СПОСОБ РЕГУЛИРОВКИ ЯРКОСТИ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ НА ОПТОЭЛЕКТРОННОМ ТАБЛО С ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ДИСПЛЕЕМ
METHOD OF REGULATING BRIGHTNESS OF DISPLAYING INFORMATION ON OPTOELECTRONIC TABLET WITH LIQUID CRYSTALLINE DISPLAY

Изобретение относится к области отображения информации средствами, основанными на жидкокристаллических элементах, и может быть использовано при визуальном считывании показаний с оптоэлектронных табло.
Известен способ отображения информации на оптоэлектронном табло с жидкокристаллическим дисплеем (см. RU 2249254 C1, 27.03.2005). Известен и способ ослабления внешних засветок оптоэлектронного табло, реализуемый посредством применения нейтрального светофильтра (см. RU 2376652 C1, 20.12.2009). Также известен способ усиления и выравнивания интенсивности светового потока (свечения индикатора), реализуемый за счет применения светоотражающих поверхностей и светопропускающего оптического элемента (SU 1828556 A3, 15.07.1993).
Как следует из анализа описаний данных способов, их недостатком, в части управления параметрами светового потока от оптоэлектронного табло, является отсутствие регулировки яркости отображаемой информации, вследствие чего область применения устройств оказывается существенно ограниченной.
Жидкокристаллический дисплей (ЖКД), часто упоминаемый как LCD (Liquid Crystal Display) дисплей, является наиболее распространенным элементом отображения информации. К достоинствам ЖКД можно отнести простоту изготовления, ввиду широкоосвоенной технологии производства, и малую потребляемую мощность. Наиболее широко распространены дисплеи, работающие на просвет (дисплеи же, работающие на отражении света, нуждаются во внешнем освещении и применяются в наиболее простых электронных устройствах, например электронных часах, микрокалькуляторах и т.д.). Сзади экрана таких дисплеев (т.е. за жидкокристаллическим дисплеем) расположен источник света. Обычно используются люминесцентные лампы и оптическая система, состоящая из призм и толстой стеклянной основы, позволяющие сформировать источник равномерной подсветки, поверх которого располагается собственно LCD-матрица. У монохромных дисплеев применяют лампы подсветки какого-либо одного цвета, например зеленоватого (см. http://www.gadgetus.org.ua/passivnye-lcd-displei.html).
Известные подсвечиваемые ЖКД (часто представленные в технической литературе и публикациях как табло, информационные экраны, индикаторы и т.п.) широко используются в измерительном оборудовании, устройствах с индикацией состояния, в приборных панелях транспортных средств, пультов управления техникой, промышленных агрегатах, станках и т.д. При этом, для осуществления регулировки яркости их свечения (с целью обеспечения требуемого качества видимости отображаемых символов на дисплее) могут применяться различные способы.
В качестве аналога рассматривается способ регулировки яркости отображения информации на оптоэлектронном табло с ЖКД, осуществляемый за счет изменения номиналов токоограничительных резисторов, подключенных к сегментам дисплея, или за счет подключения транзистора, ограничивающего ток, протекающий через дисплей, в направлении общего катода или анода, что затем позволяет на программном уровне осуществлять изменение яркости свечения (см. "Регулировка яркости семисегментного индикатора", http://radioparty.ru/prog-avr/program-c/511-lesson-bright-sevensegment-avr).
В аналоге применена схемотехническая и программная методика регулировки яркости отображения информации (в электрических схемах подключения используют соответствующие электронные компоненты, осуществляют соединение и распайку контактов и, затем, вводят специальные команды на контроллер, управляющий дисплеем).
Также известен способ регулировки яркости отображения информации на оптоэлектронном табло с жидкокристаллическим дисплеем, отображающим информацию и имеющим источник подсветки, расположенный за жидкокристаллическим дисплеем, в соответствии с которым регулировку яркости отображения информации осуществляют с помощью микросхемы управления инверторами задней подсветки LCD-дисплея (http://www.mirpu.ru/lcd/35-lcdinvertors/l55--oz9938.html). Это - прототип.
Известный способ позволяет управлять яркостью отображения информации с помощью дополнительного элемента - специальной микросхемы управления источником подсветки, и последующая регулировка яркости отображения информации осуществляется, как и у другого аналога, на программном уровне (т.е. на контроллер микросхемы, управляющей источником подсветки дисплея, подают специальные команды). Описание реализованного в прототипе способа регулировки яркости отображения информации также содержится и в некоторых других источниках (см., например, "Регулировка яркости экрана для мобильного устройства" RU 2523040 С2, 20.07.2014, www.microchip.su/showthread.php?t=12475, http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/02_05/stat_48.htm, http://habrahabr.ru/post/234601/). В процессе визуального считывания отображаемой информации, для регулировки яркости свечения дисплея используют предусмотренные для этого органы управления (например, кнопки, ползунок и т.п.). Регулировку осуществляют в соответствии с индивидуальными предпочтениями наблюдателя.
Однако, исходя из особенностей устройства ЖКД, а также физических свойств оптических поляризационных элементов, изменяющих структуру проходящего через них светового излучения, в предлагаемом изобретении реализована функция изменения яркости отображения информации без использования регулировочных электронных (как например, микросхем, транзисторов и т.д.) и программных (участвующих в формировании управляющих команд на контроллер) компонентов. При этом задачей изобретения является разработка способа регулировки яркости отображения информации на оптоэлектронном табло с жидкокристаллическим дисплеем, не требующего использования сложных элементов, оборудования и методики осуществления.
Обоснованием физических основ осуществления функции регулировки яркости в предлагаемом изобретении является принцип работы ЖКД, который, в свою очередь, основан на явлении поляризации света.
Сущность явления поляризации условно можно объяснить следующим образом: естественный свет, являясь волной объемной, проходя через определенные прозрачные материалы, приобретает свойства плоской волны (т.е. превращается в линейно поляризованный свет). Устройства, с помощью которых естественный свет можно преобразовать в линейно поляризованный, называют поляризаторами. Поляризаторы, имеющие малую толщину при большой площади, называют поляроидами. Обычно поляроиды создают на базе искусственных пленок. Через поляризационную пленку (поляроид) проходит только та составляющая световой волны, в которой вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости, параллельной оптической оси поляроида и сильно поглощается составляющая световой волны, в которой вектор напряженности электрического поля перпендикулярен оптической оси поляроида (см. "Дисплеи LCD", http://www.dom-spravka.info/_mobilla/m_vs_75.html). Такие поляризационные элементы часто называют линейными поляризационными фильтрами. Данные фильтры пропускают только свет с поляризацией в одной плоскости, поэтому на выходе линейного поляризационного фильтра всегда линейно поляризованный свет (если на линейный поляризационный фильтр попадает неполяризованное излучение от пространства объектов, например солнечное, то проходя через фильтр, оно ослабляется, т.к. из всех составляющих световой волны, проходит только та, в которой вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости, параллельной оптической оси поляроида, см., например, "Поляризация", http://review.lospopadosos. com/polarization).
Так, применительно к фото- и киносъемке, свойства поляроидов используют для устранения влияния засветок, возникающих из-за аэрозольного рассеяния солнечного света на частицах в воздухе, приводящего к появлению дополнительного фона (т.н. "пелены"), или с целью устранения влияния бликов отраженного от стекла света. Простой линейный поляризационный фильтр состоит из пленки поляроида, размещенной между двух стекол. Поскольку при рассеянии на частицах воздуха, а также при отражениях от неметаллических поверхностей (например, стекла или воды) изначально неполяризованный солнечный свет линейно поляризуется, то такие отражения (либо рассеянное частицами излучение) можно отфильтровать с помощью поляризационного фильтра, "поглощая" ненужную линейно-поляризованную составляющую общего светового потока, попадающего в объектив (см., например, "Поляризационный фильтр", http://review.lospopadosos.com/polarizer). В результате, изображение объекта оказывается лишенным бликов (например, бликов от водной поверхности или стекла), также возможно достичь повышения контраста и цветонасыщенности неба в пейзажной фотосъемке и т.д. Такие фильтры помещают перед передней линзой объектива, и принцип их действия состоит в фильтрации отражений солнечного света под определенными углами. Угол фильтрации контролируется угловым положением поляроида, а сила эффекта зависит от положения линии зрения камеры относительно солнца (http://www.cambridgeincolour.com/ru/tutorials-ru/polarizing-filters.htm).
Если поляроид выполнен заодно с т.н. "четвертьволновой" пластинкой (специальный оптический элемент с двойным лучепреломлением), то такой оптический элемент называется поляризационным фильтром с круговой поляризацией (см. http://review.lospopadosos.com/polarization). Такие фильтры обеспечивают корректное функционирование сенсора автоматического замера экспозиции, расположенного в современных зеркальных фотокамерах за полупрозрачной поверхностью, чувствительной к поляризации (т.е. фильтры с круговой поляризацией обеспечивают корректную оценку экспозиции при использовании поляроидов, когда излучение, прошедшее через поляроид, к анализирующим сенсорам устройства идет через оптические элементы, чувствительные к поляризации). Излучение, прошедшее через фильтр круговой поляризации, имеет, соответственно, круговую поляризацию. Поскольку человеческий глаз нечувствителен к свойствам поляризации излучения (см., например, http://review.lospopadosos.com/polarization), то при визуальном наблюдении пространства предметов через фильтры с круговой и линейной поляризацией, разница не будет заметна (естественно при условии, что оптическая ось поляроида в этих фильтрах ориентирована одинаково относительно рассматриваемого пространства предметов).
Известно, что при прохождении поляризованного света через некоторые вещества происходит поворот плоскости поляризации световой волны. Это явление называется вращением плоскости поляризации (см., например, http://www.photo-scapes.net/articles/38.html). Вещества, которые способны поворачивать плоскость поляризации падающих на них световых волн, называются оптически активными. Ими могут быть газы, кристаллы и жидкие вещества.
Итак, суть принципа работы ЖКД заключается в следующем: на две прозрачные поляризационные пластины, обеспечивающие линейную поляризацию, нанесены электроды, между которыми расположено аморфное вещество, так называемые жидкие кристаллы, ориентация молекул которых чувствительна к электростатическому и электромагнитному полям. Плоскости поляризации пластин взаимно перпендикулярны. Свет генерируется источником подсветки и проходит через поляризационные пластины, расположенные, соответственно, перед и после слоя жидких кристаллов ("Жидкокристаллические мониторы", http://megabook.ru/article/). Таким образом, если бы жидких кристаллов между поляризационными пластинами не было, то свет, пропускаемый первой поляризационной пластиной, практически полностью блокировался бы второй (т.к. плоскости поляризации этих пластин взаимно перпендикулярны). При прохождении света через жидкокристаллическое вещество происходит поворот плоскости поляризации света. Благодаря жидким кристаллам, расположенным между электродами, можно поворачивать (вращать) плоскость поляризации, что приводит к тому, что свет либо беспрепятственно проходит через вторую поляризационную пластину, либо поглощается в ней. Создаваемое в ЖКД внешнее электростатическое поле заставляет жидкие кристаллы работать аналогично затвору фотокамеры (разрешая или препятствуя прохождению световых лучей, направленных от источника подсветки, через вторую поляризационную пластину; в последнем случае свет поглощается пластиной). Возможность управления плоскостью поляризации в ЖКД обусловлена тем, что молекулы жидкокристаллического материала обладают дипольным моментом. В результате взаимодействия электрических полей диполей образуется спиралевидная структура из молекул жидкокристаллического вещества, участвующая в формировании элемента изображения. Располагая на отдельных участках экрана дисплея большое число электродов, с помощью которых создается электрическое поле (при соответствующем управлении электрическими потенциалами на этих электродах), формируют на экране дисплея простейшие элементы изображения. Электроды, как правило, размещаются на прозрачном материале и имеют разную форму. Изображение на экране ЖКД формируется с помощью матрицы пикселей (простейших элементов изображения). Каждый элемент матрицы, по сути, жидкокристаллический элемент, является оптически активным и позволяет поворачивать плоскость поляризации проходящего света (http://www.dom-spravka.info/_mobilla/m_vs_75.html).
Таким образом, в ЖКД с помощью первой поляризационной пластины осуществляется линейная поляризация проходящей световой волны (от источника подсветки), затем свет попадает на жидкокристаллическое вещество, с помощью которого плоскость поляризации поворачивается на определенный угол и, далее, свет проходит через вторую линейную поляризационную пластину. Если направление вектора поляризации световой волны, прошедшей через слой жидких кристаллов, совпадает с оптической осью второй поляризационной пластины, то для света она окажется прозрачной, а если между ними будет угол 90°, то световая волна полностью поглотится пластиной (иллюстрация принципа скрещивания поляроидов приведена также в описании практических опытов с оптической и механической моделями явления поляризации, см. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Физика: Учеб. для 11 кл. сред. шк. - М.: Просвещение, 1991, с. 127-128). В ЖКД посредством внешнего электрического поля изменяют интенсивность светового излучения от каждого элементарного пикселя, формируя этим информационные символы, отображаемые на дисплее (http://www.gadgetus.org.ua/passivnye-lcd-displei.html). Для создания же цветного дисплея матрица ЖКД должна состоять из пикселей трех основных цветов - красного (R), зеленого (G) и синего (В). Цветное изображение получают в результате использования трех светофильтров, которые выделяют из спектра светового излучения источника эти три основных спектральных составляющих. Изменяя интенсивность излучения основных цветов для каждой точки изображения, состоящей из трех пикселей, создают цветное изображение (http://www.dom-spravka.info/_mobilla/m_vs_75.html).
Реализация предлагаемого изобретения основана на изложенных физических особенностях поляризационных элементов и эффектов.
Техническим результатом изобретения является упрощение методики создания оптоэлектронных табло с регулируемой яркостью отображения информации, содержащих жидкокристаллический дисплей.
Как было отмечено, в состав ЖКД входят две поляризационные пластины. С помощью первой поляризационной пластины осуществляется линейная поляризация проходящей световой волны (от источника подсветки), затем свет попадает на жидкокристаллическое вещество, с помощью которого плоскость поляризации поворачивается на определенный угол и, далее, свет проходит через вторую поляризационную пластину (фильтр линейной поляризации). Если же на пути световой волны после прохождения второй поляризационной пластины (т.е. перед экраном ЖКД) разместить дополнительную поляризационную пластину, строго ориентированную относительно второй пластины (параллельную ей), с возможностью ее поворота в пределах угла 90°, то имеет место возможность регулировки наблюдаемой яркости свечения ЖКД. В соответствии с описанными свойствами поляризованного светового излучения имеем: если плоскости поляризации второй и дополнительной пластин взаимно перпендикулярны, то яркость ЖКД визуально отсутствует (дисплей выглядит темным), если же плоскости поляризации второй и дополнительной поляризационных пластин параллельны, световое излучение не претерпевает ослабления и полностью проходит через дополнительную поляризационную пластину к наблюдателю (дисплей выглядит максимально ярким). Несложный практический эксперимент однозначно подтверждает теоретические аспекты явления. Так, устройство, в соответствии с заявляемым способом, позволило продемонстрировать, как изменение угла поворота дополнительной поляризационной пластины влияло на интенсивность излучаемого дисплеем светового потока (т.е. изменялась наблюдаемая яркость свечения ЖКД) в пределах от минимума (при этом наблюдается темный экран) до максимума (экран наблюдается без ослабления светового потока). Строгая ориентация взаимного расположения второй (в составе ЖКД) и дополнительной (внешней) поляризационной пластин, заключающаяся в их параллельности, связана с необходимостью обеспечения равномерного изменения наблюдаемого свечения всего экрана, поскольку неориентированное размещение дополнительной поляризационной пластины, относительно второй пластины ЖКД, может в некоторой степени исказить световой поток по интенсивности, внося разность хода лучей, что ухудшает качество наблюдаемого изображения.
Технический результат достигается тем, что в способе регулировки яркости отображения информации на оптоэлектронном табло с жидкокристаллическим дисплеем, в корпусе закрепляют жидкокристаллический дисплей, отображающий информацию, с источником подсветки, расположенным за жидкокристаллическим дисплеем, в корпусе, перед жидкокристаллическим дисплеем, параллельно его наружной поверхности, дополнительно закрепляют поляризационную пластину таким образом, чтобы она могла поворачиваться вокруг своей оптической оси в пределах угла 0°-90°, информацию, отображаемую на подсвечивающемся от источника подсветки жидкокристаллическом дисплее, наблюдают со стороны поляризационной пластины, поворотом поляризационной пластины регулируют яркость отображения информации на оптоэлектронном табло.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-5.
На фиг. 1 схематично представлено оптоэлектронное табло с регулировкой яркости отображения информации, реализованной предлагаемым способом, где: 1 - корпус, 2 - жидкокристаллический дисплей, отображающий информацию, 3 - источник подсветки, 4 - поляризационная пластина, 5 - кольцевая оправа, обеспечивающая поворот пластины.
На фиг. 2 схематично представлено оптоэлектронное табло с отображаемой информацией, наблюдаемое через поляризационную пластину 4 в исходном угловом положении кольцевой оправы 5, которое соответствует совпадению оптических осей второй поляризационной пластины в жидкокристаллическом дисплее 2 и поляризационной пластины 4 (угловое положение оправы 5 условно изображено в положении 0°).
На фиг. 3 схематично представлено оптоэлектронное табло с отображаемой информацией, наблюдаемое через поляризационную пластину 4 при повороте кольцевой оправы 5 (относительно исходного углового положения) на угол 30°.
На фиг. 4 схематично представлено оптоэлектронное табло с отображаемой информацией, наблюдаемое через поляризационную пластину 4 при повороте кольцевой оправы 5 (относительно исходного углового положения) на угол 60°.
На фиг. 5 схематично представлено оптоэлектронное табло с отображаемой информацией, наблюдаемое через поляризационную пластину 4 при повороте кольцевой оправы 5 (относительно исходного углового положения) на угол 90°.
Способ реализуется следующим образом.
ЖКД
В корпусе 1 закрепляют жидкокристаллический дисплей 2, отображающий информацию, с источником подсветки 3, расположенным за жидкокристаллическим дисплеем 2, в корпусе 1 перед жидкокристаллическим дисплеем 2 параллельно его наружной поверхности (на фигуре обозначена П) дополнительно закрепляют поляризационную пластину 4 таким образом, чтобы она могла поворачиваться вокруг своей оптической оси в пределах углов 0-90°, информацию, отображаемую на подсвечивающемся от источника подсветки 3 жидкокристаллическом дисплее 2, наблюдают со стороны поляризационной пластины 4, поворотом поляризационной пластины 4 регулируют яркость отображения информации на оптоэлектронном табло.
В качестве источника подсветки 3 используют люминесцентную лампу с оптической системой или светодиод (на фигурах источник подсветки 3 изображен условно). Жидкокристаллический дисплей может быть выполнен заодно с источником подсветки 3 (ЖКД, работающий на просвет, см. http://www.gadgetus.org.ua/passivnye-lcd-displei.html).
Для удобства закрепления поляризационной пластины 4 в кольцевой оправе, обеспечивающей ее поворот, целесообразно использовать поляризационную пластину 4 круглой формы, ее диаметр выбирают из условия полного "покрытия" площади информационного поля ЖКД при повороте пластины в пределах угла 0-90° (т.е. экран ЖКД должен быть как бы "вписан" в область "покрытия" поляризационной пластины при всех возможных ее угловых положениях).
Оптоэлектронное табло с отображаемой информацией, в зависимости от углового положения кольцевой оправы 5, условно представлено на фиг.2-5.
Применение поворачивающейся, дополнительно закрепленной перед ЖКД, поляризационной пластины 4, позволяет достаточно просто реализовать функцию плавной (недискретной) регулировки наблюдаемой яркости свечения дисплея и, таким образом, обеспечить возможность ее индивидуальной подстройки при визуальном считывании информации. Данная особенность, а также конструктивная простота оптоэлектронных табло, содержащих в своей основе жидкокристаллический дисплей, регулировка яркости отображения информации в которых может быть реализована предлагаемым способом, обеспечивают упрощение методики создания таких устройств.
В результате поиска, на основании источников патентной и технической информации, не обнаружены способы с совокупностью существенных признаков, совпадающих с предлагаемым изобретением и обеспечивающих заявляемый технический результат, таким образом, предлагаемое изобретение представляет собой техническое решение задачи, являющееся новым и обладающим изобретательским уровнем.
Простота предлагаемого способа предоставляет широкие возможности конструктивной реализации устройства и не требует для этого специальных средств и технологий изготовления. Таким образом, предлагаемое техническое решение является промышленно применимым и отвечает всем критериям патентоспособности.