расположении их осей, что роднит ЖКВ с кристаллами (рис.1.4). Во-вторых, центры масс молекул ЖКВ расположены хаотически и кроме того, молекулы могут свободно смещаться друг относительно друга, благодаря чему ЖКВ может принимать форму сосуда, что роднит его с жидкостью.

    Оси молекул ЖКВ ориентированы в пространстве по определенному закону, (например, параллельны друг другу или скручены в спираль), поэтому диэлектрическая проницаемость ЖКВ различна для разных пространственных направлений. Другими словами, ЖКВ является анизотропной средой.

Анизотропия - (от греч. anisos – неравный и tropos - направление) - неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях. В нашем случае средой является жидкий кристалл, оптические свойства которого неодинаковы в разных направлениях.

                                       

                                

 

       Рисунок 1.4. Особенности жидкокристаллического вещества.         

    Оптические свойства жидкокристаллического вещества зависят от пространственной ориентации молекул этого вещества. Положение молекул а, следовательно, и поляризация проходящего через вещество света, зависит от напряженности Е_упр электрического поля, которая определяется напряжением U_упр на обкладках ЖК-ячейки. Интенсивность пропускаемого ЖК - ячейкой света определяется степенью изменения поляризации света. Таким образом, модуляция проходящего между обкладками ЖК-ячейки светового потока достигается изменением напряжения на обкладках ячейки ЖКВ. Сказанное поясняет рис.1.5.

 Световой клапан (рис.1.5) содержит два взаимоперпендикулярных поляризатора света и помещенный между ними жидкий кристалл. Источник подсветки излучает обычный неполяризованный белый свет, который, пройдя сквозь первый поляризатор, приобретает вертикальную поляризацию. Интенсивность света, прошедшего через второй (горизонтальный) поляризатор, зависит от величины изменения угла поворота его плоскости поляризации  ячейкой жидкого кристалла. Таким образом, прозрачность ПМС определяется величиной угла поворота плоскости поляризации, реализуемой ячейкой ЖК.                  

    

                                   

     

 

Рисунок 1.5. Прохождение света сквозь ячейку ЖК матрицы

 

Процесс модуляции светового потока более подробно  иллюстрирует рис.1.6.

 

  Рисунок 1.6. Модуляция светового потока ячейкой ЖКВ

 

Белый неполяризованный свет от устройства подсветки проходит через входной поляризатор и становится плоско-поляризованным. Далее свет проходит сквозь слой ЖКВ, где его поляризация изменяется, и попадает на выходной поляризатор  (анализатор). ЖКВ заполняет пространство между двумя так называемыми направляющими слоями. Поверхности тыльного и фронтального направляющих слоев обработаны таким образом, чтобы ориентировать соприкасающиеся с ними молекулы ЖКВ, соответственно, горизонтально и вертикально.

Интенсивность пропускаемого анализатором света определяется степенью изменения поляризации света, которая, в свою очередь, зависит от пространственной ориентации молекул ЖКВ. Положение молекул зависит от напряженности E_упр электрического поля, которая определяется напряжением U_упр на обкладках ячейки. Таким образом, модуляция проходящего светового потока достигается изменением напряжения на обкладках ячейки.

Ячейки ЖКД обладают нелинейной модуляционной характеристикой. Компенсация нелинейности производится в модуле предварительной обработки видеосигнала – в видеопроцессоре. Кроме того, в видеопроцессоре производится коррекция сквозной модуляционной характеристики (от сигнала на входе ЖКД до яркости субпикселя).

 

Устройство матрицы ЖКД

 

Под матрицей жидкокристаллического дисплея обычно понимают панель из модулирующих световой поток ячеек, формирующих изображение. У матриц цветных дисплеев ячейки снабжаются тремя цветными фильтрами (красным, зеленым и синим) и называются субпикселями. На матрице могут размещаться микросхемы, управляющие разверткой изображения, а также лампы подсветки.

Конструкция матрицы представляет собой две многослойные панели, разделенные специальными шариками (spacer). Свободное пространство между панелями заполнено жидкокристаллическим веществом. Тыльная панель, расположенная ближе к источнику света, включает в себя рассеиватель, входной поляризатор, стекло (подложку), прозрачные электроды и так называемый направляющий слой (alignment layer), с которым непосредственно соприкасаются молекулы ЖКВ (рис.1.6). Фронтальная панель состоит из направляющего слоя, прозрачных электродов, цветных фильтров, стекла (подложки), выходного поляризатора и рассеивателя.

Для формирования полноценного изображения необходимо управлять напряжением на обкладках всех субпикселей матрицы ЖКД. Учитывая, что количество субпикселей, как правило, очень велико, очевидно, что организовать произвольный доступ к каждой ячейке в отдельности не представляется возможным из-за большого количества электродов. Одним из решений этой проблемы является объединение обкладок субпикселей. Например, тыльные обкладки объединяются в вертикальные прозрачные электроды, а фронтальные обкладки – в горизонтальные электроды.                        Подобным образом устроены так называемые пассивные матрицы, применяемые в монохроматических дисплеях небольшого размера. (Рис.1.7). Нетрудно заметить, что при этом существует возможность одновременного сканирования (управления яркостью) субпикселей только одной строки (или столбца) матрицы. На первый взгляд может показаться, что этого более чем достаточно для формирования растра с высокой частотой обновления, особенно если вспомнить, что, например, при развертке изображения в цветной ЭЛТ одновременно сканируется не целая строка, а всего один пиксель (под сканированием в данном случае понимается возбуждение люминофора тремя электронными лучами).

 

                           

    Рис.1.7. Управление ЖК матрицей

Однако нужно учитывать, что в ЭЛТ подобный способ развертки возможен благодаря двум особенностям свечения люминофора: очень быстрому «разгоранию» (доли микросекунды) и очень медленному «затуханию» (единицы миллисекунд).

К сожалению, «жидким кристаллам» свойственна большая инер-ционность, причем, что очень важно, не только при «затухании» ячейки, но и при ее «разгорании». Под «разгоранием» понимается увеличение коэффициента пропускания света субпикселем. Например, в матрицах TN со скрещенными поляризаторами («normally white») увеличение интенсивности проходящего света (процесс разгорания) длится 20-40 мс. Следовательно, для получения максимальной яркости субпикселей строки время ее сканирования должно быть очень большим. Если матрица содержит, например, 768 строк, то для формирования одного кадра понадобится 15-30 с, и изображение будет обновляться с частотой 2-4 кадра в минуту. Таким образом, подобный способ развертки изображения неприменим для получения яркого и контрастного изображения на матрицах, содержащих большое количество строк.

Для повышения частоты обновления необходимо, чтобы сканирование строки (указание уровней прозрачности каждому из ее субпикселей) производилось как можно быстрее, но при этом напряжение на обкладках каждой из ячеек оставалось на заданном уровне как можно дольше. Добиться этого удалось в так называемых «активных» матрицах. В них для повышения частоты обновления субпикселей и получения их максимальной яркости используется матрица, способная длительное время сохранять заданную при сканировании строки напряженность электростатического поля. Для выполнения этого требования, каждая ячейка активной матрицы имеет свой собственный прозрачный индивиуальный электрод (ИЭ), конденсатор и тонкопленочный транзистор (ТЭТ) (Рис 1.8.).

Ячейка такой матрицы обладает долговременной памятью, т. е. способна длительное время сохранять заданную при сканировании строки напряженность электрического поля.

                    

      Рисунок 1.8. Ячейка активной матрицы.

             

Дисплеи на квантовых точках (QLED).

 

 Следующей перспективной технологией в рамках ЖК являются дисплеи на квантовых точках (Quantum-Dot Light-Emitting Diodes, QD-LED или QLED) [2]. Квантовая точка — фрагмент проводника или полупро-водника, носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х годов Алексеем Екимовым в стеклянной матрице и Луи Е. Брусом в коллоидных растворах. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом. Энергетический спектр квантовой точки дискретен, и расстояние между стационарными уровнями энергии носителя заряда зависит от размера квантовой точки. Вследствие этого электронные и оптические свойства квантовых точек занимают промежуточное положение между объёмным полупроводником и дискретной молекулой. Строго говоря - квантовые точки это микроскопические элементы, способные излучать свет в узком диапазоне волн. В зависимости от их размеров свет может быть зеленым, синим или красным. К примеру, для получения красного цвета используют кристаллы из сплава кадмия, цинка и селена (CdZnSe), размер которых составляет около 10–12 нм. Сплав кадмия и селена подходит для желтого, зеленого и синего цветов, последний можно также получить при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм. Изменяя размер, можно точно регулировать длину волны испускаемого света.

Различают два типа квантовых точек: эпитаксиальные квантовые точки и коллоидные квантовые точки. По сути, они названы так по методам их получения. При помощи коллоидного синтеза можно получать нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул. Таким образом, они растворимы в органических растворителях. Светятся квантовые точки за счёт явления люминесценции, как и известные в технике люминофоры, использовавшиеся, например, в кинескопных и плазменных телевизорах, а также в люминесцентных лампах. При возбуждении соответствующей подсветкой или электрическим током, квантовые точки излучают световой поток, сосредоточенный в узкой спектральной области определенной длины волны.

Таким образом, дисплеи на квантовых точках (QLED) это разновидность ЖК дисплеев, в которых в качестве источника света выступают квантовые точки - кристаллы размером лишь несколько нанометров (от 3 до 7 нм).  

    История полноценных дисплеев началась в феврале 2011 года, когда Samsung Electronics представили разработки полноцветного дисплея на основе квантовых точек QLED. Это был 4-х дюймовый дисплей управляемый активной матрицей. Для создания прототипа на кремневую плату наносят слой раствора квантовых точек и напыляется растворитель. Они не разбиты на субпиксели, а просто смешаны друг с другом. За этим слоем расположены светодиоды синего цвета. При попадании света от диода, квантовые точки обеспечивают излучение в красной и зеленой области.  Такая технология позволяет обеспечить подсветку ЖК матрицы, имеющую спектр  излучения с узкополосными  пиками в зеленой, красной и синей областях спектра. Формирование цветного изображения производится, как было рассмотрено выше, с помощью модуляции светового потока, создаваемого подсветкой, субпикселями ЖК матрицы (рис.1.14) .

 

 

 

 

Рисунок. 1.14. Строение дисплея на квантовых точках

 

    Расчет цветового охвата QLED дисплея и его анализ в сравнении с дисплеями других типов приведен в главе 4.

    Разработчики технологии QLED отмечают следующие достоинства

дисплеев, использующих квантовый механизм:

1. Дисплей на квантовых точках не имеет ограничений по срокам эксплуатации, поскольку нанокристаллы стабильны и сохраняют заданный спектр излучения неограниченное время.

2. Затраты энергии на 30-50% меньше чем у ЖК-дисплеев с другими видами подсветки;

3. Яркость QLED дисплеев может достигать 40000 кд/м², что в 50- 100 раз превышает яркость ЖК-дисплеев с обычными видами подсветки;

4. Квантовые точки растворимы как в водном так и в неводном растворителях, и потому могут применяться в гибких панелях;

5. Маленький размер квантовых точек позволяет производить дисплеи с очень высокой пиксельной плотностью.

 

 

 

Плазменные панели

Управление матрицей OLED

 

Рассмотрим различные методы управления OLED более подробно. Выбор метода зависит от типа OLED: с пассивной матрицей или активной матрицей.

В отличие от ранее рассмотренных ЖК дисплеев, управление пикселями OLED осуществляется токовыми сигналами. Яркость свечения органического светодиода, как и любого другого светодиода, пропорциональна протекающему току. Эта зависимость нелинейная. На рис. 3.7, 3.8 приведены вольт-амперная и вольт-яркостная характеристики органического светодиода, соответственно.

.

 

 

Рисунок 3.7.Вольт – амперная характеристика OLED

Рисунок 3.8.Вольт – яркостная характеристика OLED

 

При использовании пассивной матрицы (PMOLED) управляющий сигнал коммутирует строку за строкой. Время выборки каждой строки фиксированное. Для управления яркостью пикселя дисплея необходимо дозировать ток в соответствии с величиной управляющего сигнала. Это можно сделать двумя способами. В первом при выборке строки используется фиксированное время для подачи тока, а на выходе драйвера столбца используется управляемый видеосигналом генератор тока. Во втором методе применяется генератор тока фиксированного максимального значения, а для модуляции тока используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Более широкое распространение получил второй, более простой и дешевый метод.

Более перспективной является OLED с активной матрицей управления (AMOLED), так как эти дисплеи обеспечивают более высококачественное цветное изображение. В AMOLED в отличие от PMOLED, где управляющий сигнал коммутирует строку за строкой, схема TFT действует как массив выключателей, который регулирует величину электрического тока, протекающего через каждый пиксель OLED (рис.3.9).

 

Рисунок 3.9 Эквивалентная схема OLED с активной матрицей

При поступлении сигнала на шину выбора строки управляющее напряжение с шины данных поступает на затвор второго транзистора. Транзистор преобразует это напряжение в ток для управления светодиодом. В качестве элемента памяти используется паразитная емкость затвора второго транзистора. Таким образом, массив TFT непрерывно управляет электрическим током, который протекает в светодиодах матрицы, сообщая каждому пикселю необходимую яркость.

Цветные пиксели имеют каждый свою нелинейную характеристику зависимости яркости от тока. Этот параметр определяется свойствами органических материалов и технологией производства. При формировании рабочих сигналов учитываются эти факторы. В столбцовых драйверах вводится модуль гамма-коррекции, в котором используется, табличный метод для преобразования входного видеосигнала в сигналы управления соответствующего цветного пикселя (рис.3.9). Тип функции для гамма – коррекции выбирается программно в зависимости от нелинейности светодиодов дисплея.

 

Рис.3.10. Преобразования при гамма – коррекции

 

Поляризация света

Особенности жидкокристаллического вещества (ЖКВ)

Устройство матрицы ЖКД

1.4.Качество изображения, формируемого ЖКД

1.5.Качество воспроизведения цветов.

1.6.Дисплеи на квантовых точках (QLED)

2. Плазменные панели

2.1.Принцип работы плазменной панели

2.2.Управление излучением плазменной панели

2.3.Цветовой охват плазменной панели

3. Дисплеи на органических светодиодах

3.1. Принцип построения OLED дисплея.

3.2. Управление матрицей OLED

3.3. Формирование цветного изображения в OLED дисплеях.

4. Анализ качества воспроизведения цвета в плоскопанельных дисплеях

4.1. Расчет цветового охвата плоскопанельных дисплеев.    

4.2. Сравнительный анализ цветового охвата дисплеев.

4.3. Число цветностей, воспроизводимых дисплеем.

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Плоскопанельные воспроизводящие устройства являются наиболее распространенными и перспективными отображающими устройствами, обеспечивающими высокое качество изображения.

Плоскопанельные воспроизводящие устройства (дисплеи) по принципу действия можно разделить на:

· жидкокристаллические (ЖКД);

· плазменные (ПД);

· светодиодные (ОLED);

Дисплей на жидких кристаллах используются в компьютерных мониторах, телевизорах, телефонах, цифровых фотоаппаратах,  электронных книгах, навигаторах, планшетах.

    Плазменные панели применяют в качестве плазменных телевизоров, рекламных щитов, информационных табло на выставках, вокзалах, аэропортах, а также для презентаций.

 Органические дисплеи встраиваются в телефоны, цифровые фотоаппараты, автомобильные бортовые компьютеры, в OLED-телевизоры.

В пособии приводятся сведения о конструктивных особенностях плоскопанельных  дисплеев, принципы их работы и спектральные характеристики излучения первичных цветов дисплеев. Даны примеры расчетов координат цветности цветовых треугольников дисплеев в системе XYZ и в равноконтрастной системе W U V.

 

Жидкокристаллические дисплеи

   Экраны ЖК дисплеев, в отличие от электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), относятся не к светоизлучающим, а к светомодулирующим приборам, в которых функции излучения и модуляции светового потока разделены.

По сравнению ЭЛТ ЖК экраны обладают рядом достоинств: низким энергопотреблением, высокой разрешающей способностью, малыми габаритами и массой, широким цветовым охватом, высокой яркостью и контрастностью. Жидкокристаллические экраны относятся к разряду так называемых светоклапанных устройств. В этих устройствах телевизионный (ТВ) сигнал воздействует на пространственный модулятор света (ПМС), модулирующий световой поток от внешнего источника одновременно по поверхности всего ТВ изображения. В ПМС под действием модулирующего ТВ сигнала меняется прозрачность или коэффициент отражения модулирующей среды, в результате чего ПМС становится носителем «промежуточного изображения» (аналогичного по своим оптическим свойствам изображению диапозитива). При этом световой поток, проходящий через ПМС, изменяется по интенсивности в соответствии с распределением плотностей отдельных участков (пикселей ПМС).

Работа жидкокристаллических экранов основана на явлении поля-ризации светового потока [1]. Известно, что поляроиды осуществляют деление изображения путем поляризации световых пучков во взаимно перпендикулярных плоскостях. Поляроид пропускает только ту составляющую света, вектор электромагнитной  индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляризатора. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Данный эффект называется поляризация света. Два скрещенных (ортогональных) поляризатора, помещенные на пути светового потока, полностью непрозрачны для света. Открытие свойств жидких кристаллов изменять угол поляризации под действием электростатического или электромагнитного поля позволило создать электронно-оптический модулятор света, прозрачность которого изменяется под действием приложенного напряжения. Принцип действия ЖК – экранов основан на таких физических явлениях, как поляризация света и вращение вектора поляризации плоскополяризованого света жидкокристаллическим веществом.

 

Поляризация света

Квант света, излученный атомом, линейно поляризован. Однако излучение источников света является суммой излучений огромного числа атомов, каждый из которых имеет свое направление поляризации. Поэтому в суммарном излучении свет неполяризован или естественно поляризован    (электромагнитное излучение распространяется во всех направлениях) (Рис.1.1.).      

               

 

Рисунок 1.1. Электрическое поле неполяризованного света.

 

                           

 

              

Рисунок 1.2. Электрическое поле поляризованного света (электромагнитное излучение распространяется в одном направлении).

 

                                   

                                                                                     

 

                                   

Рисунок 1.3. Вертикально поляризованный свет, полученный при прохождении естественного света через идеальный поляризатор.

 

Особенности жидкокристаллического вещества (ЖКВ)

Одним из важнейших элементов жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) является жидкокристаллическое вещество («жидкие кристаллы»), молекулы которого управляют изменением вида поляризации проходящего сквозь них света.

По своей структуре ЖКВ напоминает желеобразную жидкость и имеет две отличительные особенности.  Во-первых, молекулам ЖКВ свойственен дальний ориентационный порядок, т.е. упорядочение в расположении их осей, что роднит ЖКВ с кристаллами (рис.1.4). Во-вторых, центры масс молекул ЖКВ расположены хаотически и кроме того, молекулы могут свободно смещаться друг относительно друга, благодаря чему ЖКВ может принимать форму сосуда, что роднит его с жидкостью.

    Оси молекул ЖКВ ориентированы в пространстве по определенному закону, (например, параллельны друг другу или скручены в спираль), поэтому диэлектрическая проницаемость ЖКВ различна для разных пространственных направлений. Другими словами, ЖКВ является анизотропной средой.

Анизотропия - (от греч. anisos – неравный и tropos - направление) - неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях. В нашем случае средой является жидкий кристалл, оптические свойства которого неодинаковы в разных направлениях.

                                       

                                

 

       Рисунок 1.4. Особенности жидкокристаллического вещества.         

    Оптические свойства жидкокристаллического вещества зависят от пространственной ориентации молекул этого вещества. Положение молекул а, следовательно, и поляризация проходящего через вещество света, зависит от напряженности Е_упр электрического поля, которая определяется напряжением U_упр на обкладках ЖК-ячейки. Интенсивность пропускаемого ЖК - ячейкой света определяется степенью изменения поляризации света. Таким образом, модуляция проходящего между обкладками ЖК-ячейки светового потока достигается изменением напряжения на обкладках ячейки ЖКВ. Сказанное поясняет рис.1.5.

 Световой клапан (рис.1.5) содержит два взаимоперпендикулярных поляризатора света и помещенный между ними жидкий кристалл. Источник подсветки излучает обычный неполяризованный белый свет, который, пройдя сквозь первый поляризатор, приобретает вертикальную поляризацию. Интенсивность света, прошедшего через второй (горизонтальный) поляризатор, зависит от величины изменения угла поворота его плоскости поляризации  ячейкой жидкого кристалла. Таким образом, прозрачность ПМС определяется величиной угла поворота плоскости поляризации, реализуемой ячейкой ЖК.                  

    

                                   

     

 

Рисунок 1.5. Прохождение света сквозь ячейку ЖК матрицы

 

Процесс модуляции светового потока более подробно  иллюстрирует рис.1.6.

 

  Рисунок 1.6. Модуляция светового потока ячейкой ЖКВ

 

Белый неполяризованный свет от устройства подсветки проходит через входной поляризатор и становится плоско-поляризованным. Далее свет проходит сквозь слой ЖКВ, где его поляризация изменяется, и попадает на выходной поляризатор  (анализатор). ЖКВ заполняет пространство между двумя так называемыми направляющими слоями. Поверхности тыльного и фронтального направляющих слоев обработаны таким образом, чтобы ориентировать соприкасающиеся с ними молекулы ЖКВ, соответственно, горизонтально и вертикально.

Интенсивность пропускаемого анализатором света определяется степенью изменения поляризации света, которая, в свою очередь, зависит от пространственной ориентации молекул ЖКВ. Положение молекул зависит от напряженности E_упр электрического поля, которая определяется напряжением U_упр на обкладках ячейки. Таким образом, модуляция проходящего светового потока достигается изменением напряжения на обкладках ячейки.

Ячейки ЖКД обладают нелинейной модуляционной характеристикой. Компенсация нелинейности производится в модуле предварительной обработки видеосигнала – в видеопроцессоре. Кроме того, в видеопроцессоре производится коррекция сквозной модуляционной характеристики (от сигнала на входе ЖКД до яркости субпикселя).

 

Устройство матрицы ЖКД

 

Под матрицей жидкокристаллического дисплея обычно понимают панель из модулирующих световой поток ячеек, формирующих изображение. У матриц цветных дисплеев ячейки снабжаются тремя цветными фильтрами (красным, зеленым и синим) и называются субпикселями. На матрице могут размещаться микросхемы, управляющие разверткой изображения, а также лампы подсветки.

Конструкция матрицы представляет собой две многослойные панели, разделенные специальными шариками (spacer). Свободное пространство между панелями заполнено жидкокристаллическим веществом. Тыльная панель, расположенная ближе к источнику света, включает в себя рассеиватель, входной поляризатор, стекло (подложку), прозрачные электроды и так называемый направляющий слой (alignment layer), с которым непосредственно соприкасаются молекулы ЖКВ (рис.1.6). Фронтальная панель состоит из направляющего слоя, прозрачных электродов, цветных фильтров, стекла (подложки), выходного поляризатора и рассеивателя.

Для формирования полноценного изображения необходимо управлять напряжением на обкладках всех субпикселей матрицы ЖКД. Учитывая, что количество субпикселей, как правило, очень велико, очевидно, что организовать произвольный доступ к каждой ячейке в отдельности не представляется возможным из-за большого количества электродов. Одним из решений этой проблемы является объединение обкладок субпикселей. Например, тыльные обкладки объединяются в вертикальные прозрачные электроды, а фронтальные обкладки – в горизонтальные электроды.                        Подобным образом устроены так называемые пассивные матрицы, применяемые в монохроматических дисплеях небольшого размера. (Рис.1.7). Нетрудно заметить, что при этом существует возможность одновременного сканирования (управления яркостью) субпикселей только одной строки (или столбца) матрицы. На первый взгляд может показаться, что этого более чем достаточно для формирования растра с высокой частотой обновления, особенно если вспомнить, что, например, при развертке изображения в цветной ЭЛТ одновременно сканируется не целая строка, а всего один пиксель (под сканированием в данном случае понимается возбуждение люминофора тремя электронными лучами).

 

                           

    Рис.1.7. Управление ЖК матрицей

Однако нужно учитывать, что в ЭЛТ подобный способ развертки возможен благодаря двум особенностям свечения люминофора: очень быстрому «разгоранию» (доли микросекунды) и очень медленному «затуханию» (единицы миллисекунд).

К сожалению, «жидким кристаллам» свойственна большая инер-ционность, причем, что очень важно, не только при «затухании» ячейки, но и при ее «разгорании». Под «разгоранием» понимается увеличение коэффициента пропускания света субпикселем. Например, в матрицах TN со скрещенными поляризаторами («normally white») увеличение интенсивности проходящего света (процесс разгорания) длится 20-40 мс. Следовательно, для получения максимальной яркости субпикселей строки время ее сканирования должно быть очень большим. Если матрица содержит, например, 768 строк, то для формирования одного кадра понадобится 15-30 с, и изображение будет обновляться с частотой 2-4 кадра в минуту. Таким образом, подобный способ развертки изображения неприменим для получения яркого и контрастного изображения на матрицах, содержащих большое количество строк.

Для повышения частоты обновления необходимо, чтобы сканирование строки (указание уровней прозрачности каждому из ее субпикселей) производилось как можно быстрее, но при этом напряжение на обкладках каждой из ячеек оставалось на заданном уровне как можно дольше. Добиться этого удалось в так называемых «активных» матрицах. В них для повышения частоты обновления субпикселей и получения их максимальной яркости используется матрица, способная длительное время сохранять заданную при сканировании строки напряженность электростатического поля. Для выполнения этого требования, каждая ячейка активной матрицы имеет свой собственный прозрачный индивиуальный электрод (ИЭ), конденсатор и тонкопленочный транзистор (ТЭТ) (Рис 1.8.).

Ячейка такой матрицы обладает долговременной памятью, т. е. способна длительное время сохранять заданную при сканировании строки напряженность электрического поля.

                    

      Рисунок 1.8. Ячейка активной матрицы.

             

1234567Следующая ⇒

Поделиться: