Панельные дисплеи
Характеристики панельных дисплеев
Изображения, формируемые на панельном дисплее, состоят из массива индивидуальных элементов изображения (пикселей). Пиксели размещаются в матрицу строк и колонок. Каждый пиксель подключен к ячейке видео ОЗУ, входящей в состав дисплея.
Разрешающая способность панельного дисплея зависит от количества элементов изображения, которые могут на нем отображаться. Большее количество пикселей позволяет дисплею представлять более детальные, высококачественные изображения. Дисплеи с более высокой разрешающей способностью используют более мелкие точки, т.е., грубо говоря, большее количество пикселов для отображения видеоинформации на той же самой площади дисплея.
Угол зрения. Каждый дисплей имеет свой, так называемый угол зрения. Это угол между направлением наблюдения и нормалью к экрану, через который изображение на дисплее может просматриваться «ясно». К этому параметру не критичны ЭЛТ или GPD т.к. сами генерируют свет, и могут ясно просматриваться в пределах очень широких углов (обычно до 70° от центра). Жидкие кристаллы не генерируют собственный свет, и потому контрастность дисплея имеет тенденцию к быстрому ухудшению, при увеличении угла просмотра.
Контрастность изображения определяется как различие в интенсивности свечения между пикселями, которые полностью включены, и пикселями, которые полностью выключены. Чем больше это различие, тем выше контрастность и тем большее количество градаций яркости потенциально может воспроизвести экран.
Время срабатывания — это то время, которое требуется для пикселя дисплея, чтобы достигнуть включенного или выключенного состояния, после того как пиксель был адресован соответствующей схемой управления. Такие переходы пикселя из выключенного состояния во включенное и обратно не происходят мгновенно. В зависимости от года изготовления и качества дисплея времена срабатывания пикселя могут варьироваться в больших пределах. Газоплазменные дисплеи и дисплеи с активными жидкокристаллическими матрицами обычно имеют самые короткие времена срабатывания, в то время как ранние дисплеи на пассивных матрицах являются значительно более медленными. Этот параметр влияет на возможность использования панели для просмотра видеоинформации.
Жидкокристаллические дисплеи
Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы (LC Liquid Crystal) — это органические вещества. Хотя эти вещества по всем признакам являются жидкостью, молекулярная структура жидких кристаллов похожа на кристаллическую. Другими словами, в определенном интервале температур жидкие кристаллы находятся в промежуточной фазе, т. е. в такой фазе, когда молекулы покинули место в решетке кристалла, но все еще сохраняют ясно выраженную ориентацию в пространстве (мезофаза).
Жидкие кристаллы обладают резко выраженной анизотропией (зависимостью физических параметров от направления). Это относится к вязкости, к упругости, к электропроводности, к диэлектрической проницаемости, а также к многим другим параметрам ЖК. Управлять этими параметрами можно, например, с помощью электрических и магнитных полей.
Электрическое поле, приложенное к жидкому кристаллу, или протекающий через среду электрический ток способны переориентировать молекулы. Если воздействие переменно, и достаточной величины, то оно способно закрутить молекулы. В итоге в среде возникнут кавитационные микровихри. Каждый такой вихрь является по отношению к свету рассеивающим элементом: Подобное воздействие приводит к помутнению среды. Именно этот эффект и используется в индикаторах, где достаточно двух положений: есть эффект или он отсутствует (калькуляторы, часы, электронные записные книжки).
Там, где важно воспроизведение градаций, используются электрооптические эффекты двойного лучепреломления.
В оптике кристаллов важную роль играет поляризация. Каждый фотон определенным образом поляризован в плоскости, ортогональной направлению распространения света. В целом же световой поток не поляризован или, как часто говорят, естественно поляризован, поскольку поляризация отдельных фотонов случайна (квазикруговая поляризация).
Электромагнитные волны строго поперечны, при этом векторы электрической Е, магнитной Н напряженности и волновой К образуют тройку взаимно ортогональных векторов. За направление (вектор) поляризации электромагнитной волны принимают направление вектора Н напряженности магнитного поля световой волны. При линейной поляризации направление этого вектора сохраняется в пространстве. При круговой поляризации вектор поляризации вращается, за один период волны описывая полный круг при неизменной величине вектора. В некоторых случаях возникают волны с эллиптической поляризацией. Как и при круговой поляризации, вектор поляризации вращается, но с переменной величиной, описывая в плоскости, ортогональной направлению распространения волны эллипс.
В анизотропных средах могут распространяться только волны, поляризованные линейно. При заданном направлении света разрешены только два взаимно ортогональных направления поляризации, определяемые параметрами анизотропии среды, именно с этим обстоятельством связана электрооптическая модуляция света. Скорости прохождения через жидкий кристалл ортогонально поляризованных волн различны.
Электромагнитное поле способно в достаточно широких пределах менять скорости световых волн. Зависимость фазовой скорости света от напряженности электрического поля и называют электрооптическим эффектом, который используется для модуляции света в жидкокристаллических экранах.
Электрооптическая модуляция
Конструкцию электрооптического модулятора рассмотрим на примере одной ячейки (рисунок 6). Электрооптическая ячейка (сосуд с жидким кристаллом) размещена между прозрачными электродами, создающими в среде электрическое поле. Весь этот модуль, в свою очередь, размещен между поляризаторами, причем выходной по свету поляризатор называют анализатором. Поляризатор - это оптический прибор, который из естественно поляризованного света вырезает линейно поляризованный компонент. На эту операцию тратится половина светового потока.
Рисунок 6- Электрооптический модулятор
За поляризатором световой поток линейно поляризован вдоль вектора Рn. В анизотропной среде могут распространяться только волны, поляризованные вдоль собственных направлений, определяемых кристаллом - пусть это будут векторы P1 и Р2. Падающий на электрооптическую ячейку световой поток разделяется на два компонента, поляризованных вдоль собственных направлений среды. Интенсивности этих компонент пропорциональны косинусам углов между направлениями поляризации падающего света и собственными направлениями среды. Если эти углы равны 45°, то интенсивности компонент совпадают. Именно так и ориентируют входной поляризатор. Собственные векторы поляризации анализатора и поляризатора, обычно, либо скрещены (ортогональны), либо параллельны. При скрещенных поляризаторах получается позитивная модуляция, при параллельных - негативная.
Коэффициенты преломления анизотропной среды для волн с поляризациями Р1 и Р2 различны, соответственно различны и фазовые скорости этих волн. В итоге одна из компонент отстает от другой по фазе. На выходе ячейки компоненты объединяются в один поток (интерферируют). Форму фронта суммарной волны можно увидеть на экране осциллографа при подаче на каналы X и Y синусоид одинаковой частоты (рисунок 7) с различными сдвигами фаз (фигуры Лиссажу).
Рисунок 7- Сложение световых волн с ортогональной поляризацией и различным Δφ
При Δφ=0° суммарная волна имеет линейную поляризацию в той же плоскости, что и на входе ячейки (на выходе переднего поляризатора). При Δφ=90° волна круговая, при Δφ=180˚-линейная в плоскости перпендикулярной плоскости волны на входе ячейки. В остальных случаях поляризация выходного светового потока становится эллиптической. Форма эллипса и наклон его главной оси зависят от разности фаз выходных компонент ячейки. Анализатор вырезает из эллиптически поляризованной волны компонент, поляризация которого задана углом анализатора. Интенсивность этой компоненты так же зависит от разности фаз выходных компонент ячейки. Эту зависимость при скрещенных поляризаторе и анализаторе в приближении можно описать выражением:
I=I0(1-соsΔφ)/2,
при параллельных:
I=I0(1+cosΔφ)/2
где I0-интенсивноть светового потока на выходе переднего поляризатора.
Не следует забывать, что передний поляризатор пропускает только половину падающего на него светового потока. График первой зависимости показан на рисунке 8.
Рисунок 8 - Зависимость интенсивности светового потока на выходе тыльного поляризатора от разности фаз
Так как сдвигом фаз двух волн на выходе ячейки можно управлять электрическим полем то эту зависимость можно назвать модуляционной характеристикой.
Организация матриц
По способу организации ЖК-дисплеи можно разделить на пассивные и активные.
В пассивных матрицах прозрачные проводники, создающие электрическое поле на переднем стекле нанесены в виде столбцов, а на заднем в виде строк (со стороны жидкого кристалла). К примеру, в дисплее с разрешением 800*600
будут системы проводников, состоящие из 800 столбцов и 600 строк (рисунок 9).
Ширина проводников соответствует размерам одного элемента изображения. Пространственное пересечение горизонтального и вертикального проводников создают потенциальный пиксель. Каждый вертикальный проводник может быть подключен к корпусу через транзистор, а горизонтальные проводники так же через транзисторы подключены к источнику питающего напряжения (1400 транзисторов 800+600). Транзисторы управляются видеопроцессором, входящим в состав дисплея.
При подключении на корпус одного горизонтального проводника можно инициализировать сразу всю строку, подав на вертикальные проводники напряжения, соответствующие прозрачности каждого элемента изображения в этой строке. Таким образом, изображение на пассивной матрице формируется путем последовательного высвечивания целых строк.
Рисунок 9 - Пассивная матрица
К достоинствам пассивных матриц следует отнести их простоту и дешевизну. К недостаткам - малую контрастность из-за рассеивания электрического поля вдоль вертикальных проводников, влияющего на состояние жидкого кристалла во всем столбце и приводящее к паразитной засветке экрана. Так же рассеивание электрического поля является причиной большого времени срабатывания ячейки ЖК, по этому изображения на экране пассивной матрицы можно менять не более 5 раз в секунду. Отсюда, пассивные матрицы нельзя использовать в качестве оконечных устройств в вещательном телевидении.
В устройствах отображения видеоинформации используются активные матрицы (TFT). В них переднее стекло полностью покрыто прозрачным проводником, подсоединенным к корпусу, а заднее - площадками прозрачных проводников, подсоединенных к источнику питающего напряжения через тонкопленочные полевые транзисторы. Размер площадок соответствует размерам элемента изображения, количество транзисторов 800*600=480000.
В активных матрицах можно инициализировать весь экран одновременно и менять изображения (кадры) по мере обновления информации в видео ОЗУ,
Из-за отсутствия длинных проводников, рассеивание электрического поля минимально, что приводит к большей контрастности и уменьшению времени срабатывания по сравнению с пассивными матрицами.
Жидкий кристалл не является источником света. Он может только пропустить свет от источника задней засветки, по этому цветной экран можно сформировать только с помощью светофильтров, расположенных перед передним стеклом матрицы. Один элемент изображения в цветных матрицах состоит из трех ЖК ячеек, перед которыми расположены красный, зеленый и синий элементы светофильтра.
Для организации цветных экранов используются только активные матрицы (TFT), при этом количество транзисторов в ней 800*600*3=1440000 штук.