LCD ekranai. Jų veikimo principas

Aprašinėdamas poliarizatorių naudingumą fotografijai pasižadėjau aprašyti LCD ekranų veikimo principą. Kodėl LCD ekranų skleidžiama šviesa yra poliarizuota ir kaip išgaunamas vaizdas?

Pradėkime nuo to, kad skystieji kristalai yra ypatinga medžiaga dviem aspektais. Pirma - ypatinga jų pati būsena - jie savo agregatine būsena yra skysčiai tačiau molekuline tvarkos struktūra kristalai, būtent dėl to ir vadinami jie skystaisiais kristalais. Antra - tai optiškai aktyvioji medžiaga (kaip gliukozė ar amino rūgšys). Tai reiškia, kad šviesos poliarizacija, šviesai pereinant per šią medžiagą, sukasi. Kokiu kampu pasisuka poliarizacija (kitaip tariant kiek pasikeičia jos fazė) priklauso nuo optiškai aktyvios terpės ilgio, nuo jos koncentracijos (tarkim kiek cukraus yra cukraus tirpale) arba šią medžiagą veikiančio elektrinio lauko stiprumo (čia galioja konkrečiai skystiesiems kristalams).

LCD ekranų matricos konstrukcija nėra sudėtinga - susideda iš kelių sluoksnių. Visų pirma, matricos apačioje yra baltos šviesos šaltinis. Senesniuose LCD ekranuose buvo naudojamos djų išlydžio lempos. Dabartiniuose modeliuose (ekonominiais ir ergonominiais sumetimais) apšviečiama baltaisiais šviesos diodais (LED'ais). Pačios matricos struktūra pavaizduota šiame paveiksle:

1 pav. LCD monitorių matricos struktūros schema 

 

Matricos apačioje (iš karto virš baltos šviesos šaltinio) stovi poliarizatorius, paprastą šviesą paverčiantis poliarizuota (prisimenant, kad šviesa yra elektromagnetinės bangos, tai reiškia, kad iš įvairiausiomis kryptimis svyruojančių bangų (pačios bangos nukreiptos viena kryptimi, tik jų elektrinio lauko vektoriai sklidimo krypčiai statmenoje plokštumoje virpa įvairiausiomis kryptimis) paliekamos tik viena kryptimi virpančios bangos).
Toliau stovi skystųjų kristalų matrica, apsupta elektrodais. Visa matrica sudaryta iš daugybės celių, užpildytų skystaisiais kristalais. Kiekviena celė valdoma atskirai - individualiai jai sukuriant elektrinį lauką (prijungiant įtampą). Nuo elektrinio lauko stiprio priklausys, kiek pasisuks skystųjų kristalų molekulės, o tai lemia, kiek bus pasukta šviesos poliarizacija. Kiek matricoje yra celių priklauso nuo ekrano raiškos. Pvz., jei ekrano raiška 1920×1080, tai joje bus 1920×1080×3 (kiekvienas pikselis sudarytas iš 3 spalvų kanalų) = ~6,2 mln. celių.
Šiame paveiksle pavaizduota, kaip atrodo keletas celių. Viršutinė nuotrauka - normaliai praeinanti šviesa per celes, apatinė - su papildomai apšviestais elektrodais:

2 pav. Skystųjų kristalų matricos elementai. Viršutinė nuotrauka - natūraliai šviečiantys elementai, apatinė - šviečiantys celės elementai ir papildomai apšviesti juos valdantys elektrodai.

 

Taigi, šviesa praeina per skystųjų kristalų matricą ir tada pereina dar vieną poliarizatorių (kuris yra statmenas pirmajam), kad būtų galutinai sukurtas norimas vaizdas. Jeigu skystieji kristalai nepaveikiami jokiu elektriniu lauku, tai šviesos poliarizacija nepasukama ir per sukyžiuotus poliarizatorius šviesa nepraeina. Jei poliarizacija pasukama 90 laipsnių kampu, tai pro antrąjį poliarizatorių praeina maksimalus šviesos kiekis.

Dabar pakalbėkim apie atskirų pikselių šviesumą arba kitaip tariant dinaminį diapazoną. Jei sugebame valdyti elektrinio lauko stiprumą, galima šviesos poliarizaciją pasukti pažingsniui ir praleisti vis daugiau ir daugiau šviesos. Dinaminė raiška apibūdinama bitų kiekiu kanale. Pvz., spaudoje, fotogafijoje populiariausia 8 bitų dinaminė raiška. Tai reiškia, kad galima sukurti 256 (2^8) šviesumo lygius. Jei turim 12 bitų dinaminę raišką - 4096 šviesumo lygius. Dėl to vaizdo kokybė gerėja ir rmalonumas žiūrėti atitinkamos raiškos filmus ar nuotraukas didėja.

Spalvinis vaizdų suvokimas susijęs su mūsų trichromatiniu matymu. Nors ir trys spalviniai kanalai nešviečia iš vieno taško, o yra sudėti vienas šalia kito, bet jų matmenys tokie maži kad mūsų akys juos visumoj suintegruoja į vieną tašką ir smegenys tam vienam taškui priskiria atitinkamą atspalvį.

Kaip tai veikia, galite įsitikinti žiūrėdami į šią nuotrauką (makro režimu nufotografuotą LCD ekrano gabaliuką) iš arti ir iš toli. Žiūrint iš arti matomi atskiri spalviniai pikseliai, galima pastebėti, kaip kinta kiekvieno jų šviesumas.

3 pav. LCD ekrano vaizdo detalė, nufotografuota makro režimu. Vaizdo didinimas - 36 kartai.

 

Tikiuosi, kad šis edukacinis straipsnelis praplėtė jūsų akiratį. Į jūsų klausimus mielai atsakysiu tiek šio straipsnelio komentaruose, tiek ir elektroniniu paštu.
Gardaus pažinimo džiaugsmo!