Grundlagen und Anwendung optischer Displays

bedeutet dass wir uns bei diesem Punkt nicht ganz sicher sind

Flüssigkristalle

• Entdeckung 1888 von F. Reinitzer
• 2 verschiedene Arten von Flüssigkristallen, hier aber nur die Temperatirabhängigen interessant
  • Mesophase abhängig von Temperatur
  • Mesoohase wird duch Lösungsmittel erreicht
• 2 verschiedene Schmelzpunkte
  • Daraus entsteht Mesophase
  • Flüssigkeit mit Kristallartiger Ordnung
  • Es gibt Moleküle (Zigarrenförmig) die je nach Temperatur mehr oder weniger geordnet sind
  • diese Moleküle sind Polar und lassen sich durch E-Feld ausrichten
• Phasen der Flüssigkristalle (nach Temperatur aufsteigend)
  • kristallin
  • Mesophasen
    • smektisch (A-K)
      • Moleküle sind alle gleich gerichtet und in festen Ebenen angeordnet
      • Moleküle stehen orthogonal auf den Ebenen
    • nematisch
      • Moleküle zeigen im Mittel in die gleiche Richtung (Direktor) haben aber keine feste Ebenen
    • cholestrisch
      • Moleküle sind in Ebenen angeordnet und liegen in diesen Ebenen

      • die einzelnen ebenen sind zu einander verdreht -> Helix

  • flüssig
• anisotrope Eigenschaften wie Doppelbrechnung
  • Doppelbrechung bedeutet, dass ein Material unterschiedliche Brechungsindiezes für verschiedene Polarisationsebenen hat (paralell und ohrthogonal zur optischen Achse)
    • ordentlicher Strahl ist paralell zur optischen Achse polarisiert
    • außerordentlicher Strahl ist orhtogonal zur optischen Achse polarisiert und erfährt eine Brechung auch wenn der Strahl senkrecht in den Kristall eintritt.
• 2 Typen von Flüssigkristallen
  • P-Typ
    • sind entlang der Längsachse elektrisch leitfähig
    • dadurch sind sie Polar und richten sich im E-Feld paralell zu diesem aus.
    • passiert wenn zwischen den Atomen Doppelbindungen sind
  • N-Typ
    • richten sich orthogonal zum E-Feld aus
    • sind entlang der Längsachse nicht Leitfähig, da nur Einzelbindungen
    • die Polarität wird durch andocken von polaren Molekülen in der Querachse erzielt

Verschiedene Arten von LC-Displays

Aufbau

• ist der Flüssigkristall in Kammern für jedes Pixel untergebracht oder ist es eine Schicht für das ganze Display?

Typen

• Guest-Host-Zelle
  • In den Flüssigkristall eingebrachter Farbstoff richtet sich mit dem Flüssigkristall aus und ergibt in abgeschattetem Zustand farbiges Licht. In nicht abgeschattetem, also nicht bestromten Zustand, wirkt das Display weiss.
  • Farbstoff nicht stabil
• DSM-Zelle (Dynamic Scattering Mode, Heilmeier-Zelle)1968 in den USA
  • Zelle ist entweder klar oder milchig weiss
• TN-Zelle
  • Flüssigkristall in nematischer Phase
  • P-Typ bei allen *TN Displays
  • Flüssigkristall zwischen 2 Folien mit Vorzugsrichtung (gebürstet)
  • Vorzugsrichtungen um 90° verdreht
  • Moleküle ordnen sich als Helix an
  • Polariastionsfilter auf beiden Seiten
  • Polarisiertes Licht wird entlang der Helix gedreht
  • wenn ein Elektrisches Feld angelegt wird richten sich die Moleküle entlang des Feldes aus und lassen das Licht durch
  • abhängig von der Lage der der Polfilter kommt das Licht entweder im Aktiven oder Passiven Zustand durch
  • Kontrast 3:1
    • der schlechte Kontrast ergibt sich aus der Tatsache dass das licht diffus durch die Zelle dringt.
    • Bei Projektoren die mit Kollimiertem Licht bestrahlt werden ist der Kontrast erheblich besser.
• STN
  • Der Flüssigkristall bildet eine Helix von 180° bis 270° aus, statt den beim TN-Display üblichen 90°.
  • Das Ansprechverhalten des Flüssigkristalls über der Ansteuerspannung - die elektro-optische Kennlinie - wird steiler.
    • Wie schafft man es, dass sich die Helix um 270° statt -90° dreht?
      • über Fremdmoleküle, die bestimmte Eigenschaften oder Vorzugsrichtungen haben.
  • Der Kontrast konnte auf 7:1 gesteigert werden.
    • Warum ist das so?
      • durch die stärkere Drehung werden auch Lichtstrahlen die schräger eintreten auf die gewünschte Phase gedreht.

      • Bei Projektoren spielt dies keine Rolle. -> TN-Panels

  • Dunkelzustände fallen bläulich aus, Hellzustände gelblich. Das Display lebt vom Farbunterschie,d nicht vom Helligkeitsunterschied.
  • Durch die steilere elektro-optische Kennlinie wird eine erhöhte Multiplexbarkeit erzielt
    • Warum ist das so? Wenn die e-o-Kennlinie steiler wird, ist es doch schwerer, eine definierte Spannung einzuprägen, die dann zu einem bestimmten Grauton führt?
      • Die Graustufe wird über die Einschaltzeit bestimmt. eine Steilere Kennlinie führt zu abrubterem ausschaltverhalten. Das ist gut.
• DSTN
  • Double-Super-Twisted-Nematic
  • Die Drehung der Helix wird mit einer zweiten Flüssigkristallschicht wieder rückgängig gemacht. Dadurch werden auch die Farbverschiebungen ausgeglichen.

    • Die Drehung kann doch nur dann ausgeglichen werden, wenn an keiner der beiden Flüssigkristallschichten Spannung anliegt. In dem Fall, dass Spannung anliegt, wird das Licht nur einmal gedreht und es entsteht durch Doppelbrechung wieder Farbverschiebung?! ->Wikipedia ist hier etwas diffus...

      • Die Zauberei liegt wohl in den Folien die "scheiß teuer" sind.
  • Kontrast kann durch Anpassen des zweiten Polfilters auf 15:1 gesteigert werden.
• TSTN
  • TSTN-Zellen wurden kommerziell wohl nur als FSTN-Zellen gebaut
  • Kontrast steigert sich auf 18:1
  • Kosten werden deutlich reduziert
  • Gewicht wird deutlich reduziert
  • Dadurch wird mit der TSTN-Technik der Markt für mobile Anwendungen erobert.
• FSTN
  • Film-(Super-)Twisted-Nematic
  • Statt der zweiten Kristallschicht werden eine oder mehrere Folien mit den gleichen Eigenschaften eingebracht.
• MVA / PVA
  • Warum baut man die Mulit-Domains
    • In den verschiedenen Bereichen wird der Untergrund in verschiedenen Winkeln verkippt.
    • Dadurch wird der Blickwinkel besser.
  • Was wird dadurch besser
    • Der Blickwinkel und der Weltfrieden.
• IPS

Beleuchtung

• reflektiv
  • Einfallendes Licht wird hinter dem Display reflektiert.
  • Vorteile
    • weniger Stromverbrauch
    • einfacher im Aufbau
  • Nachteile
    • Parallaxenproblem
    • Schattenbilder
    • Color shut-off (falsche Farbdarstellung bei schrägem Betrachtungswinkel)
• transmissiv
  • reflektiert optimalerweise kein Umgebungslicht
  • benötigt hintergrundbeleuchtung
  • ist auch im Dunkeln lesbar
• transflektiv
  • Kombination aus 1 und 2
• Uebergang zu Projektoren und LCoS

Ansteuerung

• Einzelsegmente
  • Vorteile
    • hoher Kontrast
  • Nachteile
    • viele Ansteuerleitungen benötigt
    • teuer
    • bei großen Displays nicht möglich, da mehrere Millionen I/O's benötigt würden.
• Passiv Matrix
  • Induktivität von Ansteuerleitungen
  • Langsame Flüssigkristalle erforderlich
  • Nachteile
    • Übersprechen (cross-talk)
    • langsam
  • Vorteile
    • billig
  • Berechnung der Spannungspegel
    • Selektion der Zeilen mit einem Impuls S
    • Pixelinformation über die Spannung an den Zeilen +D, -D
    • 1:3

    • Alt&Plesko

      • haben festgestellt, dass man den Kontrast durch das Spannungsverhältnis beeinflussen kann
• Aktiv Matrix
  • Amorphes Silizium
  • Polykristallines Silizium
  • Transistorgrößer bestimmt die maximal Flächenauflösung
  • Gleichspannungsfreie Ansteuerung wir erreicht indem pro Frame das bild einmal mit positiver Spannung und einmal mit negativer Spannung erzeugt wird. Alternativ kann auch das Massepotential auf die halbe versorgungsspannung gelegt werden. Bei LCoS wird mit Symetirischer Spannung und 2 Transistoren pro Pixel gearbeitet.
  • TFT
    • Aus Platzgründen ist der Kondensator an der nächsten Spalte angeschlossen
    • Dass dabei die Spannung für 1/N der Zeit einen falschen Wert annimmt ist wohl egal
    • Graustufen-Ansteuerung der Pixel wir über die Zeit gemacht
      • Der Kondensator wird auf eine bestimmte Spannung geladen so dass die Zelle für eine definierte Zeit eingeschaltet bleibt
      • Steile e-o-Kennlinie erwünscht, da die Zelle dann abrubt abschaltet.

Anwendung in Projektoren

• LCD
  • 1 Chip
    • Farbrad
      • nicht möglich
      • Farbrad dreht mit ca. 10000RPM, damit der Regenbogeneffekt minimiert wird
      • LCD viel zu Langsam
      • Das Panel muss bei einem Schwarzen Bild ohnehin die ganze Wärme absorbieren, also kein Vorteil beim Farbrad
    • Farbfilter auf dem Panel wird verwendet
  • 2 Chip
    • währe theoretisch denkbar, ist in der Praxis aber zu aufwändig
    • siehe 3 Chip
  • 3 Chip
    • Inteferenzfilter zur trennung der Farben
  • Rückpro vs. Aufpro
  • Polarisation
    • Brewsterwinkel
    • Polfilter
• LCoS
  • Monokristallines Silizium, super schnell
    • Transistoren sind schneller weil die Leitfähigkeit und Ladungsträgerbeweglichkeit größer ist.
  • CMOS-Schaltung mit 2 komplementären Transistoren pro Pixel. Ansonsten Aufbau wie bei TFT
  • Super Wärmeabfuhr
  • Super klein, da Transistor hinter dem Flüssigkristall sitzt
  • 1 Chip
    • Farbrad
    • Prismen

Fragen

• Warum schafft man nun Kontraste von 50000:1?

  • Kontraste sind Intensitätskontraste (quadrierte Feldstärke)
  • Kompensationsfolien tragen sehr viel zum Kontrast und Blickwinkel bei

• Wie schafft man die Gleichspannungsfreie Ansteuerung bei AMLCDs?

• Warum ist der Speicherkondensator bei TFT-Displays an der nächsten Zeile angeschlossen?

  • Welche elektrischen Auswirkungen hat das ganze?
  • Wie begegnet man dem Spannungs-Peak beim Ansteuern der nächsten Zeile?

• Welche Phase wird in TN-Displays verwendet?

  • nematisch
  • cholestrisch
  • chiral nematisch

Links