Рідкокристалічні телевізори

Рідкокристалічні екрани (РКЕ) відносяться до пристроїв прямого відтворення телевізійних зображень.

Пристрої відображення інформації на рідких кристалах (liquid-crystal display - LCD) вже тривалий час використовуються як абетково-цифрові та графічні індикатори (монітори) комп’ютерів. Для останнього десятиріччя характерне все ширше використання таких пристроїв у телебаченні. Це перш за все відтворювальні пристрої у відеокамерах та камкордерах, які мають екрани відносно невеликого розміру - у декілька сантиметрів за розміром діагоналі. Інтенсивні дослідження у галузі РКЕ привели до створення екранів, які за всіма параметрами, включно з розмірами, відповідають вимогам до телевізійних приймачів.

Принцип дії РКЕ ґрунтується на залежності оптичних властивостей рідких кристалів від напруженості електричного поля. Важливо, що рідкі кристали здатні змінювати кут поляризації світлового випромінювання, яке проходить крізь них.

За принципом будови РКЕ відносяться до матричних приладів з жорстким розташуванням відтворювальних елементів - пікселів. РКЕ - це багатошарова структура яку ілюструє рисунок 1.

Достатньо інтенсивне джерело світла (ДС) білого кольору знаходиться за оптичним розсіювачем (R). Проходячи крізь перший поляризаційний фільтр (ПФ1), світло поляризується в горизонтальній (за рисунком) площині і поступає далі на шар рідких кристалів (РК), що знаходиться між тильним склом (ТС) та фронтальним склом (ФС). На тильному склі нанесені електрично розділені і прозорі для світла горизонтальні електроди (ГЕ), вертикальні електроди (ВЕ), а також електроди комірок

Рисунк 1. Структура екрана на рідких кристалах

(на рисунку не показані), якими фактично і утворюються комірки матриці - кількість перетинів ГЕ з ВЕ відповідає потрійній кількості пікселів, оскільки кожний піксел для забезпечення можливості відтворення кольорових зображень складається з трьох субпікселів. На фронтальне скло нанесені оптично прозорий спільний електрод (СЕ) та матриця кольорових (R, G, B) фільтрів (КФ). Структуру завершує другий поляризаційний фільтр (ПФ2), площина поляризації якого є ортогональною до площини поляризації ПФ1. Відповідною комутацією, за допомогою зовнішньої схеми, напруг на горизонтальному та вертикальному електродах, створюється напруга між електродом комірки та спільним електродом. Під впливом напруженості електричного поля, яке при цьому виникає у зоні комірки, змінюється кут поляризації світла і тим самим змінюється світловий потік, який проходить через дану комірку і далі - через кольоровий фільтр і другий поляризаційний фільтр у бік глядача. Інтенсивність світла, яке проходить назовні, залежить від величини напруги, що дозволяє отримувати пікселі з різною яскравістю.

Застосування пристроїв відображення на рідких кристалах у телебаченні стало можливим у результаті створення їх різновиду, який називають рідкокристалічними екранами з активною матрицею (Active-Matrix Liquid-Crystal Display - AMLCD). У таких екранах кожна комірка містить електронний ключ на основі транзистора і накопичувальний конденсатор, виконані за тонкоплівковою технологією. Наявність тонкоплівкового транзистора обумовлює ще одну назву таких екранів - рідкокристалічні екрани з тонкоплівковими транзисторами - РКЕТПТ (Thin Film Transistor Liquid-Crystal Display - TFT-LCD).

На рисунку 2, а у загальному вигляді показано переріз комірки РКЕТПТ, де додатково позначено: С – спейсер (елемент, який задає відстань), ТПТ - тонкоплівковий транзистор, НК - накопичувальний конденсатор, В - вивід, П – проставка, І - ізолятор, ЕСП – електрод субпіксела (комірки). Кольоровий фільтр КФ над даною коміркою є, наприклад, червоним.

Рисунок 2. Будова (а) та схема (б) комірки РКЕ

Рисунок 2, б ілюструє комірку з урахуванням її електричної схеми, а саме, наявності вертикальних ВЕ та горизонтальних ГЕ електродів, тонкоплівкових транзистора ТПТ та накопичувального конденсатора НК. На рисунку зображено також електрод субпіксела ЕСП, над яким знаходяться рідкі кристали, а відтак спільний електрод СЕ. При відкритому стані транзистора, який забезпечується поданням відповідної напруги на електрод ГЕn+1 між ЕСП та СЕ за рахунок напруги, поданої на електрод ВЕm (це і є напруга відеосигналу, який відповідає даному субпікселу у телевізійному зображенні), утворюється електричне поле, яке визначає стан молекул рідкокристалічної речовини комірки, а отже, й інтенсивність світлового потоку, який проходить крізь комірку. Одночасно відбувається заряд ємності НК, що дозволяє утримувати визначений напругою стан рідких кристалів комірки до моменту надходження відеосигналу даного субпіксела у наступному телевізійному кадрі. Поданням напруг на електроди інших комірок матриці забезпечується горизонтальне та вертикальне сканування, тобто відтворення всіх пікселів кадру телевізійного зображення.

Щоб отримати кольорове зображення, піксел формують з трьох розташованих поруч субпікселів, кожен з яких знаходиться за фільтром червоного R, зеленого G та синього В кольорів. Структуру фільтрів показано на рисунок 3.

Рисунок 3. Структура кольорових фільтрів РКЕ

Товщина шару рідких кристалів складає 4...5 мкм. При цьому для керування станом комірки достатня напруга 2...4 В. Порівняно з кінескопами споживана потужність РКЕ є майже на 50% меншою. Типовими є розміри екрана по діагоналі в межах 43...60 см (17"...23"), однак реалізовані вже екрани з розміром діагоналі біля 150 см (57"). Для екранів різних розмірів крок комірок складає від 0,26 мм до 0,13 мм (98 dрі...200 dрі). Товщина пристрою відтворення зображень на основі РКЕ не перевищує кількох сантиметрів. Одним з вузьких місць РКЕ є часова інерційність. При подаванні напруги на комірку молекули рідких кристалів набувають кінцевої просторової орієнтації з певною затримкою у часі. Цей недолік долають шляхом формування спеціальних керуючих сигналів. Іншою вадою РКЕ певних типів є порівняно невеликий кут спостереження - 900 по горизонталі і тільки 450 по вертикалі. Разом з тим яскравість (150..400 кд/м2) та контраст зображення (близько 500) є цілком задовільними.