مخطط هيكل عرض الكريستال السائل

تتكون كل وحدة بكسل في شاشة عرض بلورية سائلة من الأجزاء التالية: طبقة من جزيئات الكريستال السائل معلقة بين قطبين كهربائيين شفافين (أكسيد قصدير الإنديوم) ، ومرشحين مستقطبين اتجاهات الاستقطاب متعامدة مع بعضها البعض على الجوانب الخارجية للجانبين .بدون البلورة السائلة بين الأقطاب الكهربائية ، فإن الضوء الذي يمر عبر أحد المرشحات المستقطبة سيكون مستقطبًا بشكل عمودي تمامًا على المستقطب الثاني وبالتالي يتم حظره تمامًا.ولكن إذا تم تدوير اتجاه استقطاب الضوء الذي يمر عبر مرشح استقطاب واحد بواسطة البلورة السائلة ، فيمكنه المرور عبر مرشح الاستقطاب الآخر.يمكن التحكم في دوران البلورة السائلة في اتجاه استقطاب الضوء بواسطة مجال إلكتروستاتيكي ، وبالتالي تحقيق التحكم في الضوء.

تتأثر جزيئات الكريستال السائل بسهولة بواسطة مجال كهربائي خارجي لتوليد الشحنات المستحثة.يتم إضافة كمية صغيرة من الشحنة إلى القطب الشفاف لكل بكسل أو بكسل فرعي لتوليد مجال إلكتروستاتيكي ، وسيتم تحفيز جزيئات البلورة السائلة بواسطة المجال الكهروستاتيكي لتحفيز شحنة كهربائية وتوليد التواء إلكتروستاتيكي ، مما يؤدي إلى تغيير الترتيب الدوراني الأصلي لجزيئات الكريستال السائل.مقدار الدوران عبر الضوء.قم بتغيير الزاوية بحيث يمكن أن تمر عبر مرشح الاستقطاب.

قبل تطبيق الشحنة على القطب الشفاف ، يتم تحديد محاذاة جزيئات الكريستال السائل من خلال محاذاة سطح القطب ، ويعمل السطح الكيميائي للإلكترود كبذرة للبلورة.في أكثر البلورات السائلة شيوعًا ، يتم ترتيب الأقطاب العلوية والسفلية من البلور السائل عموديًا.يتم ترتيب جزيئات الكريستال السائل في شكل حلزوني ، ويدور الضوء الذي يمر عبر مرشح استقطاب واحد في اتجاه الاستقطاب بعد المرور عبر رقاقة الكريستال السائل ، بحيث يمكن أن يمر عبر لوحة الاستقطاب الأخرى.يتم حظر جزء صغير من الضوء بواسطة المستقطب أثناء هذه العملية ويظهر باللون الرمادي من الخارج.بعد تطبيق الشحنة على القطب الشفاف ، سيتم محاذاة جزيئات الكريستال السائل بشكل كامل تقريبًا بالتوازي مع اتجاه المجال الكهربائي ، وبالتالي لا يتم تدوير اتجاه استقطاب الضوء الذي يمر عبر مرشح الاستقطاب ، وبالتالي يتم تدوير الضوء تمامًا منعت.في هذه المرحلة ، يبدو البكسل أسود.من خلال التحكم في الجهد ، يمكن التحكم في درجة تشويه ترتيب جزيئات الكريستال السائل لتحقيق درجات رمادية مختلفة.

تتحول بعض شاشات الكريستال السائل إلى اللون الأسود تحت تأثير التيار المتردد.يدمر التيار المتردد التأثير الحلزوني للبلورة السائلة.عند إيقاف تشغيل التيار ، ستصبح شاشة العرض البلورية السائلة أكثر إشراقًا وشفافية.يستخدم هذا النوع من شاشات الكريستال السائل بشكل شائع في أجهزة الكمبيوتر المحمولة وشاشات العرض البلورية السائلة الرخيصة.هناك نوع آخر من شاشات العرض البلورية السائلة التي تُستخدم غالبًا في شاشات الكريستال السائل عالية الدقة أو أجهزة التلفاز الكريستالية السائلة واسعة النطاق ، وهي أنه عند إيقاف تشغيل الطاقة ، تكون شاشة العرض البلورية السائلة في حالة غير شفافة.

من أجل توفير الطاقة ، تعتمد شاشة العرض البلورية السائلة طريقة مضاعفة الإرسال.في وضع الإرسال المتعدد ، يتم توصيل الأقطاب الكهربائية الموجودة في أحد طرفيها معًا في مجموعات ، ويتم توصيل كل مجموعة من الأقطاب الكهربائية بمصدر طاقة ، كما يتم توصيل الأقطاب الكهربائية الموجودة في الطرف الآخر في مجموعات ، وكل مجموعة متصلة بمصدر الطاقة .من جهة ، يضمن تصميم التجميع أن يتم التحكم في كل بكسل بواسطة مصدر طاقة مستقل ، ويتحكم الجهاز الإلكتروني أو البرنامج الذي يقود الجهاز الإلكتروني في عرض البكسل عن طريق التحكم في تسلسل التشغيل / الإيقاف لمصدر الطاقة.

تتضمن مقاييس التحقق من شاشات LCD الجوانب المهمة التالية: حجم العرض ، ووقت الاستجابة (معدل المزامنة) ، ونوع المصفوفة (النشطة والسلبية) ، وزاوية العرض ، والألوان المدعومة ، والسطوع والتباين ، والدقة ونسبة العرض إلى الارتفاع ، وواجهات الإدخال (مثل واجهات الرؤية ومصفوفات عرض الفيديو).

نبذة تاريخية

في عام 1888 ، اكتشف الكيميائي النمساوي فريدريش لينتسر البلورات السائلة وخصائصها الفيزيائية الخاصة.

استند أول عرض بلوري سائل قابل للتشغيل إلى وضع التشتت الديناميكي (DSM) ، والذي تم تطويره بواسطة مجموعة بقيادة جورج هيلمان من شركة راديو أمريكا.أسس هيلمان Optech ، وهي شركة طورت سلسلة من شاشات الكريستال السائل بناءً على هذه التقنية.

في ديسمبر 1970 ، تم تسجيل التأثير الميداني المغزلي للبلورات السائلة كبراءة اختراع في سويسرا بواسطة Zander و Helfrich في مختبر Hoffmann-Leroc المركزي.ولكن في عام 1969 في العام السابق ، اكتشف جيمس فيرغسون تأثير المجال المغزلي النيماتيكي للبلورات السائلة في جامعة ولاية كنت في أوهايو بالولايات المتحدة الأمريكية ، وسجل براءة الاختراع نفسها في الولايات المتحدة في فبراير 1971. وفي عام 1971 ، أنتجت شركة ILIXCO أول بلورة سائلة العرض بناءً على هذه الخاصية ، والتي حلت محل شاشة الكريستال السائل من نوع DSM الأكثر فقراً.لم يكن للاكتشاف قيمة تجارية إلا بعد عام 1985.في عام 1973 ، استخدمته شركة Sharp اليابانية لأول مرة لعمل شاشات رقمية للآلات الحاسبة الإلكترونية.في 2010 ، أصبحت شاشات LCD هي جهاز العرض الأساسي لجميع أجهزة الكمبيوتر.

مبدأ العرض

نظام المعلومات داخل السيارة للسيارات

شاشة معلومات تشغيل خط JR East Yamanote

في حالة عدم وجود جهد كهربائي ، سوف ينتقل الضوء على طول فجوة جزيئات الكريستال السائل ويدور 90 درجة ، بحيث يمكن للضوء أن يمر.ولكن بعد إضافة الجهد ، ينتقل الضوء بشكل مستقيم على طول فجوة جزيئات الكريستال السائل ، لذلك يتم حجب الضوء بواسطة لوحة المرشح.

الكريستال السائل مادة ذات خصائص تدفق ، لذلك لا يمكن تطبيق سوى قوة صغيرة جدًا لتحريك جزيئات الكريستال السائل.بأخذ البلورات السائلة الأكثر شيوعًا كمثال ، يمكن لجزيئات الكريستال السائل بسهولة تحويل جزيئات الكريستال السائل بفعل المجال الكهربائي.يتوافق المحور البصري للبلورة السائلة تمامًا مع محورها الجزيئي ، لذا يمكنها إنتاج تأثيرات بصرية.عندما يتم إزالة المجال الكهربائي المطبق على البلورة السائلة ويختفي ، فإن البلورة السائلة ستستخدم مرونتها ولزوجتها لاستعادة جزيئات الكريستال السائل بسرعة كبيرة.الحالة قبل تطبيق المجال الكهربائي.

شاشات انتقالية وعاكسة

يمكن أن تكون شاشات الكريستال السائل نفاذية أو عاكسة ، اعتمادًا على مكان مصدر الضوء.

تُضيء شاشات LCD الناقلة لمصدر الضوء خلف إحدى الشاشات ، بينما يكون العرض على الجانب الآخر (الأمامي) من الشاشة.يستخدم هذا النوع من شاشات الكريستال السائل في الغالب في التطبيقات التي تتطلب شاشات عالية السطوع ، مثل شاشات الكمبيوتر وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي والهواتف المحمولة.يميل استهلاك الطاقة لأجهزة الإضاءة المستخدمة لإضاءة شاشة الكريستال السائل إلى أن يكون أعلى من استهلاك شاشة الكريستال السائل نفسها.

شاشات الكريستال السائل العاكسة ، التي توجد عادة في الساعات الإلكترونية والآلات الحاسبة ، تعكس (في بعض الأحيان) الضوء الخارجي مرة أخرى لإضاءة الشاشة بسطح عاكس منتشر في الخلف.هذا النوع من شاشات الكريستال السائل لديه نسبة تباين أعلى ، لأن الضوء يمر عبر الكريستال السائل مرتين ، لذلك يتم قطعه مرتين.يؤدي عدم استخدام أجهزة الإضاءة إلى تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير ، لذا فإن الأجهزة التي تستخدم البطاريات ستستمر لفترة أطول على البطاريات.نظرًا لأن شاشات الكريستال السائل العاكسة الصغيرة تستهلك قدرًا ضئيلًا جدًا من الطاقة بحيث تكفي الخلية الكهروضوئية لتشغيلها ، فغالبًا ما يتم استخدامها في الآلات الحاسبة للجيب.

يمكن استخدام شاشات الكريستال السائل المنعكسة كأنواع انتقالية وعاكسة.عندما يكون الضوء الخارجي كافيًا ، تعمل شاشة الكريستال السائل كنوع عاكس ، وعندما يكون الضوء الخارجي غير كافٍ ، يمكن أيضًا استخدامه كنوع انتقالي.

شاشة ملونة

هيكل البكسل الفرعي لشاشة العرض البلورية السائلة الملونة

تكبير البكسل على شاشة LCD

تعمل تقنية LCD أيضًا على تغيير السطوع وفقًا لحجم الجهد ، ويعتمد اللون المعروض بواسطة كل عنصر من عناصر الصورة الفرعية في شاشة LCD على عملية فحص الألوان.نظرًا لأن الكريستال السائل نفسه ليس له لون ، يتم استخدام مرشحات الألوان لإنشاء ألوان مختلفة بدلاً من عناصر الصورة الفرعية.يمكن لعناصر الصورة الفرعية فقط ضبط المقياس الرمادي من خلال التحكم في شدة الضوء المار.فقط عدد قليل من شاشات العرض النشطة تستخدم التحكم في الإشارة التناظرية ، ويتم استخدام معظم تقنيات التحكم في الإشارات الرقمية.تستخدم معظم شاشات LCD التي يتم التحكم فيها رقميًا وحدة تحكم ثمانية بت يمكنها توليد 256 مقياسًا رماديًا.يمكن أن يمثل كل عنصر فرعي 256 مستوى ، بحيث يمكنك الحصول على 2563 لونًا ، ويمكن لكل عنصر تمثيل 16777216 لونًا.نظرًا لأن إدراك العين البشرية للسطوع لا يتغير خطيًا ، والعين البشرية أكثر حساسية للتغيرات في السطوع المنخفض ، فإن اللونية 24 بت هذه لا يمكنها تلبية المتطلبات المثالية تمامًا.يستخدم المهندسون طريقة ضبط الجهد النبضي لجعل تغييرات اللون تبدو أكثر اتساقًا.

في شاشة LCD ملونة ، يتم تقسيم كل بكسل إلى ثلاث خلايا ، أو وحدات بكسل فرعية ، مع مرشحات إضافية لتسمية الأحمر والأخضر والأزرق.يمكن التحكم في وحدات البكسل الفرعية الثلاثة بشكل مستقل ، ويمكن أن تولد وحدات البكسل المقابلة آلافًا أو حتى ملايين الألوان.تعرض شاشات CRT القديمة الألوان بنفس الطريقة.يتم ترتيب مكونات اللون وفقًا لهندسة البكسل المختلفة حسب الحاجة.

المصفوفات النشطة والسلبية

تتكون شاشات الكريستال السائل ، التي تُستخدم بشكل شائع في الساعات الإلكترونية وأجهزة كمبيوتر الجيب ، من عدد صغير من المقاطع ، ولكل جزء جهة اتصال قطب كهربائي واحد.توفر الدائرة الخارجية المخصصة شحنة كهربائية لكل وحدة تحكم ، ويمكن أن يكون هيكل العرض هذا مرهقًا عندما يكون هناك العديد من وحدات العرض (مثل شاشات العرض السائلة).شاشات صغيرة أحادية اللون ، مثل شاشات العرض البلورية السائلة ذات المصفوفة السلبية على أجهزة المساعد الرقمي الشخصي أو شاشات الكمبيوتر المحمول الأقدم ، والتي تستخدم تقنية Super Twisted Nematic (STN) أو تقنية Dual Layer Super Twisted Nematic (DSTN) (DSTN تصحح الانحراف اللوني لـ STN).

يحتوي كل صف أو عمود على الشاشة على دائرة مستقلة ، ويتم تحديد موضع كل بكسل أيضًا بواسطة صف وعمود في نفس الوقت.يسمى هذا النوع من العرض "المصفوفة السلبية" ، لأنه يجب أيضًا تذكر كل بكسل قبل التحديث.في حالاتهم الخاصة ، لا يوجد مصدر شحن ثابت لكل بكسل في هذا الوقت.مع زيادة عدد وحدات البكسل ، يزداد كذلك العدد النسبي للصفوف والأعمدة.يصبح استخدام طريقة العرض هذه أكثر صعوبة.تتميز شاشات الكريستال السائل المصنوعة من مصفوفات سلبية بأوقات استجابة بطيئة للغاية ونسب تباين منخفضة.

شاشات العرض الملونة عالية الدقة الحالية ، مثل شاشات الكمبيوتر أو أجهزة التلفزيون ، عبارة عن مصفوفات نشطة.تتم إضافة شاشات الكريستال السائل الترانزستور ذات الأغشية الرقيقة إلى المستقطبات ومرشحات الألوان.يحتوي كل بكسل على ترانزستور خاص به ، مما يسمح بمعالجة بكسل واحد.عند تشغيل خط العمود ، سيتم توصيل جميع خطوط الصفوف بعمود كامل (صف) من وحدات البكسل ، وسيتم تشغيل كل خط صف بالجهد الصحيح ، وسيتم إيقاف تشغيل خط العمود هذا والعمود الآخر (الصف) سيتم تشغيله.في عملية تحديث الشاشة الكاملة ، سيتم فتح جميع أسطر الأعمدة في سلسلة زمنية.ستظهر شاشة المصفوفة النشطة بالحجم نفسه أكثر إشراقًا ووضوحًا من عرض المصفوفة السلبية ، ولها وقت استجابة أقصر.

رقابة جودة

تحتوي بعض لوحات LCD على ترانزستورات معيبة تسبب ظهور نقاط مضيئة ومظلمة بشكل دائم.على عكس IC ، لا يزال بإمكان لوحة LCD العرض بشكل طبيعي حتى إذا كانت هناك وحدات بكسل ميتة ، مما يمكن أن يتجنب إهدار لوحة LCD التي تكون أكبر بكثير من منطقة IC نظرًا لوجود عدد قليل من وحدات البكسل الميتة.الشركات المصنعة للوحة لديها معايير مختلفة لتحديد وحدات البكسل الميتة.

نظرًا لحجمها الأكبر ، تكون لوحات LCD أكثر عرضة للعيوب من لوحات الدوائر المتكاملة.على سبيل المثال ، تحتوي شاشة SVGA LCD مقاس 12 بوصة على 8 بكسلات ميتة ، بينما تحتوي رقاقة بحجم 6 بوصات على 3 عيوب فقط.ومع ذلك ، فإن 3 قصاصات على رقاقة يمكن تقسيمها إلى 137 دائرة متكاملة ليست سيئة للغاية ، وتجاهل لوحة LCD هذه يعني إخراج 0٪.بسبب المنافسة الشرسة بين الشركات المصنعة ، تم رفع المعيار الحالي لمراقبة الجودة.إذا كانت شاشة LCD تحتوي على أربعة أو أكثر من وحدات البكسل الميتة ، فمن السهل اكتشافها ، بحيث يمكن للعملاء طلب واحدة جديدة.كما أن موقع البكسل الميت لشاشة LCD لا يمكن إهماله.غالبًا ما يخفض المصنّعون المعايير عن طريق تدمير وحدات البكسل الموجودة في المنطقة الوسطى من الشاشة.تقدم بعض الشركات المصنعة ضمان صفر ميت بكسل.

استهلاك الطاقة

تتمتع شاشات العرض البلورية السائلة ذات المصفوفة النشطة بطاقة كهربائية أقل من شاشات CRT.في الواقع ، لقد أصبح العرض القياسي للأجهزة المحمولة ، من أجهزة المساعد الرقمي الشخصي إلى أجهزة الكمبيوتر المحمولة.لكن كفاءة تقنية LCD لا تزال منخفضة للغاية: حتى إذا قمت بعرض الشاشة باللون الأبيض ، فإن أقل من 10٪ من الضوء المنبعث من مصدر ضوء الخلفية يمر عبر الشاشة ، ويتم امتصاص الباقي.لذلك ، فإن استهلاك الطاقة الحالي لشاشة البلازما الجديدة أقل من استهلاك شاشة الكريستال السائل في نفس المنطقة.

غالبًا ما تستخدم أجهزة المساعد الرقمي الشخصي مثل Palm و CompaqiPAQ شاشات عاكسة.هذا يعني أن الضوء المحيط يدخل إلى الشاشة ، ويمر عبر طبقة الكريستال السائل المستقطبة ، ويضرب الطبقة العاكسة ، وينعكس مرة أخرى لعرض الصورة.تشير التقديرات إلى أن 84٪ من الضوء يتم امتصاصه في هذه العملية ، لذلك فإن سدس الضوء فقط نشط ، وهو ما يكفي ، رغم أنه لا يزال بحاجة إلى التحسين ، لتوفير التباين المطلوب للفيديو المرئي.تتيح شاشات العرض العاكسة والعاكسة أحادية الاتجاه استخدام شاشات الكريستال السائل بأقل استهلاك للطاقة في ظل ظروف الإضاءة المختلفة.

شاشة عرض بدون طاقة

1. يستقطب المستقطب الضوء الساقط في الاتجاه العمودي.

2. أقطاب كهربائية شفافة مع أكسيد قصدير الإنديوم (ITO) على ركائز زجاجية.سيحدد شكل القطب الكهربي الشفاف عنوان اللون الداكن دون مرور الضوء بعد تشغيل طاقة شاشة الكريستال السائل.يتم حفر خطوط عمودية على الركيزة ، بحيث يكون اتجاه المحاذاة لبلورات تحت السائل في نفس اتجاه الضوء الساقط المستقطب ؛

3. الكريستال السائل الملتوي nematic (TN) ؛

4. الركيزة الزجاجية مع فيلم قطب كهربائي شفاف شائع (ITO) ، يتم حفر الخطوط الأفقية على الركيزة ، بحيث يصبح اتجاه محاذاة الكريستال السائل أفقيًا ؛

5. المستقطب المنحرف أفقيًا ، والذي يمكنه حجب أو السماح بمرور الضوء ؛

6. تعكس الأسطح العاكسة الضوء مرة أخرى للمراقب.

في عام 2000 ، تم تطوير شاشة عرض بدون طاقة لا تتطلب الكهرباء عندما تكون في وضع الاستعداد ، ولكن هذه التكنولوجيا ليست في الإنتاج الضخم حاليًا.طورت شركة Nemoptic الفرنسية تقنية أخرى لشاشات الكريستال السائل ذات الطاقة الصفرية ، والتي تم إنتاجها بكميات كبيرة في تايوان في يوليو 2003. وتستهدف هذه التقنية الأجهزة المحمولة منخفضة الطاقة مثل الكتب الإلكترونية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.تتنافس أيضًا شاشات LCD ذات الطاقة الصفرية مع الورق الإلكتروني.

شاشة TFT-LCD

المقالات الرئيسية: شاشات الكريستال السائل الترانزستور ذات الأغشية الرقيقة و TFTs

TFT-LCD هو اختصار لشاشة العرض البلورية السائلة الترانزستور ذات الأغشية الرقيقة (شاشة العرض البلورية السائلة الترانزستور ذات الأغشية الرقيقة).