close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Ziatdinov2

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ
LCD МОНИТОР
Методические указания
к выполнению лабораторной работы
Санкт-Петербург
2018
Составитель – С. И. Зиатдинов
Рецензент – старший преподаватель Т. В. Семененко
Содержат описание лабораторной работы по дисциплине «Технические средства в дизайне». Изучается устройство и работа жидкокристаллического монитора, основанная на поляризации света.
Предназначены для студентов информационных специальностей.
Подготовлены кафедрой информационно-сетевых технологий
и рекомендованы редакционно-издательским советом университета.
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка Ю. В. Умницына
Подписано к печати 25.06.18. Формат 60 × 84 1/16.
Усл. печ. л. 0,8. Тираж 50 экз. Заказ № 297.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2018
Лабораторная работа
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ LCD МОНИТОР
Цель работы: изучение устройства, характеристик и работы
жидкокристаллических LCD мониторов. Исследование поляризации света.
1. Общие сведения о поляризации света
и ЖК-мониторах
Мониторы на ЖК-панелях являются в настоящее время самыми
распространенными электронными средствами отображения визуальной информации как в портативных компьютерах (ноутбуках),
мобильных телефонах, так и в настольных компьютерах.
В основе принципа работы ЖК мониторов лежит использование
поляризации света.
Свет в данном случае рассматривается как электромагнитная
волна, которая представляет собой распространяющиеся в пространстве (среде) электрическое и магнитное поля. При этом векторы напряженности электрического и магнитного поля находятся
во взаимноперпендикулярных плоскостях. Плоскость, в которой
расположены векторы напряженности, сама перпендикулярна направлению распространения электромагнитной волны (рис. 1).
На рис. 1 Е и Н – векторы напряженности электрического и магнитного полей соответственно; Р – вектор, определяющий направление распространения электромагнитной волны. При этом поляризация электромагнитной волны определяется положением вектором
напряженности электрического поля Е. Если вектор напряженности электрического поля Е лежит в вертикальной плоскости,
электромагнитная волна считается вертикально поляризованной.
В случае, когда вектор электрического поля Е лежит в горизонтальной плоскости, электромагнитная волна считается горизонтально поляризованной. И, наконец, если при распространении
3
Вектор напряженности
электрического поля
E
Вектор направления
распространения
электромагнитной волны
P
H
Вектор напряженности
магнитного поля
Рис. 1. Векторы напряженности магнитного поля
электромагнитной волны ее вектор Е вращается вокруг направления распространения, то электромагнитная волна имеет круговую
поляризацию.
Существует множество материалов, пропускающих свет только
с определенной поляризацией. Это так называемые поляризационные фильтры. Поляризационный фильтр, например, пропускает
практически беспрепятственно свет с вертикальной поляризацией, а с горизонтальной поляризацией полностью задерживает. При
промежуточных значениях поляризации свет задерживается только частично. Таким образом, хотя человеческий глаз не способен
отличать состояние поляризации света, но, управляя ею, можно
обеспечить формирование элементов изображение. Роль управляющих элементов лучше всего выполняют жидкие кристаллы. Это
прозрачный материал, имеющий кристаллическую структуру.
При приложении к жидким кристаллам электрического поля они
способны изменять свою ориентацию в пространстве, заодно изменяя и угол поляризации практически беспрепятственно проходящего через них света.
Непосредственное управление жидкими кристаллами осуществляется сеткой вертикальных и горизонтальных электродов, в которой при подаче напряжения на вертикальный и горизонтальный
проводники, находящийся на их пересечении жидкий кристалл
изменяет свою ориентацию поляризации света в конкретной точке
экрана (пикселе). ЖК-мониторы представляют собой многослойный «сэндвич» (рис. 2).
4
Фильтр красного цвета
Фильтр зеленого цвета
Фильтр синего цвета
Горизонтальная линия
данных
Вертикальная
линия данных
Световой поток
Рссеиватель
Первый поляризационный фильтр
Управляемый прозрачный электрод
Жидкие кристаллы
Общий прозрачный электрод
Светофильтры
Второй поляризационный фильтр
Экран
Рис. 2. Жидкокристаллический монитор
Световой поток от ламп подсветки проходит через рассеиватель,
призванный обеспечить равномерную засветку всего экрана. Далее, проходя через первый поляризационный фильтр, свет приобретает определенную поляризацию. Минуя стеклянную подложку
с нанесенными на нее прозрачными электродами (горизонтальные
и вертикальные линии данных, управляющие напряжением на
прозрачном электроде), свет проходит через слой жидких кристаллов. Далее следует общий прозрачный электрод. В зависимости от
того, какое напряжение приложено между двумя прозрачными
электродами (общим и управляющим), жидкие кристаллы изменяют поляризацию света на определенный угол (чем больше управляющее напряжение, тем меньше угол поворота поляризации). Соответственно, второй поляризационный фильтр, расположенный
5
за общим прозрачным электродом, пропустит только часть света,
формируя изображения пикселя той или иной яркости.
Для того, чтобы получить цветное изображение, между общим
прозрачным электродом и вторым поляризационным фильтром помещают цветные светофильтры трех основных цветов. В этом случае один пиксел цветного изображения формируется с помощью
трех управляемых электродов, расположенных рядом.
Рассмотрим более подробно, как происходят изменения поляризации света. Жидкие кристаллы имеют ярко выраженную продолговатую форму (именно за счет нее они могут изменять поляризацию света) и при отсутствии внешних воздействий «стараются»
выстроиться рядами. Если на электрод нанести параллельные бороздки, то, попадая в них, близлежащий слой жидких кристаллов
будет вынужден придерживаться заданной ориентации. Вслед за
ним ориентацию изменят и все остальные слои жидких кристалла.
Более интересная ситуация наблюдается, если бороздки на общем и
управляющем электродах расположены перпендикулярно.
Жидкие кристаллы из близлежащих к электродам слоев примут
перпендикулярную друг другу ориентацию, а остальные кристаллы, расположенные в толще, будут постепенно изменять угол своей
ориентации, образуя своеобразную спираль. Таким образом, при
отсутствии управляющих напряжений слой жидких кристаллов
изменит поляризацию света на 90°. Расположив поляризационные
фильтры под углом 90° друг к другу, можно обеспечить прохождение света при отсутствии внешних электрических воздействий на
электроды (свечение пикселя).
Если же приложить определенное напряжение к электродам, то
ориентация кристаллов изменится: они выстроятся рядами. При
этом свет будет проходить через слой жидких кристаллов, сохраняя начальную поляризацию, и, как следствие, будет полностью
задержан вторым поляризационным фильтром (пиксель не светится). При меньших значениях напряжения будет устанавливаться
промежуточное состояние: поляризация будет изменяться на угол,
больший 0°, но меньший 90°.
Соответственно, чем большее напряжение приложено к электродам, тем меньше изменение угла поляризации и тем больше света
задерживается вторым поляризационным фильтром (промежуточные значения яркости пикселей).
Следует отметить, что у LCD – мониторов полностью отсутствует вредное рентгеновское излучение, а уровень электромагнитного
излучения на несколько порядков ниже, чем у CRT – мониторов.
6
Поскольку каждый пиксель изображения светится постоянно, то
отсутствует мерцание изображения. Поэтому для комфортной работы за LCD – монитором требуется гораздо более низкая частота
кадровой развертки – всего 65 Гц.
Характеристики LCD-мониторов:
Угол обзора. У недорогих LCD-панелей угол обзора часто ограничен зоной прямо перед экраном, а уже под небольшим углом изображение теряет естественные цвета. Последние модели LCD – мониторов практически лишены этого недостатка.
Интерфейс. С началом выпуска LCD-мониторов получил распространение цифровой DVI-интерфейс, который более предпочтителен в данном случае, поскольку исключает преобразование цифрового сигнала в аналоговый и обратно (как это происходит при стандартном VGA-подключении), при котором чаще всего происходит
некоторая потеря качества изображения.
Количество цветов. Современный LCD-монитор должен уметь
отображать 24-битный цвет. В ранних моделях использовался
18-битный цвет (примерно 262000 цветов), что приемлемо для
бюджетного решения, но не даст насладиться полноцветной картинкой. Использование DVI-интерфейса исключает эту проблему,
поскольку изображение полностью передается «в цифре», без использования недорогих 18-битных VGA-конвертеров, портящих
картинку.
Время отклика. Важная характеристика, говорящая о том,
с какой скоростью монитор сможет переключать состояние пикселей с белого на черное и обратно. Для офисных приложений это,
в общем-то, не важно, но на качественных мониторах картинка
может «смазываться» настолько, что смотреть динамичное видео
становится просто невозможно. Хорошим можно считать время отклика 25 мс и ниже.
Контрастность и яркость. По яркости изображения LCDмониторы заметно выигрывают у обычных мониторов, а вот по
контрастности, пока что, впереди все же электронные трубки.
Проблема в том, что для получения черного цвета используется
эффект поляризации, и черный цвет черен настолько, насколько
заблокирован свет от лампы. Недостаток контрастности приводит
к тому, что близкие оттенки цветов сливаются в один, особенно
темные тона. Приемлемая контрастность – 300:1 и выше, яркость –
от 200 кд/м2.
7
Матрицы LCD-мониторов
Матрица – важнейшая часть LCD-монитора, целиком и полностью определяющая качество его изображения. Современные мониторы имеют матрицы трех основных типов:
Матрица TN+film(Twisted Nematic+film)
Часть “film” в названии технологии означает дополнительный
слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно –
от 90° до 150°). К сожалению, способ увеличения контрастности и
уменьшения времени отклика для панелей TN пока не найден, и
эти показатели у матриц TN оставляют желать лучшего. TN+film –
самая простая технология. Она используется уже довольно давно
и применена в большинстве проданных в последние несколько лет
мониторов. Первоначально технология TN+film, предназначалась
для создания панелей начального уровня. Мониторы, основанные
на этой технологии относятся к разряду недорогих.
Матрица TN+film работает следующим образом: если к подпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризационный свет, который они пропускают) поворачиваются друг
относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И, так как направление поляризации фильтра на второй пластине составляет угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит чеСветовой поток
Поляризатор
Стеклянная пластина
Поляризатор
Стеклянная пластина
Молекулы
жидких
кристаллов
Стеклянная пластина
Поляризатор
Белый пиксель
Электроды
Стеклянная пластина
Поляризатор
Черный пиксель
Рис. 3. Матрица TN-film
8
рез него. Если желтые, зеленые и голубые подпиксели полностью
освещены, то на экране образуется белая точка (рис. 3,а).
При приложении напряжения, в нашем случае направленного вертикально, оно разрушает винтовую структуру кристаллов. Молекулы
постараются выровняться в направлении электрического поля. Они
выстроятся перпендикулярно направлению поляризации второго
фильтра, и поляризованный падающий свет не достигнет подпикселей. В результате на экране образуется черная точка (рис. 3,б).
Недостатки технологии TN+film заключаются в том, что выровнять жидкие кристаллы строго перпендикулярно поляризационному фильтру довольно сложно. В результате практически невозможно
добиться идеального отображения черного цвета. Кроме того, время
отклика и качество отображения цветов относительно невысокие.
Матрица IPS (In-Plane Switching)
Технология IPS (In-Plane Switching) была разработана компаниями Hitachi и NEC и предназначалась для избавления недостатков
TN+film. Однако, хотя с помощью IPS удалось добиться увеличения угла обзора до 170° , от остальных недостатков избавиться не
удалось. Время отклика и качество отображения цветов остались
на посредственном уровне. Вид матрицы показан на рис. 4.
Если к матрице не приложено напряжение, то молекулы жидких кристаллов не поворачиваются. Второй фильтр всегда повернут перпендикулярно первому, и свет через него не проходит. ОтоСветовой поток
Поляризатор
Стеклянная пластина
Поляризатор
Стеклянная пластина
Молекулы
жидких
кристаллов
Электроды
Стеклянная пластина
Поляризатор
Стеклянная пластина
Поляризатор
Черный пиксель
Белый пиксель
Рис. 4. Матрицы IPS
9
бражение черного цвета является идеальным (рис.4,а). При выходе
из строя транзистора «битый» пиксель для панели IPS будет не белым, как для матрицы TN, а черным.
При приложении напряжения молекулы жидких кристаллов
поворачиваются перпендикулярно своему начальному положению,
и свет проходит через второй поляризационный фильтр (рис. 4,б).
Недостатком матрицы IPS является тот факт, что приложение напряжения с помощью двух электродов ведет к высокому потреблению
энергии и, что еще хуже, требует значительного времени. Поэтому
время отклика матриц IPS, как правило, больше, чем у матриц TN.
Матрица MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)
В некоторых мониторах используются матрицы MVA. Эта технология разработана компанией Fujitsu и теоретически является
оптимальным компромиссом практически во всех областях. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160°, время отклика примерно в 2 раза меньше, чем для матриц IPS и старых TN, а цвета отображаются гораздо более точно.
К сожалению, теоретические преимущества этой технологии не реализовались на практике.
MVA стала наследницей технологии VA, представленной компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном
напряжении выровнены параллельно по отношению ко второму
фильтру, т. е. второй фильтр пропускает свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется черная точка.
Достоинствами технологии VA являются небольшое время реакции, глубокий белый цвет и отсутствие винтовой структуры кристаллов.
Сравнительные характеристики LCD технологий представлены
в следующей таблице.
Технологии
TN+film
IPS
MVA
Параметр
Яркость (усл. ед.)
1
3
2
Контрастность
200:1
500:1
1400:1
Цветопередача
4–6 бит/канал
10–12 бит/канал 8–10 бит/канал
Угол обзора
140°
178°
160°
Время отклика, мс
6–8
16–20
4–6
Цена
<250 $
>400 $
200–500 $
10
Из представленных характеристик LCD технологий видно, что
время переключения имеет два значения. Большее время соответствует изменению яркости изображению от уровня черного к уровню белого. Меньшее время переключения соответствует переходу
изображения от белого уровня к черному.
2. Описание лабораторного макета
На рис. 5 представлена схема лабораторного макета для исследования поляризации света.
В состав устройства входят источник белого света в виде лампы
накаливания, два поляризационных фильтра и измерительный
датчик силы света. Конструктивно предусмотрена возможность поИсточник света
Поворот фильтра
Измерительный
датчик
Первый поляризационный
фильтр
Второй поляризационный
фильтр
Рис. 5. Схема лабораторного макета
ворота одного поляризационного фильтра относительно другого.
Вся конструкция размещена в корпусе (пластмассовой трубе).
Поворотом одного поляризационного фильтра относительно
другого осуществляется изменение поляризации фильтров в пределах от 0 до 90 градусов. Изменение силы света после второго поляризационного фильтра осуществляется измерительным датчиком.
11
3. Порядок выполнения лабораторной работы
3.1. С разрешения преподавателя включить лабораторный макет в электрическую сеть.
3.2. Снять с корпуса измерительный датчик и, вращая один поляризационный фильтр относительно в пределах от 0 до 90 градусов относительно другого, наблюдать изменения силы светового
потока.
3.3. Установить на корпус измерительный датчик. Вращая
с шагом 20 градусов один поляризационный фильтр относительно
другого в пределах от 0 до 90 градусов, фиксировать показания измерительного датчика силы светового потока. Результаты измерений необходимо занести в таблицу
Угол поворота фильтра, град
0
20
40
60
80
90
Показания датчика, В
4. Содержание отчета
3.1. Титульный лист.
3.2. Цель исследований.
3.3. Схема лабораторного макета.
3.3. Таблица с результатами исследований.
3.4. График зависимости силы света от угла взаимного поворота
поляризационных фильтров.
5. Контрольные вопросы
1. Устройство ЖК-мониторов.
2. Понятие поляризации света.
3. Принцип действия ЖК-мониторов.
4. Характеристики ЖК-мониторов.
5. Матрицы ЖК-мониторов.
6. Устройство лабораторного макета.
6. Объяснить результаты исследований.
12
ЛИТЕРАТУРА
1. Смирнов В. М. Устройства отображения информации: учеб.
пособие. СПб.: ГУАП. СПб., 2007. 90 с.
2. Зиатдинов С. И. Технические средства в дизайне: учеб. пособие. СПб.: ГУАП, 2017. 75 с.
13
Содержание
Лабораторная работа. Жидкокристаллический LCD монитор.......... 3
1. Общие сведения о поляризации света и ЖК-мониторах.......... 3
2. Описание лабораторного макета......................................... 11
3. Порядок выполнения лабораторной работы.......................... 12
4. Содержание отчета........................................................... 12
5. Контрольные вопросы....................................................... 12
Литература.............................................................................. 13
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 294 Кб
Теги
ziatdinov2
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа