Kuidas kuvatakse pilti LCD monitoril?

Vedelkristallekraanidel (LCD – Liquid Crystal Display) kasutatakse pildi kuvamiseks täiesti erinevat tehnoloogiat kui vanematel kineskoopmonitoridel. LCD monitori juurest ei leia varasemat elektronkiiretoru, ekraani ei “pommitata” elektronidega.

Tüüpiliselt mõtleme kristalsetest materjalidest kui tahketest ainetest. Soola- ja ränikristallid, vääriskivid teemant ja rubiin on kõik tahked ained, milles molekulid on paigutunud kindla korra kohaselt, moodustades nn. kristallvõre. Seega võib termin “vedelkristall” alguses imelik tunduda, sest harjumuspäraselt pole nende materjalide juures mitte midagi vedelat. LCD monitoride juures kasutatavate ainete käitumine on tegelikult midagi kahe agregaatoleku vahepealset. Vedelkristallidel on omadus sarnaselt tahkete kristallidega säilitada molekulide orienteeritust üksteise suhtes, samas on molekulidel omadus ruumis ümber paikneda, mis annab ainele voolavuse. Üleminek tahkest olekust poolvedelasse vajab üsna suurt hulka energiat, samas kui poolvedelast vedelaks muutub aine suhteliselt väikese lisaenergia tõttu. Seetõttu on vedelkristallekraanid väga tundlikud välistemperatuurile, käituvad ekstreemsetel temperatuuridel veidralt.

LCD ekraanides teevadki peamise töö ära justnimelt vedelkristallides olevad molekulid, millel on omadus reageerida (pöörduda, muuta oma asendit) vastavalt elektrivoolule (täpsemalt elektriväljale). Sundides molekule elektrivälja abil pöörduma, on võimalik tänapäeva mõistes suhteliselt lihtsalt ehitada nn. taustavalguseta LCD ekraanid. Selliseid ekraane kohtab näiteks tavalistes termomeetrites, käekelladel jne. Passiivmaatriksi puhul kasutatakse ümbritseva ruumi valgust, säärased ekraanid ei kiirga ning seetõttu puudub nendel pimedas kujutis. Passiivmaatriksid on tavaliselt kahevärvilised (must kujutis värvilisel taustal), kuid oma põhialustelt töötavad samamoodi kui muudki vedelkristallekraanid.

Ekraanid on mitmekihilised, kõige viimaseks kihiks on peegel, mis peegeldab ekraanile langenud valguse vaatleja suunas tagasi. Sääraselt toimib väljalülitatud lisavalguseta ekraan – kogu talle langenud valgus peegeldub tagasi ning seetõttu paistab see ühtlaselt heleda pinnana (füüsikast on teada, et must pind tekib, kui kogu sellele langev valgus neeldub ja midagi tagasi ei peegeldu). Kui nüüd ekraan sisse lülitada ning elektrivoolu mõjul vedelkristalli molekule pöörata, on võimalik blokeerida valguse tagasipeegeldumine, mistõttu selline ekraanipiirkond paistabki mustana.

Arvutimonitoride pilti on näha ka pimedas, niisiis nõuavad sellised seadmed lisavalgustust. Tänapäeva monitorides valgustatakse LCD paneeli kas küljelt või asendatakse lisavalgustuseta ekraani kõige viimaseks kihiks olnud peegel täiendava valgusallikaga. Ekraanile tekitatakse kujutis sarnaselt ülalkirjeldatule, muutes elektrivoolu abil vedelkristallis olevate molekulide asukohta, mis seeläbi kas lubavad valgusel ekraani läbida või mitte.

Füüsikast on teada, et valgus levib ruumi igas suunas. Et vältida ekraanil valguse hajumist, kasutatakse mõlemal pool vedelkristallkihti nn. polarisatsioonifiltreid. Need muudavad valguse levimist selliselt, et vedelkristallidele langev valguslaine võnguks ainult ühes suunas. Teineteise suhtes 90-kraadi alla paigutatud polarisatsioonifiltrid blokeerivad valguse täielikult, nii et ekraan paistab mustana ka juhul kui vedelkristallpaneeli ei juhita kuid taustavalgus on sisse lülitatud. Kui nüüd elektrivooluga vedelkristalli molekulide asendit muuta, on võimalik ekraani läbivat valgust “pöörata” selliselt, et see läbiks ka mõlemad filtrid. Pöördenurgast seejuures sõltub, kui palju valgust läbi pääseb ning järelikult ka see, kui heleda või tumedana üks või teine ekraanipiirkond paistab.

Värviliste ekraanide korral moodustatakse kujutis kolme värvi abil (RGB – red, green, blue). Selleks kasutatakse ühte vedelkristallpaneeli, mis juhib kõigi kolme värvi valguse läbimist paneelist. Iga pildipunkti (pikseli) jaoks on oma kolmevärviline komplekt. Värvid tekitatakse vastavate filtrite abil. Vahepealsed toonid saadakse, kui muudetakse valguskimpude intensiivsust. Maksimaalne intensiivsus kõikides kimpudes annab valge valguse, kui eemaldada punane ja roheline kimp, tekib sinine valgus jne.

Täpsemat infot saab näiteks 3M LCD paneelide tööd tutvustavast videost “LCD Optics 101“.