Жидкие кристаллы. 
Как работает LCD

Жидкие кристаллы. Как работает LCD

Я выбрал тему про жидкие кристаллы и LCD, так как эти технологии используются как в повседневном быту, так и в сфере науки. Моя задача состоит в том, что бы понять как работают данные технологии, показать их плюсы и минусы, какие физические явления лежат в основе, что нового открыл данный раздел для оптической науки, преимущества в практических применениях

1. Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы (сокращённо ЖК) — это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или доскообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

Текучесть — свойство пластичных металлов и тел при постепенном увеличении давления уступать действию сдвигающих сил и течь подобно вязким жидкостям. Текучесть является свойством, обратным вязкости. Обычно текучесть обозначается символом ц = 1 / м или F = 1 / м.

Понятие текучести может быть использовано при определении вязкости идеального раствора. Для двух составляющих раствора и текучесть может быть определена по формуле / которая немного проще, чем соответствующая формула для определения вязкости раствора:

Где чa и чb — это мольные доли составляющих a и b соответственно, мa и мb — вязкости составляющих.

Анизотропимя — неодинаковость свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) по различным направлениям внутри этой среды; в противоположность изотропии.

В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.

Нематические жидкие кристаллы или нематики — оптически одноосные жидкие кристаллы, имеют дальний ориентационный порядок, свободны в перемещении.

Смектики — наиболее упорядоченные 2-х мерные кристаллы. Имеют слоистую структуру, в отличие от нематиков и холестериков.

Бывают нескольких типов:

А — с двойными слоями;

C — длинные оси молекул, относительно слоя, находятся под неким углом;

В — структурными слоями.

Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является терефтал-бис (nара-бутиланилин)

2. История открытия жидких кристаллов

Жидкие кристаллы открыл в 1888 году австрийский ботаник Ф. Рейнитцер. Он обратил внимание, что у кристаллов холестерилбензоата и холестерилацетата было две точки плавления и, соответственно, два разных жидких состояния — мутное и прозрачное. Однако, учёные не обратили особого внимания на необычные свойства этих жидкостей. Долгое время физики и химики в принципе не признавали жидких кристаллов, потому что их существование разрушало теорию о трёх состояниях вещества: твёрдом, жидком и газообразном. Учёные относили жидкие кристаллы то к коллоидным растворам, то к эмульсиям. Научное доказательство было предоставлено профессором университета Карлсруэ Отто Леманном (нем. Otto Lehmann) после многолетних исследований, но даже после появления в 1904 году написанной им книги «Жидкие кристаллы» открытию не нашлось применения.

В 1940 году Виктор Николаевич Цветков сформулировал фундаментальные представления современной физики жидких кристаллов, лежащие в основе применения мезоморфных жидкостей в технике. В. H. Цветков объяснил природу ориентирующего воздействия электромагнитных полей на жидкокристаллические образцы, связанную с их диэлектрической и диамагнитной анизотропией; разработал теоретические и экспериментальные методы изучения упругих деформаций нематических слоев в электромагнитных полях. В. Н. Цветков открыл и объяснил явление динамического рассеивания света в жидких кристаллах, связанное с анизотропией их электропроводящих, диэлектрических и вязкостных свойств. Оригинальный метод вращающегося магнитного поля позволил впервые определить вращательную вязкость нематика и исследовать времена макроскопической переориентации жидкокристаллических веществ, что имело принципиально важное значение для понимания динамических свойств мезофаз. Систематические исследования позволили В. Н. Цветкову сформулировать общую теорию мезоморфного состояния и ввести меру дальнего ориентационного межмолекулярного порядка в жидких кристаллах, а также разработать экспериментальные методы определения этой важнейшей характеристики мезофазы.

В 1963 г. американец Дж. Фергюсон (англ. James Fergason) использовал важнейшее свойство жидких кристаллов — изменять цвет под воздействием температуры — для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей. После того, как ему выдали патент на изобретение (U.S. Patent 3 114 836), интерес к жидким кристаллам резко возрос.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея (англ. George William Gray) получила жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

3. Группы жидких кристаллов

По своим общим свойствам ЖК можно разделить на две большие группы:

термотропные ЖК, образующиеся в результате нагревания твердого вещества и существующие в определенном интервале температур и давлений.

лиотропные ЖК, которые представляют собой двухили более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей).

Эти стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи — по-гречески означает «с двух концов», филос — «любящий», «благорасположенный»). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.

Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется алифатический анион СН3 — (СН2) n-2-СО2? (где n ~ 12−20) и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО2? стремится к тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа (амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично для амфифилов.

Термотропные ЖК подразделяются на три больших класса:

1) Нематические жидкие кристаллы

2) Смектические жидкие кристаллы

3) Холестерические жидкие кристаллы

Про первые 2 я рассказывалось ранее, давайте рассмотрим 3 тип:

Холестерические жидкие кристаллы — образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). В качестве типичного холестерика можно назвать амил-пара — (4-цианобензилиденамино) — циннамат. Холестерики ярко окрашены, и малейшее изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, к изменению окраски ЖК.

В недавнее время открыты так называемые колончатые фазы, которые образуются только дискообразными молекулами, расположенными слоями друг на друге в виде многослойных колонн, с параллельными оптическими осями. Часто их называют «жидкими нитями», вдоль которых молекулы обладают трансляционными степенями свободы. Этот класс соединений был предсказан академиком Л. Д. Ландау, а открыт лишь 1977 Чандрасекаром. Схематично характер упорядоченности жидких кристаллов названных типов представлен на рисунке.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики — оптически одноосные кристаллы. Холестерики, вследствие периодического строения, сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.

Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

Характеристики многих электрооптических устройств, работающих на лиотропных ЖК, определяются анизотропией их электропроводности, которая, в свою очередь, связана с анизотропией электронной поляризуемости. Для некоторых веществ вследствие анизотропии свойств ЖК удельная электропроводность изменяет свой знак. Например, для н-октилоксибензойной кислоты она проходит через ноль при температуре 146 °C, и связывают это со структурными особенностями мезофазы и с поляризуемостью молекул. Ориентация молекул нематической фазы, как правило, совпадает с направлением наибольшей проводимости.

Все формы жизни так или иначе связаны с деятельностью живой клетки, многие структурные звенья которой похожи на структуру жидких кристаллов. Обладая замечательными диэлектрическими свойствами, ЖК образуют внутриклеточные гетерогенные поверхности, они регулируют взаимоотношения между клеткой и внешней средой, а также между отдельными клетками и тканями, сообщают необходимую инертность составным частям клетки, защищая ее от ферментативного влияния. Таким образом, установление закономерностей поведения ЖК открывает новые перспективы в развитии молекулярной биологии.

Одно из важных направлений использования жидких кристаллов — термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы — сильно нагретые или холодные, неработающие — сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают парым вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гаммаи ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.

Тонкие пленки жидких кристаллов, заключенные между стеклами или листками пластмассы, нашли широкое применение в качестве индикаторных устройств (прикладывая низковольтные электрические поля к разным частям соответствующим образом выбранной пленки, можно получать видимые глазом фигуры, образованные, например, прозрачными и непрозрачными участками). Жидкие кристаллы широко применяются в производстве наручных часов и небольших калькуляторов. Создаются плоские телевизоры с тонким жидкокристаллическим экраном. Сравнительно недавно было получено углеродное и полимерное волокно на основе жидкокристаллических матриц.

Сегментный и точечный ЖК-дисплей

Обзор TFT

Плоскопанельные TFT-дисплеи имеют два существенных недостатка по сравнению с обычными ЭЛТ-мониторами:

LCD-Liquid-crystal display. — Жидкокристаллический дисплей

История

В 70-х годах ХХ столетия компанией Radio Corporation of America был впервые представлен жидкокристаллический монохромный экран. Эффект жидкокристаллических дисплеев начал использоваться в электронных часах, калькуляторах, измерительных приборах. Потом стали появляться матричные дисплеи, воспроизводящие черно-белое изображение. В 1987 году компания Sharp разработала первый цветной жидкокристаллический дисплей диагональю 3 дюйма.

Гигантский скачок в развитии этой технологии произошел с появлением первых ноутбуков. Сначала матрицы были черно-белыми, потом цветными, но только «пассивного» типа. Они довольно сносно отображали статические изображения и рабочий стол ноутбука, но при малейшем движении «картинка» превращалась в сплошную мазню — на экране невозможно было что-либо разобрать. Естественно, это ограничивало сферы использования нового типа дисплеев. Дальнейшая эволюция жидкокристаллических матриц привела к созданию нового их типа — «активного». Такие дисплеи уже лучше справлялись с отображением на экране движущих объектов, и это способствовало появлению стационарных мониторов. В начале ХХI столетия появились первые ЖК телевизоры. Диагональ их была еще маленькой — около 15 дюймов.

Технические характеристики

Тип матрицы — технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.

Класс матрицы — по ISO 13 406−2 подразделяются на четыре класса.

Разрешение — горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях. В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией. (ЭЛТ-мониторы также имеют фиксированное количество пикселей, которые также состоят из красных, зеленых и синих точек. Однако из-за особенностей технологии при выводе нестандартного разрешения в интерполяции нет необходимости).

Размер точки (размер пикселя) — расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.

Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) — отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15ч10), 8:5 (16ч10), 5:3 (15ч9), 16:9 и др.)

Видимая диагональ — размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.

Контрастность — отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.

Яркость — количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.

Время отклика — минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:

Время буферизации (input lag). Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. Сейчас (2011) в пределах 20−50 мс; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс.

Время переключения — именно оно указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 2−6 мс.

Угол обзора — угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в тех. параметрах своих мониторов углы обзора такие к примеру как: CR 5:1 — 176/176°, CR 10:1 — 170/160°. Аббревиатура CR (contrast ratio) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно перпендикуляра к экрану. При углах обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже чем 10:1, при углах обзора 176°/176° - не ниже чем до значения 5:1.

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS (SFT, PLS) и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода. Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённого в конкретных разработках.

Если посмотреть на TFT-дисплей со стороны, под некоторым углом, то можно явно заметить существенную потерю яркости и характерное изменение цветов дисплея. Более старые модели плоскопанельных дисплеев в основном имеют угол зрения, равный 90°, т. е. 45° с каждой стороны. Если на экран смотрит только один человек, проблем не возникает. Но как только появляется второй пользователь, например, ваш друг, которому вы хотите показать что-либо на экране, или второй игрок в компьютерной игре — вам не придётся долго ждать замечаний по поводу плохого качества дисплея.

Быстрые изменения изображения на экране, которые часто имеют место при воспроизведении видеороликов или в играх, требуют такой производительности, которая оказывается слишком большой для жидкокристаллических технологий, используемых на сегодняшний день. Существенное время реакции пикселя приводит к искажениям и появлению характерных полосок на изображении.

TN+Film

С технической точки зрения решение TN+Film является наиболее простым для реализации. Производители плоскопанельных дисплеев используют относительно старую технологию TFT (Twisted Nematic). Специальная плёнка наносится на верхнюю поверхность панели, при этом угол обзора по горизонтали увеличивается от 90° до 140°. Однако плохая контрастность и низкое время реакции остаются неизменными. Метод TN+Film не является наилучшим решением.

IPS (In-Plane Switching или Super-TFT)

При подаче напряжения молекулы выравниваются параллельно подложке.

IPS или 'In-Plane Switching' изначально была разработана фирмой Hitachi, однако такие фирмы, как NEC и Nokia в настоящее время также используют данную технологию.

Различие по отношению к обычным ЖК-дисплеям (TN или TN+Film) состоит в том, что молекулы жидких кристаллов выравниваются параллельно подложке.

Эта технология позволяет достичь прекрасных значений угла обзора — до 170°, примерно таких же, как у ЭЛТ-мониторов. Однако эта технология также имеет недостаток: из-за параллельного выравнивания жидких кристаллов электроды могут не разместиться на стеклянных поверхностях, как в случае с ЖК-дисплеями с закрученными кристаллами. Вместо этого они должны быть выполнены в виде гребёнки на нижней стеклянной поверхности. Это в конце концов приводит к снижению контрастности и тогда требуется более интенсивная подсветка для увеличения яркости до требуемого уровня. Время реакции и контрастность вряд ли могут быть увеличены по сравнению с обычными TFT-дисплеями.

MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)

Технология MVA фирмы Fujitsu. С технической точки зрения это наилучший компромисс для получения широких углов обзора и малого времени реакции.

Компания Fujitsu нашла идеальный компромисс. Технология MVA позволяет достичь углов зрения до 160° - достаточно хороший показатель — а также высоких значений контрастности и малого времени реакции пикселя.

Основы технологии MVA.

Буква M в MVA означает «Мulti-domains» — «многодоменный». Домен — это совокупность молекул. На рис. 3 показано несколько доменов, которые формируются при помощи электродов. Компания Fujitsu в настоящее время производит дисплеи, в которых каждая цветовая ячейка содержит до четырёх доменов.

VA означают «Vertical Alignment» — «Вертикальное Выравнивание» — это термин, который немного неверен, т.к. молекулы жидких кристаллов (в статическом состоянии) не полностью вертикально выравнены из-за наличия бугоркообразных электродов (см. рисунок, состояние «Off», т. е. тёмное изображение). При приложении напряжения и образования электрического поля кристаллы выравниваются по горизонтали, и свет от подсветки при этом может проходить сквозь различные слои. Технология MVA позволяет достичь более малых значений времени реакции, чем технологии IPS и TN+Film, что является важным фактором для воспроизведения видеоизображений и игр. Контрастность обычно получается лучше, однако она может несколько меняться в зависимости от угла зрения.

Сравнение различных технологий улучшения угла обзора Технология MVA обеспечивает улучшенное время реакции и хорошие значения угла обзора, однако рыночная доля технологии Fujitsu до сих пор достаточно мала.

Решение TN+Film не обеспечивает значительных улучшений такого показателя как время реакции пиксела. При этом такие системы недороги, позволяют обеспечить достаточный производственный уровень и увеличить угол обзора до приемлемых значений. Доля рынка таких дисплеев со временем должна уменьшиться.

IPS уже завоевали значительную долю рынка, т.к. их производят несколько компаний, например Hitachi и NEC, которые поддерживают данную технологию. Решающими факторами успеха этих дисплеев является высокое значение угла зрения (до 170°) и приемлемое время реакции.

С технической точки зрения, технология MVA является наилучшим решением. Углы зрения до 160° - это почти такой же хороший показатель, как у ЭЛТ-мониторов. Время реакции, равное примерно 20 мс, также подходит и для воспроизведения видео. Доля рынка таких дисплеев до сих пор мала, хотя она постепенно растёт.

Достоинства и недостатки TFT-матриц Достоинства и недостатки TFT-матриц Компоненты персонального компьютера совершенствуются уже почти два десятка лет, многие из них значительно увеличили свое быстродействие, уменьшили габариты и массу, стали дешевле. И только монитор, основное средство вывода результатов работы компьютера, за эти годы принципиально не изменился — он все такой же тяжелый и громоздкий, а все достижения технологии привели только к увеличению его размеров (хотя, конечно, он стал безопаснее для здоровья и показывает более качественную картинку, чем двадцатилетней давности предки).

Вы думаете, конструкторов не занимала мысль о том, как уменьшить габариты и массу монитора? Занимала, и еще как — следствием этого стало появление укороченных трубок и даже трубок с боковым расположением электронной пушки (в мониторах, увы, не прижившихся из-за значительных геометрических искажений, но зато применяющихся в некоторых TV-приемниках), а также разработка альтернативных технологий — плазменных, светодиодных и жидкокристалльных (ЖКИ).

Быстрее всех прогрессировала технология ЖКИ, так как ввиду низкого энергопотребления она оказалась наиболее востребована рынком — для начала в секторе экранов мобильных устройств (ноутбуков, портативных тестеров, мобильных телефонов и т. д.). Первыми на ноутбуках появились монохромные ЖКИ-панели с пассивной решеткой, затем цветные пассивные панели, и, наконец, венцом этой технологии стали цветные панели с активной решеткой (так называемые TFT-матрицы).

В основе функционирования любой ЖКИ-панели лежит принцип изменения прозрачности (точнее, изменения поляризации проходящего света) у жидких кристаллов под воздействием электрического тока. В TFT-матрице слой жидких кристаллов управляется матрицей из микроскопических транзисторных аналоговых ключей, по одному ключу на каждый пиксел изображения, что позволяет добиться высокой скорости включения-выключения точек и повысить контрастность изображения.

Поскольку жидкие кристаллы сами по себе не имеют цвета, в цветной панели имеется три слоя жидких кристаллов (либо специальная однослойная мозаичная структура) с соответствующими светофильтрами для каждой цветовой составляющей (красный, зеленый, синий). Жидкие кристаллы не могут сами светиться, поэтому для того, чтобы придать экрану привычный светящийся вид, за ЖКИ-панелью установлена специальная плоская лампа, подсвечивающая экран с обратной стороны. В результате пользователю кажется, что матрица «светится», как обычный экран ЭЛТ.

Контрастность получаемого изображения напрямую зависит от яркости лампы, помноженной на степень прозрачности открытой ЖКИ ячейки и поделенной на степень прозрачности закрытой ЖКИ ячейки. Однако с допустимым числом градаций цвета у ЖКИ-монитора не все так просто.

Неискушенному человеку может показаться, что поскольку транзисторный ключ, управляющий точкой матрицы, суть аналоговое (бесступенчатое) устройство, яркость точки управляется столь же бесступенчато, как в ЭЛТ-мониторе, и число цветов определяется только разрядностью ЦАП (DAC) на видеокарте. Однако все гораздо хуже — дело в том, что у ЖКИ монитора нет построчной развертки, аналогичной развертке ЭЛТ, и принцип доступа к ячейкам (точкам) экрана напоминает адресный принцип доступа к ячейкам современной DRAM-памяти, в которую пишется одновременно много (например, 64) бит информации. Из-за этого электронике ЖКИ монитора приходится преобразовывать аналоговый сигнал видеокарты снова в цифровой, с тем, чтобы разложить последовательно идущие яркости точек по ячейкам памяти и затем выдвигать на управляющие входы матрицы сразу несколько уровней яркости для соседних точек экрана.

Таким образом, электроника ЖКИ-монитора вынуждена выполнять обратное (аналого-цифровое) преобразование аналоговых уровней сигнала, идущих с видеокарты, в цифровые отсчеты. При этом неизбежно теряется часть информации из-за несоответствия масштабной сетки ЦАП-а видеокарты и АЦП монитора, и число различимых градаций яркости каждого цвета падает. Одновременно проявляется и проблема точного совпадения точек развертки видеокарты с точками на ЖКИ-матрице, так как фронты синхросигнала горизонтальной развертки, генерируемого видеокартой для обозначения начала строки, после прохождения по кабелю оказываются несколько завалены и зашумлены посторонними наводками.

Очевидно, что ЖКИ-мониторам не свойственны многие проблемы классических ЭЛТ — например, им не нужно фокусировать электронный луч на плоском экране, края которого отстоят от электронной пушки дальше, чем центр, не нужно сводить лучи трех пушек в одной точке, не нужно, двигая луч по радиусу, умудряться рисовать прямые линии. Соответственно ЖКИ-мониторы всегда имеют идеальную геометрию, фокус и сведение, в этом их несомненный плюс. В принципе, ЖКИ мониторам также несвойственно понятие муара — по крайней мере, при работе в геометрическом разрешении через цифровой интерфейс муара на ЖКИ быть не может по определению, так как пикселы экрана точно совпадают с пикселами развертки.

Однако есть у ЖКИ и минусы, причем минусы врожденные и трудноустранимые. Об одном из них я говорил выше — у любого ЖКИ монитора, работающего по аналоговому входу, число реально отображаемых цветов меньше, чем-то, которое поддерживает видеокарта. Вторым важным недостатком является инерционность жидких кристаллов — из-за этого наблюдаются эффекты, похожие на «послесвечение» люминофора некоторых старых ЭЛТ, вызывающие неприятное «размазывание» быстро меняющихся картинок (попробуйте, например, быстро прокрутить текст в Ворде — если буквы слились в серую мешанину, это значит, что монитор имеет слишком большую инерционность и послесвечение). Третий коренной недостаток ЖКИ — ограниченный угол обзора, вызванный трудностью построения поляризационных фильтров с характеристиками, неизменными в широком диапазоне углов.

Разумеется, на то и технический прогресс, чтобы преодолевать недостатки технологии. Углы обзора новейших TFT-панелей доведены до весьма комфортных 100 градусов и более по горизонтали и вертикали, инерционность снижена до практически незаметных 20 ms, контрастность благодаря применению эффективных фильтров и мощных люминесцентных ламп доведена до уровня 350:1 (немногим ниже уровня хорошего тринитрона), а проблемы цветовых градаций и точного попадания точек развертки в точки матрицы успешно решает переход на цифровой интерфейс DVI.

Увы, но нет в мире совершенства — все эти качества сочетаются в одном изделии крайне редко, и стоит такое изделие, если оно вообще есть в нужном вам классе, крайне дорого. Поэтому разумным подходом к выбору TFT-монитора является подход компромиссный — когда вы сначала решаете, какие характеристики для вас важнее, а какие — важны не очень, и потом начинаете искать монитор с наилучшими (или как минимум хорошими) значениями важных параметров и более-менее достойными значениями остальных.

4. Применениях жидких кристаллов в будущем

Управляемые оптические транспаранты.

Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологического характера. Хотя принципиально возможность создания таких экранов продемонстрирована, однако, а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. Поэтому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, полученное на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в которые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотополупроводника, производится лучом света. О подобном проекторе уже рассказывалось в главе VII. Теперь же познакомимся с физическими явлениями, положенными в основу его работы.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутствие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциалов, поданная на электроды оптической ячейки, в которую еще дополнительно введен слой фотополупроводника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжения на нем. При подсветке фотополупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происходит перераспределение электрических напряжений в ячейке — теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частности, его оптические характеристики, изменяются соответственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристаллического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практически, конечно, выбор электрооптического эффекта в таком сэндвичевом устройстве, называемом электрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическими характеристиками и чисто технологическими причинами.

Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально — в точке засветки фотополупроводника. Поэтому такие транспаранты обладают очень высокой разрешающей способностью. Так, объем информации, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1×1 см².

Описанный способ записи изображения, помимо всего прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т. е. систему подвода электрических сигналов, которая применяется в матричных экранах на жидких кристаллах.

Пространственно временные модуляторы света Управляемые оптические транспаранты могут быть использованы не только как элементы проекционного устройства, но и выполнять значительное число функций, связанных с преобразованием, хранением и обработкой оптических сигналов. В связи с тенденциями развития методов передачи и обработки информации с использованием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой информации, управляемые оптические транспаранты на жидких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято называть пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и масштабы применения ПВМС в устройствах обработки оптической информации определяются тем, насколько сегодняшние характеристики оптических транспарантов мо­гут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повышения быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излучения, в котором надежно работают эти устройства. Как уже отмечалось, одна из основных проблем — это проблема быстродействия жидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системах обработки оптической информации. Ниже рассказывается о ряде возможных применений модуляторов света.

Прежде всего, отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового потока. Кроме того, достигнуто высокое пространственное разрешение сигнала — около 300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы мо­дуляторов, выполненных на различных полупроводниковых материалах, перекрывает длины волн от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фотополупроводников удается улучшить временные характеристики устройств по сравнению с быстродействием собственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистрировать оптический сигнал продолжительностью всего меньше 1 с. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала проис­ходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) электрического поля.

Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем подборе режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если контур перемещается, то можно визуализировать его движение. При этом существенно, что длина волны записывающего изображения излучения и считывающего излучения могут отличаться. Поэтому модуляторы света позволяют, например, визуализировать инфракрасное из­лучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изображения в инфракрасном диапазоне длин волн.

В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному освещению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изображению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^-10° раз и более) В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим (10″ - 10^) числом каналов. Перечисленные функциональные возможности оптических модуляторов дают Основание использовать их 6 многочисленных задачах обработки оптической информации, таких как распознавание образов, подавление помех, спектральный и корреляционный анализ, интерферометрия, в том числе запись голограмм в реальном масштабе времени, и т. д. Насколько широко перечисленные возможности жидкокристаллических оптических мо­дуляторов реализуются в надежные технические устройства, покажет ближайшее будущее.

Оптический микрофон Только что было рассказано об управлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. д. И вот для преобразования этих воздействий в оптический сигнал жидкокристаллические устройства оказываются опять-таки очень удобными и перспективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, однако подавляющее большинство этих методов связано сначала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двуступенчатые и, следовательно, не такие уж простые и экономичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно непосредственно переводить в оптический сигнал, что уст­раняет промежуточное звено в цепи воздействие-световой сигнал, а значит, вносит принципиальное упрощение в управление световым потоком. Другое достоинство ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с узлами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о принципе работы «оптического микрофона» на ЖК-устройства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического микрофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые колебания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на ЖК, выполненные в Акустическом институте АН СССР, показали, что по своим параметрам он не уступает существующим образцам и может быть использован в оптических линиях связи, позволяя осуществлять непосредственное преобразование звуковых сигналов в оптические. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практически не изменяются применения ЖК в оптических линиях связи, напомним, что оптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесено покрытие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутренней части волокна, в результате чего происходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный режим распространения света в волокне. может быть, также достигнут не только за счет резкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя преломления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода.

По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкого кристалла также может быть реализован волноводный режим распространения света вдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектрической проницаемости в пределах толщины слоя. А как мы знаем, изменения диэлектрических характеристик в ЖК можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характер изменения ориентации директора по толщине, что для определенной поляризации света такой слой оказывается оптическим волноводом.

Каждый увидит здесь очевидную аналогию между оптическим волокном-волноводом и жидкокристаллическим волноводом. Но имеется здесь и очень существенная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлектрические характеристики оптического волокна, а следовательно, и его волноводные свойства, неизменны и формируются при его изготовлении, то диэлектрические, а следовательно, и волноводные свойства ЖК-волновода легко изменять путем внешних воздействий.

Это значит, например, что если жидкокристаллический волновод включен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этому каналу, можно модулировать, меняя характеристики ЖК-элемента. В простейшем случае это может быть просто прерывание светового потока, которое может происходить в ЖК-элементе при таком переключении электрического сигнала на нем, которое приводит к исчезновению его волноводных свойств. Кстати сказать, этот же ЖК-элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он устроен так, что акустический сигнал вызывает в нем воз­мущение ориентации директора.

Очки для космонавтов Знакомясь ранее с маской для электросварщика, а теперь с очками для стереотелевидения, бы заметили, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Между тем существуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть отдельные участки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрезвычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотелевидения позволяют решить управляемые жидкокристаллические фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зрения глаза.

Список литературы

жидкий монитор кристалл фазовый

1. Физическая энциклопедия, под ред. Прохорова А. М., 1988, Москва, «Советская энциклопедия», том 1

2. Воронов В. К., Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние. — М.: ЛКИ, 2012

3. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц Механика жидких кристаллов // Теория упругости. — М.: Наука, 1987.

4. С. П. Мирошниченко, П. В. Серба. Устройство ЖКИ. Лекция 1

5. Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? Компьютер-бизнес-маркет № 4 (292), январь 2005.

6. Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов BROADCASTING Телевидение и радиовещание: 1 часть — № 2 (46) март 2005 2 часть — № 4 (48) июнь-июль 2005.

7. Мухин И. А. Современные плоскопанельные отображающие устройства BROADCASTING Телевидение и радиовещание № 1 (37), январь-февраль 2004.

8. Мухин И. А., Украинский О. В. Способы улучшения качества телевизионного изображения, воспроизводимого жидкокристаллическими панелями Материалы доклада на научно-технической конференции «Современное телевидение». Москва, март 2006.