كيف تعمل شاشة LCD؟

في الصناعات الإلكترونية الاستهلاكية الحديثة،شاشة LCDتظل التكنولوجيا واحدة من حلول شاشات العرض المسطحة الأكثر نضجًا وفعالية من حيث التكلفة والمطبقة على نطاق واسع بعد عقود من الترقية المتكررة. بدءًا من معدات التحكم الصناعية وأدوات السيارات والأجهزة المنزلية وحتى المحطات التجارية والأجهزة الإلكترونية المحمولة، تغطي منتجات شاشات الكريستال السائل السيناريوهات الصناعية منخفضة الطاقة ومجالات العرض التجارية عالية الوضوح.

شاشات الكريستال السائل هي تقنية عرض سلبية لتعديل الضوء تعتمد على التأثير الكهروضوئي البلوري السائل. الميزة الأكثر أهمية لشاشة LCD هي أن المواد البلورية السائلة نفسها لا يمكنها أن ينبعث منها الضوء المرئي. يتم تحقيق جميع صور الشاشة والنصوص وتغييرات الألوان عن طريق ضبط نفاذية الإضاءة الخلفية الخارجية من خلال تغييرات الترتيب المطلوبة لجزيئات الكريستال السائل تحت تأثير المجال الكهربائي. يحدد وضع التحكم في الضوء السلبي هذا الاستهلاك المنخفض للطاقة، والاستقرار العالي، وعمر الخدمة الطويل لشاشات LCD، ويشكل أيضًا الفرق الأساسي بين تقنيات العرض LCD وتقنيات العرض ذاتية الإضاءة.

هيكل المكون الأساسي لنظام عرض LCD القياسي

يتكون نظام العمل الكامل لشاشة LCD من طبقات متعددة من الأجزاء الهيكلية البصرية ومكونات القيادة الإلكترونية. من الأسفل إلى الأعلى، فهي تشتمل بشكل أساسي على وحدة الإضاءة الخلفية، المستقطب السفلي، الركيزة الزجاجية مع قطب ITO الكهربائي، طبقة الكريستال السائل، طبقة مرشح اللون (شاشة LCD الملونة فقط)، المستقطب العلوي، ولوحة الغطاء الواقي.

وحدة الإضاءة الخلفية

كجهاز عرض سلبي،شاشة LCDيعتمد بشكل كامل على وحدة الإضاءة الخلفية لتوفير مصدر ضوء مرئي ثابت وموحد. تقع وحدة الإضاءة الخلفية في الجزء السفلي من هيكل العرض بأكمله، بما في ذلك بشكل رئيسي مصدر الضوء، لوحة توجيه الضوء، لوحة الناشر، الفيلم العاكس، وفيلم تعزيز السطوع. استخدمت منتجات شاشات الكريستال السائل المبكرة مصابيح الفلورسنت ذات الكاثود البارد CCFL كمصادر للضوء، في حين أن منتجات شاشات الكريستال السائل الحديثة السائدة تعتمد حلول الإضاءة الخلفية LED، والتي تتميز بمزايا انخفاض استهلاك الطاقة، وحجم أصغر، وعمر خدمة أطول، وتوحيد إضاءة أعلى.

الجمعية المستقطبة

المستقطبات هي مكونات بصرية رئيسية تتحكم في نقل الضوء وتنقسم إلى مستقطب سفلي ومستقطب علوي، وهما متصلان على التوالي بالأسطح الخارجية للركائز الزجاجية السفلية والعلوية. الضوء الطبيعي هو ضوء غير مستقطب مع اهتزاز في اتجاهات متعددة. يمكن للمستقطب السفلي تصفية كل ضوء الاهتزاز غير المنتظم والاحتفاظ فقط بالضوء المستقطب خطيًا في اتجاه واحد، مما يوفر ضوءًا ساقطًا موحدًا لطبقة الكريستال السائل.

يتم ضبط المحاور البصرية للمستقطبات العلوية والسفلية في حالة رأسية متقاطعة في الحالة الافتراضية، وهي البنية البصرية الأساسية لتحقيق التحكم في مفتاح الإضاءة.

طبقة الخلايا البلورية السائلة

طبقة الخلايا البلورية السائلة هي الطبقة الوظيفية الأساسية لشاشة LCD، والتي يتم تشكيلها عن طريق ختم المواد البلورية السائلة بين طبقتين من ركائز زجاجية شفافة رقيقة جدًا. الجوانب الداخلية للركائز الزجاجية مطلية بأقطاب كهربائية موصلة شفافة من ITO وأفلام محاذاة. يمكن لأغشية المحاذاة أن تحد من اتجاه الترتيب الأولي لجزيئات البلورات السائلة، مما يجعل جزيئات البلورات السائلة تقدم ترتيبًا ملتويًا منتظمًا في الحالة الخالية من الجهد. المشتركهيكل بلوري سائل TN (Twisted Nematic).التي تعتمدها منتجات شاشات الكريستال السائل السائدة يمكن أن تشكل بنية ملتوية بزاوية 90 درجة من جزيئات الكريستال السائل بين الركائز العلوية والسفلية، وهو هيكل التبديل البصري الكلاسيكي لشاشات LCD التقليدية.

مكونات القيادة والتحكم

لا يمكن فصل التعديل الدقيق للترتيب لجزيئات الكريستال السائل عن المحرك الدقيق للدوائر الاحترافية، والذي يعد أيضًا الجزء الإلكتروني الأساسي منوحدة LCM. يتضمن نظام القيادة القيادة IC، دائرة التحكم في التوقيت، دائرة مسح الصفوف والأعمدة، ودائرة معالجة الإشارات. تتوافق كل وحدة بكسل في لوحة LCD مع دائرة تحكم مستقلة. من خلال مسح الصفوف والأعمدة، يقوم النظام بإدخال إشارات الجهد المختلفة لكل بكسل في الوقت الحقيقي، مما يحقق التحكم المستقل في السطوع لكل بكسل.

آلية العمل الكاملة لشاشة LCD

عملية عمل شاشة LCDهي دورة مستمرة من توليد الضوء، والاستقطاب، وتعديل المجال الكهربائي، وفحص نقل الضوء، واستعادة الصورة. تعتمد العملية برمتها على التغيرات الكهروضوئية الفيزيائية، دون أي تفاعل كيميائي، وبالتالي فإن عملية العرض تتمتع بثبات وقابلية تكرار عالية. فيما يلي تحليل متعمق خطوة بخطوة لمبدأ عمل شاشة LCD مع الخصائص البصرية والكهربائية.

إخراج مصدر الضوء ومعالجة الاستقطاب

أولاً، يصدر مصدر ضوء LED الخاص بوحدة الإضاءة الخلفية ضوءًا مرئيًا متناثرًا وموحدًا. بعد أن يتم تجانسه وانعكاسه بواسطة لوحة توجيه الضوء ولوحة الناشر، يتم تشكيل مصدر ضوء سطحي مستقر ويعمل على المستقطب السفلي. يقوم المستقطب السفلي بتصفية الضوء الطبيعي غير المستقطب ويحوله إلى ضوء مستقطب خطيًا أحادي الاتجاه. في هذا الوقت، يكون للضوء اتجاه اهتزاز واحد، مما يضع الأساس لتعديل البلورة السائلة اللاحق.

حالة خالية من الجهد: نقل الضوء وتشكيل البكسل الساطع

عندما لا يتم تطبيق جهد القيادة على قطب ITO لوحدة بكسل معينة، فإن جزيئات الكريستال السائل في الخلية البلورية السائلة تحافظ على الترتيب الملتوي الأولي بزاوية 90 درجة تحت قيود فيلم المحاذاة. عندما يمر الضوء المستقطب خطيًا عبر الطبقة البلورية السائلة الملتوية، سيتم تدوير اتجاه استقطاب الضوء بمقدار 90 درجة بشكل متزامن مع الترتيب الجزيئي. بعد الدوران، يتوافق اتجاه استقطاب الضوء تمامًا مع المحور البصري للمستقطب العلوي، لذلك يمكن للضوء أن يخترق المستقطب العلوي ولوحة الغطاء الواقي بسلاسة، وأخيرًا يقدم حالة ساطعة على الشاشة.

حالة الجهد المطبق: حجب الضوء وتشكيل البكسل الداكن

عندما يقوم النظام بإدخال جهد قيادة محدد إلى قطب البكسل، يتم تشكيل مجال كهربائي بين ركائز الزجاج العلوية والسفلية. مدفوعة بقوة المجال الكهربائي، سوف تنحرف جزيئات الكريستال السائل الملتوية تدريجيًا وترتب عموديًا على طول اتجاه المجال الكهربائي. في هذا الوقت، يختفي الهيكل الملتوي لطبقة الكريستال السائل، وتفقد جزيئات الكريستال السائل القدرة على تدوير اتجاه استقطاب الضوء. يحافظ الضوء المستقطب خطيًا الذي يمر عبر طبقة الكريستال السائل على اتجاه الاهتزاز الأصلي، والذي يكون متعامدًا تمامًا مع المحور البصري للمستقطب العلوي. يتم حجب الضوء تمامًا ولا يمكنه اختراقه، ويقدم البكسل حالة سوداء نقية.