Характеристика и принципы работы LCD мониторов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ

ГБОУ ВПО

«СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

Кафедра математики и информатики

 

 

 

 

 

 

 

 

Доклад

 

по дисциплине «Архитектура компьютера»

 

тема: «Характеристика и принципы работы LCD мониторов»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка 4 курса группы ПИ4

Нечволода Н.Э.

Проверил:

доцент кафедры

математики и информатики

Оленев А.А.

 

 

 

 

 

Ставрополь, 2014г

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………….3

1. Характеристика LCD мониторов………………………………………..4
2. Принцип работы LCD мониторов……………………………………....6

2.1.Плоскость поляризации LCD мониторов…………………………..7

    3. Конструкция LCD мониторов……………………………………….......10

Заключение………………………………………………………………….......12

Список литературы……………………………………………………………..13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Впервые ЖК мониторы стали применяться в ноутбуках в связи с их компактными размерами. На ранних этапах конечные продукты стоили очень дорого, а качество их при этом было весьма невысоким (по нынешним меркам качества изображения). Однако около трех лет назад наконец-то появились первые LCD-мониторы, которые продавались отдельно от самого компьютера и стоили также довольно дорого, но качество их заметно повысилось. И наконец-то сейчас рынок ЖК - мониторов начал бурно развиваться. Это связанно с тем, что технологии развиваются очень быстро и, кроме того, конкуренция среди производителей привела к заметному снижению цен на эту продукцию.

Несмотря на бурное развитие различных альтернативных технологий, жидкокристаллические дисплеи на сегодняшний день остаются наиболее широко используемыми в сфере высоких технологий. SED, OLED, DLP, плазменная и лазерная технологии - вот далеко не полный перечень разработок, которые призваны потеснить ЖК-панели с лидерских позиций, но этого им сделать, пока не удалось. А не удалось потому, что LCD-технология обладает совокупностью ряда важных достоинств, таких как высокое разрешение, малое потребление электроэнергии, небольшая себестоимость, компактность, сравнительно большое время наработки на отказ. Все другие разработки либо превосходят LCD по характеристикам, но проигрывают по цене, либо, наоборот, сравнимы по себестоимости производства, но с технической стороны имеют серьезные недостатки.

Сейчас технология плоскопанельных мониторов, и жидкокристаллических в том числе, является наиболее перспективной. Хотя в настоящее время на долю ЖК-мониторов приходится лишь около 10% продаж во всем мире, этот сектор рынка является наиболее быстрорастущим (65% в год).

 

1. Характеристика LSD мониторов

 

Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам. Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в частности оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации молекул.

Принцип работы LCD заключается в избирательном прохождении света через миллионы отдельных затворов. Эти затворы собраны в сетку и представляют собой цветные фильтры, позволяющие только RGB составляющим (красный, зеленый, синий) частям света пройти через них. Этот свет исходит от ряда CCFLs (люминисцентных ламп с холодным катодом), которые находятся на задней части экрана. Каждый суб-пиксель формируется сочетанием затвор-фильтр, впоследствии суб-пиксели перемешиваются, чтобы сформировать полную картину[1].

LCD затворы состоят из трех  основных элементов. Это два поляризатора, установленных под прямым углом. Эти поляризаторы передают особый  микроскопический материал в целях создания витой структуры (директор), которая связана с другим поляризатором. Свет, выходящий из заднего поляризатора поворачивается под воздействием жидких кристаллов. Таким образом это позволяет ему пройти через передний поляризатор. Жидкие кристаллы в LCD, как правило, состоят из палочковидных полимеров. Выравнивание их в определенном направлении выполняется директором. Слоя в контакте, остроумие директор и присоединяется с пазами, в результате чего основная часть материала взять на выравнивание директора. Прямой угол между поляризаторами, позволяет выравнивать слои в двух направлениях. Таким образом создается витая структура.

В работе затворов помогает применение электрического напряжения. Для включения затвора, напряжение проходит через него спереди назад, и, контролируя напряжение на кристалле, можно достаточно точно контролировать поворот. Это помогает контролировать прозрачность и непрозрачность затвора. Для того, чтобы сократить время переключения, жидкие кристаллы постоянно находятся под давлением, которое помогает в восстановлении согласованности работы директоров, когда поле отключается.

Как ни странно, но жидкие кристаллы старше ЭЛТ почти на десять лет, первое описание этих веществ было сделано еще в 1888 г. Однако долгое время никто не знал, как их применить на практике: есть такие вещества и все, и никому, кроме физиков и химиков, они не были интересны. Итак, жидкокристаллические материалы были открыты еще в 1888 году австрийским ученым Ф. Ренитцером, но только в 1930-м 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. Первый настоящий прорыв совершили ученые Фергесон (Fergason) и Вильямс (Williams) из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из них создал на базе жидких кристаллов 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 корпорация Sharp. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1964 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по технологии TN LCD были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от восьмисегментных жидкокристаллических индикаторов к производству матриц с адресацией каждой точки. Так, в 1976 г. Sharp выпустила черно-белый телевизор с диагональю экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе LCD-матрицы разрешением 160х120 пикселов [3].

 

2. Принцип работы LCD мониторов

Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы "просеивает" свет, данный эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами [2].

Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-дисплеи для настольных компьютеров.

 

 

Конструкция ЖК-дисплея

 

2.1. Плоскость поляризации LCD мониторов

 

Экран LCD монитора представляет собой массив маленьких сегментов (называемых пикселями), которыми можно манипулировать для отображения информации. LCD монитор имеет несколько слоев, где ключевую роль играют две панели, сделанные из свободного от натрия и очень чистого стеклянного материала, называемого субстрат или подложка, которые собственно и содержат тонкий слой жидких кристаллов между собой (рис. 2.1). На панелях имеются бороздки, которые направляют кристаллы, сообщая им специальную ориентацию. Бороздки расположены таким образом, что они параллельны на каждой панели, но перпендикулярны между двумя панелями. Продольные бороздки получаются в результате размещения на стеклянной поверхности тонких пленок из прозрачного пластика, который затем специальным образом обрабатывается. Соприкасаясь с бороздками, молекулы в жидких кристаллах ориентируются одинаково во всех ячейках. Молекулы одной из разновидностей жидких кристаллов (нематиков) при отсутствии напряжения поворачивают вектор электрического (и магнитного) поля в световой волне на некоторый угол в плоскости, перпендикулярной оси распространения пучка. Нанесение бороздок на поверхность стекла позволяет обеспечить одинаковый угол поворота плоскости поляризации для всех ячеек. Две панели расположены очень близко друг к другу. Жидкокристаллическая панель освещается источником света (в зависимости от того, где он расположен, жидкокристаллические панели работают на отражение или на прохождение света)[3].

Плоскость поляризации светового луча поворачивается на 90° при прохождении одной панели (рис. 2.2).

При появлении электрического поля, молекулы жидких кристаллов частично выстраиваются вертикально вдоль поля, угол поворота плоскости поляризации света становится отличным от 90 градусов и свет беспрепятственно проходит через жидкие кристаллы (рис. 2.3).

Поворот плоскости поляризации светового луча незаметен для глаза, поэтому возникла необходимость добавить к стеклянным панелям еще два других слоя, представляющих собой поляризационные фильтры. Эти фильтры пропускают только ту компоненту светового пучка, у которой ось поляризации соответствует заданному. Поэтому при прохождении поляризатора пучок света будет ослаблен в зависимости от угла между его плоскостью поляризации и осью поляризатора. При отсутствии напряжения ячейка прозрачна, так как первый поляризатор пропускает только свет с соответствующим вектором поляризации. Благодаря жидким кристаллам вектор поляризации света поворачивается, и к моменту прохождения пучка ко второму поляризатору он уже повернут так, что проходит через второй поляризатор без проблем (рис 2.4а).

 

 

3. Конструкция LCD мониторов

 

В присутствии электрического поля поворота вектора поляризации происходит на меньший угол, тем самым второй поляризатор становится только частично прозрачным для излучения. Если разность потенциалов будет такой, что поворота плоскости поляризации в жидких кристаллах не произойдет совсем, то световой луч будет полностью поглощен вторым поляризатором, и экран при освещении сзади будет спереди казаться черным (лучи подсветки поглощаются в экране полностью) (рис 2.4б). Если расположить большое число электродов, которые создают разные электрические поля в отдельных местах экрана (ячейки), то появится возможность при правильном управлении потенциалами этих электродов отображать на экране буквы и другие элементы изображения. Электроды помещаются в прозрачный пластик и могут иметь любую форму [5].

Технологические новшества позволили ограничить их размеры величиной маленькой точки, соответственно на одной и той же площади экрана можно расположить большее число электродов, что увеличивает разрешение LCD монитора, и позволяет нам отображать даже сложные изображения в цвете. Для вывода цветного изображения необходима подсветка монитора сзади, таким образом, чтобы свет исходил из задней части LCD дисплея. Это необходимо для того, чтобы можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника белого света три основные компоненты. Комбинируя три основные цвета для каждой точки или пикселя экрана, появляется возможность воспроизвести любой цвет.

Вообще-то в случае с цветом несколько возможностей: можно сделать несколько фильтров друг за другом (приводит к малой доле проходящего излучения), можно воспользоваться свойством жидкокристаллической ячейки - при изменении напряженности электрического поля угол поворота плоскости поляризации излучения изменяется по-разному для компонент света с разной длиной волны. Эту особенность можно использовать для того, чтобы отражать (или поглощать) излучение заданной длины волны (проблема состоит в необходимости точно и быстро изменять напряжение). Какой именно механизм используется, зависит от конкретного производителя. Первый метод проще, второй эффективнее.

Первые LCD дисплеи были очень маленькими, около 8 дюймов, в то время как сегодня они достигли 15" размеров для использования в ноутбуках, а для настольных компьютеров производятся 20" и более LCD мониторы. Вслед за увеличением размеров следует увеличение разрешения, следствием чего является появление новых проблем, которые были решены с помощью появившихся специальных технологий, все это мы опишем далее. Одной из первых проблем была необходимость стандарта в определении качества отображения при высоких разрешениях. Первым шагом на пути к цели было увеличение угла поворота плоскости поляризации света в кристаллах с 90° до 270° с помощью STN технологии.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Дальнейшее развитие ЖК-мониторов будет связано с повышением четкости и яркости изображения, увеличением угла обзора и уменьшением толщины экрана. Так, например, уже существуют перспективные разработки LCD-мониторов, выполненных по технологии с использованием поликристаллического кремния. Это позволяет, в частности, создавать очень тонкие устройства, поскольку микросхемы управления размещаются в этом случае непосредственно на стеклянной подложке дисплея. Кроме того, новая технология обеспечивает высокую разрешающую способность на сравнительно небольшом по размеру экране (1024x768 точек на 10,4-дюймовом экране).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

 

 

1. Мухин И.А. Развитие жидкокристаллически мониторов BROADCASTING Телевидение и радиовещание: 1 часть — № 2(46) март 2005. С. 55-56; 2 часть — № 4(48) июнь-июль 2005. С. 71-73.

2. Чеканов Д., Мильчаков С. Технология жидкокристаллических мониторов (LCD). − 3DNews.

3. Пахомов С. Современные ЖК-мониторы. // КомпьютерПресс. – 2004.

4. “HARD 'n' SOFT “ (компьютерный журнал для широкого круга пользователей)№6 2003г.