Secrets des moniteurs LCD modernes. Types d'adaptateurs vidéo De quoi est composé l'écran LCD ?

Il existe trois options principales pour implémenter des cartes graphiques :

    Cartes d'extension. Dans ce cas, on suppose que des cartes d'extension distinctes avec une interface PCI Express, AGP ou PCI seront utilisées. Cela garantit les performances les plus élevées, une grande capacité de mémoire et la prise en charge du plus grand nombre de fonctions.

    Chipset avec noyau graphique intégré. Ce sont les solutions les plus abordables, mais leurs performances sont très faibles, notamment lors de l'exécution de jeux 3D et d'autres applications gourmandes en graphiques. Cela fournit également des résolutions et des taux de rafraîchissement inférieurs à ceux de l'utilisation de cartes d'extension. Les chipsets intégrés les plus courants se trouvent dans les modèles d'ordinateurs portables économiques, ainsi que dans certains de leurs modèles de milieu de gamme ;

    Processeur avec cœur graphique intégré (Intel).

En règle générale, les ordinateurs de bureau utilisant des cartes mères microATX, FlexATX, microBTX, PicoBTX ou MiniITX sont équipés d'un cœur graphique intégré au chipset fabriqué par Intel, VIA Technology, SiS, etc.

Connecteurs de carte vidéo

Les adaptateurs vidéo MDA, Hercules, CGA et EGA étaient équipés d'un connecteur D-Sub à 9 broches. Parfois, un connecteur vidéo composite coaxial était également présent, permettant de transmettre une image en noir et blanc vers un récepteur de télévision ou un moniteur équipé d'une entrée vidéo basse fréquence.

Connecteur D-Sub analogique

Les adaptateurs vidéo VGA et ultérieurs n'avaient généralement qu'un seul connecteur VGA (D-Sub à 15 broches). Parfois, les premières versions des adaptateurs VGA disposaient également d'un connecteur de génération précédente (9 broches) pour la compatibilité avec les anciens moniteurs. Le choix de la sortie de travail était réglé par des commutateurs sur la carte adaptateur vidéo.

DVI est une interface standard relativement nouvelle, la plus couramment utilisée pour la sortie vidéo numérique. Le port DVI est disponible en deux variétés. DVI-I comprend également des signaux analogiques qui vous permettent de connecter un moniteur VGA via un adaptateur D-SUB. DVI-D ne le permet pas.

Connecteur DVI (variantes : DVI-I et DVI-D)

Récemment, une nouvelle interface domestique s'est généralisée : l'interface multimédia haute définition. Cette norme permet la transmission simultanée d'informations visuelles et audio sur un seul câble, elle est conçue pour la télévision et le cinéma, mais les utilisateurs de PC peuvent également l'utiliser pour sortir des données vidéo à l'aide d'un connecteur HDMI. HDMI vous permet de transmettre de l'audio et de la vidéo protégés contre la copie au format numérique sur un seul câble ; la première version de la norme était basée sur une bande passante de 5 Gb/s, et HDMI 1.3 a étendu cette limite à 10,2 Gb/s.

Connecteur HDMI

DisplayPort est une interface vidéo numérique relativement nouvelle, dont la première version a été adoptée par la VESA (Video Electronics Standards Association) au printemps 2006. Il définit une nouvelle interface numérique universelle, sans licence et sans redevance, conçue pour connecter des ordinateurs et des moniteurs, ainsi que d'autres équipements multimédias.

Le port Dispay vous permet de connecter jusqu'à quatre appareils, notamment des haut-parleurs, des hubs USB et d'autres périphériques d'entrée/sortie. Il prend en charge jusqu'à quatre lignes de données, chacune pouvant transmettre 1,62 ou 2,7 gigabits/s. Prend en charge les modes avec des profondeurs de couleur de 6 à 16 bits par canal de couleur

Les ports DVI et HDMI sont des étapes évolutives dans le développement de la norme de transmission du signal vidéo, des adaptateurs peuvent donc être utilisés pour connecter des appareils dotés de ces types de ports.

La carte vidéo peut également prendre en charge les entrées et sorties composites et S-Vidéo.

Connecteur composite

Connecteurs S-Vidéo 4 et 7 broches

Riz. 28 – Ensemble de connecteurs pour la carte vidéo Palit GeForce GTS 450 Sonic 1 Go DDR5 128 bits PCI-E (2xDVI, 1 D-Sub, 1 miniHDMI)

Il est d'usage de distinguer trois états de la matière : solide, liquide et gazeux. Mais certaines substances organiques, lorsqu'elles sont fondues dans une certaine phase, présentent des propriétés inhérentes à la fois aux cristaux et aux liquides. Ayant acquis la fluidité caractéristique des liquides, dans cette phase ils ne perdent pas l'ordre des molécules caractéristique des cristaux solides. Cette phase peut très bien être appelée le quatrième état d’agrégation. Certes, il ne faut pas oublier que seules certaines substances en contiennent et seulement dans une certaine plage de température.

L'orientation spatiale des molécules de cristaux liquides dans la position dite de repos est appelée ordre des cristaux liquides. Selon la classification de Friedel, il existe trois catégories principales d'ordre FA : smectique, nématique et cholestérique (Fig. 1).

Les LC Smectic sont les plus ordonnées et leur structure est plus proche des cristaux solides ordinaires. En plus de la simple orientation mutuelle des molécules, elles ont également leur division en plans.

La direction d'orientation préférentielle des grands axes des molécules dans les cristaux liquides est indiquée par un vecteur d'unité de longueur, appelé directeur.

Le principal intérêt réside dans les matériaux à ordre nématique ; ils sont utilisés dans les panneaux à cristaux liquides modernes de tous types (TN, IPS et VA). En nématique, l'état normal est la position des molécules avec une orientation moléculaire ordonnée dans tout le volume, caractéristique des cristaux, mais avec une position chaotique de leurs centres de gravité, caractéristique des liquides. Les molécules qu'ils contiennent sont orientées relativement parallèlement et le long de l'axe directeur, elles sont décalées à différentes distances.

Les cristaux liquides de structure d'ordre cholestérique ressemblent à des nématiques, divisés en couches. Les molécules de chaque couche suivante tournent par rapport à la précédente d'un certain petit angle et le directeur se tord doucement en spirale. Cette nature en couches, formée par l’activité optique des molécules, est la principale caractéristique de l’ordre cholestérique. Les cholestériques sont parfois appelés « nématiques tordus ».

La frontière entre les ordres nématique et cholestérique est quelque peu arbitraire. L'ordre cholestérique peut être obtenu non seulement à partir du matériau cholestérique sous sa forme pure, mais également en ajoutant des additifs spéciaux contenant des molécules chirales (optiquement actives) au matériau nématique. De telles molécules contiennent un atome de carbone asymétrique et, contrairement aux molécules nématiques, sont asymétriques en miroir.

L’ordre des cristaux liquides est déterminé par les forces intermoléculaires qui créent l’élasticité du matériau LC. Oui, nous pouvons parler ici spécifiquement de propriétés élastiques, bien que leur nature soit différente des propriétés élastiques des cristaux ordinaires, puisque les cristaux liquides ont toujours une fluidité. Dans l'état normal (ou fondamental), les molécules ont tendance à revenir à leur « position de repos », par exemple dans un matériau nématique vers une position avec la même orientation directrice.

L'élasticité des LC est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à l'élasticité des cristaux conventionnels et offre une opportunité tout à fait unique de contrôler leur position à l'aide d'influences externes. Une telle influence peut être par exemple un champ électrique.

Examinons maintenant de plus près comment ce champ peut influencer l'orientation des molécules.

Prenons un échantillon constitué de deux plaques de verre dont l'espace entre elles est rempli d'un matériau nématique. La distance entre les plaques supérieure et inférieure et, par conséquent, l'épaisseur de la couche de cristaux liquides est de plusieurs microns. Pour définir l'orientation souhaitée du directeur des molécules dans le matériau, un traitement spécial de la surface du substrat est utilisé. Pour ce faire, une fine couche de polymère transparent est appliquée sur la surface, après quoi un relief est donné à la surface par un frottement spécial (frottement) - les rainures les plus fines dans une direction. Les molécules cristallines allongées de la couche en contact direct avec la surface sont orientées le long du relief. Les forces intermoléculaires forcent toutes les autres molécules à prendre la même orientation.

La disposition ordonnée des molécules de cristaux liquides détermine l'anisotropie de certaines de leurs propriétés physiques (permettez-moi de vous rappeler que l'anisotropie est la dépendance des propriétés d'un milieu vis-à-vis de la direction dans l'espace). Les liquides, avec leur disposition aléatoire de molécules, sont isotropes. Mais les cristaux liquides possèdent déjà une anisotropie, une qualité importante qui leur permet d’influencer les caractéristiques de la lumière qui les traverse.

L'anisotropie de la constante diélectrique est utilisée pour contrôler la position des molécules. Cela représente la différence

Δε = ε || + ε ⊥ où ε || constante diélectrique dans la direction parallèle au vecteur directeur, ε ⊥ constante diélectrique dans la direction perpendiculaire au vecteur directeur. La valeur de Δε peut être positive ou négative.

Prélever un échantillon constitué de deux plaques de verre espacées de plusieurs microns entre les plaques, remplies d'un matériau nématique et scellées. Pour définir l'orientation souhaitée du directeur des molécules dans le matériau, un traitement spécial de la surface du substrat est utilisé ; pour cela, une fine couche de polymère transparent est appliquée sur la surface, après quoi un relief est donné à la surface par frottement spécial - fines rainures dans une direction. Les molécules allongées des cristaux de la couche en contact direct avec la surface sont orientées le long du relief, et les forces intermoléculaires forcent toutes les autres molécules à prendre la même orientation. Si un champ électrique est créé dans l'échantillon, l'énergie des cristaux liquides dans ce champ dépendra de la position des molécules par rapport à la direction du champ. Si la position des molécules ne correspond pas à l’énergie minimale, elles tourneront selon l’angle approprié. Dans un matériau avec une constante diélectrique positive (anisotropie diélectrique positive), les molécules auront tendance à tourner dans le sens du champ électrique, dans un matériau avec une anisotropie diélectrique négative - dans le sens du champ. L'angle de rotation dépendra donc de la tension appliquée.

Laissez le matériau de l'échantillon avoir une anisotropie diélectrique positive, la direction du champ électrique est perpendiculaire à l'orientation initiale des molécules (Fig. 2). Lorsqu’une tension est appliquée, les molécules auront tendance à tourner le long du champ. Mais ils sont initialement orientés selon le relief des surfaces internes de l'échantillon, créé par frottement, et sont reliés à elles par une adhésion assez importante. En conséquence, lorsque l’orientation du directeur change, des couples dans la direction opposée apparaissent. Tant que le champ est suffisamment faible, les forces élastiques maintiennent les molécules dans une position constante. À mesure que la tension augmente, à partir d'une certaine valeur E c, les forces d'orientation du champ électrique dépassent les forces élastiques et la rotation des molécules commence à se produire. Cette réorientation sous l’influence du champ s’appelle la transition de Fredericks. La transition Fredericks est fondamentale pour l'organisation du contrôle à cristaux liquides ; le principe de fonctionnement de tous les panneaux LCD est basé sur elle.

Un mécanisme fonctionnel est formé :

  • d'une part, le champ électrique va forcer les molécules de cristaux liquides à tourner selon l'angle souhaité (en fonction de la valeur de la tension appliquée) ;
  • d'autre part, les forces élastiques provoquées par les liaisons intermoléculaires auront tendance à ramener l'orientation originale du directeur lorsque la contrainte est relâchée.

Si l'orientation initiale du directeur et les directions du champ électrique ne sont pas strictement perpendiculaires, alors la valeur seuil du champ E c diminue, permettant d'influencer la position des molécules avec un champ beaucoup plus petit.

À ce stade, nous devrons nous éloigner un peu des cristaux liquides pour expliquer les concepts de « polarisation de la lumière » et de « plan de polarisation » ; sans eux, une présentation plus approfondie serait impossible.

La lumière peut être représentée comme une onde électromagnétique transversale dont les composantes électriques et magnétiques oscillent dans des plans mutuellement perpendiculaires (Fig. 3).

La lumière naturelle (également appelée naturellement polarisée ou non polarisée) contient des oscillations vectorielles E, également probable dans toutes les directions perpendiculaires au vecteur k(Fig. 4).

La lumière partiellement polarisée a une direction préférentielle d'oscillation vectorielle E. Pour une lumière partiellement polarisée dans le champ d'une onde lumineuse, l'amplitude de la projection E vers l'une des directions mutuellement perpendiculaires est toujours supérieure à l'autre. La relation entre ces amplitudes détermine le degré de polarisation.

La lumière polarisée linéairement est une lumière qui a une seule direction vectorielle E pour toutes les vagues. Le concept de lumière polarisée linéairement est abstrait. En pratique, lorsque nous parlons de lumière polarisée linéairement, nous entendons généralement une lumière partiellement polarisée avec un degré de polarisation élevé.

Le plan dans lequel se trouve le vecteur E et vecteur de direction d'onde k, est appelé le plan de polarisation.

Revenons maintenant à l'écran LCD.

La deuxième propriété physique la plus importante des cristaux liquides, après l’anisotropie diélectrique, utilisée pour contrôler le flux lumineux qui les traverse, est l’anisotropie optique. Les cristaux liquides ont différentes valeurs de l'indice de réfraction de la lumière pour la direction de propagation parallèle et perpendiculaire au directeur. C'est-à-dire que la vitesse de propagation d'un faisceau lumineux parallèle ou perpendiculaire au directeur sera différente ; avec un coefficient plus élevé, on sait qu'elle est inférieure. L'anisotropie optique ou anisotropie de l'indice de réfraction est la différence entre deux coefficients :

Δ n= n|| + n⊥ Où n|| indice de réfraction pour le plan de polarisation parallèle au directeur ; n⊥ indice de réfraction pour le plan de polarisation perpendiculaire au directeur.

La présence dans le matériau de deux significations différentes pour n|| Et n⊥ provoque l’effet de biréfringence. Lorsque la lumière frappe un matériau biréfringent, tel qu'un nématique, la composante du champ électrique de l'onde lumineuse se divise en deux composantes vectorielles, vibrant dans l'axe rapide et vibrant dans l'axe lent. Ces composants sont appelés respectivement rayons ordinaires et extraordinaires. Les directions de polarisation des rayons ordinaires et extraordinaires sont orthogonales entre elles. Et la présence d'axes « rapides » et « lents » dans le matériau est due à ce qui a été mentionné ci-dessus - des indices de réfraction différents pour les rayons se propageant respectivement parallèlement ou perpendiculairement à la direction du directeur.

La figure 5 montre la propagation des ondes selon les axes « rapide » et « lent ». Il faut souligner que l'axe dans ce cas n'est pas une droite fixe, mais la direction du plan dans lequel oscille l'onde.

Étant donné que les vitesses de phase des faisceaux ordinaires et extraordinaires sont différentes, leur différence de phase changera à mesure que l'onde se propage. La modification de la différence de phase de ces composantes orthogonales entraîne un changement dans la direction de polarisation de l'onde lumineuse. Sur la figure, pour plus de clarté, la somme des composantes orthogonales est représentée par le vecteur résultant E r. On peut voir qu’à mesure que l’onde se propage, la direction du vecteur tourne E r. Ainsi, l'ajout d'ondes à la sortie d'un matériau biréfringent va produire une onde avec une direction de polarisation modifiée par rapport à celle d'origine.

L'angle de rotation du plan de polarisation dépendra de l'orientation des molécules dans le matériau.

Conception des panneaux

Il existe plusieurs technologies d'écran LCD. Pour illustrer la conception dans ce cas, TN est présenté comme le plus courant (Fig. 6).

Tous les panneaux à cristaux liquides pour moniteurs sont transmissifs - l'image qu'ils contiennent est formée en convertissant le flux lumineux d'une source située derrière eux. La modulation du flux lumineux est réalisée grâce à l'activité optique des cristaux liquides (leur capacité à faire tourner le plan de polarisation de la lumière transmise). Ceci est mis en œuvre comme suit. En passant par le premier polariseur, la lumière des lampes de rétroéclairage devient polarisée linéairement. Il traverse ensuite une couche de cristaux liquides contenue dans l'espace entre deux verres. La position des molécules LC dans chaque cellule du panneau est régulée par le champ électrique créé en appliquant une tension aux électrodes. La rotation du plan de polarisation de la lumière transmise dépend de la position des molécules. Ainsi, en fournissant aux cellules la valeur de tension requise, la rotation du plan de polarisation est contrôlée.

Pour fournir la tension au sous-pixel, des lignes de données verticales (ligne de données) et horizontales (ligne de porte) sont utilisées, qui sont des pistes conductrices métalliques déposées sur le substrat de verre interne (le plus proche du module de rétroéclairage). Le champ électrique, comme déjà mentionné, est créé par la tension sur les électrodes - générale et pixel. La tension utilisée est variable, puisque l'utilisation d'une tension constante provoque une interaction des ions avec le matériau de l'électrode, une perturbation de l'agencement ordonné des molécules du matériau LC et conduit à une dégradation des cellules. Le transistor à couches minces joue le rôle d'un interrupteur qui se ferme lorsque l'adresse de la cellule souhaitée est sélectionnée sur la ligne de balayage, permet « d'écrire » la valeur de tension requise et s'ouvre à nouveau à la fin du cycle de balayage, permettant ainsi les frais doivent être conservés pendant une certaine période. La charge se produit au fil du temps T= Tf/n , Où Tf temps d'affichage des images à l'écran (par exemple, avec un taux de rafraîchissement de 60 Hz, le temps d'affichage des images est de 1 s / 60 = 16,7 ms), n nombre de lignes de panneaux (par exemple, 1024 pour les panneaux avec une résolution physique de 1280x1024). Cependant, la capacité inhérente du matériau à cristaux liquides n'est pas suffisante pour maintenir la charge dans l'intervalle entre les cycles de rafraîchissement, ce qui devrait entraîner une chute de tension et, par conséquent, une diminution du contraste. Par conséquent, en plus du transistor, chaque cellule est équipée d'un condensateur de stockage, qui est également chargé lorsque le transistor est passant et permet de compenser les pertes de tension avant le début du cycle de balayage suivant.

Des lignes de données verticales et horizontales, à l'aide de câbles flexibles plats collés, sont connectées aux puces de commande du panneau - pilotes, respectivement en colonne (pilote source) et en ligne (pilote de porte), qui traitent le signal numérique provenant du contrôleur et génèrent une tension. correspondant aux données reçues pour chaque cellule.

Après la couche de cristaux liquides, des filtres colorés sont appliqués sur la surface intérieure du panneau de verre et utilisés pour former une image couleur. La synthèse additive tricolore habituelle est utilisée : les couleurs sont formées à la suite d'un mélange optique du rayonnement de trois couleurs de base (rouge, vert et bleu). Une cellule (pixel) est constituée de trois éléments distincts (sous-pixels), chacun étant associé à un filtre de couleur rouge, vert ou bleu situé au-dessus ; des combinaisons de 256 valeurs de tons possibles pour chaque sous-pixel peuvent produire jusqu'à 16,77 millions de pixels. couleurs.

La structure du panneau (lignes de données métalliques verticales et horizontales, transistors à couches minces) et les régions frontalières des cellules où l'orientation moléculaire est perturbée doivent être cachées sous un matériau opaque pour éviter les effets optiques indésirables. Pour cela, une matrice dite noire est utilisée, qui ressemble à un maillage fin qui comble les espaces entre les filtres de couleur individuels. Le matériau utilisé pour la matrice noire est du chrome ou des résines noires.

Le rôle final dans la formation de l’image est joué par le deuxième polariseur, souvent appelé analyseur. Sa direction de polarisation est décalée de 90 degrés par rapport à la première. Pour imaginer le but de l'analyseur, vous pouvez le retirer conditionnellement de la surface du panneau connecté. Dans ce cas, nous verrons tous les sous-pixels éclairés au maximum, c'est-à-dire un remplissage blanc uniforme de l'écran, quelle que soit l'image qui y est affichée. Parce que la lumière est devenue polarisée et que le plan de sa polarisation est tourné différemment par chaque cellule, en fonction de la tension qui lui est appliquée, rien n'a encore changé pour nos yeux. La fonction de l'analyseur est précisément de couper les composantes d'onde nécessaires, ce qui vous permet de voir le résultat requis en sortie.

Parlons maintenant de la façon dont se produit cette coupure des composants nécessaires. Prenons comme exemple un polariseur avec une direction de polarisation verticale, c'est-à-dire émettant des ondes orientées dans un plan vertical.

La figure 7 montre une onde se propageant dans un plan faisant un certain angle par rapport à la direction verticale de polarisation. Le vecteur champ électrique de l'onde incidente peut être décomposé en deux composantes perpendiculaires entre elles : parallèle à l'axe optique du polariseur et perpendiculaire à celui-ci. La première composante, parallèle à l'axe optique, passe, la seconde (perpendiculaire) est bloquée.

Deux positions extrêmes s’imposent donc :

  • une onde se propageant dans un plan strictement vertical sera transmise sans changements ;
  • une onde se propageant dans un plan horizontal sera bloquée car n'ayant aucune composante verticale.

Ces deux positions extrêmes correspondent à la position totalement ouverte et totalement fermée de la cellule. Résumons :

  • Pour bloquer le plus complètement possible la lumière transmise par une cellule (sous-pixel), il faut que le plan de polarisation de cette lumière soit orthogonal au plan de transmission de l'analyseur (direction de polarisation) ;
  • Pour une transmission maximale de la lumière par une cellule, le plan de sa polarisation doit coïncider avec la direction de polarisation ;
  • En régulant en douceur la tension fournie aux électrodes des cellules, il est possible de contrôler la position des molécules de cristaux liquides et, par conséquent, la rotation du plan de polarisation de la lumière transmise. Et ainsi modifier la quantité de lumière transmise par la cellule.

L'angle de rotation du plan de polarisation dépendant de la distance parcourue par la lumière dans la couche de cristaux liquides, cette couche doit avoir une épaisseur strictement constante sur l'ensemble du panneau. Pour maintenir une distance uniforme entre les verres (avec toute la structure appliquée dessus), des entretoises spéciales sont utilisées.

L'option la plus simple est ce qu'on appelle les entretoises à billes. Ce sont des billes transparentes de polymère ou de verre d'un diamètre strictement défini et sont appliquées sur la structure interne du verre par pulvérisation. En conséquence, ils sont situés de manière chaotique sur toute la zone de la cellule et leur présence affecte négativement son uniformité, car l'espaceur sert de centre à la zone défectueuse et les molécules sont mal orientées directement à côté de celle-ci.

Une autre technologie est également utilisée : les espaceurs de colonnes (espaceur de colonne, espaceur photo, espaceur de poteau). De tels espaceurs sont situés avec une précision photographique sous la matrice noire (Fig. 8). Les avantages de cette technologie sont évidents : contraste accru grâce à l'absence de fuites de lumière à proximité des entretoises, contrôle plus précis de l'uniformité des interstices grâce à la disposition ordonnée des entretoises, rigidité accrue des panneaux et absence d'ondulations lors de la pression sur la surface.

Le panneau TN, dont la conception est illustrée à la figure 6, est le moins cher à produire, ce qui détermine sa domination sur le marché des moniteurs de masse. A cela s'ajoutent plusieurs autres technologies qui diffèrent par l'emplacement, la configuration et le matériau des électrodes, l'orientation des polariseurs, les mélanges LCD utilisés, l'orientation initiale du directeur dans le matériau à cristaux liquides, etc. Selon l’orientation initiale du directeur, toutes les technologies existantes peuvent être divisées en deux groupes :

1. Orientation planaire

Cela inclut toutes les technologies IPS (S-IPS, SA-SFT, etc.), ainsi que FFS (actuellement AFFS), développées et promues par Boe HyDis. Les molécules sont alignées horizontalement, parallèlement à la base des substrats, dans le sens précisé par le frottement, les substrats supérieur et inférieur étant frottés dans le même sens. Toutes les électrodes, pixel et communes, se trouvent sur le même substrat de verre du panneau - celui intérieur, ainsi que les lignes de données et les transistors. Dans les technologies IPS, les pixels et les électrodes communes sont situés en parallèle, en alternance (Fig. 9). Les lignes de champ s'étendent horizontalement, mais selon un certain angle par rapport à la direction de frottement. Par conséquent, lorsqu'une tension est appliquée, les molécules, qui dans ce cas ont une anisotropie diélectrique positive, tendant à s'aligner dans la direction du champ appliqué, tournent dans le même plan d'un angle en fonction de son intensité (de champ). Dans le cas du FFS, l'électrode commune est située sous le pixel. Avec cette conception, la tension appliquée aux électrodes génère un champ électrique comportant à la fois des composantes horizontales et verticales. Si pour IPS dans les axes de coordonnées illustrés sur la figure 9, le champ peut être caractérisé comme E y, alors pour FFS, les valeurs correspondantes ressembleront à E y Et Ez. Cette disposition des lignes de champ permet l'utilisation de matériaux LC présentant une anisotropie diélectrique positive et négative. La rotation moléculaire, similaire à l'IPS, se produit dans le même plan en direction de la composante horizontale du champ, mais en raison du nombre réduit de zones limites, un nombre significativement plus grand de molécules tournent, ce qui permet de réduire la largeur du réseau matriciel noir. et obtenir un rapport d'ouverture de panneau plus élevé.

L'un des principaux avantages des technologies à orientation directrice planaire est le très léger décalage de couleur de la palette lorsque l'angle de vue change. Cette stabilité s'explique par la configuration de la spirale formée par les molécules du matériau cristal liquide sous l'influence du champ, qui a ici une forme symétrique. La figure 9 montre schématiquement la position des molécules LC lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes ; il est évident que l'angle de rotation maximal est atteint dans les couches intermédiaires. Cette hétérogénéité est due au fait que, comme déjà évoqué, l'orientation des molécules dans la direction souhaitée parallèlement à la base des substrats est obtenue par prétraitement (essuyage) de leurs surfaces. Par conséquent, la mobilité des molécules dans la couche immédiatement adjacente au substrat est limitée par la topographie du substrat, et dans les couches voisines ultérieures par les forces intermoléculaires. En conséquence, sous l'influence du champ, les molécules forment une spirale ressemblant à un ruban dont les extrémités sont fixées dans un plan et la partie centrale tournée. Il existe la notion de chemin optique, qui dépend de l'indice de réfraction du milieu dans lequel le faisceau se propage et du déphasage qui en résulte dans la direction de son déplacement. Les rayons lumineux traversant une couche de cristaux liquides ont des longueurs de trajet optique différentes selon l'angle de transmission. La forme symétrique de la spirale moléculaire permet d'obtenir pour chaque niveau de gris une addition exacte à la longueur du trajet optique dans ses moitiés supérieure et inférieure ; la conséquence est l'absence presque totale de dépendance des nuances affichées aux angles de vision. Grâce à cette propriété, les panneaux IPS sont utilisés dans la grande majorité des moniteurs destinés à travailler avec des graphiques.

Lorsqu'une onde lumineuse passe, le sens de rotation du vecteur résultant (voir Fig. 5) répète partiellement la forme de la courbure de la spirale formée par les molécules. Par conséquent, la rotation du plan de polarisation lorsqu'une onde traverse la première partie du matériau LC se produit dans un sens et à travers la seconde dans le sens opposé. Le décalage de phase différent de l'une des composantes de l'onde, en fonction de la tension appliquée, conduit au fait que la direction du vecteur résultant E rà la sortie de la couche de cristaux liquides diffère de celle d'origine, cela permet à une certaine partie du flux lumineux de traverser l'analyseur. Les plans de transmission de la lumière du polariseur et de l'analyseur, comme dans toutes les autres technologies, sont décalés les uns par rapport aux autres d'un angle de 90 degrés.

Toutes les variantes actuellement produites (S-IPS, AFFS, SA-SFT) utilisent une conception cellulaire à 2 domaines. À cette fin, des électrodes en forme de zigzag sont utilisées, qui font tourner les molécules dans deux directions. Les versions initiales, désignées simplement « IPS » et « FFS », sans les préfixes « Super » et « Advanced », étaient mono-domaines, donc avaient un décalage de couleur et des angles de vision plus petits (de 140/140 en baisse de contraste à 10 : 1 pour le premier IPS).

L'orientation planaire inclut généralement l'orientation en torsion (ou orientation en torsion). Dans ce cas, l'alignement des molécules le long de la base des substrats est également réalisé en essuyant leurs surfaces, à la différence que les directions d'essuyage des substrats supérieur et inférieur sont décalées l'une par rapport à l'autre. En raison de cet alignement dans le matériau nématique, le directeur forme une hélice ressemblant à une hélice cholestérique ; pour la formation correcte de l'hélice, des additifs spéciaux contenant des molécules chirales sont utilisés dans les mélanges LC. L'orientation par torsion est utilisée dans la technologie TN (ou TN+Film) la plus largement utilisée. Cela n'a aucun sens de décrire et d'illustrer ici la conception du TN ; cela a été fait à plusieurs reprises dans de nombreux documents sur des sujets similaires ; nous pouvons dire que c'est bien connu.

2. Orientation homéotrope

MVA et PVA appartiennent à ce groupe. Le directeur est orienté perpendiculairement à la base du substrat en verre, ce qui est obtenu grâce à l'utilisation de tensioactifs dans le revêtement du substrat. Les électrodes générales et pixel sont situées sur des substrats opposés, le champ est orienté verticalement. Ici, des matériaux à cristaux liquides présentant une anisotropie diélectrique négative sont utilisés, de sorte que la tension appliquée fait tourner les molécules LC contre les lignes de champ. Le MVA se caractérise par la présence de projections longitudinales microscopiques (saillie) pour pré-incliner les molécules sur le dessus ou sur les deux substrats, de sorte que l'alignement vertical initial n'est pas complet. Les molécules alignées le long de ces saillies reçoivent une légère pré-inclinaison, ce qui permet de fixer pour chaque région (domaine) de la cellule une certaine direction dans laquelle les molécules tourneront sous l'influence du champ. Dans le PVA, il n'y a pas de telles saillies et en l'absence de tension, le directeur est orienté strictement perpendiculairement à la surface, et le pixel et les électrodes communes sont décalés les uns par rapport aux autres, de sorte que le champ créé n'est pas strictement vertical, mais contient une composante inclinée. (Fig. 10).

Les technologies à orientation directrice homéotrope incluent également l'ASV, développé par Sharp. Au sein d’un sous-pixel se trouvent plusieurs électrodes de pixels en forme de carrés aux bords arrondis. Les principes de base sont les mêmes : l'électrode commune est située sur le substrat opposé, les molécules sont orientées verticalement en l'absence de champ et des matériaux cristallins liquides à anisotropie diélectrique négative sont utilisés. Le champ créé a une composante oblique prononcée et les molécules, tournant dans le sens inverse du champ, créent une structure dans laquelle la direction du directeur ressemble à la forme d'un parapluie centré au milieu de l'électrode du pixel.

Il existe également une division des modules LCD en types en fonction de l'état des cellules en l'absence de tension. Normalement, les panneaux blancs sont ceux dans lesquels, à tension nulle sur les cellules, ils sont complètement ouverts ; en conséquence, la couleur blanche est reproduite sur l'écran. Tous les panneaux fabriqués à l'aide de la technologie TN sont normalement blancs. Les panneaux qui bloquent le passage de la lumière en l'absence de tension sont classés comme normalement noirs (normalement noirs), toutes les autres technologies appartiennent à ce type.

Module de rétroéclairage

...basé sur des lampes fluorescentes

Seule une petite partie du flux lumineux initial des lampes de rétroéclairage traverse le corps du panneau (polariseurs, électrodes, filtres colorés, etc.), pas plus de 3 %. La luminosité intrinsèque du module de rétroéclairage doit donc être assez importante : en règle générale, les lampes utilisées ont une luminosité supérieure à 30 000 cd/m2.

Des lampes fluorescentes à cathode froide CCFL (sans filaments cathodiques) sont utilisées pour l'éclairage. Une lampe CCFL est un tube de verre scellé rempli d'un gaz inerte avec un petit mélange de mercure (Fig. 11). Dans ce cas, les cathodes sont des électrodes égales, puisque le courant alternatif est utilisé pour l'alimentation électrique. Par rapport aux lampes à cathode incandescente (chaude), les électrodes CCFL ont une structure différente et sont plus grandes. La température de fonctionnement de la cathode est sensiblement différente : 80-150 o C contre environ 900 o C pour les lampes à cathode chaude, avec une température similaire de la lampe elle-même - 30-75 o C et 40 o C, respectivement. La tension de fonctionnement du CCFL est de 600-900 V, la tension de démarrage est de 900-1600 V (les chiffres sont assez arbitraires, car la gamme de lampes utilisées est très large). La formation de lumière se produit lors de l'ionisation du gaz, et une condition nécessaire à son apparition dans une lampe à cathode froide est une haute tension. Par conséquent, pour allumer une telle lampe, il est nécessaire d'appliquer aux électrodes une tension nettement supérieure à la tension de fonctionnement pendant plusieurs centaines de microsecondes. La haute tension alternative appliquée provoque l'ionisation du gaz et la rupture de l'espace entre les électrodes, et une décharge se produit.

La rupture de l'écart de décharge se produit pour les raisons suivantes. Dans des conditions normales, le gaz qui remplit la lampe est un diélectrique. Lorsqu’un champ électrique apparaît, un petit nombre d’ions et d’électrons, toujours présents dans le volume gazeux, commencent à se déplacer. Si une tension suffisamment élevée est appliquée aux électrodes, le champ électrique confère aux ions une vitesse si élevée que lorsqu'ils entrent en collision avec des molécules neutres, des électrons en sont expulsés et des ions se forment. Les électrons et les ions nouvellement formés, se déplaçant sous l'influence du champ, entrent également dans le processus d'ionisation, le processus prend un caractère semblable à celui d'une avalanche. Une fois que les ions commencent à recevoir suffisamment d’énergie pour éliminer les électrons en frappant la cathode, une autodécharge se produit. Contrairement aux lampes à cathode chaude, où la décharge est un arc, le type de décharge dans les CCFL est une lueur.

La décharge est maintenue grâce à ce que l'on appelle la chute de potentiel cathodique. La majeure partie de la chute de potentiel (tension) dans la décharge se produit dans la région cathodique. Les ions, traversant cet espace avec une différence de potentiel élevée, acquièrent une énergie cinétique élevée, suffisante pour faire sortir les électrons de la cathode. Les électrons assommés, en raison de la même différence de potentiel, sont de nouveau accélérés dans la décharge, y produisant de nouvelles paires d'ions et d'électrons. Les ions de ces paires retournent à la cathode, sont accélérés par la chute de tension entre la décharge et la cathode, et éliminent à nouveau les électrons.

L’énergie du courant électrique fait passer le mercure contenu dans la lampe de l’état liquide à l’état gazeux. Lorsque des électrons entrent en collision avec des atomes de mercure, de l'énergie est libérée en raison du retour des atomes d'un état instable à un état stable. Dans ce cas, un rayonnement intense se produit dans la région ultraviolette ; la part du rayonnement ultraviolet est d'environ 60 % du rayonnement total.

La lumière visible est produite par un revêtement de phosphore appliqué sur la surface intérieure du verre. Les photons ultraviolets libérés par le mercure excitent les atomes de la couche de phosphore, augmentant ainsi le niveau d'énergie des électrons. Lorsque les électrons reviennent à leur niveau d’énergie d’origine, les atomes du revêtement produisent de l’énergie sous forme de photons de lumière visible. Le phosphore est le composant le plus important de la lampe ; les caractéristiques du spectre d'émission en dépendent. Le spectre CCFL est extrêmement inégal et contient des pics étroits et prononcés. Même l'utilisation d'un revêtement de phosphore multicouche (au détriment d'une luminosité maximale) ne permet pas de « dépasser » les moniteurs CRT en termes de gamme de couleurs. Par conséquent, lors de la réalisation d'un panneau, afin d'obtenir une gamme de couleurs acceptable, il est également nécessaire de sélectionner avec précision des filtres de couleur dont les bandes passantes doivent correspondre le plus étroitement possible aux pics du spectre d'émission des lampes.

La gamme de couleurs maximale pourrait idéalement être fournie par une combinaison de sources monochromatiques de couleurs primaires et de filtres de couleur de haute qualité. Les LED dites laser peuvent revendiquer le rôle de sources lumineuses « quasi monochromatiques », mais la technologie de production ne garantit pas encore la rentabilité de leur utilisation dans les modules de rétroéclairage. Par conséquent, à l'heure actuelle, la meilleure gamme de couleurs peut être obtenue grâce à des modules de rétroéclairage basés sur des packages LED RVB (voir ci-dessous).

Pour générer une tension de plusieurs centaines de volts nécessaire au fonctionnement de la lampe, des convertisseurs et onduleurs spéciaux sont utilisés. La luminosité CCFL peut être ajustée de deux manières. La première consiste à modifier le courant de décharge dans la lampe. La valeur du courant de décharge est de 3 à 8 mA ; une partie importante des lampes a une plage encore plus étroite. À un courant plus faible, l'uniformité de la lueur en souffre ; à un courant plus élevé, la durée de vie de la lampe est considérablement réduite. L'inconvénient de cette méthode de réglage est qu'elle permet de modifier la luminosité dans une très petite plage, alors qu'il est impossible de la réduire de manière significative. Par conséquent, les moniteurs dotés de ce réglage, lorsqu'ils travaillent dans des conditions d'éclairage ambiant faible, s'avèrent souvent trop lumineux, même avec une luminosité nulle. Avec la deuxième méthode, une modulation de largeur d'impulsion (PWM) de la tension alimentant la lampe est générée (la largeur, c'est-à-dire la durée de l'impulsion, est contrôlée ; en modifiant la largeur d'une seule impulsion, le niveau de tension moyen est régulé.). Les inconvénients de cette méthode sont parfois attribués à l'apparition d'un scintillement de la lampe lorsque le PWM est mis en œuvre à une basse fréquence de 200 Hz et moins, mais en fait, le réglage via PWM est l'approche la plus raisonnable, car elle vous permet de modifier la luminosité. un large éventail.

Pour répartir uniformément la lumière des lampes, un système de guides de lumière, de diffuseurs et de prismes est utilisé. Il existe de nombreuses options pour organiser la distribution de la lumière, l'une d'elles est illustrée à la Fig. 12.

Les solutions avec des lampes situées sur les côtés supérieurs et inférieurs du panneau sont les plus courantes ; cette disposition peut réduire considérablement l'épaisseur totale du produit. Dans les modules de 17 et 19 pouces, en règle générale, quatre lampes sont installées : deux sur la face supérieure et deux sur la face inférieure. Il y a des trous technologiques spéciaux dans la partie d'extrémité du boîtier de ces panneaux, il n'est donc pas nécessaire de démonter le boîtier pour retirer les lampes (Fig. 13-b). Les lampes présentant cette disposition sont souvent combinées en blocs de deux pièces (Fig. 13-a).

Une autre option consiste à disposer les lampes sur toute la surface de la face arrière du module (Fig. 13-c). Cette solution est utilisée dans les panneaux multi-lampes avec huit lampes ou plus, ainsi que lors de l'utilisation de panneaux en forme de U. CCFL.

La durée de vie minimale des lampes des fabricants de panneaux est désormais généralement spécifiée entre quarante et cinquante mille heures (la durée de vie est définie comme le temps pendant lequel la luminosité des lampes diminue de 50 %).

...basé sur des LED

En plus des lampes fluorescentes, les diodes électroluminescentes (DEL) peuvent également être utilisées comme source lumineuse. Les modules de rétroéclairage à base de LED sont construits soit sur des LED « blanches », soit sur des paquets de LED de couleur primaire (LED RVB).

La plus grande gamme de couleurs est fournie par les packages RVB-LED. Le fait est qu'une LED « blanche » est une LED bleue avec un revêtement de phosphore jaune, ou une LED ultraviolette avec une combinaison de revêtement de phosphore « rouge », « vert » et « bleu ». Le spectre des LED « blanches » n’est pas exempt de tous les inconvénients du spectre des lampes fluorescentes. De plus, contrairement aux LED « blanches », le package RVB-LED vous permet d'ajuster rapidement la température de couleur du rétroéclairage en contrôlant séparément l'intensité lumineuse de chaque groupe de LED de couleurs primaires.

En conséquence, deux objectifs sont atteints :

  • la gamme de couleurs est élargie grâce à un spectre de rétroéclairage plus idéal,
  • les capacités d'étalonnage des couleurs sont étendues : à la méthode standard basée sur des tables de conversion de coordonnées de couleur pour les pixels de l'image, la possibilité d'ajuster la balance des couleurs du rétroéclairage est ajoutée.

La forte pente de la caractéristique courant-tension des LED ne permet pas un réglage en douceur de la luminosité du rayonnement sur de larges plages. Mais comme l'appareil permet de fonctionner en mode pulsé, en pratique, la méthode de modulation de largeur d'impulsion est le plus souvent utilisée pour régler la luminosité des LED (ainsi que des lampes fluorescentes).

Oleg Medvedev, Maxim Proskurnya

Écran LCD(Afficheur à cristaux liquides) ou Écran LCD Les téléviseurs (à cristaux liquides), comme on les appelle communément, sont des téléviseurs dotés d'un écran LCD et d'un rétroéclairage par lampe. Liquide Crystal, signifie que l'affichage (moniteur) lui-même est réalisé sur la base cristaux liquides

LCD-TFT(Anglais : Thin film transistor) - un type d'affichage à cristaux liquides qui utilise une matrice active contrôlée transistors à couches minces. Un amplificateur pour chaque sous-pixel (élément matriciel) est utilisé pour augmenter la vitesse, le contraste et la clarté de l'image affichée.

  • Un peu d'histoire :

    • Cristaux liquides ont été découverts pour la première fois par un botaniste autrichien Réinitzer V 1888 g., mais seulement dans 1930 -des chercheurs d'une société britannique Marconi ont reçu un brevet pour leur utilisation industrielle, cependant, la faiblesse de la base technologique n'a pas permis le développement actif de ce domaine à cette époque.

    Les scientifiques ont réalisé la première véritable percée Fergéson Et Williams d'une société américaine RCA. L'un d'eux a créé un capteur thermique à base de cristaux liquides, utilisant leur effet réfléchissant sélectif, l'autre a étudié l'effet d'un champ électrique sur les cristaux nématiques. Et donc, à la fin 1966 ville, société RCA a présenté un prototype de moniteur LCD - horloge digitale. La première calculatrice au monde - CS10A a été produit en 1964 société Pointu, alias, en octobre 1975 année, a lancé la première montre numérique compacte avec un écran LCD. Malheureusement, je n'ai trouvé aucune photo, mais beaucoup se souviennent encore de cette montre et de cette calculatrice.

    Dans la seconde moitié des années 70, la transition des indicateurs LCD à huit segments s'amorce vers la réalisation de matrices avec adressage (possibilité de contrôler) chaque point. Alors, dans 1976 année, entreprise Pointu a sorti un téléviseur noir et blanc avec une diagonale d'écran de 5,5 pouces, basé sur une matrice LCD avec une résolution de 160x120 pixels.

    L'étape suivante dans le développement de la technologie LCD a commencé dans les années 80, lorsque les appareils ont commencé à utiliser Éléments STN avec un contraste accru. Ensuite, ils ont été remplacés par des structures multicouches qui éliminent les erreurs lors de la reproduction des images couleur. À la même époque, apparaissent des matrices actives basées sur la technologie. a-Si TFT. Premier prototype de moniteur a-Si TFT LCD a été créé en 1982 sociétés Sanyo, Toshiba Et Canon eh bien, à cette époque, nous aimions jouer avec des jouets comme ceux-ci avec un écran LCD

    Désormais, les écrans LCD ont presque complètement remplacé les téléviseurs CRT du marché, offrant à l'acheteur n'importe quelle taille : des portables et petites « cuisines » aux immenses, avec des diagonales de plus d'un mètre. La fourchette de prix est également très large et permet à chacun de choisir un téléviseur en fonction de ses besoins et de ses capacités financières.

    La conception des circuits des téléviseurs LCD est bien plus complexe que celle des simples téléviseurs CRT : pièces miniatures, cartes multicouches, unités coûteuses... Pour ceux que ça intéresse, un téléviseur avec une dalle LCD sans capot arrière, et si vous enlevez des écrans de protection, on peut voir d'autres sections du circuit, mais il vaut mieux ne pas faire ça, laisser le soin aux maîtres

  • Conception et principe de fonctionnement :

    • Emploi affichage LCD(LCD) est basé sur le phénomène polarisation du flux lumineux. On sait que ce qu'on appelle cristaux polaroïds sont capables de transmettre uniquement la composante de lumière dont le vecteur d'induction électromagnétique se trouve dans un plan parallèle au plan optique du polaroïd. Pour le reste de la puissance lumineuse, le Polaroid sera opaque. Cet effet est appelé polarisation de la lumière.

    Tout simplement, imaginez la « lumière » sous la forme de petites boules rondes, si vous mettez une grille avec des coupes longitudinales (polariseur) sur son passage, alors, après elle, il ne restera que des « crêpes » plates (lumière polarisée) des « boules ». Désormais, si le deuxième maillage a les mêmes coupes longitudinales, les crêpes pourront « glisser » à travers lui et « briller » davantage, mais si le deuxième maillage a des fentes verticales, alors les « crêpes » lumineuses horizontales ne pourront pas passer à travers et « rester coincé »

    Lorsque l'on a étudié des substances liquides, dont les longues molécules sont sensibles aux champs électrostatiques et électromagnétiques et sont capables de polariser la lumière, il est devenu possible de contrôler la polarisation. Ces substances amorphes étaient appelées cristaux liquides

    Structurellement, l'affichage se compose de Matrices LCD(une plaque de verre, entre les couches de laquelle se trouvent des cristaux liquides), sources lumineuses pour l'éclairage, faisceau de contact et le cadrage ( logement), généralement en plastique, avec une armature métallique rigide.

    Chaque pixels La matrice LCD se compose de couche de molécules entre deux électrodes transparentes, et deux filtres polarisants, dont les plans de polarisation sont (généralement) perpendiculaires. En l’absence de cristaux liquides, la lumière transmise par le premier filtre est presque totalement bloquée par le second.

    La surface des électrodes en contact avec les cristaux liquides est spécialement traitée pour orienter initialement les molécules dans une direction. Dans une matrice TN, ces directions sont mutuellement perpendiculaires, donc les molécules, en l’absence de tension, s’alignent selon une structure hélicoïdale. Cette structure réfracte la lumière de telle manière que le plan de sa polarisation tourne avant le deuxième filtre et que la lumière le traverse sans perte. Hormis l'absorption de la moitié de la lumière non polarisée par le premier filtre, la cellule peut être considérée comme transparente, même si le niveau de perte est considérable.

    Si une tension est appliquée aux électrodes, les molécules ont tendance à s’aligner dans la direction du champ électrique, ce qui déforme la structure de la vis. Dans ce cas, les forces élastiques s'opposent à cela et lorsque la tension est coupée, les molécules reviennent à leur position d'origine. Avec une intensité de champ suffisante, presque toutes les molécules deviennent parallèles, ce qui conduit à une structure opaque ; le degré de transparence peut être contrôlé en modifiant la tension appliquée.

    La source lumineuse (rétroéclairage matriciel LCD) est lampes fluorescentes à cathode froide(on les appelle ainsi parce que la cathode émettrice d'électrons (électrode négative) à l'intérieur de la lampe n'a pas besoin d'être chauffée au-dessus de la température ambiante pour que la lampe s'allume.) Voici à quoi pourrait ressembler une lampe pour un téléviseur LCD ; sur la photo de droite, il y a un « ensemble de lampes en fonctionnement » pour un téléviseur avec un grand écran LCD diagonal :

    Les lampes elles-mêmes (lueur blanche brillante) sont situées dans des emplacements spéciaux pinces de corps, derrière eux - réflecteur, pour réduire les pertes de flux lumineux. Pour que la matrice LCD s'éclaire uniformément (et non en rayures, car les lampes sont installées), il y a un diffuseur, qui répartit uniformément le flux lumineux sur toute sa surface. Malheureusement, à cet endroit, il y a aussi une perte considérable de « luminosité » des lampes.

    Les matrices LCD modernes ont un angle de vision assez bon (environ 160 degrés) sans perte de qualité d'image (couleurs, luminosité), la chose la plus désagréable que l'on puisse voir dessus est celle-ci pixels défectueux, cependant, étant donné que leur taille est très petite, un ou deux de ces pixels « grillés » ne gêneront pas beaucoup le visionnage de films et de programmes, mais sur un écran de moniteur, cela peut déjà être assez désagréable

  • Avantages et inconvénients:

    • Par rapport aux téléviseurs CRT, les panneaux LCD ont une mise au point et une clarté excellentes, il n'y a pas d'erreurs de convergence ni de violations de la géométrie de l'image, l'écran ne scintille jamais, ils sont plus légers et prennent moins de place. Les inconvénients incluent une luminosité et un contraste faibles (par rapport au CRT), la matrice n'est pas aussi durable qu'un écran kinéscope, un ensemble de freins numériques et de problèmes avec un signal analogique ou faible, ainsi qu'un mauvais traitement du matériau source

    Le « cœur » de tout moniteur à cristaux liquides est la matrice LCD (Liquid Cristall Display). Le panneau LCD est une structure multicouche complexe. Un schéma simplifié d'un panneau LCD TFT couleur est présenté sur la figure 2.

    Le principe de fonctionnement de tout écran à cristaux liquides repose sur la propriété des cristaux liquides de modifier (faire pivoter) le plan de polarisation de la lumière qui les traverse proportionnellement à la tension qui leur est appliquée. Si un filtre polarisant (polariseur) est placé sur le trajet de la lumière polarisée traversant les cristaux liquides, alors en modifiant la tension appliquée aux cristaux liquides, vous pouvez contrôler la quantité de lumière transmise par le filtre polarisant. Si l'angle entre les plans de polarisation de la lumière traversant les cristaux liquides et le filtre lumineux est de 0 degré, alors la lumière traversera le polariseur sans perte (transparence maximale), s'il est de 90 degrés, alors le filtre lumineux transmettre un minimum de lumière (transparence minimale).

    Fig. 1. Écran LCD. Principe de fonctionnement de la technologie LCD.

    Ainsi, grâce à des cristaux liquides, il est possible de réaliser des éléments optiques à degré de transparence variable. Dans ce cas, le niveau de transmission lumineuse d'un tel élément dépend de la tension qui lui est appliquée. Tout écran LCD d’un écran d’ordinateur, d’un ordinateur portable, d’une tablette ou d’un téléviseur contient de plusieurs centaines de milliers à plusieurs millions de ces cellules, d’une taille de fractions de millimètre. Ils sont combinés dans une matrice LCD et avec leur aide, nous pouvons former une image sur la surface d'un écran à cristaux liquides.
    Les cristaux liquides ont été découverts à la fin du XIXe siècle. Cependant, les premiers dispositifs d'affichage basés sur ceux-ci ne sont apparus qu'à la fin des années 60 du 20e siècle. Les premières tentatives d’utilisation d’écrans LCD dans les ordinateurs ont eu lieu dans les années 80 du siècle dernier. Les premiers moniteurs à cristaux liquides étaient monochromes et leur qualité d'image était bien inférieure à celle des écrans à tube cathodique (CRT). Les principaux inconvénients des premières générations de moniteurs LCD étaient :

    • - faibles performances et inertie de l'image ;
    • - « queues » et « ombres » dans l'image à partir des éléments de l'image ;
    • - mauvaise résolution de l'image ;
    • - image en noir et blanc ou en couleur avec une faible profondeur de couleur ;
    • - et ainsi de suite.

    Cependant, les progrès ne se sont pas arrêtés et, au fil du temps, de nouveaux matériaux et technologies ont été développés dans la fabrication de moniteurs à cristaux liquides. Les progrès de la technologie microélectronique et le développement de nouvelles substances dotées de propriétés de cristaux liquides ont considérablement amélioré les performances des moniteurs LCD.

    Conception et fonctionnement d'une matrice LCD TFT.

    L'une des principales réalisations a été l'invention de la technologie de matrice LCD TFT - une matrice à cristaux liquides avec des transistors à couches minces (Thin Film Transistors). Les moniteurs TFT ont considérablement augmenté la vitesse des pixels, augmenté la profondeur des couleurs de l'image et réussi à éliminer les « queues » et les « ombres ».
    La structure du panneau fabriqué à l'aide de la technologie TFT est illustrée à la Fig. 2

    Fig.2. Diagramme de structure de la matrice LCD TFT.
    Une image en couleur sur une matrice LCD est formée de points individuels (pixels), chacun étant généralement constitué de trois éléments (sous-pixels) responsables de la luminosité de chacune des principales composantes de la couleur - généralement rouge (R), vert (G) et bleu (B) - RVB. Le système vidéo du moniteur scanne en permanence tous les sous-pixels de la matrice, enregistrant un niveau de charge proportionnel à la luminosité de chaque sous-pixel dans les condensateurs de stockage. Les transistors à couches minces (Thin Film Trasistor (TFT) - en fait, c'est pourquoi la matrice TFT est appelée ainsi) connectent les condensateurs de stockage au bus de données au moment où les informations sont écrites sur un sous-pixel donné et commutent le condensateur de stockage sur la conservation de la charge. mode pour le reste du temps.
    La tension stockée dans le condensateur mémoire de la matrice TFT agit sur les cristaux liquides d'un sous-pixel donné, faisant tourner le plan de polarisation de la lumière qui les traverse depuis le rétroéclairage d'un angle proportionnel à cette tension. Après avoir traversé une cellule à cristaux liquides, la lumière pénètre dans un filtre lumineux matriciel, sur lequel un filtre lumineux d'une des couleurs primaires (RVB) est formé pour chaque sous-pixel. Le motif des positions relatives des points de différentes couleurs est différent pour chaque type de panneau LCD, mais il s'agit d'un sujet distinct. Ensuite, le flux lumineux généré des couleurs primaires pénètre dans un filtre polarisant externe dont la transmission de la lumière dépend de l'angle de polarisation de l'onde lumineuse incidente sur celui-ci. Un filtre polarisant est transparent aux ondes lumineuses dont le plan de polarisation est parallèle à son propre plan de polarisation. À mesure que cet angle augmente, le filtre polarisant commence à transmettre de moins en moins de lumière, jusqu'à une atténuation maximale à un angle de 90 degrés. Idéalement, un filtre polarisant ne devrait pas transmettre la lumière polarisée orthogonalement à son propre plan de polarisation, mais dans la vraie vie, une petite partie de la lumière la traverse. Par conséquent, tous les écrans LCD ont une profondeur de noir insuffisante, ce qui est particulièrement prononcé lorsque les niveaux de luminosité du rétroéclairage sont élevés.
    En conséquence, dans un écran LCD, le flux lumineux de certains sous-pixels traverse un filtre polarisant sans perte, d'autres sous-pixels il est atténué dans une certaine mesure et de certains sous-pixels il est presque complètement absorbé. Ainsi, en ajustant le niveau de chaque couleur primaire dans des sous-pixels individuels, il est possible d'en obtenir un pixel de n'importe quelle nuance de couleur. Et à partir de nombreux pixels colorés, créez une image couleur plein écran.
    Le moniteur LCD a permis de réaliser une avancée majeure dans la technologie informatique, en la rendant accessible au plus grand nombre. De plus, sans écran LCD, il serait impossible de créer des ordinateurs portables tels que des ordinateurs portables et des netbooks, des tablettes et des téléphones portables. Mais tout est-il si rose avec l’utilisation des écrans à cristaux liquides ?

    En plus de la technologie éprouvée LCD + TFT (transistors à couches minces), il existe une technologie de diodes électroluminescentes organiques OLED + TFT activement promue, c'est-à-dire AMOLED - OLED à matrice active. La principale différence entre ces derniers est que le rôle de polariseur, de couche LCD et de filtres de lumière est joué par des LED organiques de trois couleurs.

    Il s’agit essentiellement de molécules capables d’émettre de la lumière lorsqu’un courant électrique circule et, en fonction de la quantité de courant circulant, de modifier l’intensité de la couleur, comme ce qui se produit dans les LED classiques. En retirant les polariseurs et l'écran LCD du panneau, nous pouvons potentiellement le rendre plus fin et, surtout, flexible !

    Quels types d’écrans tactiles existe-t-il ?
    Étant donné que les capteurs sont actuellement davantage utilisés avec les écrans LCD et OLED, je pense qu'il serait raisonnable d'en parler tout de suite.

    Une description très détaillée des écrans tactiles ou des panneaux tactiles est donnée (la source a vécu autrefois, mais pour une raison quelconque a disparu), je ne décrirai donc pas tous les types d'écrans tactiles, je me concentrerai uniquement sur les deux principaux : résistifs et capacitifs.

    Commençons par le capteur résistif. Il est constitué de 4 composants principaux : un panneau de verre (1), comme support de l'ensemble de la dalle tactile, deux membranes polymères transparentes avec un revêtement résistif (2, 4), une couche de micro-isolants (3) séparant ces membranes, et 4, 5 ou 8 fils, qui sont chargés de « lire » le toucher.


    Schéma du dispositif de capteur résistif

    Lorsqu'on appuie sur un tel capteur avec une certaine force, les membranes entrent en contact, le circuit électrique est fermé, comme le montre la figure ci-dessous, la résistance est mesurée, qui est ensuite convertie en coordonnées :


    Le principe de calcul des coordonnées pour un afficheur résistif à 4 fils ()

    Tout est extrêmement simple.

    Il est important de se rappeler deux choses : a) les capteurs résistifs de nombreux téléphones chinois ne sont pas de haute qualité, cela peut être dû précisément à la distance inégale entre les membranes ou aux micro-isolants de mauvaise qualité, c'est-à-dire le « cerveau » du téléphone ne peut pas convertir correctement les résistances mesurées en coordonnées ; b) un tel capteur nécessite d'appuyer, en poussant une membrane vers une autre.

    Les capteurs capacitifs sont quelque peu différents des capteurs résistifs. Il convient de mentionner tout de suite que nous ne parlerons que des capteurs projectifs-capacitifs, qui sont désormais utilisés dans l'iPhone et d'autres appareils portables.

    Le principe de fonctionnement d’un tel écran tactile est assez simple. Une grille d'électrodes est appliquée à l'intérieur de l'écran et l'extérieur est recouvert, par exemple, d'ITO, un oxyde complexe d'indium et d'étain. Lorsque nous touchons le verre, notre doigt forme un petit condensateur avec une telle électrode, et l'électronique de traitement mesure la capacité de ce condensateur (fournit une impulsion de courant et mesure la tension).

    En conséquence, le capteur capacitif ne réagit qu'à un toucher ferme et uniquement avec des objets conducteurs, c'est-à-dire qu'un tel écran fonctionnera une fois sur deux s'il est touché par un ongle, ainsi que par une main imbibée d'acétone ou déshydratée. Le principal avantage de cet écran tactile par rapport à un écran résistif est peut-être la possibilité de créer une base assez solide - en particulier du verre résistant, comme le Gorilla Glass.


    Schéma de fonctionnement du capteur capacitif de surface()

    Comment fonctionne un écran E-Ink ?
    L’E-Ink est peut-être beaucoup plus simple que l’écran LCD. Encore une fois, nous avons affaire à une matrice active responsable de la formation de l'image, mais il n'y a ici aucune trace de cristaux LCD ou de lampes de rétroéclairage, mais des cônes avec deux types de particules : le noir chargé négativement et le blanc chargé positivement. L'image est formée en appliquant une certaine différence de potentiel et en redistribuant les particules à l'intérieur de ces microcônes, ceci est clairement démontré dans la figure ci-dessous :


    Ci-dessus se trouve un schéma du fonctionnement d'un écran E-Ink, ci-dessous se trouvent de vraies microphotographies d'un tel écran fonctionnel ()

    Si cela ne suffit pas à quelqu'un, le principe de fonctionnement du papier électronique est démontré dans cette vidéo :

    En plus de la technologie E-Ink, il existe la technologie SiPix, dans laquelle il n'y a qu'un seul type de particules, et le « remplissage » lui-même est noir :


    Schéma de fonctionnement de l'écran SiPix ()

    Pour ceux qui veulent sérieusement se familiariser avec le papier électronique « magnétique », rendez-vous ici, il y avait autrefois un excellent article dans Prest.

    Partie pratique

    Chinaphone vs smartphone coréen (capteur résistif)
    Après un démontage « minutieux » au tournevis de la carte restante et de l'écran du téléphone chinois, j'ai été très surpris de trouver la mention d'un fabricant coréen bien connu sur la carte mère du téléphone :


    Samsung et le téléphone chinois ne font qu'un !

    J'ai démonté l'écran avec soin et minutie - pour que tous les polariseurs restent intacts, donc je ne pouvais tout simplement pas m'empêcher de jouer avec eux et avec le grand frère travaillant de l'objet en cours de dissection et de me souvenir de l'atelier d'optique :


    C'est ainsi que fonctionnent 2 filtres polarisants : dans une position, le flux lumineux ne les traverse pratiquement pas, lorsqu'il est tourné à 90 degrés, il passe complètement

    Veuillez noter que tout l'éclairage est basé sur seulement quatre petites LED (je pense que leur puissance totale ne dépasse pas 1 W).

    Ensuite, j'ai longtemps cherché un capteur, croyant sincèrement qu'il s'agirait d'une douille assez épaisse. Il s’est avéré que c’était tout le contraire. Dans les téléphones chinois et coréens, le capteur est constitué de plusieurs feuilles de plastique, qui sont très bien et étroitement collées au verre du panneau extérieur :


    À gauche se trouve le capteur du téléphone chinois, à droite le capteur du téléphone coréen

    Le capteur résistif du téléphone chinois est fabriqué selon le schéma « le plus simple est le mieux », contrairement à son homologue sud-coréen plus cher. Si je me trompe, corrigez-moi dans les commentaires, mais à gauche sur la photo se trouve un capteur typique à 4 broches et à droite un capteur à 8 broches.

    Écran LCD de téléphone chinois
    Étant donné que l'écran du téléphone chinois était toujours cassé et que celui coréen n'était que légèrement endommagé, je vais essayer de parler de l'écran LCD en utilisant l'exemple du premier. Mais pour l’instant, nous n’allons pas le décomposer complètement, mais regardons au microscope optique :


    Micrographie optique des lignes horizontales de l'écran LCD d'un téléphone chinois. La photographie en haut à gauche présente une certaine tromperie de notre vision en raison des « mauvaises » couleurs : la fine bande blanche est le contact.

    Un fil alimente deux lignes de pixels à la fois, et le découplage entre eux est organisé à l’aide d’un « bug électrique » tout à fait inhabituel (photo en bas à droite). Derrière tout ce circuit électrique se trouvent des pistes filtrantes, peintes dans les couleurs appropriées : rouge (R), vert (G) et bleu (B).

    A l'extrémité opposée de la matrice par rapport à l'endroit où le câble est fixé, vous pouvez trouver une répartition des couleurs similaire, des numéros de piste et les mêmes commutateurs (si quelqu'un pouvait clarifier dans les commentaires comment cela fonctionne, ce serait très cool ! ) :


    Chambres-chambres-chambres...

    Voici à quoi ressemble un écran LCD fonctionnel au microscope :

    C'est tout, maintenant nous ne verrons plus cette beauté, je l'ai écrasée au sens littéral du terme, et après avoir un peu souffert, j'ai « divisé » une de ces miettes en deux morceaux de verre séparés, qui constituent la partie principale de l'affichage....

    Vous pouvez maintenant consulter les pistes de filtre individuelles. Je parlerai des « points » sombres sur eux un peu plus tard :


    Micrographie optique de filtres avec des taches mystérieuses...

    Et maintenant un petit aspect méthodologique concernant la microscopie électronique. Les mêmes rayures de couleur, mais sous le faisceau d'un microscope électronique : la couleur a disparu ! Comme je l'ai dit plus tôt (par exemple, dans le tout premier article), il est complètement « noir et blanc » pour un faisceau d'électrons, qu'il interagisse ou non avec une substance colorée.


    Il semble que ce soient les mêmes rayures, mais sans couleur...

    Jetons un coup d'oeil de l'autre côté. Des transistors se trouvent dessus :


    Au microscope optique - en couleur...


    Et un microscope électronique – image en noir et blanc !

    Cela se voit un peu moins bien au microscope optique, mais le SEM vous permet de voir les franges de chaque sous-pixel - ceci est assez important pour la conclusion suivante.

    Alors, quelles sont ces étranges zones sombres ?! J'ai réfléchi longtemps, je me suis creusé la tête, j'ai lu de nombreuses sources (la plus accessible était peut-être Wiki) et, d'ailleurs, pour cette raison j'ai retardé la sortie de l'article le jeudi 23 février. Et c’est la conclusion à laquelle je suis arrivé (peut-être que je me trompe – corrigez-moi !).

    La technologie VA ou MVA est l’une des plus simples, et je ne pense pas que les Chinois aient inventé quelque chose de nouveau : chaque sous-pixel doit être noir. C'est-à-dire que la lumière ne le traverse pas (un exemple d'affichage fonctionnel et non fonctionnel est donné), en tenant compte du fait que dans l'état « normal » (sans influence extérieure), le cristal liquide est mal orienté et ne donne pas la polarisation «nécessaire», il est logique de supposer que chaque sous-pixel distinct possède son propre film LCD.

    Ainsi, l’ensemble du panneau est assemblé à partir d’un seul écran micro-LCD. La note sur la bordure de chaque sous-pixel individuel s’intègre ici de manière organique. Pour moi, c’est devenu une sorte de découverte inattendue au moment même où je préparais l’article !

    J'ai regretté d'avoir cassé l'écran du téléphone coréen : après tout, nous devons montrer quelque chose aux enfants et à ceux qui viennent en excursion dans notre faculté. Je ne pense pas qu'il y ait autre chose d'intéressant à voir.

    De plus, par souci de complaisance, je donnerai un exemple de « l'organisation » des pixels de deux principaux fabricants de communicateurs : HTC et Apple. L'iPhone 3 a été offert pour une opération indolore par une personne aimable, et le HTC Desire HD est en fait le mien :


    Photomicrographies de l'écran HTC Desire HD

    Une petite remarque sur l'écran HTC : je n'ai pas regardé spécifiquement, mais cette bande au milieu des deux microphotos du haut pourrait-elle faire partie de ce même capteur capacitif ?!


    Microphotographies de l'écran de l'iPhone 3

    Si ma mémoire est bonne, alors HTC dispose d'un écran superLCD, tandis que l'iPhone 3 a un écran LCD ordinaire. Le soi-disant Retina Display, c'est-à-dire un écran LCD dans lequel les deux contacts de commutation des cristaux liquides se trouvent dans le même plan, In-Plane Switching - IPS, est déjà installé dans l'iPhone 4.

    J'espère qu'un article sera bientôt publié sur le thème de la comparaison des différentes technologies d'affichage avec le support de 3DNews. Pour l'instant, je veux juste noter le fait que l'écran HTC est vraiment inhabituel : les contacts sur les sous-pixels individuels sont placés de manière non standard - en quelque sorte sur le dessus, contrairement à l'iPhone 3.

    Et enfin, dans cette section, j'ajouterai que les dimensions d'un sous-pixel pour un téléphone chinois sont de 50 sur 200 micromètres, pour le HTC de 25 sur 100 micromètres et pour l'iPhone de 15 à 20 sur 70 micromètres.

    E-Ink d'un célèbre fabricant ukrainien
    Commençons peut-être par des choses banales - les « pixels », ou plutôt les cellules qui sont chargées de former l'image :


    Micrographie optique de la matrice active d'un écran E-Ink

    La taille d'une telle cellule est d'environ 125 micromètres. Puisque nous regardons la matrice à travers le verre sur lequel elle est appliquée, je vous demande de faire attention à la couche jaune en "fond" - il s'agit du placage à l'or, dont nous devrons ensuite nous débarrasser.


    En avant vers l'embrasure !


    Comparaison des « entrées » horizontales (à gauche) et verticales (à droite)

    Entre autres choses, de nombreuses choses intéressantes ont été découvertes sur le substrat en verre. Par exemple, des marques de position et des contacts, qui, apparemment, sont destinés à tester l'écran en production :


    Micrographies optiques des marques et des tampons de test

    Bien sûr, cela n'arrive pas souvent et il s'agit généralement d'un accident, mais les écrans se cassent parfois. Par exemple, cette fissure à peine perceptible, moins épaisse qu'un cheveu humain, peut vous priver à jamais de la joie de lire votre livre préféré sur Foggy Albion dans le métro étouffant de Moscou :


    Si les écrans cassent, c'est que quelqu'un en a besoin... Moi par exemple !

    À propos, le voici, l'or que j'ai mentionné - une zone lisse "au fond" de la cellule pour un contact de haute qualité avec l'encre (plus d'informations ci-dessous). On enlève l'or mécaniquement et voici le résultat :


    Vous avez beaucoup de courage. Voyons à quoi ils ressemblent ! (Avec)

    Sous une fine pellicule d’or sont cachés les composants de contrôle de la matrice active, si on peut l’appeler ainsi.

    Mais le plus intéressant, bien sûr, c’est « l’encre » elle-même :


    Micrographie SEM de l'encre à la surface de la matrice active.

    Bien sûr, il est difficile de trouver au moins une microcapsule détruite pour regarder à l’intérieur et voir des particules de pigment « blanches » et « noires » :

    Micrographie SEM de la surface de « l’encre » électronique


    Micrographie optique de "l'encre"

    Ou y a-t-il encore quelque chose à l'intérieur ?!


    Soit une sphère détruite, soit arrachée du polymère support

    La taille des billes individuelles, c'est-à-dire un analogue d'un sous-pixel dans E-Ink, ne peut être que de 20 à 30 microns, ce qui est nettement inférieur aux dimensions géométriques des sous-pixels dans les écrans LCD. À condition qu'une telle capsule puisse fonctionner à la moitié de sa taille, l'image obtenue sur des écrans E-Ink de bonne qualité est bien plus agréable que sur un LCD.

    Et pour le dessert, une vidéo sur le fonctionnement des écrans E-Ink au microscope.