Жидкие кристаллы как основа развития современных технологий

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".

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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