نورهاي تصوير ساز
نويسنده: بهزاد فرخي
انواع نورهاي پس زمينه در صفحه نمايش هاي LCD
ـ لامپ هايي التهابي ( مثل لامپ هاي قديمي مورد استفاده براي روشنايي محيط )
ـ ديودهاي نوراني يا LED ها
ـ پانل هاي الکترولومينسنت Electro Luminescent ELP
-لامپ هاي فلورسنت با کاتد سرد(CCFL)
ـ لامپ هاي فلورسنت با کاتد گرم ( HCFL )
اشاره :
لامپ هاي التهابي هنگامي مورد استفاده قرار مي گيرند که نياز به نور درخشندگي بسيار بالا در نمايشگر وجود داشته باشد ، اما عمر محدود اين لامپ ها و حرارت بسيار زياد آنها سازندگان را مجبور مي کند تا در صورت نياز اين لامپ ها را با فاصله ي زياد از صفحه LCD قرار دهند .
از اين لامپ ها بيشتر در ويدئو پروژکتورها استفاده مي شود . LED با نور رنگي بيشتر در پانل هاي LCD کوچک و ارزان قيمت مورد استفاده قرار مي گيرد ، اما LED هاي سفيد رنگ در حال جايگزيني با آنها هستند . ELP ها در نمايشگرهاي بزرگتري به کار مي روند که باعث ايجاد نوري هموار در تمام سطوح صفحه نمايش مي شوند ، اما از آنجا که يک ELPبايد توسط يک مدار جريان متناوب با ولتاژ بالا تغذيه شود ، در بسياري از موارد چندان مورد توجه قرار نمي گيرد . CCFL ها بيشتر در نمايشگرهاي بزرگ مانند مانيتورهاي کامپيوتر مورد استفاده قرار مي گيرند و هميشه داراي رنگ سفيد هستند . ( تصوير دو) از پنج فناوري بالا تنها دو تاي آنها يعني LED ها و CCFL ها به صورت گسترده براي روشن کردن صفحات نمايش بزرگ تري مانند مانيتورها و تلويزيون هاي LCD مورد استفاده قرار مي گيرند که در ادامه نگاهي به اين دو فناوري خواهيم داشت و مزايا و معايب هر يک را بررسي خواهيم کرد .
فناوري CCFL
البته به دليل اينکه معمولاً اين لامپ ها در جريان متناوب قرار مي گيرند ، هر دو الکترود در يک لحظه و به صورت متناوب مي توانند هم به صورت قطب مثبت و هم به صورت قطب منفي عمل کنند . سطح داخلي کاتدهاي سرد مي تواند الکترون هاي ثانويه را در نسبتي بالاتر از واحد ( به صورت تقويت شده ) از الکترون ها و يون هاي آزاد ايجاد کند . براي شتاب دهي يون ها و رساندن آنها به سرعتي کافي و توليد الکترون هاي آزاد ، کاتدهاي مورد استفاده در لامپ هاي CCFL نياز به ولتاژهاي بالاتري نسبت HCFL دارند .
پس از اينکه يک الکترون آزاد توليد شد و به سرعت کافي رسيد ، با يک اتم در گازي که درون لامپ وجود دارد ، برخورد خواهد کرد . اگر الکترون آزاد انرژي جنبشي کافي داشته باشد ، مي تواند به لايه ي الکتروني بيروني اتم اضافه شود . اين مسئله باعث مي شود که آن الکترون خاص به صورت موقت به سطح بالاتري از انرژي برود . وضعيت اتم در سطح بالاتر انرژي ، ايستا و با ثبات نيست و براي رسيدن به ثبات مجدد ، اتم مجبور است انرژي از دست بدهد . براي کشيدن الکترون ورودي به لايه هاي پايين تر ، اين انرژي به صورت يک فوتون رها خواهد شد . پس از انتشار اين فوتون، اتم دوباره به سطح پايين تر و با ثبات تري از انرژي مي رود . بيشتر فوتون هاي رها شده از اتم هاي جيوه ( که به صورت بخار در لامپ هاي فلورسنت استفاده مي شود ) داراي طول موجي برابر با نور ماوراء بنفش هستند .
نور ماوراء بنفش براي چشم انسان قابل مشاهده نيست و در اين مرحله بايد اين نور را تبديل به نور مرئي کرد . اين کار با استفاده از مواد فلوسنت صورت مي گيرد که مي توانند در صورت دريافت فوتون هاي ماوراء بنفش ، فوتون هاي نور مرئي توليد کنند . ( تصوير سه ) يکي از دلايلي که از اين لامپ ها به صورت گسترده در نمايشگرهاي LCD استفاده مي شود ، طول عمر بالا ، نور يکنواخت توليدي و البته قيمت بسيار ارزان آنها است .
البته اين لامپ ها در زمان کار ممکن است گرم شوند و نور را به صورت يکنواخت روي نمايشگر پخش نکنند . طول عمر آنها نيز بستگي مستقيم به ميزان نوسان ولتاژي دارد که متحمل مي شوند .
لامپ هاي CCFL به طور معمول نياز به مدارهاي ولتاژ بالاي پيچيده به همراه مکانيزم هاي محدود کننده جريان دارند . اگر چه براي راه اندازي ممکن است به ولتاژهاي بالا نياز باشد ، اما بلافاصله بعد از راه اندازي و هنگامي که تيوپ شروع به گرم شدن مي کند ، مقاومت الکتريکي افت کرده و جريان عبوري از درون لامپ افزايش پيدا خواهد کرد . براي جبران اين اثر و داشتن عملکردي ثابت ، ولتاژ تغذيه بسيار کمتر از ميزان حداکثر ( Peak ) انتخاب مي شود . در تيوپ هايي که از گازهاي يونيزه استفاده مي کنند ، گاز مي تواند آنقدر گرم شود که به صورت پلاسما درآيد ، در اين حالت مقاومت الکتريکي تا حد زيادي افت خواهد داشت . در صورتي که از مدار تغذيه اي بدون محدود کننده هاي جريان استفاده شود ، کاهش مقاومت مي تواند به دليل بروز جريان بالا و توليد گرماي بيش از حد ، باعث وارد آمدن صدمات جدي به منبع تغذيه يا الکترودهاي داخل تيوپ شود .
لامپ هاي CCFL مي توانند در هنگام کار بسيار داغ شوند . در سيستم هايي که از جريان هاي متناوب استفاده مي کنند ، اما از ساختار جدا کننده آند بهره نمي برند ، کاتد همزمان به صورت آند نيزانجام وظيفه کرده و برخورد الکترون ها در اين حالت با هم مي تواند ايجاد گرما کند . برخي از لامپ هاي اين خانواده مي توانند از اين گرماي توليدي به نحو مناسبي براي ايجاد الکترون هاي بيشتر استفاده کنند . به عنوان مثال ، برخي از لامپ ها به عنوان لامپ هاي با کاتد سرد شروع به کار مي کند ، اما پس از مدتي با داغ شدن سيم هاي تنگستني که به عنوان کاتد عمل مي کنند ، به شکل لامپ هايي با کاتد گرم در مي آيند . ( تصوير چهار )
فناوري LED
نيمه رساناهاي نوع P و نوع N براي ساخت ديودها مورد استفاده قرار مي گيرند . با ترکيب اين دو نوع نيمه رسانا ، عنصري الکترونيکي توليد مي شود که جريان را از يک سو هدايت مي کند . تشريح دقيق ساختمان ديود خود به مقاله اي جداگانه نياز دارد . به همين دليل اينجا تنها به نکات کلي درباره ي ديودهاي نوراني اشاره خواهد شد . ( تصوير پنج )
در LED ها از نيمه رساناهايي استفاده مي شود که توانايي انتشار نور را دارند . در ديودهاي معمولي ، جريان مي تواند به سادگي از سمت P ( آند ) به سمت N (کاتد ) حرکت کند ، اما اين انتقال در جهت عکس ممکن نيست . حامل هاي انرژي ، الکترون ها و چاله ها ( چاله ها در حقيقت نشان دهنده نبود الکترون و داراي بار مثبت هستند ) از دو سو درون محل پيوند الکترودها که داراي سطوح ولتاژي متفاوت هستند ، سقوط مي کنند .
هنگامي که يک الکترون با يک چاله برخورد مي کند ، به سطح پايين تري از انرژي سقوط کرده و انرژي اضافي را به صورت يک فوتون آزاد مي کند . طول موج فوتون نور آزاد شده و همچنين رنگ آن بستگي به اختلاف باند انرژي آمده از پيوند P-N دارد .
در ديودهاي سيليکون يا ژرمانيومي هنگامي که الکترون ها و چاله ها با يکديگر ترکيب مي شوند ، هيچ نوري توليد نمي شود . اين مسئله به اين دليل است که انتقال هاي غير تشعشعي هيچ نوري ندارند . مواد به کار رفته در LED ها داراي يک رخنه با باند مستقيم هستند که انرژي نوري را با طول موج هايي نزديک به نور مادون قرمز يا طول موج هاي نزديک به نور ماوراء بنفش منتشر مي کند . LED هاي اوليه که از نيمه رساناهايي چون گاليوم ارسنايد توليد شده بودند ، نورهايي با طول موج مادون قرمز يا نورهاي مرئي قرمز رنگ توليد کردند . با پيشرفت درمهندسي مواد ، امکان ساخت LED هايي با طول موج هاي کوتاه تر نيز فراهم شده است .
LED ها اکنون مي توانند نورهاي مرئي را در رنگ هاي مختلف توليد کنند . LED ها هميشه از زير لايه اي از رساناهاي نوع N با الکترودي که به لايه ي نيمه رساناي نوع P متصل شده است ، تشکيل مي شوند . بسياري از LED هاي توليد شده به صورت انبوه که از ترکيب GaN/InGaN استفاده مي کنند ، داراي زير لايه اي از جنس سيليکات آلومينيوم و منيزيم هستند .
بيشتر مواد به کار رفته در توليد LED ها داراي توان بازتابي بسيار زيادي هستند ، اين مسئله باعث مي شود که بيشتر نور توليد شده به سمت بيرون بازتاب پيدا کند . ميزان نور خارج شده از LED هميشه يکي از مهم ترين مشخصاتي است که هنگام تحقيق و توسعه و نيزتوليد اين ابزارها در نظر گرفته مي شود . ( تصوير شش )
LED هاي مورد استفاده براي روشن کردن LCD ها تنها در دو نوع خاص مورد استفاده قرار مي گيرند : LED هاي سفيد رنگ و LED هاي رنگي LED.RGB هاي سفيد بيشتر در ساختمان مانيتورهاي نوت بوک و دسکتاپ به کار مي روند . البته تقريباً تمامي نمايشگرهاي موبايل هم از LED هاي سفيد استفاده مي کنند . يک LED سفيد در حقيقت داراي نوري زرد رنگ است که با استفاده از يک لايه ي فسفري به نور سفيد تبديل مي شود ، اما LED هاي RGB شامل سه نوع رنگ سبز ، آبي و قرمز هستند و مي توانند ميزان حرارت رنگي سفيد را تنظيم کنند .
RGB LED ها تنها در نمايشگرهاي گران قيمت مورد استفاده قرار مي گيرند . البته اين فناوري در حال ارزان تر شدن است و در حال حاضر برخي از مدل هاي ميان قيمت را نيز مي توان يافت که از RGB LED ها در ساختمان خود استفاده مي کنند . نمايشگرهايي که از RGB LED استفاده مي کنند ، داراي محدوده رنگي بسيار وسيعي هستند . هنگامي که از RGB LED ها استفاده مي شود مي توان نور توليد شده از آنها را با نور توليدي توسط پيکسل هاي متناظر روي LCD هماهنگ کرد و نوري را توليد کرد که با رنگ نمايش داده شده روي نمايشگر يکسان باشد .
باور کنيد يا نه LCD ها حتي هنگامي که تماماً به رنگ سفيد هستند ، حداقل 95 درصد از نور پس زمينه را سد مي کنند . LCD هاي مورد استفاده در نمايشگرهاي بزرگ تاپيش از اين تماماً از CCFL استفاده مي کردند و استفاده از LED به عنوان روشن کننده هاي پس زمينه در آنها کاملاً جديد است .
البته از LED ها پيش از اين براي روشن کردن صفحات نمايش کوچک تر مانند آنچه در تلفن هاي موبايل وجود دارد ، استفاده مي شد ، اما اولين نمايشگرهاي بزرگ با استفاده از نور پس زمينه LED ، تنها مدت کمي است که وارد بازار شده اند .
به همين دليل در حال حاضر نمايشگرهايي که از نور پس زمينه LED استفاده مي کنند ، بسيار گران قيمت تر از انواع CCFL هستند . در بسياري از موارد قيمت آنها بين دو تا چندين برابر گران تر است ، اما به جزء اين عيب بزرگ ، نمايشگرهاي با LED داراي مزاياي بي شماري نيز هستند . يکي از مهم ترين مزايا ، باريکي آنها است . با استفاده از LED ها مي توان نمايشگرهاي LCD بسيار باريک توليد کرد و علاوه بر اين ، آنها سبک وزن تر هم هستند . اين مسئله مي تواند به خصوص در نمايشگرهاي مورد استفاده در نوت بوک ها به صورت يک مزيت عمده درآيد و حتي هزينه هاي اضافه را نيز توجيه کند ، اما براي خريد تلويزيون هاي با نور پس زمينه LED ، کاربران به محرک هاي بيشتري نياز دارند . محرک هايي مانند کيفيت بالاتر تصوير . ( تصوير هفت )
در زمينه ي مصرف توان ، اوضاع اندکي متفاوت است . بر خلاف آنچه که در ابتدا ممکن است به نظر بيايد ، نمايشگرهايي که از LED استفاده مي کنند ، توان بيشتري را نسبت به نمايشگرهاي CCFL مصرف مي کنند .
علاوه بر اين ، حرارت توليدي توسط آنها نيز بيشتر است . حرارت مسئله بسيار مهمي در ابزارهاي الکتريکي است و هنگامي که درباره ي ابزارهاي الکترونيکي قابل حمل صحبت مي کنيم ، حتي مهم تر هم به نظر مي رسد ، زيرا در اين گونه ابزارها همه چيز به صورت بسيار فشرده در کنار هم بسته بندي شده اند و در صورتي که بتوانيم تعداد LED هاي فعال را با توجه به تصاوير به نمايش درآمده تغيير دهيم ، اوضاع تا حد زيادي فرق خواهد کرد .
به عنوان مثال ، مي توان LED هاي موجود در قسمت تيره تصوير را کم نورتر يا حتي خاموش کرد . در اين حالت مي توان هم مصرف توان را کاهش داد و آن را به ميزاني کمتر از آنچه نمايشگرهاي CCFL مورد استفاده قرار مي دهند ، رساند و هم به ميزان زيادي از حرارت توليدي کاست . اين حالت مي تواند حتي مزاياي ديگري چون عمر باتري بيشتر و امکان استفاده از باتري هاي کوچک تر و سبک تر را نيز به وجود بياورد .
يکي ديگر از مزاياي غير قابل انکار LED ها ، روشنايي بيشتر آنها است . نمايشگرهاي LCD LED داراي تصاوير بسيار درخشان تر هستند .
طبق اطلاعاتي که از سوي سازندگان مختلف منتشر شده است ، اين نمايشگرها مي توانند تا 36 درصد روشن تر از نمايشگرهاي LCD CCFL باشند .
ميزان روشنايي متوسط نمايشگرهاي LCD LED حدود 300 cd / M2 است ، در حالي که حداکثر درخشندگي نمايشگرهاي LCD CCFL از 220 cd / M2 بيشتر نمي شود . در زمينه ي رنگ ها به نظر نمي رسد نمايشگرهايي که از LED هاي سفيد رنگ استفاده مي کنند ، توان ارائه ي رنگ هاي بهتري نسبت به نمايشگرهاي CCFL داشته باشند ، اما فناوري RGB LED چيز ديگري است .
هر چند در حال حاضر اين فناوري تنها در نمايشگرهاي بسيار گران قيمت مورد استفاده قرار مي گيرد ، اما مي توان اميدوار بود که به زودي راه خود را به نمايشگرهاي ميان قيمت يا حتي ارزان قيمت که قشر وسيع تري از کاربران را در بر مي گيرد نيز باز کنند . ( تصوير هشت )
درباره ي طول عمر ، هنوز هيچ نظر قطعي نمي توان داد ، اما بسياري از شرکت هاي سازنده ادعا مي کنند که LED ها داراي طول عمر بيشتري نسبت به CCFL ها هستند ( البته به نظر مي رسد که در واقع نيز چنين چيزي صحت داشته باشد ) .
CCFL ها در طول زمان و به تدريج درخشندگي خود را از دست مي دهند و زمان پايان کار آنها هنگامي فرا مي رسد که تنها قادر به توليد نيمي از نوري باشند که در لحظه شروع به استفاده از آنها توانايي توليد آن را داشته اند ، اما LED ها با ثبات تر هستند و به هيچ وجه در نور توليدي آنها تغييري به وجود نخواهد آمد .
LED ها آنقدر کار مي کنند تا از کار بيفتند . البته بيشتر مردم از نمايشگرهاي خود آنقدر استفاده نمي کنند که شاهد تغييري در ميزان نور خروجي انواع CCFL آنها باشند ، زيرا عمر مفيد اين ابزارها خيلي بيش از پايان عمر مفيد CCFL ها به پايان مي رسد ! در حال حاضر ، مهم ترين فناوري مورد استفاده براي روشن کردن LCD ها ، لامپ هاي CCFL هستند ، اما به زودي نمايشگرهاي با نور زمينه LED بازار را به تسخير خود در خواهند آورد . مزايايي چون اندازه کوچک تر ، وزن کمتر ، درخشندگي بيشتر و همچنين طول عمر بالاتر از مزايايي هستند که هر کاربري را براي استفاده از اين فناوري جديد وسوسه مي کنند ، اما تا زمان کاهش قيمت ها ، به اندازه اي که براي بيشتر کاربران قابل قبول باشد ، بايد به استفاده از نمايشگرهاي LCD CCFL بسنده کرد .
منبع:نشريه عصر شبکه ،شماره 88
/خ
