Принцип работы ЖК-экранов

Вы точно имели дело с жидкокристаллическими экранами в своей жизни. Сейчас они встречаются в любой области деятельности человека.

Знаете ли вы, что вообще такое «жидкие кристаллы» и какой физический принцип лежит в основе работы таких экранов?

Сразу дам спойлер: они используют поляризацию волн видимого света. Поляризация — это ограничение колебаний (волн) какой-либо плоскостью (линейная поляризация). Бывает ещё круговая поляризация, но её я сегодня объяснять не стану.

Если объяснять на примере механических волн, то подойдёт такой пример:

На картинке есть натянутый шнур с двумя бусинами. В правом нижнем углу находится источник волн, который заставляет шнур совершать круговые колебания. Бусина в нижней части картинки описывает траекторию этих колебаний — эллипс.

В середине находится наш поляризатор — узкая щель, ограничивающая колебания шнура горизонтальной плоскостью. Бусина в верхней части картинки показывает линейную траекторию колебаний. Поляризатор так же является фильтром, ведь вертикальные колебания сквозь него не проходят.

А теперь слайды:

Многие вещества в природе поляризуют свет при пропускании или отражении: вода, листья, кожа и даже сам воздух.

Но кроме непосредственно поляризации падающего света, такие фильтры могут и немного «поворачивать» плоскость поляризации, если плоскость поляризации фильтра не перпендикулярна плоскости поляризации падающего света.

Покажу на примере двух линейных светофильтров.

Если расположить их друг над другом так, чтобы плоскости поляризации совпадали, то свет проходит сквозь оба фильтра:

Повернём один из фильтров на 90 градусов в любую сторону, чтобы плоскости поляризации стали перпендикулярны и фильтры будут блокировать весь проходящий сквозь них свет:

Теперь повернём один из фильтров так, чтобы угол между плоскостями поляризации стал равен примерно 45 градусам:

Ослабленный световой поток проходит сквозь фильтры, а не блокируется полностью. Происходит это именно потому, что один фильтр меняет плоскость поляризации проходящего через другой фильтр света.

А что, если у нас будет вещество в виде слоёного кристалла, каждый следующий слой которого меняет поляризацию проходящего через предыдущий слой света?

Такие вещества и относят к жидким кристаллам: они поляризуют проходящий сквозь них световой поток и при этом могут менять положение поляризующих частиц внутри себя.

Рассмотрим самый простой тип ЖК-сегмента с типом TN — twisted nematic, скрученный нематик, где нематик значит буквально «нитеобразный»:

Сегменты покрыты с двух сторон обычными линейными поляризаторами в виде плёнки и их плоскости поляризации перпендикулярны (блокируют световой поток).

В неактивном сегменте (без подачи электрического тока) частицы жидкого кристалла расположены равномерными слоями так, что поляризация каждого следующего слоя немного повёрнута относительно предыдущего, а угол между первым и последним слоем составляет 90 градусов. В этом случае жидкий кристалл «поворачивает» плоскость поляризации внутри себя почти без ослабления светового потока и свет проходит через перпендикулярные линейные поляризаторы.

При активации сегмента все его частицы выравниваются линейно в направлении протекания электрического тока, ЖК перестаёт поворачивать плоскость поляризации и свет не проходит через передний и задний поляризаторы экрана.

Я собрал небольшой макет для демонстрации этого эффекта (конечно я собрал его не для вас, а для школьного проекта):

Позади всего (жёлтый) установлен источник света, имитирующий подсветку ЖК, два светофильтра с перпендикулярной друг другу поляризацией (чёрные) и три сегмента, меняющие поляризацию от 0 градусов до 22.5, 45, 67.5 градусов относительно заднего светофильтра.

Вот так сегмент неактивен и пропускает световой поток:

Сегмент активен и блокирует (почти) весь световой поток:

И все положения с промежуточными значениями яркости, которые в ЖК получают изменением электрического напряжения на электродах сегмента:

На этом всё. Надеюсь, вы узнали для себя что-то полезное.

Ставьте лайки, подписывайтесь на канал и всё такое.