2.3. Жидкокристаллический перстень

Некоторое время тому назад необыч-ной популярностью в США пользовалась новинка юве-лирного производства, получившая название «перстень настроения». За год было продано 50 миллионов таких перстней, т.е. практически каждая взрослая женщина имела это ювелирное изделие. Что же привлекло внима-ние любители бижутерии к этому перстню? Оказывается, он обладал совершенно мистическим свойством реагиро-вать на настроение его владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением вла-дельца, пробегая все цвета радуги от красного до фио-летового. Вот это сочетание таинственного свойства уга-дывать настроение, декоративность перстня, обеспечи-ваемая яркой и меняющейся окраской камешка, плюс низкая цена и обеспечили успех перстню настроения.

Пожалуй, именно тогда впервые широкие массы стол-кнулись с загадочным термином «жидкие кристаллы». Дело в том, что каждому владельцу перстня хотелось знать его секрет слежения за настроением. Однако ни-чего толком не было известно, говорилось, только, что камешек перстня сделан на жидком кристалле - на холестерическом жидком кристалле, а секрет перстня настроения связан с его удивительными оптическими свойствами.

Продолжением развития перстня на жидких кристаллах явилось производство медицинских приборов, использующих данный эффект. В первую очередь это относится к измерителям температуры тела человека. Градусники приобрели безопасную форму игрушки, для измерения температуры тела маленьких детей.

Во время эпидемии атипичной пневмонии, когда определяющим признаком заболевания человека является температура его тела, использовались быстродействующие жидкокристаллические термометры. Достаточно одного легкого прикосновения к жидкокристаллическому датчику в виде полоски и с высокой точностью определяется температура тела человека.

2.4. Жидкокристаллические телевизоры

Создание телевизоров с жидкокристаллическими экранами стало новой исторической вехой применения жидких кристаллов (LCD). Телевизоры этого типа становятся доступнее для покупателей, потому что происходит регулярно снижении цен, из-за совершенствования технологий производства.

Экран LCD - это экран просветного типа, то есть экран, который подсвечивается с обратной стороны лампой белого цвета, а ячейки основных цветов (RGB - красный, зеленый, синий), расположенные на трех панелях соответствующих цветов, пропускают или не пропускают через себя свет в зависимости от приложенного напряжения. Именно поэтому происходит определенное запаздывание картинки (время отклика), особенно заметное при просмотре быстродвижущихся объектов. Время отклика в современных моделях разнится от 15 мс (миллисекунды, 1мс - одна тысячная секунды) до 40 мс и зависит от типа и размера матрицы. Чем меньше это время, тем быстрее меняется изображение, нет явлений шлейфа и наложения картинок.

Время работы лампы для большинства LCD-панелей почти на начальной яркости - 60 000 часов (этого хватит примерно на 16 лет при просмотре телевизора по 10 часов в день). Для сравнения: у плазменных телевизоров яркость за то же время уменьшается гораздо сильнее, а для кинескопных телевизоров (выгорает люминофор) порог - 15000-20 000 часов (приблизительно 5 лет), потом качество заметно ухудшается.

Примером совершенства может служить экран LCD телевизора LG RZ-23LZ20 который передает около 17 миллионов цветов, с высоким разрешением 1280х768 пикселей, с контрастностью 400:1 и яркостью в 450 кд/м. Это - прекрасный образец жидкокристаллической технологии.

Угол обзора у жидкокристаллических телевизоров последних моделей достигает 160-170 градусов по вертикали и горизонтали, а это делает проблему гораздо менее острой, чем она была несколько лет назад.

Недостатком жидкокристаллических экранов является наличие неработающих пикселей. Неработающие пиксели - пиксели, которые постоянно включены в каком-то одном состоянии и не меняют свой цвет в зависимости от сигнала. Разные производители допускают различное количество неработающих пикселей на экране, о чем пишут в инструкциях по использованию товара. Например, в инструкции может быть написано "если на панели вы обнаружили не более четырех неработающих пикселей, то панель считается полностью работоспособной". В жидкокристаллических мониторах вообще не допускается наличие неработающих пикселей, так как на монитор мы смотрим с гораздо более близкого расстояния, чем на телевизор, и сразу можем разглядеть этот "мусор".

 3. О будущих применениях жидких кристаллов

3.1. Перспективы применения жидких кристаллов

Многие оптиче-ские эффекты в жидких кристаллах, уже освоены техникой и используются в изделиях массового производства. Например, всем из-вестны часы с индикатором на жидких кристаллах, но не все еще знают, что те же жидкие кристаллы использу-ются для производства наручных часов, в которые встро-ен калькулятор. Тут уже даже трудно сказать, как на-звать такое устройство, то ли часы, то ли компьютер. Но это уже освоенные промышленностью изделия, хотя всего десятилетия назад подобное казалось нереальным. Перспективы же будущих массовых и эффективных при-менений жидких кристаллов еще более удивительны. По-этому стоит рассмотреть некоторые технические идеи применения жидких кристаллов, которые пока что не реализованы, но, возможно, в ближайшие несколько лет послужат основой создания устройств, которые станут для нас такими же привычными, какими, скажем, сейчас являются персональные компьютеры.

3.7. Управляемые оптические транспаранты

Рассмотрим пример достижения научных исследований в процессе создания жидкокристаллических экранов, отображения информации, в частности жидкокристаллических экранов телевизоров. Известно, что массовое создание больших плоских экранов на жидких кристаллах сталкивается с трудностями не принципиального, а чисто технологиче-ского характера. Хотя принципиально возможность со-здания таких экранов продемонстрирована, однако, а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. По-этому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, получен-о на жидкокристаллическом экране малого размера могло бы быть спроектировано в увеличенном виде на обычный экран, подобно тому, как это происходит в кинотеатре с кадрами кинопленки. Оказалось, что такие устройства могут быть реализованы на жидких кристаллах, если использовать сэндвичевые структуры, в кото-рые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотопо-лупроводника, производится лучом света.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутст-вие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциа-лов, поданная на электроды оптической ячейки, в кото-рую еще дополнительно введен слой фотополупровод-ника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжения на нем. При подсветке фотопо-лупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происхо-дит перераспределение электрических напряжений в ячейке - теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частно-сти, его оптические характеристики, изменяются соответ-ственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристал-лического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практи-чески, конечно, выбор электрооптического эффекта в та-ком сэндвичевом устройстве, называемом электрооптическим транспарантом, определяется наряду с требуемыми оптическими характеристиками и чисто технологическими  причинами.

Важно, что в описываемом транспаранте изменение оптических характеристик жидкокристаллического слоя происходит локально - в точке засветки фотополупро-водника. Поэтому такие транспаранты обладают очень вы-сокой разрешающей способностью. Так, объем информа-ции, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1х1 см2.

Описанный способ записи изображения, помимо все-го прочего, обладает большими достоинствами, так как он делает ненужной сложную систему коммутации, т.е. систему подвода электрических  сигналов,  которая применяется в матричных экранах на жидких кри-сталлах.

3.7. Пространственно-временные модуляторы света

Управляемые оптические транспаранты могут быть исполь-зованы не только как элементы проекционного устрой-ства, но и выполнять значительное число функций, свя-занных с преобразованием, хранением и обработкой оп-тических сигналов. В связи с тенденциями развития ме-тодов передачи и обработки информации с использова-нием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой инфор-мации, управляемые оптические транспаранты на жид-ких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято назы-вать пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы применения ПВМС в устройствах обработки опти-ческой информации определяются тем, насколько се-годняшние характеристики оптических транспарантов мо-гут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повыше-ния быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излуче-ния, в котором надежно работают эти устройства. Как уже отмечалось, одна из основных проблем - это проблема быстродействия жидкокристаллических элементов, однако уже достигнутые характеристики модуляторов света позволяют совершенно определенно утверждать, что они займут значительное место в системах обработки оптической информации.

Прежде всего, отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового по-тока. Кроме того, достигнуто высокое пространственное разрешение сигнала - около 300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы мо-дуляторов, выполненных на различных полупроводнико-вых материалах, перекрывает длины волн от ультрафио-летового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фото-полупроводников удается улучшить временные характе-ристики устройств по сравнению с быстродействием соб-ственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистриро-вать оптический сигнал продолжительностью всего меньше 1 с. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала проис-ходит с запаздыванием, т.е. более медленно, в соответ-ствии с временем изменения оптических характеристик жидкого кристалла при наложении на него (или снятии) электрического поля.

Какие же, кроме уже обсуждавшихся функций, могут выполнять модуляторы света? При соответствующем под-боре режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если кон-тур перемещается, то можно визуализировать его дви-жение. При этом существенно, что длина волны записы-вающего изображения излучения и считывающего излу-чения могут отличаться. Поэтому модуляторы света по-зволяют, например, визуализировать инфракрасное из-лучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изобра-жение в инфракрасном диапазоне длин волн.

В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному осве-щению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изо-бражению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света. В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим числом каналов. Перечисленные функциональные возможности оптических модуляторов дают основание использовать их в многочисленных задачах обработки оптической инфор-мации, таких как распознавание образов, подавление по-мех, спектральный и корреляционный анализ, интерфе-рометрия, в том числе запись голограмм в реальном мас-штабе времени, и т. Д. Насколько широко перечислен-ные возможности жидкокристаллических оптических мо-дуляторов реализуются в надежные технические устрой-ства, покажет ближайшее будущее.

3.4. Оптический микрофон

Только что было рассказано об управлении световыми потоками с помощью света. Однако в системах оптической обработки информации и связи возникает необходимость преобразовывать не только световые сигналы в световые, но и другие самые разнообразные воздействия в световые сигналы. Такими воздействиями могут быть давление, звук, температура, деформация и т. Д. И вот для преобразования этих воз-действий в оптический сигнал жидкокристаллические ус-тройства оказываются опять-таки очень удобными и пер-спективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, одна-ко подавляющее большинство этих методов связано сна-чала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двусту-пенчатые и, следовательно, не такие уж простые и эко-номичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно не-посредственно переводить в оптический сигнал, что уст-раняет промежуточное звено в цепи «воздействие - све-товой сигнал», а значит, вносит принципиальное упроще-ние в управление световым потоком.

Другое достоинст-во жидкокристаллических элементов в том, что они легко совместимы с уз-лами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью жидких кристаллов управлять световыми сигналами, рассмотрим прин-цип работы «оптического микрофона» на жидких кристаллах - устрой-ства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического мик-рофона очень проста. Его активный элемент представляет собой ориентированный слой нематика. Звуковые колебания создают периодические во времени деформации слоя, вызывающие также переориентации молекул и модуляцию поляризации (интенсивности) проходящего поляризованного светового потока.

Исследования характеристик оптического микрофона на жидких кристаллах, выполненные в Акустическом институте АН России, показали, что по своим параметрам он не уступает су-ществующим образцам и может быть использован в оп-тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред-ственное преобразование звуковых сигналов в оптиче-ские. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практически не изменяются.

3.7. Жидкокристаллические волноводы

Прежде чем перейти к другому примеру возможного применения жидких кристаллов в оптических линиях связи, напомним, что оптическое волокно представляет собой оптический волновод. Свет из этого волновода не выходит наружу по той причине, что снаружи на волокно нанесено покры-тие, диэлектрическая проницаемость которого больше, чем во внутренней части волокна, в результате чего про-исходит полное внутреннее отражение света на границе внутренней части и внешнего покрытия. Волноводный ре-жим распространения света в волокне может быть, также достигнут не только за счет резкой диэлектрической границы, но и при плавном изменении показателя прелом-ления (диэлектрической проницаемости) от середины к поверхности волновода.

По аналогии с оптическими волокнами в тонком слое жидкого кристалла также может быть реализован волно-водный режим распространения света вдоль слоя, если обеспечить соответствующее изменение диэлектриче-ской проницаемости в пределах толщины слоя. Изменения диэлектрических характеристик в жидком кристалле можно добиться изменением ориентации директора (длинных осей молекул). Оказывается, в слое нематика или холестерина можно, например, путем приложения электрического поля обеспечить такой характер измене-ния ориентации директора по толщине, что для опреде-ленной поляризации света такой слой оказывается опти-ческим волноводом.

Здесь проявляется очевидная аналогия между оп-тическим волокном-волноводом и жидкокристалличе-ским волноводом. Но имеется существен-ная разница. Эта разница состоит в том, что если диэлек-трические характеристики оптического волокна, а, следо-вательно, и его волноводные свойства, неизменны и фор-мируются при его изготовлении, то диэлектрические, а, следовательно, и волноводные свойства жидкокристаллического волновода легко изменять путем внешних воздействий.

Это значит, например, что если жидкокристалличе-ский волновод включен в канал волоконной связи, то световой поток, идущий по этому каналу, можно моду-лировать, меняя характеристики жидкокристаллического элемента. В про-стейшем случае это может быть просто прерывание све-тового потока, которое может происходить в жидкокристаллическом элементе при таком переключении электрического сигнала на нем, которое приводит к исчезновению его волноводных свойств. Кстати сказать, этот же жидкокристаллический элемент может выполнять и функции оптического микрофона, если он устроен так, что акустический сигнал вызывает в нем воз-мущение ориентации директора.

3.5. Стереотелевизор

Идея этой системы стереотелевидения чрезвычайно проста. Если учесть, что кадр изображения на телеэкра-не формируется построчно, причем так, что сначала вы-свечиваются нечетные строчки, а потом четные, то с по-мощью очков с жидкокристаллическими фильтрами лег-ко сделать так, чтобы правый глаз, например, видел толь-ко четные строчки, а левый - нечетные. Для этого доста-точно синхронизировать включение и выключение жидко-кристаллических фильтров, т. Е. возможность восприни-мать изображение на экране попеременно то одним, то другим глазом, делая попеременно прозрачным то одно, то другое стекло очков с высвечиванием четных и нечет-ных строк.

Теперь совершенно ясно, какое усложнение передаю-щей телекамеры даст стереоэффект телезрителю. На-до, чтобы передающая телекамера была стерео, т. Е. чтобы она обладала двумя объективами, соответствую-щими восприятию объекта левым и правым глазом чело-века, четные строчки на экране формировались с по-мощью правого, а нечетные - с помощью левого объ-ектива передающей камеры.

Система очков с жидкокристаллическими фильтра-ми - затворами, синхронизированными с работой телеви-зора, может оказаться непрактичной для массового при-менения. Возможно, что более конкурентоспособной ока-жется стереосистема, в которой стекла очков, снабжены обычными поляроидами. При этом каждое из стекол оч-ков пропускает линейно-поляризованный свет, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поля-ризации света, пропускаемого вторым стеклом. Стерео же эффект в этом случае достигается с помощью жидко-кристаллической пленки, нанесенной на экран телевизора и пропускающей от четных строк свет одной линей-ной поляризации, а от нечетных - другой линейной по-ляризации, перпендикулярной первой.

Какая из описанных систем стереотелевидения будет реализована или выживет совсем другая система, покажет  будущее.

3.7. Очки для космонавтов

Знакомясь ранее с маской для электросварщика, а теперь с очками для стереотелевидения, видно, что в этих устройствах управляемый жидкокристаллический фильтр перекрывает сразу все поле зрения одного или обоих глаз. Между тем сущест-вуют ситуации, когда нельзя перекрывать все поле зрения человека и в то же время необходимо перекрыть от-дельные участки поля зрения.

Например, такая необходимость может возникнуть у космонавтов в условиях их работы в космосе при чрез-вычайно ярком солнечном освещении, не ослабленном ни атмосферой, ни облачностью. Эту задачу как в случае маски для электросварщика или очков для стереотеле-видения позволяют решить управляемые жидкокристаллические  фильтры.

Усложнение очков в этом случае состоит в том, что поле зрения каждого глаза теперь должен перекрывать не один фильтр, а несколько независимо управляемых фильтров. Например, фильтры могут быть выполнены в виде концентрических колец с центром в центре стекол очков или в виде полосок на стекле очков, каждая из которых при включении перекрывает только часть поля зрения глаза.

Такие очки могут быть полезны не только космонав-там, но и людям других профессий, работа которых мож-ет быть связана не только с ярким нерассеянным осве-щением, но и с необходимостью воспринимать большой объем зрительной информации.

Например, в кабине пилота современного самолета огромное количество панелей приборов. Однако не все из них нужны пилоту одновременно. Поэтому использо-вание пилотом очков, ограничивающих поле зрения, может быть полезным и облегчающим его работу, так как помогает сосредоточивать его внимание только на части нужных в данный момент приборов и устраняет отвлека-ющее влияние не нужной в этот момент информации. Конечно, в случае пилота можно пойти и по-другому пу-ти поставить жидкокристаллические фильтры на индикаторы приборов, чтобы иметь возможность экранировать их показания.

Подобные очки будут очень полезны также в биоме-дицинских исследованиях работы оператора, связанной с восприятием большого количества зрительной инфор-мации. В результате таких исследований можно выявить скорость реакции оператора на зрительные сигналы, оп-ределить наиболее трудные и утомительные этапы в его работе и в конечном итоге найти способ оптимальной организации его работы. Последнее позволяет определить на-илучший способ расположения панелей приборов, тип индикаторов приборов, цвет и характер сигналов различ-ной степени важности и т. Д.

3.7. Жидкокристаллические фильтры

Фильтры подобного типа и индикаторы на жидких кристаллах, найдут и уже находят широкое применение в кино-, фотоаппаратуре. В этих целях они привлекательны тем, что для управления ими требуется ничтожное количество энергии, а в ряде случаев позво-ляют исключить из аппаратуры детали, совершающие механические движения. А, как известно, механические системы часто оказываются наиболее громоздкими и не-надежными.

Какие механические детали кино-, фотоаппаратуры имеются в виду? Это, прежде всего диафрагмы, фильт-ры - ослабители светового потока, наконец, прерывате-ли светового потока в киносъемочной камере, синхронизованные с перемещением фотопленки и обеспечиваю-щие покадровое ее экспонирование.

Принципы устройства таких жидкокристаллических элементов ясны из предыдущего. В качестве прерывателей и фильтров-ос-лабителей естественно использовать жидкокристаллические ячейки, в кото-рых под действием электрического сигнала изменяется пропускание света по всей их площади. Для диафрагм без механических частей системы ячеек в виде кон-центрических колец, которых могут под действием элек-трического сигнала изменять площадь пропускающего свет прозрачного окна. Следует также отметить, что сло-истые структуры, содержащие жидкий кристалл и фото-полупроводник, т. Е. элементы типа управляемых оп-тических транспарантов, могут быть использованы не только в качестве индикаторов, например, экспозиции, но и для автоматической установки диафрагмы в кино-, фотоаппаратуре.

 Заключение

При всей принципиальной простоте работы устройств на жидкокристаллических элементах их широкое внедрение в массовую продукцию и производство зависит от ряда технологических вопросов, связанных с обеспечением длительного срока работы жидкокристаллических элементов, их работы в широком температурном интервале, на-конец, конкуренции с традиционными и устоявшимися техническими решениями и т. д.

Однако решение всех этих проблем - это только вопрос времени, и скоро, на-верное, трудно будет себе представить совершенный аппарат, не содержащий жидкокристаллического устройства.

Литература

1. Самарин, Жидкокристаллические дисплеи. Схемотехника, конструкция. Солон. М. 2004.

2. Мартин, Немудров. Системы на кристалле. Проектирование и развитие. Техносфера. М. 2004.

3. Лузин. Основы телевизионной техники. Солон. М.2003.

4. Родин. Современные телевизоры. Солон. М. 2004.

5. Зубарев. Цифровое телевизионное вещание. Радио/связь. М. 2004.

6. Беркоу. Современная медицинская энциклопедия. Вмеда. М. 2004.

Реферат на тему «Жидкие кристаллы».

Материал взят из Интернета и переработан:

Структура приведена в соответствие с требованиями стандартов высшей школы (СамГУ);

Добавлен новый материал- «Жидкокристаллические телевизоры»;

Литература обновлена.

Реферат представлялся к защите. Результат положительный.

Мой адрес: Vilmas@samtel.ru

Страницы: 1, 2, 3