صفحه نمایش تلویزیون چطور کار می‌کند؟

ساختار پنل تلویزیون و نمایشگرها

۱- نور پس زمینه

هنگام سرهم کردن پنل، اولین قطعه‌ای که در سینی پنل قرار می‌گیرد، نور پس زمینه (بکلایت) است. در نسل‌های اولیه‌ی نمایشگرها، از لامپ‌های مهتابی CCFL برای تولید نور استفاده می‌شد. مصرف برق، گرمای تولید شده و وزن زیاد از مهم‌ترین مشکلات این لامپ‌ها بود. امروزه از چند ردیف LED برای تولید نور استفاده می‌کنند. LED بسیار کم‌مصرف‌تر از CCFL است و طول عمر بیشتری دارد. این چراغ‌ها، تنها منابع نوری در نمایشگرهای LCD هستند. در واقع منبع نوری که باعث روشنایی صفحه می‌شود، نور پس زمینه است.

۲- سیستم نوری

برای یکدست کردن نور پس زمینه، از چند لایه‌ی طلقی و کاغذی استفاده می‌شود. نور مهتابی و ال‌ای‌دی، با برخورد و گذر از این لایه، در سطح پنل به صورت یکدست پخش می‌شود.

۳- ساندویچ شیشه ای

تا این مرحله، نوری یکدست در سطح پنل داریم. برای تغییر شدت نور در هر نقطه، از یک مجموعه‌ی شیشه‌ای استفاده می‌کنیم. این مجموعه (ساندویچ) از دو صفحه‌ شیشه همراه با فیلتر و TFT و کریستال‌مایع بین آنها تشکیل شده‌است. در ادامه به تشریح این اجزا می‌پردازیم.

۴- فیلتر پلاریزه

ابتدا بهتر است مفهوم پلاریزه را توضیح دهیم. یکی از مشخصه‌های امواج الکترومغناطیسی (مانند نوری که می‌بینیم)، قطبش آن‌ها است. قطبش یا پلاریته، جهت و نوع نوسان میدان الکتریکی در نور است. در حالت عادی نوری که از منابع مختلف تولید می‌شود، پلاریزه نیست و پرتوهای آن دارای چند نوع قطبش هستند. به نوری که پرتوهای آن تنها یک نوع پلاریته دارند، نور پلاریزه شده می‌گویند. فیلتر‌های پلاریزه، فیلترهایی هستند که تنها به نوری با قطبش معین اجازه‌ی عبور می‌دهند. با عبور یا انعکاس نور از فیلترهای پلاریزه، پلاریته‌ی پرتوهای نور عبور کرده تنها در یک جهت خواهند بود و نور پلاریزه می‌شود.

در عقب و جلوی مجموعه‌ی شیشه‌ای نمایشگرمان، دو صفحه‌ی پلاریزه قرار گرفته‌است. فیلتر اول، نور پس‌زمینه را پلاریزه می‌کند. این نور پلاریزه شده، تنها در صورتی از فیلتر دوم عبور می‌کند که در زاویه‌ی مناسب قرار گرفته باشد. با تغییر زاویه‌ی این دو فیلتر نسبت به هم، می‌توان شدت نور خروجی را کنترل کرد.

۵- کریستال مایع

کریستال مایع، حالتی از ماده است که خواص هر دو حالت مایع و کریستال جامد را داراست. کریستال مایع مانند مایع جاری می‌شود اما ساختار مولکول‌های سازنده‌ی آن مثل کریستال است. در بعضی از این مواد می‌توان جهت‌گیری ساختارهای کریستالی را با اعمال ولتاژ تغییر داد. مهم‌ترین خاصیت کریستال‌ها، امکان تغییر مشخصه‌ی نور، به طور دقیق‌تر پلاریته‌ی نور است.

۶- فیلتر‌های رنگی (ساب‌پیکسل)

برای تولید رنگ در هر پیکسل از سه رنگ قرمز، سبز و آبی استفاده می‌شود. سطح شیشه‌ی بیرونی با فیلترهای رنگی پوشانده شده است. شدت نور در هر نقطه توسط کریستال مایع تغییر می‌کند، و با تغییر نسبت سه رنگ اصلی در هر پیکسل، می‌توانیم رنگ‌های مختلف را تولید کنیم.

۷- TFT

آخرین لایه‌ی موجود روی شیشه‌ها، لایه‌ی نازک سیم‌ها و ترانزیستور (thin-film transistor) است. این لایه شامل ترانزیستور‌ها و خطوط انتقال داده و ولتاژ بر روی شیشه است. اتصال مدار‌های تلویزیون و مانیتور با این لایه، امکان تغییر ولتاژ در هر ساب‌پیکسل را فراهم می‌کند. یک تلویزیون Full-HD حدود شش میلیون ساب‌پیکسل دارد. هر کدام از آنها جداگانه توسط شبکه‌ی سیم‌ها (TFT) کنترل می‌شوند.

۸- اتصالات پنل به برد

نحوه‌ی کارکرد پنل

گفتیم پنل تلویزیون از دو صفحه‌ی شیشه‌ای تشکیل شده‌است. روی شیشه فیلتر پلاریزه، TFT و فیلترهای رنگی قرار می‌گیرد. بین این صفحات توسط گلوله‌های کوچک شیشه‌ای به قطر حدودا ۵ میکرون فاصله ایجاد می‌شود تا بین دو صفحه کریستال مایع قرار بگیرد. لایه‌ی TFT با تغییر ولتاژ در محدوده‌ی هر ساب‌پیکسل، جهت کریستال‌ها را تغییر می‌دهد. در نتیجه‌ی چرخش کریستال‌ها، جهت قطبش نور عبوری از آن نیز تغییر می‌کند. اگر قطبش نور بعد از عبور از کریستال هم‌جهت فیلتر پلاریزه باشد، از آن عبور می‌کند (حداکثر روشنایی). اگر عمود بر فیلتر باشد، نوری از فیلتر نمی‌گذرد و به بیرون نمی‌رسد (تاریک شدن تصویر). بین این دو حالت، سایه‌های مختلف خاکستری تولید می‌شود. به این ترتیب برای تغییر نور در هر نقطه، کافی‌ست با اعمال ولتاژ مناسب، پلاریته‌ی نور را توسط کریستال مایع تغییر دهیم.

به زبان ساده‌ تصویر به این شکل تولید می‌شود:

• ساب‌پیکسل‌ها رنگ نور را به یکی از سه رنگ اصلی تغییر می‌دهند.
• شدت نور در هر نقطه نیز توسط کریستال مایع به کمک فیلتر پلاریزه و لایه‌ی TFT تغییر می‌کند.
• در نتیجه در هر پیکسل (متشکل از سه ساب‌پیکسل سبز-آبی-قرمز) می‌توان با ترکیب سه رنگ اصلی با شدت روشنایی مختلف، رنگ‌های متفاوت را تولید کرد.
• از کنار هم قرار گرفتن پیکسل‌ها، تصویر تشکیل می‌شود.

تکنولوژی‌های پنل تلویزیون و نمایشگرهای کریستال مایع

شاید هنگام خرید تلویزیون و مانیتور به اصطلاحاتی مانند پنل TN، پنل IPS و یا نمایشگر OLED و QLED و Quantum Dot برخورد کرده باشید. این اصطلاحات، بیانگر تکنولوژی به کار رفته در ساخت صفحه‌ نمایش تلویزیون و مانیتور است. هر فناوری نقاط ضعف و قدرت خود را دارد. در اینجا به برخی از انواع فناوری‌ها اشاره می‌کنیم.

·         TN

ظهور تکنولوژی  TNمهم‌ترین قدم در فراگیر شدن LCD ‌ها بود. این فناوری که در اولین نمایشگر‌های LCDاستفاده شده، به دلیل هزینه‌ی پایین تولید، همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرد. پنل‌های TN برتری‌های زیادی در مقایسه با تلویزیون‌ها و مانیتور‌های CRT  دارند. وزن کمتر، هزینه‌ی تولید پایین‌تر، مصرف انرژی کمتر، نازک‌تر بودن، وضوح بالاتر تصاویر، رزولوشن بالاتر و تنوع بیشتر در اندازه، از برتری‌های پنل TN در مقایسه با نمایشگرهای CRT است. با این حال این فناوری کاستی‌هایی هم دارد. زاویه دید محدود، عدم توازن و یکدستی در نور پس زمینه و پیکسل ثابت/مرده از جمله مشکلات TN است.

در مقایسه با دیگر پنل‌های LCDهم رنگ‌های TN مرده هستند و زاویه دید بسیار پایین‌تری دارند. برای رفع این مشکل تکنولوژی‌‌های جدیدتری ساخته شدند.

·         IPS

تکنولوژی IPS حاصل تلاش برای رفع کاستی‌های پنل‌های TN و بهبود کیفیت تصاویر است. پنل‌های IPS نسبت به TN زاویه‌ی دید بالاتری دارند. علاوه بر این، پنل‌های IPS رنگ‌های بیشتری تولید می‌کنند و کنتراست بالاتری دارند. به این دلایل، تصویر این پنل‌ها زنده‌تر و جذاب‌تر بنظر می‌آید. اما از آنجا که هیچ فناوری‌ای بی‌نقص نیست،IPS  هم نسبت به TN کاستی‌هایی دارد. زمان پاسخگویی طولانی‌تر پیکسل‌ها در IPS نسبت بهTN، هزینه‌ی بالاتر ساخت، مصرف انرژی بیشتر و فریم ریت پایین‌تر، مهم‌ترین کاستی‌های پنل‌های IPS در مقایسه با TN است. البته با گذشت زمان، نسخه‌های بهبود یافته‌ی تکنولوژی IPS، مانند S-IPS و H-IPS  بسیاری از این مشکلات را حل کرده‌اند.

·         VA

پنل‌های VA، پلی بین TN و IPS هستند. VA به عنوان راه‌حلی برای ادغام برتری‌های IPSیعنی زاویه دید بالا و رنگ‌های جذاب و برتری‌های TN یعنی هزینه تولید پایین و فریم ریت‌های بالا معرفی شد. پنل‌های VA غالبا کنتراست بالاتری نسبت به دیگر پنل‌های LCD  دارند. بزرگ‌ترین مشکل این فناوری، سرعت پایین پاسخگویی پیکسل‌ها است.

جمع بندی
اکثر تلویزیون‌ها و مانیتورها و نمایشگرهای امروزی، از نوع IPS هستند. تکنولوژی‌های جدیدتر مانند OLEDاز کریستال مایع برای کنترل نور و رنگ استفاده نمی‌کنند. هر تکنولوژی پنل، برتری‌ها و کاستی‌هایی نسبت به انتخاب‌های دیگر دارد.