Жидкокристаллическая матрица – вещь не только дорогая, но и довольно хрупкая. Поэтому мониторы на основе ЖК-матриц обычно прикрывают защитными стёклами, что спасает их от случайных и намеренных повреждений. Однако, как это часто бывает, решение одной проблемы порождает ряд других.
Чтобы защитное стекло предохраняло ЖК-матрицу достаточно надёжно, оно должно быть толстым. Чем больше матриц, тем больше стёкол и, как следствие, выше их общая масса. Для наземных и судовых конструкций это обстоятельство несущественно, но для авиационных и особенно космических – критически важно.
Между защитным стеклом и поверхностью матрицы всегда остаётся небольшой зазор. При резких перепадах температуры там оседает конденсат, а со временем к нему добавляется пыль и прочие загрязнители, всегда присутствующие в воздухе. Это ведёт к ухудшению видимости изображений, генерируемых матрицей, а значительное количество конденсата способно спровоцировать короткое замыкание.
Воздушная прослойка между защитным стеклом и матрицей обладает низкой теплопроводностью. Появление прослойки ведёт к значительному снижению теплоотдачи и перегреву матрицы с последующим ухудшением её рабочих характеристик.
Однако наиболее заметным следствием установки защитного стекла является резкое снижение контрастности изображения. И бороться с ним намного сложнее, нежели с загрязнениями, увеличением массы или ухудшением теплоотдачи.
Истоки проблемы
Любой пользователь смартфона, телевизора или компьютерного монитора, знает, что качество изображения сильно зависит от внешнего освещения: чем оно ярче, тем труднее различать полутона и мелкие детали. Чтобы понять причину этого явления, следует вспомнить, каким образом происходит получение визуальной информации.
Человек видит окружающие его объекты благодаря свету, который эти объекты излучают или отражают. Детали получаемого изображения можно различить из-за различий в интенсивности световых потоков, которые от них поступают: чем интенсивность выше, тем более яркой видится деталь. Отношение яркостей называется контрастностью. Чем выше контрастность изображения, тем более отчётливы его детали.
ЖК-матрица любого современного монитора организован как набор десятков и сотен тысяч точек, расположенных на расстоянии нескольких микрон друг от друга. Яркости соседних точек может различаться в сотни раз, обеспечивая высокую контрастность изображения.
Однако любая матрица почти всегда не только излучает сама, но и освещается снаружи. При этом часть падающего света отражается от поверхности матрицы, а его энергия складывается с энергией излучения вышеупомянутых точек. Видимые яркости всех точек увеличиваются на одну и ту же величину, и отношение их уменьшается. Результатом становится снижение контрастности, которое оказывается тем значительнее, чем ярче внешнее освещение.
Каким образом установка защитного стекла влияет на контрастность?
Отражение света происходит на границах сред. Опыт показывает, что при переходе из воздуха в стекло или из стекла в воздух отражается около 5% падающего света. При падении на поверхность матрицы свет встречает одну границу и отражается один раз. В случае, когда матрица прикрыта защитным стеклом, свет встречает три границы (на верхней поверхности стекла, на нижней поверхности стекла и на поверхности матрицы) и отражается трижды. Суммарная энергий отражённого света возрастает почти втрое, и контрастность резко снижается.
Можно бороться со снижением контрастности, наращивая яркость точек матрицы. Однако такой подход означает рост энергопотребления, удорожание матриц и снижение их ресурса. Куда более эффективным способом восстановления контрастности является оптический бондинг.
Что такое оптический бондинг
Оптический бондинг – это технология крепления защитного стекла к ЖК-матрице с заполнением зазора между ними оптически прозрачным материалом.
Bonding в переводе с английского означает "соединение", "скрепление" или "склеивание". Перевод термина optical bonding неудобен, так как вызывает ассоциации с оптическими соединителями и волоконной связью. Поэтому обходятся без перевода: бондинг, оптический бондинг.
Достоинства технологии
Оптический бондинг означает заполнение оптически прозрачным клеем пространства между защитным стеклом и ЖК-матрицей. Результатом такой операции становится трёхслойная композиция, полностью избавленная от всех перечисленных выше недостатков.
1. Повышение контрастности
Поскольку клей имеет тот же показатель преломления, что и стекло, две оптические границы из трёх исчезают, и энергия отражённого света уменьшается до 5% энергии падающего.
Результатом становится существенное повышение контрастности, позволяющее отчётливо различать изображения на дисплее без увеличения яркости подсветки и связанного с этим роста потребляемой мощности.
2. Эффективная механическая защита
Бондинг обеспечивает создание структуры, обладающей высокой механической прочностью и способной эффективно противостоять значительным перегрузкам, как статическим, так и динамическим. Меняя толщины защитного стекла и клеевого слоя, можно варьировать степень защиты в чрезвычайно широких пределах, получая конструкции от просто прочных до вандалоустойчивых.
3. Изоляция от внешней среды
Клей заполняет пространство между ЖК-матрицей и защитным стеклом, не оставляя ни малейшего зазора. В результате матрица оказывается полностью изолирована от окружающей среды. А значит, ни загрязнения, ни конденсация, ни любые иные природные воздействия ей более не страшны.
4. Повышение теплоотдачи
Клей обладает гораздо большей теплопроводностью, чем воздух. Поэтому ЖК-матрица с бондингом охлаждается намного эффективнее, нежели матрица с обычным защитным стеклом. Это позволяет увеличить срок эксплуатации устройства.
5. Улучшение работы сенсорных экранов
Свет на оптических границах сред не только отражается, но и преломляется. И чем таких границ больше, тем значительнее отклонение видимого положения объекта от истинного. Как было отмечено выше, применение бондинга ведёт к уменьшению числа границ с трёх до одной. Благодаря этому сенсорные экраны с бондингом обеспечивают гораздо более высокую точность, нежели экраны с "воздушным соединением".
6. Уменьшение габаритов мониторов
Высокая механическая прочность трёхслойной композиции (см. п.2) позволяет использовать более тонкие защитные стёкла. Повышение теплоотдачи (см. п.4) даёт возможность в ряде случаев даже обойтись без охлаждающих вентиляторов. Всё это ведёт к снижению масс мониторов и уменьшению их толщин.
Области применения
Популярность экранов, изготовленных с применением оптического бондинга, сдерживается только их ценой. Тем не менее, они уже получили широкое распространение везде, где необходимо обеспечить качественную работу в условиях повышенной освещённости, значительных механических нагрузок и суровых погодных условий. Основные области применения:
- Военная техника всех видов;
- Транспорт, в первую очередь суда и самолёты;
- Розничные предприятия (магазины, банки и пр.), нуждающиеся в антивандальных и всепогодных сенсорных экранах.
Также расширяется применение экранов "с бондингом" в медицинских учреждениях и на промышленных предприятиях всех видов.
Заключение
На первый взгляд, технология оптического бондинга очень проста. Однако простота принципа не тождественна простоте его практической реализации.
Необходимы:
- Клей, который имеет тот же коэффициент преломления, что и стекло, препятствует возникновению воздушных пузырей при нанесении и остаётся абсолютно изотропным при застывании;
- Технология склеивания, включающая ряд операций – от очистки поверхностей защитного стекла и матрицы до ультрафиолетового отверждения клея;
- Технологическая установка, обеспечивающая проведение этих операций с прецизионной точностью.