Primenenie zid cristal (Применение кристаллов), страница 3

Всерьез разработкой технологии создания плазменных дисплеев занялись в 1966 году в одном американском университете в штате Иллинойс. Вскоре после завершения исследований, в начале 70-х годов, небольшая компания Owens-Illinois смогла запустить проект в коммерческое использование.

Тогда спрос на плазменные панели был очень небольшим. Главным образом отсутсвие спроса объяснялось тем, что экраны были монохромными (отображали только два цвета), очень дорого стоили (даже для крупных организаций) и были практически бесполезны для использования их в быту. Первую партию дисплеев заказала Нью-йоркская Фондовая Биржа — ей были необходимы экраны большой площади, способные информировать огромное количество людей об изменении котировок акций, а качества изображения было не столь критично.

Современные плазменные дисплеи претерпели большое количество изменений, их качество заметно изменилось, если сравнивать с теми, что производили много лет назад. Сейчас изображение на плазменном экране считается самым ярким (до 500 кд/м2) и контрастным (400:1), даже лучше чем у классических ЭЛТ-мониторов. Сравните: яркость и контрастностью дорогого монитора — 350 кд/м2 и 200:1 соответственно.

Благодаря особенностям исполнения плазменные экраны не боятся электромагнитных полей. Возможно, владельцы мощных колонок замечали изменение цвета рабочего стола на своем ЭЛТ-мониторе, когда пытались устанавливать аудио-систему рядом с компьютером. У PDP-мониторов такой проблемы не может существовать в принципе: внутри просто нет элементов, на которые могло бы повлиять магнитное поле. Поэтому рядом с плазменным телевизором всегда можно спокойно устанавливать самые хорошие, мощные колонки и наслаждаться качественным звуком не отходя от любимого ПК.

Из недостатков такого типа дисплеев стоит отметить очень высокое энергопотребление. Чтобы зажечь один пиксель на экране плазменного телевизора электроэнергии требуется незначительное количество, но матрица состоит из миллионов точек, каждой из которых приходится гореть до нескольких десятков часов подряд. Частично из-за этого плазменным дисплеям закрыт путь в область портативной техники: ноутбук от собственных аккумуляторов с таким экраном вряд ли проработает даже час: применение плазменного экрана само собой подразумевает наличие электрической розетки в радиусе нескольких метров. Но даже если решить проблему с источником питания, изготавливать плазменные матрицы с диагональю менее двадцати дюймов не выгодно экономически: представьте себе карманный компьютер ценой несколько тысяч долларов работающий только от сети, но имеющий очень контрастный и яркий экран. Не думаем, что подобная модель будет пользоваться ажиотажным спросом на рынке, тем более, что и ЖК-экраны с каждым днем становятся все лучше и лучше, да к тому же они значительно более бережливо относятся к источнику питания.

Также плазменные экраны имеют относительно небольшой срок эксплуатации, по крайней мере, по сравнению с аналогами, — порядка 10 тысяч часов непрерывной работы. Хотя многим и этого будет вполне достаточно, ведь эти 10 тысяч часов истекут только через шесть лет функционирования аппарата при 4-5 часах ежедневного просмотра телепередач (если дисплей использовать в качестве телевизора). Правда с каждым днем этот недостаток становится все менее и менее актуальным — многие производители уже сегодня предлагают довольно эффективные пути решения этой проблемы.

Во многом плазменные экраны напоминают жидкокристаллические. Разница состоит лишь в способе формирования цвета отдельной точки. У плазменного дисплея, как и у ЖК, нет никаких проблем ни со сведением лучей, ни проблем с геометрией экрана, ни с фокусировкой. Они не страдают от вибрации (если у вас дома системный блок стоит рядом с ЭЛТ-монитором, то вы, наверное, замечали легкую вибрацию на экране, когда активно работает жесткий диск или привод компакт-дисков), все PDP имеют абсолютно плоскую внешнюю поверхность.

Кажется, что плазменные матрицы унаследовали у своих предшественников только достоинства — они лишены недостатков присущих ЖК. Так, плазменные дисплеи имеют малое время отклика (чем до сих пор не могут похвастаться многие дисплеи дешевых КПК и ноутбуков), то есть время между посылкой сигнала и фактической сменой картинки на экране достаточно небольшое. Этот факт позволяет без проблем использовать PDP в качестве телевизоров и играть в быстрые игры, при подключении дисплея к компьютеру. Плазменные экраны полностью цифровые, аналоговый выход для подключения к настольному компьютеру — это скорее исключение, нежели правило. Возможно, многие знают, что главным недостатком ЖК-мониторов является значительное ухудшение качества изображения на экране при смене угла просмотра. Плазменные экраны, обладая всеми достоинствами ЖК, лишены этого недостатка. Здесь они могут дать фору даже самым дорогим и качественным ЭЛТ-экранам: у многих моделей угол видимости достигает 160 градусов.

ПРИМЕНЕНИЯХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛОВ В БУДУЩЕМ

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 технологиче­ского характера. Хотя принципиально возможность со­здания таких экранов продемонстрирована, однако а связи со сложностью их производства при современной технологии их стоимость оказывается очень высокой. По­этому возникла идея создания проекционных устройств на жидких кристаллах, в которых изображение, получен­ное 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 кото­рые наряду со слоем жидкого кристалла входит слой фотополупроводника. Причем запись изображения в жидком кристалле, осуществляемая с помощью фотопо­лупроводника, производится лучом света. О подобном проекторе уже рассказывалось в главе VII. Теперь же познакомимся с физическими явлениями, положенными в основу его работы.

Принцип записи изображения очень прост. В отсутст­вие подсветки фотополупроводника его проводимость очень мала, поэтому практически вся разность потенциа­лов, поданная на электроды оптической ячейки, в кото­рую еще дополнительно введен слой фотополупровод­ника, падает на этом слое фотополупроводника. При этом состояние жидкокристаллического слоя соответствует отсутствию напряжения на нем. При подсветке фотопо­лупроводника его проводимость резко возрастает, так как свет создает в нем дополнительные носители тока (свободные электроны и дырки). В результате происхо­дит перераспределение электрических напряжений в ячейке — теперь практически все напряжение падает на жидкокристаллическом слое, и состояние слоя, в частно­сти, его оптические характеристики, изменяются соответ­ственно величине поданного напряжения. Таким образом, изменяются оптические характеристики жидкокристал­лического слоя в результате действия света. Ясно, что при этом в принципе может быть использован любой электрооптический эффект из описанных выше. Практи­чески, конечно, выбор электрооптического эффекта в та­ком 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 фотополупро­водника. Поэтому такие транспаранты обладают очень вы­сокой разрешающей способностью. Так, объем информа­ции, содержащейся на телевизионном экране, может быть записан на транспаранте размерами менее 1х1 см².

Описанный способ записи изображения, помимо все­го 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 кри­сталлах.

Пространственно временные модуляторы света

Уп­равляемые оптические транспаранты могут быть исполь­зованы не только как элементы проекционного устрой­ства, но и выполнять значительное число функций, свя­занных с преобразованием, хранением и обработкой оп­тических сигналов. В связи с тенденциями развития ме­тодов передачи и обработки информации с использова­нием оптических каналов связи, позволяющих увеличить быстродействие устройств и объем передаваемой инфор­мации, управляемые оптические транспаранты на жид­ких кристаллах представляют значительный интерес и с этой точки зрения. В этом случае их еще принято назы­вать пространственно-временными модуляторами света (ПВМС), или световыми клапанами. Перспективы и мас­штабы применения ПВМС в устройствах обработки опти­ческой информации определяются тем, насколько се­годняшние характеристики оптических транспарантов мо­гут быть улучшены в сторону достижения максимальной чувствительности к управляющему излучению, повыше­ния быстродействия и пространственного разрешения световых сигналов, а также диапазона длин волн излуче­ния, 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. Ниже рассказывается о ря­де возможных применений модуляторов света.

Прежде всего, отметим высокую чувствительность модуляторов света к управляющему световому потоку, которая характеризуется интенсивностью светового по­тока. Кроме того, достигнуто высокое пространственное разрешение сигнала — около 300 линий на 1 мм. Спектральный диапазон работы мо­дуляторов, выполненных на различных полупроводнико­вых материалах, перекрывает длины волн от ультрафио­летового до ближнего инфракрасного излучения. Очень важно, что в связи с применением в модуляторах фото­полупроводников удается улучшить временные характе­ристики устройств по сравнению с быстродействием соб­ственно жидких кристаллов. Так, модуляторы света за счет свойств фотополупроводника могут зарегистриро­вать оптический сигнал продолжительностью всего меньше 1 с. Разумеется, изменение оптических характеристик жидкого кристалла в точке регистрации сигнала проис­ходит с запаздыванием, т. е. более медленно, в соответ­ствии 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 под­боре режима работы модулятора они могут выделять контур проектируемого на него изображения. Если кон­тур перемещается, то можно визуализировать его дви­жение. При этом существенно, что длина волны записы­вающего изображения излучения и считывающего излу­чения могут отличаться. Поэтому модуляторы света по­зволяют, например, визуализировать инфракрасное из­лучение, или с помощью видимого света модулировать пучки инфракрасного излучения, или создавать изобра­жения в инфракрасном диапазоне длин волн.

В другом режиме работы модуляторы света могут выделять области, подвергнутые нестационарному осве­щению. В этом режиме работы из всего изображения выделяются, например, только перемещающиеся по изо­бражению световые точки, или мерцающие его участки. Модуляторы света могут использоваться как усилители яркости света (в 10^—10° раз и более) В связи же с их высокой пространственной разрешающей способностью их использование оказывается эквивалентным усилителю с очень большим (10"—10^) числом каналов. Перечисленные функциональные возможности оптических модуляторов дают Основание использовать их 6 многочисленных задачах обработки оптической инфор­мации, таких как распознавание образов, подавление по­мех, спектральный и корреляционный анализ, интерфе­рометрия, в том числе запись голограмм в реальном мас­штабе времени, и т. д. Насколько широко перечислен­ные возможности жидкокристаллических оптических мо­дуляторов реализуются в надежные технические устрой­ства, покажет ближайшее будущее.

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 воз­действий в оптический сигнал жидкокристаллические ус­тройства оказываются опять-таки очень удобными и пер­спективными элементами оптических систем.

Конечно, существует масса методов преобразовывать перечисленные воздействия в оптические сигналы, одна­ко подавляющее большинство этих методов связано сна­чала с преобразованием воздействия в электрический сигнал, с помощью которого затем можно управлять световым потоком. Таким образом, методы эти двусту­пенчатые и, следовательно, не такие уж простые и эко­номичные в реализации. Преимущество применения в этих целях жидких кристаллов состоит в том, что с их помощью самые разнообразные воздействия можно не­посредственно переводить в оптический сигнал, что уст­раняет промежуточное звено в цепи воздействие—све­товой сигнал, а значит, вносит принципиальное упроще­ние в управление световым потоком. Другое достоинст­во ЖК-элементов в том, что они легко совместимы с уз­лами волоконно-оптических устройств.

Чтобы проиллюстрировать возможности с помощью ЖК управлять световыми сигналами, расскажем о прин­ципе работы «оптического микрофона» на ЖК—устрой­ства, предложенного для непосредственного перевода акустического сигнала в оптический.

Принципиальная схема устройства оптического мик­рофона 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 ЖК, выполненные в Акустическом институте АН СССР, показали, что по своим параметрам он не уступает су­ществующим образцам и может быть использован в оп­тических линиях связи, позволяя осуществлять непосред­ственное преобразование звуковых сигналов в оптиче­ские. Оказалось также, что почти во всем температурном интервале существования нематической фазы его акустооптические характеристики практически не изменяются