فهم تقنية LCD: ما هي وظيفة شاشة LCD؟

شاشات الكريستال السائل (LCD) أو شاشات الكريستال السائل منتشرة في كل مكان في عالمنا الحديث، من شاشات هواتفنا الذكية إلى أجهزة التلفاز ذات الشاشات الكبيرة. ولكن ما هي شاشات الكريستال السائل بالضبط وكيف تعمل؟ تقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة على تقنية شاشات الكريستال السائل، وتستكشف مبادئها الأساسية وأنواعها المختلفة ومكوناتها ومزاياها وعيوبها مقارنة بتقنيات العرض الأخرى مثل OLED وCRT. سواء كنت من المتحمسين للتكنولوجيا أو مجرد فضولي بشأن الشاشة التي تنظر إليها الآن، فإن هذه المقالة ستقدم شرحًا مفصلاً وعميقًا لشاشات الكريستال السائل. ستساعدك على فهم أفضل لكيفية إنشاء هذه الأجهزة للصور التي نراها على الشاشة.

1. ما هي شاشة LCD (شاشة الكريستال السائل) وكيف تختلف عن تقنيات العرض الأخرى؟

يشير مصطلح LCD إلى شاشة الكريستال السائل. وهو نوع من تقنية شاشات اللوحة المسطحة التي أصبحت شائعة بشكل لا يصدق في أجهزة مختلفة مثل الهواتف الذكية وشاشات الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون. على عكس تقنيات العرض القديمة، مثل شاشات CRT (أنبوب أشعة الكاثود) الضخمة، فإن شاشات LCD أرق بكثير وأخف وزناً وتستهلك طاقة أقل. لا تصدر شاشات LCD الضوء بنفسها؛ بدلاً من ذلك، تعتمد على الإضاءة الخلفية لإضاءة طبقة الكريستال السائل، والتي تتحكم بعد ذلك في كمية الضوء التي تمر من خلالها لإنشاء صورة. يكمن مبدأ العمل الأساسي لشاشة LCD في قدرتها على حجب الضوء أو السماح له بالمرور بشكل انتقائي، وذلك بفضل خصائص البلورات السائلة. هذا الاختلاف الأساسي في كيفية توليد الصور يميز شاشات LCD عن التقنيات مثل OLEDs، التي تستخدم الثنائيات الباعثة للضوء.

تستخدم تقنية LCD البلورات السائلة، وهي مادة لها خصائص كل من السوائل والبلورات الصلبة. تتفاعل هذه البلورات مع المجالات الكهربائية، مما يسمح لها بالتحكم في الضوء. وعلى عكس شاشة CRT، التي تصدر الضوء مباشرة، تتطلب شاشة LCD مصدر ضوء منفصل، وهو عادةً إضاءة خلفية تقع في الجزء السفلي من الشاشة. إن القدرة على التحكم في الضوء الذي يمر عبر طبقة البلورات السائلة هي ما يسمح لشاشات LCD بإنشاء صور على الشاشة. وقد جعلها هذا النوع الأكثر شيوعًا من شاشات العرض المسطحة لسنوات عديدة. كما تساهم القدرة على التحكم في كمية الضوء في كفاءتها من حيث استهلاك الطاقة، مما يوفر مزايا كبيرة مقارنة بتقنيات العرض القديمة.

2. ما هو مبدأ عمل شاشة LCD الأساسي؟

يتضمن مبدأ العمل الأساسي وراء شاشة LCD عدة خطوات رئيسية. أولاً، يوفر الضوء الخلفي مصدر الضوء للشاشة، وعادةً ما يستخدم الثنائيات الباعثة للضوء. يمر هذا الضوء الأبيض عبر مرشح استقطاب، والذي يستقطب موجات الضوء. بعد ذلك، يمر الضوء عبر طبقة البلورات السائلة، والتي تقع بين ركيزتين زجاجيتين. يمكن التلاعب بجزيئات البلورات السائلة هذه عن طريق تطبيق جهد كهربائي؛ يتم تطبيق هذا التيار الكهربائي على طبقة البلورات السائلة مما يتسبب في تغيير البلورات السائلة لمحاذاة هيكلها والالتواء. عندما لا يتم تطبيق أي جهد كهربائي، تلتوي البلورات السائلة بدرجة معينة، مما يغير اتجاه الضوء.

يمر الضوء المستقطب بعد ذلك عبر مرشح استقطاب آخر، موجه بزاوية مختلفة. تعتمد كمية الضوء التي تمر عبره على محاذاة جزيئات البلورات السائلة. عندما يتم تطبيق الجهد على بكسل، تصطف البلورات السائلة بطريقة تمنع أو تسمح للضوء بالمرور، مما يخلق مستويات مختلفة من السطوع لكل بكسل. أخيرًا، يصل الضوء الذي يمر بنجاح عبر المرشح إلى مرشح الألوان، والذي يخلق الألوان المحددة التي تظهر على الشاشة. هذه العملية المعقدة للتلاعب بالضوء من خلال طبقات البلورات السائلة هي ما يمكّن شاشة LCD من إنتاج الصور. تتحكم البلورات السائلة في كمية الضوء التي تصل في النهاية إلى المشاهد.

3. ما هي المكونات الرئيسية لشاشة LCD؟

تتكون لوحة LCD من عدة طبقات، كل منها تلعب دورًا حاسمًا في عرض الصور. أولاً، هناك وحدة الإضاءة الخلفية، والتي تتكون عادةً من الثنائيات الباعثة للضوء، والتي توفر مصدر الضوء الأولي. يمر هذا الضوء عبر موزع، مما يضمن إضاءة متساوية عبر لوحة LCD. بعد ذلك، يوجد أول مرشح استقطاب يستقطب الضوء الذي يدخل طبقة الكريستال السائل. يتكون قلب اللوحة من طبقة من الكريستال السائل محصورة بين ركيزتين زجاجيتين. تحتوي كل ركيزة زجاجية على أقطاب كهربائية لتطبيق الجهد على مناطق محددة من الكريستال السائل. هذه الطبقة من الكريستال السائل هي الجزء الأكثر أهمية في لوحة LCD.

بعد طبقة البلورات السائلة يوجد مرشح استقطاب آخر موجه بزاوية 90 درجة على المرشح الأول. ثم تأتي طبقة مرشح الألوان، والتي تتكون من ثلاث وحدات بكسل فرعية: الأحمر والأخضر والأزرق، والتي تخلق طيف الألوان الكامل عند دمجها. وأخيرًا، غالبًا ما يكون هناك غطاء زجاجي أو بلاستيكي واقٍ على مقدمة شاشة LCD. تعمل هذه المكونات المختلفة لشاشة LCD معًا للتلاعب بالضوء وإنشاء الصورة التي نراها على الشاشة. يعد التفاعل الدقيق وترتيب كل عنصر أمرًا ضروريًا لوظيفة العرض المناسبة. يحدد عدد وحدات البكسل وحجم شاشة LCD أيضًا جودتها.

4. كيف يضيء الضوء الخلفي شاشة LCD؟

الإضاءة الخلفية هي مكون أساسي لأي شاشة LCD، حيث لا تصدر البلورات السائلة الضوء بنفسها. توفر الإضاءة الخلفية مصدر الضوء الضروري من أسفل الشاشة. في البداية، تم استخدام مصابيح الفلورسنت ذات الكاثود البارد (CCFLs)، ولكن الآن أصبحت مصابيح LED (الصمامات الثنائية الباعثة للضوء) أكثر شيوعًا. تضيء الإضاءة الخلفية البلورات السائلة من الخلف حتى يمكن رؤيتها. ثم يقوم ناشر الضوء بنشر الضوء بالتساوي عبر سطح الشاشة، مما يضمن عدم وجود بقع ساطعة أو خافتة على شاشة LCD. بدون إضاءة خلفية مناسبة، لن تتمكن شاشة LCD من إنتاج صورة مرئية.

غالبًا ما يتم ترتيب الإضاءة الخلفية في مجموعة في الجزء الخلفي من شاشة LCDتوفر مصدرًا للضوء الأبيض. ينتقل هذا الضوء عبر طبقات شاشة LCD ويتم التحكم فيه بواسطة البلورات السائلة. يتم تحديد كمية الضوء التي تمر عبرها من خلال كيفية محاذاة البلورات. يمكن غالبًا تعديل الإضاءة الخلفية للتحكم في السطوع الكلي للشاشة. هذه الميزة مهمة للعرض في ظروف إضاءة مختلفة. توفر الإضاءة الخلفية الأساس لشاشة LCD لأنها تضمن إضاءة البكسل بشكل صحيح، وتكون الصورة مرئية على الشاشة.

5. ما هو الكريستال السائل وكيف يلعب دورًا حاسمًا في شاشات LCD؟

البلورات السائلة هي حالة فريدة من نوعها للمادة، حيث تظهر خصائص كل من السوائل والبلورات الصلبة. وهي عبارة عن جزيئات تتمتع بدرجة معينة من النظام، وعادة ما تكون مصطفة على طول محور معين، ولكنها يمكن أن تتدفق أيضًا مثل السوائل. في شاشات الكريستال السائل، تكون هذه الجزيئات محصورة بين طبقتين من الزجاج. يتم تغيير الطريقة التي تصطف بها هذه البلورات، وبالتالي خصائصها البصرية، بواسطة مجال كهربائي، مما يسمح بالتحكم الدقيق في الضوء. يسمح هذا المحاذاة للبلورات السائلة بالتحكم في مرور الضوء عبر اللوحة. يدور جوهر عمل شاشات الكريستال السائل حول الخصائص الفريدة لهذه الجزيئات.

إن جوهر عمل شاشات الكريستال السائل يكمن في خصائص الكريستال السائل هذه. فعندما لا يتم تطبيق أي جهد، تلتوي البلورات السائلة بطريقة تستقطب الضوء بشكل مختلف، وبالتالي، تمر كميات مختلفة من الضوء عبر مرشح الاستقطاب الثاني. وعندما يتم تطبيق الجهد، تصطف البلورات السائلة بشكل مختلف، وبالتالي تتغير طريقة مرور موجات الضوء. وهذه الآلية هي الأساس للتحكم في سطوع وحدات البكسل الفردية على الشاشة، مما يتيح إنشاء الصور. وبسبب هذه الخصائص، تلعب البلورات السائلة دورًا مركزيًا في كيفية عرض الصور. شاشات الكريستال السائل الوظيفة وكيفية إنتاج الصور على الشاشة.

6. كيف تعمل مرشحات الألوان في شاشة LCD؟

مرشحات الألوان هي عنصر أساسي في شاشة LCDتتميز شاشة LCD بمرشحات ألوان متعددة، مما يمكنها من إنتاج طيف كامل من الألوان. تتكون هذه المرشحات اللونية من وحدات بكسل فرعية صغيرة حمراء وخضراء وزرقاء مرتبة في نمط دقيق. تتكون كل وحدة بكسل على شاشة LCD في الواقع من هذه الوحدات الفرعية الثلاثة، ومن خلال التحكم في كمية الضوء التي تمر عبر كل وحدة بكسل فرعية من هذه الوحدات الفرعية، يمكن إنتاج مجموعة واسعة من الألوان. عندما يمر الضوء الأبيض عبر هذه المرشحات، يتم امتصاص أطوال موجية معينة، بينما يتم نقل أطوال موجية أخرى، مما ينتج عنه ضوء أحمر أو أخضر أو أزرق.

إن الجمع بين كثافات متفاوتة من الضوء الأحمر والأخضر والأزرق يسمح لشاشة LCD بإنشاء مجموعة كاملة من الألوان التي يتم عرضها على الشاشة. يتم تحديد التحكم في الضوء من خلال محاذاة البلورات السائلة. يمر الضوء من الإضاءة الخلفية عبر البلورات السائلة، والتي تتلاعب بكمية الضوء التي يمكن أن تنتقل من خلالها. ثم يمر هذا الضوء المتلاعب به عبر مرشح الألوان. تدرك العين البشرية مزيج هذه البكسلات الفرعية كلون واحد، مما يسمح بألوان عرض غنية ومتنوعة للغاية. وبالتالي تلعب مرشحات الألوان دورًا رئيسيًا في جودة صورة الشاشة.

7. ما هي أنواع شاشات LCD المختلفة (TN، IPS، VA) والاختلافات الرئيسية بينها؟

هناك عدة أنواع مختلفة من شاشات LCD، وأكثرها شيوعًا هي الشاشات الملتوية النيماتيكية (TN)، والشاشات ذات التبديل داخل المستوى (IPS)، والشاشات ذات المحاذاة الرأسية (VA). يستخدم كل نوع من هذه الأنواع من شاشات LCD البلورات السائلة ولكنه يرتبها ويتحكم فيها بشكل مختلف، مما يؤدي إلى خصائص أداء متفاوتة. تعد شاشات TN أقدم وأرخص أنواع شاشات LCD وتوفر وقت استجابة سريعًا وهو أمر رائع للألعاب والصور سريعة الحركة. ومع ذلك، فإنها تعاني من زاوية عرض ضعيفة وإعادة إنتاج ألوان ضعيفة. تؤثر خصائص كلا السائلين في اتجاهات مختلفة على العرض.

من ناحية أخرى، تشتهر شاشات IPS بإعادة إنتاج الألوان المتفوقة وزاوية الرؤية الأوسع، مما يوفر صورة أكثر اتساقًا عند عرضها من زوايا مختلفة. كما تعد شاشات IPS مناسبة للمهام التي تتطلب دقة ألوان عالية مثل تصميم الرسوميات وتحرير الصور. توفر شاشات VA حلاً وسطًا بين لوحات TN و IPS، حيث توفر نسب تباين جيدة وأسود أعمق مقارنة بلوحات TN. ومع ذلك، يمكن أن يكون لها وقت استجابة أبطأ من شاشات TN وزاوية رؤية أضعف من شاشات IPS. يلخص الجدول أدناه الاختلافات الرئيسية بين هذه التقنيات:

8. LCD مقابل OLED: ما هي الاختلافات الرئيسية؟

غالبًا ما تتم مقارنة شاشات OLED (الصمام الثنائي الباعث للضوء العضوي) بشاشات LCD نظرًا لاستخدامها في أجهزة مماثلة مثل الهواتف الذكية وأجهزة التلفزيون. الفرق الأساسي بين شاشات LCD وشاشات OLED هو أن شاشات OLED تصدر ضوءها الخاص، بينما تتطلب شاشات LCD إضاءة خلفية. تستخدم شاشات OLED مركبات عضوية تصدر ضوءًا عند تطبيق تيار كهربائي، مما يوفر ألوانًا سوداء مثالية لأنه يمكن إيقاف تشغيل وحدات البكسل الفردية تمامًا. يؤدي هذا إلى نسب تباين أفضل بكثير وألوان سوداء أعمق مقارنة بشاشات LCD. غالبًا ما تتمتع شاشات OLED بوقت استجابة أسرع وزاوية عرض أوسع أيضًا.

من ناحية أخرى، تعد شاشات LCD أكثر تكلفة لإنتاجها بأحجام كبيرة ويمكنها تحقيق مستويات سطوع أعلى. كما يمكن أن تكون شاشات LCD أقل عرضة للاحتراق، وهو ما قد يكون مشكلة مع شاشات OLED. في حين توفر تقنية OLED جودة صورة فائقة في العديد من الجوانب، فإن تكلفة لوحات OLED أعلى من شاشات LCD، مما يجعل شاشات LCD الخيار الأكثر تكلفة للعديد من المستخدمين. لا تزال شاشات LCD شائعة ويتم استخدامها في أجهزة مختلفة. يلخص الجدول أدناه الاختلافات بين هاتين التقنيتين:

9. ما هي مزايا وعيوب تقنية LCD مقارنة بتقنيات العرض القديمة مثل CRT؟

بالمقارنة مع تقنيات العرض القديمة مثل شاشات CRT (أنبوب أشعة الكاثود)، توفر شاشات LCD العديد من المزايا المهمة. وأكثرها وضوحًا هو حجمها ووزنها؛ حيث إن شاشات LCD أرق وأخف وزنًا بكثير، مما يجعلها أسهل في النقل والتركيب. كما تستهلك طاقة أقل من شاشات CRT، مما يؤدي إلى انخفاض فواتير الطاقة وعمر بطارية أطول للأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية. كما توفر شاشات LCD صورة أكثر وضوحًا وإشراقًا مع إعادة إنتاج ألوان أفضل من شاشات CRT، بالإضافة إلى أنها لا تعاني من التشوه الهندسي أو الوميض أو احتراق الصورة الذي تكون شاشات CRT عرضة له. كما أن شاشات LCD مسطحة، على عكس شاشات CRT المنحنية التي تسمح بمشاهدة أوسع.

ومع ذلك، فإن تقنية LCD لها أيضًا بعض العيوب. على الرغم من التحسينات الكبيرة التي تم إجراؤها، لا تزال شاشات LCD تكافح لتحقيق نفس نسب التباين والألوان السوداء العميقة مثل OLEDs. تعاني الأنواع القديمة من شاشات LCD من زاوية عرض سيئة، مما يعني أن اللون والصورة قد يبدوان وكأنهما يتحولان عند النظر إليهما من زاوية. أيضًا، يمكن أن يكون وقت الاستجابة أبطأ من شاشات OLED. على الرغم من هذه العيوب، فإن التحسينات في تقنية LCD على مر السنين جعلتها خيارًا شائعًا لسنوات عديدة. المزايا على تقنيات العرض القديمة مثل CRT كبيرة.

10. ما هي العوامل التي تحدد جودة الصورة لشاشة LCD، مثل معدل التحديث وزمن الاستجابة وزاوية العرض؟

هناك عدة عوامل تحدد جودة الصورة الإجمالية لشاشة LCD. يشير معدل التحديث، الذي يقاس عادةً بالهرتز (Hz)، إلى عدد المرات التي تقوم فيها الشاشة بتحديث الصورة في الثانية. يؤدي معدل التحديث الأعلى إلى حركة أكثر سلاسة، وهو أمر مهم بشكل خاص للمحتوى السريع مثل ألعاب الفيديو أو أفلام الحركة. يشير وقت الاستجابة، الذي يقاس بالمللي ثانية (ms)، إلى مدى سرعة تغير البكسل من لون إلى آخر. يقلل وقت الاستجابة الأسرع من الظلال أو التشويش حول الكائنات المتحركة. هذا مهم للغاية في الألعاب أو التطبيقات الأخرى التي تتميز بصور سريعة الحركة.

تشير زاوية الرؤية، كما ناقشنا سابقًا، إلى مدى ابتعاد المشاهد عن المحور قبل أن تبدأ الألوان والصورة في التدهور. توفر شاشة LCD ذات زاوية الرؤية الأوسع صورة متسقة حتى عند مشاهدتها من الجانب. تساهم عوامل أخرى أيضًا في جودة الصورة، مثل السطوع ونسب التباين ودقة الألوان. تعني الشاشة ذات الدقة الأعلى أيضًا صورًا أكثر تفصيلاً ووضوحًا. تؤثر كل هذه العوامل مجتمعة بشكل كبير على تجربة المشاهدة الإجمالية. يضمن التوازن بين كل هذه العوامل جودة صورة مثالية على شاشة LCD.

النقاط الرئيسية

فيما يلي 10 أشياء مهمة يجب تذكرها حول تقنية LCD:

• شاشات LCD هي شاشات مسطحة تستخدم البلورات السائلة للتحكم في الضوء.
• إنها لا تصدر الضوء بذاتها بل تعتمد على الإضاءة الخلفية.
• مبدأ العمل الأساسي هو السماح للضوء بالمرور عبر البلورات السائلة أو منعه بشكل انتقائي باستخدام الجهد الكهربي.
• تشتمل المكونات الرئيسية على الإضاءة الخلفية، وفلتر الاستقطاب، وطبقة الكريستال السائل، وفلتر الألوان.
• هناك عدة أنواع من شاشات LCD: TN، و IPS، و VA.
• تتمتع شاشة TN بأوقات استجابة سريعة، ولكن زاوية الرؤية ضعيفة؛ في حين تتميز شاشة IPS بإعادة إنتاج الألوان بشكل جيد، وزاوية الرؤية أوسع.
• بالمقارنة مع شاشات CRT، فإن شاشات LCD أرق وأخف وزناً وتستهلك طاقة أقل.
• توفر شاشات LCD العديد من المزايا ولكنها لا تزال غير قادرة على مطابقة مستويات التباين والسواد الموجودة في شاشات OLED.
• تؤثر عوامل مثل معدل التحديث ووقت الاستجابة وزاوية المشاهدة على جودة الصورة.
• في حين توفر شاشات OLED جودة صورة أفضل، تظل شاشات LCD شائعة بسبب فعاليتها من حيث التكلفة وسطوعها العالي.