Как работает жки индикатор

1.Жидкокристаллические индикаторы

Принцип действия жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) основан на изменении оптических свойств жидких кристаллов под действием электрического поля. В отличие от активных индикаторов ЖКИ не генерируют оптическое излучение, а модулируют его интенсивность за счет изменения таких характеристик, как амплитуда, фаза, длина волны, плоскость поляризации и направление распространения.

Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) являются пассивными индикаторами, преобразующими падающий на них свет.

Жидкокристаллическое или мезоморфное состояние — это состояние вещества, при котором оно обладает свойствами, присущими как твердым кристаллам, так и жидкостям.

идкие кристаллы (ЖК) – это анизотропные жидкости, электрические и оптические свойства которых зависят от направления их наблюдения. В ЖК наблюдаются электрооптические эффекты, связанные с движением вещества: — динамическое рассеяние(ДР), а также с поворотом молекул в электрическом поле — твист-эффект (ТЭ) и эффект гость — хозяин (Г-Х).

Конструкции жки

Конструктивные схемы ЖКИ показаны на Рис.1.

Основой простейшего индикаторного элемента с использованием ЖК являются две стеклянные пластины. Вне зависимости от используемого электрооптического эффекта ЖКИ разделяются на два класса: индикаторы, работающие на просвет, и индикаторы, работающие на отражение. У первых (Рис.1.а) обе стеклянные пластины прозрачны; электродами служат прозрачные электропроводящие пленки (например, двуокись олова), между которыми помещено ЖК вещество. За индикатором помещается источник света. Цвет и яркость индикатора определяются цветом и яркостью источника света. У вторых: (Рис.1.б) «задний» электрод изготовлен в виде зеркала. Такой индикатор использует внешнее отражающее освещение (специальная подсветка отсутствует).

Рис.3

онфигурация электродов индикатора определяется либо формой исходных стеклянных пластин, либо технологией металлизации. Как правило, пластины и электроды плоские, но в ряде приборов внутренняя поверхность задней пластины имеет сложную форму (Рис.2), образующую ряд оптических элементов, обеспечивающих отражение излучения в направлении источника света.

В ЖКИ, работающем на основе ДР, при приложении электрического поля напряжённостью около 5 кВ/см (примерно 30 В — к пленке ЖК толщиной 0,25 мм) молекулы переориентируются, возникают турбулентность и сильное оптическое рассеяние. Материал, прозрачный в отсутствие поля, становится непрозрачным. В таком ЖКИ, работающем на отражение, задний электрод представляет собой зеркало, на котором при подаче напряжения появляются участки молочно-белого цвета, форма которых соответствует конфигурации электродов. Для повышения однородности и четкости изображения, а также срока службы на поверхность проводящих слоев наносится тонкое химически инертное по отношению к ЖК оптически прозрачное покрытие. Материалом таких покрытий служат винилацетатные смолы, смолы на основе этилена, эпоксидные компаунды и т.д. (Рис.3).

Заднюю стеклянную пластину индикатора чернят (Рис.4); тогда на черном фоне возникает белое изображение.

Рис.4

ЖКИ с использованием ТЭ, работающем на отражение, стеклянные пластины расположены между двумя скрещенными поляризаторами, за задним из которых помещен диффузный отражатель. Поверхности пластин, обращенные к ЖК, полируются, чтобы молекулы ЖК в слоях, прилегающих к ним, ориентировались во взаимно перпендикулярных направлениях; в промежуточных слоях осуществляется постепенный поворот направлений ориентации. В отсутствие электрического поля длинные оси молекул ЖК плавно поворачиваются на 90 0 , так что оси поляризации правой и левой плоскостей кристалла оказываются расположенными под прямым углом. В этом случае свет, проходящий через поляризатор, падает на ЖК слой и, поворачиваясь на 90 0 за счёт расположения молекул ЖК, достигает второго поляризатора. Т.о. оба поляризатора оказываются прозрачными для падающего света; свет проходит через индикатор. При наличии электрического поля ориентация молекул изменяется, плоскость поляризации света, проходящего через индикатор, не вращается и свет не проходит через индикатор. Так как отражатель диффузный, на слабоокрашенном сером фоне отображаются темные знаки.

В ЖКИ на основе ТЭ, работающем на просвет, поляризаторы устанавливают так, чтобы их плоскости поляризации были параллельны друг другу. Индикатор не пропускает свет в отсутствие электрического поля и пропускает при подаче напряжения.

В индикаторах на эффекте Г-Х тонкий слой ЖК — «хозяина» взаимодействует с молекулами «гостя» (красителя). Слой ЖК — хозяина за счет поглощения световой энергии при отсутствии электрического поля приобретает характерную для красителя (гостя) окраску: под воздействием электрического поля он обесцвечивается. Но существуют также вещества гостя и хозяина, в которых окрашивание происходит под воздействием электрического поля. Цветовые различия в индикаторах на эффекте Г-Х хорошо воспринимаются в условиях высокой освещенности даже при небольшом яркостном контрасте. Для повышения механической прочности и влагостойкости ЖКИ используют специальные защитные конструкции.

Индикаторы на эффекте ДР и ТЭ преимущественно применяются там, где экономичность играет решающую роль: в электронных наручных часах, микрокалькуляторах с автономным питанием, портативных многофункциональных измерительных приборах, индикаторах для переносных радиоприемников, магнитофонов, автомобильных индикаторных устройствах и т. п.

Рис.5

жидкокристаллических индикаторах, предназначенных для работы в условиях низкой освещенности (менее 35 кд/м 2 ), применяют подсветку.

Основные параметры ЖКИ:

1. Контрастность К и пропускание — это отношение интенсивности света, выходящего из ЖК ячейки в исходном состоянии, к интенсивности света в возбужденном состоянии ЖК ячейки называется пропусканием, если наблюдение ведется в направлении навстречу входящему лучу и контрастностью во всех других случаях.
2. Пороговое напряжениеUnop и управляющее напряжение Uynp. Эти значения напряжений определяются по коэффициенту рассеяния света в ячейке (Кр). Зависимость коэффициента рассеяния света от напряжения, приложенного к электродам ячейки, показана на Рис.5. Пороговое напряжение Unop соответствует значению Кр=0,05. Управляющее напряжение Uупр — значению Кр=0,5. Значение Uпор для индикатора, использующего эффект ДР, увеличиваться на низких и высоких частотах (индикатор становится менее эффективным). Индикаторы на основе ТЭ обычно используют на частотах 1. 10 кГц. В справочных данных индикаторов указывают рекомендуемую частоту управляющего напряжения.
3. Время включения (реакции) Твкл – это время, в течение которого контрастность достигает 90% установившегося значения.
4. Время выключения (релаксации) Твыкл – это время уменьшения контрастности от 90 до 10% установившегося значения.
5. Долговечность. В процессе эксплуатации ЖКИ изменяется внешний вид информационных полей, что проявляется как ухудшение и исчезновение контраста между активными и пассивными зонами, увеличивается время реакции. Изменения внешнего вида и времени реакции является следствием электрохимических явлений на границе жидкокристаллического вещества (ЖКВ) — поверхность подложки. Скорость деградационных процессов в основном определяется постоянной составляющей напряжения возбуждения, предельно допустимое значение которого указывается в справочных данных. Наличие постоянной составляющей приводит к электролизу ЖКВ, в результате которого возникает газовыделение в объёме ЖКВ, образуются пузырьки газов, визуально воспринимаемые как чёрные точки. Электроды индикатора (проводящие плёнки) теряют свою прозрачность, и сегменты становятся видимыми в отсутствие напряжения возбуждения. В результате старения нарушается ориентация молекул ЖКВ и растет ток, потребляемый индикатором. Ток также может расти за счет проникновения влаги через слой герметика. Влага разрушает ЖКВ.

1. малая потребляемая мощность (для ЖКИ на основе твист — эффекта удельная мощность потребления единицы мкВт/см 2 );
2. низкие рабочие напряжения (1,5. 5 В);
3. хорошая совместимость с КМОП — микросхемами;
4. удобное конструктивное исполнение — плоская форма экрана и ограниченная толщина индикатора (до 0,6 мм);
5. возможность эффективной индикации в условиях сильной внешней засветки;
6. большая долговечность (около 10-12 лет непрерывной работы).

1. сравнительно низкое быстродействие;
2. ограниченный угол обзора;
3. необходимость внешнего освещения.

3.3 Жидкокристаллические индикаторы и способы управления ими.

В настоящее время широкое распространение получили жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ). От светодиодных они отличаются тем, что не излучают свет, а лишь меняют коэффициент пропускания или поглощения света на определенных участках. При этом такие участки будут выглядеть темнее, либо светлее окружающих. Они могут быть выполнены в виде сегментов, либо точек.

ЖКИ формируют изображение лишь при наличии внешнего источника света, который может располагаться как перед индикатором, так и за ним.

Работа ЖКИ индикаторов основана на использовании специальных веществ, которые называются жидкими кристаллами. Их структура имеет свойства характерные как для жидкости (возможность перемещения молекул), так и для твердых тел – упорядоченность. Чаще всего для создания цифровых ЖКИ используются вещества, обладающие нематическими свойствами. Их молекулы представляют собой длинные нити, которые могут определенным образом ориентироваться. Такая ориентация в частности происходит под действием внешнего электрического поля.

В большинстве жидкокристаллических индикаторов используется эффект вращения плоскости поляризации. Свет представляет собой поток электромагнитного излучения, причем векторы электрического и магнитного полей могут в ходе распространения луча менять свое направление в пространстве (это характерно для неполяризованного света), а могут сохранять его (в этом случае свет считается поляризованным).

Свет от обычных источников (ламп накаливания, светодиодов, солнца и т. п.) неполяризован. Однако, пропуская световой поток через особым образом обработанные прозрачные пластинки (поляризаторы) со специальной структурой внешнего слоя, можно получить свет поляризованный в том или ином направлении.

Если два поляризатора расположить так, чтобы направления поляризации совпадали (рис. 3.17), то, пройдя через первый свет поляризуется, а так как направление поляризации у второй пластинки такое же, то он пройдет и через нее. Для наблюдателя такая структура будет прозрачной.

Если один из поляризаторов повернуть на 90 градусов (рис.3.18), то пройдя первый из них и получив вертикальное направление поляризации поток света не будет пропущен второй пластинкой (поглотится), так как направление ее поляризации горизонтально, а такой компоненты в дошедшем потоке нет. При освещении внешним источником данная структура будет казаться наблюдателю темной. Если первый поляризатор выполнить в виде набора участков в виде точек или полосок, направлением поляризации которых можно управлять независимо друг от друга, то удастся формировать различные знаки и символы. Однако такой способ управления на практике не используется, так как он требует механического воздействия на соответствующие элементы индикатора. В ЖКИ для изменения направления вектора поляризации применяются жидкие кристаллы.

Упрощенная структура ячейки жидкокристаллического индикатора приведена на рис. 3.19. Между двумя поляризаторами со скрещенными направлениями поляризации помещается тонкий слой жидкого кристалла нематической структуры, молекулы которого представляют собой длинные параллельные нити. Они располагаются вдоль осей поляризации на границах пластинок и плавно меняют свое направление в области между ними.

Если на такую структуру направить поток света, то после прохождения нижней пластинники он поляризуется и будет плавно менять направление поляризации по мере распространения к верхней, так как молекулы жидкого кристалла также выполняют роль поляризатора с изменяющимся в пространстве направлением. Поэтому до второй пластинки свет дойдет уже вертикально поляризованным и пройдет ее без поглощения. Для наблюдателя данная структура будет казаться прозрачной.

Если между пластинками поляризаторов приложить электрическое поле, то молекулы жидкого кристалла вытянутся вдоль него и дополнительного поворота плоскости поляризации света не произойдет. Световой поток будет поглощаться как в слое жидкого кристалла, так и вторым поляризатором. Так как в этом случае ячейка не пропускает свет, то она будет темной.

В жидкокристаллических индикаторах электрод заднего поляризатора делается сплошным, а электроды переднего выполняются в виде сегментов или точек. Они изготавливаются на основе токопроводящих окислов металлов, тонкие пленки которых прозрачны. Жидкие кристаллы являются диэлектриками, поэтому такой индикатор представляет собой аналог конденсатора и практически не потребляет тока от источника постоянного напряжения. Для управления им требуется очень маленькая мощность, составляющая единицы и доли микроватт на ячейку. Поэтому такие индикаторы находят широкое применение в автономных системах, питающихся от встроенных источников энергии.

Особенностью жидкокристаллической ячейки является относительно большое время реакции на воздействие электрического поля. Оно составляет десятки миллисекунд, в то время как светодиодные индикаторы являются практически безынерционными.

При использовании для управления индикатором постоянного напряжения долговечность его работы оказывается невысокой. Это связано с возникновением процессов электролиза жидкого кристалла и разрушением его структуры. Чтобы избежать данного эффекта для управления используют знакопеременное напряжение с частотой десятки герц. При этом молекулы жидкого кристалла будут периодически поворачиваться вслед за изменением направления поля, ячейка останется темной, но так как каждый из электродов попеременно будет выполнять роль анода и катода, то процессы электролиза не будут успевать развиваться. Вследствие того, что частоты управляющих сигналов низки, токи через соответствующие участки индикатора, представляющие собой конденсаторные структуры будут сравнимы с токам утечки.

Однако применение двуполярного напряжения в цифровых устройствах затруднено тем, что в этом случае потребуется второй источник питания и аналоговые управляющие схемы. Поэтому данная задача решается путем использования логических элементов, выполняющих операцию суммирования по модулю два, которые могут функционировать в качестве управляемого инвертора.

Если на один из входов такого элемента подать периодический сигнал с частотой, а на другой — информационный сигнал(рис. 3.20), то напряжение на его выходе будет совпадать с периодическим сигналом при нулевом значениии окажется в противофазе с ним при единичном значении (рис. 3.21).

При этом разность потенциалов между входом на который подается периодический сигнал и выходом будет равна нулю когдаи окажется знакопеременной в случае, если.

Для управления ЖКИ его общий электрод подключается к источнику периодического сигнала, а сегмент к выходу соответствующего элемента исключающее ИЛИ. Схема управления семисегментным индикатором в статическом режиме работы приведена на рис.3.22.

Вследствие относительно большой инерционности жидкокристаллических индикаторов реализовать рассмотренные ранее динамические системы управления не представляется возможным. Однако путем усложнения структуры ЖКИ и использования многофазных сигналов были построены динамические системы управления индикаторами сегментного и матричного типов.

В настоящее время разработаны жидкокристаллические индикаторы, сохраняющие состояние ячеек и при отключении питания.

Жидкокристаллические индикаторы широко применяются в различных устройствах для отображения символьной и графической информации. На их основе разработаны LCD (liquid crystal display) жидкокристаллические панели, представляющие собой матрицу ячеек, с возможностью независимого управления каждой из них.

Различают несколько разновидности таких панелей, в частности с пассивной (TN) и активной (TFT) матрицами. Упрощенная структура первой из них приведена на рис. 3.23. Конструктивно такая матрица представляет собой систему из двух стеклянных пластин, между которыми размещается слой жидкокристаллического вещества, а на пластины наносятся взаимно-перпендикулярные прозрачные электроды, соединенные со схемами управления столбцами C и строками R. Ячейка матрицы располагается на пересечении строки и столбца. Ее эквивалентную схему можно представить в виде совокупности резистора, конденсатора и светопропускающего клапана.

При отсутствии разности потенциалов на электродах ячейки матрицы прозрачны. На панель направляется свет от специального источника и в таком состоянии она выглядит как светящийся экран. Наличие между электродами соответствующих ячеек напряжения, превышающего определенный уровень, вызывает изменение положения молекул жидкого кристалла и эти ячейки перестают пропускать свет.

В местах их расположения появляются темные точки, из которых формируется изображение. Варьируя величину управляющего напряжения можно менять степень поворота молекул и коэффициент светопропускания ячейки, что позволяет воспроизводить градации яркости.

При формировании изображения осуществляется сканирование матрицы по строкам, для чего на каждую из них поочередно подается импульс напряжения отрицательной полярности U1. Одновременно на столбцы, связанные с ячейками, которые должны изменить свое состояние поступает положительный импульс с амплитудой U2. Это условно отображено на рис. 3.23 в виде знаков +,- и 0 для нулевого уровня управляющего сигнала.

При опросе первой строки и наличии положительного напряжения на столбцах С1 и С3 происходит перезаряд конденсаторов соответствующих ячеек (Я1, Я3) до некоторого положительного напряжения. К моменту окончания импульса опроса напряжение на ячейке Я2 из-за воздействия отрицательного потенциала строки станет отрицательным, а на Я4, вследствие положительного потенциала столбца С1 изменится в положительную сторону (рис.3.24).

В следующем такте сканирования, верхние обкладки конденсаторов ячеек Я1, Я3 окажутся соединенными с корпусом и к ним будет приложено суммарное напряжение величиной . Это вызовет перевод ячеек в непрозрачное состояние и формирование темных участков в местах их расположения. На данном интервале времени разность потенциалов на электродах ячеек Я2, Я4 недостаточна для изменения их состояния. После окончания сканирования строкиR3 изменит свое состояние ячейка Я9 и т.д. Полярность напряжения на ячейках периодически меняет знак, что не дает развиваться процессам электролиза.

LCD панель с пассивной матрицей проста по конструкции, но обладает рядом существенных недостатков. Из-за небольшого времени воздействия на ячейку напряжения превышающего пороговое (заштрихованная область на рис. 3.24) необходимо использовать жидкокристаллические материалы со значительным временем релаксации, то есть перехода после возбуждения в первоначальное состояние. Это не позволяет отображать быстроменяющиеся сцены. Кроме того, наличие остаточного напряжения на ячейках приводит к невысокой контрастности изображения, определяемой отношением яркости полностью затемненной и прозрачной ячеек. Еще одним недостатком является наличие связи между ними, что вызывает смазывание динамически меняющихся изображений. В настоящее время такие панели практически полностью вытеснены активными с тонкопленочными управляющими полевыми транзисторами.

Структура активной TFT (thin film transistor) матрицы и упрощенные временные диаграммы ее работы приведены на рис. 3.25 и рис. 3.26. Здесь работой каждой ячейки управляет полевой транзистор, изготовленный по тонкопленочной технологии и размещенный на индикаторной панели. Затворы транзисторов соединяются со строками матрицы, а истоки со столбцами.

Вмомент поступления положительного импульса на строку открываются транзисторы, связанные с ячейками данной строки. Конденсаторы тех ячеек, которые должны изменить свое состояние заряжаются под действием напряжения, подаваемого на соответствующие столбцы. При переходе к следующей строке, транзисторы предыдущей закрываются, а так как ячейка практически не потребляет тока, то ее состояние остается неизменным до следующего цикла сканирования, то есть в течение кадра.

Для того, чтобы предотвратить деградацию участков жидкого кристалла вследствие электролиза, напряжение на них должно периодически менять знак. С этой целью через кадр полярность импульсов, поступающих на столбцы меняется на противоположную.

В такой матрице ячейки (пиксели) оказываются электрически изолированными друг от друга, что обеспечивает хороший контраст изображения. Сохранение напряжения после снятия управляющего воздействия позволяет использовать жидкокристаллические вещества с малым временем релаксации. Это обеспечивает небольшое время отклика панели и возможность воспроизведения быстроменяющихся изображений.

В цветных LCD панелях каждый пиксель выполняется на основе трех независимо управляемых ячеек с соответствующими светофильтрами. При сложении красного, синего и зеленого цветов с различными интенсивностями формируются вся цветовая гамма в видимом диапазоне.

Новым направлением в системах отображения информации, работающих на отражение является использование так называемых электронных чернил. Базовыми элементами дисплеев на их основе являются микрокапсулы, внутри которых находятся окрашенные частицы двух цветов – белые, заряженные положительно и черные с отрицательным зарядом (рис. 3.27). Внутреннее пространство микрокапсулы заполнено прозрачной жидкостью.

Слои микрокапсул расположены между двумя рядами взаимно перпендикулярных электродов строк и столбцов, верхние из которых прозрачны. При подаче разности потенциалов на строку и столбец, в точке их пересечения возникает электрическое поле. Окрашенные частицы собираются у электрода с противоположным знаком потенциала. При этом соответствующая точки изображения (пиксел) окрасится в черный, либо в белый цвет, так как пигментные частицы, сгруппировавшиеся в верхней части микрокапсулы, скроют от наблюдателя нижний слой.

Дисплеи на базе электронных чернил, которые часто называются цифровой бумагой, способны сохранять изображения и при отсутствии питания, подача напряжения необходима лишь для изменения состояния пиксела. В качестве подложки используются: стекло, пластик, металлическая фольга и другие материалы. Такие устройства могут быть сделаны гибкими и имеют очень малую толщину.

В настоящее время недостатками устройств отображения на базе электронных чернил являются большое время переключения пиксела (0,5 – 1 сек.) и ограниченное количество воспроизводимых оттенков серого.

Контрольные вопросы.

1. С какой целью последовательно со светодиодом при его подключении к источнику напряжения устанавливается резистор?
2. Какова скважность восьмиразрядных систем динамической индикации, функционирующих по методу компарации и мультиплексирования?
3. Сколько внешних выводов у светодиодной матрицы размером 5×7?
4. В каком случае система скрещенных поляризаторов будет прозрачной – при наличии, либо при отсутствии жидкокристаллического вещества между ними?
5. Чем обусловлена необходимость двуполярного напряжения для управления ЖКИ?
6. Чем объясняется более высокая контрастность активной ЖКИ панели по сравнению с пассивной?

1.3. Жидкокристаллические индикаторы

Жидкие кристаллы (ЖК) были открыты в 1888 г. австрийским ученым-ботаником Ф. Рейницером, но толькои после 1968 г.по­лучили широкое практическое применение в индикаторных устройствах. ЖК занимают промежуточное место между твер­дым и жидким телом. Молекулы жидкого кристалла движутся подобно молекулам в жидкости, однако при этом остается оп­ределенная упорядоченность в их расположении. Эти вещества представляют собой органические соединения, обладающие, по­добно кристаллам, оптической анизотропией.

Жидкокристаллические молекулы имеют удлиненную палочкообразную или плоскую форму, которая геометрически спо­собствует параллельности их взаимной укладки. ЖК, как вид­но из рис.15 разделяются на 3 типа в зависимости от спосо­ба укладки молекул: нематические, смектические и холестерические. Сама молекула имеет удлиненную форму длиной несколько десятков ангстрем и шириной несколько анг­стрем. В индикаторах используются, в основном, нематические ЖК, хотя на практике часто смешивают два различных ЖК, расширяя тем самым интервал рабочих температур.

Укладка и движение молекул ЖК под действием внешнего электрического поля, тепла и других слабых воздействий изме­няется, что сопровождается изменением его оптических свойств. ЖК — индикаторы не излучают свет. В них индикация информации осуществляется при помощи изменения оптиче­ских свойств жидкого кристалла, что приводит к модуляции падающего светового потока.

ЖК — индикаторы недостаточно эффективны с точки зрения контрастности изображения, но, с другой стороны, обладают рядом достоинств: возможность исполнения в виде плоской конструкции, низкое управляющее напряжение, простота испол­нения управляющей схемы в виде ИС, малая потребляемая мощность и т.д. ЖК — индикаторы применяются для буквенно-цифровой индикации в часах и настольных микрокалькулято­рах. Расширяется область их применения в качестве плоских. телевизионных экранов больших размеров. Получена возмож­ность цветовой индикации.

а) б)

в) с)

Рис. 15. Типы жидких кристаллов: а—жидкость; б—нематический; в—смектический;

Оптические эффекты в жидких кристаллах

Электрооптические эффекты в ЖК подразделяются на то­ковые эффекты (динамическое рассеяние, эффект электриче­ского управления двулучепреломлением, «твист-эффект») и по­левые эффекты (фазовый переход, эффект «гость—хозяин»).

В большинстве ЖК-индикаторов используются электроопти­ческие эффекты, однако имеются ЖК-индикаторы, работающие за счет изменений оптических свойств под действием темпера­туры, как при термооптическом эффекте.

Динамическое рассеяние света. Если через слой нематического ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией про­пустить постоянный или переменный ток низкой частоты, то прозрачный слой ЖК мутнеет: происходит рассеяние света. Поскольку ЖК-ячейка довольно толстая (больше 6 мкм), раз­рушение ранее упорядоченной структуры и перевод слоя жид­кости в состояние турбулентности, в котором осуществляется рассеяние света, требует приложения сильного электрического поля. При подмешивании холестерического ЖК нематический ЖК будет испытывать влияние со стороны «закрученной» структуры его молекул. Возникает динамическое рассеяние све­та, которое сохраняется даже после снятия электрического по­ля. Это состояние устраняется приложением высокочастотного электрического поля, в котором исчезает динамическое рассея­ние.

Эффект электрического управления двулучепреломлением. На ориентацию молекул ЖК оказывает влияние состояние поверхностей пластин ЖК-ячейки. Если пластины обработать поверх­ностно-активным веществом, то, как показано на рис.16, можно получить гомеотропную упаковку молекул, перпендику­лярную пластинам, и гомогенную упаковку молекул, параллель­ную пластинам. На основе молекул с отрицательной диэлектри­ческой анизотропией создают ЖК с гомеотропной упаковкой. Вне ЖК-ячейки скрещенно размещают поляризатор и анали­затор. Для индикации используется свойство двойного лучепре­ломления, которое возникает при приложении к электродам электрического поля, вызывающего ориентацию молекул ЖК в направлении, параллельном пластинам. Этот эффект называ­ется также эффектом деформации вертикально ориентированной фазы. Свет, ставший линейно-поляризованным после про­хождения поляризатора, становится эллиптически поляризован­ным после прохождения ЖК-ячейки, обладающей свойством двойного лучепреломления. Тем самым интенсивностью света, прошедшего через ЖК-ячейку, можно управлять с помощью приложенного электрического поля. Так как интенсивность проходящего света зависит от длины волны, то, изменяя напря­жение, можно менять цветовой тон.

«Твист-эффект» реализуется при помощи однонаправленного натирания поверхностей пластин во взаимно перпендикулярных направлениях и введения нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией.

Рис.16. Упаковка молекул в ЖК: а—гомогенная; б—гомеотропная.

Прозрачный электрод

Рис.17. «Твист-эффект»: а—выключенное состояние (просветленное со­стояние индикатора); б — включенное состояние (темное состояние индика­тора).

Так как мо­лекулы жидкого кристалла между двумя пластинами оказыва­ются скрученными на 90°, то происходит поворот плоскости по­ляризации линейно-поляризованного света, прошедшего че­рез ЖК-ячейку. Если к электродам приложить напряжение, то укладка молекул в ЖК станет гомеотропной и ориентирован­ной перпендикулярно пластинам, и потому поляризация света, прошедшего через ЖК-ячейку, будет сохраняться. Когда плос­кости поляризации поляризатора и анализатора, установлен­ных по обеим сторонам ЖК-ячейки, параллельны (параллель­ный николь), приложение напряжения приводит к прохожде­нию света, а при отсутствии напряжения свет отсекается. В случае перпендикулярного николя получается обратная ха­рактеристика (рис. 17). При этом получается довольно низ­кое рабочее напряжение (менее 1 В).

Фазовый переход. ЖК-ячейка с примесью холестерического ЖК с положительной диэлектрической анизотропией рассеивает свет, образуя жидкокристаллическую непрозрачную ячейку мо­лочного цвета. При увеличении электрического поля, прикладываемого к электродам, все молекулы ЖК, за исключением близлежащих к пластинам, ориентируются в направлении электрического поля, образуя нематический жидкий кристалл с гомеотропной упаковкой молекул, и ЖК-ячейка становится прозрачной.

Рис.18. Оптический эффект «гость — хозяин» : а — без электрического поля, б – в электрическом поле

Оптический эффект «гость —хозяин». Краситель, обладающий свойством менять спектр проходящего света в зависимости от ориентации молекул, называется плеохроическим красителем. Если к жидкому кристаллу подмешать плеохроический краси­тель, тогда с помощью электрического поля оказывается воз­можным менять как ориентацию молекул ЖК, так и ориента­цию молекул плеохроического красителя,т.е. можно изменять цвет ЖК-ячейки. В такой ЖК-ячейке ЖК называют «хозяи­ном», а краситель — «гостем», а само явление называют опти­ческим эффектом «гость-хозяин». На рис.18 показано превращение ЖК р-типа с гомогенной упаковкой молекул в кристалл с гомеотропной упаковкой под действием электриче­ского поля. Аналогичная индикация осуществляется также в комбинированной системе, объединяющей в себе эффект фазо­вого перехода и эффект «гость — хозяин».

Термооптический эффект. Если нагреть ЖК, то он превратится в обычную изотропную жидкость, однако если ее охладить до первоначальной температуры, то упаковка молекул в ЖК бу­дет отличаться от первоначальной. Например, прозрачная смесь холестерического и нематического ЖК после однократного нагревания и последующего охлаждения до первоначальной температуры окажется непрозрачной. Если полученную непро­зрачную смесь поместить в высокочастотное электрическое поле, она вернется в исходное прозрачное состояние.

Способ возбуждения ЖК индикаторной панели

Жидкокристаллическая индикаторная панель представляет со­бой двумерную матрицу XY управляющих электродов. Точки пересечения электродов образуют ЖК-ячейки, которые возбуж­даются при приложении напряжения к соответствующей паре электродов, воспроизводя таким образом один элемент изобра­жения. На рис.19 приведена электрическая характеристика такой ЖК-ячейки. При приложении напряжения меньше поро­гового V_th ячейка находится в закрытом состоянии (не возбуж­дается). Если приложенное напряжение больше порогового V_th+, ячейка переходит в открытое состояние (возбуждает­ся). Способы возбуждения жидкого кристалла подразделяются в зависимости от того, присоединен или не присоединен актив­ный элемент к точке пересечения электродов. Ниже рассмот­рим случай, когда такой активный элемент отсутствует. ЖК-ячейка может быть представлена в виде эквивалентной параллельной CR-цепочки. Сопротивление составляет порядка 10 10 —10 11 Ом-см. При возбуждении i-го и j-го взаимно ортого­нальных электродов XY-матрицы точку пересечения (i,j) на­зывают выбранной точкой. При k i, l j точки (i,l) (k, j) на­зывают полувыбранными точками, а точку (k, l) называют невыбранной точкой. Если сопротивление в невыбранных точ­ках матрицы возбуждения XY-электродов положить равным бесконечности, то эквивалентная схема со стороны XY-электродов будет иметь вид, показанный на рис. 20, а

Рис.19. Электрическая характеристика ЖК-ячейки.

-21

Рис.20. Эквивалентная схема ЖК-ячеики (a) ( k i l j), и распределение напряжения (б).

На рис.20, б приведены напряжения, соответствующие указан­ному состоянию ЖК-ячеек. При увеличении матрицы напря­жения, приложенные к полувыбранным точкам, возрастают и становятся равными 1/2V.

При поточечной последовательной развертке элементов изо­бражения в выбранных точках потребуется значительное время для развертывания всего изображения. Во избежание этого применяется линейная последовательная развертка, в которой осуществляется одновременное воспроизведение всех элементов изображения на одном электроде. В случае когда половина ЖК-ячеек на одном электроде находится в открытом (возбуж­денном) состоянии под напряжением V, благодаря линейной последовательной развертке напряжение, приложенное к ос­тальным ЖК-ячейкам, также будет равно V. Если использует­ся схема возбуждения, в которой напряжение невыбранного электрода устанавливается равным нулю, а напряжения элект­родов в выбранной части XY-матрицы — равным + V, —V, то напряжение, приложенное к ЖК-ячейкам в невыбранных точ­ках будет равняться 1/2V.

Возбуждение активного матричного индикатора на ЖК

Активным матричным индикатором называется прибор, в кото­ром каждая индикаторная ячейка возбуждается независимо от других ячеек через активный элемент в точке пересечения XY—матрицы адресации, т. е. в нем нет тех ограничений, которые были ранее, что дает воз­можность улучшить характеристики индикатора. Для практи­ческой реализации активного матричного индикатора с боль­шим экраном применяется интеграция ЖК-ячейки со схемой управления. В таком индикаторе используется матрица транзи­сторов, стоки которых соединены с электродами ЖК-ячейки, представляющей собой элемент отображения (рис.21). На­пряжение на электродах ячейки задается с помощью МОП-транзисторов, размещенных в виде матрицы на кремниевой подложке. Затворы и стоки МОП-транзисторов присоединяются соответственно к XY-шинам возбуж­дения матрицы адресации. При возбуждении какой-то затвор­ной шины отпираются МОП-транзисторы этого столбца и через шины, к которым присоединены стоки транзисторов осуществ­ляется инжекция заряда в накопительную емкость от источни­ка постоянного напряжения. Оптические свойства жидкокри­сталлической ячейки соответствуют напряжению, поддерживае­мому на накопительной емкости. Так как интенсивность отраженного света можно линейно изменять в зависи­мости от потенциала шин, к которым присоединены стоки транзисторов, то ока­зывается возможной инди­кация тоновых изображе­ний.

На рис.22 приведен пример активного матрич­ного ЖК-индикатора на аморфных кремниевых тон­копленочных транзисторах. Индикаторная панель пред­ставляет собой конструк­цию, в которой тонкопле­ночные транзисторы образуют на стеклянной подложке коммутационную матри­цу адресации. ЖК-ячейка построена на эффекте «гость—хозя­ин». Так как при использовании кремниевой пластины имеет место ограничение на диаметр пластины, то максимальный раз­мер изображения может составлять примерно 4 дюйма (10,0 см). При использовании аморфного кремния таких огра­ничений не существует и можно изготовить индикаторную па­нель с площадью изображения более 130Х’130 см 2 .

Рис.21. Схема управления активного матричного ЖК-индикатора (G и D –затвор и сток тенкопленочного транзистора)

Рис.22. Жидкокристаллическая индикаторная панель с матрицей тонкопленочных транзисторо

Цветное воспроизведение.

В результате действия эффекта двойного лучепреломления, управляемого электрическим полем, и тенсивность света, про­шедшего через анализатор будет представляться следующим выражением:

/ == I_P sin 2 2 sin 2 dn/,

где  — угол между направлением поляризации падающего све­та и направлением проекции оси ориентации молекул ЖК на поверхность стекла. При =л/4 интенсивность света, прошед­шего через анализатор, будет максимальной. Поскольку угол поворота направления поляризации зависит от длины волны  , максимальное пропускание будет соответствовать определен­ной длине волны светового излучения, для которой этот угол составит 90°, что может быть использовано для цветного вос­произведения.

В ЖК-индикаторе, использующем эффект «гость—хозяин», цветное воспроизведение можно осуществлять, используя дихроизм красителя, являющегося «гостем». Краситель в этом случае определяет только цвет воспроизведения.

Цветное воспроизведение произвольного изображения лю­бого цвета можно получить на основе комбинации трех основ­ных цветов, управляя цветом в каждой ЖК-ячейке. Для этой цели применяются цветные светофильтры. В этой системе ЖК используется только для управления проходящим через него светом, а цвет светового излучения определяется цветными фильтрами. На рис.23 показана возможность воспроизведе­ния на индикаторе цветного телевизионного изображения на основе «твист-эффекта» в нематическом ЖК.

Рис. 23. Цветное воспроизведение изображения в индикаторе на ЖК.

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад