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!

Čepinskio vadovėliai jau pas mane

Didinga džiaugsmo diena buvo mane ištikus prieš kokius pusantrų metų, kai vieną šeštadienį ant Tauro kalno sendaikčių turguje įsigijau vieną Čepinskio vadovėlį. Ne bet kokį, o patį Optikos vadovėlį. Tada susižavėjau jo senobine kalba (nes vadovėlis išleistas 1924 metais) bei turinio turtingumu. Tikrai išsamiai nagrinėjama fizika, su daugybe iliustracijų, nuosekliu prietaisų aprašymu. Tai buvo ta diena, kai susižavėjau garsiu tarpukario Lietuvos fizikos profesoriumi. Prieš keletą mėnesių mano vieno iš darbų vadovė užsiminė, kad būtų neblogai surinkti į vieną vietą visus Čepinskio vadovėlius ir sukurti elektronines jų versijas. Ta idėja man taip patiko, kad nutariau susisiekti su mūsų fizikos muziejaus prižiūrėtoju ir įsiprašyti pas jį tų vadovėlių nusifotografuoti. Taip praėjo dar keletas mėnesių, kai vieną vasario pirmadienį aš tai įgyvendinau. Ir dabar turiu beveik visus (be Mechanikos) fizikos vadovėlius skirtus gimnazijų ir aukštųjų mokyklų moksleiviams/studentams.


Dabar tik laukia nuoseklus ir rutiniškas darbas tuos vadovėlius iš nuotraukų formato paversti pdf. Reikia nuotraukas apkarpyti, sunormuoti spalvas. Vienas neigiamas dalykas - kad nuotraukas nuo trikojo fotografavau ne statmenai, o šiek tiek kampu, taigi knygos apačia yra kiek platesnė už viršų. Na, grubiai apkarpysiu. Juk svarbiausia knygos turinys, o ne jos išvaizda :)
Beje. Gal galit patarti su kuo geriau nuotraukas versti į pdf? Bandžiau dvi programas: Foxit PDFCreator (jis palieka kiekvienam puslapį pasiūlymus užsiregistruoti programą) bei Dopdf, jis nekokybiškai man verčia knygą (pirmus puslapius puikiai sudeda, bet paskutiniai lieka balti).

Fizikos istorija

Taip. Dabar man sesija. Taip, mokausi fizikos istorijos. Taip, tai velniškai įdomus dalykas, bet negaliu jam skirti labai daug laiko. Tikriausiai įsidėsiu fizikos istoriją į studijuojamų dalykų sąrašą ir kada nors ateity pasigilinsiu labiau. Visgi aš istorijos mėgėjas, bet neprofesionalas :)
Niutono darbai, Galilėjaus filosofijos, Grėjaus atrasta elektra, Bendžamino Franklino (taip taip, JAV Konstitucijos kūrėjo) žaibų aiškinimas, žaibolaidžio pasiūlymas, pagamintas pirmas kondensatorius. Kulono elektrostatiniai bandymai. Jungoo, Frenelio, Doplerio banginės šviesos teorijos kūrimas.
Praeityje mokslą plėtojo ir politikai (Franklinas) ir revoliucionieriai (Lazaras Karno, kurio sūnus taip pat tęsė fizikos tyrimus) ir paprasti žmonės. Tačiau dažnai tai būdavo universiteto profesorių sūnūs, paskaitas pradėję lankyti nuo 8-10 metų. Smagu biografijas paskaityti. Gal kada išsamiau aprašysiu ne kurių mokslininkų gyvenimus. O dabar... Pasakoju tik nuotrupas.
Ar žinote, kad Faradėjus, genialus mokslininkas, eksperimentatorius, išradėjas savarankiškai išsimokslino, todėl neturėdamas matematinių žinių savo darbuose praktiškai nenaudojo formulių?
Ar žinote, kad žymusis elektromagnetizmo lygčių išvedėjas Maksvelas buvo ir geras eksperimentatorius? Kita vertus valiūkiškai tiems laikams teoriniams skaičiavimams rėmėsi ne eksperimentu, o Faradėjaus samprotavimais.
Ar žinot, kad Hercas, elektromagnetinių bangų atradėjas netikėjo, kad jos gali tikti ryšiui (telefonams, radijui...)?
Ar žinot, kad Bekerelis radioaktyvumą aptiko tyrinėdamas, ar ultravioletiniai spinduliai sukelia Rentgeno spinduliuotę, bombarduodami liuminescuojančias medžiagas (viena iš retų liuminescuojančių medžiagų ir buvo urano rūda)?
Ar žinot, kad Plankas, įvedęs kvantus (fotonus), pats netikėjo, kad jie gali egzistuoti?
Ar žinot, kad Einšteinas Nobelio premiją gavo ne už reliatyvumą, o už fotoefektą?
Ar žinot, kad Tomsonai (tėvas ir sūnus) gavo Nobelio premijas? Tėvas už elektrono kaip dalelės atradimą. Sūnus už elektrono kaip bangos atradimą.
Ar žinot, kad Pauli pastebėjęs platų beta skilimo elektronų energijos spektrą, pusiau juokais konferencijoje užsiminė, kad gali būti tai nauja nežinoma dalelė neutronas. Fermi ant juokų jį pavadino neutrinu (neutroniuku, dėl jo itin mažos masės). Pats Pauli patikėjo, kad šis pokštas gali būti tiesa tik po dviejų metų.
Įdomi ta istorija. Kad ir atominė bomba - kodėl JAV ją kūrė? Nes manė, kad Vokietija ją kuria. Tačiau vokietijos mokslininkas Heizenbergas atkalbėjo Hitlerio vyriausybę nutraukti tyrimus, tipo neįmanoma sukurti jos. O amerikonai, kiaulės, ne tik sukūrė bombą, bet nepaisant visų mokslininkų protestų ir išbandė ją Japonijoje.