"Тайны и секреты компьютера" - читать интересную книгу автора (Орлов Антон)

Глава 15. Экраны на жидких кристаллах

Когда большинство людей слышат слово «компьютер», то они при этом обычно представляют себе два больших ящика, наполненных электроникой. Один из них — это системный блок. Ну, а второй — это монитор, основное устройство вывода информации.

Однако монитор не всегда должен быть "большим ящиком". Вы ведь неоднократно видели ноутбуки — портативные компьютеры, и их экран представлял из себя тонкую пластинку. А сейчас во многих фирмах, поставляющих компьютерные комплектующие, появились плоские мониторы, которые можно даже повесить на стену. И наверняка вас занимал вопрос об устройстве этих экранов, тем более что в отличие от описания принципов работы электронно-лучевых трудок, использующихся в телевизорах и компьютерных мониторах, в школьной программе про такие экраны не рассказывалось.

Называются эти экраны жидкокристаллическими — по основному их компоненту. По-английски это название звучит как Liquid Crystal Display, или сокращенно LCD. А действует он так.

Свет, который нас окружает, как все мы может узнать из курса школьной физики, имеет и волновые свойства. В частности, у каждой его единицы — волны есть такой параметр, как направление плоскости колебания — как, скажем, у веревки, которую одним концом привязали к забору, а другой конец дергают вверх-вниз, направление плоскости колебания будет вертикальным, а если ее дергать вправо-влево, то оно будет горизонтальным. Обычный свет от лампы, Солнца, свечи содержит в себе волны со всеми направлениями колебаний.

Существуют вещества с кристаллической структурой, которые обладают удивительным свойством — они способны пропускать через себя только волны света со вполне определенным направлением колебаний. В результате после прохождения пучка света через пластину из такого вещества (именуемую поляризационным фильтром) все его световые волны будут иметь одинаковое направление плоскости колебаний. Причем частотные характеристики каждой световой волны (то есть цвет пучка света) не изменятся — только немного уменьшится яркость пучка. Свет поляризуется — то есть все его волны приобретают одинаковое направление плоскости колебаний. Формируется плоскость поляризации света — то есть единственная оставшаяся плоскость, в которой происходят колебания световых волн после прохождения через поляризационный фильтр.

Вещества, именуемые жидкими кристаллами, обладают двумя важными свойствами. Во-первых, при прохождении через их слой поляризованного света его плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов. А, во-вторых, при подаче электростатического поля на слой жидких кристаллов их структура изменяется и такого поворота плоскости поляризации прошедшего через их слой света не происходит.

А теперь представьте себе «бутерброд» из двух поляризационных фильтров с плоскостями поляризации, перпендикулярными друг другу, а между ними — слой жидких кристаллов. Если эта конструкция находится вне электростатического поля, то свет проходит через первый фильтр, поляризуется, поворачивает свою плоскость поляризации на 90 градусов в слое кристаллов и свободно проходит через второй фильтр.

Но если на слой жидких кристаллов подать электростатическое поле, то плоскость поляризации проходящего через них света не повернется на 90 градусов и не пройдет через второй фильтр! Получится «затвор» для света — со стороны будет видно, как внезапно трехслойная конструкция стала темной, непрозрачной.

Более того — если изменять напряженность электростатического поля, то прозрачность слоя из фильтров и кристаллов будет постепенно изменяться! То есть при малой напряженности поля трехслойная конструкция будет лишь слегка замутненной, при средней — достаточно темной, а при сильном поле — полностью непрозрачной. Это и понятно — ведь чем мощнее поле, тем сильнее изменяется структура кристаллов и тем большее количество молекул кристаллов изменяют свою конфигурацию.

В LCD-мониторах используется именно этот эффект. Делается матрица из множества мелких жидкокристаллических ячеек. Каждые несколько (обычно три) стоящих вокруг одного центра ячеек соответствуют одному пикселу изображения. За матрицей и перед ней помещаются поляризационные фильтры с перпендикулярными направлениями поляризации. А к одному из этих фильтров прикрепляется сетка из красных, зеленых и синих светофильтров, каждый из которых точно совмещается с соответствующей ячейкой матрицы. К каждой ячейке матрицы подводится микроэлектрод для создания электростатического поля. А за всем этим сооружением размещается лампа для подсветки (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Один элемент жидкокристаллического экрана

В результате, управляя прозрачностью ячеек с жидкими кристаллами с помощью подачи на них электростатического поля, можно формировать изображение. Комбинируя сочетания количества красных, зеленых и синих ячеек в каждой их группе и различную прозрачность каждой ячейки, можно получать различные цвета. Чем больше возможность регулировать напряженность электростатического поля на каждой ячейке, тем больше разных цветов может экран передавать.

Для просмотра изображения на жидкокристаллическом экране не обязательно иметь подсветку. Можно использовать и отраженный свет. Только в этом случае дальний от экрана поляризационный фильтр следует заменить зеркалом. В этом случае вне действия электростатического поля свет пройдет через наружный фильтр, повернется в слое жидких кристаллов на 90 градусов, отразится от зеркала и снова пройдет через кристаллы, и в результате развернется на 180 градусов, что позволит ему вновь пройти через наружный фильтр. А при наличии на кристаллах электростатического поля этого не произойдет.

Используя полупрозрачный дальний от экрана фильтр, можно сочетать работу с задней подсветкой и работу в отраженном свете.

Для того, чтобы получить возможность подавать напряжение на каждую отдельную ячейку с жидкими кристаллами, под жидкокристаллическую матрицу, содержащую эти ячейки, помещается матрица такого же размера из тонкопленочных транзисторов, пропускающих свет. К каждому столбцу и строке транзисторов с края матрицы подводятся электроды. Транзисторы устроены так, что они создают электростатическое поле лишь тогда, когда и на строку, содержащую этот транзистор, и на его столбец будет подано определенное напряжение. Подавая ток на электроды строк и столбцов, можно тем самым управлять каждым транзистором. Процесс преобразования данных, посылаемых видеокартой компьютера, в сигналы транзисторам выполняет специальный преобразователь, встроенный в монитор.

Нетрудно понять все трудности при разработке и производстве жидкокристаллических дисплеев. Во-первых, сделать матрицу с миллионами ячеек с одинаковым качеством нелегко — ведь экран с разрешением 1024*768 точек имеет 786432 точки-пиксела, каждый из которых состоит из трех единиц — красного, зеленого и синего субпикселов. То есть всего в экране такого разрешения должно быть 2359296 (т. е. больше двух миллионов!) жидкокристаллических ячеек. Добиться, чтобы они все полноценно работали, очень трудно — наверняка некоторые из ячеек окажутся дефектными и не будут пропускать свет. Поэтому жидкокристаллические мониторы с большим размером экрана делают из двух-трех отдельных матриц, соединяя их вместе.

Для того, чтобы жидкокристаллический монитор мог передавать оттенки цветов, необходимо точно дозировать напряжение на каждой из ячеек, а транзисторы, предназначенные для этого, покамест не обладают такой возможностью. Кроме того, трудно добиться нормальной яркости изображения, особенно при работе в отраженном свете, — ведь при этом свету надо проходить через множество светофильтров. Поэтому обычный цвет LCD-экрана, работающего в отраженном свете — серый.

В отличие от мониторов на электронно-лучевых трубках среди жидкокристаллических дисплеев нет двух одинаковых. Каждая матрица — уникальна. Поэтому при приобретении такого монитора следует внимательно осматривать каждый предлагаемый экземпляр на предмет качества изображения, количества дефектных ячеек.

Перспективы

В связи с сложностью производства, дороговизной комплектующих и хрупкостью конструкции жидкокристаллические мониторы пока не столь широко распространены, как это хотелось бы пользователям и производителям. Поэтому в последнее время ведутся разработки альтернатив LCD-дисплеям, которые, обладая их достоинствами, в то же время были бы лишены их недостатков. А основные достоинства экранов на жидких кристаллах — малая толщина, полная безвредность и высокое качество изображения. Оно не мерцает, а поэтому дает возможность работать зат монитором очень долго без усталости глаз. Но есть и недостатки — помимо стоимости и сложности, LCD-мониторы обладают слабой контрастностью и невысоким углом обзора: чтобы все цвета на таком экране были переданы правильно, на него необходимо смотреть спереди в упор.

Для формирования изображения нужно выполнить две задачи. Первая — указать каждой точке картинки, каков должен быть ее цвет. И второй — сделать так, чтобы она именно в этот цвет и окрасилась. К примеру, в электронно-лучевой трубке указывает цвет обегающий экран электронный луч, а собственно его создает люминофор, нанесенный в каждой точке экрана и светящийся под влиянием луча. А в LCD-дисплеях цвет каждой точке указывает сетка электродов, располагающаяся под жидкокристаллической матрицей, а само изображение получается в результате прохождения света через эту матрицу и набор светофильтров. Задача указания каждой точке ее цвета в настоящее время решается вполне успешно, и создать сетку электродов для высокого разрешения можно. А вот вырастить матрицу с такими мелкими кристаллами непросто. Поэтому основным направлением инженерных поисков является именно разработка способов формирования изображения из точек.

· В компании Xerox создается совершенно новый тип экрана для вывода информации. Такой дисплей, сейчас именуемый Gyricon, будет состоять из двух листов гибкого прозрачного материала, между которыми находятся микроскопические пластмассовые шарики. У каждого шарика один полюс заряжен положительно и окрашен черным, а другой несет противоположный заряд и окрашен в белый цвет. С помощью хитроумных технических решений на каждый шарик подается электростатическое поле нужной ориентации, в результате чего шарик поворачивается к экрану той или другой стороной. Примерно по такому же принципу работают некоторые иногда встречающиеся информационные табло в аэропортах, на вокзалах, только размеры шариков там побольше.

Разработчики считают, что с помощью технологии Gyricon можно достичь такого же качества отображения текста на экране, как и на распечатке лазерного принтера (т. е. 400*600 точек на дюйм). Преимущества такой технологии очевидны — внешний вид текста ничем не будет отличаться от обычного листа бумаги, контрастность будет зависеть всего лишь от насыщенности окраски шариков. Кроме того, дисплей можно сделать гибким. Вместе с тем наличие большого количества движущихся частиц вызывает опасения за долговечность такого монитора — несмотря на масляное заполнение пространства между шариками вполне возможно нарушение их взаиморасположения. Будем надеяться, что исследователям Xerox удастся справиться со всеми этими трудностями.

· Компании E Inc и Bell Labs, подразделения корпорации Lucent Technologies, в своих лабораториях разработали оригинальный способ создания изображения с помощью электрофореза. Общий принцип этой технологии таков. При электрофорезе (который, в частности, давно и успешно применяется в медицинских лабораториях для исследования белкового состава крови) на какой-либо носитель, к примеру, гель или фильтровальную бумагу, помещается смесь солей органических веществ с крупными, но разными размерами молекул, и добавляется растворитель — обычно вода. При этом соли будут диссоциировать — то есть разделяться на неорганический ион и органическую крупную молекулу. Скажем, натриевая соль какого-либо белка разделится на положительно заряженный ион натрия и отрицательно заряженный ион этого белка. Если подать на этот носитель электростатическое поле, то ионы натрия отправятся к отрицательному электроду, а ионы белков — к положительному.

Но ионы тех белков, молекулы которых крупнее, будут двигаться медленнее, а ионы белков с мелкими молекулами — быстрее. В результате на носителе образуются области, в которых будут располагаться разные белки. Ближе всего к положительному электроду — легкие белки, дальше всего — тяжелые. Процесс обратим — если поменять полярность электростатического поля, то ионы белков поползут обратно.

Отсюда вытекает и тот способ формирования изображения, который предложили компании E Inc и Bell Labs. На бумагу, ткань, пластик или металл помещается множество прозрачных микрокапсул со смесью солей двух белков в растворителе. Причем один из этих белков имеет большую молекулу и черный цвет, а другой — маленькую молекулу и белый цвет. Если подать на капсулу электростатическое поле, то белый белок передвинется в капсуле к тому ее концу, который окажется заряжен положительно. Скажем, если положительный заряд был подан на поверхность экрана из таких микрокапсул, то в этом месте на экране возникнет белая точка, а если на подложку — то черная.

В настоящее время достигнуто разрешение 600 точек на дюйм, что соответствует распечатке неплохого струйного принтера.

Преимуществами этой технологии является возможность создания контрастного и четкого изображения, а недостатком — малая скорость его обновления — около 10 кадров в секунду. В отличие от описанной выше технологии Gyricon капсулы жестко закреплены и могут располагаться на любом носителе, что повышает надежность экрана, созданного по этой «электрофорезной» технологии. (Представьте себе утреннюю газету на полотенце.) Кроме того, если создать белковые молекулы других цветов, то можно разработать и цветной дисплей — скажем, добавив на носитель капсулы со смесью пурпурного и белого, желтого и белого, голубого и белого цветов.[42]

· Ученые английской компании Cambridge Display Technology обнаружили, что вещество полифениленвинилен может светиться желто-зеленым цветом, если его разместить между парой электродов. Ну, а от такого открытия недалеко и до разработки дисплея на основе ячеек из полифениленвинилена. Уже создан опытный образец с диагональю в 5 см. Такой дисплей светится сам и, в отличие от описанных выше двух технологий, допускает сколь угодно быструю смену кадров. То есть на электронной книге, созданной на основе полифениленвинилена, можно будет без проблем даже поиграть в Quake!

В общем, через некоторое время внешний вид наших компьютеров может радикально измениться. Войдут в практику так называемые "электронные книги", то есть мини-компьютеры, состоящие фактически из экрана и памяти и предназначенные исключительно для чтения текстов. Может быть, экран можно будет вешать на стену или даже нашить на рукав одежды. Посмотрим.