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.
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 nesledujete. P enos obrazu byl uskute n prvn po telegrafních linkách. První fax setrojil Alexander Bain v letech 1843-46. Zdokonalený fototelegraf a patent na n j pat í Fredericku Bakewellovi (1848). Obraz byl nakreslen nevodivým inkoustem na kovovou fólii a na p ijíma i kreslil stopu hrot na papír napušt ný roztokem ferokyanidu 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 adit 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 závislý na selénové bu ce. Mechanický systém se uplatnil naposledy ve form Nipkovova 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 (patent z r. 1907, N mecko). P ijíma em Rosingova televizního systému byla zdokonalená 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 (Zvorykin, Bellovy laborato e, USA). Co se podstatn m ní, je snímací kamera, kódování 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: zv tšeno ervený zelený modrý erný Tv obrazovka Obr. 1 Rastr TV stínítka 1
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 záících 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 zeslabí, 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 zeslabení odraz umožní sledovat obrazovku i v dob e osv tlené místnosti. maska
rušivý odraz k pozorovateli
3 svazky elektron kou ové sklo vrstva hliníku Obr. 2
ez elní st ny obrazovky
Luminofory pro barevná sv tla mohou být: ervený red (3ZnS+7CdS):Ag
zelený green
modrý blue
(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 zeminy (cer..), a další materiály. Jejich ukládání na správné místo je náro nou operací, 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 2
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 tlená místa jsou rozpustná. P es masku se vrstvy osv tlí ze sm ru, kudy budou p ilétat 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. Dopadající 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 pohasla. Na vybíjení luminiscen ní vrstvy se podílí i druhý d j - sekundární emise. Dostate 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 kuželovou 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. Zbavit 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 zapnutí 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 3
možná znáte funkci DEGAUSS – po jejím spušt ní se obraz chvíli deformuje a bliká. 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 nahoru a dol . Pr b h vychylovacích proud je p esn definován a p ibližn vypadá takto: I(t)
inný b h
zp tný b h 64
0
vlevo
t (µs)
vpravo
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 elektrony 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 obrazovky. (Všimn te si povrchu nábytkové st ny vedle televizoru!) Záporn nabité ástice obrazovka zase siln p itahuje. Jsou-li ve vzduchu záporné ionty, jsou te4
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 pokus poda í, m žeme vypo ítat pr m rnou hodnotu iontového proudu, který z obrazovky p es sondu odtéká do zem : I = nC (U1 − U 2 ) , 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 obrazovky 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
F = pS = 2028.10 −4 m 2 .105 Pa = 20280 N 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.
5
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.
smektický
nematický
cholesterický
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 využípolariza ní fólie vá polarizované sv tlo, které p i segment íslice vhodné orientaci polariza ní roviny projde, v opa ném p ípad je pohlceno. Obr..6 Struktura pasivního displeje
spole ná elektroda
Sv tlo se polarizuje p i pr chodu horní folií, projde až k zrcadlu a odráží se. Orientované molekuly kapalného kryszrcadlo sklo 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. 6
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 eh 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 také jednu stranu st íknout erným lakem na auto. Obr. 7 Polarizace Sledujme obraz displeje a otá ejme kalerné zrcadlo kulátorem na stole. Dvakrát b hem otoení o 360 stup displej tak ka zmizí a k pozorovateli dvakrát je jasn viditelný. P i odrazu od skla se sv tlo také polarizuje a pokud je již polarizováno, odráží se dob e jen tehdisplej dy, pokud polariza ní roviny souhlasí.
polariza ní fólie
segment íslice Pasivní displeje LCD nemají vlastní zdroj sv tla a dnes je vytla ují displeje osv tlené zezadu elektroluminiscen ní fólií. spole ná Obr. 8 Aktivní LCD displej elektroda Na rozdíl od pasivních displej jsou zde dv polariza ní fólie (polarizátor a analyzátor) a kapalný krystal má sklo cholesterickou strukturu. Polariza ní zdroj sv tla 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. 7
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 uvolují elektrony a se zánikem pole se znovu vracejí do obal molekul. P ebytek energie 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: krycí fólie z polyesteru
pr hledná elektroda fólie s luminoforem
dielektrikum dielektrikum
nepr hledná elektroda krycí fólie z polyesteru
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 kandel na m2 (p edstavte si sto dortových sví ek rozestavených na ploše 1 m2 ). Z konstrukce 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 innost než halogenová žárovka. Ta poskytne až 12 lm.W-1 , kdežto bílá elektroluminiscen ní fólie asi 25 lumen na watt. Barevné LCD displeje jsou špi kovým oborem zobrazovací techniky a princip 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 dopln 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 8
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.
ídící nap tí
spínací tranzistory luminiscen ní fólie
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 rozlišení je dnes p ekonáno a sou asné displeje po íta pracují s daleko v tším rozlišením: 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 obrazovkách 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 objektem 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 pole. To sta í, aby polarizované sv tlo zm nilo svou intenzitu. ídící elektrody nejsou nad a pod bu kou, nýbrž po stranách.
9
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. Mýdla se ovšem pro displeje nehodí; klasickým smektikem je paraethylazoxibenzoát 4,H-bis. Jeho strukturní vzorec zapíší chemici takto: C2H5 - OOC -
-N=NO
- COO - C2H5
( Šestiúhelníky zde znamenají benzenová jádra C6H6 ) Jako p íklad nematika uve me methylbenzyliden p-n-butylanilin se vzorcem CH3 - O -
-C=N-
- O - CH3
H Cholesterické kapaliny jsou tvo eny ješt složit jšími molekulami a jako ukázku uve me pouze cholesterylacetát: CH3 CH(CH3)(CH2)3CH(CH3)2 CH3 CH3COO
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 jako spot ebitelé se budeme zajímat také o p íkon, dobu spolehlivé funkce a další parametry. 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 10
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 velkoplošných 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 jednotlivé 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“ luminoforem, který m ní ultrafialové sv tlo výboje v argonu na barevné složky RGB ( ervené, 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 každou bu ku jeden. Datové vodi e jsou kolmé k vodi m obrazovým a pomocným.
P ední sklo Dielektrikum MgO Obrazová a pomocná elektroda Zadní sklo
Datová elektroda
Luminofor Výboj
Zadní st na
Obr.12 Složení plazmového panelu - jeden pixel RGB 11
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 áste 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 pozorovací 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 spolehliv 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. Základem 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 - Hideki Shirakawa, Alan J. Heeger a Alan G. MacDiarmid. Jejich p ínosem byl polyacetylén 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, fotolánky 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 displeje 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.
12
Obr. 13 TV p ijima s displejem AMOLED Polarizované sv tlo Myšlenku vlnové podstaty sv tla prosazoval nizozemský matematik, fyzik a astronom Christian Huygens (1629-1695) [2]. Jeho pojetí známé dnes jako Huygens 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 menší 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.
13
sv telný zdroj
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 definitivn 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 relativn snadné, pokud p edpokládáme vlnový charakter sv tla (obr.15)
Obr.15 Interference na dvojšt rbin 14
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 Etienna Louise Maluse (1775-1812). Ten v roce 1809 zve ejnil výsledky svých experiment 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:
15
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 krystalem je na obr.18: Paprsek mimo ádný
Paprsek ádný Optická osa
Klávesnice se zelenou LED
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). Oto16
ením polaroidu o 90° ádný obraz mizí a z stane obraz tvo ený mimo ádným paprskem. 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).
17
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 Nikol 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 vzhledem 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 mimoádný 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. 18
Dnes ale máme skv lou možnost pozorovat podobné sv telné „zázraky“ p ímo.Zdrojem polarizovaného sv tla je LCD monitor po íta e, pak pot ebujeme jen vhodný polaroid jako analyzátor nebo digitální fotoaparát s polariza ním filtrem.Obrázek 3 ukazuje trojúhelník mezi monitorem a analyzátorem, p i emž polariza ní rovina polaroidu je kolmá k polariza ní rovin sv tla: Polariza ní rovina sv tla
Polariza ní rovina analyzátoru
Obr.22 Trojúhelník v tmavém poli Pohled na trojúhelník v p ípad rovnob žných polariza ních rovin sv tla a analyzátoru je na obr. 4: Polariza ní rovina sv tla
Polariza ní rovina analyzátoru
Obr.23 Trojúhelník ve sv tlém poli 19
