516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

том по полю. В таком состоянии ЖК становится турбулентным и непрозрачным (диффузно-рассеивающим), приобретая молочно-белую окраску. Для осуществления оптоэлектрического эффекта динамического рассеяния напряженность электрического поля в ЖК должна составлять около 5000 В/см. Например, для ячейки с толщиной пленки ЖК 12 мкм необходимо прикладывать напряжение величиной 6…50 В. Быстродействие жидкокристаллических ячеек зависит от химического состава ЖК, например, от наличия добавок понижающих вязкость (холестерическая добавка в ЖК нематического типа уменьшает время срабатывания), температуры, амплитуды и частоты управляющего напряжения.

Другая особенность нематических ЖК заключается в ориентации их молекул параллельно микроканавкам на поверхности проводящего покрытия, нанесенного на стеклянную пластинку. Если стеклянные пластины жидкокристаллической ячейки повернуть относительно друг друга на 90 , то в толще ЖК ориентация его молекул постепенно меняется от одной пластины к другой. Направление поляризации света при прохождении его через такое устройство также изменяется винтообразной структурой молекул ЖК на 90 . При наложении электрического поля молекулы ЖК раскручиваются («твист-эффект») и ориентируются в направлении его вектора напряженности (рис. 10.2). Конструкция воспроизводящей ячейки при использовании «твист-эффекта» в нематическом ЖК отличается от ранее рассмотренной наличием двух дополнительных пленок-поляризаторов, расположенных с наружной стороны стеклянных пластин (рис. 10.3). Молекулы ЖК обладают дипольным моментом. В результате взаимодействия электрических полей диполей образуется спиралевидная структура из молекул жидкокристаллического вещества. Слои ориентирующих покрытий на верхней и нижней подложках совместно с дипольной структурой ЖК в отсутствие электрического поля обеспечивают поворот плоскости поляризации светового потока на 90 . Как видно из рис. 10.3, а, световой поток сначала проходит через верхний поляризационный фильтр (поляризатор). При этом половина светового потока, не имеющая азимутальной поляризации, теряется. У остальной части уже поляризованного света, проходящего через слой жидкокристаллического материала, плоскость поляризации поворачивается на 90 . В результате ориентация плоскости поляризации светового потока будет совпадать с плоскостью поляризации нижнего фильтра (анализатора) и поток

Рис. 10.2. Зависимость угла вращения плоскости поляризации от напряжения на электродах жидкокристаллической ячейки

будет проходить через него практически без потерь. Согласно закону Маллюса, интенсивность проходящего сквозь анализатор плоскополяризованного света будет пропорциональна квадрату косинуса угла между вектором поляризации света и вектором поляризации анализатора. Если ЖК поместить в электрическое поле, подав на электроды адресации напряжение так, как показано на рис. 10.3, б, спиралевидная молекулярная структура в нем разрушается. Проходящий через жидкокристаллический материал световой поток уже не изменяет плоскость поляризации и почти полностью поглощается нижним поляризационным фильтром. Пороговое напряжение, при котором начинает уменьшаться светопропускание, составляет примерно 1,8 В. Следовательно, ЖК имеет два оптических состояния: прозрачное и непрозрачное. Отношение коэффициентов пропускания в обоих состояниях определяет контрастность изображения. При параллельных осях поляризации пленок-поляризаторов наблюдается обратный эффект. Таким образом, жидкокристаллическая ячейка фактически является светофильтром с электрическим управлением (электронно-оптическим модулятором) и нуждается во внешней подсветке.

Проявление твист-эффекта с физической точки зрения объясняется следующим образом. Жидким кристаллам свойственно двулучепреломление, в результате которого изменяется вид поляризации проходящих через них световых колебаний – с плоской на эллиптическую. При наличии внешнего электрического поля молекулы ЖК выстраиваются вдоль его силовых линий.

Рис. 10.3. Иллюстрация, поясняющая механизм твист-эффекта в нематическом ЖК:

а) режим отсутствия электрического поля; б) режим наличия электрического поля

В этом случае плоскополяризованное колебание E можно представить в виде суммы плоскополяризованных колебаний E1 и Е2, распространяющихся во взаимно ортогональных плоскостях. При этом диэлектрические проницаемости среды в этих плоскостях ( 1 и 2) одинаковы. Следовательно, одинаковы и фазовые скорости распространения колебаний E1 и Е2, так как фазовая скорость связана с диэлектрической проницаемостью следующим соотношением:

где – фазовая скорость волны; с – скорость света в вакууме, и – соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. Таким образом, световые колебания распространяются с равными скоростями и сдвиг фаз между ними сохраняется равным нулю. Поэтому на выходе ЖК суммарное световое колебание имеет плоскую поляризацию того же направления, что и до входа в ЖК.

При отсутствии электрического поля жидкие кристаллы скручиваются в спирали, что позволяет выделить два направления, ортогональных нормали к экрану, для которых диэлектрическая проницаемость среды максимальна ( 1) и

минимальна ( 2).

Колебания E1 и Е2 в этом случае можно назвать обыкновенным и необыкновенным лучами, как это принято для кристаллов, обладающих двулучепреломлением. Фазовые скорости распространения этих лучей различны. На выходе из ЖК световые колебания складываются уже с иной фазой, поэтому поляризация суммарного колебания преобразуется из плоской в эллиптическую.

Интенсивность проходящего через анализатор, установленный на выходе жидкокристаллической ячейки, эллиптически поляризованного света определяется формой и наклоном эллипса, которая, в свою очередь, зависит от положения ЖК и, следовательно, от напряжения между обкладками ячейки.

В целом воспроизводящие устройства на ЖК, использующие «твистэффект», обеспечивают более высокое качество получаемых изображений по сравнению с ячейками, работающими на основе эффекта динамического рассеяния света. Поэтому жидкокристаллические воспроизводящие устройства, использующие «твист-эффект», получили наибольшее применение в различных телевизионных устройствах, в компьютерной технике.

Дальнейшее повышение качества воспроизводимых изображений, например, увеличение их контраста, удалось реализовать с синтезированием в 1983 г. супертвист-нематических ЖК (STN – Super Twisted Nematic), молекулы которых способны поворачиваться на 270 , что обусловливает более резкий изгиб на графике электрооптической характеристики по сравнению с рис. 10.2.

10.2. Методы адресации телевизионных жидкокристаллических экранов

В ЖКЭ требуемое изображение формируется из огромного числа (более двух млн.) элементов отображения (пикселей), равномерно распределенных по площади экрана и адресуемых индивидуально. Каждый пиксель представляет собой элементарную жидкокристаллическую ячейку. Для обеспечения управления оптическим состоянием ячеек – пикселей, образующих экран, требуется сформировать такие напряжения на электродах адресации, чтобы состояние каждого пикселя изменялось без нарушения состояния других. Поскольку для подачи управляющего напряжения формирование отдельного контакта к каждому пикселю исключено, используется матричный принцип организации ЖКЭ (рис. 10.4), позволяющий осуществлять адресацию матрицы m n пикселей с помощью m n контактных шин. Практически это реализуется следующим образом. На внутренние поверхности двух высокоплоскостных стеклянных пластин, между которыми находится слой ЖК толщиной менее 10 мкм, наносят

Рис. 10.4. Схема, поясняющая матричный принцип управления жидкокристаллическим экраном:

1 – элементарная ячейка

полосковые взаимно-перпендикулярные прозрачные электроды; в местах их пересечения образуются элементарные жидкокристаллические ячейки, оптические свойства которых определяются напряжением, приложенным к электродам соответствующих строк и столбцов. Если пиксель характеризуется пороговой реакцией на управляющее напряжение, то при определенных амплитуде и полярности импульсных напряжений, подаваемых на соответствующие электроды строк и столбцов, возможно независимое управление («включениевыключение») каждым пикселем матрицы без существенного изменения состояния остальных элементов. Такой режим с использованием импульсных управляющих напряжений с временным разделением называется мультиплексированием. Причем коэффициент мультиплексирования строк определяется соотношением 1/z, где z – число адресуемых строк.

Несколько вариантов топологии матричной структуры электродов адресации, используемых в ЖКЭ, представлено на рис. 10.5 [65]. Структура топологии, показанная на рис. 10.5, а, – самая простая и наиболее популярная. Вариант на рис. 10.5, б позволяет получить более широкий шаг выводов для подачи столбцовых управляющих сигналов. Структуры топологии на рис. 10.5, в и г – разновидности архитектуры Dual Scan (или Double Scan), при которой обеспечивается уменьшение числа мультиплексируемых строк, что позволяет в значительной степени увеличить контрастность изображения. Фактически в этих случаях формируются два отдельных экранных поля, зазор между которыми незаметен. Адресация сигналов для обоих полей происходит одновременно. Однако данная топология матрицы требует удвоения количества выводов столбцовых электродов и, следовательно, число столбцовых драйверов, то есть устройств формирования управляющих напряжений для индексации отдельных пикселей, также удваивается.

В процессе адресации (развертки) ЖКЭ должно быть выполнено следующее функциональное преобразование – матрица закодированных двоичным кодом элементов изображения (битовая карта) преобразуется в матрицу потенциалов, приложенных к узлам пересечения строк и столбцов. Каждый узел пересечения (жидкокристаллическая ячейка) представляет один элемент изображения – пиксель. Потенциал для каждого пикселя должен быть в идеале прямо пропорционален своему образу в оперативной памяти (битовой карте).

Различают два способа адресации матричных ЖКЭ. При пассивной адресации применяется временнóе мультиплексирование строк без использования каких-либо ключевых элементов. Обычно при пассивной матричной адресации осуществляется последовательная развертка по строкам, то есть последовательно по времени выбирается строка за строкой. Поэтому каждому моменту времени соответствует только одна выбранная строка. Основными недостатками режима пассивной адресации являются трудность сохранения высокого контраста воспроизводимого изображения при большом числе сканируемых строк, сильное проявление кросс-эффекта и сложная система формирования управляющих напряжений, подаваемых на шины адресации.

Рис. 10.5. Структура матриц адресации ЖКЭ:

а) наиболее простая структура матрицы адресации; б) матрица с более широким шагом выводов для подачи столбцовых управляющих сигналов; в, г) варианты матриц с уменьшенным числом мультиплексируемых строк

Это объясняется тем, что жидкокристаллические ячейки имеют достаточно высокую инерционность и реагируют на действующее, а не на мгновенное значение приложенного напряжения. Напряжение на включенную ячейку Uвкл подается только при адресации данной строки, а напряжение на выключенной ячейке Uвыкл в наиболее неблагоприятном случае может оказаться приложенным почти все время. Поскольку скважность импульсов возбуждения включенной ячейки по мере роста числа строк развертки z увеличивается, то действующие значения напряжения Uвкл и Uвыкл сближаются. Так, при z = 1000 даже

для оптимального соотношения возбуждающих напряжений на строках и столбцах будут соблюдаться следующие соотношения Uвкл 1,048Uпор и Uвыкл 0,949Uпор. Отсюда вытекает, что для получения высокого контраста мультиплексируемый ЖКЭ с достаточно большой информационной емкостью должен иметь чрезвычайно крутую вольт-контрастную характеристику и одинаковые значения Uпор для всех ячеек матрицы, что эквивалентно требованию строгого соблюдения расстояния между электродами и однородности их обработки. Кроме того, управляющие напряжения должны поддерживаться с высокой точностью.

Особенно недостатки мультиплексирования сказываются при воспроизведении полутоновых изображений. Это обусловлено тем, что с ростом числа строк разложения уменьшается время выборки отдельных элементов, что затрудняет использование временных методов модуляции (широтно-импульсного, то есть ШИМ, кодово-импульсного или их комбинации). Таким образом, мультиплексируемые твист-нематические ЖКЭ пригодны для портативных персональных компьютеров и в значительно меньшей степени – для телевизоров.

Для устранения вышеназванных недостатков в ЖКЭ используется построчное управление с индивидуальной адресацией каждого элемента отображения с помощью «своего» ключа (рис. 10.6), формируемого в непосредственной близости от него и исключающего возможность приложения напряжения к неадресуемым элементам. Для изготовления высокоинформативных ЖКЭ с активной адресацией на специальной подложке необходимо сформировать активную матрицу, содержащую огромное число таких ключей. Таким образом, при активной матричной адресации последовательно с каждой жидкокристалличе-

Рис. 10.6. Схема, поясняющая принцип активной матричной адресации

ской ячейкой включен коммутирующий элемент, заряжающий эквивалентную емкость ячейки (конденсатор памяти).

Вкачестве коммутирующих элементов используются либо монокристаллические транзисторы, либо тонкопленочные транзисторы и структуры металл – диэлектрик – металл.

Вактивной транзисторной матрице выводы транзисторов присоединены к полосковым взаимно-перпендикулярным прозрачным электродам (столбцам и строкам) и к точечным электродам элементарных жидкокристаллических ячеек, расположенным на одной из подложек. В свою очередь, столбцы соединены с источником видеосигнала, а строки – со схемой развертки. Если экран содержит N столбцов, то выборка и хранение видеосигнала осуществляются для N точек строки. При включении строки эквивалентные емкости элементарных ячеек ЖКЭ заряжаются до соответствующих значений напряжения видеосигнала.

Вконце развертки любой из строк, напряжение с транзисторов снимается, что приводит к их выключению. В результате электрические заряды на эквивалентных емкостях элементарных ячеек ЖКЭ сохраняются в течение кадра до следующего периода развертки. При этом на элементарные ячейки могут подаваться видеосигналы с меняющимися в широком диапазоне действующими значениями напряжений, чем обеспечивается передача большого числа полутонов. К ключевым свойствам транзисторов предъявляются следующие два требования: сопротивление в проводящем состоянии должно быть достаточно мало, чтобы обеспечить заряд эквивалентной емкости элементарной ячейки ЖКЭ до напряжения на столбце (видеосигнала) в течение периода развертки строки,

асопротивление в непроводящем состоянии – достаточно велико, чтобы напряжения на ячейках заметно не менялись в течение интервала кадра.

Впринципе матрицы транзисторов могут быть сформированы на кремниевой подложке. Недостатком транзисторной структуры на кремниевой подложке является то, что из-за непрозрачности подложки нельзя реализовать твистнематический просветный экран. Применение же здесь отражательного режима ухудшает качество черно-белого изображения и делает невозможным получение цветного. Наилучшим образом удовлетворяют требованиям воспроизведения телевизионных изображений активные матрицы с тонкопленочными полевыми транзисторами типа TFT (Thin Film Transistor), изготовленными по тонкопленочной технологии на прозрачных подложках. Для примера на рис. 10.7

Рис. 10.7. Топология тонкопленочного полевого транзистора TFT-типа

показан вариант топологии, а на рис. 10.8 – принципиальная схема ключевого элемента активной адресации на TFT транзисторе, использующем аморфный кремний. Электронные ключи активной матрицы позволяют сигналом низкого уровня (около 0,7 В) коммутировать высокое (десятки вольт) напряжение.

Технология TFT была разработана специалистами японской фирмы Toshiba. Она позволила не только улучшить показатели ЖКЭ (яркость, контрастность, угол зрения и др.), сделать их дешевле при значительно бóльших размерах. На ее основе можно изготовить ЖКЭ, работающие «на просвет» и воспроизводящие высококачественные цветные изображения. Каждый элемент такого ЖКЭ образован тремя тонкопленочными полевыми транзисторами и триадой управляемых ими жидкокристаллических ячеек. Каждая ячейка триады снабжена светофильтром одного из трех основных цветов: красного (R), зеленого (G) или синего (В).

В целом ЖКЭ с активной матричной адресацией, использующие матрицу тонкопленочных транзисторов, обеспечивают в четыре раза более высокое быстродействие (50 мс и менее) по сравнению с устройствами, работающими в режиме обычного мультиплексирования.

Для практической реализации отмеченных преимуществ необходимо решить ряд сложных технологических проблем, связанных с изготовлением активной матрицы с необходимым высоким выходом годных транзисторов, так как с увеличением числа элементов изображения значительно снижается вероятность получения бездефектной активной матрицы. Если вероятность дефектности одного транзистора в активной матрице обозначить как Р, а число пикселей как Q, то выход активных матриц с совершенно бездефектными транзисторами будет равным 4 P Q 100%. В случае если вероятность дефекта одного транзистора составляет одну часть на миллион, то при количестве элементов отображения в пределах 100000 выход активных матриц составляет около 90%. С учетом того, что для высококачественного изображения требуется более 2 млн. пикселей, то в этом случае бездефектный выход матриц в процентном отношении быстро снижается. Снижение дефектности можно добиться путем сокращения количества фотолитографических операций при изготовлении активных матриц.

Рис. 10.8. Принципиальная схема ключевого элемента на тонкопленочном полевом транзисторе TFT-типа

Рис. 10.9. Осциллограммы сигналов управления ЖКЭ с коэффициентом мультиплексирования 1:3:

а) форма сигналов драйверов; б) форма результирующих сигналов на сегменте ЖКЭ