Какие принципы управления световым потоком в жидкокристаллической ячейке и вращение плоскости поляризации электрическим полем молекул.
Что такое жидкокристаллические индикаторы и их назначение?
Жидкокристаллическими называют такие индикаторы, в которых используют жидкие кристаллы. Жидкокристаллические индикаторы применяют для визуального отображения информации.
Классификация. Жидкокристаллические индикаторы классифицируют за материалами, электрооптическими эффектами, характером работы, за разрядностью. Различают жидкокристаллические индикаторы, изготовленные на основе нематических (нитевидных) смесей МББА (н-(п-метоксибензилиден)-п-(н-буталанилин)) и ЭББА (н-(п-этоксибензилиден)-(н-бутиланилин)) и др. За электрооптическими эффектами выделяют индикаторы, которые используют эффект динамического рассеяния или твист-эффект. Первый из них наблюдается в жидких кристаллах с отрицательной диэлектрической анизотропией и небольшой электропроводностью (преимущественно созданной искусственно). Он заключается в разрушении ранее упорядоченной молекулярной структуры жидкого кристалла ионным током проводимости, вследствие чего в разрушенных местах возникает состояние динамической турбулентной изменения показателя преломления. Поэтому раньше прозрачный жидкий кристалл в разрушенных местах начинает рассеивать свет, то есть становится непрозрачным. Твист-эффект наблюдается в жидких кристаллах с положительной диэлектрической анизотропией, отсутствующей электропроводностью и предварительно подготовленным «Скрученным» состоянием (состоянием, в котором большие оси молекул становятся параллельными к ограничительным плоскостям, а их направления взаимноперпендикулярнымы). Если на такой жидкий кристалл подействовать электрическим полем, то эффект скручивания исчезает, так как все молекулы жидкого кристалла ориентируются вдоль поля. В результате участки, которые ранее возвращали плоскость поляризации света, перестают ее возвращать. С помощью поляризационных пластин фазовую поляризацию превращают в амплитудную. А это значит, что раньше непрозрачный «скрученный» жидкий кристалл в местах действия поля становится прозрачным.
|
|
|
Классификация. По характеру работы предусматривают разделение жидкокристаллических индикаторов на две группы: те, которые работают на отражение света, и такие, что работают на его пропускания. За разрядностью жидкокристаллические индикаторы делятся на одноразрядные и многоразрядные. Первые из них способны отображать на экране только одну цифру, вторые — больше одной.
Строение. Прежде всего необходимо отметить, что жидкие кристаллы представляют собой большую группу органических веществ, которые одновременно обладают свойствами жидкостей (текучесть) и твердых тел (оптическую и электрическую анизотропию). Есть несколько разновидностей жидких кристаллов. Для жидкокристаллических индикаторов используют преимущественно нематичные жидкие кристаллы, которые имеют нитевидные молекулы с определенной ориентацией и слабым межмолекулярным взаимодействием. Жидкие кристаллы сами не излучают света, поэтому их используют вместе с источниками света.
|
|
|
Рис. 1. Конструкция жидкокристаллической ячейки, построенной на эффекте динамического рассеяния: 1 — жидкий кристалл; 2 — стеклянные пластины; 3 — прозрачный электрод; 4 — изоляционная прокладка; 5 — прозрачный или отражающий электрод
Конструкция элементарной жидкокристаллической ячейки, построенной на эффекте динамического рассеяния, приведенная на рис. 1. Она состоит из двух пластин 2, покрытых изнутри слоем электропроводящего материала 3 и 5 и расположенного между ними слоя жидкого кристалла, толщина которого 8 … 25 мкм. Один из электродов (3) прозрачный, второй прозрачный, если индикатор работает на пропускание света, или зеркальный, если индикатор работаеть на отражение. Электроды 3 и 5 разделяет изоляционная прокладка 4. Подобную конструкцию имеют жидкокристаллические
ячейки, построенные на твист-эффекте (рис. 2). Для индикации цифр используют сегменты, состоящие из восьми элементов, каждый из которых представляет собой элементарную жидкокристаллическую ячейку. Семь из них необходимо для воспроизведения десяти цифр, а восьмой предназначен для индикации комы, которая отделяет целую часть от дробной (рис. 3).
|
|
|
Рис. 2. Конструкция жидкокристаллической ячейки, построенной на твист-эффекте (а) и многоразрядного жидкокристаллического индикатора (б) 1 — стеклянные обкладки; 2 — прозрачные электроды; 3 — ограничитель-фиксатор; 4 — поляроидные пластины; 5 — жидкий кристалл
Источники света (миниатюрные лампы накаливания или люминесцентные излучатели) можно размещать перед индикаторами или за ними. В первом случае с цифровыми сегментами ставят зеркало, а во втором — матово-черную пластину (рис. 3).
Рис. 3. Схемы размещения различных элементов жидкокристаллических индикаторов: а — при работе на отражение; б — при работе на прохождение
Рис. 4. Жидкокристаллическая панель вместе с оптической системой: 1, 2 — стеклянные пластины; 3, 4 — полупрозрачные электроды; 5 — источник света; 6 — рефлектор; 7,8, 9 — дихроичные
зеркала; 10-линза Френеля; 11 — экран
|
|
|
Сегодня промышленность производит устройства отображения информации на жидких кристаллах. Последние представляют собой органические жидкости, которые имеют кристаллическое строение. В этих устройствах вместо кинескопов используют плоские жидкокристаллические панели. Жидкокристаллические панели (рис. 4) состоят из стеклянных пластин 1, 2, одна из которых имеет полусферические выемки, и нанесенных на их внешнюю поверхность полупрозрачных электродов 3, 4. При соединении пластин в процессе изготовления панелей выемки создают ячейки, которые заполняют жидкими
кристаллами. В результате этого образуется своеобразная жидкокристаллическая матрица — панель.
Существует три вида жидкокристаллических устройств:
— Монохроматические с пассивной матрицей;
— Цветные с пассивной матрицей;
— Цветные с активной матрицей.
В устройствах с пассивной матрицей каждой ячейкой руководит напряжение, которое передается через транзисторную схему в соответствии с расположением ячеек в строках и столбцах матрицы экрана.
В устройствах с активной матрицей каждой ячейкой руководит отдельный транзисторный ключ. Жидкокристаллические панели могут входить в состав проекторов и заменять кинескопные проекторы, или выполнять свои функции в составе плоских дисплеев.
Работа. Работа жидкокристаллических индикаторов основывается на электрооптических эффектах жидких кристаллов, то есть на их способности изменять свои оптические свойства под действием электрического тока или напряженности электрического поля. Чтобы на экране получить определенное изображение, используют сегментные электроды, к которым с помощью специальных схем управления подводится питание (Рис. 5).
Рис. 5. Схема управления жидкокристаллическим индикатором
Питание на сегмент подается только тогда, когда соответствующий управляющий транзистор открыт (На рис. 5 приведен только один транзистор седьмого сегмента). Между общим электродом и плюсом источника питания включен ограничительный резистор. При помощи высокоомных резисторов нагрузки Rн задают необходимую для работы сегментов напряжение (≈5 В).
При отпирании транзистора соответствующий сегмент заземляют, на кристаллическую жидкость действует полное напряжение питания, и она под сегментом становится прозрачной или непрозрачной в зависимости от того, какой электрооптический эффект используют. При одновременной работе всех сегментов на экране высвечивается тот или иной знак или символ. Все жидкокристаллические индикаторы работают на переменном токе (на постоянном токе через электрооптические эффекты срок службы приборов уменьшается). Используют приборы, которые работают как на отраженном, так и на проходящем свете. Во время работы в отраженных лучах источниками света может служить освещения из окружающей среды. Жидкокристаллические панели работают так. Световой поток от источника света 5 (рис. 4, а), которым служат ксеноновые или галогенные лампы, делится дихроичними зеркалами 7, 8, 9 на три световые потоки (красный, синий, зеленый), которые направляют их на жидкокристаллическую панель (в других конструкциях — на три простые жидкокристаллические панели). Одновременно на полупрозрачные электроды ячеек с системы управления, которая на рисунке не показана, поступают усиленные детектируемые видеосигналы, которые модулируют прозрачность жидких кристаллов. В результате на выходе жидкокристаллической панели появляются промоделированые по интенсивности синий, красный и зеленый световые потоки, которые линзой Френеля 10 направляются на экран 11, где смешиваются, образуя многоцветное изображение.
Свойства. Жидкокристаллические индикаторы имеют малые весогабаритных показатели, высокую контрастность, высокую технологичность. Они потребляют малую мощность (≤100 мкВт), используют низкое напряжение питания (≈ 5 В). Основные их недостатки обусловлены низким быстродействием, из-за которой усложняются схемы управления. Основные преимущества жидкокристаллических панелей — это безбликовый экран и низкая потребляемая мощность (≈ 5 Вт поровну с ЭЛТ, которая потребляет ≈ 100 Вт), низкая стоимость и высокая технологичность. В устройствах с активной матрицей каждая ячейка оснащена отдельным транзисторным ключом. Это обеспечивает более высокую яркость изображения, чем в устройствах с пассивной матрицей, поскольку каждая ячейка находится под действием постоянного, а не импульсного электрического поля. Но активная матрица потребляет больше энергии. Кроме того, необходимость отдельного транзисторного ключа для каждой ячейки усложняет производство, что, в свою очередь, увеличивает их цену.
Применение. Жидкокристаллические индикаторы применяют в информационных табло повышенной информационной емкости, экранах малокадрового телевидения, электронных часах, микрокалькуляторах, в пространственно-временных транспарантах, оптических заслонах, светлоклапанных устройствах, мониторах и тому подобное. Распространены жидкокристаллические индикаторы на твист-эффекте, поскольку они не требуют пропускания тока через структуру, что дает выигрыш в энергопотреблении. Жидкокристаллические панели используют в телевизорах вместо кинескопов.
Вращение плоскости поляризации поперечной волны — физическое явление, заключающееся в повороте поляризационного вектора линейно-поляризованной поперечной волны вокруг её волнового вектора при прохождении волны через анизотропную среду. Волна может быть электромагнитной, акустической, гравитационной и т. д.
Линейно-поляризованная поперечная волна может быть описана как суперпозиция двух циркулярно поляризованных волн с одинаковым волновым вектором и амплитудой. В изотропной среде проекции полевого вектора этих двух волн на плоскость поляризации колеблются синфазно, их сумма равна полевому вектору суммарной линейно-поляризованной волны. Если фазовая скорость циркулярно поляризованных волн в среде различна (циркулярная анизотропия среды, см. также Двойное лучепреломление), то одна из волн отстаёт от другой, что приводит к появлению разности фаз между колебаниями указанных проекций на выбранную плоскость. Эта разность фаз изменяется при распространении волны (в однородной среде — линейно растёт). Если повернуть плоскость поляризации вокруг волнового вектора на угол, равный половине разности фаз, то колебания проекций полевых векторов на неё будут вновь синфазны — повёрнутая плоскость будет плоскостью поляризации в данный момент.
Вращение плоскости поляризации электромагнитной волны в плазме при наложении магнитного поля (эффект Фарадея).
Таким образом, непосредственной причиной поворота плоскости поляризации является набег разности фаз между циркулярно поляризованными составляющими линейно-поляризованной волны при её распространении в циркулярно-анизотропной среде. Для электромагнитных колебаний такая среда называется оптически активной(или гиротропной), для упругих поперечных волн — акустически активной. Известен также поворот плоскости поляризации при отражении от анизотропной среды (см., например, магнитооптический эффект Керра).
Циркулярная анизотропия среды (и, соответственно, поворот плоскости поляризации распространяющейся в ней волны) может зависеть от наложенных на среду внешних полей (электрического, магнитного) и от механических напряжений (см. Фотоупругость). Кроме того, степень анизотропии и набег фаз, вообще говоря, могут зависеть от длины волны (дисперсия). Угол поворота плоскости поляризации линейно зависит при прочих равных условиях от длины пробега волны в активной среде. Оптически активная среда, состоящая из смеси активных и неактивных молекул, поворачивает плоскость поляризации пропорционально концентрации оптически активного вещества, на чём основан поляриметрический метод измерения концентрации таких веществ в растворах; коэффициент пропорциональности, связывающий поворот плоскости поляризации с длиной луча и концентрацией вещества, называется удельным вращением данного вещества.
В случае акустических колебаний поворот плоскости поляризации наблюдается лишь для поперечных упругих волн (так как для продольных волн плоскость поляризации не определена) и, следовательно, может происходить лишь в твёрдых телах, но не в жидкостях или газах (где поперечная составляющая отсутствует).
Общая теория относительности предсказывает вращение плоскости поляризации световой волны в пустоте при распространении световой волны в пространстве с некоторыми типами метрики, вследствие параллельного переноса вектора поляризации по нулевой геодезической — траектории светового луча (гравитационный эффект Фарадея, или эффект Рытова — Скротского).
Использование
Эффект вращения плоскости поляризации света используется
- для определения концентрации оптически активных веществ в растворах (см. например, Сахариметрия);
- для исследования механических напряжений в прозрачных телах;
- для управления прозрачностью жидкокристаллического слоя в жидкокристаллических индикаторах (циркулярная анизотропия ЖК зависит от приложенного электрического поля).
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 675; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!