close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Smirnov Ustr otobrazh inform ucheb posobie

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
В. М. Смирнов
УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2007
УДК 62.52:621.397.621
ББК 32.85
С50
Рецензенты:
кафедра инженерной машинной графики
Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций
им. проф. М. А. Бонч-Бруевича;
доктор технических наук, профессор В. М. Дегтярев
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
С50
Смирнов В. М.
Устройства отображения информации: учебное пособие /
В. М. Смирнов; ГУАП. – СПб., 2007. – 91 с.: ил.
ISBN 978-5-8088-0255-1
В учебном пособии рассмотрены физические свойства современных материалов, которые используются при создании элементов устройств отображения информации, и сами элементы, на которых
строятся конкретные типы устройств отображения. Особое внимание уделено современным технологиям создания элементов индикации и принципам работы устройств отображения информации индивидуального и коллективного пользования.
Учебное пособие предназначено для студентов очной, вечерней
и заочной форм обучения по направлению «Радиотехника», изучающих дисциплины «Телевидение», «Видеотехника», «Системы и устройства отображения информации» и др.
УДК 62.52:621.397.621
ББК 32.85
ISBN 978-5-8088-0255-1
© ГУАП, 2007
© В. М. Смирнов, 2007
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие .....................................................................
Введение ...........................................................................
1. Светоизлучающие индикаторы .........................................
1.1. Электролюминесцентные индикаторы ........................
1.2. Светоизлучающие диоды ..........................................
1.3. Плазменные панели .................................................
1.4. Дисплеи с электростатической эмиссией .....................
1.5. OLED-дисплеи .........................................................
2. Пассивные индикаторы ...................................................
2.1. Жидкие кристаллы и их свойства...............................
2.1.1. История открытия и применения жидких кристаллов...........................................................................
2.1.2. Физические свойства жидких кристаллов ............
2.2. Дискретные индикаторы на жидких кристаллах ..........
2.2.1. ЖКИ с полным диффузным рассеянием ...............
2.2.2. ЖКИ на твист-эффекте ......................................
2.2.3. Индикаторы на эффекте «гость–хозяин» ..............
2.2.4. Особенности управления ЖКИ ............................
2.2.5. Характеристики ЖКИ .......................................
2.3. Матричные ЖКИ .....................................................
2.3.1. Матричные ЖКИ с диффузным рассеянием ..........
2.3.2. ЖК-дисплеи на твист-эффекте ............................
2.3.3. Современные технологии матричных ЖКИ ..........
2.3.4. Plasma Addressed Liquid Crystal (PALC)................
2.3.5. Отражательные дисплеи ....................................
2.3.6. Возможности отображения цвета ........................
2.3.7. Способы подсветки в дисплеях ............................
2.4. Электронные чернила ...............................................
3. Индикаторы коллективного пользования ...........................
3.1. Видеопреобразователи ..............................................
3.2. Информационные табло ............................................
Заключение ......................................................................
Рекомендуемая литература .................................................
4
5
8
8
10
15
20
22
26
26
26
30
38
38
40
41
42
44
46
46
47
53
59
61
65
68
70
75
75
82
89
90
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Во всех системах, где требуется предъявить информацию в форме, удобной для визуального восприятия человеком, применяются
средства отображения информации (СОИ). Одной из основных частей СОИ является индикатор – электронное устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов в пространственное распределение яркости (контраста). Многообразие элементной базы индикаторной техники ставит серьезные проблемы перед
будущими разработчиками устройств отображения информации,
поскольку приходится учитывать психофизиологические, энергетические, стоимостные, габаритные и другие требования. Трудности эти усугубляются еще и тем, что необходимые сведения о современных устройствах индикации опубликованы в периодической
литературе в виде статей в различных технических журналах.
Целью данного учебного пособия является систематизация материала по современным устройствам отображения информации. В пособии приводятся основные характеристики, физические свойства
материалов, принципы формирования, конструкции и технологии
производства современных и перспективных устройств отображения информации.
В первом разделе пособия рассмотрены особенности использования электролюминесцентных и газоразрядных индикаторов, в частности применение светоизлучающих диодов, плазменных панелей
и дисплеев на основе органических пленок. Во втором разделе рассмотрены в основном дискретные и матричные индикаторы на жидких кристаллах и современные технологии в производстве пассивных плоских дисплеев. Третий раздел посвящен индикаторам коллективного пользования, т. е. отображению информации на больших экранах.
Учебное пособие предназначено для студентов всех форм обучения по специальности «Радиотехника», а также для студентов других специальностей, связанных с проблемой визуализации информации.
4
ВВЕДЕНИЕ
Научно-техническая революция привела к созданию сложных
динамических систем (ДС), к которым относятся современные транспортные средства (тепловозы, электровозы, самолеты, корабли); ракеты; агрегаты теплоэлектростанций, гидроэлектростанций, атомных электростанций; сложные производства и технологические процессы.
Невозможно не только перечислить все ДС, но и дать им классификацию. Общей особенностью ДС является то, что их состояния
или состояния их отдельных звеньев изменяются со временем из-за
изменения условий эксплуатации или окружающей среды. Следствием этого является вторая особенность ДС – они требуют управления для поддержания параметров ДС или ее отдельных звеньев
в определенных пределах, выход за которые может привести к сбою
работы ДС (авария, экологическая катастрофа).
Управление любой ДС возможно лишь при наличии информации
о состоянии системы или отдельных ее звеньев в каждый данный
момент времени. Такая информация вырабатывается специальными датчиками и в простейшем случае отражается на приборной доске или специальном пульте управления.
С увеличением количества информации, необходимой для управления ДС, усложняется и труд человека – оператора. К сожалению,
физические и психологические возможности человека не могут совершенствоваться так же быстро, как идет усложнение техники
и ДС. Возникает противоречие между быстрым ростом сложности
ДС, количеством информации, необходимой для ее управления,
с одной стороны, и ограниченными психофизиологическими возможностями оператора с другой стороны.
Решение противоречия между ограниченными возможностями
обработки информации человеком и быстрым ростом количества
информации с усложнением ДС заключается в разработке и создании специальных систем и устройств отображения информации на
научной основе, учитывающей психофизические возможности человека и позволяющей максимально их использовать, но не превышать.
Средства отображения информации являются одной из наиболее
быстро развивающихся отраслей современной электроники, для которой характерно широкое использование больших интегральных
схем и разнообразных электронных индикаторов, основанных на
различных физических принципах формирования изображения
5
и различных технологиях их реализации. Об изображениях речь
идет не случайно, поскольку человек большую часть информации
о внешнем мире (около 80%) получает именно по зрительным каналам. Визуальная информация отличается большей емкостью, оперативностью, однозначностью и удобством восприятия. К средствам
отображения информации относятся индикаторы индивидуального пользования: дисплеи для связи с ПК, индикаторы, встроенные
в различные измерительные или бытовые электронные приборы
и устройства коллективного пользования.
Устройства индикации делятся на два основных класса: светоизлучающие (активные) и модулирующие свет (пассивные), т. е. изменяющие параметры света в зависимости от свойств среды, через которую он проходит.
К активным индикаторам в первую очередь следует отнести индикаторы на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). ЭЛТ используется
в различного назначения осциллографах, в специальных приборах
для регистрации частиц, в телевизионных приемниках и дисплеях
компьютеров (в этом случае чаще употребляется название CRT –
Cathode Ray Tube), для проекции изображения на большие экраны
и создания непосредственно самих больших экранов. Одними из
первых приборов отображения информации были индикаторы накаливания. Они и сейчас широко применяются для создания больших экранов (ламповые панно). Работа газоразрядных индикаторов
основана на явлении свечения ионизированного газа; они находят
применение не только в традиционных дискретных индикаторах,
но и для отображения графической информации – плазменные панели (PDP – Plasma Display Panel). Электролюминесцентные индикаторы используют явление электролюминесценции – процесс непосредственного преобразования электрической энергии в свет. Различают два типа электролюминесценции и соответственно два типа
приборов на их основе. Приборы, в которых свет генерируется посредством ударного возбуждения светоизлучающих активаторов высокоэнергетичными электронами в порошках или тонких пленках –
предпробойная электролюминесценция (эффект Дестрио). Второй
тип электролюминесценции, который в настоящее время получил
очень широкое распространение и является одним из самых перспективных, – инжекционная или полупроводниковая электролюминесценция. Приборы, использующие этот тип электролюминесценции, получили название светоизлучающих диодов (LED – Light
Emitting Diode). В них свет генерируется посредством рекомбинации электронно-дырочных пар вблизи p-n-перехода.
6
Среди пассивных, т. е. модулирующих внешний световой поток,
индикаторов наибольшее распространение в настоящее время получили индикаторы на жидких кристаллах, в частности LCD-дисплеи
(Liquid Crystal Display), электрохромные индикаторы и так называемая «электронная бумага», или «чернила».
Традиционные устройства индикации и используемые для них
индикаторы широко описаны в литературе. Остановимся только на
самых современных и перспективных принципах отображения информации и устройствах, реализующих эти принципы.
7
1. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ИНДИКАТОРЫ
1.1. Электролюминесцентные индикаторы
Среди электролюминесцентных приборов выделяются два класса: вакуумные и безвакуумные. Первоначально широкое распространение получили вакуумные индикаторы для отображения буквенно-цифровой информации. В последнее время широкое применение находят вакуумные и безвакуумные электролюминесцентные
дисплеи (ЭЛД).
Вакуумные электролюминесцентные дисплеи
Вакуумные электролюминесцентные дисплеи устроены как ламповые триоды и состоят из трех электродов, заключенных в вакуумный стеклянный баллон. Они образуют электрическую матрицу
с цифровым управлением.
Катодные нити состоят из одного или более проводников небольшого диаметра (рис. 1), которые перекрывают всю длину поля экрана дисплея. Электроды управляющих сеток представляют собой
набор ячеек металлических экранов, по одному для каждого знака.
Аноды являются электродами с люминесцирующим покрытием,
которые образуют индивидуальные управляемые сегменты или точки. Используется низковольтная электролюминесценция.
В случае, когда управляющая сетка является положительной
относительно катодной нити, электроны, излучаемые нагретой катодной нитью (температура нити выбирается не более 900 °С, при
этом нить светится слегка желтым цветом и практически не видна),
достигают анодов, вызывая свечение люминесцентного фосУправляющая сетка
форного покрытия на каждой
Защитное стекло
Катодная нить
положительно заряженной точке или сегменте. Различные
Анод
символы формируются на экСтеклянная ране дисплея посредством сеподложка
лективно включаемых анодов,
соответствующих отдельным
элементам знака, а управлеРис. 1. Конструкция электролюминес- ние по сеткам обеспечивает
динамическую индикацию.
центного дисплея
8
Для отображения сложной информации дисплей содержит встроенную электронику, которая обеспечивает стабилизацию напряжения, параллельный и последовательный интерфейс, интеллектуальное управление сигналами возбуждения анодов и управляющих
сеток.
Безвакуумные электролюминесцентные дисплеи
Электролюминесцентные дисплеи относятся к классу устройств,
в которых свет генерируется посредством ударного возбуждения
светоизлучающих активаторов высокоэнергичными электронами
в таких тонкопленочных структурах, как ZnS:Mn. Электроны приобретают большую энергию под действием сильного электрического
поля, и соответственно, этот тип электролюминесценции часто называют электролюминесценцией с сильными электрическими полями в тонких пленках (TFEL – Thin Film Electroluminescent) или
предпробойной электролюминесценцией. В принципе, светоизлучающие дисплеи имеют наиболее простую структуру, так как не
требуют внешнего источника излучения и сложной оптики. Основными преимуществами активных индикаторов, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в свет, являются:
— высокое быстродействие;
— способность работать при малой освещенности окружающей
среды;
— большой угол обзора.
На рис. 2 приведена структура TFEL-индикатора. Центральный
слой представляет собой тонкую пленку фосфора, который излучает свет при воздействии сильного электрического поля с напряженТемный электрод
Темный изолятор
Фосфор
Изолятор
Электроды
V(t)
Основа
Рис. 2. Структура TFEL-индикатора
9
ностью 1,5 мВ/см. Из-за такого сильного электрического поля любые дефекты в тонкопленочной структуре этажерочного типа, способные создать короткое замыкание, могут послужить причиной
рассеивания разрушительного количества энергии, если фосфор непосредственно соединится с электродами. Поэтому на каждой из сторон фосфорного слоя необходимы токоограничивающие слои (изоляторы) с тем, чтобы сформировать надежную структуру устройства. Изоляторы ограничивают максимальный ток заряда и разряда
емкостей. Наконец, электроды снизу и сверху устройства завершают
основную емкостную структуру. По крайней мере один набор из этих
электродов должен быть прозрачным для того, чтобы иметь возможность наблюдать излучаемый свет.
Зависимость яркости от напряжения имеет четко выраженный
пороговый эффект. Есть порог напряжения, ниже которого излучается небольшое количество света, круто возрастающая характеристика выше порога и, наконец, зона насыщения. Эта чрезвычайно
нелинейная характеристика является типичной для устройства
с возможностью электрической адресации при чрезвычайно высоком коэффициенте мультиплексирования и с сохранением отличной контрастности изображения.
Электролюминесцентные дисплеи незаменимы в тех случаях,
когда надо обеспечить длительное надежное функционирование в неблагоприятных условиях и в суровой окружающей среде с температурами от минус 40 до 85 °С. Они прочны, выдерживают удар до
100 g и виброускорение до 5 g. У них минимизирована чувствительность к электромагнитному излучению от расположенных вблизи
приборов и сетей питания, а собственное излучение не превышает
норм, установленных международными стандартами. Быстрое безынерционное отображение (время отклика порядка 1 мкс) исключает
смазывание изображений подвижных объектов и многоконтурность.
1.2. Светоизлучающие диоды
В 1907 г. английский инженер Х. Д. Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение.
Всерьез же заинтересовался этим физическим явлением и попытался найти ему практическое применение Олег Владимирович Лосев.
Обнаружив в 1922 г. во время своих ночных радиовахт свечение
кристаллического детектора, тогда еще 18-летний радиолюбитель
10
не ограничился констатацией факта, а незамедлительно перешел к
оригинальным экспериментам. Стремясь получить устойчивую генерацию кристалла, он пропускал через точечный контакт диодного детектора ток от батарейки. Лосев писал: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0,4 мА... Светящийся
детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света».
Весь мир заговорил об «эффекте Лосева», на практическое применение которого изобретатель успел получить до своей гибели
в 1942 г. четыре патента.
В 1951 г. центр по разработке «полупроводниковых лампочек»,
действующих на основе «эффекта Лосева», был создан в Америке.
В исследовании проблем, связанных со светодиодами, принял самое деятельное участие и «отец транзисторов» физик В. Шокли.
Вскоре выяснилось, что германий (Ge) и кремний (Si), на основе которых делаются полупроводниковые триоды (транзисторы), бесперспективны для светодиодов из-за слишком большой «работы выхода» и, соответственно, слабого испускания фотонов на p-n-переходе.
Успех же сопутствовал монокристаллам из сложных композитных
полупроводников – соединений галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (Р), индия (In), алюминия (Аl) и других элементов.
Однако реализованы на практике эти идеи были лишь в 60–
70-е гг. Первые имеющие промышленное значение светодиоды с красным и желто-зеленым свечением были созданы в 60-е гг. на основе
структур GaAsP/GaP Ником Холоньяком (США). Внешний квантовый выход (отношение рекомбинаций носителей, при которых излучается фотон к общему числу рекомбинаций) был не более 0,1%.
Длина волны излучения этих приборов находилась в пределах 500–
600 нм – области наивысшей чувствительности человеческого глаза, поэтому яркость их желто-зеленого излучения была достаточной
для целей индикации. Световая отдача светодиодов при этом составляла приблизительно 1–2 лм/Вт.
Дальнейшее совершенствование светодиодов проходило по двум
направлениям: увеличение внешнего квантового выхода и расширение спектра излучения. Велик вклад в эту работу российских ученых, в частности, Ж. И. Алферова с сотрудниками.
Долгое время развитие светодиодов сдерживалось отсутствием
приборов, излучающих в синем диапазоне. Попытки реализовать
синие и зеленые светодиоды и лазеры были связаны с использованием кристаллов нитрида галлия GaN и селенида цинка ZnSe.
11
В настоящее время рекорд внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55%, а для синих 35%. Внешний квантовый выход излучения желтых и красных светодиодов на основе
твердых растворов AlInGaP достиг значений 25–55%, а светоотдача
соответственно достигла 100 лм/Вт, т. е. сравнялась со светоотдачей
лучших современных люминесцентных ламп.
Принцип работы светоизлучающих диодов состоит в следующем.
При выполнении полупроводниковых материалов p- и n-типа в одном кристалле (за счет легирования различными примесями) образуется p-n-переход (рис. 3). За счет диффузии дырок из р-области
и электронов из n-области образуется потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему движению носителей (неосновных) заряда. Высота потенциального барьера – энергетическая ширина запрещенной зоны Eg – у разных полупроводников различна и говорит об энергии носителей заряда, перешедших из валентной зоны
в зону проводимости.
Для создания тока через p-n-переход нужно приложить внешнее
напряжение в прямом включении («+» к проводнику р-типа, «–»
к проводнику n-типа), которое уменьшает высоту потенциального
барьера. Неосновные носители, попав в полупроводник другого
типа, рекомбинируют, т. е. переходят в валентную зону, теряя избыточную энергию: ΔЕ = Еg (высота потенциального барьера). При
этом избыточная энергия выделяется в виде квантов электромагнитного излучения с длиной волны
λ= hC/ΔE = 1238/ΔE,
где h – постоянная Планка; C – скорость света; ΔЕ – энергия, эВ;
λ – длина волны излучения, нм.
При ΔЕ < 1,8 эВ λ > 0,8 мкм и излучение
происходит в инфракрасном (тепn
p
ловом) диапазоне, приводя к нагреву pn-перехода, что и имеет место в обычных
–
+ полупроводниковых диодах на основе
германия и кремния, у которых ΔЕ =
= (0,3–0,8) эВ.
Но существуют полупроводники, имеющие намного большую ширину запрещенной зоны Еg и соответственно ΔЕ
Рис. 3. Образование потен(больше
1,8 эВ). У таких полупроводнициального барьера
ков при рекомбинации неосновных нов p-n-переходе
12
Красный пик
сителей излучение идет в области видимого диапазона: 0,4 < λ < Синий пик
< 0,8 нм. На основе таких полуЗеленый пик
проводников строятся светоизлучающие диоды (СИД): фосфид
галлия GaP, карбид кремния SiC,
470
525
580
635 λ, нм
нитрид галлия GaN (ширина запрещенной зоны 3,4 эВ, а излу- Рис. 4. Спектры излучения трех
диодов для получения белочение – в коротковолновой чаго цвета
сти видимого диапазона), а также твердые растворы галлий – мышьяк – фосфор (Ga – As – P), галлий – мышьяк – алюминий (Ga – As – Al).
Изобретение синих светодиодов замкнуло «RGB-круг» и сделало
возможным получение светодиодов белого свечения. Существуют
четыре способа создания белых СИД, каждый со своими достоинствами и недостатками.
Один из них – смешение излучения светодиодов трех или более
цветов. На рис. 4 показано получение белого цвета путем смешивания в определенной пропорции излучения красного, зеленого и синего светодиодов. В принципе, такой способ должен быть наиболее
эффективным. Для каждого из светодиодов – красного, зеленого или
голубого – можно выбрать значения тока, соответствующие максимуму его внешнего квантового выхода излучения. Но при этих токах
и напряжениях интенсивности каждого цвета не будут соответствовать значениям, необходимым для синтеза белого цвета типа С:
Ey = 0,299 ER + 0,587EG + 0114EB.
Этого можно достигнуть, изменяя число диодов каждого цвета
и составляя источник из многих диодов. Для практических применений этот способ неудобен, поскольку необходимо иметь несколько
источников различного напряжения, много контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирующие свет от нескольких СИД.
Второй и третий способы –
Излучение
желтого
Белый цвет
смешение голубого излучения
люминофора
светодиода с излучением либо
Излучение синего
люминофора
желто-зеленого люминофора,
либо зеленого и красного лювозбуждаемых
470
525
580
635 λ, нм минофоров,
этим
голубым
излучением.
На
Рис. 5. Спектры излучения двух диодов
для получения белого цвета
рис. 5 показано получение бе13
лого цвета с помощью кристалла синего светодиода и нанесенного
на него слоя желтого люминофора.
Эти способы наиболее просты и в настоящее время наиболее экономичны. Состав кристалла с гетероструктурами на основе InGaN/
GaN подбирается так, чтобы его спектр излучения соответствовал
спектрам возбуждения люминофоров. Кристалл покрывается слоем
геля с порошком люминофора таким образом, чтобы часть голубого
излучения возбуждала люминофор, а часть проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового
купола рассчитываются и подбираются так, чтобы излучение имело белый цвет в нужном телесном угле. Сейчас исследуется около
десятка различных люминофоров для белых СИД.
Четвертый способ – смешение излучения трех люминофоров
(красного, зеленого и голубого), возбуждаемых ультрафиолетовым
светодиодом. На рис. 6 показано получение белого света с помощью
ультрафиолетового светодиода и RGB-люминофора.
Этот способ использует технологии и материалы, которые разрабатывались в течение многих лет для люминесцентных ламп. Он
требует только два контактных ввода на один излучатель. Но этот
способ связан с принципиальными потерями энергии при преобразовании света от диода в люминофорах. Кроме того, эффективность
источника излучения уменьшается, так как разные люминофоры
имеют разные спектры возбуждения люминесценции, не точно соответствующие УФ-спектру излучения кристалла СИД.
Светоотдача белых СИД ниже, чем светоотдача СИД с узким
спектром (для суперярких светодиодов она доходит до 50 лм/Вт),
поскольку в них происходит двойное преобразование энергии, часть
ее теряется в люминофоре. В настоящее время светоотдача лучших
белых СИД 25–30 лм/Вт.
Преимущества светодиодов, кроме высокой светоотдачи, малого
энергопотребления и возможности получения любого цвета излучения, заключаются в целом ряде
УФ-излучение Общий спектр
Излучение
других свойств.
излучения
люминофоров
Отсутствие нити накала благодаря нетепловой природе излучения обуславливает длительный срок службы до 100 тыс.
часов.
Отсутствие стеклянной
470
525
580
635 λ, нм
колбы
определяет
очень высоРис. 6. Получение белого цвета преобразованием ультрафиоле- кую механическую прочность
тового излучения
и надежность.
14
Малое энергопотребление и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности, а безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие.
Не следует забывать и об экологичности, а именно отсутствии
ртутьсодержащих компонентов по сравнению с электролюминесцентными индикаторами, а также отсутствии электромагнитных
излучений и помех.
Область применения СИД давно вышла за рамки обычных буквенно-цифровых индикаторов. В настоящее время применяются
как небольшие матричные СИД, так и кластеры для создания больших матричных панно с размерами в несколько метров. Ультрамощные светодиодные источники света используются в прожекторах, для художественной подсветки зданий и общего освещения.
1.3. Плазменные панели
В плазменных панелях (ПП) применяется такое физическое явление как газовый разряд. Газы становятся электропроводными
в результате их ионизации. Различают несамостоятельные (ионизация за счет внешних воздействий) и самостоятельные (ионизация за
счет собственного тока) разряды. Типичным прибором, в котором
применяется самостоятельный разряд, являются газоразрядные
лампы, например, лампы дневного света.
Самостоятельный газовый разряд возникает, когда между двумя
электродами создан достаточно большой электрический потенциал.
Когда он достигает некой критической величины (потенциал зажигания Uз), происходит лавинообразный процесс ионизации и зажигается газовый промежуток (рис. 7, зона II), появляется видимое
свечение и напряжение на
газовом промежутке умень- U
шается. С дальнейшим ростом тока напряжение бу- Uз
дет оставаться неизменным.
Этому участку вольт-амперUг
ной характеристики соотI
II
III
IV
V
ветствует так называемый
нормальный тлеющий разI
ряд (участок III). При этом Рис. 7. Вольт-амперная характеристиважно подчеркнуть, что пока разряда ионизированного газа
15
тенциал, поддерживающий нормальный тлеющий разряд (потенциал горения Uг), меньше, чем зажигающий. Нормальный тлеющий
разряд и применяется в плазменных панелях, иногда с частичным
заходом в область аномального разряда (участок IV).
При пробое газа (поджиге) формируются каналы-стримеры или
зона, содержащая ионизированный газ, – плазму. Разряд всегда сопровождается светоизлучением, видимым и ультрафиолетовым,
которое часто является основной составляющей излучения. Механизм излучения – рекомбинация ионов плазмы до нейтральных
молекул при столкновении с электронами. Переходные процессы,
связанные с пробоем и формированием плазмы, протекают достаточно быстро (10–7 с и менее). После этого тлеющий разряд становится равновесным, т. е. процессы рекомбинации и ионизации в нем
уравновешены. В фазе аномального разряда начинается стягивание
его положительного столба. При этом столб отрывается от стенок
сосуда, ограничивающего разряд. В V зоне разряд становится дуговым.
Видимое свечение инертных газов лежит в желто-оранжевой
части спектра видимого диапазона. Для получения свечения в области зеленого, синего и красного используется преобразование
энергии УФ-излучения. С помощью люминофоров УФ-излучение
плазмы преобразуется в видимое. Плазменная панель разбита на
ячейки прямоугольной формы.
Каждая ячейка плазменной панели – миниатюрный газоразрядный прибор (рис. 8). Сотовая структура ячеек размещена между двумя пластинами. Одна является задней стенкой панели, другая – выходной и потому должна быть прозрачной в видимой части спектра.
Между пластинами размещена достаточно жесткая конструкция,
которая, собственно, и формирует боковые стенки камер ячеек.
Передняя панель
Прозрачные электроды
Диэлектрический слой
Защитный слой
Защитные слои
(перегородки)
Диэлектрический слой
Фосфор
красный
Фосфор
синий
Задняя панель
Фосфор
зеленый
Электрод
данных
Рис. 8. Конструкция плазменной панели
16
В СОИ для создания больших экранов используются плазменные
панели переменного тока, поэтому диэлектрические слои отделяют
электроды от камер. Нижний (рис. 9) электрод примыкает к задней
глухой стенке, поэтому он металлический. Электроды со стороны
выходной пластины изготовлены из прозрачного токопроводящего
материала. Защитный слой, стеклянная выходная пластина и другие «прозрачные» элементы конструкции ультрафиолет не пропускают и потому препятствуют проникновению УФ-излучения «во
внешний мир». Люминофор покрывает заднюю и частично боковые
стенки камеры ячейки. Естественно, используются люминофоры
трех разных составов, соответственно излучающие основные цвета:
красный, зеленый, синий. Потенциал зажигания газового разряда
зависит от общего числа атомов газа в промежутке между электродами, т. е. от произведения давление газа на расстояние между электродами (закон Пашена). Характерные значения давления газов для
плазменных панелей лежат в диапазоне 10 ÷ 300 мм рт. ст., а межэлектродные расстояния – в диапазоне 0,1 ÷ 0,5 мм. Для снижения
потенциала зажигания используются так называемые пеннинговские смеси, с добавкой к основному газу примесей другого газа, потенциал ионизации которого ниже энергии возбуждения метастабильного уровня основного газа. Наиболее распространенным газовым наполнением плазменных дисплеев является смесь инертных газов на
основе гелия или неона с добавлением ксенона (от 0,5 до 30%).
Ячейки заполнены инертным газом – это неон или ксенон, реже
гелий. Используются также и смеси этих газов. Газы находятся
в разреженном состоянии. Пониженное давление – это и пониженные потенциалы поджига и равновесного разряда.
Прозрачные электроды
Передняя панель
Защитный слой
Диэлектрический
слой
Защитный слой
(перегородки)
Фосфор синий
Фосфор
красный
Фосфор
зеленый
Электрод
данных
Рис. 9. Конструкция ячейки плазменной панели
17
Scan
1
Sustain
Рассмотренная
конструкция
ячеек сложилась далеко не сразу.
Плазма способна, особенно на стадии нормального тлеющего разряда, довольно быстро разрушить
люминофорное покрытие. ПоэтоData
му поиск оптимальной конфигура3
4
ции ячейки велся методом проб
и ошибок, пока не была решена
проблема эффективного отделения
зоны плазмы от люминофора. И все
же «выгорание» и, как следствие,
изменение, в частности, цветовых
5
6
температур было и остается проблемой.
Для управления ячейками
плазменных панелей переменного
тока разработана специальная тех7
8
нология, позволяющая высвечивать ячейки не друг за другом, как
это традиционно делается, а большими блоками. Именно с этой целью в ячейке предусмотрен электРис. 10. Цикл управления состоя- род данных. Полный цикл управнием ячейки плазменной ления – восемь стадий переключепанели
ния состояний. Эти стадии поясняются блоком рисунков (рис. 10), номера которых соответствуют
номеру стадии.
1. Исходное состояние. Все электроды находятся под условно нулевым потенциалом.
2. Начальный разряд. Поджигается тлеющий разряд, устанавливается ток в плазме, соответствующий нижнему потенциалу нормального разряда. Потенциал шины b Sustain (поддерживающего
электрода) положителен. Излучение из ячейки практически отсутствует. На этой стадии создается первичная ионизация газа, обеспечивающая на следующей стадии включение разряда без поджига
(несамостоятельный разряд).
3. Разряд записи данных. Шина Sustain отключается. На шины
Scan (управления) и Data (адресная) подаются короткие импульсы
с размахом, соответственно, –180 и +70 В. Разряд формируется
в зоне между шинами Scan и Data. Элементарные конденсаторы, об18
2
разованные на пересечении этих шин, заряжаются до 250 В. Коммутация ячеек выполняется в обычном режиме вдоль строк и прогрессивно по вертикали. Время коммутации строки – 3 мкс.
4. Сохранение данных. Все шины отключены. На шинах Scan
и Data сохраняются электрические заряды в тех ячейках, на которые напряжения в стадии 3 поступали одновременно. Эти заряды
создают поле, поддерживающее ионизацию с потенциалом 250 В.
5. Первая часть основного разряда. На шину Scan подается потенциал +40 В, на шину Sustain – –180 В. Этим инициируется равновесный тлеющий разряд с общим потенциалом 250 + 220 = 470 В,
достаточным для интенсивного плазменного УФ-излучения, при
этом происходит перезаряд элементарного конденсатора.
6. Вторая часть основного разряда. Осуществляется режим поддержки плазменного разряда. Для этого через каждые 2,5 мкс переключается полярность потенциалов Scan и Sustain. Размах переключающих импульсов – 220 В.
7. Гашение разряда. На шинах Scan и Sustain снижаются потенциалы до уровня, использованного на стадии 2. УФ-излучение исчезает.
8. Ячейка в исходном состоянии. Шины Scan и Sustain замкнуты, ионизация прекращается.
Таким образом, данные сначала записываются в ячейки и только затем одновременно высвечиваются. А это – путь к существенному повышению качества изображения, которое в известных отношениях приближается к кино.
Но, например, по отношению к телевизионному полю это не вполне удается. Расчеты показывают, что при приведенных выше параметрах на поддержку излучающего состояния в 15,26 мс (активная
часть ТВ-поля) приходится только 6100 импульсов изменения полярности на стадии 6. В этом случае ячейки могут находиться либо
во включенном, либо в выключенном состоянии. А это означает, что
не передается шкала серого и воспроизводятся только шесть цветовых оттенков.
Для получения полутоновых изображений необходимо управлять яркостью отдельных ячеек ПП. Из нескольких возможных путей управления яркостью (по току, длительности, числу импульсов)
в ПП получило распространение управление яркостью по числу импульсов. Для получения качественного изображения во всех современных PDP для управления яркостью используется эффект памяти. В этом случае кадр изображения разбивается на 8 субкадров
с различной длительностью поддержки, соответствующих 8-бито19
Длительность кадра
Номер субкадра
3
1 2
4
5
6
7
8
Период
поддержки
1 2
8
32
64
16
4
Относительная длительность поддержки
128
Период записи
Рис. 11. Управление яркостью ячеек ПП по числу импульсов
вым плоскостям (рис. 11). Длительность периода записи (для 480
строк в кадре) равна 0,003×480 = 1,44 мс, а длительность поддержки
меняется от 0,016 до 2,048 мс.
Для того чтобы отсечь излучение плазмы в видимой части спектра, используются специальные фильтры.
Недостатками плазменных панелей являются, во-первых, низкая
разрешающая способность, связанная с чисто механическими трудностями создания панелей с большим числом пикселов. Кроме того,
увеличение числа пикселов ведет к уменьшению их размеров, а значит, объема плазмы, что приводит к уменьшению яркости пикселов.
Вторым недостатком такого типа дисплеев является довольно высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали дисплея. Третий недостаток – свойства люминофорных элементов быстро ухудшаются и экран становится менее ярким. Из-за
этих ограничений такие дисплеи используются пока только для конференций, презентаций, информационных щитов, т. е. там, где требуются большие размеры экранов для отображения информации.
1.4. Дисплеи с электростатической эмиссией
Как уже говорилось, мониторы могут быть разделены на две
группы: мониторы, основанные на излучении света, например традиционные ЭЛТ-мониторы, плазменные панели, т. е. это устройства,
элементы экрана которых излучают свет во внешний мир, и мониторы трансляционного типа, такие как LCD-мониторы. Одним из
технологических направлений в области создания мониторов, которое совмещает в себе особенности обеих технологий, является технология FED (Field Emission Display).
Мониторы FED основаны на процессе, который немного похож
на тот, что применяется в ЭЛТ-мониторах, так как в обоих методах
применяется люминофор, светящийся под воздействием электрон20
ного луча. Также их называют плоскими ЭЛТ. Главное отличие
между ЭЛТ- и FED-мониторами состоит в том, что ЭЛТ-мониторы
имеют три пушки, которые испускают три электронных луча, последовательно сканирующих экран, покрытый люминофорным слоем, а в FED-мониторе каждый пиксел изображения формируется
излучением электронов с нескольких тысяч субмикрометровых остроконечных элементов поверхности (рис. 12). Благодаря этому не
требуется высоковольтная эмиссия, и рабочее напряжение устройства может быть существенно снижено. Оно во многом зависит от
материала эмитирующей поверхности. Например, если электроны
генерируются молибденом, то на управляющие электроды достаточно подать 12 В. Но, несмотря на привлекательность низковольтной эмиссии, оказалось, что для эффективного облучения люминофора все же требуется разогнать электроны в высоковольтном поле
(ускоряющее напряжение до 80 В). Другая проблема FED-дисплеев – поддержание вакуума в экранах большого размера. Конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять сжимающему атмосферному давлению.
FED-мониторы обеспечивают высокую яркость изображения
(600–800 кд/м2) и угол обзора 160° во всех направлениях, фокусировка обеспечивает размеры пиксела меньше 100 мкм. Кроме того,
такие дисплеи имеют очень короткое время отклика, легки, тонки,
потребляют мало электроэнергии, могут работать в широком температурном диапазоне.
Но, к сожалению еще не решена главная проблема FED-дисплеев – малый срок работы. Дело в том, что металлические катоды со
временем «тупели» и ток автоэлектронной эмиссии заметно падал.
Для решения этой проблемы предлагается в качестве материала ка™ÆǽƹØ
¥ÇÄÁº½¾ÆǻԠÈǽÄǿù
ÃÇÆÌÊ
¨ÇËÇÃ
ÖľÃËÉÇÆÇ»
ªÄÇÂ
Ä×ÅÁÆÇÍÇɹ ¬ÈÄÇËÆÁ˾ÄÕ
¥Ç½ÌÄØËÇÉ
ÁÖľÃËÉÁÃ
£¹ËǽƹØ
ÈǽÄǿù
Рис. 12. Конструкция ячейки дисплея с электростатической эмиссией
21
тода использовать различные формы углерода (углеродные нанотрубки, углеродные волокна и др.), но промышленного варианта
дисплеев такого типа в настоящее время не существует.
Типичные характеристики уже действующих FED-дисплеев: размер по диагонали 10–27 см, количество пикселов 640×480, угол обзора 160°, толщина – порядка нескольких миллиметров, допустимый интервал рабочей температуры – от –5 до 85 °С.
1.5. OLED-дисплеи
Сравнительно недавно на рынке появились дисплеи нового, отличного от LCD, типа, так называемые OLED-дисплеи (Organic Light
Emitting Device). Дисплей OLED представляет собой электронное
устройство, выполненное путем размещения ряда тонких органических пленок между проводниками. При подключении источника
питания к выбранным элементам дисплея последние излучают яркий свет (рис. 13). Технология OLED идеально подходит для изготовления дисплеев, используемых в портативных устройствах, позволяя создавать легкие, надежные и малопотребляющие дисплеи.
Для получения OLED-дисплеев требуется меньшее число производственных этапов и более дешевые материалы по сравнению с LCD.
Технология OLED может заменить существующие технологии создания дисплеев во многих областях за счет следующих преимуществ перед LCD:
• более высокой яркости;
• более высокого быстродействия, улучшающего качество отображения и динамику видеоизображений;
• расширенного угла обзора (до 180°);
• малого веса;
• меньшего энергопотребления;
• более широкого диапазона рабочих температур;
• меньшей совокупной стоимости.
Слой катода
Органически активные слои
Матрица TFT
Подложка
Рис. 13. Конструкция OLED-дисплея
22
Столь впечатляющие характеристики OLED-дисплеев достигаются благодаря разработке особого семейства высокоэффективных
OLED-материалов. Их ключевой особенностью является использование для излучения света процесса электрофосфоресценции. В традиционных OLED-дисплеях излучение света основано на флюоресценции. В соответствии с теоретическими и экспериментальными
оценками максимальная эффективность OLED с добавлением флуоресцентных материалов может составить около 25%. Это ограничение практически снимается при использовании в качестве добавок
электрофосфоресцентных материалов, которым присуще как одиночное, так и тройное возбужденное состояние. Учитывая, что эффективность таких материалов приближается к 100%, ведутся работы над созданием и продвижением на рынок электрофосфоресцентных устройств, которые оптимизируют такие их характеристики, как чистоту цвета, надежность функционирования и механическую прочность.
OLED-дисплеи могут быть выполнены на основе пассивной или
активной матрицы.
Пассивная матрица дисплея состоит из массива отображающих
элементов и пикселов, расположенных на поверхности по строкам
и столбцам (см. рис. 13). В OLED-дисплее каждый пиксел является
органическим светодиодом, образованным на пересечении каждой
линии строки и столбца. Первые OLED, так же как и первые LCD,
адресовались как пассивная матрица. Это означает, что для активизации пиксела необходимо приложить напряжение к линиям строки и столбца, на пересечении которых находится выбранный пиксел. Чем больший ток протекает через каждый пиксел, тем больше
яркость наблюдаемого свечения.
В дисплее с активной матрицей массив также разделяется на
строки и столбцы с пикселами, образуемыми на пересечении линий
строк и столбцов. Однако здесь каждый пиксел состоит из органического светодиода (OLED), включенного последовательно с тонкопленочным транзистором (TFT – Thin Film Transistor), выполняющим
функцию коммутатора, регулирующего уровень тока через OLED.
В активной матрице OLED-дисплея (AMOLED) информация посылается микротранзистору каждого пиксела, задавая яркость его
свечения. TFT-транзистор запоминает эту информацию и плавно
регулирует ток через OLED.
Компания Universal Display (UDC), ведущий производитель дисплеев этого типа, предлагает несколько разновидностей OLED-дисплеев:
23
• TOLED – прозрачные органические светоизлучающие устройства;
• FOLED – гибкие органические светоизлучающие устройства;
• SOLED – сложенные органические светоизлучающие устройства.
В дисплеях TOLED используется прозрачная основа, что позволяет создавать дисплеи с излучением только вверх, только вниз или
в оба направления. Технология TOLED позволяет получать высококонтрастные изображения, что улучшает читабельность дисплея
при ярком солнечном свете. Поскольку TOLED имеет 70%-ю прозрачность в выключенном состоянии, он может быть интегрирован
в автостекла в качестве табличек или указателей. Прозрачность
дисплеев TOLED дает возможность использовать их с непрозрачными подложками из металла, фольги или кремниевого кристалла,
что позволяет создавать дисплеи с отображением только вперед. За
счет использования поглотителя с низким коэффициентом отражения (черный фон) позади верхней или нижней поверхности TOLED,
контрастное отношение может быть значительно улучшено по сравнению с отражающими LCD и OLED. Это особенно важно в приложениях, работающих при дневном свете, например в мобильных
телефонах, кабинах авиационной техники и т. п.
Встраивая органическую пленку в гибкую поверхность, производители получают исключительные по своим качествам гибкие дисплеи – FOLED. Плоские отображающие панели традиционно выпускаются на стеклянной основе вследствие структурных ограничений
или ограничений технологического процесса. Гибкие материалы обладают существенными преимуществами в сравнении со стеклянной основой. Впервые дисплеи могут быть выполнены на разнообразных типах подложек – от прозрачных тонких пленок до отражающей металлической фольги. Эти материалы позволяют изгибать
и скручивать дисплеи, приспосабливая их к любой поверхности. Это
означает, что FOLED-дисплей можно встроить в шлем, в приборную
панель самолета или на стекло окна автомобиля. Использование
тонких пластиковых подложек также существенно уменьшает вес
тонких отображающих панелей в сотовых телефонах, портативных
компьютерах и особенно в массовой сфере настенного телевидения.
Дисплеи FOLED обладают повышенной стойкостью к изломам, устойчивостью к внешним воздействиям и более длительным сроком
службы по сравнению с аналогами на стеклянной основе.
Дальнейшее развитие OLED-дисплеев привело к появлению так
называемых «сложенных OLED» (SOLED). В них используется прин24
ципиально новая архитектура организации пиксела, разработанная компанией UDS. В дисплеях SOLED пиксел представляет собой
вертикальную структуру расположенных друг над другом красного, зеленого и синего подпикселов, что отличается от расположения
подпикселов в одной плоскости один возле другого, как в обычных
дисплеях на основе ЭЛТ или LCD. Это улучшает разрешающую способность дисплея в три раза и повышает качество цветопередачи.
Для раздельной регулировки цвета и яркости каждый красный, зеленый и синий (RGB) подпикселные элементы управляются индивидуально. Задание цвета выполняется за счет регулировки уровня
тока в этих трех элементах. Регулировка яркости осуществляется
путем изменения общего тока через сток ячейки. Получение градаций серого выполняется за счет широтно-импульсной модуляции
сигналов, подаваемых на подпикселы. Технология SOLED компании UDC является первой демонстрацией вертикально-интегрированной структуры, в которой цвет, яркость и шкала серого могут
настраиваться независимо, обеспечивая полноцветное изображение
с высоким разрешением. Важной особенностью SOLED является
очень высокий коэффициент заполнения, достигающий 100%. Например, когда у классического полноцветного дисплея устанавливается зеленый цвет, красный и синий подпикселы отключаются.
У структуры SOLED при тех же условиях, напротив, все пиксели
станут зелеными. Это означает, что архитектура SOLED обеспечивает лучшую цветопередачу и качество отображения. Еще одной особенностью SOLED является равномерность цветопередачи при увеличении размера пиксела. Это важно для больших дисплеев, в которых пиксели имеют достаточные размеры, чтобы их можно было
увидеть с малого расстояния. В традиционных ЭЛТ- и LCD-дисплеях глаз с близкого расстояния может увидеть раздельные красный,
зеленый и синий цвета вместо эквивалентной смеси. У SOLED-дисплеев каждый пиксел излучает желаемый цвет, и поэтому цвет пиксела правильно воспринимается независимо от его размера и расстояния, с которого он наблюдается.
25
2. ПАССИВНЫЕ ИНДИКАТОРЫ
В результате взаимодействия света с пассивным индикатором
происходит модуляция света. При этом могут быть изменены амплитуда, фаза и длина волны, плоскость поляризации, направление
распространения света. Оптическими показателями, наличие которых приводит к модуляции света по одному из параметров, являются: коэффициенты поглощения, отражения и рассеяния; оптическая разность хода; спектральное пропускание или отражение; оптическая анизотропия; изменение показателя преломления; оптическая активность.
Пространственное распределение перечисленных параметров материала пассивного индикатора может быть естественным свойством, а может быть получено в результате внешнего воздействия.
Желательно, чтобы собственные оптические показатели были распределены по поверхности индикатора равномерно, а изменения вводились извне. Результат этих изменений при целенаправленном воздействии представляет запись информации. Источником и носителем информации чаще всего бывают электрические и магнитные
поля. Под действием этих полей происходит значительное число
электрооптических эффектов. Кроме того, электрическое поле и ток
стимулируют и ряд эффектов неэлектрического характера.
К современным пассивным индикаторам, прежде всего, следует
отнести индикаторы на жидких кристаллах (ЖКИ) и электронную
бумагу.
2.1. Жидкие кристаллы и их свойства
2.1.1. История открытия и применения жидких кристаллов
Жидкий кристалл (ЖК) – это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства жидкости и кристалла. Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может находиться только в трех, всем хорошо известных агрегатных состояниях: твердом или кристаллическом,
жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний могут образовывать четвертое агрегатное состояние – жидкокристаллическое. Это состояние достигается плавлени26
ем кристаллов некоторых веществ, в результате которого образуется
жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления
кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до
которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость. Чем же
жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла
и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, ЖК обладает вязкостью и текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако,
несмотря на это свойство, объединяющее его с жидкостью, он обладает свойством, характерным для кристаллов. Это – упорядочение
в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не такое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства ЖК, чем и отличает их от
обычных жидкостей. Неполное пространственное упорядочение молекул, образующих ЖК, проявляется в том, что в жидких кристаллах нет полного порядка в пространственном расположении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кристаллической решетки. Поэтому
ЖК, подобно обычным жидкостям, обладают свойством текучести.
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы в 1888 г., был австрийский ученый-ботаник Фридрих Рейнитцер. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат (cholesteyl benzoate),
он установил, что при температуре 145 °С кристаллы этого вещества
плавятся, образуя мутную, сильно рассеивающую свет жидкость.
При продолжении нагрева до температуры 179 °С жидкость просветляется, т. е. начинает вести себя в оптическом отношении, как
обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматривая эту фазу
под поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что
она обладает двулучепреломлением. Это означает, что показатель
преломления света, то есть скорость света в этой фазе, зависит от
поляризации. Как известно, этим свойством обладают только кристаллы.
Более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек
известного немецкого физика Отто Лемана, показали, что мутная
фаза не является двухфазной системой, т. е. не содержит в обычной
жидкости кристаллических включений, а является новым фазовым
состоянием вещества. Этому фазовому состоянию Леман дал название «жидкий кристалл» в связи с одновременно проявляемыми им
свойствами жидкости и кристалла.
27
В конце девятнадцатого – начале двадцатого века многие очень
авторитетные ученые весьма скептически относились к открытию
Рейнитцера и Лемана. Дело не только в том, что описанные противоречивые свойства ЖК представлялись многим весьма сомнительными, но и в том, что свойства различных жидкокристаллических
веществ (соединений, обладавших жидкокристаллической фазой)
оказывались существенно различными. Так, одни ЖК обладали
очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни
жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры резкое
изменение окраски, так что их цвет пробегал все тона радуги, другие такого резкого изменения окраски не проявляли. Наконец, внешний вид образцов, или, как принято говорить, текстура, различных
ЖК при рассматривании их под микроскопом оказывался совсем
различным. В одном случае в поле поляризационного микроскопа
могли быть видны образования, похожие на нити, в другом наблюдались изображения, похожие на горный рельеф, а в третьем картина напоминала отпечатки пальцев. Стоял также вопрос, почему
жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только
некоторых веществ.
Вот в таких условиях скептицизма со стороны многих ученых
и изобилия противоречивых фактов вели свои работы первые, тогда
немногочисленные исследователи ЖК, настоящие энтузиасты своего дела. К их числу следует отнести немецкого химика Д. Форлендера, который в начале двадцатого века в университетском городе
Галле совместно со своими учениками изучал химию ЖК. Он пытался ответить на вопрос, какими свойствами должны обладать молекулы вещества, чтобы оно имело жидкокристаллическую фазу.
Форлендер нашел большое количество новых соединений, обладающих жидкокристаллической фазой, и внимательно исследовал свойства молекул соответствующих соединений, в частности структурные. В результате его работ стало ясно, что ЖК образуют вещества,
молекулы которых имеют удлиненную форму.
Время шло, факты о жидких кристаллах постепенно накапливались, но не было общего принципа, который позволил бы установить какую-то систему в представлениях о ЖК. Как говорят, настало время для классификации предмета исследований. Заслуга в создании основ современной классификации ЖК принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В 20-е гг. Фридель предложил
общий термин для жидких кристаллов – «мезоморфная фаза». Этот
термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный),
и вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что ЖК занимают проме28
жуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре, так и по своим физическим свойствам.
Долгое время кроме физиков и химиков ЖК никто не интересовался. Только в 1930 г. исследователи из британской корпорации
Marconi получили патент на их промышленное применение. Впрочем, дальше этого дело не пошло, поскольку технологическая база
в то время была еще слишком слаба.
Впервые широкие массы столкнулись с загадочным термином
«жидкие кристаллы» в середине прошлого столетия. Тогда необычной популярностью в США пользовалась новинка ювелирного производства, получившая название «перстень настроения». Он обладал совершенно мистическим свойством – реагировать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением владельца, пробегая все цвета радуги
от красного до фиолетового. Вот это сочетание таинственного свойства угадывать настроение, декоративность перстня, обеспечиваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена
и обеспечили успех перстню настроения. За год было продано 50
миллионов таких перстней, т. е. практически каждая взрослая
женщина имела это ювелирное изделие. Дело в том, что каждому
владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако ничего толком не было известно, говорилось только,
что камешек сделан на жидком кристалле – на холестерическом
жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.
Первый настоящий прорыв в использовании ЖК для устройств
отображения информации совершили ученые Фергесон и Вильямс
из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе ЖК термодатчик, используя их избирательный отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического поля
на нематические кристаллы. И вот в конце 1966 г. корпорация RCA
продемонстрировала прототип LCD-монитора – цифровые часы.
Значительную роль в развитии LCD-технологии сыграла компания
Sharp Electronics. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен
в 1968 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии «Twisted Nematic LCD» (TN LCD) были изготовлены первые
компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от семисегментных ЖКИ к производству матриц с адресацией
каждой точки. Так, в 1976 г. компания Sharp Electronics выпустила
черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполнен29
ного на базе LCD-матрицы разрешением 160×120 пикселов. С этого
времени начинается интенсивное развитие новых технологий в производстве ЖКИ, разработка новых материалов и исследование их
физических свойств.
В нашей стране также велись успешные работы по изучению
и применению ЖК. Широкую известность и признание получили
выполненные еще в 30-е гг. в Ленинграде работы В. К. Фредерикса
и В. Н. Цветкова. Об успехах отечественной промышленности в освоении выпуска продукции, в которой существенным элементом
являются ЖК, говорит присуждение в 1983 г. Государственной премии СССР большой группе работников науки и техники за разработку и внедрение в народное хозяйство индикаторных устройств
с использованием ЖК.
2.1.2. Физические свойства жидких кристаллов
Необходимое, но не достаточное условие существования ЖК заключается в том, что молекулы, входящие в их состав, должны
иметь сравнительно большую длину и относительно малую ширину.
Ориентация каждой отдельной молекулы в ЖК, безусловно, непрерывно подвергается воздействию тепловых флуктуаций. Тем не менее, в любой точке объема такой жидкости можно выделить некую
среднюю ориентацию молекул, называемую «директором» и представляемую единичным вектором. Принцип действия устройств на
ЖК можно описать в рамках теории, оперирующей понятием «директор», т. е. макроскопической характеристикой, а не осями индивидуальных молекул.
Учитывая то, что ЖК – это мезоморфное состояние вещества, все
его свойства можно разделить на свойства, присущие жидкости, – текучесть и вязкость, и свойство кристалла – анизотропию (от греческого «анизос» – «неравный» и «тропос» – «направление»), т. е. зависимость физических свойств от направления внутри кристалла.
Свойства жидкости
Для жидкости характерны ближний порядок в расположении
частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии
теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колеба30
ний около положений равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое – с этим связана текучесть жидкости.
Текучесть ЖК позволяет переориентировать его молекулы и создать упорядоченные структуры. Различают три основных типа
упорядоченности молекул: смектическая, нематическая и холестерическая. Впервые такое разделение предложил Фридель. Он разделил все ЖК на две большие группы. Одну группу ЖК Фридель
назвал нематическими, другую – смектическими. Нематические
ЖК в классификации включали уже упоминавшиеся выше холестерические жидкие кристаллы как подкласс.
В смектических ЖК сильно вытянутые молекулы расположены
параллельно своим длинным осям и образуют слои одинаковой толщины, близкой к длине молекул. Эти слои лежат один над другим
на равном расстоянии (рис. 14, а). В нематических ЖК оси молекул
тоже параллельны, однако не образуют отдельных слоев. Длинные
оси молекул лежат вдоль преимущественного направления, а их
центры размещены хаотично (рис. 14, б). В холестерических ЖК
молекулы расположены в слоях, как в смектиках, однако длинные
оси молекул параллельны плоскости слоев, а направление их преимущественной ориентации монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь на некоторый угол (рис. 14, в).
Исторически первый и не утративший своего значения и в наше
время способ получения упорядоченной ориентации жидкокристаллических образцов состоит в специальной обработке поверхностей, ограничивающих ЖК. Поскольку ясно, что ориентирующее
влияние поверхности на молекулы тем сильней, чем менее молекулы удалены от поверхности, то следует заранее ожидать, что однородной ориентации молекул ЖК легче всего добиться в тонких слоях. Практика показывает, что полной однородности структуры
можно добиться, поместив ЖК между двумя пластинами, зазор
между которыми не более 10–100 мк.
¸
¹
º
%
%
%
Рис. 14. Виды упорядоченных текстур нематика
31
В качестве пластин, ограничивающих ЖК, используют, как правило, прозрачные материалы: стекло, полимеры, токопроводящее
прозрачное соединение – окись олова (SnO2) и т. д. Обработка поверхности пластин в простейшем случае состоит в их направленной полировке. Такая обработка может состоять также в направленном,
косом напылении на поверхность молекулярных слоев или нанесении молекул специальных веществ – ориентантов. В первом случае
длинные оси молекул ЖК всюду на поверхности пластин оказываются ориентированными одинаково и параллельно поверхностям
пластин (рис. 15, а), задавая таким образом ориентацию молекул
и в объеме. При наличии на поверхности молекул специальных веществ – ориентантов – молекулы ЖК могут быть ориентированы
перпендикулярно пластинам (рис. 15, б), что индуцирует такую же
ориентацию молекул ЖК во всем объеме зазора между пластинами.
Однородно ориентированные слои ЖК в случае осей молекул, параллельных поверхностям пластин, принято называть планарной
или гомогенной текстурой, а в случае осей молекул, перпендикулярных поверхностям, – гомеотропной текстурой.
Пока что неявно предполагалось, что обе ограничивающие ЖК
пластины задают одинаковую ориентацию молекул. Но это совсем
не обязательно. И более того, широкое практическое применение
получили закрученные слои ЖК (рис. 15, в).
Придать молекулам ориентации можно, если изготовить прозрачную пластину (или полимерную пленку) с множеством микроскопических параллельных углублений-бороздок (их ширина должна соответствовать минимальному размеру элемента формируемого изображения). Узкие и длинные молекулы нижнего слоя жидкого кристалла, попадая в углубления, вынуждены придерживаться
заданной ориентации. А все последующие слои молекул будут выстраиваться им «в затылок» вследствие межмолекулярного взаимодействия. Если теперь поместить сверху еще одну прозрачную пластину с аналогичным набором бороздок так, чтобы они были перпендикулярны бороздкам нижней пластины, то продольные оси молекул самого верхнего слоя будут расположены под прямым углом по
а)
б)
Рис. 15. Типы ориентации молекул ЖК
32
в)
отношению к осям молекул из нижнего слоя. Между этими двумя
крайними положениями образуется своеобразная молекулярная
спираль из промежуточных ориентаций (см. рис. 15, в), которая
и дала название технологии – twisted nematic (TN – закрученные
нематические).
Второе свойство жидкости – вязкость – характеризуется количественно коэффициентом вязкости η, который показывает, как
сильно трение между соседними слоями текущей жидкости и насколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее
точки к другой. Для ЖК коэффициент вязкости определяется по
формуле
ε
⎤
(1)
η» = η FYQ ⎡ B
⎣⎢ L5 ⎦⎥
где η0 – коэффициент вязкости при комнатной температуре; εа –
энергия активации (5 ÷ 8)⋅10–20Дж; k – константа Больцмана; Т –
внешняя температура, К. Вязкость препятствует процессу переориентации молекул.
Свойства кристалла
Характерными особенностями кристалла являются анизотропия электрических и оптических свойств, в частности анизотропия
электропроводности, диэлектрической проницаемости, оптическая
анизотропия и оптическое двулучепреломление.
Электропроводность
Электропроводность – это величина, характеризующая количественно способность вещества проводить ток. Она является коэффициентом пропорциональности в формуле I = σU, устанавливающей
связь между током I и приложенным напряжением U. Поскольку
проводимость σ – характеристика вещества, то ее значение всегда
приводится для единичного объема вещества с единичным сечением поверхностей. Здесь важно не абсолютное значение проводимости, а то, что проводимость в направлении вдоль директора σ|| отличается от проводимости поперек директора σ⊥. В большинстве нематиков σ|| больше, чем σ⊥.
Другим важным обстоятельством является то, что проводимость
в ЖК носит ионный характер. Это означает, что ответственными за
перенос электрического тока в ЖК являются не электроны, как
в металлах, а гораздо более массивные частицы – положительно
33
и отрицательно заряженные фрагменты молекул (или сами молекулы), отдавшие или захватившие избыточный электрон. По этой
причине электропроводность жидких кристаллов сильно зависит от
количества и химической природы содержащихся в них примесей.
В частности, электропроводность нематика можно целенаправленно изменять, добавляя в него контролируемое количество ионных
добавок, в качестве которых могут выступать некоторые соли.
Из сказанного понятно, что ток в ЖК представляет собой направленное движение ионов в системе ориентированных палочекмолекул. Если ионы представить себе в виде шариков, то свойство
нематика обладать проводимостью вдоль директора σ|| больше, чем
σ⊥, представляется совершенно естественным и понятным. Действительно, при движении шариков вдоль директора они испытывают меньше помех от молекул-палочек, чем при движении поперек
молекул-палочек. В результате чего и следует ожидать, что продольная проводимость σ|| будет превосходить поперечную проводимость.
Двигаясь под действием электрического тока поперек направления
директора (считаем, что поле приложено поперек директора), ионы,
сталкиваясь с молекулами-палочками, будут стремиться развернуть их вдоль направления движения ионов, т. е. вдоль направления электрического тока. Таким образом, ток в ЖК должен приводить к переориентации директора.
Эксперимент подтверждает выводы рассмотренной выше простой механической модели прохождения тока в ЖК. Часто постоянное напряжение, приложенное к слою нематика, вызывает в результате возникшего тока не однородное изменение ориентации молекул, а периодическое в пространстве возмущение ориентации директора. Дело здесь в том, что, говоря об ориентирующем молекулы
нематика воздействии ионов носителей тока, мы пока что пренебрегали тем, что ионы будут вовлекать в свое движение также и молекулы нематика. В результате такого вовлечения прохождение тока
в ЖК может сопровождаться гидродинамическими потоками, вследствие чего может установиться периодическое в пространстве распределение скоростей течения ЖК, т. е. в слое нематика возникнет
периодическое возмущение распределения директора.
Анизотропия диэлектрической проницаемости
Анизотропия формы молекул ЖК приводит к анизотропии их
электрических свойств. В частности, электрическая поляризуемость молекул вдоль длинной оси отличается от ее поляризуемости
в поперечном направлении. Следствием этих свойств индивидуаль34
ных молекул и является анизотропия диэлектрической проницаемости нематика, выражающаяся в том, что диэлектрическая проницаемость для поля, направленного вдоль директора ε||, отличается от диэлектрической проницаемости для поля, направленного
поперек директора ε⊥:
Δε = ε|| – ε⊥.
Значение и знак Δε в значительной степени определяются постоянными диполями внутри молекул. Во внешнем электрическом
поле минимуму энергии нематика соответствует такая его ориентация, при которой направление, отвечающее максимальному значению диэлектрической проницаемости, совпадает с направлением
поля. Это значит, что если, например, диэлектрическая анизотропия нематика Δε положительна, т. е. диэлектрическая проницаемость вдоль директора ε|| больше поперечной диэлектрической проницаемости ε⊥, то в поле на ЖК будет действовать сила, стремящаяся совместить направление директора с направлением приложенного поля. Таков механизм переориентации директора, т. е. изменения
структуры нематика во внешнем поле. На молекулярном уровне он
объясняется тем, что во внешнем поле молекулы нематика стремятся сориентироваться так, чтобы направление длинной оси каждой
молекулы совпало с направлением поля.
Характер влияния внешнего поля на нематик зависит от ряда
параметров. Например, знака диэлектрической анизотропии Δε, деформационных модулей упругости нематика (нематик подобно
кристаллу и в отличие от жидкости обладает отличными от нуля
деформационными модулями упругости), характера сцепления молекул нематика с поверхностями ячейки. Замечательным свойством
переориентации структуры нематика под действием внешнего поля
является пороговый (по полю) характер изменения структуры в поле,
перпендикулярном поверхностям ячейки при планарной исходной
ориентации нематика. Это означает, что в полях, меньше критического, изменения структуры нематика не происходит. И только по
достижении критической величины поля структура нематика начинает претерпевать изменения. Сам же характер изменения таков,
что непосредственно выше критического поля Ес эти изменения
малы, однако быстро нарастают по мере превышения полем критического значения.
Вопрос об изменении структуры нематика во внешнем поле впервые, еще в 30-е гг., исследовал советский физик В. К. Фредерикс
с сотрудниками. Само же изменение структуры нематика во внешнем
35
поле получило название «перехода Фредерикса». Например, для того
чтобы перевести планарную текстуру в гомеотропную, наложив поле
перпендикулярно поверхностям ячейки, необходимо, чтобы диэлектрическая анизотропия нематика Δε была положительна, а напряженность поля в зазоре ячейки превосходила критическое поле:
&D =
π π ,
- Δε
где L – толщина зазора ячейки; K – модуль упругости нематика.
Из формулы видно, что величина напряжения, прикладываемого
к жидкокристаллическому слою, должна быть больше, чем ЕсL
(произведение напряженности поля на толщину зазора дает напряжение). Таким образом, напряжение, способное изменить структуру нематика в ячейке, оказывается независимым от толщины слоя.
Типичное значение порогового напряжения оказывается порядка
единиц вольт. При снятии приложенного напряжения структура
нематика возвращается к исходной.
Описанный выше переход Фредерикса, в котором в отсутствие
поля нематик с Δε > 0 образует планарную текстуру, а при наложении поля переходит в гомеотропную, принято называть S-эффектом. Выделяют еще так называемый В-эффект и T-эффект. В B-эффекте исходная текстура гомеотропная, а поле переводит ее в планарную. Для осуществления такого перехода Фредерикса требуется
нематик с отрицательной диэлектрической анизотропией Δε. Для
T-эффекта исходная текстура является закрученной, так как в этом
случае используется ячейка, в которой ориентация молекул на одной из поверхностей ячейки составляет угол 90° относительно ориентации на другой поверхности. Приложенное поле, как и в случае
S-эффекта, переводит текстуру в гомеотропную, так как в этом случае используются нематики с Δε > 0.
Оптическая анизотропия
Жидкий кристалл эквивалентен оптически одноосному кристаллу, т. е. кристаллу, в котором существует только одно направление,
называемое оптической осью, при распространении света, вдоль которого оптические характеристики не зависят от поляризации световой волны.
Для гомеотропной текстуры свет распространяется вдоль направления директора, поэтому, как во всяком одноосном кристалле, в этом случае оптические характеристики слоя оказываются не
зависящими от поляризации света.
36
Для планарной текстуры направление распространения света
перпендикулярно оптической оси, поэтому показатель преломления различен для света, плоскость поляризации которого перпендикулярна направлению директора в слое η⊥ (ηо – обыкновенный
луч) и показателя преломления с поляризацией параллельной директору η|| (ηе – необыкновенный луч). Различие показателей преломления для названных поляризаций света называют оптической
анизотропией нематика и обозначают Δη:
Δη = η|| – η⊥.
Знак оптической анизотропии Δη для различных нематиков может быть как положительным, так и отрицательным. В первом случае говорят о нематике с положительной оптической анизотропией,
что соответствует большей фазовой скорости для света, поляризованного перпендикулярно направленнию директора. Во втором случае говорят о нематике с отрицательной оптической анизотропией.
При этом фазовая скорость света, поляризованного перпендикулярно направленнию директора, оказывается меньше скорости света,
поляризованного в направлении директора.
Таким образом, поляризация света не меняется при прохождении
ячейки только в том случае, если свет поляризован перпендикулярно директору или по директору. Свет же любой другой поляризации
изменяет свою поляризацию, проходя через ячейку. Это изменение
связано с различной фазовой скоростью в нематике света с двумя линейными поляризациями и может быть очень просто найдено.
Действительно, произвольно поляризованный свет, падающий
на ячейку, может быть разложен на волну, поляризованную перпендикулярно директору и поляризованную по директору. Каждая из
этих волн в нематике движется со своей фазовой скоростью, так что
на выходе из ячейки набегает разность фаз между этими волнами,
и их сложение на выходной поверхности ячейки дает результирующую волну с поляризацией, отличной от поляризации падающего
пучка света. Так, например, если плоскость поляризации падающего света составляет с директором угол 45°, то после прохождения
ячейки свет остается линейно поляризованным, если только разность хода волн собственных поляризаций, т. е. величина
ω (η
Ф=—
с || − η⊥)L = πS,
где ω – частота; с – скорость света; η|| и η⊥ – показатели преломления света, поляризованного вдоль и поперек директора, или, как
37
их называют, показатели преломления собственных волн; L – толщина слоя нематика; S – целое число или ноль. При S четном или
равном нулю ориентация плоскости поляризации совпадает с исходной, при S нечетном – поворачивается на 90°. В общем случае,
если Ф ≠ πS, то свет, прошедший ячейку, оказывается поляризованным эллиптически, а при S полуцелом – поляризованным по
кругу. Таким образом, оптические свойства и, в частности, поляризационные свойства планарной и гомеотропной текстур нематика
оказываются различными. Существенным для технических приложений оказывается то, что в отличие от обычных кристаллов, в которых ориентация оптической оси фиксирована в образце, в нематиках ориентацию этой оси можно изменять путем внешних воздействий. Наиболее удобным и действенным способом воздействия
на ориентацию оптической оси является приложение к ячейке внешнего электрического поля.
Двулучепреломление
Спонтанная ориентация молекул в ЖК и оптическая анизотропия приводят к возникновению эффекта двулучепреломления, который заключается в том, что падающий на ЖК луч разделяется на
два, причем обыкновенный луч отклоняется сравнительно слабо,
а необыкновенный – сильно. Если учесть, что направление директора может существенно изменяться при приложении к ЖК-веществу
электрического поля, то отсюда вытекают широкие возможности
электрооптического управления светом.
2.2. Дискретные индикаторы на жидких кристаллах
Принцип действия ЖКИ основан на использовании различных
электрооптических эффектов.
2.2.1. ЖКИ с полным диффузным рассеянием
Один из первых ЖКИ был создан на эффекте динамического рассеяния, являющимся токовым эффектом (рис. 16).
Жидкокристаллическое вещество 4 помещается между двумя
стеклянными пластинами 5, разделенными герметизирующими
прокладками 1, на внутреннюю поверхность стеклянных пластин
38
наносятся прозрачные токопроводящие слои 2. На одной из пластин
токопроводящим покрытием нане6
сены сегменты, с помощью кото
рых можно воспроизвести любую
цифру или букву, а вторая покры
та сплошным электродом, общим
6 6ÈÇÉ
для всех сегментов. Различаются
индикаторы, работающие на просвет, когда свет 3 проходит сквозь
индикатор и направляется к наблюдателю 6, и отражательные,
когда свет к наблюдателю отражается от специального отражающе- Рис. 16. Конструкция ЖКИ с дифго покрытия. ЖК-вещество предфузным рассеянием
ставляет собой нематик с отрицательной диэлектрической анизотропией, при планарной ориентации в отсутствии или при наличии слабого электрического поля.
При этом ЖК-вещество однородно и прозрачно (при U = 0). При
приложении к ячейке порогового напряжения возникает волнистая доменная структура, обусловленная упорядоченным изменением направления директора. При значительном превышении порогового напряжения в жидкости возникает вихревое движение
(гидродинамическая нестабильность), в результате чего ЖК теряет
однородность и рассеивает свет во всех направлениях (при U > Uпор).
Этот электрооптический эффект и называется динамическим рассеянием. При этом вся поверхность индикатора при внешнем освещении будет казаться светлой за исключением возбужденных сегментов, которые благодаря диффузному рассеянию непрозрачны.
Эти сегменты будут казаться темными на общем светлом фоне. Их
контрастность может составлять 0,85 ÷ 0,9, т. е. достаточно велика.
При работе на просвет предполагается использование специального источника освещения, расположенного за панелью. Наличие дополнительного источника позволяет поднять яркость ЖКИ
до яркости газоразрядных индикаторов, кроме того, в этом случае отпадает необходимость во внешней подсветке, обязательной
при работе на отражение. Но внешний источник – это дополнительная мощность потребления, значительно превышающая мощность потребления самого ЖКИ и уменьшающая преимущества
ЖКИ.
39
2.2.2. ЖКИ на твист-эффекте
Принцип диффузного рассеяния, рассмотренный ранее, не является единственным. Вторым принципом работы ЖКИ является эффект вращения плоскости поляризации поляризованного света слоем ЖК, исчезающий при воздействии электрического поля.
По конструкции ЖКИ на твист-эффекте отличается тем, что он
помещается между двумя поляроидами с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации (рис. 17), которые совершенно непрозрачны для света. Но слой нематических ЖК, имеющих закрученную (твистированную) ориентацию благодаря ориентирующему действию подложек, вращает плоскость поляризации света на 90°, что
делает всю оптическую систему (этот слоеный пирог) прозрачной.
Проходящий через первый поляроид свет имеет поляризацию,
совпадающую с направлением директора ЖК у правой подложки.
В слое ЖК происходит поворот директора молекул ЖК, и у левой
подложки директор поворачивается на 90°, становясь перпендикулярным плоскости чертежа. Вместе с поворотом осей молекул происходит вращение плоскости поляризации света, и у левой подложки эта плоскость совпадает с направлением поляризации второго
поляроида (иногда его называют «анализатором»), и поэтому свет
проходит через второй поляроид.
При воздействии электрического поля, когда напряжение превышает некоторое пороговое значение, молекулы ЖК с положительной Δε ориентируются вдоль линий поля и перестают вращать
плоскость поляризации света. В результате оптическая система становится непрозрачной. Один из прозрачных проводящих электро¸
¦¹Èɹ»Ä¾ÆÁ¾
ÈÇÄØÉÁÀ¹ÏÁÁ
ÈÇÄØÉÇÁ½Ç»
6
¨ÉÇѾ½ÑÁÂ
Ê»¾ËÇ»ÇÂÈÇËÇÃ
¹
ªÃɾҾÆÆÔ¾
¨¹½¹×ÒÁÂ
ÈÇÄØÉÇÁ½Ô
¨ÇÄÌÈÉÇÀɹÐÆԾʻ¾ËÇ»ÇÂ
ÈÇËÇÃ
ÖľÃËÉǽÔ
ŸÁ½ÃÁÂ
ÃÉÁÊ˹ÄÄ
§Ëɹ¿¾ÆÆÔÂ
ª»¾ËǻǠʻ¾ËÇ»ÇÂ
ÈÇËÇÃ
ÈÇËÇÃ
'
ÁÖľÃËÉÁоÊÃǾ
À¾ÉùÄÇ
ŸÁ½ÃÁÂ
ÃÉÁÊ˹ÄÄ
6
¬ÈÄÇËÆÁ˾ÄÁ
Рис. 17. Конструкция ЖКИ на твист-эффекте, работающем: а – на просвет; б – на отражение
40
дов выполнен в виде сегментов, поэтому непрозрачным можно сделать не всю поверхность, а только находящуюся под возбужденным
сегментом (сегментами). Как и при диффузном рассеянии, работа
ЖКИ с твист-эффектом возможна как на просвет (см. рис. 17, а), так
и на отражение (рис. 17, б).
Индикаторы на твист-эффекте более перспективны и более распространены, так как имеют преимущества по сравнению с индикаторами на эффекте диффузного рассеяния:
1) меньшие рабочие напряжения: 3–10 В вместо 15–40 В;
2) меньшая плотность тока: 1 мкА/см2 вместо 3–10 мкА/см2;
3) бо′льшая долговечность, обусловленная меньшими рабочими
токами.
Недостатком ЖКИ на твист-эффекте является несколько меньший, чем у индикаторов с диффузным рассеянием, угол обзора
(± 45°), что связано с узкой диаграммой направленности света при
твист-эффекте из-за влияния поляризаторов. Вторым недостатком
является использование поляроидов, что удорожает изготовление
ЖКИ и приводит к потерям света свыше 50%.
Тем не менее, ЖКИ для малогабаритных устройств (часы, микрокалькуляторы и т. п.) строятся в основном на твист-эффекте, так
как в этих случаях наиболее важным параметром является мощность потребления.
Индикаторы без поляроидов могут быть созданы на основе эффекта «гость–хозяин»
2.2.3. Индикаторы на эффекте «гость–хозяин»
До сих пор рассматривались электрооптические эффекты в ячейке, которые переводили ее из прозрачного состояния в непрозрачное
или наоборот. Оказывается, электрооптические эффекты могут проявляться также в изменении окраски ячейки. Это так называемый
эффект «гость–хозяин». Стержневидные дихроичные молекулы красителя1 (гость), которые введены в ЖК-вещество (хозяин), стремят1 Красителями называют вещества, поглощающие свет в сравнительно
узком интервале длин волн, или, как еще говорят, имеющие линии поглощения в оптическом диапазоне частот, Слово «дихроичный» означает, что
ориентированные молекулы красителя поглощают свет только определенной поляризации. Название же «краситель» применительно к этим веществам связано с тем, что они ярко окрашены и придают окраску другим
материалам при введении их даже в небольшом количестве.
41
¸
ª»¾Ë
¹
ª»¾Ë
Рис. 18. ЖКИ на эффекте гость–хозяин
ся ориентироваться параллельно осям его молекул. Так как молекулы красителя поглощают свет с поляризацией вдоль длинной
оси молекул и пропускают свет с перпендикулярной ориентацией,
то, управляя ориентацией ЖК, можно регулировать прохождение
света.
В качестве основного электрооптического эффекта в таком ЖК
можно использовать переход из холестерического в нематическое
состояние. Для начального холестерического состояния вещество имеет спиральную структуру, и свет с любым направлением
поляризации поглощается (рис. 18), индикатор имеет окраску
красителя. При наложении достаточно сильного электрического
поля ЖК-вещество переходит в нематическое гомеотропное состояние, в котором все молекулы красителя ориентированы вертикально, а падающий на ячейку свет свободно проходит сквозь
нее.
2.2.4. Особенности управления ЖКИ
Особенностью ЖКИ является необходимость возбуждения ЖКслоя переменным напряжением с частотой от 30 до 1000 Гц. Дело
в том, что наличие постоянной составляющей вызывает направленный характер электрохимических процессов (электролитический
эффект), что приводит к значительному сокращению срока службы. Поэтому постоянная составляющая не должна превышать 1%
от Uэф.
Недопустимость постоянной составляющей требует специальных ухищрений при формировании напряжений управления и питания ЖКИ. Приведем пример схемы управления ЖКИ. При подаче сигнала управления
(рис. 19) меандр частотой 30–100 Гц
поступает на базу VТ. На коллектор VТ подается напряжение,
42
E = 20 В
R
&
U = 10 В
&
VT
Сигнал
управления
&
F1 = 30–100 Гц
F2 = 10–40 кГц
Рис. 19. Схема управления ЖКИ двумя частотами
равное двойной амплитуде переменного напряжения возбуждения ЖКИ, а с него снимается однополярное напряжение – меандр
амплитудой 20 В. Общий электрод запитывается от напряжения
10 В, поэтому между сегментами и общим электродом будет меандр
±10 В.
Для того чтобы меандр всегда существовал на коллекторе VТ (его
пропадание приводит к появлению постоянного напряжения на
сегменте относительно общего электрода), на вход устройства подается второе переменное напряжение – меандр частотой несколько
десятков килогерц. При отсутствии управляющего сигнала на базу
VТ поступает меандр высокой частоты. При этом сегмент не возбуждается (он не реагирует на частоту, большую нескольких килогерц).
Недостатками данной системы управления являются:
1) необходимость иметь две частоты;
2) удвоенное напряжение питания;
3) потребление мощности (сильно увеличенное из-за высокой
частоты) невозбужденными сегментами.
От этих недостатков свободна другая схема (рис. 20). При подаче
управляющего сигнала на базы транзисторов VТ1 и VТ2 подаются
U = 10 В
R
Сигнал
управления
&
R
&
VT1 VT2
F = 30–100 Гц
&
&
Рис. 20. Схема управления ЖКИ дифференциальным каскадом
43
противофазные меандры частотой
30–100 Гц, что приводит к возбуждению сегмента, так как когда
=1
Сигнал
на сегменте напряжение +10 В, на
управления
общем электроде – 0 и наоборот.
При этом достаточно иметь напря=1
жение источника питания 10, а не
20 В.
F = 30–100 Гц
При отсутствии управляющего
напряжения
(0 на входе) на базы
Рис. 21. Управление ЖКИ на элетранзисторов
VТ1 и VТ2 поступаменте «исключающее
ИЛИ»
ют синфазные меандры, поэтому
разность потенциалов между общим электродом и сегментами равна нулю. Постоянного напряжения, вызывающего электролитический эффект, нет, и в то же время
возбужденные сегменты не потребляют ток от источника питания.
Постоянное напряжение может быть, но оно равно разности остаточных напряжений на коллекторах насыщенных транзисторов.
Эта разность не превышает нескольких десятков милливольт, т. е.
составляет доли процента от эффективного значения напряжения
питания.
Схему управления можно упростить, используя логический элемент «исключающее ИЛИ» (рис. 21). При Uупр = 0 на общий электрод и сегмент подаются синфазные меандры, а при Uупр = 1 – противофазные, так как элемент «исключающее ИЛИ» в этом случае
инвертирует поступающий на его вход меандр. Наличие или отсутствие транзисторов не принципиально, они нужны лишь для получения необходимого напряжения. Если использовать КМОП интегральные схемы, то транзисторы не нужны. При использовании ТТЛ
транзисторы могут понадобиться, а могут и нет, в зависимости от
конкретного типа ЖКИ, так как для некоторых ЖКИ вполне достаточно напряжение 3–4 В.
2.2.5. Характеристики ЖКИ
Поскольку ЖКИ относятся к классу пассивных (несамосветящихся) индикаторов, то основным их оптическим параметром является не яркость, а контрастность или контраст, определяемые
# − #Í
#
или ÁÀ соответственно, где Виз и Вф – яркость изокак ÁÀ
#ÁÀ
#Í
44
Контрастность
бражения и фона соответствен0о
1,0
но. Представляющей интерес ха45о
рактеристикой является вольт0,8
контрастная характеристика – зависимость контрастности (контра0,6
ста) от действующего значения
приложенного напряжения (а не
0,4
от амплитудного). Форма типовой
вольт-контрастной характеристи0,2
ки (рис. 22), особенно в верхней
части, зависит от угла наблюдения
1
2
3
(для индикаторов, работающих на
Действующее значение
твист-эффекте). При углах, больнаправления
ших 45°, контрастность быстро па- Рис. 22. Типовая вольт-кондает.
трастная характеристика
Одной из особенностей ЖКИ
является их инерционность. Она
связана с процессами перестройки структуры молекул и характеризуется временем реакции (включения) и релаксации (выключения). Оба интервала времени сильно зависят от температуры. Если при комнатной температуре τрк и τрл составляют десятки
миллисекунд, то при понижении температуры они быстро увеличиваются, доходя до сотен. При увеличении температуры инерционность быстро уменьшается, однако, как было указано ранее, при
определенных температурах вещество теряет свойства кристалла
и становится непрозрачным даже при отсутствии возбуждающего
напряжения.
Поэтому для ЖКИ обычно указывают температурный диапазон
работы, который снизу ограничивается быстрым ростом τрк и τрл,
а сверху – потерей кристаллических свойств. Этот диапазон зависит
от конкретного ЖК-вещества, но в большинстве случаев лежит
в пределах от 0 до 50 °С. На нижнем пределе температуры τрк и τрл
возрастают до 300–350 мс, а при дальнейшем понижении температуры ЖКИ перестает изменять свои показания. Дело в том, что τрк
и τрл пропорциональны вязкости ЖК-вещества, зависимость от температуры которой определена формулой (1).
В соответствии с этой формулой при изменении температуры
с 270 до 320 К ηв может уменьшаться в 50 раз, во столько же раз будет изменяться τрк и τрл. Поэтому нижняя граница температуры ограничивается допустимой величиной задержек, которые не должны превышать 250–350 мс.
45
2.3. Матричные ЖКИ
2.3.1. Матричные ЖКИ с диффузным рассеянием
Создание матричных ЖКИ с большой информационной емкостью, достаточной для построения графических СОИ или ТВ-экранов,
затруднено тем, что отношение действующих напряжений на включенных и выключенных элементах с увеличением числа строк уменьшается, уменьшается и время воздействия управляющего сигнала на
каждый элемент, что противоречит большой инерционности ЖК.
В связи с этим первые ЖК-экраны строили, используя комбинированную термическую и электрическую матричную адресации.
Схема фазовых переходов, происходящих в ЖК-веществе при комбинированном тепловом и электрическом воздействиях, показана
на рис. 23.
При повышении температуры, происходящем в результате нагрева строки матричного экрана, вещество переходит из упорядоченного смектического состояния в беспорядочное, изотропное (теряет свойства кристалла). При охлаждении характер фазового перехода зависит от того, наложено ли на жидкий кристалл электрическое поле или нет.
Без электрического поля вещество переходит в смектическую
фазу, сохраняя макронеоднородности, вызывающие сильное рассеяние света.
Когда охлаждение ведется в электрическом поле, то в промежуточной нематической фазе происходит ориентация молекул по полю,
Охлаждение
В отсутствие поля
U=0
Нагрев
t, °Ñ
При наличии поля
U> 0
Изотропная
фаза
Нематическая
фаза
Смектическая
фаза
Рис. 23. Работа матричного ЖКИ с диффузным рассеянием
46
и в конечной смектической фазе возникает упорядоченная ориентация и вещество оказывается оптически прозрачным.
В матричном индикаторе строчные электроды выполняются как
омические нагреваемые (резистивные) полоски, а на столбцы подаются информационные импульсы. Импульсы подаются одновременно на все элементы строки. Так как количество нагреваемого
жидкокристаллического вещества и его тепловая инерция невелики, то время ввода информации в одну строку равно 50 мкс. После
охлаждения состояние вещества (прозрачное или рассеивающее
свет) сохраняется, так как индикатор запоминает информацию до
следующего обращения к данной строке, т. е. за время кадра. Поскольку основным элементом в дисплеях на ЖК является матрица,
то их тоже относят к матричным ЖКИ.
2.3.2. ЖК-дисплеи на твист-эффекте
Конструктивно ЖК-дисплей можно представить как большое
количество ЖКИ, выполненных на одной подложке. В основном используется технология работы на просвет. Конструкция части ЖКдисплея показана на рис. 24.
В основании располагается система подсветки – это мощные
(ведь остальная часть «сандвича» поглощает до 50% проходящего
света) флюоресцентные лампы в виде трубок, или специальные материалы (plastic light guide), или световоды, способствующие более
равномерному распределению освещения по плоскости экрана. Свет
направляется на поляризационный фильтр (первый поляроид). Далее следует стеклянная пластина, на которую нанесены полупрозрачные электроды из пленки окислов индия и олова, формирующие пиксели изображения. Затем идет полимерная пленка с микро0,2мм
Поляризатор
RGB-фильтры
Жидкие кристаллы
Поляризатор
Подсветка
Рис. 24. Конструкция ЖК-дисплея на твист-эффекте
47
бороздками, ориентирующими молекулы жидких кристаллов, составляющих следующий слой. За слоем ЖК – опять полимерная
пленка с микробороздками, но направленными перпендикулярно
для формирования твистированной исходной ориентации молекул.
Далее следует стеклянная пластина, на которую нанесены полупрозрачные электроды из пленки окислов индия и олова. Электроды
расположены перпендикулярно относительно предыдущих, и в перекрестии этих двух электродов формируются пиксели изображения. Для устранения неоднородности по толщине ЖК-вещества
между двумя формовочными пленками инжектируют специальные
буферные шарики диаметром 6–8 мкм. После того как механическая сборка дисплея закончена, для функционирования дисплея необходимо иметь возможность управлять индивидуально каждым
пикселом и электродом. С этой целью применяют управляющие интегральные схемы (Driver Integrated Circuits). Они обычно расположены по краям «сандвича», что и обуславливает наличие широкой
окантовки вокруг ЖК-дисплеев.
Работа отдельной ячейки аналогична работе дискретного ЖКИ.
При отсутствии электрического поля по мере прохождения света
вдоль молекулярной спирали плоскость его поляризации вращается, следуя за ориентацией продольной оси молекул ЖК, и у второго
поляроида составляет угол 90°, свет будет проходить через такую
систему. Таким образом, в TN-дисплеях формируются светящиеся
пиксели. Инверсные (в данном случае темные) пиксели формируются при приложении к спирали электрического поля, молекулы
тут же будут вынуждены развернуться вдоль вектора его напряженности. Вращение вектора поляризации света не происходит,
и свет через такую систему не проходит.
Как уже было сказано, пиксел формируется из ЖК-вещества,
находящегося между электродами на их пересечении. Чтобы изменить его состояние, необходимо задействовать две адресные линии –
вертикальную и горизонтальную. Основные проблемы заключаются в необходимости изготовлять большое количество прецизионных
микроскопических соединений на пластине макроскопических размеров и в сложности управляющей электроники. Нелегко подобрать
материалы для проводников и электродов, обеспечивающих формирование и адресацию пикселов, так, чтобы они сочетали все необходимые качества для неискаженной передачи управляющих сигналов: прозрачность, низкое сопротивление, однородность. ЖК должен иметь как можно меньшую «инерцию», без запаздывания реагируя на изменение электрического поля. На самом деле, эти
48
задержки обычно составляют от 200 до 250 мс, и лишь особые смеси
из различных разновидностей ЖК дают улучшение до 150 мс. Для
управления ячейками-пикселами используется переменное напряжение. Каждый новый кадр сопровождается изменением направления закручивания «молекулярной спирали». Если на ЖК периодически подавать электрическое поле одного знака, то в нем будет накоплен заряд, который разрушит ячейку навсегда, изменив свойства материала.
В случае ЖКИ нас интересовали только два состояния: прохождение света или его полное поглощение. Для ЖК-дисплея необходимо воспроизвести 256 градаций яркости от черного до белого.
Градациями, или уровнями яркости пикселов, можно управлять
с помощью величины приложенного напряжения. Постепенно повышая его, мы будем наблюдать, как молекулярная спираль проходит через три этапа своего состояния – три зоны (рис. 25). Зона 1
соответствует максимуму пропускания и уровню белого (максимальному повороту поляризации), зона 3 – минимуму и уровню
черного, а самые интересные состояния находятся в зоне 2. При прецизионном изменении напряжения в ее пределах получаются все
оттенки серого. Однако именно такая особенность TN-дисплеев стала ахиллесовой пятой технологии: обеспечить точное регулирование напряжения для пассивных матриц с высоким разрешением
оказалось практически невозможно.
Кроме того, проявляется еще ряд особенностей, присущих используемому принципу поляризации, – сокращение угла обзора,
увеличение времени отклика, уменьшение контрастности.
Градации
серого
(2)
Уровень
черного
(3)
40
30
10%
20
90%
10
Прозрачность, %
50
Уровень
белого
(1)
0
1
2
3
Напряжение, В
Рис. 25. Зависимость прозрачности ЖК-вещества от напряжения
49
Если с контрастностью все понятно, то два других параметра
требуют пояснения.
Угол обзора. Максимальный угол обзора как по вертикали, так
и по горизонтали определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения не менее 10:1, т. е. яркость изображения падает в 10 раз. Падение яркости приводит к цветовым искажениям.
Время отклика. Время реакции, или время отклика, пиксела
определяется промежутком времени, за который изменяется пространственная ориентация молекул ЖК. При этом необходимо различать время включения (реакции) и время выключения (релаксации) пиксела. Под временем включения пиксела понимается промежуток времени, необходимый для полного открытия ЖК-ячейки,
а под временем выключения – промежуток времени, необходимый
для полного закрытия ЖК-ячейки. Когда говорят о времени реакции пиксела, то под этим подразумевается суммарное время включения и выключения пиксела.
Разрешение ЖК-дисплея. Традиционные CRT-мониторы принято характеризовать размером экрана по диагонали, поскольку само
разрешение в них меняется достаточно гибко. ЖК-дисплеи имеют
фиксированный набор физических пикселов. Именно поэтому они
рассчитаны на работу только с одним разрешением, называемым
рабочим. Изображение в другом, отличном от рабочего, разрешении
выводится благодаря интерполяции, при этом теряется четкость
изображения.
По всем этим параметрам технология TN оставляет желать лучшего, поэтому все последующие технологии пытаются улучшить,
по крайней мере, один из параметров. Для увеличения контрастности используется STN (Super Twisted Nematic) и DSTN (Double STN).
Уменьшение времени отклика достигается применением активных
матриц на базе тонкопленочных транзисторов (TFT – Thin Film
Transistors). Для увеличения угла обзора используются три типа
технологий: TN + Film TFT (Twisted Nematic + Film), Super TFT IPS
(In-Plane Switching), ASM (Axially Symmetric aligned micro-cell
Mode), MVA (Multi-Domain Vertical Alignment). Для увеличения разрешающей способности – LTPS (Low Temperature Poly Silicon – низкотемпературная поликремниевая технология).
STN и DSTN
Super Twisted Nematic – так называются дисплеи, в которых ориентационные бороздки верхней и нижней пластин повернуты друг
относительно друга более чем на 200°. Особенностью STN является
50
необычная кривая пропускания полученных ячеек: с ростом напряжения переход от первой зоны к третьей (см. рис. 25) происходит
практически мгновенно. Небольшого увеличения напряжения достаточно, чтобы перевести пиксел такого дисплея из полностью пропускающего в полностью не пропускающее состояние. Оригинальная методика, когда поворот директора в ячейке составляет 270°,
приводит к малой разнице напряжений между состояниями «включено» и «выключено», что не позволяет получать оттенки серого. Поэтому некоторые производители используют поворот на 210°
как компромиссный вариант. При этом зона 2 несколько расширяется. Однако за счет двулучепреломления такие дисплеи придают
пропускаемому свету желтую или голубую окраску. Чтобы исправить этот недостаток, специалисты корпорации Sharp изобрели
конструкцию под названием Double STN. Они склеили две стеклянные ячейки: одна с электродами и поляризаторами находится ближе к лампам подсветки, другая – просто пассивная емкость с ЖК,
в которой молекулярная спираль нематических кристаллов закручена в противоположную сторону, ее задача сводится к компенсации эффекта окрашивания и повышению контраста. DSTN-дисплеи оказались на редкость тяжелыми и сложными в производстве, да и лампы подсветки требовались более мощные. В итоге, свое
место на рынке нашел совершенно иной способ компенсации с применением полимерных пленок – Film Compensated STN (FCSTN).
STN-ячейки используются также в режиме TSTN (Triple Super
Twisted Nematic), когда два тонких слоя пластиковой пленки (полимерной) добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для обеспечения хорошего качества монохромных мониторов.
Thin Film Transistors
В пассивных матрицах управляющие микросхемы вынуждены
пересылать сигналы вдоль невероятно длинных с точки зрения
микроэлектроники металлизированных адресных линий. Чем большего разрешения необходимо достичь, тем больше требуется линий,
а значит, тем больше напряжение. Это создает проблемы: сигнал,
проходящий через линию, начинает влиять на соседние ячейки,
«частично включающиеся», снижая контраст изображения. Заряд
емкости, обусловленной пересекающимися проводниками, приводит к увеличению времени отклика. Возникает угроза появления
в ячейках больших электрических зарядов, что, как уже говорилось, недопустимо.
51
Строка Столбец
Столбец
Uc
Решение проблемы появилось в
виде активных матриц на базе тонVT
копленочных транзисторов (TFT –
Thin Film Transistors).
С
На стеклянную подложку наносится слой аморфного кремния, на коЖК
тором формируются транзисторы – по
одному на каждый пиксел (рис. 26).
Строка
Транзисторы исполняют роль посредника между системой адресации
Рис. 26. Схема включения TFTи ЖК-ячейками. Затворы транзистотранзистора
ров подключены к соответствующим
электродам строк, а истоки – к электродам столбцов. Само ЖК-вещество находится между стоком и общим управляющим электродом. При подаче управляющего напряжения на строку открываются все транзисторы этой строки, а управление каждой ячейкой
(пикселом) осуществляется по столбцам. Существуют и панели на
основе тонкопленочных диодов (TFD). В активных матрицах исключается влияние процесса выборки (адресации) на соседние ячейки,
каждый пиксел изолирован. Благодаря этому задержки при «переключении» ЖК-ячеек удается сократить до 25 мс, что уже позволяет активно-матричным дисплеям соперничать с CRT-мониторами.
В пассивных матрицах, как только ячейка получает заряд, она, подобно конденсатору, хранит его, но недостаточно долго. В то время,
как сканирование матрицы завершается, ячейки, обработанные
первыми, уже теряют заряд. Чтобы избежать неоднородности изображения в TFT-технологии, к каждой ячейке подключают дополнительный конденсатор С, который «подпитывает» ее на протяжении
цикла сканирования, таким образом, при каждом новом обращении
к ячейки происходит перезаряд С, т. е. информация просто обновляется. Это приводит к отсутствию мельканий, вызванных сменой
кадров. Конструкция такой ЖК-панели представлена на рис. 27.
В первом приближении заряд и разряд ЖК-элементов носят экспоненциальный характер, и успешная работа требует выполнения
следующих условий.
1. Сопротивление канала полевого транзистора в состоянии
«включено» Rвкл должно быть достаточно низким, чтобы за время
действия каждого импульса tи мог произойти заряд емкости С. Это
требует выполнения RвклС < tи.
2. Сопротивление канала полевого транзистора в состоянии «выключено» Rвыкл должно быть достаточно высоким, чтобы заряд не52
Рассеиватель
Входной поляризатор
Стекло
Горизонтальная линия данных
Конденсатор
Свет
Вертикальная линия данных
Тонкопленочный транзистор (TFT)
Стекло
Выходной поляризатор
Рассеиватель
Цветной фильтр
Слой ЖК вещества
Напрвляющие слои Общий прозрачный электрод
Прозрачный электрод
Рис. 27. Конструкция TFT-дисплея
адресованых ЖК-элементов был бы пренебрежительно мал, а также, чтобы не допустить за время кадровой развертки существенной
утечки заряда с выбранного элемента, т. е. RвыклС > T.
3. Паразитные емкости между затвором и стоком должны быть
малы по сранению с С.
4. Время включения и выключения TFT должно быть значительно меньше tи.
Удовлетворение этих условий зависит от отношения Rвыкл/Rвкл.
Серьезным недостатком TFT-матриц является возможность «битых» пикселов. В соответствии с принципом работы матрицы TN
TFT выход из строя транзистора проявляется в виде светящихся неработающих пикселов на экране. Все усложняется для цветных
дисплеев, поскольку количество TFT-транзисторов возрастает в три
раза, пиксел формируется из трех независимых ячеек, каждая из
которых расположена над участком фильтра синего, красного или
зеленого цвета. Для разрешения 640×480 число транзисторов составляет 1,5×106. Выход транзистора из строя приводит к появлению на экране цветной, постоянно светящейся точки.
2.3.3. Современные технологии матричных ЖКИ
Технология Twisted Nematic + Film
Проблемы с допустимым углом обзора экрана характерны для
ЖК, обеспечивающих передачу полутонов. Результирующая интенсивность пропущенного панелью света вследствие явления двой53
ного лучепреломления в ЖК зависит от угла j между нормалью
к фронту световой волны и направлением директора молекул ЖК,
как sin2j. Это означает, что в полностью включенном состоянии при
значениях j вплоть до 30° интенсивность пропущенного света изменяется не более чем на 10%, в то время как при уровне серого, когда угол между директором и нормалью к поверхности экрана составляет 45°, – на 90%, что ведет к серьезным искажениям градаций яркости или цветов. Одним из самых простых способов избежать влияния двойного лучепреломления является нанесение на
поверхности панели полимерных компенсирующих пленок, которые имеют показатель преломления другого знака, нежели ЖК.
Эта технология получила название Twisted Nematic + Film (TN+
Film TFT).
IPS-технология
Оригинальный способ разрешения проблемы нашел Гюнтер Баур
в 1971 г. На основе его методики корпорация Hitachi в 1995 г. разработала технологию IPS (In-Plane Switching), приблизительно это
можно перевести как «плоскостное переключение». Иногда эту технологию называют Super TFT.
IPS представляет собой своеобразный компромисс, когда за счет
снижения одних характеристик цифровых панелей оказалось возможным расширить угол обзора примерно до 170° (что, практически, соотносимо с аналогичными показателями ЭЛТ-мониторов) за
счет более точного механизма управления ориентацией ЖК, что
и явилось ее главным достижением. Такой важный параметр как
контрастность остался на уровне TN TFT, а время отклика даже немного увеличилось.
Суть технологии IPS в том, что разнополярные электроды располагаются не в разных плоскостях, а в одной (рис. 28). При отсутствии электрического поля молекулы ЖК выстроены параллельно
и не влияют на угол поляризации проходящего через них света.
Поскольку углы поляризации фильтров перпендикулярны, то свет,
идущий через выключенный транзистор, полностью поглощается
вторым фильтром. Создаваемое электродами поле поворачивает молекулы ЖК на 90° относительно позиции покоя, меняя тем самым
поляризацию светового потока, который пройдет второй поляризующий фильтр без помех.
Среди плюсов технологии IPS можно отметить четкий черный
цвет, большой угол обзора, достигающий 170°. На рис. 28 представлены для сравнения две технологии. В технологии TN положение
54
Свет
Свет
TN
IPS
Поляроиды
ЖК-молекулы
Электроды
Поляроиды
Белый
Черный
Узкое поле зрения
Белый
Черный
Широкое поле зрения
Рис. 28. Сравнение технологии TN и IPS
молекулы зависит от угла обзора, а в IPS с любого угла молекулы
видны в одной плоскости. Кроме того, «битые» пиксели теперь выглядят черными, а потому они малозаметны. «Минус» не столь очевиден, но существенен: электроды располагаются на одной плоскости, по паре на цветовой элемент, и закрывают собой часть проходящего света. В результате страдает контрастность, которую приходится компенсировать более мощной подсветкой. Но это мелочь
по сравнению с главным недостатком, состоящим в том, что создание электрического поля в подобной системе требует больших затрат энергии и занимает больше времени, из-за чего растет время
отклика.
Дальнейшее совершенствование технологии IPS породило целое
семейство технологий: S-IPS (Super IPS), SFT (Super Fine TFT),
A-SFT (Advanced SFT), SA-SFT (Super A-SFT).
Технология ASM
Специалисты Sharp реализовали другую технологию расширения угла обзора – ASM (Axially Symmetric aligned micro-cell Mode).
На цветном фильтре формируются специальные выступающие
стенки, покрытые ориентирующей полимерной пленкой (рис. 29).
Они образуют индивидуальные ЖК-ячейки с необычным аксиально-симметричным расположением молекул кристалла (наподобие
лопастей вентилятора). Стенки, ограничивающие ЖК-ячейки, по55
Стенка Электроды
столбца
ASM
Стеклянная
подложка
Цветовой
фильтр
Жидкие Ориентирующая Опора
пленка
кристаллы
Рис. 29. ЖК-ячейка по технологии ASM
лучаются в результате внедрения в состав кристалла молекул полимеризованной смолы и облучения полученной смеси ультрафиолетом после фазового разделения. ASM относится к классу методик
стабилизации ЖК с помощью полимеров. Согласно другому методу
использования полимеров, их в небольшом количестве домешивают к жидким кристаллам, что позволяет контролировать ориентацию молекул ЖК непосредственно внутри ячейки, а не только на
двух граничных поверхностях, как это происходит в случае полимерных пленок.
Технология MVA
И, наконец, наиболее перспективная сегодня технология, разработанная компанией Fujitsu, – MVA (Multi-Domain Vertical Alignment – многодоменное вертикальное размещение) – является дальнейшим развитием технологии VA (Vertical Alignment), разработанной еще в 1996 г. Дисплеи, созданные на основе этой технологии,
отличаются достаточно большим углом обзора – до 160° и малым
временем реакции на изменение изображения (менее 25 мс).
Суть технологии MVA заключается в следующем: для расширения угла обзора все цветовые элементы панели разбиты на ячейки (или зоны), образуемые выступами на внутренней поверхности
фильтров (рис. 30). Цель такой конструкции – дать возможность
жидким кристаллам двигаться независимо от своих соседей в противоположном направлении. Это позволяет наблюдателю, вне зависимости от угла обзора, видеть один и тот же оттенок цвета – отсутствие такой возможности было главным недостатком предыдущей
технологии VA. В выключенном положении молекулы ЖК ориентированы перпендикулярно второму фильтру (каждому его выступу),
что на выходе дает точку черного цвета. При слабом электрическом
56
Mono-Domain VA
Multi-Domain VA
Выступы
Молекулы
ЖК
Выступы
Рис. 30. ЖК-ячейка по технологии MVA
поле молекулы немного поворачиваются, образуя на выходе точку
половинной интенсивности серого цвета. Стоит заметить, что интенсивность света для наблюдателя не зависит от угла обзора, поскольку более яркие ячейки, попавшие в поле зрения, будут компенсироваться находящимися рядом более темными. В полном электрическом поле молекулы выстроятся так, чтобы при разных углах
наблюдения на выходе была видна точка максимальной интенсивности.
Используя достижения технологии MVA, некоторые производители создали свои технологии производства ЖК-матриц. Так, компания Samsung во всех своих последних разработках использует
технологию PVA (Patterned Vertical Alignment – микроструктурное
вертикальное размещение). Принцип действия PVA заключается
в выстраивании молекул ЖК под прямым вертикальным углом по
отношению к управляющим электродам и формировании картинки
за счет их малых отклонений от указанного положения, гораздо
меньших, чем в традиционных ЖК-дисплеях. Это, как отмечают
специалисты компании Samsung, позволяет снизить инерционность
и обеспечивает широкий конический угол обзора (170°), высокий
уровень контраста (500:1) и улучшенное качество цветопередачи.
Потенциал технологии MVA и ее разновидностей значителен.
Один из главных ее плюсов – сокращенное время отклика. Кроме
этого, можно отметить и такое преимущество MVA, как очень хороший черный цвет. Однако сложное устройство панели не только серьезно увеличивает стоимость готового LCD-дисплея на ее основе,
но и не позволяет производителю в полной мере реализовать все возможности MVA по причине сложностей технического характера.
57
Будет ли данная технология доминировать на рынке LCD или ее
место займет новая разработка, покажет время. Пока же MVA является самым технически совершенным LCD-решением.
Ферродиэлектрические жидкие кристаллы
Одним из слабых мест любой ЖК-панели является регенерация
изображения. Сложные процессы зарядки и разрядки ячеек, короткое время сохранения ими заданного состояния, опасность накопления значительных зарядов – все это усложняет производство.
Косвенно удается упростить управляющую электронику, используя
ферродиэлектрические жидкие кристаллы (FLCD). Если придать
группе молекул определенную ориентацию, они (в отсутствие внешних воздействий) будут сохранять ее в течение неограниченного
периода времени, образуя единый домен. Ферродиэлектрические
ячейки не требуют частой регенерации, сканирование будет происходить только в моменты смены кадров. К тому же они обладают
отменной скоростью реакции – 10 мс. Однако их бистабильная природа затрудняет генерацию полутонов. Создаются дисплеи и на основе антиферродиэлектрических ЖК (AFLCD). Самые последние их
модификации позволяют частично снять эту проблему.
Технология LTPS TFT
В первых TFT-дисплеях, появившихся в 1972 г., для изготовления матриц использовался селенид кадмия, обладающий высокой
подвижностью электронов и поддерживающий высокую плотность
тока, но со временем был осуществлен переход на аморфный кремний. Для формирования тонкопленочных транзисторов на поверхность стеклянной подложки наносят тонкий полупрозрачный слой
аморфного кремния (технология a-Si). Очень заманчивой выглядит
идея разместить там и управляющие схемы. К сожалению, в аморфной фазе кремний не обладает необходимыми качествами для формирования сложных логических схем, но зато нанесение слоя аморфного кремния – это низкотемпературный процесс, что позволяет
использовать более дешевые сорта стекла для подложки. В матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический
кремний (технология p-Si). Однако образование поликристаллического кремния из множества мелких кристаллов производится путем химического осаждения при низком давлении из газообразной
формы (технология LPCVD – Low Pressure Chemical Vapor Deposition), а затем производится отжиг при температуре более 900 °C
(кристаллизация твердой фазы). Такой метод не удается применить
58
при производстве индикаторных панелей, поскольку температура
плавления стекла 650 °C. Если бы удалось снизить температуру изготовления поликристаллического кремния, он послужил бы идеальным компромиссом между аморфными и кристаллическими материалами. В начале 90-х гг. необходимая технология была создана
(температура снижена до 450 °C), а совсем недавно компания Toshiba объявила о начале производства 8,4- и 10-дюймовых экранов. Активно-матричные панели, изготовленные с применением низкотемпературного поликристаллического кремния, получили название
LTPS TFT (Low-temperature p-Si). В этой технологии в качестве
источника энергии используется эксимерный лазер. Он нагревает
и расплавляет a-Si (аморфный кремний) с низким содержанием водорода, после чего кремний повторно кристаллизуется в виде p-Si
(поликристаллической пленки). Это позволяет производить кристаллизацию кремниевой пленки при температуре менее 400 °C.
В результате технология p-Si приобретает следующие основные
преимущества перед технологией a-Si.
1. Подвижность электронов в тонкопленочных транзисторах на
два поряка выше, а это позволяет увеличить степень интеграции
формируемой на подложке интегральной схемы (позволяет формировать в едином цикле непосредственно на подложке интегральные
схемы драйверов) и уменьшить размеры самого транзистора.
2. Уменьшение площади транзистора ведет к увеличению апертурного коэффициента (отношение полезной площади ячейки к ее
полной площади). В результате яркость свечения LTPS-ячейки пропорционально возрастает.
Следующим этапом развития LTPS-технологии должны стать
LTPS на пластике, т. е. слой кремния будет формироваться на гибких листах пластикового субстрата, что позволит производить гибкие экраны.
2.3.4. Plasma Addressed Liquid Crystal (PALC)
В этом типе дисплеев используется плазменная панель для управления ЖК-ячейками. PALC-дисплей состоит из стеклянной
подложки, с нижней стороны которой нанесен поляризационный
фильтр, а с верхней сформированы продольные выступы-барьеры.
Внутри каждой колонки, образованной барьерами, расположены
два электрода. Сверху конструкцию накрывают тонким слоем стекла и полученные емкости наполняют газом под давлением несколько килопаскалей. Затем следуют слой ЖК, прозрачная пленка
59
Поляризационный фильтр
Цветовые фильтры
Стеклянная подложка
Электроды столбца (ITO)
Жидкие кристаллы
ЖК-ячейка
Тонкий слой стекла
Газовая
ячейка
Стеклянная подложка
Катод Анод Барьер
Поляризационный фильтр
Подсветка
Рис. 31. Конструкция ячейки PALC
с электродами колонок, цветные фильтры, субстрат стекла с поляризатором (рис. 31). Позади всей конструкции располагается блок
подсветки. Выборка колонки осуществляется путем генерации разряда между двумя электродами в наполненной газом продольной
ячейке. На поверхности стекла, разделяющего газовую и ЖК-ячейки, формируется отрицательный заряд, представляющий собой как
бы виртуальный электрод (рис. 32). На один из поперечных электродов с противоположной стороны «сандвича» подается напряжение
+70 В. Заряд с виртуального электрода протекает через ЖК-ячейку,
расположенную на пересечении газовой продольной ячейки и поперечного электрода. Как только заряд стечет, все ЖК-ячейки переходят в полностью изолированное состояние, и можно начинать выборку следующего пиксела.
Одно из достоинств PALC-панелей – простота изготовления. Они
менее чувствительны к чистоте производственных помещений и точности компоновки по сравнению с традиционными TFT-матрицами.
Это позволяет использовать большие по размерам стеклянные подложки и, следовательно, открывает перспективы производства больЭлектроды столбца
Жидкие
кристаллы
Тонкий слой стекла
ЖК-ячейка
Vc
Газовая ячейка
V2
Катод Анод
Чтение
Рис. 32. Работа ячейки PALC
60
Виртуальный электрод
Запись
ших ЖК-экранов. PALC-дисплеи свободны от влияния точечных
дефектов, к которым так чувствительны активно-матричные мониторы. Конструктивная независимость плазменной и ЖК-панели облегчает процесс разработки новых модификаций.
2.3.5. Отражательные дисплеи
Серьезную проблему, преследующую, в общем экономные LCDпанели, представляют собой мощные галогенные лампы подсветки,
«транжирящие» электроэнергию и нагревающие чувствительные
к перепадам температур жидкие кристаллы. Избавиться от подсветки можно, обратившись к внешним источникам освещения,
как это делают производители наручных часов и карманных игр.
Недавно появился новый класс ЖК-панелей, основанных на отражательной технологии. Наиболее перспективные разновидности
мы рассмотрим немного подробнее.
Все отражательные LCD делятся на четыре большие группы: пропускающие, поглощающие, избирательно отражающие и рассеивающие. К первой относятся TN, ECB (Electrically Controlled Birefringence) и F-STN (Film compensated STN). Во вторую группу попали
PCGH (Phase Change cholesteric-nematic Guest Host) и GH. Избирательно отражающие панели представляют PSCT (Polymer Stabilized
Cholesteric Textures), а рассеивающие – PDLC (Polymer Dispersed
Liquid Crystal). Отражательные дисплеи, помимо низкого энергопотребления, имеют еще одно значительное преимущество – в них
можно использовать непрозрачные кристаллические кремниевые
подложки для создания CMOS-управляющих схем. В ЖК-мониторах они получили название LCOS (LC on Si). Полноценные полупроводниковые схемы позволяют уменьшить взаимовлияние соседних
пикселов и повысить скорость реакции ЖК-ячеек. К тому же технология CMOS уже хорошо разработана, и производство LCOS доступно более широкому кругу мелких производителей.
Технология PCGH
Прототипом данной технологии были дискретные ЖКИ на эффекте «гость–хозяин». В данной разновидности панелей используются холестерические ЖК, молекулы которых образуют упорядоченные, закрученные от слоя к слою спирали. При наложении электрического поля они выстраиваются своими длинными осями вдоль
него. В жидком кристалле – «хозяине» – растворяют краситель, поглощающий свет в различной степени в зависимости от своей ориен61
Падающий свет
Отраженный свет
Рис. 33. Избирательно отражающий дисплей
тации относительно направления падения света, – «гость» (рис. 33).
«Сандвич» цветной панели PCGH состоит из алюминиевых отражающих электродов, смеси «хозяин – гость», прозрачных электродов, цветного фильтра и защитного стекла. В отсутствие электрического поля спиралевидные структуры ЖК-смеси поглощают внешний свет, который проникает через стекло, фильтры и прозрачные
электроды. Экран кажется черным. После того как электроды активируются, молекулы – «хозяева» следуют за направлением поля,
увлекая за собой и продолговатые частицы красителя. Теперь свет
беспрепятственно проходит через смесь, отражается от нижних алюминиевых электродов, и экран становится светлым. Управляя раздельно ЖК-ячейками, расположенными под фильтрами разных цветов, можно генерировать цветное изображение. Технология PCGH
позволяет изготовлять яркие, высококонтрастные дисплеи с низким потреблением энергии (~60 мВт), а отсутствие поляризационных фильтров расширяет угол обзора до 100° по вертикали и горизонтали, снимает эффект двойного отражения, свойственный панелям с отражателем, вынесенным за пределы стеклянной ячейки.
Технология PDLC
Технология PDLC – зеркальное отражение технологии, принятой
в дисплеях типа PCGH. В качестве активного компонента применяется смесь ЖК нематического типа и полимеров, а «игра» основана
на способности первых менять свой показатель преломления в зависимости от величины наложенного электрического поля (рис. 34).
Смесь помещена в стеклянную ячейку, задняя стенка которой выполнена из светопоглощающего материала. В нормальных условиях
показатели преломления ЖК и внедренных молекул полимера разные. Свет, проникающий в ячейку, рассеивается: частично назад,
частично вперед. Мы видим рассеянный назад свет, и экран кажется светлым. Но стоит наложить электрическое поле такой величи62
Рис. 34. Поглощающий дисплей
ны, чтобы показатели преломления ЖК и полимера сравнялись,
как свет будет свободно проникать сквозь смесь и поглощаться на
задней стенке ячейки.
Технология HR TFT
Мобильные терминалы, а также портативные аудио- и видеоустройства требуют ярких дисплеев, должны быть компактными,
иметь облегченную конструкцию и отличаться низкой потребляемой мощностью, обеспечивая длительный ресурс батарей.
Предназначенные для мобильных применений ЖК-дисплеи Super Mobile используют оригинальные панели, выполненные по технологии HR TFT корпорации Sharp (рис. 35). Это отражательные
дисплеи, не требующие системы подсветки. Они имеют низкопрофильную, легкую и энергосберегающую конструкцию и обеспечиа)
Имеет место паралакс
Передняя стеклянная подложка
Светофильтр
Жидкий кристалл
Задняя стеклянная подложка
Внешний рефлектор
б) Четкое изображение без
паралакса
Передняя стеклянная подложка
Светофильтр
Жидкий кристалл
Задняя стеклянная Микрорефлективная
структура (MRS)
подложка
Рис. 35. Конструкция ЖК-ячейки по технологии HR TFT: а – стандартный отражательный дисплей; б – отражательный дисплей по
технологии HR TFT
63
вают яркое, высококонтрастное изображение даже при ярком солнечном освещении.
По сравнению с предшествующими моделями ЖК-дисплеев Sharp
аналогичного назначения дисплеи Super Mobile HR TFT имеют:
• более низкое энергопотребление (примерно на 1/7),
• более тонкую панель (примерно на 1/3),
• меньший вес (примерно на 1/2).
Технология HR TFT использует микрорефлективную структуру
(MRS – Micro Reflective Structure) ЖК-ячеек. Дисплеи, выполненные по этой технологии, превосходят стандартные отражательные
ЖК-панели по яркости цветов и отсутствию параллакса.
Технология Black TFT
В системах отображения информации очень важно, чтобы при ярком внешнем освещении визуальное восприятие изображения на экране дисплея не было затруднено из-за бликов или пониженной контрастности. Корпорация Sharp взялась за разрешение данной проблемы и разработала оригинальное покрытие с низким коэффициентом отражения, названное Black TFT (технология его применения
носит такое же название). Это покрытие обеспечивает высококонтрастное отображение даже при сильной внешней засветке. Рис. 36
дает представление о конструкции ЖК-дисплея, выполненного по
технологии Black TFT. Сочетание антибликовой обработки и покрытия с низким коэффициентом отражения обеспечивает четкость
изображения и яркие краски.
График (рис. 37) позволяет сравнить контрастности типового дисплея на ЭЛТ и выполненного по технологии Black TFT ЖК-дисплея.
В условиях низкой освещенности (до 30 лк) контрастное отношение
дисплея на ЭЛТ превышает 500:1. Однако при средней и сильной внешней освещенности (более 40 лк) величина этого параметра у Black
Падающий свет
Покрытие с низким коэффициентом отражения
Антибликовая обработка
Передний поляризатор (анализатор)
Стеклянная подложка (световой фильтр)
Слой жидкого кристалла
Стеклянная подложка (TFT)
Задний поляризатор
Рис. 36. Конструкция технологии Black TFT
64
500
Контрастность
400
Black TFT
ЖК-дисплей
ЭЛТдисплей
300
200
100
0
10
100
Внешнее освещение, лк
1000
Рис. 37. Зависимость контраста от внешнего освещения
TFT ЖК-дисплея становится выше, чем у дисплея на ЭЛТ. Здесь необходимо заметить, что уровень освещенности в обычной жилой
комнате достигает значения около 300 лк, а в солнечной комнате –
около 1500 лк.
Технология Black TFT применяется корпорацией Sharp при производстве цветных ЖК-телевизоров AQUOS, а также в комплектующих модулях для ЖК-дисплеев.
2.3.6. Возможности отображения цвета
Технология ECB
Нематические ЖК имеют довольно большое двойное лучепреломление. Ориентация оптической оси ЖК легко изменяется при
наложении напряжения. На этих двух свойствах основано действие
перестраиваемого напряжением цветного фильтра. Пропускание
слоя ЖК, помещенного между двумя пересекающимися поляризаторами, ориентированными под 45°:
⎛ ΔO (λ ) ⎞
5⊥ (λ ) ≈ TJO ⎜
⎟⎠
⎝
⎛ ΔO (λ ) ⎞
5& (λ ) ≈ DPT ⎜
⎟⎠
⎝
ΔOλ
= π Γλ
где T(λ) – интенсивность прошедшего света соответственно вдоль
длинной оси молекулы (по направлению директора) и поперек (пер65
пендикулярно директору); Δn – разность оптического пути между лучами; Г(λ) – гамма-функция.
0,6
Белый цвет на входе этого фильтра
оказывается цветным на выходе, так
1,3 1,1
1,8
как T⊥ и T|| являются функциями λ.
3,0
Зная T⊥(λ) и T||(λ), можно рассчитать
цветовые
координаты. Такие коорди1,5
U/u = 1,0
0,2
наты были рассчитаны для различных отношений U/u (рис. 38), где U –
1,2
приложенное напряжение; u – поро0
0,2
0,6 х
говое напряжение.
При напряжении выше пороговоРис. 38. Зависимость цветовых координат от
го значения интерферирующие цвета
приложенного напряописывают на диаграмме цветности
жения
кривую, имеющую форму спирали,
направленную к точке белого, к примеру, цвет, соответствующий отношению U/u = 1,1 – желтый; 1,2 –
голубой; 1,3 – зеленый; 1,5 – красный. Недостаток эффекта перестраиваемого запаздывания – сильная зависимость от температуры
и толщины слоя ЖК.
Например, при повышении температуры от 20 до 40 °C цвет изменяется от желтовато-зеленого через белый до пурпурно-красного.
А при увеличении слоя ЖК от 7 до 11 мкм – от желтовато-зеленого
через белый, розовый вновь к белому.
Таким образом, для ЖКИ с использованием эффекта перестраиваемого запаздывания предъявляются жесткие требования к условиям эксплуатации и конструктивному исполнению.
y
Использование цветных светофильтров
Давайте еще раз вспомним, каким образом образуются цветовые оттенки в ЖК-мониторах. Каждый пиксел разбит на три части,
над каждой находится свой светофильт – соответственно красный,
зеленый и синий (рис. 39). За счет поворота на определенный угол
ЖК-молекул в каждом из цветовых субпикселов можно получать
не только открытое и закрытое состояния ЖК-ячейки, но и промежуточные состояния, формирующие цветовой оттенок. Теоретически угол поворота ЖК-молекул можно сделать любым в пределах от
минимального до максимального. Однако на практике есть температурные флуктуации, которые препятствуют точному заданию
угла поворота. Кроме того, для формирования произвольного уров66
ня напряжения потребуется исG B
R
пользование схем ЦАП с большой разрядностью, что крайне
дорого. Поэтому в современных
ЖК-мониторах чаще всего применяют 18-битные ЦАП и реже –
24-битные. При использовании Рис. 39. Получение цвета с помощью светофильтров
18-битного ЦАП на каждый цветовой канал приходится по 6 бит.
Это позволяет сформировать 64 (26 = 64) различных уровня напряжения и соответственно задать 64 различные ориентации ЖК-молекул, что, в свою очередь, приводит к формированию 64 цветовых оттенков в одном цветовом канале. Всего же, смешивая цветовые оттенки разных каналов, возможно получить 262 цветовых оттенка.
При использовании 24-битной матрицы (24-битная схема ЦАП)
на каждый канал приходится по 8 бит, что позволяет сформировать
уже 256 (28 = 256) цветовых оттенков в каждом канале, а всего такая матрица воспроизводит 16 777 216 цветовых оттенков.
В то же время для многих 18-битных матриц в паспорте указывается, что они воспроизводят 16,2 млн цветовых оттенков. В чем же
тут дело и возможно ли такое? Оказывается, что в 18-битных матрицах за счет различных ухищрений можно увеличить количество
цветовых оттенков так, чтобы это количество приблизилось к количеству цветов, воспроизводимых настоящими 24-битными матрицами. Для экстраполяции цветовых оттенков в 18-битных матрицах используются две технологии (и их комбинации): Dithering (дизеринг) и FRC (Frame Rate Control).
Суть технологии Dithering заключается в том, что недостающие
цветовые оттенки получают за счет смешивания ближайших цветовых оттенков соседних субпикселов. Рассмотрим простой пример.
Предположим, что субпиксел может находиться только в двух состояниях – открытом и закрытом, причем закрытое состояние субпиксела формирует черный цвет, а открытое – красный. Если вместо одного пиксела рассмотреть группу из двух субпикселов, то, кроме черного и красного цветов, можно получить еще и промежуточный цвет и тем самым осуществить экстраполяцию от двухцветного
режима к трехцветному. В результате, если первоначально такой
монитор мог генерировать шесть цветов (по два на каждый канал),
то после такого дизеринга монитор будет воспроизводить уже 27
цветов.
67
Если же рассмотреть группу не из двух, а из четырех субпикселов, то использование дизеринга позволит получить дополнительно
еще по три цветовых оттенка в каждом канале, и монитор из 8-цветного превратится в 125-цветный. Соответственно, группа из 9 субпикселов позволит получить дополнительно семь цветовых оттенков, и монитор станет уже 729-цветным.
Схема дизеринга имеет один существенный недостаток: увеличение цветовых оттенков достигается за счет уменьшения разрешения. Фактически при этом увеличивается размер пиксела,
что может негативно сказаться при прорисовке деталей изображения.
Кроме технологии дизеринга используется и технология FRC,
представляющая собой способ манипуляции яркостью отдельных
субпикселов с помощью их дополнительного включения/выключения. Как и в предыдущем примере, будем считать, что субпиксел
может быть либо черным (выключен), либо красным (включен). Напомним, что каждый субпиксел получает команду на включение
с частотой кадровой развертки, т. е. при частоте кадровой развертки 60 Гц каждый субпиксел получает команду на включение 60 раз
в секунду, что позволяет генерировать красный цвет. Если же принудительно заставлять включаться субпиксел не 60 раз в секунду,
а только 50 (на каждом 12-м такте производить не включение, а выключение субпиксела), то в результате яркость субпиксела составит
83% от максимальной, что позволит сформировать промежуточный
цветовой оттенок красного.
Оба рассмотренных метода экстраполяции цвета имеют свои недостатки. В первом случае – это возможное мерцание экрана и некоторое увеличение времени реакции, а во втором – возможность потери деталей изображения.
Справедливости ради отметим, что отличить на глаз 18-битную
матрицу с экстраполяцией цвета от истинной 24-битной практически невозможно. При этом 24-битная матрица будет стоить существенно дороже.
2.3.7. Способы подсветки в дисплеях
В завершение обзора различных моделей ЖК-дисплеев необходимо остановиться на краткой характеристике реализуемых в них
способах подсветки, так как именно способ подсветки во многом определяет технологию и основные свойства дисплея. ЖК-дисплеи ис68
пользуют три основных способа подсветки: просветный, отражательный и просветно-отражательный.
Просветный способ предполагает подсвечивание пикселов ЖКдисплея сзади, т. е. с противоположной от зрителя стороны. Для
этого применяется модуль задней подсветки, выполненный на основе люминесцентных ламп с холодным катодом (CCFT – cold-cathode
fluorescent tube) или светодиодов. ЖК-дисплеи c такой системой
подсветки обеспечивают широкую цветовую гамму (насыщенность),
высокую контрастность и обычно применяются в портативных компьютерах (ноутбуках). Эти дисплеи обладают наилучшими рабочими характеристиками в диапазоне освещенности от полной темноты до значений, соответствующих типовым условиям офисных помещений. Долгое время дисплеи, использующие просветный способ
подсветки, считались непригодными для применения в условиях
возможного сильного освещения (например, в уличных терминалах), пока не появились системы задней подсветки, обеспечивающие высокую яркость свечения.
В ЖК-дисплеях с отражательной системой подсветки пиксели
освещаются с передней плоскости, т. е. со стороны зрителя. Пиксели такого дисплея отражают свет, возникающий от случайных внешних источников или в результате фронтального освещения. Эти
дисплеи характеризуются очень низкой потребляемой мощностью
(особенно те, которые не используют фронтальное освещение) и обычно применяются в небольших портативных устройствах, таких как
карманные компьютеры, ручные игровые приставки и т. п. Дисплеи с отражательной системой подсветки обладают наилучшими
рабочими характеристиками в диапазоне освещенности от значений,
соответствующих типовым условиям офисного помещения и выше.
При низкой освещенности такие дисплеи требуют фронтального освещения. Технология корпорации Sharp, реализующая отражательный способ подсветки Highly Reflective TFT (HR TFT), была
рассмотрена выше.
Просветно-отражательная система подсветки объединяет особенности отражательной и просветной систем подсветки: пиксели частично пропускают свет от системы задней подсветки и частично отражают свет от внешних источников или фронтального освещения.
ЖК-дисплеи с просветно-отражательной системой подсветки часто
применяются в устройствах, эксплуатируемых в условиях изменяющейся в широком диапазоне освещенности (от полной темноты до яркого солнечного освещения). Оптические характеристики таких дисплеев при низкой освещенности подобны характеристикам просвет69
а)
б)
в)
Поляризатор
Поляризатор
Жидкие Структура
Электроды столбца
TFT кристаллы Super HA
Люминисцентные лампы
MRS
Люминесцентные лампы
TFT
задней подсветки
Электроды столбца
задней подсветки
Рис. 40. Способы подсветки: а – просветный способ; б – технология
HR TFT; в – технология AD-TFT
ных ЖК-дисплеев, а при ярком освещении – характеристикам отражательных ЖК-дисплеев. Усовершенствованная просветно-отражательная технология корпорации Sharp получила название Advanced
TFT (AD TFT). Структура элемента изображения (пиксела) в дисплеях AD TFT подобна его структуре в дисплеях HR TFT, однако технология AD TFT предполагает наличие у отражательного пиксела
апертуры (апертура – обычно выражаемая в процентах часть площади пиксела, которая в активном состоянии может пропускать свет).
Выполненные по технологии AD TFT дисплеи в отличие от традиционных просветно-отражательных дисплеев не нуждаются в поиске
компромиссных решений для обеспечения требуемого контраста
или коэффициента пропускания и сохраняют цветовую гамму изображения в широком диапазоне внешней освещенности.
Структуры ЖК-дисплеев, использующих различные способы
подсветки в соответствии с описанными технологиями, показаны
на рис. 40, где приняты следующие обозначения: ITO – заднее стекло с адресуемыми элементами и электродами пиксела из окисла металлического индия; MRS – микрорефлективная структура (Micro
Reflective Structure); TFT – активная матрица управляющих тонкопленочных транзисторов.
2.4. Электронные чернила
В 1997 г. ученые из Massachusetts Institute of Technology (Массачусетский технологический институт) создали уникальную технологию формирования изображения1.
1 Ради справедливости надо сказать, что идея и устройства формирования полутоновых изображений электромеханическим путем известна
очень давно. Аналогичный принцип использовался в электрофоретических и электромеханических индикаторах.
70
Первым воплощением технологии стала демонстрация в конце
2000 г. прототипа монохромного дисплея. А летом 2001 г. в некоторых магазинах Нью-Джерси начали появляться необычные ценники. Несмотря на внешнее сходство со своими бумажными аналогами, они представляли собой электронные дисплеи и допускали дистанционное (беспроводное) изменение выводимой на них информации. Габариты 35×27 см позволяли отображать на них цену товара
и несколько строк сопроводительного текста.
Приблизительно в то же время были представлены и первые прототипы дисплея, ориентированные на применение в сотовых телефонах или карманных компьютерах.
С точки зрения разработчиков, электронные чернила являются
принципиально новым материалом. Революционность достигнутого эффекта объясняется тесным сплетением усилий химиков, физиков и электронщиков. Главным компонентом электронных чернил
являются миллионы маленьких микрокапсул диаметром в половину толщины человеческого волоса. В общем виде они и представляют собой пиксели будущего дисплея. Микрокапсула заполнена прозрачной жидкостью, в которой «плавает» множество частиц, причем половина их них заряжена положительно и окрашена в белый
цвет, другая половина, напротив, имеет черный цвет и обладает отрицательным потенциалом.
Принцип работы дисплея на электронных чернилах (технологии
Е-Рареr) чрезвычайно прост. Данное устройство формирования изображения работает следующим образом (рис. 41): активный слой
экрана содержит миниатюрные прозрачные капсулы с черными
и белыми частичками (пигментом). Черные и белые частицы по-разному реагируют на появление электрического потенциала: позитивно заряженные белые частицы притягиваются к отрицательно
заряженным электродам, а негативно заряженные черные – к контактам, имеющим положительный заряд.
Используемые в электронных чернилах микрокапсулы с пигментом очень малы. В нейтральном состоянии позитивно заряженные
Верхний прозрачный электрод
Капсулы
Прозрачная жидкость
Отрицательно
заряженные черные частицы
Положительно заряженные
белые частицы
Нижние электроды
–
–
–
+
Рис. 41. Принцип работы дисплея на электронных чернилах
71
белые и негативно заряженные черные частицы пигмента находятся внутри микрокапсул в произвольном положении. Но, например, когда некоторому тыльному участку активной области экрана
с электронно-чернильным слоем придается положительный электрический заряд, во всех микрокапсулах на этом участке белые частицы пигмента перемещаются во фронтальную часть. В то же самое
время электрическое поле тянет черные частицы на «заднюю» сторону микрокапсул, и они будут скрыты от взора пользователя. В результате действия такого процесса пользователь сможет наблюдать появление на экране электронно-чернильного дисплея белого
пятна – точки, пиксела белого цвета. Поменяв полярность приложенного электрического потенциала, можно добиться того, чтобы
черные частицы пигмента оказались на лицевой стороне капсул,
а белые – на тыльной. Тогда на том же месте на экране дисплея сформируется черное пятно. Понятно, что, сформировав управляющую
электродами матрицу (например, подобную используемой в ЖК-дисплеях, или просто символьную или сегментную) и расположив над
ней активную область экрана с микрокапсулами, можно будет создавать на электронно-чернильном экране довольно большие и сложные изображения.
Правда, полученный таким образом дисплей способен отображать ограниченное число градаций серого (полутонов).
Среди достоинств, в первую очередь, следует отметить возможность создания дисплеев на основе электронных чернил с очень высоким разрешением, по сути, разрешающая способность дисплея
определяется не диаметром микрокапсул, а физическим разрешением «электронной сетки».
Дисплей может иметь самые немыслимые формы и размеры,
поскольку его создание заключается в нанесении слоя электронных
чернил (плюс слой управляющих элементов и схем) на подложку.
Материал поверхности особой роли
не играет, можно использовать стекло, пластмассу, ткань, металл и даже
бумагу. Поэтому рассматриваемую
технологию еще иногда называют технологией «электронной бумаги». Конечно, гибкость таких дисплеев тоже
можно посчитать немаловажным преимуществом – приятно взять с собой
Рис. 42. Внешний вид электрон- большой экран, свернув его в трубочку (рис. 42)
ной бумаги
72
Следующее достоинство электронной бумаги заключается в том,
что она представляет собой разновидность отражающего дисплея.
Изображение на ней можно будет прочитать при тех же условиях,
при которых вы можете читать его с обычного листа бумаги.
Мизерная потребляемая мощность является огромным преимуществом по сравнению с любыми современными дисплеями, да
и энергия, в принципе, требуется только при смене изображения.
Что касается недостатков Е-Рареr, то они также есть. Во-первых,
такие дисплеи (по крайней мере, их гибкие варианты) достаточно
серьезно «боятся» статического электричества. Нахождение вблизи
дисплея наэлектризованного предмета фактически разрушает изображение. Впрочем, если в качестве верхнего слоя используется специальное стекло, то такого эффекта не возникает. Во-вторых, на
них невозможно отображать динамическую информацию.
24 апреля 2004 г. стал знаменательным днем в истории развития
электронных чернил. В этот день в Японии начались продажи первой в мире электронной книги Librie EBR-1000EP. Формально это
устройство именуется E-Book Reader (т. е. устройство для чтения
электронных книг), и выпущено оно под логотипом японской корпорации Sony. Внешне Librie представляет собой портативный терминал размером в половину стандартной книги (рис. 43). А применение чехла, напоминающего обложку для книг, еще больше увеличивает сходство электронной книги с типографской. Габариты устройства 126×190×13 мм, а масса 190 г. Если же раскрыть
книгу, то видна стандартная QWERTY-клавиатура (29 клавиш), дополненная шестью специализированными клавишами с левой стороны и традиционным для Sony рифленым колесиком прокрутки
в окружении шести «горячих клавиш».
Центральное место занимает
E-Paper Display от Philips, шестидюймовая (15 см) матрица которого имеет рабочее разрешение
170 точек на дюйм. Разумеется,
этому дисплею присущи все свойства, характерные для технологии Е-Рареr: высокая контрастность, отсутствие подсветки, возможность чтения под любым углом при различных условиях Рис. 43. Внешний вид первой электосвещения и т. д.
ронной книги
73
«Сердцем» Librie является процессор Motorola DragonBall. В принципе, высокой производительности от устройства не требуется, ведь
оно предназначено только для чтения книг. Встроенной памяти хватает для хранения порядка пятисот 250-страничных книг.
У рассмотренной модели электронно-чернильного дисплея заявлена частота смены кадров примерно 4 кадра в секунду, что соответствует инерционности в 250 мс. Есть технологии, которые опережают свое время. Есть и такие, которые от него отстают. Вероятно,
технология электронных чернил относится именно к последним –
появись она на пять лет раньше, возможно, у нее и были бы неплохие перспективы на рынке. А теперь на ее место претендуют дисплеи, создаваемые по технологии OLED.
74
3. ИНДИКАТОРЫ КОЛЛЕКТИВНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
В состав пунктов управления автоматизированными системами
в промышленности и большими информационными системами на
командных пунктах, в аэропортах особое место занимают индикаторные устройства, информация на которых предназначается для
всего состава наблюдателей или групп операторов. Создание индикаторных устройств с большими размерами изображений объясняется четко выраженной, особенно в последние годы, тенденцией
к групповым взаимодействиям в процессе руководства автоматизированными системами управления. Обслуживающий персонал типового центра управления составляют специалисты различного
профиля, и практически каждому из них, помимо индивидуальной
информации, требуется синхронизированная с ней сгруппированная общая картина состояния системы.
Все средства коллективного пользования можно классифицировать по различным признакам, например, по типам информационных моделей, по методу формирования визуально воспринимаемого
сигнала (методом последовательного растра или дискретно управляемыми элементами), по способу создания изображений, по цветности и т. д. Наиболее общей можно считать классификацию по типам информационных моделей, в соответствии с этим индикаторы
коллективного пользования можно разбить на три класса:
1) ситуационные (большие экраны);
2) табличные (табло);
3) специальные (мнемосхемы, графики).
Особый интерес представляет создание изображений на больших
экранах. С точки зрения технической реализации здесь следует выделить:
– формирование всей модели внешним видеопреобразователем
(проективное изображение), причем таких преобразователей может
быть много;
– формирование изображения из дискретных элементов (прямое
изображение).
3.1. Видеопреобразователи
Созданием мощных проекторов с модуляцией отражаемого светового потока начали заниматься вслед за появлением телевидения.
Среди множества разработок, основой которых являются проекци75
онные кинескопы, наибольшую известность получили светоклапанные проекторы Light Value. В 50-х гг. прошлого столетия их называли проекторами системы эйдофор (Eidophor), в основу которых положено физическое явление деформации тонкого поверхностного слоя
прозрачной вязкой жидкости (масла) под влиянием падающего на
него электронного пучка. При воздействии электрического поля телевизионного изображения в тонком слое жидкости образуется рельефный растр, который играет роль дифракционной решетки, модулирующей световой поток от мощного источника света. Очевидные
и многие практические недостатки этих проекторов побудили искать
другие технологии модуляции отраженного светового потока.
В настоящее время наиболее распространенными типами видеопреобразователей (проекторов) являются жидкокристаллические
(LCD) и микрозеркальные (DMD – Digital Micromirror Device). Основное различие между этими двумя типами проекторов заключается в самом принципе формирования изображения на экране.
Проекторы на ЖК
Большинство портативных и условно портативных проекторов
по-прежнему выпускается по традиционной ЖК-технологии. В этих
проекторах функции формирователя изображения выполняет LCDматрица просветного типа. По принципу действия такие аппараты
напоминают обычные диапроекторы. Но если в диапроекторах в качестве формирователя изображения задействуется слайд, то в LCDпроекторах в этой роли выступает ЖК-матрица.
Принцип действия такого проектора поясняет рис. 44. Здесь световой поток от источника света, пройдя оптический компенсатор
естественного спада потока от центра кадра к его периферии, разделяется с помощью нормальных и дихроичных зеркал на три составляющие. Эти составляющие посредством конденсорной оптики направляются на входные линейные поляризаторы и активные
LCD-матрицы, выполненные по TFT-технологии, каждая из которых
представляет собой «сэндвич» из оптических пластин, между которыми находится ЖК-среда, и выходного поляризатора-анализатора.
Далее модулированные по интенсивности цветовые составляющие
светового потока поступают на сложную призму, где собираются
вместе и направляются в проекционный объектив. Основная задача
конденсорной оптики проекторов – собрать возможно больший световой поток, создаваемый лампой, и с высокой равномерностью и ми76
Фасеточный оптический компенсатор
Нормальное зеркало
Источник света
Блок поляризатора с конденсорной
линзой или растром
Выходной поляризатор-анализатор
Дихроичные зеркала
Проекционный объектив
Смесительная призма
ЖК-панель
Рис. 44. Конструкция LCD-проектора
нимальными потерями направить его на LCD-матрицы. Чем меньше
размеры последних, тем успешнее она решается, но тем термоустойчивее должны быть сами матрицы и производительнее система вентиляции проектора. В оптических системах с конструктивами типа
«матрица на призме» задача теплоотвода решается эффективнее. Но
все равно удручающими выглядят 50% потери на входных поляризаторах, пропускающих только полезную Р-составляющую линейно поляризуемого светового потока и поглощающих (превращающих
в тепло) ортогональную S-составляющую. Поэтому в высокоэффективных проекторах применяются так называемые конверторы полязизации, например Polarized Beam Splitter (PBS) в проекторах Sanyo,
принцип работы которых иллюстрируется на рис. 45.
Фазосдвигающая пластинка
P-поляризованный свет
Поверхность, расщепляющая свет на
линейно поляризованные составляющие
P-поляризованный свет
S-поляризованный свет
Входной световой поток
Призма
Отражающая поверхность
Рис. 45. Конвертор поляризации
77
Видеопроекторы ILA
Одним из основных компонентов проекторов ILA (Image Light
Amplifier) является зеркало-поляризатор. Это зеркало при падении
света под углом 45° световую составляющую с поляризацией вдоль
поверхности зеркала полностью пропускает, а полезную, с ортогональной поляризацией – полностью отражает и направляет на LCDпанель перпендикулярно ее поверхности. Последняя отражает его
назад в сторону зеркала с внесением дополнительных сдвигов поляризации в соответствии с потенциальным рельефом изображения
на ней. Теперь то же зеркало пропускает полезную составляющую
светового потока в направлении проекционного объектива, а отсекаемую из-за дополнительных сдвигов поляризации ее часть – в сторону источника света. Таким образом в ILA-проекторах одно зеркало решает задачи поляризатора и анализатора одновременно. Оптический компонент отражающей LCD-панели (рис. 46) представляет
собой довольно сложное устройство, содержащее фоторезистивный
слой, диэлектрическое зеркало, от которого отражается пропускаемый LCD-панелью основной световой поток, и прозрачную пластину с токопроводящим слоем. Последний обеспечивает воздействие
на панель электрического поля в соответствии с потенциальным рельефом воспроизводимого изображения, создаваемого на фоторезистивном слое небольшим проекционным ИК-кинескопом. Особенностью LCD-панели является ее пространственная непрерывность, т. е. отсутствие пиксельной структуры. Четкость экранного
изображения в данном случае определяется частотными параметрами развертки проекционного кинескопа и вдоль строк может быть
очень высокой. Все ILA-проекторы содержат три описанных светомодулирующих блока (по одному в каналах первичных цветов) и выпускаются как с одним, общим для трех каналов проекционным
объективом, так и с тремя в конструкциях, внешне похожих на всем
знакомые «трехглазые» CRT-проекторы, но с большими на порядок
световыми потоками.
Диэлектрическое зеркало Жидкий кристалл
Прозрачный электрод
Фоторезистивный слой
Зеркало-поляризатор
От источника света
Рис. 46. Конструкция видеопроектора ILA
78
Видеопроекторы D-ILA
Основные отличия этой схемы (D – Digital) от приведенной на
рис. 46 заключаются в отсутствии проекционного кинескопа, связанной с ним фокусирующей оптики и заменой остальных компонентов отражающей LCD-панелью. Устройство видеопроектора приведено на рис. 47. По сравнению с
Отражающая Узел поляризатораобычной, у отражающей LCDанализатора
ЖК-панель
панели, кроме отсутствия тепловых потерь, есть и другие
существенные преимущества.
Здесь матрица полевых транПроекционный
зисторов, управляющих внообъектив
симой пикселами поляризаЦифровой
цией, не занимает простран- входной сигнал
Экран
Источник света
ства в ЖК-слое, а расположена
за ним на подложке с электро- Рис. 47. Видеопроектор D-ILA
никой. За счет этого можно
увеличить степень пиксельной дискретизации панели или поверхность управляющих электродов в слое диэлектрика, доведя общий
коэффициент отражения панели на уровне белого до 95%. В результате удается одновременно увеличить и разрешающую способность,
и яркость изображения. Кроме того, благодаря гомеотропной структуре ЖК-слоя по вертикали улучшается показатель контрастности
экранного изображения.
Микрозеркальные проекторы с тремя DMD
Весной 1996 г. Texas Instruments представила первый цифровой
проекционный блок, готовый к продаже и запатентованный под
торговой маркой DLP – Digital Light Processing. Чтобы снизить риск
и сократить время выхода на рынок, было решено продвигать микрозеркальную технологию в виде полностью законченного модуля
Optical Engine, содержащего DМD, электронику управления и оптическую систему с источником света и вентилятором. Из них только самые яркие модели содержали три чипа DMD по 848×600 микрозеркал и были реализованы по оптической схеме, показанной на
рис. 48.
Здесь световой поток, создаваемый проекционной лампой, пройдя конденсорную систему с тепловым ИК-фильтром, зеркалами
79
Тепловой фильтр
Зеркало с золоченым
покрытием
Интегральный
конденсатор
Зеркало
Призма полного
внутреннего отражения
Проекционный объектив
Источник света
Микрозеркальный чип
Цветоделительная
комбинированная призма
Рис. 48. Конструкция микрозеркального проектора с тремя DMD
и призму полного внутреннего отражения, поступает на комбинированную цветоделительную призму, выделяющую из него составляющие первичных цветов и направляющую их на поверхности
микрозеркальных чипов DMD соответствующих каналов. Отраженные чипами, модулированные составляющие цветов объединяются комбинированной призмой в общий световой поток, поступающий в проекционный объектив. Чип DMD представляет собой
световой модулятор, состоящий из матрицы поворотных алюминиевых зеркал, количество которых соответствует разрешающей способности проектора. Зеркала размером 16×16 мкм крепятся на подложке с помощью механических подпружиненных подвесов, позволяющих им поворачиваться в пределах ± 10° (рис. 49).
На каждый микрозеркальный пиксел подведены управляющий
и пара адресных электродов, соединенных с ячейкой SRAM на
КМОП-подложке. Комбинация управляющего и адресного напряжений электростатически отклоняет зеркало к одному из крайних
положений, соответствующих состояниям «включено» и «выключено». В первом случае отраженный
Зеркало
микрозеркалом свет попадает в оптиЗеркало
ческую систему проекционного объектива, а во втором рассеивается и погОснование лощается. Время оптического перематрицы
ключения состояний микрозеркал не
превышает 2 мкс (10 мкс для механиПодвеска Поворотная пластина
ческого переключения с учетом затуРис. 49. Поворотное аллюми- хания переходных процессов). Управниевое микрозеркало ление положением зеркал осущест80
вляется методом цифровой широтно-импульсной модуляции с частотой полей, а уровень цветовых составляющих светового потока по
каждому пикселу определяется относительным временем нахождения его микрозеркала во включенном положении на временном интервале каждого телевизионного поля. Продолжительность последнего (20 мс для телевизионных систем 625 строк, 50 полей/с, около
17 мс для видимой на экране части растра) подвергается 10-разрядной дискретизации электроникой DLD-проектора, которая обеспечивает 1024 уровня светового потока каждому пикселу в каналах
первичных цветов. Остальное базируется на физиологической способности зрения усреднять мгновенные яркости и цветовые оттенки
всех пикселов экранного изображения. Для того чтобы это получалось лучше, применяется увеличение частоты коммутации пикселов путем преобразования длинных импульсов включения пикселов в совокупность более коротких той же суммарной продолжительности в пределах каждого поля.
Микрозеркальные проекторы с одним DMD
Для формирования цветного изображения в DLP-проекторах с одним DMD используется способ последовательного формирования
пикселов основных цветов с применением чередующихся светофильтров (рис. 50). Сначала на экране формируются все пиксели красного цвета, затем через очень короткий промежуток времени – все
пиксели синего цвета, и наконец – все писели зеленого цвета. Смена картинок красного, зеленого и синего цветов составляет 150 Гц
(180 Гц для системы NTSC), т. е. так быстро, что человеческий глаз
не способен уловить такого чередования и воспринимает усредненное полноцветное изображение.
Для быстрой смены светофильПроекционный
Чип DMD
тров используется вращающееся
объектив
колесо, разделенное на три цветоКонденсорная
вых сектора. Свет от мощной ламоптика
пы освещает это колесо. Пройдя
сквозь светофильтр, световой поток
Вращающийся
фокусируется через линзу и постусветофильтр
пает на матрицу микрозеркал DMDс цветными секторами
Источник света
кристалла, оттуда отражается либо
на объектив, либо на светопоглоти- Рис. 50. Микрозеркальный протель.
ектор с одним DMD
81
Для увеличения контрастности и насыщенности цветов применяются светофильтры разделенные не на три сектора, а на четыре.
Четвертый сектор является прозрачным или белым.
Изображения, получаемые с помощью DMD-проекторов, имеют
более высокий контраст, яркость и четкость по сравнению с изображениями, полученными с помощью LCD-проекторов. Это объясняется следующим:
– яркость световых потоков не снижается, поскольку не существует фильтра в виде LCD-матрицы;
– LCD-матрица имеет заведомо большие расстояния между пикселами, чем DMD-кристалл между микрозеркалами, а значит, изображение получается более четким.
3.2. Информационные табло
Информационные табло широко распространены во всех областях деятельности человека. Они используются в промышленности,
центрах управления полетами, на транспорте, в сфере развлечений,
рекламе. Поскольку принципы построения, элементная база для
современных информационных табло и формирователей изображения на дискретных элементах (прямое изображение) одинаковы,
рассмотрим их вместе.
Основным критерием оценки целесообразности тех или иных
технических решений при реализации систем отображения информации на базе информационных табло являются, во-первых, надежность, во-вторых, стоимость. Существует несколько базовых
технологий, которые лежат в основе информационных табло.
Электромеханические табло, несмотря на свое широкое распространение, обладают низкой надежностью, плохо работают на морозе, капризны в эксплуатации, а также не позволяют отображать
быстро меняющуюся информацию. Принцип их работы основан на
механическом перемещении деталей или фрагментов, формирующих информационное поле.
Табло, основанные на лампах накаливания, характеризуются
небольшим ресурсом, низким КПД и обладают большой инерционностью, что также не позволяет показывать на них высококачественную анимацию.
Табло, составленные на базе проекционных ЖК-панелей, CRTпанелей, плазменных, не читаются при прямом солнечном свете
и имеют визуально заметные стыки на границах секций.
82
Применение светодиодов в качестве светящихся элементов позволяет избавиться практически от всех указанных недостатков.
Табло, построенные на основе светодиодов, обладают оптимальным
соотношением «цена/надежность», а безынерционность светодиодов
позволяет создавать на их основе графические видеоэкраны больших размеров.
Электромеханическое табло
Оригинальное электромеханическое табло строится на основе
электромагнитных элементов с вращающейся шторкой, одна сторона которой покрыта световозвращающим составом. Единого названия этих элементов среди зарубежных производителей не существует. В России в 90-е гг. подобные элементы назывались блинкер
(англ. blink – мигать, закрывать глаза).
Рассмотрим устройство одного блинкера. Одна или две катушки
индуктивности перемагничивают сердечник в момент прохождения
импульса тока. Возникающее магнитное поле действует на шторку,
изготовленную из магнитотвердого сплава. Шторка может находиться в двух стабильных положениях (рис. 51). В первом положении для обозрения открывается одна сторона шторки, окрашенная
в цвет табло (обычно черный) и поглощающая свет. Во втором положении видна сторона, отражающая свет. Здесь используется краска – обычно желтая с добавлением флуоресцентных и люминесцирующих добавок.
Итак, шторки блинкеров возвращают падающий на них свет. Отсюда следует основная область применения устройств – работа в условиях большой освещенности. Но тут же становится понятен и основной недостаток блинкеров – малая видимость в темноте. Хочется
сказать, что современные материалы позволяют возвращать почти
100% падающего света, т. е. даже при малой освещенности (свет
уличных фонарей, рекламные огни и т. д.) изображение будет контрастным. Если же естественного освещения недостаточно, то можно
использовать подсветку, размещенную спереди, например, люминесцентную лампу.
В последнее время появились
блинкеры со встроенным светодиодом в каждый пиксел.
Схема управления включает Рис. 51. Внешний вид блинкера
83
подсветку только при наступлении темноты, что позволяет экономить энергию, потребляемую устройством.
Большинство производителей поставляют блинкеры в линейках
по 5 или по 7 пикселов со шторками размером 10, 15, 30 мм. Длина
линеек от 71 до 161 мм, форма и цвет шторок – в ассортименте.
Ламповые экраны
В ламповых экранах в качестве источника света используется
обычная автомобильная лампа накаливания мощностью 5 Вт. Каждая из таких ламп помещена в свою оптическую систему, подобно автомобильной фаре. Эта система состоит из отражателя и светофильтра. Отражатель фокусирует световой поток в строго определенном
направлении, а светофильтр окрашивает его в один из трех основных
цветов. Кроме того, каждый ряд точечных источников света прикрыт сверху небольшими козырьками, которые служат для защиты
излучающей поверхности экрана от попадания прямых солнечных
лучей. Все это в итоге повышает контрастность изображения.
Ламповые экраны имеют высокую яркость и широкий угол обзора. Но, к сожалению, это весьма энергоемкие конструкции (около
3,5 кВт/м2).
Недостатком ламповых экранов является и относительно невысокое разрешение. Дело в том, что при увеличении разрешения приходится сталкиваться с двумя серьезными ограничениями: близко
располагать лампы сложно из-за необходимости соблюдения температурного режима; при увеличении количества ламп возрастает
энергопотребление и соответственно требования к системе питания.
При этом цена за 1 м2 экрана приближается к светодиодным экранам, которые обладают существенно лучшим разрешением.
Опытным путем был определен оптимальный шаг между лампами 1,5 дюйма. Это позволяет создавать видеоэкраны неплохого разрешения, в то же время доступные по энергопотреблению. Но все же
более интересные и прогрессивные на сегодняшний день – это светодиодные экраны.
Светодиодные экраны
Еще совсем недавно они использовались в основном внутри помещений и не были полноцветными. Революция в наружных светодиодных экранах и электронных табло совершилась в 1990 г., когда
84
японский изобретатель Судзи Накамура, работавший в то время на
японскую корпорацию Nichia Chemical Industries, изобрел светодиод синего свечения.
Однако ожидаемых перемен на рынке большеэкранных систем,
когда казалось, что светодиод полностью вытеснит лампочку, не
произошло. Объяснялось все просто – высокой ценой на светодиоды
и, как следствие, на светодиодные экраны.
Светодиодные экраны по принципу построения делятся на два
типа – кластерные и матричные. В кластерных экранах каждый
пиксел, содержащий от трех до десятков светодиодов, объединен
в отдельном светоизолированном корпусе, который залит герметизирующим компаундом. Такой конструктивный элемент называется
кластером. Кластеры (рис. 52), образующие информационное поле
экрана, закреплены при помощи винтов на лицевой поверхности экрана. От каждого кластера отходит жгут проводов к соответствующей управляющей плате, к которой они подключаются посредством
электрических разъемов. Такой способ построения светодиодных
экранов постепенно отмирает, уступая место более технологичному
матричному принципу. В этом случае кластеры и управляющая
плата объединены в одно целое – матрицу, т. е. на управляющей
плате смонтированы и светодиоды и коммутирующая электроника.
Количество светодиодов, составляющих пиксел, может колебаться
от трех до нескольких десятков. А распределение количества светодиодов по цветам в пикселе изменяется от типа используемых светодиодов в интересах соблюдения «баланса белого».
При построении экранов очень важны такие параметры как диаграмма направленности и неравномерность поля экрана. Исходя из
конструктивных различий эти параметры особенно важны для светодиодных экранов. В отличие от лампы накаливания, имеющей
практически сферическую диаграмму направленности, светодиоды
имеют достаточно узкую диаграмму, которая образуется при помощи небольшого рефлектора, на котором установлен сам кристалл и формы колбы светодиода. Поэтому в светодиодных экранах диаграмма направленности формируется каждым светодиодом. И для того чтобы диаграмма
направленности всего экрана была одинакова по всем цветам, необходимо использовать
светодиоды разных цветов с близкими диаграммами направленности, иначе, при взгля- Рис. 52. Светодиодный
кластер
де под разными углами к нормали экрана
85
цветообразование на различных участках изображения будет отличаться, что приведет к паразитным цветовым пятнам. Помимо этого, важно, чтобы все светодиоды при монтаже были сориентированы одинаково по углу наклона и углу поворота вокруг своей оси (для
светодиодов овальной формы). Если это требование не будет строго
выдержано, то на поле экрана возникнут отдельные точки, отличающиеся по яркости от общего фона.
Электролюминесцентные панели
Высокое качество изображения обеспечивают матричные электролюминесцентные панели, состоящие из большого числа люминесцентных ячеек, например панели типа Jumbotron фирмы Sопу,
имеющие самые большие размеры – до 25×40 м. Светоизлучающими элементами этих экранов являются люминесцентные ячейки,
каждая из которых содержит триады вертикальных прямоугольных люминофорных полосок трех основных цветов R, G, В, излучающих свет под действием потока электронов из встроенных катодов.
Для управления яркостью свечения в ячейках применяется широтно-импульсная модуляция. В зависимости от размеров экрана
используются ячейки разных размеров. Экраны Jumbotron потребляют небольшую электрическую мощность, имеют очень высокую
яркость и большой срок службы (примерно 8000 ч), но они обеспечивают относительно небольшую четкость. Широтно-импульсная модуляция позволяет при 8 битах получить 256 градаций яркости,
а малая инерционность ячеек – увеличить частоту обновления информации до 120 полей/с, что предотвращает мелькание даже при
очень высоких величинах яркости (до 4000 кд/м2). Ячейки могут
иметь дополнительное управление для выбора общей средней яркости изображения в зависимости от внешней освещенности, что позволяет даже при внешней освещенности до 10 000 лк обеспечить
достаточно контрастное изображение.
Экраны с такими ячейками могут применяться в парках, на
стадионах, площадях, выставках, в конференц-залах, на вокзалах,
в аэропортах, фойе гостиниц, на стенах зданий и т. д. Путем специального электронного управления можно показывать на одном
большом экране несколько отдельных изображений (полиэкранный
метод) или изображение совместно с буквенно-графической информацией.
86
Многоэкранные видеопанели
В качестве многоэкранной видеопанели может выступать система из многих (до 100 шт.) экранов телевизоров (видеомониторов),
составленных вместе, – многокинескопные (многоэкранные) видеопанели.
При воспроизведении одного «большого» изображения лучи всех
кинескопов панели отклоняются синхронно, а видеосигналы для
модуляции этих лучей соответственно фрагменту общего изображения вырабатываются цифровым процессором на основе кадровых
запоминающих устройств.
Кроме такого режима работы предусматривается обычно и полиэкранный режим, когда каждый кинескоп показывает одно и то же
«размноженное» изображение.
Недостаток таких панелей – заметность мест стыковки отдельных экранов. В этом отношении лучшие результаты дает использование плазменных панелей в качестве экранов.
Разработка плазменных экранов коллективного пользования началась во времена СССР. Именно тогда, в 80-х гг. была разработана
технология наборного плазменного экрана. Особенность данной технологии в том, что экран изготавливается не из цельной панели,
а составляется из плазменных «черепиц». На данный момент подобной технологией обладают только российские разработчики.
Плазменные экраны коллективного пользования представляют собой наборную конструкцию, состоящую из отдельных газоразрядных панелей с типовым размером примерно 200×200 мм
(рис. 53), и обычно содержат около сотни панелей. Такой модульный подход позволяет создавать экраны произвольных размеров,
а также намного улучшает ремонтопригодность экрана в целом.
Плазменные экраны имеют много достоинств, к которым можно
отнести:
• малую толщину (не превышает
10 см);
• большой угол обзора (более 160°);
• отсутствие геометрических искажений изображения;
• широкий температурный диапазон окружающей атмосферы;
• отсутствие необходимости в юстировке изображения;
• механическую прочность.
Рис. 53. Плазменный экран
87
Эти достоинства сделали плазменные экраны незаменимыми
в ряде применений. Существует большое разнообразие плазменных
панелей, отличающихся как конструктивным исполнением плазменных ячеек, так и способом управления газовым разрядом в этих
ячейках.
88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном пособии были рассмотрены только основные технологии производства ЖК-дисплеев, и многое осталось за его рамками.
Мир жидкокристаллических панелей находится на стыке сразу нескольких наук: химии, физики твердого тела и физики жидкостей,
кристаллографии. Богатство компонентов обуславливает разнообразие решений. Отрасль плоскопанельных мониторов бурно развивается, и уследить за появлением новых технологий, модификацией
существующих и исчезновением устаревших можно, только постоянно просматривая специализированную литературу.
89
Рекомендуемая литература
1. Беляков В. А. Жидкие кристаллы. М.: Знание, 1986. 160 с.
2. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. М.: Мир, 1977.
3. Быстров Ю. А., Литвак И. И., Персианов Г. М. Электронные
приборы для отображения информации. М.: Радио и связь, 1985.
240 с.
4. Жданкин В. К. Обзор средств отображения информации фирмы IEE // Современные технологии автоматизации. 2005. № 1. С. 6–
14.
5. Беляев В., Брежнев В. Жидкокристаллические дисплеи // Электронные компоненты. 2002. № 1. С. 14–19.
6. Воронов А. А., Дедов В. П. Принципы построения и проблемы
совершенствования плазменных дисплеев // Оптический журнал.
1999. Т. 66. № 6.
7. Ламанов А., Ламанов М., Шешин Е., Щука А. Экраны на основе автоэлектронной эмиссии – перспективные устройства отображения информации. www.сhip news.ru
8. Давиденко Ю. Высокоэффективные современные светодиоды // Современная электроника. 2004. № 10. С. 36–43.
9. Гаврилюк Д. Перспективные технологии тонких дисплеев //
Современная электроника. 2005. № 2. С. 10–15.
10. Жданкин В. К. Жидкокристаллические дисплеи Sharp для
примышленных и специальных применений //Современные технологии автоматизации. 2005. № 1. С. 16–22; № 2. С. 14–20.
11. Жданкин В. К. Передовые технологии фирмы Sharp в изготовлении ЖК-дисплеев для различных применений // Современная
электроника. 2006. № 1. С. 14–19.
12. Митилино С. Обзор технологий дисплеев на жидких кристаллах // Компьютерное обозрение. 2000. № 11.
13. Самарин А. Современные технологии дисплеев объемного
изображения // Современная электроника. 2005. № 2. С. 16–20.
14. Самохин В., Ивин Л. Мультимедийные проекторы // Информационно-технический журнал 625. 2000. № 2. С. 5–16.
15. Асмаков С. Мультимедиа-проекторы EPSON // Компьютер
пресс. 2002. Декабрь. С. 147–153.
16. Асмаков С., Леонов В., Пахомов С. Тестирование портативных
мультимедиа-проекторов // Компьютер пресс. 2002. Апрель. С. 114–
123.
90
Учебное издание
Смирнов Виктор Михайлович
УСТРОЙСТВА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Учебное пособие
Редактор А. Г. Ларионова
Верстальщик С. В. Барашкова
Сдано в набор 16.03.07. Подписано в печать 04.06.07. Формат 60  84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 5,3. Уч.-изд. л. 5,8.
Тираж 100 экз. Заказ №
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
20
Размер файла
1 142 Кб
Теги
posobie, smirnova, ustr, otobrazh, uchet, inform
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа