OBRAZOVKY, MONITORY, DISPLEJE A POLARIZOVANÉ SVĚTLO doc. RNDr. Josef Hubeňák, CSc. 

   

studijní materiál ke kurzu Mezioborové dimenze vědy                     

Fakulta informatiky a managementu Univerzity Hradec Králové Projekt Informační, kognitivní a interdisciplinární podpora výzkumu je spolufinancován 

Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. 

1

Obrazovky a displeje, polarizované sv�tlo Josef Hube�ák, katedra fyziky P�írodov�decká fakulta UHK

Zkuste odhadnout, kolik �asu v�nujete sledování televizní obrazovky nebo jak dobu strávíte u po�íta�e. Televizní obrazovka zá�í v každé domácnosti v pr�m�ru více než t�i hodiny denn� a pokud pracujete s po�íta�em, �as ani nesle-dujete. P�enos obrazu byl uskute�n� prvn� po telegrafních linkách. První fax setro-jil Alexander Bain v letech 1843-46. Zdokonalený fototelegraf a patent na n�j pat�í Fredericku Bakewellovi (1848). Obraz byl nakreslen nevodivým inkoustem na ko-vovou fólii a na p�ijíma�i kreslil stopu hrot na papír napušt�ný roztokem ferokya-nidu draselného a dusi��anu amonného. Snímání i záznam byly �ízený hodinovým strojem, fólie i záznamový papír byly navinuty na válci. Principy p�enosu obrazu byly objeveny v polovin� 19. století: obraz je nutné rozložit na body, bod�m p�i�a-dit elektrický signál a nezbytná je synchronizace snímání obrazu na stran� vysíla�e a záznamu obrazu v p�ijíma�i. Elektronický systém vytvá�ení signálu byl zprvu zá-vislý na selénové bu�ce. Mechanický systém se uplatnil naposledy ve form� Nip-kovova kotou�e. První rádiový p�enos televize se uskute�nil v roce 1927 pod vedením Johna Bairda. První vysíla� navrhl a uvedl do provozu Boris Rosing (pa-tent z r. 1907, N�mecko). P�ijíma�em Rosingova televizního systému byla zdoko-nalená Braunova trubice. Dalším krokem byla snímací elektronka „ikonoskop“, kterou sestrojil v Bellových laborato�ích (USA) Vladimír K. Zvorykin. Koncem t�icátých let dvacátého století byl navržen a poprvé zaveden systém televize, jak ji dodnes používáme: elektronické snímání obrazu po �ádcích, vytvá�ení jasového signálu a jeho p�enos, rekonstrukce obrazu na stínítku vakuové obrazovky (Zvo-rykin, Bellovy laborato�e, USA). Co se podstatn� m�ní, je snímací kamera, kódo-vání signálu a p�enos signálu. Všimn�me si jen obrazovky - je posledním a nejdostupn�jším �lánkem celého televizního �et�zce. V�tšina obrazovek poskytuje barevný obraz. Lidské oko rozezná tisíce barev - jak se tvo�í barva na stínítku? Zapn�te barevný televizor a lupou pozorujte malou plochu stínítka. Výsledek vašeho pozorování bude pravd�podobn� takový:

Obr. 1 Rastr TV stínítka

Tv obrazovka

zv�tšeno �ervený

zelený

modrý

�erný

2

Na stínítku zá�í sloupe�ky �ervených obdélní�k�, dále zelených a modrých. Za každými t�emi následuje �erná linka - black stripe. To, že vidíme mnoho jiných barev, je spolupráce našeho oka s obrazovkou. Žlutou vnímáme, svítí-li sou�asn� ploška �ervená a zelená, purpurová je složena z modré a �ervené atd. �erný pásek zvyšuje kontrast mezi sousedními trojicemi a pro naše oko vytvá�í ost�ejší obraz. Bíle svítí ploška, kde všechny t�i barvy svítí stejn� intenzívn�. Všimli jste si �elního skla obrazovky? Je silné asi 15 milimetr� a není �iré. Je to kou�ové sklo, propoušt�jící asi 85% sv�tla. To má sv�j dobrý d�vod. V �ezu na následujícím obrázku vidíme chod paprsk� sv�tla luminofor� - barevn� zá-�ících anorganických slou�enin, jimiž jsou pokryty barevné plošky, a sou�asn� sv�tla z místnosti, které se také odráží v �elním skle: barevné sv�tlo se sice zesla-bí, ale pouze jedním pr�chodem, kdežto rušivé odrazy jdou do skla, odráží se od hliníkové vrstvy za luminofory a znovu se zeslabí p�i cest� ven. Výsledné zeslabe-ní odraz� umožní sledovat obrazovku i v dob�e osv�tlené místnosti.

Obr. 2 �ez �elní st�ny obrazovky

Luminofory pro barevná sv�tla mohou být:

�ervený red zelený green modrý blue

(3ZnS+7CdS):Ag (ZnS+ZnSe):Cu ZnS:Ag

Prvek za dvojte�kou je p�ím�s, která dotuje daný sirník nebo sm�s sirník�. Krom� sirník� se používají k�emi�itany, fosfore�nany, oxidy zinku, vápníku, vzácné ze-miny (cer..), a další materiály. Jejich ukládání na správné místo je náro�nou opera-cí, protože st�edy dvou sousedních �ervených proužk� jsou od sebe vzdáleny 0,8 mm. I pod lupou vidíte, že každý obdélní�ek je ost�e ohrani�en - jeho ší�ka je asi 0,15 milimetru. Dnes se pro nanášení luminofor� používá p�evážn� nalévací

k pozorovateli

rušivý odraz maska

3 svazky elektron�

vrstva hliníku

kou�ové sklo

3

metoda spolu s fotolitografií. Jemn� rozemletý �ervený luminofor se smísí nap�. s octanem amylnatým a s nitrocelulózou a tento lak se naleje na sklo obrazovky. Pak se p�ekryje fotorezistem, což je lak, který se po osv�tlení nedá rozpustit, neosv�t-lená místa jsou rozpustná. P�es masku se vrstvy osv�tlí ze sm�ru, kudy budou p�i-létat elektrony z "�ervené" katody. Pak se rozpustí fotorezist na neosv�tlených místech a rozpustí se a odplaví i odkrytý �ervený luminofor.

Postup se opakuje pro další luminofory, jen osv�tlení vychází z pozice zelené a modré katody. Organické složky se pak p�i vysoké teplot� odpa�í a na skle z�-stávají obdélní�ky luminofor�. Stejn� se nanesou i souvislé �erné proužky. Dopa-dající elektrony tvo�í kruhovou stopu a mohly by rozsvítit i sousední proužek. Výsledkem by byly mdlé, nevýrazné barvy. Tomu brání pigmentace luminofor� - do sm�si jsou p�idány nezá�ící �erné p�ím�si. Hliníková vrstva má t�i funkce: 1. Sv�tlo vyzá�ené zrní�kem luminoforu dozadu odráží vp�ed, k pozorovateli. Tím

zvyšuje jas obrazovky p�i stejném po�tu a rychlosti dopadajících elektron�. 2. Zachytí t�žké ionty, které vznikají ze zbytk� plyn� v obrazovce a sm��ují k

luminiscen�ní vrstv�. Pokud by ionty dopadaly až na ni, vytvo�ily by uprost�ed obrazovky velmi brzy slepou, temnou skvrnu.

3. Pomáhá odvád�t z luminiscen�ní vrstvy záporný elektrický náboj, který tam každý dopadající elektron p�ináší. Pokud by tam elektrony uvízly, velmi brzy by úsp�šn� odpuzovaly další p�ilétající elektrony a obrazovka by za chvíli po-hasla.

Na vybíjení luminiscen�ní vrstvy se podílí i druhý d�j - sekundární emise. Dosta-te�n� rychlý elektron p�i dopadu na stínítku z n�j vyrazí jeden, dva i více elektron� a ty pak letí zp�t ke kladn� nabité vodivé vrstv�, která zevnit� pokrývá kuželo-vou �ást obrazovky. Práv� sem je p�ivád�no vysoké nap�tí - používá se až 25 000 volt� ( v monitorech u po�íta�� asi 8 kV). Vakuová obrazovka m�že posloužit k malému pokusu: P�iložte malou feritovou magnetku nebo jiný permanentní magnet na �elní sklo obrazovky a pozorujte zm�ny v obraze! Pokud jste našli odvahu k tomuto experimentu, pak jste zjistili, že obraz se v blízkosti magnetu mírn� deformuje a na obrazovce se vytvo�í barevné skvrny, které, i když nevýrazn�, z�stávají v obraze i po oddálení magnetu. To má na sv�-domí maska uvnit� obrazovky – je z tenkého železného plechu a i po oddálení magnetu z�stává zmagnetována a posílá elektrony jinam, než mají dopadnout. Zba-vit se barevných skvrn m�žete tak, že magnetem pohybujete p�ed obrazovku a postupn� se vzdalujete, nebo prost� p�ijima� n�kolikrát vypnete a po chvíli znovu zapnete. Obrazovku uvnit� sk�ín� obepíná velká cívka, kterou t�sn� po za-pnutí televizoru prochází st�ídavý proud ze sít� a prom�nné magnetické pole s frekvencí 50 Hz masku odmagnetuje. Monitory po�íta�� jsou vybaveny stejn� a

4

možná znáte funkci DEGAUSS – po jejím spušt�ní se obraz chvíli deformuje a bli-ká.

Po tomto pokusu víme, že elektrony lze vychylovat magnetickým polem. Na hrdle obrazovky jsou pevn� umíst�ny vychylovací cívky, jimiž protéká st�ídavý proud. Jedna dvojice cívek vychyluje svazky elektron� vlevo a vpravo, druhá naho-ru a dol�. Pr�b�h vychylovacích proud� je p�esn� definován a p�ibližn� vypadá tak-to:

Obr. 3 Vychylovací proud Analogový TV signál kreslí na stínítku 625 �ádk� a pom�r ší�ky a výšky obrazu

je 4:3. Jednotlivé snímky jsou statické a musí jich být 25 za sekundu, abychom vnímali spojitý pohyb. Vykreslení jednoho úplného snímku trvá 0,4 s a jeden �ádek pot�ebuje 64 �s. Proudy ve vychylovacích cívkách nejsou malé: amplituda proudu pro horizontální vychylování je 2,3 A a pro vertikální 1,2 A (pro obrazovku 561QQ22 TESLA). Amplituda nap�tí na vertikálních cívkách je 1600 V a na horizontálních 200 V. Proud každého ze t�í elektronových svazk� m�že dosáhnout až 400 �A a elektro-ny jsou urychleny nap�tím až 25 kV. V blízkosti TV obrazovky je dosti silné elektrické pole, které proniká i do prostoru p�ed obrazovkou. O jeho p�ítomnosti se m�žeme snadno p�esv�d�it.

Nech� je vaše obrazovka pon�kud zaprášená. Zaost�ete lupu na zrnka prachu na jejím povrchu a zapn�te televizi. Po zapnutí prachové �ástice ožijí: n�které odlétnou z povrchu, jiné se usadí na skle, p�emístí se, zorientují kolmo k povrchu skla.

Podržte holé p�edloktí asi 5 cm p�ed obrazovkou a zapn�te televizor. Ješt� než se obrazovka rozzá�í, pocítíte p�sobení elektrického pole na jemné chloupky.

Hliníková vrstva a luminofor mají potenciál anody obrazovky, což je až 25 kV. Málo vodivé sklo p�edstavuje velký odpor, p�esto povrch skla siln� p�itahuje zpolarizované �ástice prachu; n�které se nabijí kladn� a jsou odvrženy od obra-zovky. (Všimn�te si povrchu nábytkové st�ny vedle televizoru!) Záporn� nabité �ástice obrazovka zase siln� p�itahuje. Jsou-li ve vzduchu záporné ionty, jsou te-

vlevo vpravo

�inný b�h zp�tný b�h I(t)

t (µs) 0

64

5

levizorem p�itaženy i ze vzdálenosti desítek centimetr�. Od obrazovky te�e iontový proud a lze se o n�m snadno p�esv�d�it. K pokusu pot�ebujete malou doutnavku, která se používá k signalizaci zapnutí vypína�� nebo spot�ebi�� (v držadle žehli�-ky) a kondenzátor 10 000 pF. Tyto sou�ástky spojíte paraleln�, k jednomu spoji p�ipevn�te 10 cm drátku, který na konci zaost�íte a druhý spoj držte v ruce. Tím je tento spoj uzemn�n, i když p�es velký odpor. Obr.4 Sonda pro elektrostatické pole

Hrotem zamí�íte k obrazovce. Pak zapn�te televizi a pozorn� sledujte doutnavku. S intervalem asi 1 s bude blikat. Kladné ionty nabíjejí kondenzátor a vždy, když jeho nap�tí p�ekro�í zápalné nap�tí doutnavky, dojde k výboji.

V doutnavce svítí vrstva plynu u katody. Dobrý pozorovatel m�že zjistit, zda se kondenzátor nabil kladným nebo záporným nábojem? Zápalné nap�tí doutnavky je asi 110 V, zhášecí 90 V a doutnavka bliká n-krát za sekundu. Pokud se tento po-kus poda�í, m�žeme vypo�ítat pr�m�rnou hodnotu iontového proudu, který z obra-zovky p�es sondu odtéká do zem�: ( )21 UUnCI −= , kde za U1 dosadíme zápalné a za U2 zhášecí nap�tí doutnavky.

Pokus se da�í jen n�kolik sekund po zapnutí televizoru a probíhá stejn� p�ed monitorem po�íta�e. Pro� doutnavka nebliká trvale ? Vakuová obrazovka je mechanicky namáhána velkou tlakovou silou. Elektrony letí v obrazovce po zak�ivené dráze asi 50 cm dlouhé nesm�jí narážet na molekuly plynu, a proto je prostor velmi dob�e vy�erpán - tlak uvnit� asi je 10-4 Pa.

Vypo�teme p�ibližn� tlakovou sílu, kterou p�sobí vzduch na �elní st�nu ob-razovky s úhlop�í�kou 65 cm. Tomu odpovídá obdélník o stranách a = 52 cm, b =39 cm a plocha stínítka S = 2028 cm2. Pokud je atmosférický tlak pa= 105 Pa, bude tlaková síla

N 20280Pa10.m10.2028 524 === −pSF Síly, p�sobící na obrazovku, jsou p�ekvapiv� velké. Proto také je obrazovka, a zvlášt� stínítko, z pevného a silného skla. Celá obrazovka má hmotnost 15 i více kilogram�. Pokud praskne, tlakové síly ji rozmetají do okolí a úlomky mohou zp�-sobit vážný úraz.

6

Displeje z kapalných krystal� Molekuly n�kterých organických slou�enin se i v kapalném stavu uspo�ádají do pravidelné struktury a pak je takový roztok sice homogenní, ale anizotropní. Taková kapalina se chová do jisté míry jako krystal a nap�íklad sv�tlo propouští podobn�, jako polariza�ní filtr nebo krystal turmalínu. Pro�? Je to zp�sobeno uspo�ádáním pom�rn� rozm�rných podlouhlých molekul v kapalin�. Je známo uspo�ádání smektické, nematické a cholesterické.

Obr.5 Kapalné krystaly Ve struktu�e smektické jsou molekuly orientovány rovnob�žn� a uskládány v pravidelných vrstvách. Nematická struktura má rovnob�žné molekuly, ale vrstvy se �áste�n� prolínají a nejsou pravidelné. Cholesterická struktura má vrstvy, v nichž se orientace pravideln� stá�í a molekuly tvo�í jakoby zkroucené žeb�í�ky. Displej z cholesterické kapaliny využí-vá polarizované sv�tlo, které p�i vhodné orientaci polariza�ní roviny projde, v opa�ném p�ípad� je pohlce-no. Obr..6 Struktura pasivního displeje Sv�tlo se polarizuje p�i pr�chodu hor-ní folií, projde až k zrcadlu a odráží se. Orientované molekuly kapalného krys-talu polarizaci nenaruší a sv�tlo úsp�šn� vyjde ven. Tato plocha je sv�tlá. Na pr�hlednou elektrodu segmentu a spole�nou spodní elektrodu p�ivedeme st�ídavé nap�tí. Elektrické pole naruší orientaci molekul, tím se 2x ruší polarizace sv�tla a tato ploška je tmavá.

smektický nematický cholesterický

sklo

polariza�ní fólie

zrcadlo

segment �íslice

spole�ná elektroda

7

Vodivé pr�hledné elektrody jsou z oxidu cínatého SnO, vrstvi�ka kapaliny mezi skly má tlouš�ku desetiny milimetru. Zobrazova� nesmí zmrznout ani se p�e-h�át. Tento typ displeje se používá nap�íklad v kalkulátorech. St�ídavé nap�tí na elektrodách má efektivní hodnotu 5 V a frekvenci 50 Hz. Proud je nepatrný - na jeden segment pouze 0,1 uA.

Chvíli ale trvá, než segment ztmavne a zase zjasní. Na ztmavnutí pot�ebuje 120 ms, na zjasn�ní 350 ms. O tom, že �íslice kalkulátoru s LCD displejem pozorujeme v polarizovaném sv�tle, se p�esv�d�íme pomocí "�erného zrcadla". Kousek tabulového skla (10 x 10 cm) na jedné stran� p�elepíme �ernou izolepou, nebo p�elepíme �erným papírem. Sta�í ta-ké jednu stranu st�íknout �erným lakem na auto. Obr. 7 Polarizace

Sledujme obraz displeje a otá�ejme kal-kulátorem na stole. Dvakrát b�hem oto-�ení o 360 stup�� displej tak�ka zmizí a dvakrát je jasn� viditelný. P�i odrazu od skla se sv�tlo také polarizuje a pokud je již polarizováno, odráží se dob�e jen teh-dy, pokud polariza�ní roviny souhlasí.

Pasivní displeje LCD nemají vlastní zdroj sv�tla a dnes je vytla�ují displeje osv�tlené zezadu elektrolu-miniscen�ní fólií. Obr. 8 Aktivní LCD displej Na rozdíl od pasivních displej� jsou zde dv� polariza�ní fólie (polarizátor a analyzátor) a kapalný krystal má cholesterickou strukturu. Polariza�ní roviny polarizátoru a analyzátoru jsou zk�ížené a aby sv�tlo prošlo, otá�í kapalný krystal polariza�ní rovinu sv�tla o 90o. Nap�tí vložené na elektrody zm�ní sto�ení "žeb�í�ku" molekul kapaliny a sv�tlo neprojde.

�erné zrcadlo

displej

k pozorovateli

sklo

polariza�ní fólie segment �íslice

spole�ná elektroda

zdroj sv�tla

8

Zdrojem sv�tla mohou být zá�ivky, bílé LEDky nebo elektroluminiscen�ní fólie. Elektroluminiscen�ní fólie obsahuje jako zdroje viditelného sv�tla zrní�ka luminofor� - podobn� jako barevná obrazovka televizoru nebo monitoru. Nejstarší známý luminofor je sirník zine�natý ZnS dopln�ný kv�li barv� sv�tla vhodnou p�ím�sí. V jemném polykrystalickém materiálu se v silném elektrickém poli uvol-�ují elektrony a se zánikem pole se znovu vracejí do obal� molekul. P�ebytek ener-gie molekul se vyzá�í ve form� foton�. Intenzita elektrického pole musí dosahovat 100 V.mm-1 a pro trvalou luminiscenci musíme vytvo�it st�ídavé elektrické pole s frekvencí n�kolika set hertz. Elektroluminiscen�ní fólie má sendvi�ovou strukturu:

Obr.9 Konstrukce elektroluminiscen�ní fólie Celá soustava má tlouš�ku 0,2 až 0,5 mm, vyza�uje rovnom�rn� v celé ploše a pot�ebný proud je asi 0,5 mA na cm2. Displej nevytvá�í mnoho tepla a pracuje spolehliv� od -30 do + 85 oC. St�ídavé nap�tí musí mít ovšem amplitudu okolo 100 V, což v p�ístrojích s baterií vyžaduje další m�ni�e nap�tí, které dovedou ze stejnosm�rných 6 V až 24 V vyrobit nap�. 100 V / 800 Hz . Typická barva sv�tla je modrá a zelená, jen pro podsvícení velkoplošných displej� k po�íta��m a dnes i LCD televizor� musí fólie svítit bílým sv�tlem. Jas fólie je dostate�ný - až 100 kan-del na m2 (p�edstavte si sto dortových sví�ek rozestavených na ploše 1 m2 ). Z kon-strukce je z�ejmé, že elektroluminiscen�ní fólie je kondenzátorem a kapacita je �ádov� �F na m2. P�em�na elektrické energie na sv�tlo má asi dvojnásobnou ú�in-nost než halogenová žárovka. Ta poskytne až 12 lm.W-1 , kdežto bílá elektrolumi-niscen�ní fólie asi 25 lumen� na watt. Barevné LCD displeje jsou špi�kovým oborem zobrazovací techniky a prin-cip z�stává stejný, jako u výše popsaného aktivního LCD displeje. Jeden obrazový bod je tvo�en t�emi bu�kami s kapalnými krystaly. Cholesterická kapalina je dopl-n�na organickým barvivem a ve stavu pr�hledném propouští z bílého sv�tla jen složku jedné barvy. Nap�tí ovládající každou bu�ku je spínáno tranzistory, které

krycí fólie z polyesteru

krycí fólie z polyesteru

nepr�hledná elektroda

pr�hledná elektroda

dielektrikum

dielektrikum fólie s lumino- forem

9

jsou vytvo�eny na spole�né sklen�né podložce a jejich rozm�ry jsou tak malé, že se skryjí do hran vani�ek, odd�lujících jednotlivé bu�ky.

Obr.10 Obrazový bod barevného LCD displeje Displej s minimálním rozlišením 800 x 600 bod� má tedy celkem 3 x 800 x 600 = 1,44 milion� tranzistor� a práv� tolik miniaturních barevných bun�k. Uvedené roz-lišení je dnes p�ekonáno a sou�asné displeje po�íta�� pracují s daleko v�tším rozli-šením: Standard rozlišení pom�r stran po�et pixel� XGA 1024 x 768 4 : 3 786 .103

XGA+ 1152 x 864 4 : 3 995 .103 SXGA 1280 x 1024 5 : 4 1,3 . 106 Televizní obraz s vysokým rozlišením je v plné kvalit� zobrazen na LCD obrazov-kách jen tehdy, jestliže obrazovka má stejné rozlišení. V sou�asnosti se používají rozlišení: Standard rozlišení pom�r stran po�et pixel� D-1PAL 720 x 576 4 : 3 415 .103

HDTVp 1280 x 720 16 : 9 922 .103 HDTVi 1920 x 1080 16 : 9 2,1 . 106 Obraz na displeji se obnovuje nap�íklad 100 krát za sekundu. Jak dlouho smí trvat návrat molekul kapalného krystalu do p�vodního stavu, aby se za pohybujícím ob-jektem na displeji nevytvá�ely "barevné chvosty" lze snadno spo�ítat: bez rezervy je to 10 milisekund. Má-li být i pohybující se objekt kreslen bez závad, musí být tzv. doba odezvy kratší – špi�kové LCD displeje mají dobu odezvy asi 6 ms. V jednotlivých bu�kách t�chto displej� nejsou cholesterické kapalné krystaly, ale krystaly nematické a ty jen mírn� zm�ní svou orientaci p�sobením elektrického po-le. To sta�í, aby polarizované sv�tlo zm�nilo svou intenzitu. ídící elektrody nejsou nad a pod bu�kou, nýbrž po stranách.

�ídící nap�tí spínací

tranzistory

luminiscen�ní fólie

10

Kapaliny používané jako kapalné krystaly jsou složité organické látky. Smektickou strukturu vytvá�í molekuly mýdla p�i povrchu mýdlové bublinky: Obr.11 Smektická struktura v mýdlové blán� P�i povrchu blány bubliny vn� i uvnit� jsou molekuly mýdla ve vod� srovnány, jak ukazuje obrázek a teprve uvnit� je roztok s neuspo�ádanými molekulami. Mý-dla se ovšem pro displeje nehodí; klasickým smekti-kem je paraethylazoxibenzoát 4,H-bis. Jeho strukturní vzorec zapíší chemici takto: C2H5 - OOC - - N = N - - COO - C2H5

( Šestiúhelníky zde znamenají benzenová jádra C6H6 )

Jako p�íklad nematika uveme methylbenzyliden p-n-butylanilin se vzorcem

CH3 - O - - C = N - - O - CH3

Cholesterické kapaliny jsou tvo�eny ješt� složit�jšími molekulami a jako ukázku uveme pouze cholesterylacetát: Molekuly t�chto látek jsou asymetrické a dokáží samy stá�et polariza�ní rovinu procházejícího sv�tla - jsou opticky aktivní. (Opticky aktivní je i roztok oby�ejného cukru ve vod� - chemici jej nazývají p�esn�ji sacharóza.)

Fyzika a chemie LCD displeje je krásnou ukázkou aplikované v�dy, ovšem ja-ko spot�ebitelé se budeme zajímat také o p�íkon, dobu spolehlivé funkce a další pa-rametry. Kvalitní širokoúhlý LCD displej HP Dream Color (LP 2480zx) s úhlop�í�kou 60 cm má rozlišení 1920 x 1200 pixel�, pozorovací úhel 178°, jas do

O

H H

CH3COO CH3

CH3 CH(CH3)(CH2)3CH(CH3)2

11

250 cd/m2 a kontrast 1000:1. Kreslí 48 až 61 snímk� za sekundu a doba odezvy je 6 ms. Maximální p�íkon je 90 W, v pohotovostním stavu 3 W. Životnost je omezena degradací organických barviv v bu�kách displeje – po 4 až 5 letech barvy blednou.

Plazmové displeje

V zobrazovací technice nyní nastupuje další generace – plasmové displeje (PDP – Plasma Display Panel). Tlak na jejich vývoj za�ínal již d�íve, ale první komer�ní výrobky byly k dispozici v 90. letech minulého století. Zprvu byly ur�eny pro velkoplošné zobrazova�e, ale technologie je již natolik zvládnuta, že jsou v prodeji plazmové displeje s úhlop�í�kou kolem 80 centimetr�. Vývoj šel od vel-koplošných panel� k p�ístroj�m vhodným do bytu.

Plazmový displej používá výboje v plynu za sníženého tlaku (p�ibližn� 60 až 70 kPa). Mezi p�ední sklen�nou deskou displeje a zadní st�nou jsou umíst�ny jed-notlivé obrazové bu�ky. Pod sklen�nou desku je pr�hledná vrstva dielektrika, pak následují obrazová a pomocná elektroda. Pod nimi je vrstva oxidu ho�e�natého MgO. Je také pr�hledná a dostate�n� vodivá, aby umožnila výboj, ale uzavírá prostor obrazové bu�ky, pln�né argonem. Obrazové bu�ky jsou „vystlány“ lumino-forem, který m�ní ultrafialové sv�tlo výboje v argonu na barevné složky RGB (�er-vené, zelené a modré sv�tlo). Trojice takových bun�k tvo�í jeden pixel. Bu�ky spo�ívají na další sklen�né desce a zespodu jsou vedeny datové vodi�e – pro kaž-dou bu�ku jeden. Datové vodi�e jsou kolmé k vodi��m obrazovým a pomocným.

Obr.12 Složení plazmového panelu - jeden pixel RGB

Zadní st�na

Datová elektroda

Výboj

Zadní sklo

Obrazová a pomocná elektroda

Dielektrikum MgO

P�ední sklo

Luminofor

12

Pracovní cyklus Jednotlivé bu�ky jsou napájeny st�ídavým elektrickým nap�tím. Mezi obrazovou a pomocnou elektrodu je p�ivedeno nap�tí s amplitudou asi 200 V, které zajistí �ás-te�nou ionizaci argonu. Výboj ve vybrané bu�ce vzniká až po vložení nap�tí asi 50 V mezi datovou a obrazovou elektrodu. Po rekombinaci iont� vzniká UV zá�ení, které luminofor p�evede na viditelné sv�tlo požadované barvy. Výboj je ukon�en p�ivedením nižšího nap�tí mezi obrazovou a pomocnou elektrodu. Úrove� jasu se reguluje dobou trvání výboje v bu�ce, nikoliv amplitudou použitých nap�tí.

Plazmový displej má malou konstruk�ní hloubku, dobrou �istotu barev a velký po-zorovací úhel. Pracuje dob�e ve velkém rozsahu teplot. Ve srovnání s LCD displeji má ale menší kontrast, má životnost asi 2 roky (vakuová obrazovka pracuje spoleh-liv� aspo� 5 let) a p�íkon je také p�ekvapiv� velký – více než 200 watt�. Sp�chat s vým�nou LCD displeje za plazmový není pro�. Poznámka: zpracováno podle �lánku B�ichná�, Pavel: Plazmové technologie www.aldebaran.cz Týdeník, �. 20/2004 Literatura: Lubomír Sodomka: Fyzika kondenzovaných látek II. Adhesiv Liberec 2002 OLED displeje

Novinkou jsou displeje OLED, AMOLED a PMOLED. Zkratky znamenají Organic Light Emitting Diod, Active Matrix OLED a Passive Matrix OLED. Zá-kladem jsou svítící diody z organických polovodi��. Polymery-plasty považujeme za izolanty a teprve nedávno byly objeveny vodivé a polovodivé organické látky. V roce 2000 dostali Nobelovu cenu za chemii objevitelé vodivých polymer� - Hi-deki Shirakawa, Alan J. Heeger a Alan G. MacDiarmid. Jejich p�ínosem byl poly-acetylén oxidovaný parami jódu a tato organická slou�enina vede elektrický proud podobn� jako kovy – dochází k vedení pomocí volných elektron�. Z organických látek byly vytvo�eny polovodi�e d�rové a elektronové, diody a tranzistory, foto-�lánky i sv�tlo emitující diody. Organické LED lze vytvá�et v celé ploše displeje a spínat každou pomocí vlastního tranzistoru – to je aktivní matice, nebo spojit všechny katody jednoho sloupce diod a všechny anody jednoho �ádku diod a pak se rozsvítí dioda na k�ížení x-tého sloupce a y-tého �ádku. To je tzv. pasivní matice. První OLED TV displej pochází z roku 2007 (fy Sony) a dnes jsou nabízeny dis-pleje se zajímavými parametry: fy SAMSUNG, 17“ AMOLED TV p�ijima� s hloubkou 12 mm, p�i�emž samotný displej pouze 1,8 mm. Rozlišení 1600 x 1200 pixel�, odezva 0,01ms, jas 400 cd/m2 a kontrast 10000:1. Na snímkuje jeden z posledních typ� s úhlop�í�kou 78 cm.

13

Obr. 13 TV p�ijima� s displejem AMOLED

Polarizované sv�tlo Myšlenku vlnové podstaty sv�tla prosazoval nizozemský matematik, fyzik a as-

tronom Christian Huygens (1629-1695) [2]. Jeho pojetí známé dnes jako Huygen-s�v princip vede také k vysv�tlení odrazu a lomu sv�tla. Umož�uje pochopit ohyb a interferenci, což jsou typické jevy pro každé vln�ní. Na rozdíl od Newtonovy korpuskulární teorie je podle Huygense rychlost sv�tla v pr�hledných látkách men-ší než ve vzduchu.

M��ení rychlosti sv�tla mohlo rozhodnout mezi korpuskulární a vlnovou teorií. Astronomická m��ení byla již hotova – r. 1676, Olaf Roemer. M��ení pozemské bylo úsp�šné až v roce 1849, kdy francouzský fyzik Hippolyte Fizeau (1819-1896) [3] dovedl k úsp�chu Galileiho myšlenku p�erušovat sv�telný paprsek. Princip m�-�ení je na obr. 2. Fizeau dosp�l k hodnot� 313000 km.s-1.

14

Obr.14 Princip Fizeauova m��ení rychlosti sv�tla

O rok pozd�ji – 1850- Foucault m��il rychlost sv�tla ve vod� a potvrdil tak de-finitivn� základní Huygensovu hypotézu.

Vlnový charakter sv�tla potvrzovaly i již d�íve známé ohybové jevy. Slavným se stal experiment Thomase Younga (1773-1829) z roku 1801. Sv�tlo procházející dv�ma št�rbinami vytvo�ilo na stínítku interferen�ní obraz, jehož vysv�tlení je rela-tivn� snadné, pokud p�edpokládáme vlnový charakter sv�tla (obr.15)

Obr.15 Interference na dvojšt�rbin�

sv�telný zdroj

15

P�evahu vlnové teorie sv�tla dokládaly i výpo�ty a experimenty Augustina Jeana Fresnela (1788-1827). V první polovin� 19. století byla vlnová teorie všeobecn� p�ijata, ovšem s vazbou na hypotetický ether. Zdánliv� zbývalo jen rozhodnout, zda jde o vln�ní podélné nebo p�í�né. Pro p�í�né vln�ní bylo rozhodnuto až prací Etien-na Louise Maluse (1775-1812). Ten v roce 1809 zve�ejnil výsledky svých experi-ment� a výpo�ty, které �ešily polarizaci sv�tla odrazem. Samotný objev polarizace sv�tla pochází z roku 1808. O rok pozd�ji to byla teorie dvojlomu. [4].

Obr.16 Etienne Louis Malus

Objevitelem dvojlomu je dánský p�írodov�dec Rasmus Bartholin (1625-1698), uvád�ný též v latinizované verzi jako Erasmus Bartholinus [5]. Dvojlom pozoroval na krystalu islandského vápence a svá pozorování popsal v roce 1669. Islandský vápenec byl údajn� znám již Viking�m (9. až 11.století) a ti ho jako tzv. slune�ní kámen používali pro nalezení Slunce na zatažené obloze. Rozptýlené sv�tlo je totiž �áste�n� polarizováno, krystal poslouží jako analyzátor.

Pohled p�es krystal islandského vápence je i dnes p�ekvapivý:

16

Obr.17 Dvojlom – islandský vápenec

Na obr. 17 je z�etelné dvojí zobrazení klávesnice a �íslice posunuté vlevo dol� jsou zobrazeny mimo�ádným paprskem. Schéma pr�chodu sv�tla dvojlomným krysta-lem je na obr.18:

Obr.18 Paprsek �ádný a mimo�ádný p�i dvojlomu.

Mimo�ádný paprsek má jednu pozoruhodnou vlastnost: a�koliv na spodní st�nu krystalu dopadl kolmo, zlomil se od kolmice, prošel krystalem šikmo a na výstupu se „srovnal“ do kolmice a pokra�uje rovnob�žn� s paprskem �ádným. Polariza�ním filtrem snadno zjistíme, že v „�ádném obraze“ má sv�tlo polariza�ní rovinu kolmou k rovin� ur�ené optickou osou a sm�rem ší�ení sv�tla (rovina hlavního �ezu). Oto-

Klávesnice se zelenou LED

Paprsek �ádný Paprsek mimo�ádný

Optická osa

17

�ením polaroidu o 90° �ádný obraz mizí a z�stane obraz tvo�ený mimo�ádným pa-prskem.

Polarizovat sv�tlo lze úpln� i pouhým odrazem na sklen�né desce. Na tomto principu je založen Nörrenberg�v p�ístroj :

Obr.19 Nörrenberg�v p�ístroj Jeho autorem byl Johann Gottlieb Christian Nörrenberg (1787-1862). Od roku 1812 byl již znám Brewster�v úhel: pokud svírá paprsek odražený a lomený pravý úhel, je odražené sv�tlo lineárn� polarizováno a vektor elektrické intenzity kmitá v rovin� kolmé k rovin� dopadu. Tímto poznatkem obohatil optiku sir David Brewster v roce 1812. Polarizovat sv�tlo bylo možné i tenkými plátky n�kterých minerál� a nejznám�jší jsou patrn� tzv. turmalínové klešt�. Mezi n� vložený výbrus krystalu ukáže v temném poli pohled, charakteristický pro dvojlom ve sbíhavém svazku (obr. 20).

18

Obr.8 Turmalínové klešt�

Obr.20 Turmalínové klešt� a výbrus krystalu

Laboratorní polarizátory spíše využívají dvojlomu a jeden z paprsk� – �ádný nebo mimo�ádný je odklon�n a druhý ponechán. Nejznám�jší je patrn� nikol neboli Ni-kol�v dvojhranol- obr.9:

Obr.21 Nikol�v dvojhranol (p�evzato z Wikipedie) Autorem je skotský fyzik William Nicol (1768-1851) a dvojhranol používá od r. 1828. Dva hranoly kalcitu (islandského vápence) jsou vhodn� vybroušeny vzhle-dem k optické ose a slepeny kanadským balzámem, který má menší index lomu než kalcit. Paprsek �ádný je odklon�n do bo�ní st�ny a p�ímo pokra�uje pouze mimo-�ádný paprsek. Hranolových polarizátor� existuje celá �ada, ale jejich výroba je drahá a svazky polarizovaného sv�tla jsou omezeny velikostí hranolu. Od roku 1852 je používán k polarizaci herapatit, nesoucí jméno svého objevitele William Birda Herapatha, léka�e z Bristolu. Chemicky jde o perjodid síranu chininového (nebo též síran chininojodný). Tato krystalická látka je siln� dichroická – pohlcuje sv�tlo s výjimkou jedné polariza�ní roviny a polariza�ní filtry (polaroidy) obsahují krystaly herapatitu v matrici z pr�hledného plastu.

19

Dnes ale máme skv�lou možnost pozorovat podobné sv�telné „zázraky“ p�í-mo.Zdrojem polarizovaného sv�tla je LCD monitor po�íta�e, pak pot�ebujeme jen vhodný polaroid jako analyzátor nebo digitální fotoaparát s polariza�ním fil-trem.Obrázek 3 ukazuje trojúhelník mezi monitorem a analyzátorem, p�i�emž pola-riza�ní rovina polaroidu je kolmá k polariza�ní rovin� sv�tla:

Obr.22 Trojúhelník v tmavém poli

Pohled na trojúhelník v p�ípad� rovnob�žných polariza�ních rovin sv�tla a analyzá-toru je na obr. 4:

Obr.23 Trojúhelník ve sv�tlém poli

Polariza�ní rovina sv�tla

Polariza�ní rovina analyzátoru

Polariza�ní rovina analyzátoru

Polariza�ní rovina sv�tla