3.5. Жидкокристаллические дисплеи

В отличие от рассмотренных выше устройств отображения инфор­мации жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи — LCD — liquid crystal display) не являются устройствами эмиссионного типа. В основу их действия положен принцип управления потоком излучения источ­ника подсветки или внешнего света.

Первые жидкокристаллические дисплеи были монохромными сим­вольными. Индикаторы, отображающие цифры, продемонстрированы в середине 1960-х гг. компанией RCA (Radio corporation of America), а в 1975 г. корпорацией Sharp — изготовлены первые компактные циф­ровые часы на жидких кристаллах с сегментным дисплеем.

Принцип действия ЖК матрицы основан на способности некото­рых веществ, находящихся в аморфном состоянии, изменять свою крис­таллическую структуру под воздействием электрического поля. Жидкие кристаллы наделены свойствами как твердого вещества, поскольку имеют кристаллическую структуру, так и жидкого вещества, поскольку обладают текучестью и вязкостью. Под воздействием электрического поля жидкие кристаллы упорядочивают свою структуру: располагаются параллельно или перпендикулярно подводящему потенциал электроду в зависимости от его полярносги (см. п. 4.2).

Матрицы монохромных сегментных ЖК-дисплеев являются пас­сивными. Конструктивно матрица представляет собой пакет тонких стекол с пленочными прокладками между ними.

Ячейки матрицы выполнены в виде полосок, образующих сегменты экрана, из которых складывается изображение символа. Слой жидких кристаллов (толщиной несколько микрометров) в сегменте располага­ется между двумя стеклянными электродами, а сверху и снизу располо­жены пластины-Поляризаторы, плоскости поляризации которых ориен­тированы перпендикулярно друг Apyiy. Этот пакет располагается на под­ложке (нижней от основания экрана к его поверхности).

В обесточенной ячейке молекулы жидких кристаллов ориентиро­ваны параллельно плоскости электродов. Толщина слоя рассчитана таким образом, что в исходном состоянии он поворачивает плоскость поляри­зации световой волны на 90°. В результате падающий свет беспрепят­ственно проходит через систему, отражается от матового зеркальною покрытия подложки и возвращается обратно. Подобная матрица в обес-точештом состоянии выглядит, как обычная стеклянная пластинка.

Когда на электроды подается напряжение, электрическое поле ори­ентирует молекулы жидкого кристалла вдоль силовых линий — перпен­дикулярно плоскости электродов. За счет этого жидкий кристалл пере­стает поворачивать плоскость поляризации света и, следовательно, ячейка перестает пропускать свет: на экране образуется черный сегмент (или точка) цифрового индикатора. В исходное состояние ячейка возвраща­ется подачей напряжения противоположной полярности.

Для работы в условиях низкой освещенности конструкция допол­няется лампами подсветки.

Монохромные символьные ЖК-дисплеи достаточно широко ис­пользуют и сегодня: в часах, калькуляторах, плеерах, магнитолах, фотокамерах, измерительных приборах и т. п. Преимущество сегмент­ных ЖК-дисплеев почти перед любыми другими разновидностями устройств отображения информации заключается в их малом энерго­потреблении.

Однако обеспечить полутоновые изображения в таких пассивных матрицах методом изменения величины подаваемого на электроды напряжения крайне сложно. В современных жидкокристаллических дисплеях (мониторы и телевизоры) используется активная матрица.

Матрица цветного ЖК-дисплея представляет собой совокупность пикселов, каждый из которых состоит из трех субпикселов, отлича­ющихся цветом выходного светофильтра (красный, зеленый, синий). Цветные ЖК-матрицы работают на просвет: субпикселы регулируют интенсивность проходящего через них светового потока.

Существует несколько основных видов матриц и значительное количество их модификаций. Все они работают по схожим принципам. С задней стороны матрицы находится источник неполяризованного света: галогенные или электролюминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL — cold cathode fluorescence light).

На рис. 3.7 показано устройство ЖК-матрицы одного из самых рас­пространенных типов — на скрученных (спиралевидно) жидких крис­таллах нематического типа (TN — twisted nematic).

Рис. 3.7. Устройство активной ТтМ-матрицы: 1 — рассеиватель, 2 — входной поляризатор. 3 — стекло. 4 — горизонтальная линия данных, 5 —вертикальная линия данных, 6— тонкопленочный транзистор, 7 — конденсатор, 8 — прозрачный алектрод,

9 —направляющий слой, 10 — слой жидкокристаллического вещества, 11 —общий прозрачный электрод, 12 — цветной фильтр, 13 — выходной поляризатор

Свет от источника, проходя через входной поляризатор, стано­вится плоскополяризованным. При прохождении через слой ЖК-веще­ства молекулы последнего, находящиеся в электрическом поле, изменяют его плоскость поляризации на определенный угол в зависимости от напря­женности поля. После чего такой «закрученный» свет проходит через ана­лизатор. Количество прошедшего через ячейку-субпиксел света опреде­ляется напряженностью поля: чем она выше, тем меньше света проходит через ячейку.

Напряженность поля, воздействующего на ЖК-вещество, изменя­ется в современных матрицах с помощью активных приборов — тонко­пленочных транзисторов (TFT— thin film transistor). Каждый субпиксел матрицы имеет индивидуальный электрод, конденсатор памяти и тонко­пленочный нолевой транзистор. Транзистор подключен стоком к верти­кальной линии данных, затвором — к горизонтальной линии данных, а истоком—к индивидуальному электроду.

Формирование изображения в активных ЖК-дисплеях упро­щенно можно представить следующим образом. Входной видеосигнал первой строки изображения поступает на вертикальные линии данных. При этом напряжения на каждой из линий соответствуют яркостям суб­пикселов первой строки. Затем на горизонталыгую линию данных пер­вой строки поступает импульс, который открывает все транзисторы этой строки. Через открытые транзисторы заряжаются конденсаторы всех субпикселов первой строки до значений на вертикальных линиях дан­ных. После этого импульс с горизонтальной линии данных первой строки исчезает, и все транзисторы закрываются. Но конденсаторы продол­жают хранить заряд, поэтому напряженность поля и соответственно угол разворота ЖК-кристаллов в ячейках-субиикселах первой строки остаются постоянными. Далее все повторяется уже для второй, третьей и последующих строк. Степень прозрачности, а значит, и яркость каж­дого из субпикселов остаются без изменений в течение всего периода обновления экрана (т. е. субпикселы изменяют яркость только при смене кадра). Последнее означает, что при отображении изображения ЖК-дис­плеями в принципе отсутствует такое явление, как мерцание.

Кроме того, ЖК-экраны обладают рядом других достоинств:

— малая глубина (толщина);

— плоский экран;

— высокая четкость изображения (отсутствие распространенных дефектов ЭЛТ-устройств таких, как несведение, расфокусировка и нели­нейность развертки);

— отсутствие вредных излучений.

Наряду с этим ЖК-дисплеи имеют ряд недостатков:

— появление тянущихся продолжений («хвостов») за движущимися предметами, обусловленное значительным временем отклика. Изобра­жение, формируемое матрицей, не успевает обновляться с требуемой частотой из-за инерционностижидких кристаллов. При отображении дина­мичных сюжетов время отклика матрицы не должно превышать 20 мс;

— снижение качества изображения при несовпадении разреше­ний. Для того чтобы развернусь изображение на весь экран, применя­ется метод нелинейной интерполяции (одноразрешение пересчитыва-ется в другое), не дающий хороших результатов ввиду некратности разрешения экрана и сигнала;

— неравномерное распределение яркости по площади экрана. По­скольку для подсветки используется несколько тонких и длинных ламп, сложно добиться равномерной освещенности ЖК-матрицы несмотря на применение отражателей и рассеивателей;

— наличие неработающих (выбитых, «мертвых») пикселов, кото­рые либо всегда светлые, либо всегда темные. Это связано с дефектами (выходом из строя) тонкопленочных транзисторов, сформированных на кремниевых пластинах и управляющих яркостью пикселов.

— невысокий контраст формируемого изображения (отношение яркости самых светлых участков изображения к самым темным). При­чина низкого контраста в повышенной яркости темных участков изо­бражения: анализатор не задерживает полностью свет, направление поляризации которого ортогонально направлению его поляризации (в результате черные детали изображения становятся серыми).

Одной из серьезных проблем является плохая (в сравнении с эмис­сионными устройствами) цветопередача. Это связано с тем, что субпик­селы ЖК-матрицы не являются светоизлучающими элементами, а пред­ставляют собой фильтры, пропускающие свет от ламп «белой» подсветки. Для увеличения яркости зоны спектрального пропускания фильтров делают широкими, поэтому цвета субпикселов получаются ненасыщен­ными, а, значит, дисплей имеет небольшой цветовой охват.

Другая серьезная проблема — это небольшой угол обзора (при наблюдении изображения на экране под углом, значительно отлича­ющимся от нормали, оно становится менее насыщенным и контрастным, ухудшается цветопередача).

Сегодня все разработки в области ЖК-экранов направлены, глав­ным образом, на увеличения угла обзора и улучшение качества цвето­передачи. Ниже будут рассмотрены технические решения, позволя­ющие добиться решения указанных проблем.

Рис. 3.8. Принцип работы матрицы на скрученных жидких кристаллах нематического типа (ТЫ-матрицы). К — красный, 3 — зеленый. С — синий субпикселы, напряженность электрического поля в ячейке-субпикселе: 1_ Е"0, 2 — Е = тах/2, 3 — Е=тах

На рис. 3.8 показан процесс прохождения света через пиксел матрицы на скрученных жидких кристаллах нематического типа ("Ш).

Когда электрического поля нет (Е = 0), то все жидкие кристаллы на­ходятся в закрученном состоянии. Такое спиралевидное положение обес­печивается направляющими слоями, имеющими специальные бороздки. На одной подложке бороздки расположены горизонтально, а на другой— вертикально. Жидкие кристаллы, постепенно перестраиваясь в слое от горизонтальною положения к вертикальному, образуют винтовую (твист) структуру. Свет, пройдя через поляризатор, становится плоскополяри-зованным, подвергается скручиванию на 90' жидкими кристаллами и бес­препятственно проходит через анализатор (плоскость поляризации за­крученного света и плоскость поляризации анализатора совпадают). Диаграмма излучения ячейки получается узкой и симметричной, так как все жидкие кристаллы, хоть и закручены в спирали, но расположены параллельно экрану.

При появлении в ячейке электрического поля молекулы жидких кристаллов, не меняя своего положения в плоскости экрана, разворачи­ваются в плоскостях, перпендикулярных экрану (спиралевидная струк­тура не раскручивается, а разрушается: каждый из составляющих ее кристаллов разворачивается в направлении силовых линий электри­ческого поля). Чем выше напряженность поля, тем больше угол между направлением ориентации жидких кристаллов и плоскостью экрана, то есть тем сильнее разрушается твист-структура и тем меньшая часть света подвергается скручиванию и проходит через ячейку. Яркость суб­пиксела уменьшается.

Например, при некотором среднем значении напряженности элект­рического поля кристаллы развернулись по отношению к плоскости экрана на угол 45°. Диаграмма направленности излучения субпиксела будет шире (чем в первом случае, Е=0), но не симметрична. Когда нал ра в-ление взгляда совпадает с направлением наклона жидких кристаллов, ячейка выглядит темной, так как в этом направлении свет скручиванию не подвергается и не проходит через выходной поляризатор. С других направлений ячейка выглядит более яркой.

Когда в ячейке действует электрическое поле максимальной напря­женности, все жидкие кристаллы разворачиваются перпендикулярно экрану, диаграмма направленности получается очень широкой и симмет­ричной. С любого направления ячейка будет выглядеть одинаково чер­ной. Таким образом, воспринимаемая яркость субпиксела зависит от утла наблюдения (от диаграммы направленности его излучения). В свою очередь, диаграмма направленности изменяется в зависимости от вос­производимой яркости субпиксела.

Например, на рис. 3.8 показано воспроизведение пиксела оранже­вого цвета. Красный субпиксел имеет максимальную яркость (узкую, но симметричную диаграмму направленности), зеленый пиксел — сред­нее значение яркости (несимметричную диаграмму направленности), а синийпиксел—нулевую яркость (широкую и симметричную диаграмму направлениости). Если взгляд направлен на экран под прямым углом, то направленность излучения ячеек не имеет значения, цвета трех субпик­селов складываются и цвет пиксела станог.ится оранжевым. Если взгляд направлен на экран под углом, то синий пиксел останется темным, яр­кость зеленого — либо уменьшится, либо увеличится в зависимости от направления (диаграмма излучения при средней яркости несиммет­рична) , а красный — будет немного темнее, но одинаково ярким под лю­бым углом. В результате цвет пиксела будет искаженным: в оранжевом появится либо красный, либо желтый оттенок.

Для уменьшения зависимости яркости и цветопередачи с измене­нием угла обзора используется несколько вариантов решений.

Самый простой способ заключается в нанесении на верхний слой дисплея рассеивающих пленок. В этом случае выходящий свет, будучи переориентированным, распространяется от экрана под разными углами. Почти все дисплеи с матрицами на скрученных жидких кристаллах тема­тического типа (ТЫ) имеют рассеивающие пленки. Такие матрицы назы­вают Т^+К1т (пленка) или РТЫ.

Рис. 3.9. Принцип работы ЖК-матрицы с пленарной коммутацией (1РЭ-матрицы). К — красный, 3 — зеленый, С — синий субпикселы, напряженность электрического поля в ячейке-субпикселе: 1— Е=0, 2 — Е = тах/2, 3 — Е = тах

Другим решением является технология Планерной (плоскостной) коммутации (IPS— in-plane switching, компании NEC, Hitachi, 1995). Суть ее заключается в том, что оба электрода, создающих управляющее электрическое поле, размещаются только на задней подложке справа и слева от ячейки (рис. 3.9), а не спереди и сзади ячейки, как в TN-матрицах.

Направляющие слои сформированы таким образом, чтобы все жидкие кристаллы имели одинаковую ориентацию в пространстве, то есть жидкие кристаллы не имеют скрученной структуры. При изменении напряжения на электродах все кристаллы одновременно поворачива­ются и соответственно изменяется угол между плоскостью поляриза­ции анализатора и плоскостью поляризации света, что приводит к изме­нению интенсивности проходящего излучения. Горизонтальное выстра­ивание кристаллов обеспечивает увеличение угла обзора — здесь боковое рассеяние света больше, чем в случае, когда кристаллы располо­жены в виде скрученной структуры. Кроме того, диаграмма направлен­ности излучения ячеек не зависит от их яркости, так как кристаллы при любом значении напряженности поля параллельны экрану. При увеличе­нии угла обзора пиксел темнеет, но не меняет цветового тона.

ЖК-матрицы с планарной коммутацией имеют более высокий контраст по сравнению с TN-мат рицами, так как в «закрытом» состоянии ячейки пропускают меньше света, но также инерционны.

Еще одним способом увеличения угла обзора является многодомен­ное вертикальное размещениежидких кристаллов (MVA— multi-domain vertical alignment, компания Fujitsu, 1996). В матрицах с многодоменным вертикальным размещением, в отличие от матриц TN и IPS, использу­ются «негативные» жидкие кристаллы (negative liquid crystal), молекулы которых разворачиваются болеедлинной стороной не вдоль линий элект­рического поля, а поперек (рис. 3.10).

Рис. ЗЛО. Принцип работы ЖК-матрицы с многодоменным вертикальным размещением (MVA-матрицы) (а) и взаимное расположение доменов (б). К — красный. 3 — золеный, С —■ синий субпикселы, А, В. С, D — пространственная ориентация жидких кристаллов в пределах субпиксела, напряженность электрического ноля в ячейке-субпикселе: 1 — Е=0. 2 — Е-тах/2, 3 —Е = тах 4, 5 — выступы направляющего слоя передней и задней подложки соответственно

Жидкие кристаллы каждого из субпикселов ограничены специаль­ными направляющими слоями. Поверхность каждого из таких слоев образована длинными вытянутыми треугольными выступами. Направ­ляющие слои расположены так, что их выступы параллельны, но череду­ются в шахматном порядке. Таким образом, в субпикселе образуются домены—области, в которых стенки направляющих слоев параллельны. При отсутствии электрического поля жидкие кристаллы выстраиваются перпендикулярно стенкам доменов. Нотак как стенки доменов непарал­лельны плоскости экрана (из-за треугольных выступов), направление ориентации жидких кристаллов (по отношению к этой плоскости) не перпендикулярно: в одних доменах они немного повернуты по часовой стрелке, а в других доменах—прот ив. Именно это обеспечивает поворот кристаллов каждого из доменов в соответствующую сторону при появ­лении электрического поля. Таким образом, каждый субпиксел состоит издоменовдвух видов, в одних доменах кристаллы разворачиваются по часовой стрелке, а в других — против.

Когда взгляд направлен на экран под прямым углом, то яркост и доменов одинаковы, так как одинаковы углы наклона всех жидких крис­таллов относительно направления взгляда. Если взгляд направлен на экран сбоку, то жидкие кристаллы одних доменов почти параллельны направ­лению взгляда, а других — почти перпендикулярны. В первом случае изменения поляризации света почти не происходит: свет задерживается анализатором и домен выглядит темным. Во втором случае, наоборот, кристаллы изменяют поляризацию света и домен выглядит ярким. Так как размеры доменов очень малы, в пределах одного субпиксела наблю­датель не различает разноярких областей. Яркость доменов компенси­руется, и даже при значительных углах зрения суммарная яркость суб­пиксела остается постоянной. Однако при наличии двух доменов угол обзора увеличится только в одной плоскости. Для устранения этого недос­татка субпиксел разбивается на две половинки, в каждой из которых направляющие треугольные выступы перпендикулярны друг другу, в результате чего субпиксел, содержит четыре типа доменов.

Принцип многодоменного размещения жидких кристаллов исполь­зуется также в матрицах со структурным вертикальным размещением (PVA—patterned vertical alignment, компания Samsung). Для разворота кристаллов в разные стороны используются специальные электроды, расположенные на внутренних поверхностях подложек в шахматном по­рядке (рис. 3.11). Благодаря такому расположению линии электрического поля пронизывают объем ячейки не перпендикулярно поверхности экрана, а под углом в двух разных направлениях. Поэтому одни крис­таллы разворачиваются по часовой стрелке, а другие — против.

Рис. 3.11. Принцип работы субпиксела ЖК-матрицы со структурным вертикальным размещением (РУА-матрицы): СЭ — специальные электроды

Углы обзора у MVA- и PVA-матриц больше, чему IPS-матриц. Кроме того, при увеличении угла обзора яркости трех субпикселов, составля­ющих пиксел, уменьшаются одинаково, то есть пиксел темнеет, не изме­няя цветового тона, как это происходит в TN-матрицах. Это означает, что при увеличении угла обзора цветопередача этих матриц лучше. MVA-и PVA-матрицы обладают меньшей инерционностью (меньшим време­нем отклика), чем iPS-матрицы, следовательно, лучше отображают движу­щиеся объекты. В «закрытом» состоянии ячейки этих типов матриц пропускают примерно столько же света, сколько и ячейки IPS-матриц, однако в «открытом» состоянии—больше, поэтому контраст изображе­ния, формируемый этими типами матриц, выше.

Совершенствование описанных технологий привело к созданию значительного количества их модификаций.

Например, на основе TN-матриц разработаны STN-матрицы (super twisted nematic), іде используются жидкие кристаллы, закрученные не на 90°, а на 270°, что позволяет получить более высокий контраст. На основе STN, в свою очередь, появились матрицы DSTN (double (двойной) STN), где используются две ячейки STN, следующие друг за другом; матрицы с ячейками с компенсирующей пленкой—TSTN (triple (тройной) STN) или FCSTN (film compensated STN).

На основе IPS-матриц также создано несколько разновидностей: SIPS (super IPS), SFT (superfine (высокогокачества)TFT), ASFT(advanced (улучшенная) SFT), SASFT (super ASFT), DDIPS (dual domain (двухдомен-ная) IPS).

На основе MVA-матриц разработаны матрицы ASV (advanced super view) и ASM (axially symmetric aligned micro-cell mode). В ASV-матрице жидкие кристаллы поворачиваются не в четырех, как у MVA-матриц, а во всех возможных направлениях, что увеличивает угол обзора. В ASM-матрицах тот же эффект обеспечивается аксиально симметрич­ным расположением жидких кристаллов (12J.