Skystųjų kristalų ekranas (LCD): kas tai ir kaip veikia

Skystųjų kristalų ekranas (LCD) – tai plonas, plokščias skydelis, kuris pats šviesos negamina, bet leidžia pro save praeiti arba blokuoja šviesą. (Skirtingai nei šviesos diodas, jis nėra savaiminis šviesos šaltinis.) Ekranas sudarytas iš daugelio mažų elementų (pikselių), o kiekvienas pikselis gali užimti įvairias formas ir dydžius. Pikseliai pripildyti skystųjų kristalų, kurių optinės savybės keičiasi priklausomai nuo elektrinio lauko – taikant įtampos impulsą, skystieji kristalai gali keisti savo orientaciją ir taip leisti arba blokuoti praeinančią šviesą. Skystųjų kristalų ekranai dažnai sutrumpintai vadinami LCD.

Kaip tai veikia (supaprastintai)

• Ekrano gale arba už jo yra šviesos šaltinis (foninis apšvietimas) arba ekran leidžia naudoti aplinkos šviesą.
• Šviesa praeina pro pirmąjį poliarizatorių, tada pro skystųjų kristalų sluoksnį, kurių orientacija priklauso nuo pritaikytos įtampos.
• Skystieji kristalai keičia praeinančios šviesos polarizaciją; antras poliarizatorius arba leidžia šiai šviesai išeiti, arba ją užblokuoja – taip susidaro šviesūs arba tamsūs pikseliai.
• Norint gauti spalvas, kiekvienas pikselis suskaidomas į tris subpikselius su spalvų filtrais – raudonu, žaliu ir mėlynu (RGB).

Pagrindinės konstrukcijos dalys

• Du ploni stikliniai substratai su laidžiais šviesą praleidžiančiais elektrodais (dažnai padengtais ITO).
• Skystųjų kristalų sluoksnis, esantis tarp substratų, kurio molekulės orientuojamos specialiomis poliravimo dangomis.
• Poliarizatoriai – vienas priekinis ir vienas galinis, reikalingi kontroliuoti praeinančios šviesos polarizaciją.
• Spalvų filtrai subpikseliams (RGB), kurie sudaro vaizdo spalvas.
• Valdymo elektronika – pasyviniai arba aktyviniai tinkleliai (pvz., TFT) leidžiantys valdyti kiekvieną pikselį atskirai.
• Foninis apšvietimas – LED arba CCFL, arba ekrano konstrukcija gali būti perduodamojo tipo (naudojanti išorinę šviesą).

LCD tipai

• TN (Twisted Nematic) – greitas reagavimas, pigesni, bet ribotos žiūrėjimo kampų ir spalvų atkūrimo galimybės.
• IPS (In-Plane Switching) – geresni žiūrėjimo kampai ir spalvų tikslumas, plačiai naudojami monitoriuose ir planšetėse.
• VA (Vertical Alignment) – aukšta kontrasto vertė, gilūs juodi atspalviai, bet gali būti vidutinis reagavimo laikas.
• Pasyvinis vs aktyvinis valdymas – senesni pasyviniai (matriciniai) ekranai tinka paprastiems rodmenims (pvz., skaitmeniniai laikrodžiai), o šiuolaikiniai aktyvūs TFT ekranais užtikrina greitą, aukštos raiškos vaizdą.

Foninis apšvietimas

LCD ekranai savaime neskleidžia šviesos, todėl jie dažnai turi įmontuotą foninį apšvietimą. Tai gali būti:

• LED – šiuolaikinis sprendimas (kraštinis arba tiesioginis apšvietimas), taupo energiją ir leidžia geresnį ryškumą bei kontrastą.
• CCFL (šaltojo katodo fluorescencinė lemputė) – anksčiau plačiai naudotos, bet reikalauja daugiau energijos ir gali turėti šiek tiek mažesnį kontrastą.
• Atspindžiuojantis arba transflective dizainas – kai ekrano konstrukcija leidžia naudoti ir aplinkos šviesą (pvz., laikrodžiai, kišeninės skaitmeninės priemonės).

Privalumai ir trūkumai

• Privalumai: plonos konstrukcijos, mažesnis energijos suvartojimas nei CRT, didelės raiškos galimybės, plačiai pritaikomi (telefonai, monitoriai, televizoriai).
• Trūkumai: nėra tobulo juodo fono (ypač senesni modeliai), riboti žiūrėjimo kampai (priklausomai nuo tipo), galimas judesio suliejimas dėl riboto reagavimo laiko, priklausomybė nuo foninio apšvietimo.

Pritaikymas ir panaudojimo sritys

Skystųjų kristalų ekranai dažnai naudojami baterijomis maitinamuose prietaisuose, pavyzdžiui, skaitmeniniuose laikrodžiuose ar skaičiuotuvuose, nes kai kuriems tipams nereikia stipraus apšvietimo ir jie sunaudoja mažai elektros energijos. Taip pat LCD yra plačiai naudojami kompiuterių monitoriuose, televizoriuose, išmaniuosiuose telefonuose ir kitose prietaisų grupėse. Daugelis ekranų veikia puikiai, kai aplink yra pakankamai šviesos (transmisiniai arba refleksiniai dizainai), tačiau daugelyje vartotojo prietaisų papildomai montuojamas foninis apšvietimas.

Keletas techninių pastabų

• Atsako laikas (ms) – svarbu vaizdo judesiams; mažesnis laikas reiškia mažiau judesio suliejimo.
• Raiška ir pikselių tankis – lemia vaizdo aštrumą; didesnis PPI skirtas mažesniems atstumams (pvz., telefonams).
• Kontrastas – nurodo skirtumą tarp šviesiausio ir tamsiausio taško; VA panelės dažnai turi aukštą kontrastą.
• Spalvų gylis ir filtrų kokybė – svarbios profesionaliam vaizdo apdorojimui ir fotografijai.
• Aplinkos sąlygos – stipri saulės šviesa gali sumažinti matomumą, jei foninis apšvietimas nepakankamas.

Priežiūra ir aplinkosauga

LCD ekranai paprastai nereikalauja daug priežiūros – reikia vengti stipraus mechaninio poveikio, ilgo veikimo aukšta temperatūra ir tiesioginių smūgių. Senesnėse įrangoje su CCFL foniniu apšvietimu gali būti naudojamas gyvsidabris, todėl (remonto ar utilizacijos atveju) reikėtų paisyti atliekų tvarkymo taisyklių.

Apibendrinant, LCD yra plačiai paplitusi ekrano technologija dėl savo plonumo, galimybės rodyti aukštos raiškos vaizdą ir santykinai mažo energijos suvartojimo. Vis dėlto sprendžiant, ar pasirinkti LCD, verta atsižvelgti į tokias savybes kaip kontrastas, žiūrėjimo kampai ir foninio apšvietimo tipas.

Statyba

Skystųjų kristalų ekrane naudojama elektrooptinės moduliacijos technologija. Tai reiškia, kad naudojant elektrą keičiama, kiek šviesos per jį praeina.

Kiekvienas LCD ekrano pikselis (blokas) yra sudarytas iš plono molekulių sluoksnio, esančio tarp dviejų elektrodų ir dviejų poliarizacinių filtrų. Elektrodai tiekia elektros energiją skystųjų kristalų sluoksniui ir neužstoja šviesos. Šviesa sklinda pagal poliariškumą arba kryptį, o poliarizacinis filtras praleidžia tik vieno poliariškumo šviesą, tarsi bandydamas įkišti liniuotę pro siaurą angą. Liniuotė tilps tik tada, kai bus tinkamai išrikiuota. Šie du filtrai yra statmeni vienas kitam, todėl siauros angos yra skirtingomis kryptimis. Tai reiškia, kad jei tarp jų nebūtų skystųjų kristalų, jie užstotų visą šviesą - bet kokia šviesa, patekusi pro pirmąjį filtrą, neprasiskverbs pro antrąjį.

Skystųjų kristalų sluoksnis tarp dviejų filtrų gali "pasukti" šviesą taip, kad pasikeistų jos poliariškumas. Tai reiškia, kad šviesa gali praeiti pro abu filtrus ir pikselis atrodo skaidrus. Kai skystieji kristalai veikiami elektros srove, molekulės išsisuka ir šviesos nepakeičia. Tada filtrai blokuoja šviesą ir pikselis atrodo tamsus.

Kai ekrane reikia daug pikselių, tampa sunku turėti pakankamai laidų ir elektrodų kiekvienam pikseliui valdyti ir išlaikyti švarų ekraną. Vietoj to ekranas yra multipleksuojamas. Multipleksiniame ekrane vienoje ekrano pusėje esantys elektrodai sugrupuojami ir sujungiami laidais (paprastai stulpeliais). Kitoje pusėje elektrodai taip pat sugrupuoti (paprastai eilutėmis), o kiekvienai grupei skirtas įtampos kriauklė. Įjungus vieną eilutę ir vieną stulpelį, kiekvieną pikselį galima valdyti po vieną.

LCD žadintuvas


LCD ekranas su viršutiniu poliarizatoriumi, nuimtu nuo prietaiso ir uždėtu ant viršaus taip, kad viršutinis ir apatinis poliarizatoriai būtų lygiagretūs.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra skystųjų kristalų ekranas?

K.: Ar skystųjų kristalų ekranas pats gamina šviesą?

K: Kodėl LCD dažnai naudojami baterijomis maitinamuose prietaisuose?

K: Kaip dažnai sutrumpintai vadinami skystųjų kristalų ekranai?

K: Kur dažniausiai naudojami skystųjų kristalų ekranai?

K.: Ar visiems LCD ekranams reikalingas foninis apšvietimas?

K: Kas įmontuota į tokius gaminius kaip išmanieji telefonai, kompiuterių monitoriai ir televizoriai, kad būtų užtikrintas foninis apšvietimas?

Paieška pagal raidę