نظرة عامة
LCD هى اختصار لجمة Liquid-Crystal Display وتعنى شاشة الكرستال السائل .
الكرستال السائل هو مادة فى موضع ما بين الحالة السائلة والحالة الصلبة ، يستخدم الكرستال السائل فى هذه النوعية من الشاشات لتغير اتجاه اسقتطاب الضوء عند تعريضة لتيار كهربائى .
يعتبر الناس شاشات الـ LCD هى تطوير لتكنولوجيا الشاشات الزجاجية القديمة والمعروفة باسم CRT - اختصاراً لـ Cathode Ray Tube ، ولكن فى الواقع الكرستال السائل تم اكتشافة واستخدامة من قبل ، فالاله الحاسبة الصغيرة والموجودة قبل انتشار اجهزة الكمبيوتر الحالية ، تعرض نتائجها على شاشة LCD .
الكرستال السائل لم يكن مكتشف حديثاً ، فقد تم اكتشاف الكرستال السائل لاول مرة فى عام 1988، على يد الكيميائى الاسترالى فريدريش رينيتزير Friedrich Reinitzer ، وقد تمت اول تجربة على استخدام الكرستال السائل عام 1911 بواسطة تشارليز مايجين Charles Mauguin ، وفى عام 1922 قام الفرنسى جورجس فريديل Georges Friedel بوصف البناء وخصائص الكرستال السائل وصنفها الى ثلاث اقسام مصدر ، وتوالت الابحاث سنة تلو الاخرى مصدر ، حتى ظهرت شاشات LCD للنور ، والتى انتشرت تدريجياً لتصبح ليست فقط بديلاً للشاشات الزجاجية CRT ، بل تدخل فى مجالات مختلفة ، كاشاشات المحمول ، شاشات عرض الكاميرات الرقمية ، شاشات الاجهزة الطبية ، الساعات الذكية ، الطابعات وماكينات التصوير الورقية ، شاشات ادوات القياس الهندسية الحديثة .. الخ .
فكرة عمل شاشات LCD
قبل البدء فى فهم فكرة عمل الشاشة يجب ان تعرف ما هى الصورة بالنسبة للشاشة ، الصورة تتمثل فى نقاط او مربعات صغيرة جداً لا تستطيع رؤيتها بشكل واضح لصغر حجمها حتى وان اقتربت منها بما يكفى ، هذة النقاط او المربعات تسمى Pixel ويحمل كل Pixel لون واحد فقط ، جميع الـ Pixel الموجودة فى الصورة ترتب بجانب بعضها البعض لتشكل الصورة اذا نظرت لها من مسافة مناسبة ، هذه الظاهرة تختص بعين الانسان حيث ان الانسان لن يستطيع رؤية النقاط الصغيرة اذا ابتعد عنها ، وايضا يقوم الدماغ البشرى بدمج هذه النقاط لتكوين الصورة بالدماغ . الصورة التالية توضح تكوين الصورة الاولى وهو الـ Pixel :
الشاشة عبارة عن مجموعة Pixels صغيرة جداً لن تسطيع رؤيتها الا بالتدقيق الشديد واحياناً باستخدام عدسة مكبرة ، وما تفعلة الشاشه هى وضع كل Pixel مسجل فى الصورة فى نفس المكان على Pixel الشاشة ، ومع ظهور كل الـ Pixels سترى الصورة .
وظيفة الشاشة الفعلية هى توجية ضوء بشدة معينة الى كل Pixel فى الشاشة لتضئ ، ومن ثم تتكون الصورة الضوئية التى نراها فى الشاشات ، وهذا ما يحدث فى كل انواع الشاشات سواء التى تعمل بتقنيات قديمة او حديثة .
استقطاب الضوء Light Polarization
الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية ، والموجات الكهرومغناطيسية تعنى انها عبارة عن موجة كهربائية متعامدة مع موجة مغناطيسية وفى اتجاه انتشار واحد . مصدر
لن ادخل فى تفاصيل فزيائية معقدة ، وقد نبسط المفهوم العام لاستقطاب الضوء على انه هناك موجتان متداخلتان احداهما افقية والاخرى رأسية تمثلان الضوء ، عمل المستقطب هو عبور الموجة الرأسية فقط او الموجة الافقية فقط ، الشكل التالى قد يوضح المفهوم
الصورة السابقة توضح مفهوم الاستقطاب ومستقطب الضوء ، من خلال مرور ضوء (موجات افقية ورأسية ) من خلال مستقطب للموجات الرأسية فقط ، سيسمح المستقطب بعبور الموجات الرأسية فقط - ويمنع الموجات الافقية .
تعمل شاشات الكرستال السائل LCD على مبدأ استقطاب الضوء ، عن طريق وضع مستقطبين مختلفين ، احداهما مستقطب رأسى والاخر مستقطب افقى ، بذلك سيتم حجب الضوء ، كما فى الصورة التالية :
وهنا يأتى دور الكرستال السائل ، ووظيفتة الرئيسة هو تحويل اتجاه الضوء من الاستقطاب الافقى الى الاستقطاب الرأسى ليمر الضوء ، ويتم ذلك عند تعرض الكرستال السائل الى تيار كهربى ، الصورة التالية توضح ذلك :
الصورة توضح وظيفة الكرستال السائل ، فى حال عدم وجود كهرباء سيظل الكرستال السائل على الشكل مساوى لاحد المستقطبين ، فلن يحدث اى تغيير ولن يعبر الضوء بسبب اختلاف المستقطبات ، اما فى حال مرور تيار كهربائى على الكرستال السائل يقوم بتحويل مسار الضوء ليصبح ملائم للمستقطب الاخير ويخرج الضوء ، وتختلف شدة الضوء الخارجة من الـ Pixel باختلاف نسبة مرور الضوء ، ويتم التحكم بها من خلال تغير القيمة الكهربية على الكرستال السائل .
كيف تعرض الصورة ملونة على شاشات LCD
فى الشرح السابق واضح جداً ان الضوء الخارج من كل بكسل هو ابيض فقط ، مع اختلاف شدتة ، وهذا يعنى ان الصورة المنتجة تكون أبيض وأسود فقط ، اذاً كيف تلون الصورة ؟
قبل البدء فى شرح تلوين الصورة يجب ان نتعرف على مصطلح RGB وهو اختصار لاسماء الالوان الثلاث Red , Green , Blue - (احمر - اخضر- ازرق) وعملياً معروفة باسم نظام الالوان الضوئى ، حيث تجميع الثلاث الوان بقيم مختلفة ينتج جميع الالوان التى نعرفها ، وفى حال اجتماع الثلاث الوان بقيم متساوية ينتج عن هذا الضوء الابيض .
يتم تلوين الـ Pixel من خلال وضع مرشح Filter ملون باحد الالوان الثلاثة ، ليخرج فقط موجات اللون المحدد ، كما فى الصورة التالية :
ماذا عن باقى الالوان ؟
فى الواقع البناء الحقيقى للـ Pixel الواحد يتكون من ثلاث Pixels اخرى تسمى Sub Pixel ، وكل واحد من الثلاث يحمل احد الالوان الاساسية الثلاثة RGB (الاحمر او الاخضر او الازرق) ، كما بالصورة التالية
من الشرح السابق يتضح ان شاشات الـ LCD تعمل على تحويل مسار الضوء الابيض فى كل Pixel وتلونة بأستخدام مرشحات الالوان ، ولكى يتم ذلك لابد من وجود ضوء لكل Pixel ، ويتم ذلك باستخدام لمبة فلورسينت من نوع خاص توضع اسفل او اعلى الشاشة اوفى كلا الاتجاهات على حسب الشركة المصنعة ، وتستخدم شبكة استقطاب ضوئى خلف جميع البكسلات يتم اضائتها بالكامل ، وحديثاً تم انتاج شاشات استبدلت لمبات الفلورسينت بلمبات اخرى من نوع LED لكفائتها الكهربية وشدتها ضوئها ، ويكون الشكل النهائى للـ Pixel فى الشاشة فى حال مشاهدتها بعدسة مكبرة كما فى الصورة التالية :
ستلاحظ الالوان الثلاثة (Sub Pixels) نشطة (وهذا يعنى ان ابعدنا اعيننا عنها بمسافة كافية سنراها باللون الابيض) ، والاجزاء المظلمة هى الاجزاء التى لم تتصل بالكهرباء والتى تمنع الضوء من المرور لذلك تظهر باللون الاسود .
وهذه هى طريقة عمل شاشات LCD