|  | ||||||||
|  | ||||||||
| | ||||||||
| | ||||||||
 |
kategória |  |
||||||||
|
|
||||||||||
 |
 |
|
|
|
|
|
||
|
|
A számítógéphez kapcsolt képmegjelenítő létrehozhat maradandó képet, ebben az esetben nyomtatóról beszélünk, főbb fajtáit a következő fejezetben tárgyaljuk, és csak a számítógép működésének idején látható képet, melyet azonban a számítógép segítségével változtathatunk, ezt a megjelenítő típust hívjuk képmegjelenítőnek[1]. Ha a számítógéptől független egységet képez, melyben meghajtó és vezérlő rendszereket is elhelyeztek, monitorról beszélünk. A képmegjelenítő azon felületét, melyen a kép megjelenik, a képernyő.
A jelen fejezetben a képmegjelenítők főbb fajtáit ismertetjük.
. ábra: A képmegjelenítők csoportosítása.
A képmegjelenítőket az 1. ábra alapján csoportosíthatjuk. Így megkülönböztetünk önvilágító (vagy aktív) és passzív képmegjelenítőket. Az aktív képmegjelenítők maguk hozzák létre azt az optikai sugárzást, melyet látunk. A passzív képmegjelenítők a rájuk eső sugárzást módosítják, de a kép csak akkor látszik, ha fényforrással megvilágítjuk (vagy átvilágítjuk, mint ezt pl. a folyadékkristályos számítógépes képmegjelenítőknél tesszük.
A 1. ábra képmegjelenítőknél napjainkban használt - vagy perspektivikusnak ítélt - technológiák áttekintését nyújtja. Az alábbiakban az egyes technológiák főbb jellemzőivel ismerkedhetünk meg. A 8.2 fejezetben a katódsugárcsöves, a 8.3 fejezetben az aktív lapos, a 8.4 fejezetben a passzív lapos képmegjelenítőket tárgyaljuk. Kösübbi fejezetben b 353f51d emutatunk néhány speciális képmegjelenítőt, mint például a vetítős rendszereket, a sisakba szerelhető képmegjelenítőt, az u.n. elektronikus papírt.
A képmegjelenítők legfőbb jellemzői:
Hány pixel, azaz függetlenül megcímezhető és láthatóvá tehető képpontot lehet egy sorban elhelyezni és hány ilyen képsorból állhat a teljes kép;
Mi az egyes pixelek címzésének technikája: sorról sorra rajzolja fel a képmegjelenítő a képet (raszter), mint a katódsugárcsöves képmegjelenítő esetén (lásd 8.2.2 fejezet), vagy a sorok és oszlopok mátrixában történik a címzés. Ezzel részletesen az LCD képmegjelenítőkkel kapcsolatban foglalkozunk majd (lásd 8.4 fejezet).
Az adott képben létrehozott írásképben mi a legfinomabb vonalszerkezet, amit létre lehet hozni, és azt milyen kontraszttal lehet előállítani (több pixel kiterjedésű fehér-fekete sakktáblaszerű elrendezésnél a kontraszt általában nagyobb lehet, mint nagyon finom struktúrájú kép esetén, melynél szomszédos pixelekre hol fehér, hol fekete jel megjelenítése jut).
Legnagyobb képfrissítési frekvencia.
Az írás vagy kép legnagyobb váltási sebessége, azaz mozgó képek megjelenítésénél mennyiben jönnek létre a mozgást elkenő utóképek.
A számítógéppel soronként és oszloponként megcímezhető pixelek számára szabványokat dolgoztak ki. A képek optimális megjelenítéséhez a számítógép videokártyájának teljesítőképességét összhangba kell hozni a számítógép monitorával. Így például ha a videokártya sokkal több képpontot tud feldolgozni, mint amit a monitor meg tud jeleníteni, feleslegesen nagy teljesítményű (és ezért drágább) a videokártya, mint amire szükség van. Ugyanakkor, ha a videokártyán nagyobb képfrissítési frekvenciát lehet beállítani, mint amire a monitor képes, a kártya igyekszik a nagyobb képfrekvenciát rákényszeríteni a monitorra, ez a monitort tönkreteheti.
A videokártya és monitor összhangjának megkönnyítésére néhány sor/oszlopszám értéket szabványosítottak. Ezek megnevezését a sor/oszlop számokkal együtt a 8-1. táblázat tartalmazza.
. táblázat: Szabványos képméretek pixelben
|
Megnevezés |
Sor x Oszlop pixelben |
Megjeleníthető |
Optimális képmegjelenítő méret |
|
EGA |
640 x 350 640 x 480 800 x 600 |
|
|
|
VGA |
640x480 320 x 200 |
|
|
|
SVGA |
1024 x 768 1280 x 1024 |
|
|
|
XGA |
1024x768 640 x 480 |
|
|
Az adott számítógép teljesítményéhez optimálisan használható képmegjelenítő méretet (a számítógépes gyakorlatnak megfelelően inchben mért képátló) ugyancsak feltüntettük 8-1. táblázatban. Ha túlzottan nagy számítógépes képfelbontást választunk egy adott monitor képernyő mérethez (például XGA felbontás 15"-os monitor esetén), a megjelenített képrészletek, még ha a monitor láthatóvá is tudja tenni a finom részleteket, a normális nézési távolságból nem lesznek kivehetők: a pontokban mért szokásos írásméret túlzottan kis betűméretet hoz létre a képernyőn. A 8- . táblázat optimális képmegjelenítő méret adatait azzal a feltételezéssel adtuk meg, hogy a képernyőt az irodai munkánál szokásos 50 cm - 60 cm-es távolságból nézzük, és hogy a monitor az adott pixelszámot meg tudja jeleníteni.
Napjainkban a "lap-top" és "note-book", könnyen hordozható számítógépeknél nagyobb gépek (PC-k, munkaállomások (work - station) stb.) képmegjelenítői még szinte kivétel nélkül katódsugárcsövesek. Bár tagadhatatlan, hogy a különböző rendszerű lapos képmegjelenítő gyártók versenyképes monitorokat hoztak és hoznak piacra, melyek a katódsugárcsöves készülékekkel műszaki jellemzők tekintetében versenyképesek (áruk azonban általában lényegesen nagyobb).
A katódsugárcső a múlt század második felének atomfizikai kutatásai során jött létre. Fontosabb állomásai a követjezők voltak:
Hittorf[1] 1869-ben észlelte, hogy vákuum-csőben, nagy feszültség hatására a katódból "sugarak" lépnek ki. Ezek tulajdonságát Crooks vizsgálta részletesebben, majd Braun alakította ki a Crooks csőből a képmegjelenítőt Az elektronnyaláb útjába fókuszáló és eltérítő rendszereket helyezett, a cső homlokfalára vitte fel a lumineszkáló fényporbevonatot. ( . ábra).
. ábra: A Braun féle cső vázlata.
Ezt az elvet hasznosították a katódsurágoszcilloszkópokban elektromos jelek időfüggésének, vagy két egyidejű lefutással rendelkező jel összefüggéseinek vizsgálatára (vektor-grafika, Lissajous ábrák).
A katódsugárcsövet televíziós képek megjelenítésére 1928-299 óta használjuk. A televíziós technikában nem a vektor - grafika, hanem az un raszter grafika elve alapján rajzolják a képet, s ezt vette át a számítógépes grafikai megjelenítés is: a kép elektromos jelsorozattá történő átalakításakor sorról-sorra tapogatjuk le a képet és ezt továbbítjuk. A kép visszaállításakor a katódsugárcsőben az elektronsugarat úgy vezérlik, hogy az a kép felrajzolásakor a bal felső sarokból induljon, végigpásztázza a kép felső sorát, közben kicsit elmozdul lefelé, majd visszaugrik az elektronnyaláb a kép bal szélére és elkezdi a 2. sor felírását. A televíziós technikában, átvitel-technikai sávszélesség meggondolások miatt, két félkép formájában történik az átvitel: először a páratlan sorokat rajzolják a képernyőre, majd a párosakat (intelaced technika). A számítógépben használt képmegjelenítésnél a kép minden sorát folyamatosan pásztázza az elektronnyaláb (non-interlaced technika). A számítógép monitorán megjelenő kép ennek megfelelően sorokból tevődik össze, a sorokban lévő egyes képpontok fénysűrűségét az szabja meg, hogy mekkora az elektronnyaláb erőssége abban az időpillanatban, amikor az adott helyre (raszterpont vagy pixel) jut az elektronnyaláb (lásd 3. ábra).
. ábra: Rasztergrafikai képmegjelenítés.
Amikor az elektronnyaláb elérte a kép jobb alsó pontját, nagyon rövid idő alatt visszaugrik a nyaláb az első sor bal szélére. A sor és kép visszafutásának idejére az elektronnyalábot kioltják, így ezen idők alatt nem ír jelet a képernyőre.
A katódsugárcsöves képmegjelenítőnél a 8.1 fejezetben említett sor-szám az elektronnyaláb által a képernyőre rajzolt sorok száma, az oszlop számát az szabja meg, hogy egy sor rajzolása során hányszor tudjuk ki és bekapcsolni az elektronnyalábot, ezt a videó-frekvencia szabja meg. Természetesen mind az oszlop-, mind a sor- felírásnál szerepe van annak is, hogy az elektronnyalábot milyen jól tudjuk fókuszálni, azaz mekkora az egy időpillanatban gerjesztett fényporfelület.
A fejlődés következő fontos lépése a színes képmegjelenítés volt (1950), amikor árnyékmaszk segítségével három elektronágyú sugárzását három különböző (vörös, zöld, kék) fényben világító fénypor szigetecskére vetítették. Az emberi szem a sűrűn egymás mellett elhelyezkedő különböző színű világításokat már nem tudja térben elválasztani egymástól, az egyes sugárzások additív keveréke hozza létre az észlelt színt.
A további fejlődés ezen technológiát tökéletesítette, az elektronnyalábok fokuszálását javították, jobb minőségű árnyékmaszk anyagokat dolgoztak ki, majd más elektronnyaláb szétválasztó lejárásokat is kifejlesztettek. Az alábbiakban a katódsugárcsöves képmegjelenítő felépítésének alapjait és manapság használt néhány változatát ismertetjük.
A 4. ábrán egyetlen színben (monokrom) világítani képes katódsugárcső hosszmetszetét látjuk. A katódsugárcső nagyvákuumra leszívott üvegballon. A cső nyakában van a fűtött katód. Ennek felületi rétege BaO vagy más hasonló anyagot tartalmaz, melyből termikus hevítés hatására (fűtőszál) elektronok tudnak kilépni. Az elektronnyalábot fókuszáló elektronoptika hozza létre. Ez az elektronoptika általában különböző potenciára kapcsolt lyukblendék sorozatából áll, de vannak elektromágneses fókuszáló rendszerek is (ilyeneket használnak például az elektronmikroszkópokban).
. ábra: Katódsugárcső hosszmetszetének vázlata.
A fókuszáló rendszert követi a ballon kiszélesedése tájékán az eltérítő rendszer, mely az elektronnyalábot a homloklap különböző helyére irányítja. Az eltérítés is lehet elektrosztatikus (oszcilloszkóp csövekben ezt használják), számítógép kijelzőben általában elektromágneses eltérítést alkalmaznak.
A katódsugárcső homloküveg lapjának belső felületére fényport visznek fel, mely a beeső elektronok hatására lumineszkál. Ahhoz, hogy a lumineszencia elég fényerős legyen, az elektronoknak kellő energiával kell becsapódniuk. Ezért a katód és a fénypor rétegre felvitt igen vékony, elektron áteresztő, fémes anód közt nagy gyorsító feszültségkülönbség kell, hogy uralkodjék. Az elektronokat a fénypor rétegről el is kell vezetni, ezért a cső oldalán elhelyezkedő anód kivezetést és a fénypor réteget takaró, a gyors elektronokat áteresztő vékony alumínium réteget a ballon belső falára felvitt úgynevezett aquadag (kolloid szénréteg) köti össze.
A ballon belsejét evakuálják, ezért arra 1 atmoszféra nyomás nehezedik. Ahhoz, hogy ez a nyomás ne roppantsa össze a csövet, a homloklapját enyhén meg kell görbíteni, és viszonylag vastag (cm-es vastagságú) üvegből kell készíteni. Bár a mai modern technológiával készített katódsugárcső esetén valószínűtlen, hogy kisebb ütés, koccanás hatására a cső berobbanjon (implosio), azért a katódsugárcső cseréjéhez, annak szereléséhez megfelelő védőpajzsos szemüveget és speciális testvédő kesztyűt kell hordani. Ha a cső berobban a homloklap szilánkjait az atmoszféra nyomás puskagolyó sebességűre gyorsíthatja.
Mind a televíziós technikához, mind a modern számítástechnikai képmegjelenítéshez a képcsövön színes képet kell létrehozni. Ezt az additív színkeverés elvén valósítják meg. Időrendben elsőként az úgynevezett lyukmaszkos, vagy árnyékmaszkos (shadowmask) képcsövek terjedtek el. A nagyfelbontást, finom rajzolatot igénylő megjelenítők ma is ezen elven épülnek fel.
A 5. ábra árnyékmaszkos cső felépítését szemlélteti. A színes képet vörös (red: R), zöld (green: G) és kék (blue:B) színben világító fénypor fényének keveréke hozza létre. Ehhez a három fényport szabályos síkrács formában ülepített kis szigetekként kell a ballon homlokfalára felvinni, és elektronnyalábbal gerjeszteni. Ehhez három elektronnyalábra van szükség, melyet a régebbi csőtípusokban egyenlő oldalú háromszög csúcsaiban (Δ:Delta) elrendezett katódok és elektronágyúk hoztak létre (R, G, B). Az elektronnyalábot úgy fókuszálták, hogy a homloklap közelében lévő árnyékmaszk lyukain áthaladó elektronnyalábok közül az R nyaláb csak vörösen világító fénypor szigetet érhessen, a G nyaláb csak zölden, a B nyaláb csak kéken világítót.
. ábra: Árnyékmaszkos képcső részlete.
Modern árnyékmaszkos képcsöveknél két-két szomszédos lyuk távolsága 0,2 mm ... 0,3 mm, az árnyékmaszk invar ötvözetből készül, melynek hőkitágulási együtthatója igen kicsiny. Erre azért van szükség, mert az elektronnyaláb egy része az árnyékmaszkba ütközik, azt felmelegíti s így nem invar anyag esetén kitágul. Ha ez lokálisan jön létre, mert adott helyen nagyobb az elektronáram, az árnyékmaszk torzul, a torzult maszok áthaladó elektronok szomszédos fényporszigetecskéket is elérhetnek, ami hamis színek létrehozásához vezet.
A gyorsan mozgó elektronok maguk körül mágneses teret keltenek, mely hosszabb idő alatt felmágnesezi az árnyéklemezt. Ez az elektronnyalábot defókuszálja, ami a kép minőségét rontja. Ezért az árnyékmaszk lemezt időnként le kell mágnesezni. Modern monitoroknál ez a bekapcsoláskor automatikusan történik: az árnyékmaszk lemez körül elhelyezkedő tekercsbe váltakozó áramot vezetnek, melyet fokozatosan kikapcsolva a tekercsben lévő mágneses anyagok doménjei eredeti rendezetlen irányítottságukat veszik fel.
Újabban árnyékmaszkos képcsövekben is használják az úgynevezett "in-line" technikát, ahol a három elektron-katód egy vonalban helyezkedik el és közös a fókuszáló rendszerük (lásd 6. ábra).
. ábra: In-line elektronágyú elrendezés.
Az árnyékmaszk lyukai körül sok elektron becsapódik az árnyékmaszk lemezbe, s ez rontja a cső hatásfokát. Jobb elektronáram hasznosítást ért el a Sony cég szabadalma alapján készült "Trinitron" márkanevű katódsugárcső, melynél árnyéklemez helyett párhuzamos vékony lemezeket, húrokat feszítettek ki, lásd 7. ábra.
. ábra: Trinitron maszkos képcső.
Ezen rendszer elektronáram hasznosítása igen jó, az on-line katódelrendezéssel kombinálva finom rajzolatú, nagy fényerősségű cső készítését tette lehetővé.
A Trinitron cső húrjait erősen meg kell feszíteni ahhoz, hogy külső lökés, ütés hatására ne kezdjenek el rezegni. A rezgés csökkentésére, függőleges húr elrendezés esetén, vízszintesen egy-két igen vékony húrral kötik össze a színeket elkülönítő húrokat. Ez azonban vékony sötét csíkként látható a képernyőn.
Másik, első pillanatra is feltűnő jelenség, hogy míg az árnyékmaszk lehet gömbsüveg formájú, s így a katódsugárcső homloklapja is lehet gömbsüveg, mely a külső nyomásnak jobban ellenáll, a Trinitron húrok függőleges irányban egyenesek, csak a vízszintes metszet lehet ívelt, s ezért a cső homloklapja hengerszelet formájú. Ez a rálátást javítja, de a technológiát nehezíti.
Az elektronikus jel átalakítása optikai jellé a fényporrétegben történik. A fénypor mikrokristályos szigetelő anyag, melynek tilos-sávjában aktívátor nívók vannak. Lumineszkáló anyag egyszerűsített sávképét láthatjuk a 8. ábrán.
. ábra: Lumineszkáló anyag egyszerűsített sávképe.
A nagy energiával becsapódó elektronok további elektronokat tesznek szabaddá, vagy gerjesztenek magasabb energiaállapotba, ahonnan az aktivátor alapállapotába visszatérve fotont bocsátanak ki. A kristályos anyagban lehetnek csapda (trap) nívók is, melybe ha beleesik az elektron, onnan csak termikus gerjesztéssel tud ismét a vezetési sávba visszajutni, majd az aktivátor nívón lévő lyukkal foton kibocsátás mellett rekombinálódni. Ilyenkor a gerjesztés és az emisszió között hosszabb idő is eltelhet, ezt a jelenséget hívjuk utánvilágításnak, vagy foszforeszcenciának. (Katódsugárcsöves monitort sötét szobában kikapcsolva az elektromos gerjesztés megszűnése után látható a képernyő fokozatos elsötétülése, az utánvilágítás.)
Ha a fénypor utánvilágítása túlzottan hosszú idejű, a képernyőn mozgó jelenségeknél a világos mozgó tárgyat követő üstökös figyelhető meg. Ha az utánvilágítás túlzottan rövid, a fényjelenség arra a rövid időre koncentrálódik, amíg az elektronsugár az adott pixelt gerjeszti. Ez szubmikrószekundumos idő is lehet, s például 80 Hz-es kép frissítési frekvencia esetén a fényhullám kitöltési tényezője akár 10-4 is lehet; 100 cd/m2 fénysűrűséghez Mcd/m2 csúcsintenzitások adódnak. Ezen rövid idejű igen erős felvillanások átlagolását szemünk elég jól elvégzi, a képernyő világításának fotoelektromos mérése esetén azonban meg kell győződni arról, hogy a készülék pontosan integrálja-e a felvillanás alatt kapott fényáramot.
A fényporréteget a katódsugárcső homloklapjának belső felületére hordják fel. A rétegben lévő mikrokristályban keletkezik a fény, de a nagy törésmutatójú lumineszkáló kristályból való kilépéskor a fény útja megváltozik, sokszorosan törést, totálreflexiót, szórást szenved, lásd 9. ábra.
. ábra: Fényszórás a képernyő fényporrétegében.
Ezért a képernyő nem csak ott világít, ahol elektronok éték, de csökkenő intenzitással annak környezetében is. A katódsugárcső gyártók féltve őrzött technológia titka, hogy optimális világítást milyen szemcseméretű, milyen rétegkészítési technológiával (pl. ülepítéssel), esetleg milyen utókezeléssel (réteg színterelése) érnek el. Nagyon finom rajzolatú cső készíthető, ha nem kész fényporszemcséket ágyaznak be egy hordozó mátrixba (alapanyagba), hanem a ballon falán alakítják ki, hordozó mentesen, a mikrokristályos struktúrát.
A színes jelek visszaadására készült katódsugárcsőnél például a lyukmaszk által megszabott 0,2 mm . 0,3 mm-ként három különböző fényporból kell kis szigeteket, szubpixeleket kialakítani. A cső fénytisztaságát - a szomszédos szubpixelekből való fényátszűrődést - le lehet csökkenteni, ha a szubpixelek közét fekete, fényt át nem eresztő anyag tölti ki. Ezen megoldás hátránya, hogy a szubpixelek méretét kell kisebbre választani és ezért a létrehozható maximális fénysűrűség kisebb, mint a hagyományos elrendezés esetén.
Ma színes képcsövekben használatos fényporok színképi teljesítményeloszlását a 10. ábra szemlélteti.
. ábra: Képmegjelenítőkben használt fénypor színképek.
Nemzetközi előírások rögzítik, hogy a három fénypor színinger koordinátái hová essenek a szín-diagramban, lásd 11. ábra és 8.2 táblázat. Az ábrában feltüntettük a Planck sugárzók vonalát is.
. ábra: Képmegjelenítőkben való alkalmazásra szánt színes fényporok nemzetközileg rögzített színinger-koordinátái.
. Táblázat: A CCIR 709 színes fényporainak színinger-koordinátái
|
|
x |
y |
|
Vörös (R) fénypor |
|
|
|
Zöld (G) fénypor |
|
|
|
Kék (B) fénypor |
|
|
|
Fehér (W) színpont 6500 K 5000 K 9300 K |
|
|
Az egyes gyártók az R, G, B alapszínek színpontjait elég pontosan betartják, de a három alapszín maximális DAC értékéhez tartozó "fehér" pontban igen változatos képet találunk. A ma érvényes szabvány szerint számítógép monitorok fehér pontjának korrelált színhőmérséklete 6500 K, színezete meg kell, hogy közelítse a D65 sugárzáseloszlás színezetét. Az egyes elektronágyúkkal elérhető maximális R, G, B fénysűrűség világosabb képet tesz lehetővé, ha a fehérpont számára nagyobb színhőmérsékletet választanak. Ezért elterjedten használják a 9300K fehér pont beállítást. Ugyanakkor a grafikus iparban használt rendszereknél a szabványos fehér a D50 sugárzáseloszláshoz tartozó színponton (a 8-2. Táblázatban feltűntettük a három szokásos fehér pont színinger-koordinátáit is).
A katódsugárcsöves monitoron színhelyes képet csak akkor tudunk előállítani, ha annak alapszíneit és fehérpontját pontosan ismerjük és a monitor színrendszere és a szabványos CIE XYZ színingermérő rendszer közti transzformációkat elvégezzük. Ezekkel a kérdésekkel a monitor színmetrika foglalkozik.
A katódsugárcsöves monitor elvi felépítését szemlélteti 12. ábra. A monitor a videó jelet a számítógéptől kapja. A napjainkban szokásos elrendezés szerint a számítógép videó kártyája szolgáltatja az R, G, B csatornák számára a meghajtó jelet valamint a sor és képfrekvencia szinkron jeleit. A digitál-analog konverterek (D/A-konverter) a számítógépben feldolgozott digitális jeleket (ma általában csatornánkét 8 bit információval, szokás ezen jelet DAC értéknek hívni) analóg jellé alakítják, melyeket a monitorban lévő erősítők felerősítenek és ezzel a katódsugárcső elektronnyalábjainak erősségét szabályozzák. Ezen erősítőkön két szabályozó elemet találunk: az egyik az egyenáramú erősítő nulla-pontját állítja, ezzel állíthatjuk be, hogy a vezérlő jel hányadik bitjétől kezdődően legyen hatással a vezérlés az elektronáramra.
. ábra: Katódsugárcsöves monitor elvi felépítése: Ka: katód, An: anód, Fo: fókuszáló elemek, El: eltérítő elemek, Kr: kontroll rács, Fe: fényporernyő árnyékoló maszkkal; R, G , B: a vörös, zöld, illetve kék fényporra jutó elektronnyaláb .
Az 13. ábrán látható görbe-sereget különböző nullapont értékekkel vettük fel. Látható, hogy nagyobb kivezérlési állapotban (például a 80%-os D/A jelszintnél) a pozitívba történő nullapont eltolás nagyobb fénysűrűséget hoz létre, ezért ezt az állítószeret sokszor "fényerő" ("intensity") állítógombnak nevezik.
. ábra: Fénysűrűség - DAC érték összefüggés különböző erősítő nullpont ("fényerő") beállítások esetén.
Az analóg erősítő erősítésének állításával (lásd 14. ábra) az adott DAC érték változáshoz tartozó fénysűrűség átfogást (maximális/minimális fénysűrűség) lehet befolyásolni, ezért ezt a szabályozót sokszor "kontraszt" (contrast) állító gombnak nevezik.
. ábra: A fénysűrűség - DAC érték összefüggése különböző erősítő erősítések esetén.
Látható, hogy az elektronágyú elektronáramsűrűségét szabályozó feszültséggel ("rács-" vagy "Wehnelt-henger feszültség") a fénysűrűség nem lineárisan változik. Az összefüggést lin/log léptékben ábrázolva (lásd 1.12 ábra) látható, hogy az összefüggés jó közelítésben hatványfüggvénnyel irható le, melynek kitevője 2,2 körüli érték:
L=aDg+b
ahol L a kimenő fénysűrűség, D a beállított DAC érték, a az analóg erősítő erősítése, b az erősítőn alkalmazott nulla-pont eltolástól függő érték, g pedig a hatványfüggvény hatványkitevője.[3]
A televíziós
képátvitelnél az átlagos 2,2 - 2,3-as g értéket az adó oldalán kompenzálják. A
számítástechnikában nem terjedt el egységes 
-kezelés,
PC típusú gépeknél az alap szoftver nem gondoskodik -korrekcióról,
az Apple Mackintosh gépeknél beépítettek kompenzációs áramkört. Nagypontosságú
képmegjelenítő feladatok megoldásához az adott monitor "kontraszt" és
"fényerő" beállításához tartozó -görbét
meg kell határozni, s ezzel a szükséges korrekciót végre kell hajtani. Mivel
ezt a számítást minden egyes képpontban (pixelben) el kell végezni, szokás ezt
a videó kártyába - esetleg "look-up table" formájában beépíteni.
A videó - erősítő fontos jellemzője a frekvencia-átvitel. A sor és oszlopszám, valamint a képfrissítési frekvencia (melytől függ, hogy a kép frissítését még látjuk e vagy sem) megszabja, hogy másodpercenként hány független jelet kell átvinnie a rendszernek. Így például 800x600 pixeles felbontáshoz és 80 Hz-es képfrissítéshez mintegy 40 MHz sávszélességre van szükség.
A monitor működéséhez a videó jel erősítőjén kívül további részegységekre is szükség van. Ezek közül vegyük számba a katódsugár fókuszálását és az elektronnyaláb vízszintes és függőleges eltérítését végző egységeket. A fókuszálást általában elektrosztatikus lencsék végzik. A monitor által rajzolt kép részletgazdagsága szempontjából lényeges, hogy az elektronnyaláb egy időpillanatban zömmel csak az árnyékmaszk egyetlen nyílásán haladjon át. Ehhez a fókuszálást pontosan kell beállítani. A vízszintes (sor) és függőleges (kép) eltérítést általában elektromágneses tekercsekbe vezetett vezérlő árammal valósítják meg. A monitor külső megjelenése szempontjából előnyös, ha a képátlóhoz képest kicsiny a monitor mélysége, Ehhez olyan képcső kell, melynél az elektronnyalábot széles szögtartományban lehet eltéríteni (lásd 15ábra).
. ábra: Képcső vízszintes metszete: az elektronnyaláb úthossza az eltérítőtekercsek közétől az árnyékmaszkig, illetve a fénypor rétegig a képernyő széle felé sokkal hosszabb, mint a képernyő közepe felé, ezért dinamikusan vezérelni kell a fókuszáló elektródarendszert..
A tágabb határok közötti eltérítés több problémát is felvet: A képnek a homloklapon kell torzításmentesen megjelennie, ezért a szélek felé az eltérítési szög változása gyorsabb kell, hogy legyen, mint a képernyő közepén. A képernyőn konstans pásztázási sebességhez tehát változó nyalábeltérítési szögsebesség tartozik, mely még attól is függ, hogy a képcső felső (alsó) szélén vagy közepén írjuk a sorokat, és hogy a kivezérlés milyen mértékű kell, hogy legyen. Rosszul beállított monitornál torzítások lépnek fel, például donga vagy párna torzítás, attól függően, hogy a képernyő közepén a szélekhez képest túlzottan hosszú vagy rövid sorokat rajzol az elektronnyaláb (lásd 1.14 ábra).
. ábra: Donga- és párna-torzítás katódsugárcsöves képernyőn.
Az elektronoptika a fényoptikához hasonlóan működik. Az elektronikus lencse a tárgypontot, az elektronágyú adott helyén lévő (reális vagy virtuális) blendét képezi le az árnyékmaszkra, illetve fénypor-rétegre. Az elektrosztatikus lencséknél az egyes elektródákra adott feszültségek szabják meg, hogy milyen távol keletkezik a képpont. Elektromágneses lencséknél a leképezés az áramerősségek függvénye. Mivel nagy szögeltérítésű (120˚-os vagy 140˚-os) képcsőnél a képúthossz erősen nő a kép középpontjától a szélek felé, ahhoz, hogy a kép szélein, sarkaiban se lépjen fel torzítás, a fókuszáló rendszert is dinamikusan kell vezérelni. Optimális fókuszálás esetén az elektronnyaláb átmérője az árnyékmaszknál az árnyékmaszk pitch értékének (két szomszédos lyuk középpontjának távolsága) 1,5-szerese.
A monitor minőségét megszabja, hogy az áramellátása megfelelő-e vagy sem. A fényerős képhez nagyenergiájú elektronokkal kell bombázni a fényport. Ezért a katódsugárcső anódfeszültsége több 10 kV nagyságrendű. Ha ez a feszültség változik, nem csak a kép átlagos fénysűrűsége változik, de megváltoznak az elektronoptikai beállítások is, így a képméret, torzítások stb., sőt változhat az egyes (R, G, B) elektronágyúk egymáshoz képesti optimális szabályozása, ami színi torzításokhoz vezethet. Az elektronáram pedig, s így a tápegység által szolgáltatott teljesítmény, igen tág határok között változhat egy egészen sötét kép és például egy fehér háttéren rajzolt néhány vonalas ábra közt. A szükséges áramot feszültség ingadozás nélkül kell a tápegységnek szolgáltatnia. Igényes számítógépes grafikai munkákhoz ennek teljesüléséről meg kell győződni. Gyakran fellép az olyan hiba, hogy a kivilágított felület méretének vagy színének változtatásával változik az adott pixel fénysűrűsége.
A monitorok színi kalibrálásával és színek használatával "a színmetrika számítógépes alkalmazása" c. tárgy keretében fogunk foglalkozni, a katódsugárcsöves monitor minőségi jellemzőinek megállapítását az IEC szabvány tervezete alapján a xxx melléklet tartalmazza.
Láttuk, hogy még igen nagyszögű elektronnyaláb eltérítés esetén is a katódsugárcsöves monitor mélysége közel megegyezik a képernyő átmérőjével. Lapos képmegjelenítőről akkor beszélünk, ha a monitor mélysége nem haladja meg a képernyő átmérő egytizedét. Jelen fejezetben csak az önvilágító, úgynevezett aktív lapos képmegjelenítőket tárgyaljuk, a passzív (nem önvilágító) lapos képmegjelenítőkkel a 8.4 fejezetben foglalkozunk.
A katódsugárcsöves rendszernél - mint láttuk - a képet soronként hozzuk létre a képernyőn, sor-szekvenciálisan címezzük meg az egyes pixeleket, melyek helye a képernyőn sok paramétertől (tápfeszültség, erősítés, eltérítő egységek állapota stb.) függ. Ezt hívjuk raszter címzésnek. Ezzel szemben minden ma használatos lapos képmegjelenítő technológiában a képet sorokra és oszlopokra bontva az adott pixelt a sor/oszlop számának megadásával mátrix szerűen címezzük meg.
A 17. ábra mutat példát a mátrix címzésre: ha minden sorhoz és minden oszlophoz tartozó elektródát nulla potenciálra állítunk, csak például a 3. oszlop és a 3. sor elektródájára kapcsolunk jelet, úgy a 3. sor 3. pixelje kap vezérlést. Látható azonban az is, hogy a 3. oszlop összes sorában és a 3 sor összes oszlopában lévő pixeleken a hasznos vezérlő jel értékének felével lép fel vezérlés. Ahhoz, hogy ez ne okozzon hamis fényjelenséget a képmegjelenítő fény/vezérlő-jel karakterisztikája olyan meredek kell, hogy legyen, hogy a példa szerinti 1/2 vezérlő jelnél még ne jöjjön létre kimenő jel, azaz fényjelenség változás. Ez az egyszerű mátrix címzés nagy hátránya, melyet a különböző technológiák más-más módon igyekeznek kiküszöbölni.
. ábra: Példa a mátrix címzésre.
A mátrix címzésnél a kilépő fény irányában lévő elektródasor átlátszó kell, hogy legyen. Ezt üveg hordozóra létrehozott óndioxid (SnO2) vagy indiumoxid (In2O3) átlátszó vezetővel oldják meg. Utóbbit például In-ot 10-5 torr vákuumban a felületre katódporlasztással felhordva lehet készíteni. Megfelelő optikai áteresztés mellett az ilyen rétegek kb. 20 Ohm/cm2 ellenállást mutatnak.
A katódsugárcsöves képmegjelenítő egyik, nagy felületű képmegjelenítők készítéséhez igen perspektivikus, vetélytársa a plazma képmegjelenítő (plasma display panel, PDP). Míg a katódsugárcsöves monitor 21" diagonális képátmérő fölött már igen nagy tömegű és drága eszköz, a PDP-k 40" diagonális átmérő, és e fölött is készülnek.
A plazma kijelző pixelének működése nagyon hasonló a gázkisülőlámpák működéséhez: megfelelő feszültségkülönbség hatására a gáztérben lévő töltéshordozók gyorsulnak, ütközéssel gerjesztett atomokat hoznak létre, vagy újabb atomokat ionizálnak. Az alapállapotba való visszatérés és rekombináció során fény keletkezik. A fény színét a töltőgáz (például Ne esetén narancsvörös) szabja meg.
Plazmakijelző készíthető egyenáramú üzem számára. Ezen esetbe külső áramköri elemmel kell gondoskodni arról, hogy a kialakuló ívkisülés ne növekedjék meg nem engedett áramerősségekig; azaz áramstabilizált üzemmódot kell létrehozni, melynél az áramerősséggel vezérelhetjük a fénysűrűséget. Az egyenáramú plazmakijelzőnél a biztos, időkésés nélküli, gyújtás érdekében úgy szokták beállítani a kisülést, hogy "sötét" állapotban is legyen a pixel egyik szélén kisülés, melynek fényét azonban eltakarják (l.18. ábra).
. ábra: Egyenáramú plazmapanel egy pixelének felépítése.
Váltakozóáramú (AC) plazma pixel esetén az elektródákat el lehet szigetelni a gáztértől. A vezérlő jelforma bonyolultabb, viszont a rendszerbe emlékező hatás építhető be, csak azon pixeleket kell az alapjeltől eltérő jellel vezérelni, melyek világítási állapotát meg akarjuk változtatni. Az ilyen plazmakijelző kisebb képfrissítési frekvencia esetén sem mutat villogást.
Ha magának a gáztérnek látható fényét használjuk fel képmegjelenítésre, jó hatásfokkal csak monokróm kijelzőt készíthetünk. Háromszínű pixel keresztmetszeti képét a 19. ábra szemlélteti.
. ábra: Háromszínű plazmapanel pixelének keresztmetszeti képe.
Itt a töltő gáz az elektromos gerjesztés hatására az ultraibolya színképtartományban sugároz, és a fénycsőhöz hasonlóan ezt a sugárzást fénypor segítségével alakítjuk át látható fénnyé. A három szubpixelt külön - külön kell címezni, s a kisülésük rendre vörösen, zölden, kéken világító fényport gerjeszt. A 19. ábrán bemutatott rendszer AC panel, a két üveglemez távolsága 100 mm - 200 mm és külön átlátszó elektródapár hozza létre a kisülést, és vezérlő adat-elektróda vezérli annak intenzitását.
A PDP-k hátránya, hogy nagy (150 V - 200 V) feszültség szükséges a vezérléshez, a pixelek közötti távolság (pitch) 0,3 mm - 0,4 mm, az elérhető kontraszt viszony a legtöbb megvalósított rendszernél csak kevéssel haladja meg a 100:1 értéket. Mindezek ellenére, ha a m2 árat sikerül elfogadható értékre csökkenteni, úgy a PDP a jelenlegi lapos képernyőknek vetélytársa lehet, főleg ahol nagyobb kijelzőkre van szükség.
A legrégibb lapos képmegjelenítő típus, mely elsősorban kis pixelsűrűség esetén gazdaságos megoldást kínál, a vákuum fluoreszcens képmegjelenítő (vacuum fluorescent display, VFD). Az egy színben világító szubpixel felépítését a rádió-csövektől kapta. A trióda-elrendezés szerint a nagyvákuumra leszívott pixel elektronokat emittáló katódból, pozitívabb potenciálon lévő anódból és a kettő között az elektronáram sűrűséget vezérlő, váltakozó erősségű, negatív feszültségű rácsból áll. Az anódot az elektronok a vörös, zöld, kék színben katód-lumineszkáló (lásd színes katódsugárcső) fényporon keresztül érik el, gerjesztve a fényport.
A pixelek címzése a mátrix elv alapján történik, például az anód elektródák képezik az oszlopokat, a rács-elektródák a sorokat. VFD pixel felépítését a 20. ábrán láthatjuk.
. ábra: Vákuum-fluoreszcens pixel felépítése.
A VFD igen fényerős lehet, messze az 1000 cd/m2 fölötti fénysűrűségek is elérhetők, ugyanakkor teljesítményfelvétele kicsiny (jó fényhasznosítás) és élettartama nagy (20 000 - 30 000 óra). Kis információsűrűség igény esetén elsőrendű kijelző.
A vákuumfluoreszcens képmegjelenítő egyik technológiai nehézsége, hogy az elektron emisszióhoz izzó katódra van szükség. Bár az izzókatódos emittert a vákuum elektroncsőnek több évtizedes fejlesztése során igen magas technológiai szintre emelték, használata - elsősorban a fűtőteljesítmény járulékos hatásfok csökkentése miatt - nem optimális. Régóta ismert, hogy nagyvákuumban hegyes tű-elektródák csúcsán a térerősség, reális anód-katód feszültségkülönbség esetén is elég nagy lehet ahhoz, hogy téremisszió lépjen fel.[4] A téremissziós katód a vákuum fluoreszcens képmegjelenítő egyéb elemeivel kombinálva igen perspektivikus eszköz konstrukcióját teszi lehetővé. Alapvető nehézség még napjainkban is a kellő élettartamú téremissziós csúcsok kialakítása. Úgy tűnik, hogy fém párologtatással vagy n-típusú szilícium megfelelő maratásával készíthető a pixelenként 1000 csúcsot is számláló mikro-csúcs katód konstrukció.
Modern téremissziós képmegjelenítő (Field-Emission Display, FED) pixeljének felépítését a 21. ábra szemlélteti: a katódok képezik a mátrix címzés oszlopelektródáit, a rács vagy kapu elektródák a sorcímzést teszik lehetővé, ezek potenciálja szabja meg, hogy az emittált elektronok elérik-e az anódot vagy sem. Az anód átlátszó elektródái hármas tagozódásúak, s címzésüktől függően az elektronáram a vörösen (R), zölden (G) vagy kéken (B) világító fényport gerjeszti. A fénypor szigetek közötti fekete kitöltő anyag (mátrix) csökkenti a szórt fény átjutását az egyik szubpixelből a másikba.
21. ábra:
Téremissziós panel pixeljének felépítése.
Ha a téremissziós katódok élettartam problémáit sikerül megoldani, a FED technológia a lapos képernyők egyik legtöbbet ígérő formája.
Az eddig ismertetett képmegjelenítők mind a vákuumtechnológia (elektroncső, klasszikus "varázsszem", gázkisülő fényforrás) továbbfejlesztéseként jöttek létre. Valódi szilárdtest fényforrás képmegjelenítő az elektroluminencens lámpa (és a következő alfejezetben ismertetendő világító dióda) alapján működő képmegjelenítő.
Az elektrolumineszcencia jelensége nem új. Destriau a század 30-as éveiben észlelte, hogy ZnS mikrokristályokat szigetelő mátrixba ágyazva, és nagy, váltakozó áramú, elektromos térbe helyezve, lumineszcencia lép fel. Az elektrolumineszcens panel homlok elektródáját üveg lemezre felhordott átlátszó vezető csíkokból (óndioxid vagy indiumoxid) kialakítva és a hátelektródaként a homlokelektródák irányára merőlegesen elhelyezett alumínium csíkokat használva mátrix struktúrájú képmegjelenítőt lehet készíteni. Monokróm vékony rétegű elektrolumineszcens képmegjelenítő (Thin-Film Electroluminescent Dispaly, TFEL) metszeti képét szemlélteti 22. ábra.
. ábra: Vékony réteg elektrolumineszcens képmegjelenítő felépítése.
Az átlátszó sorelektródákat üveg lemezre hordják fel, majd szigetelő réteggel takarják le. Ezt követi a szigetelő mátrixba beágyazott elektrolumineszcens réteg. Majd újabb szigetelő réteget készítenek, s ennek tetejére kerülnek az oszlop- elektródák. A kondenzátor cellát 100 V - 200 V-os váltakozó áramú feszültséggel táplálják.
Az elektrolumineszcencia jelenségét a 7-15. ábra sávképe alapján magyaráztuk.
Az első ZnS elektrolumineszcens cellákban Mn aktivátor segítségével hoztak létre narancssárga világítást, vagy ZnS:Cu,Cl rendszerrel zölden vagy kéken világító cellát. Készíthetők vörös, zöld, kék színben világító elektrolumineszcens cellák is (ZnS:TbF3, ZnS:Mn, SrS:Eu rendszerek), bár ezek még élettartam és fényhasznosítás problémákkal küzdenek.
Más irányzat fehér elektrolumineszcens fény előállítása, például SrS:Ce és ZnS:Mn krisztallitok keverékével, és a keletkezett fény optikai szűrése R,G,B szűrőkkel. Ilyen pixel felépítésének "robbantott" képét mutatja a 23. ábra.
. ábra: Színes elektrolumineszcens pixel felépítése.
A 24. ábrán néhány jellegzetes elektrolumineszcens színképet mutatunk be.
. ábra: Néhány szokásos elektrolumineszcens anyag emissziós színképe[4].
Bár a TFEL technológia régóra ismert, átütő sikert nem ért el. Monokróm képek (számkijelzők, néhány felirat) megjelenítésére elterjedten használják, VGA felbontású mátrix elrendezésű színes képmegjelenítőket is készítettek már TFEL technológiával, és használják paszív képmegjelenítőkben háttér világításra.
A világító diódás képmegjelenítő a másik teljesen szilárdtest elektrooptikai hatáson alapuló képmegjelenítő. Ennél az egyes szubpixelekbe a világító diódás fényforrás tárgyalásánál ismertetett LED diódákat helyezik. Elsősorban nagyfelületű kijelzőknél használják, mivel minden egyes szubpixelbe három diódát kell szerelni. A világító dióda technológia napjainkban igen gyorsan fejlődik, s ez minden bizonnyal hatással lesz a képmegjelenítős alkalmazásra is.
Az eddigi tárgyalt összes képmegjelenítő maga termelte a kép megjelenítéséhez szükséges fényt. Az úgynevezett passzív képmegjelenítőkön a kép csak akkor látszik, ha a képernyőt meg, vagy átvilágítjuk. Leglényegesebb képviselője ennek a képmegjelenítő típusnak a folyadékkristályos képmegjelenítő (Liquid Crystal Display, LCD).
Bizonyos szerves molekulák elektrooptikai tulajdonságait több mint egy évszázada ismerjük, képmegjelenítésre azonban csak az 1960-as évek óta használják őket. A folyadék kristály gyűjtő fogalom. Egyszerűen folyadékkristályos kijelzőnek nevezett eszköz számos különböző fizikai hatáson alapulhat.
Az első folyadékkristályos kijelzőkben olyan anyagot használtak, melynek fényszűrő tulajdonsága megnőtt, ha erős elektromos térbe helyezték (dinamikus fényszórás). További hatások, melyeket kijelzőben használtak, az elektromos tér hatására létrejövő koleszterikus - nematikus átmenet és a guest-host (fogadó mátrixba beágyazott vendég anyagok) hatás dikroikus festékekkel.
Komoly haladást jelentett a csavart nematikus (Twisted Nematic, TN) hatás felhasználása (TN-LCD) a 70-es évek elején. Ezzel a technikával sikerült kielégítő élettartamot elérni, és kisebb oszlop/sor számú, mátrix címzésű képmegjelenítőket készíteni.
Nagyobb (500x500) pixelszámú mátrixokat csak a szupercsavart nematikus (Super Twisted Nematikc, STN) módus felfedezése után sikerült készíteni (1984). A kellően rövid kapcsolási idejű, fekete-fehér átmenetű folyadékkristályok kidolgozása (melyeket RGB szűrőkkel kombinálva meg lehetett valósítani a színes képmegjelenítőt) a fejlődés további állomását jelentette. Ezt az elvet hasznosító CD-kijelzőkkel a xxx fejezetben még foglalkozunk.
A következő fontos lépés az egyes pixelek aktív meghajtása volt, mivel a szokásos technológiával már nem lehetett nagyobb mátrixokat előállítani. Bár a magyar származású Bródy már a 60-as évek közepén ismertette az aktív mátrix (AM) meghajtás módszerét, AM-LCD rendszerek csak a 90-es évek közepétől váltak általánosan elterjedté. Az 1990-es évek végére az AM-LCD technológiával XGA (1024x768 pixel) felbontású 13,3" diagonális méretű képmegjelenítők is elérhető árú eszközökké váltak.
Számos más LC technológiával is foglalkoznak a kutatók és fejlesztők (ferro és antiferro elektromos, reflektáló koleszterikus, plazma címzett stb. LCD rendszere). A jelen összeállítás készítésekor még nem volt világos, mikorra érik el e rendszerek a piaci érettség állapotát. A verseny aba az irányba halad, ki tud nagyobb rálátási szögtartományból torzítatlan színekkel rendelkező képernyőt készíteni.
A folyadék kristály elnevezés számos szerves anyagféleséget takar, melyek közös sajátossága, hogy abban a működési hőmérséklettartományban, melyben használni akarjuk őket (általában a szobahőmérséklet közül, lehetőleg azonban az emberi munkavégzés számára számítása jövő szélesebb hőmérsékleti hatások közt is, azaz például - 30 C) folyadékokként viselkedjenek, de molekuláik valamilyen rendezettséget mutassanak, melynek következtében mechanikus, elektromos, mágneses és optikai anizotrópiát mutatnak. Ezen anyagokban a molekulák preferált irányítottsága megváltozik az elektromos tér hatására és ez az optikai tulajdonságok megváltozásához vezet. A nyugalmi körülmények közötti rendezettség és a tér hatására létrejövő átrendeződésre az anyag folyadék tulajdonságai (például viszkozitása) is hatnak.
A különböző - később tárgyalandó - folyadékkristályos hatások szempontjából más-más szerves molekula rendszerek az előnyösek, de legtöbbjükre jellemző, hogy rúd - jellegű molekulák vagy molekula aggregátok, (esetleg tárcsa alakú struktúrák), melyek egytengelyű képződményeket hoznak létre.
A 4- 25 ábrán nematikus fázist alkotó lineáris molekulalánc elrendeződés sematikus ábrája látható.
. ábra: Nematikus fázist alkotó ineáris elrendezésű molekulalánc.
Az 8-26 ábrán az úgynevezett chiral smectic C fázis molekulaláncának elrendezését láthatjuk.
. ábra: Chiral smectic C fázis molekulaláncának elrendezése.
Az 8.3 táblázatban a főbb folyadékkristály fázisok rövid leírását foglaltuk össze.
8.3 táblázat: Fontosabb folyadékkristályos fázisok.
|
Fázis típusa |
Jele |
Főbb sajátosságai |
|
Nematikus |
N |
A molekulák statisztikusan állnak be egy kitüntetett L tengelyirány körül. |
|
Nematikus Chirál, vagy cholesterikus |
Ch vagy N*" |
A molekulák irányítását megszabó iránybeállító (direktor) a helix egységnyi menetemelkedése alatt 2p szöggel fordul el. |
|
Smectic A |
SmA |
A molekulák a réteg normálisára merőleges rétegekben rendeződnek. |
|
Smectic C |
SmC |
A molekulák a réteg normálisára ferdén elhelyezkedő rétegekben rendeződnek |
Ahhoz, hogy a különböző mechanizmusokat képmegjelenítők készítéséhez ki lehessen használni, az anyag
kémiailag és fotokémiailag stabil kell, hogy legyen;
tág hőmérséklethatárok között kell, hogy működjék;
kicsiny legyen a viszkozitása;
az adott felhasználáshoz optimalizált elektromos és optikai tulajdonságai legyenek;
szilárd határolók (irányba állítók) segítségével befolyásolni lehessen az irányítottságukat.
A folyadékkristályos anyagok frekvenciafüggő dielektromos anizotrópiát mutatnak. A folyadékkristályok rugalmassága, deformálhatósága más mint a szilárd anyagoké. Nyírási igénybevétellel szemben nem tapasztalunk rugalmasságot, a molekulaláncok energia befektetés nélkül átrendeződnek. Más a helyzet, ha a külső iránybeállítók egymáshoz képest éket alkotnak (lásd például 8-27 ábra) vagy más irányítottságnak különböző csavart elrendezés (lásd később).
. ábra: Folyadékkristályok deformációjának két példája: a.) ékes deformáéció; b.) hajlított deformáció.
A gyakori felhasználás számára nem elegendő, hogy a folyadékkristály molekulák egymáshoz képesti rendezettséget mutatnak, de a külső tér irányához kell, hogy meghatározott irányt vegyenek fel. Ehhez legegyszerűbben a folyadékkristályt tartó cella homloklapjában mikroszkopikus rácsszerkezetet hozunk létre, például az üveglapot egy irányban enyhén megcsiszolva. A nematikus folyadékkristályok rugalmassági energiája minimális lesz, ha a csiszolati árkokkal párhuzamosan helyezkednek el (lásd 8-28. ábra).
ábra: A kis rúd formájában mutatott folyadékkristály molekula rugalmassági energiája minimumot mutat, ha molekula hossztengelye a rácsszerkezet hossztengelyével azonos irányba áll be.
Hasonló hatást érhetünk el, ha vékony fémréteget ferdén párologtatunk a felületre, vagy fotolitográfiás módszerrel hozunk létre felületi struktúrát. Még számos más módszert is kidolgoztak az iránybeállítás számára, így például az üveglemezt bevonják egy polymer réteggel és ennek molekuláit irányítják egy dörzsölési eljárással. A folyadékkristály molekulák kémiai szerkezetétől függ a leghatékonyabb módszer.
A nematikus és csavart (chiral) folyadékkristályok az eddig leginkább használt molekula rendszerek. A tiszta nematikus folyadékkristály rendszerekkel (TN-LC) 90 -os csavarás érhető el a két homloklap között, ha a két lapon az iránybeállítók egymásra merőlegesen állnak (lásd8-29 a ábra).
a.)
b.)
ábra: a.) Nematikus folyadékkristályos cella, 90°-os csavarással; b.) Szuper csavart folyadékkristályos cella 27§°-os csavarással.
Mint látni fogjuk a TN-LC rendszerekkel szemben a szuper csavart (Super Twisted Nematic Liquid Crystal, STN-LC) előnnyel rendelkezik. Ilyennel a 270 -os forgatás is megvalósítható (lásd 8-29.b ábra). Ehhez azonban eleve csavart szerkezetű (chiral LC) molekulákat is kell adagolni a folyadékkristály anyaghoz.
Az elektromos tér hatását kövessük az NT-LC esetén (számos más hatás, más anyag stb. is használható folyadékkristály kijelző számára, ezek közt van jó néhány, mely igen perspektivikus, de az NT-LC cella működése viszonylag könnyen követhető kvalitatív formában is, és egy gyakran alkalmazott rendszer. Az NT-LC cellában tekintsük az áteső fény útját. A cella előtt a fényt polarizáljuk s ezen polarizációs iránnyal párhuzamos a molekulákat beállító irányba állító réteg is, lásd 8 - 30 ábra, y irány.
a.) b.)
. ábra: Csavart nematikus folyadékkristályos cella külső elektromos feszültség nélkül, a.) ábra, és elektromos feszültséget kapcsolva a cellára, b.) ábra.
A cella másik homloklapján az irányba állító réteg irányítottsága x irányú (a fény a z tengely irányában halad), s ezzel párhuzamosan áll a második polarizátor, az úgynevezett analizátor. A folyadékkristály molekulák az első irányba állító közelében y irányba orientálódnak, a második közelében az x-irányba. Külső elektromos tér nélkül a kettő között 90 -os csavarás (twist) következik be. A polarizációs vektor a molekulák dielektromos anizotropiájának következtében követi a molekulák beállítását (a "director" irányítását), s ezért a rendszer 90 -al elforgatja a fény polarizációs síkját, ha az úgynevezett Mauguin tartományban vagyunk, azaz ha
>>
ahol n az ordinárius és extraordinárius törésmutató különbsége, d a cella vastagsága, a fény hullámhossza.
Ha a cellára feszültséget kapcsolunk a folyadékkristályok dielektromos anizotropiája következtében is molekulák adott küszöbfeszültség felett igyekeznek a tér irányába beállni (lásd 8-30.b ábra). Ennek következtében már nem hatnak a fény polarizációs síkjára, a cella átlátszatlanná válik. Ha a polarizátor és analizátor polarizációs síkja megegyezik, a feszültségmentes állapotban nem ereszt át a cella fényt, és a küszöbfeszültség fölött kezd átlátszóvá válni.
ábra: TN-LC cella áteresztése a cellára kapcsolt feszültség függvényében: 1. görbe: keresztezett polarizátorok esetén; 2. görbe: párhuzamos polarizátorok esetén.
A 8 -31. ábrán ezt a két esetet szemléltetjük: a cella feszültség növelésével a keresztezett polarizátorok esetén nő az áteresztés (1 sz. görbe), párhuzamosan álló polarizátorok esetén csökken. Az ábrába a 10%-os, 50%-os és 90%-os áteresztéshez tartozó feszültségértéket is feltüntettük. A TN-CL cella egyik igen lényeges jellemzője ezen áteresztés-feszültség összefüggés meredeksége, melyet például az U90/U10 - 1=p meredekségi együtthatóval jellemezhetünk. Nagy oszlop-és sor-számú képmegjelenítőt csak meredek áteresztés-feszültség összefüggést mutató cellákból lehet építeni. A TN - LCD optimalizálás során igyekeznek olyan cella konstrukciót (rétegvastagság, polarizátorok irányítottsága stb.) használni, mely a választott folyadékkristály jellemzőinek (rugalmassági állandók, dielektromos anizotrópia, törésmutató anizotrópia stb.) függvényében meredek feszültség - áteresztés karakterisztikát hoz létre.
Az eddigi leírás a
merőleges fénybeesés esetét tárgyalta. Ha ferdén nézünk rá folyadékkristály
cellára, ettől eltérő áteresztés-feszültség összefüggést találunk. Az
áteresztés feszültség kapcsolat függ attól is, hogy a fény a cella
homloklapjának formálásához képest milyen szög alatt esik be, lásd 8 - 32 ábra,
és attól is hogy a cella homloklapjának síkjában, 
j azimuth szög, milyen az irányítottsága (a j szöget csavart struktúra szimmetria síkjától mérik).
Mindezek függnek a folyadékkristály rugalmassági, elektromos és optikai
anizotropos tulajdonságaitól. Jellegzetes példát láthatunk az 8 - 33 ábrán.
. ábra: TN-LC geometriája ferde fénybeesés esetén. Az iQ a polár szög, és if a hozzá tartozó azimuth szög, melyet a csavart
. ábra: TN-LC cella áteresztésének feszültségfüggése ferde fénybeesés esetén. Az egyes görbéket az alábbi fénybeesési szögek esetén mérték: 1.: iQ=0°, if=0°; 2a.: iQ=15°, if=0°; 2b.: iQ=15°, if=180°; 3.: iQ=30°, if
Itt az 1 számú görbe
a merőleges beesés esetét szemlélteti. Ha ehhez képest 15°-os polár szöget
választunk (Q = 15°) és azt a f = 0° és f = 180° azimut szög irányába állítjuk, a 2a
illetve 2b görbe szerinti áteresztés - feszültség görbét mérhetjük. A 3. számú
görbe a Q f = 180° mellett mutatja az áteresztés
feszültség görbét. Mint látható a merőleges beesési szög esetén a 10%-os
áteresztéshez tartozó feszültség a különböző beesési szögeknél nagyon eltérő
áteresztést eredményez. Ez a TN-LCD hibája, amit csak bonyolultabb
folyadékkristályos rendszerekkel lehet kiküszöbölni.
A szuper csavart (super twisted, ST) N-LCD cella készítéséhez nematikus anyagon kívül chiral, csavart struktúrájú folyadékkristály adalékra is szükség van. Az ilyen rendszerrel azonban akár 270°-os csavart elrendezés is készíthető, melynek áteresztés-feszültség meredekségi együtthatója (p) sokkal nagyobb, mint a TN-LCD esetén, s így nagyobb mátrixok címezhetők az ismertetett passzív címzési technikával. Az ilyen celláknál a polarizátorok és a cella homloklapján a molekulák iránybeállítását végző rétegek egymáshoz történő szögbeállításának helyes megválasztása további megfontolásokat igényel, amire ezen helyen nem tudunk kitérni. A kezdeti STN-LCD-kben gondot okozott az is, hogy a polarizációs kioltás erősen hullámhosszfüggő, s ezért a cella színjátszó. Új anyagok és megfelelő fáziskésleltető lemezek alkalmazásával, vagy a vezérelt STN cella mögé helyezett második STN cellával, melyben azonban a csavarás ellenkező irányú, ezt a hatást ki lehet küszöbölni illetve kompenzálni lehet.
A passzív LCD rendszereknek még számos más formája is van, például ferro-elektromos és antiferro-elektromos folyadékkristályok felhasználásával.
Tekintsük az 8 - 34. ábra szerint az N soros (N=3) és M oszlopos mátrixot.
ábra
Minden mátirx pont egy-egy pixelt reprezentál, mely az előzőek szerint alapállapotban átlátszatlan, a mátrix sor és oszlop közötti megjelelő feszültségkülönbség hatására átlátszóvá válik. A sorok címzése: a T periodusidő T/N része alatt ( T/3 ) adunk az egyes sorokra US feszültséget. Minden T/N időintervallumban a különböző oszlopokat ±UD amplitúdójú feszültséggel címezzük. Azt, hogy az egyes oszlopra + UD vagy - UD feszültséget kapcsolunk az szabja meg, hogy az adott oszlophoz tartozó pixelt átlátszóvá akarjuk-e tenni, vagy sem. A pixel bekapcsolt (átlátszó) állapotát hívják kiválasztott (select) állapotnak és a kikapcsolt (feszültségmentes, nem átlátszó állapotát nem-kiválasztott (nonselect) állapotnak. Az ábra szerint látszik, hogy a periódusidőre átlagolt effektív feszültség az US és UD függvénye,
A meredekségi együtthatót 
értékűnek véve, az adott folyadékkristályos
rendszerrel maximálisan címezhető sorok száma, a fentiek alapján:
A feszültség impulzusok optimumát kapjuk, ha az UD és US értéke:
A mátrix címzéshez, mint látható, a videó jelénél lényegesen bonyolultabb jelgenerátorra van szükség, különösen, ha meggondoljuk, hogy a tárgyalt eset csak az igen-nem esetre, azaz 0 vagy 1 bites fehér-fekete esetre vonatkozik, s szürke skálához például amplitúdó vagy fázisszög modulációval juthatunk. A gyakorlati megvalósítás még ennél is bonyolultabb, mert váltakozva pozitív és negatív feszültséget kell használni elektromos polarizáció és fotolízis jelenségek elkerülése érdekében. Folyadékkristályos kijelzőknél mégis ezt a címzési módot használják, mert az MxN (M:oszlopok, N:sorok száma) M+N vezetéken át lehet címezni.
A TN - LCD konstrukciójánál sok további kérdést is figyelembe kell venni, így például a cellának nem csak a vastagságát kell optimalizálni, de figyelembe kell venni azt is, hogy milyen tűréssel tudja a gyártó ezt a vastagságot a képernyő teljes felületén állandó értéken tartani. Ha az adott konstrukció nagyon érzékeny a vastagságra, kis vastagságingadozások már egyenetlenné teszik a képernyőn elért kontrasztot. További kérdés a cella beállási sebessége, mely mind a választott anyagtól, mind környezeti paraméterektől például a hőmérséklettől függ.
A passzív mátrixos címzés már elég nagy sor és oszlopszámú STN-LCD panek készíthetők (VGA és XGA felbontás, bizonyos megkötésekkel, elérhetők). Már a folyadékkristályok alkalmazásának korai időpontjában felmerült más címzési módszer iránti igény, és a magyar származású Bródy már az 1950-as évek közepén demonstrálta, hogy szét lehet választani a pixelek címzéséhez szükséges meredek áteresztés - feszültség karakterisztikát létrehozó elemet a folyadékkristályos pixeltől. Ezzel a konstruktőrök a folyadékkristályos cella tervezésénél kaptak szabadabb kezet. Az AM cella az LC pixelből és vele sorba kapcsolt nemlineáris elemből áll. A meredek karakterisztikát a nemlineáris elektromos áramköri elem például fém-szigetelő-fém diódával vagy vékonyréteg tranzisztorral hozza létre. Napjainkban az aktív mátrix címzés dominál a "notebook" típusú PC-ben. Bár ez a technológia még rohamosan fejlődik és számos megvalósítási forma versenyez egymással, a működés elveit érdemes áttekintenünk.
A 8-35 ábra az aktív mátrix címzés elektromos helyettesítő ábráját szemlélteti. A folyadékkristályos cellát (pixelt) a párhuzamosan kapcsolt CLC és RLC kapacitás és ellenállás képviseli, a pixelenként ezzel sorba kapcsolt "kapcsoló" áramkör a nem-lineáris elem (nonlinear element, NLE). Az ábrán feltüntettük a címző és a hasznos jelet szolgáltató sor illetve oszlop vezérlést.
ábra: Folyadékkristályos pixel aktív mátrixos címzése.
Legegyszerűbb NLE a fém-szigetelő-fém (metal-insulator-metal, MIM) kapcsoló elem. A MIM elem feszültség-áram karakterisztikáját a 8-36 ábra szemlélteti. A letörési feszültség alatt az eszköz kondenzátorként viselkedik egyenáram nem folyik. A letörési feszültség felett vezetővé válik a rendszer.
ábra: MIM elem feszültség - áram karakterisztikája.
MIM elemes aktív mátrixelem nagy előnye, hogy viszonylag egyszerűen gyártható, MIM elem metszeti képét láthatjuk a 8-37 ábrán. Az üveg szubsztrátumra félvezető technológiával (például párologtatás) készül a tantál sáv elektróda, melynek felületét tantál pentoxiddá oxidálják. A pixel felé kinyúló nyúlványt ezt követően króm réteggel vonják be, mely vezető kapcsolatot biztosít a folyadékkristályos pixel átlátszó (ITO) elektródájával. Adott pixel felülnézeti elrendezését a 8-38 ábrán láthatjuk.
ábra: MIM kapcsoló elem keresztmetszeti rajza.
ábra: MIM kapcsolóelemes folyadékkristályos elem felülnézeti képe.
A jó működés előfeltétele, hogy a MIM-elem kapacitása legyen sokkal kisebb, mint a folyadékkristályos pixel kapacitása. Ez azonban már gyártási nehézségeket vet fel: A nagy pixelszámú képmegjelenítőben a folyadékkristályos pixelek is kicsik kell, hogy legyenek, ennél sokkal kisebb kapacitású MIM-elem készítése nehéz. Ehhez járul még, hogy a CLC kapacitás (folyadékkristályos pixel kapacitása) a töltődés ideje alatt nagy dielektromos anizotrópiájú folyadékkristályok alkalmazása esetén erősen lecsökken.
Kétpólusú nemlineáris elem készíthető még például amorf si Schottky diódával, PIN diódával.
A vékonyréteg tranzisztoros (Thin- Film Transistor, TFT) címzés kiküszöböli, a MIM-elemes rendszer számos hibáját. A TFT valódi kétirányú kapcsoló, a kapu feszültségtől függően vezet vagy nem vezet az eszköz. A 8-39 ábra egyetlen pixel elektromos helyettesítő képét szemlélteti: a kapu elektródára adott sor szelektív feszültségtől függően vezet, vagy nem vezet a TFT. Az oszlopokra adott jel feszültség csak akkor jut a folyadékkristály pixelre, ha a sor szelektor jel nyitja a kaput. A CS kapacitásra a képfrissítés ideje alatt a megfelelő kontraszt biztosítása érdekében van szükség.
. ábra: Folyadékkristályos pixel vékony réteg tranzisztoros (TFT) kapcsoló elemmel.
Az 8 40. ábrán -3 sor és 3 oszlop esetére látunk idődiagramot s ennek hatását adott oszlop jel esetén. A kép frissítésekor az oszlop feszültség amplitúdóját ellentétesre változtatják, ezzel biztosítani lehet, hogy a LC- cellán nem marad egyenfeszültségű komponens, mely polarizációs vagy fotolitikus hatásokhoz vezethetne.
. ábra: TFT-LCD részlete, a címzés idő diagramja.
A TFT-LCD hátránya a többi megoldással szemben a bonyolultabb és ezért drágább gyártás, és műszakilag az, hogy a TFT a felület nagyobb hányadát foglalja le, mint a kétpólusú AM meghajtók, és ezért a panel maximális fénysűrűsége kisebb.
A TFT-vel szemben támasztott követelmény, hogy a T periódusidő N-ed része (N: sorok száma) alatt a LC pixelt feltöltse, ehhez a vezető állapot ellenállásnak (Ron) és a LC kapacitásának (CLC, melyet rendszerint mesterségesen megnövelnek) szorzatára teljesüljön, hogy
Ron (CLc +CS) ≤ 0,2 
ahol a sor címzésére rendelkezésre álló idő:
=T/N
ahol T két képfrissítés között eltelt idő. A 0,2-es faktor biztosítja, hogy 99%-os feltöltődést érjünk el. Ahhoz, hogy két képfrissítés között ne csökkenjen a tárolt töltés lényegesen, a TFT záró ellenállása (Roff) és a CLC által adott időállandóra az
Roff. (CLc +CS) ≥ 100 T
egyenlőtlenségnek kell teljesülni, azaz
Roff/Ron ≥ 500 N
kell, hogy legyen.
Az 1.41 ábra TFT készítésének fázisait szemlélteti:
ábra: TFT készítésének fázisai.
A szubsztrátumra először a kapu (sor) elektródát párologtatják fel, melyet Si3N4 szigetelővel fednek le, majd az n típusú α-Si (amorf Si) réteget készítik el. Ezt fémréteggel fedik le, melyet a kapu elektróda fölött elmarnak, s így kialakítják a forrás és nyelő (source and drain) elektródákat. Ehhez csatlakozik a pixel átlátszó vezetője (ITO). Végül az egész szerkezetet védő réteggel látják el és a vékony réteg tranzisztor aktív része fölé fényárnyékoló fémréteget párologtatnak.
Színes TFT-LCD panel részlete az 8.42 ábrán látható.
ábra: Színes AM-LCD szerkezete.
A struktúra az alap üveglap külső oldalán elhelyezett optikai polarizátorral indul, az üveglap másik oldalán vannak a TFT forrás hozzávetései, majd a sor-vezetékek, melyek a TFT kapu elektródáihoz kapcsolódnak. A sor-vezetékek között vannak az LCD pixelek (3 supbixel az R, G, B, színeknek megfelelően), a kapcsoló TFT tranzisztorokkal és az LCD pixeleken a folyadékkristályok orientációját megszabó irány-beállító rétegekkel. A cellát a színszűrők, újabb üveglemez és az analizáló polarizátor zárja le. Ahhoz, hogy a képernyőn a kép jól látható legyen háttér megvilágítást (back-light) és a kontrasztot javító reflexió csökkentő homlokréteget szoktak a panelre helyezni.
A klasszikus TFT rendszerek mellett számos újabb aktív mátrix meghajtó eljárással is kísérleteznek, melyek körül a plazma címzés igen perspektivikus.
Az angol szóhasználat szerint a nyomtatók "hard-copy"-t hoznak létre, a képmegjelenítőn látható kép a "soft-copy".
Találat: 5190
