تقنية التلفزيون ذي الشاشة الكبيرة

تتكون البكسل في شاشة LCD من عدة طبقات من المكونات: مرشحان استقطابيان ، ولوحين زجاجيين مزودين بأقطاب كهربائية ، وجزيئات من البلورات السائلة. تتوسط البلورات السائلة اللوحين الزجاجيين وتكون على اتصال مباشر بالأقطاب الكهربائية. يمثل المرشحان الاستقطابيان الطبقتين الخارجيتين في هذا التركيب. يكون قطبية أحد هذين المرشحين أفقية، بينما يكون قطبية المرشح الآخر رأسية. تُعالج الأقطاب الكهربائية بطبقة من البوليمر للتحكم في محاذاة جزيئات البلورات السائلة في اتجاه معين. تُرتّب هذه الجزيئات الشبيهة بالقضبان لتتوافق مع الاتجاه الأفقي من جهة والاتجاه الرأسي من الجهة الأخرى، مما يُكسبها بنية حلزونية ملتوية. تتميز البلورات السائلة النيماتية الملتوية ببنية ملتوية طبيعية، وهي شائعة الاستخدام في شاشات LCD نظرًا لاستجابتها المتوقعة لتغيرات درجة الحرارة والتيار الكهربائي.

عندما تكون مادة الكريستال السائل في حالتها الطبيعية، يدور الضوء المار عبر المرشح الأول (من حيث القطبية) بفعل بنية الجزيئات الملتوية، مما يسمح للضوء بالمرور عبر المرشح الثاني. عند تطبيق جهد كهربائي بين الأقطاب، تنفك بنية الكريستال السائل إلى حدٍّ يتحدد بمقدار الجهد. يؤدي الجهد العالي إلى انفكاك الجزيئات تمامًا، بحيث لا تدور قطبية أي ضوء يمر عبرها، بل تصبح عمودية على قطبية المرشح. يحجب هذا المرشح مرور الضوء بسبب اختلاف اتجاه القطبية، فتصبح البكسلات الناتجة سوداء. يمكن التحكم بكمية الضوء المسموح بمرورها عند كل بكسل عن طريق تغيير الجهد المقابل وفقًا لذلك. في شاشة LCD الملونة، يتكون كل بكسل من بكسلات فرعية حمراء وخضراء وزرقاء، والتي تتطلب مرشحات ألوان مناسبة بالإضافة إلى المكونات المذكورة سابقًا. يمكن التحكم بكل بكسل فرعي على حدة لعرض نطاق واسع من الألوان الممكنة لبكسل معين.

تُرتب الأقطاب الكهربائية على أحد جانبي شاشة LCD في أعمدة، بينما تُرتب على الجانب الآخر في صفوف، لتشكل مصفوفة كبيرة تتحكم في كل بكسل. يُخصص لكل بكسل تركيبة فريدة من الصف والعمود، ويمكن لدوائر التحكم الوصول إليه باستخدام هذه التركيبة. تُرسل هذه الدوائر شحنة كهربائية عبر الصف والعمود المناسبين، مما يُطبق جهدًا كهربائيًا على الأقطاب الكهربائية عند كل بكسل. تعمل شاشات LCD البسيطة، مثل تلك الموجودة في الساعات الرقمية، بما يُسمى بنية المصفوفة السلبية، حيث يُعالج كل بكسل على حدة. ينتج عن ذلك أوقات استجابة بطيئة للغاية وتحكم ضعيف في الجهد. قد يؤدي تطبيق جهد كهربائي على بكسل واحد إلى انحناء البلورات السائلة في البكسلات المحيطة بشكل غير مرغوب فيه، مما ينتج عنه ضبابية وضعف في التباين في هذه المنطقة من الصورة. تتطلب شاشات LCD عالية الدقة، مثل أجهزة تلفزيون LCD ذات الشاشات الكبيرة، بنية المصفوفة النشطة. تتكون هذه البنية من مصفوفة من ترانزستورات الأغشية الرقيقة ، كل منها يُقابل بكسلًا واحدًا على الشاشة. تتيح خاصية التبديل في الترانزستورات الوصول إلى كل بكسل على حدة وبدقة متناهية، دون التأثير على البكسلات المجاورة. كما يعمل كل ترانزستور كمكثف مع تسريب تيار ضئيل للغاية، مما يسمح له بتخزين الشحنة بكفاءة أثناء تحديث الشاشة.

فيما يلي أنواع تقنيات شاشات الكريستال السائل (LCD):

• شاشات العرض النيماتية الملتوية (TN): يُعد هذا النوع من الشاشات الأكثر شيوعًا، ويستخدم بلورات الطور النيماتيكي الملتوية، التي تتميز ببنية حلزونية طبيعية، ويمكن فكّها بتطبيق جهد كهربائي للسماح بمرور الضوء. تتميز هذه الشاشات بانخفاض تكاليف إنتاجها وسرعة استجابتها، ولكنها تعاني أيضًا من محدودية زوايا الرؤية، كما أن نطاق ألوانها محدود، ما يحدّ من قدرتها على الاستفادة الكاملة من بطاقات الرسومات المتطورة. ^{[ 6 ]} تعود هذه القيود إلى اختلاف زوايا جزيئات البلورات السائلة على أعماق مختلفة، مما يحدّ من زوايا خروج الضوء من البكسل.
• تقنية التبديل داخل المستوى (IPS): على عكس ترتيب الأقطاب الكهربائية في شاشات TN التقليدية، يقع القطبان الكهربائيان المقابلان لكل بكسل على نفس اللوح الزجاجي، وهما متوازيان. لا تشكل جزيئات الكريستال السائل بنية حلزونية، بل تكون متوازية أيضًا. في حالتها الطبيعية أو "الإيقاف"، تكون بنية الجزيئات متوازية مع الألواح الزجاجية والأقطاب الكهربائية. ولأن بنية الجزيئات الملتوية غير مستخدمة في شاشات IPS، فإن زاوية خروج الضوء من البكسل تكون أقل تقييدًا، وبالتالي تتحسن زوايا الرؤية ودقة الألوان بشكل ملحوظ مقارنةً بشاشات TN. مع ذلك، تتميز شاشات IPS بأوقات استجابة أبطأ. كما عانت شاشات IPS في البداية من ضعف نسب التباين، ولكن هذا التحسن طرأ بشكل كبير مع تطوير تقنية التبديل الفائق المتقدم (AS  -IPS).
• المحاذاة الرأسية متعددة المجالات (MVA): في هذا النوع من الشاشات، تُرتّب البلورات السائلة بشكل طبيعي عموديًا على الألواح الزجاجية، ولكن يمكن تدويرها للتحكم في مرور الضوء. كما توجد نتوءات هرمية الشكل في الركائز الزجاجية للتحكم في دوران البلورات السائلة، بحيث يتم توجيه الضوء بزاوية مع اللوح الزجاجي. تُتيح هذه التقنية زوايا رؤية واسعة، مع نسب تباين جيدة وأوقات استجابة أسرع من شاشات TN وIPS. أما العيب الرئيسي فهو انخفاض السطوع.
• المحاذاة الرأسية المنقوشة (PVA): هذا النوع من الشاشات هو شكل مختلف من MVA ويؤدي أداءً مشابهًا جدًا، ولكن بنسب تباين أعلى بكثير.

تتكون شاشة البلازما من آلاف الخلايا المملوءة بالغاز والمحصورة بين لوحين زجاجيين، ومجموعتين من الأقطاب الكهربائية، ومادة عازلة ، وطبقات واقية. تُرتّب أقطاب التحكم عموديًا بين اللوح الزجاجي الخلفي والطبقة الواقية. يقع هذا الهيكل خلف الخلايا في الجزء الخلفي من الشاشة، مع اتصال الطبقة الواقية بالخلايا اتصالًا مباشرًا. أما في الجهة الأمامية من الشاشة، فتوجد أقطاب عرض أفقية تقع بين طبقة واقية من أكسيد المغنيسيوم (MgO) وطبقة عازلة. تتصل طبقة أكسيد المغنيسيوم بالخلايا اتصالًا مباشرًا، بينما تتصل الطبقة العازلة باللوح الزجاجي الأمامي اتصالًا مباشرًا. تُشكّل الأقطاب الأفقية والرأسية شبكةً تُتيح الوصول إلى كل خلية على حدة. كل خلية معزولة عن الخلايا المحيطة بها بحيث لا يؤثر نشاط خلية ما على الأخرى. يشبه هيكل الخلية هيكل قرص العسل، إلا أن خلاياها مستطيلة الشكل. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

لإضاءة خلية معينة، تُشحن الأقطاب الكهربائية المتقاطعة عند الخلية بواسطة دائرة تحكم ، فيتدفق تيار كهربائي عبرها، مما يحفز ذرات الغاز (عادةً الزينون والنيون ) داخلها. تُطلق هذه الذرات المتأينة، أو البلازما، فوتونات فوق بنفسجية تتفاعل مع مادة فسفورية على الجدار الداخلي للخلية. تُحفز ذرات الفسفور، فتنتقل الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى. وعندما تعود هذه الإلكترونات إلى حالتها الطبيعية، تُطلق الطاقة على شكل ضوء مرئي. يتكون كل بكسل على الشاشة من ثلاث خلايا فرعية. تُغطى إحدى هذه الخلايا بفسفور أحمر، والثانية بفسفور أخضر، والثالثة بفسفور أزرق. يُمزج الضوء المنبعث من الخلايا الفرعية معًا لتكوين اللون الكلي للبكسل. تستطيع دائرة التحكم ضبط شدة الضوء المنبعث من كل خلية، وبالتالي إنتاج طيف واسع من الألوان. يمكن التحكم في الضوء المنبعث من كل خلية وتغييره بسرعة لإنتاج صورة متحركة عالية الجودة. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

يستخدم التلفزيون ذو جهاز العرض جهاز عرض لإنشاء صورة مصغرة من إشارة فيديو وتكبيرها على شاشة عرض. يستخدم جهاز العرض شعاعًا ضوئيًا ساطعًا ونظام عدسات لعرض الصورة بحجم أكبر بكثير. أما التلفزيون ذو العرض الأمامي، فيستخدم جهاز عرض منفصلًا عن الشاشة، والتي قد تكون جدارًا مُجهزًا بشكل مناسب، ويُوضع جهاز العرض أمام الشاشة. ويشبه إعداد التلفزيون ذي العرض الخلفي إعداد التلفزيون التقليدي، حيث يكون جهاز العرض داخل صندوق التلفزيون ويعرض الصورة من خلف الشاشة.

في تقنية شاشات الفوسفور الليزرية، التي عُرضت لأول مرة في يونيو 2010 في معرض InfoComm ، تُعرض الصورة باستخدام أشعة ليزر مثبتة في الجزء الخلفي من التلفزيون، تنعكس عن مجموعة من المرايا سريعة الحركة لتحفيز وحدات البكسل على شاشة التلفزيون، على غرار أنابيب أشعة الكاثود. تعكس المرايا أشعة الليزر عبر الشاشة، مُنتجةً بذلك العدد اللازم من خطوط الصورة . تُصدر طبقات الفوسفور الصغيرة داخل الزجاج ضوءًا أحمر أو أخضر أو ​​أزرق عند تحفيزها بواسطة ليزر فوق بنفسجي خفيف. يمكن التحكم في شدة الليزر أو تشغيله أو إيقافه تمامًا دون أي مشكلة، مما يعني أن الشاشة المظلمة ستحتاج إلى طاقة أقل لعرض صورها.

على الرغم من وجود أجهزة تلفزيون/شاشات CRT كبيرة الحجم، إلا أن حجم الشاشة محدود بسبب عدم جدواها العملية. فكلما كبرت الشاشة، زاد وزنها، وزاد عمق أنبوب CRT. يبلغ وزن جهاز تلفزيون نموذجي بحجم 80 سم (32 بوصة) حوالي 70 كجم (150 رطلاً) أو أكثر. أما شاشة سوني PVM-4300 فتزن 200 كجم (440 رطلاً) وتضم أكبر أنبوب CRT على الإطلاق بشاشة قطرها 110 سم (43 بوصة) . ^{[ 15 ]} توجد أجهزة تلفزيون SlimFit، لكنها غير شائعة.       

المزايا

• تصميم نحيف
• أخف وزناً وأقل حجماً من أجهزة التلفزيون ذات العرض الخلفي
• أقل عرضةً لظاهرة الاحتراق: تشير ظاهرة الاحتراق إلى ظهور صورة باهتة دائمة على شاشة التلفزيون نتيجةً لعرض الصورة بشكل مستمر ومطول. تفقد المواد الفسفورية الباعثة للضوء لمعانها بمرور الوقت، وعند الاستخدام المتكرر، تصبح المناطق منخفضة الإضاءة مرئية بشكل دائم.
• تعكس شاشات LCD القليل جدًا من الضوء، مما يسمح لها بالحفاظ على مستويات التباين في الغرف ذات الإضاءة الجيدة وعدم التأثر بالوهج.
• يستهلك طاقة أقل قليلاً من شاشات البلازما ذات الحجم المماثل.
• يمكن تثبيته على الحائط.

العيوب

• مستوى اللون الأسود ضعيف : يمر بعض الضوء حتى عند انفكاك البلورات السائلة تمامًا، لذا فإن أفضل لون أسود يمكن الحصول عليه هو درجات متفاوتة من الرمادي الداكن، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة التباين وتفاصيل الصورة. يمكن التخفيف من هذه المشكلة باستخدام مصفوفة من مصابيح LED كمصدر إضاءة لتوفير أداء أسود شبه مثالي.
• زوايا الرؤية أضيق من التقنيات المنافسة. يكاد يكون من المستحيل استخدام شاشة LCD دون حدوث تشوه في الصورة.
• تعتمد شاشات الكريستال السائل بشكل كبير على الترانزستورات ذات الأغشية الرقيقة، والتي يمكن أن تتلف، مما يؤدي إلى ظهور بكسل معيب .
• تتميز شاشات LCD عادةً بأوقات استجابة أبطأ من شاشات البلازما، مما قد يتسبب في ظهور ظلال وتشويش أثناء عرض الصور سريعة الحركة. ويجري تحسين هذا الأمر أيضًا من خلال زيادة معدل تحديث شاشات LCD. ^{[ 16 ]}

المزايا

• تصميم نحيف للخزانة
• يمكن تثبيته على الحائط
• أخف وزنًا وأقل حجمًا من أجهزة التلفزيون ذات العرض الخلفي
• إعادة إنتاج الألوان بدقة أكبر من تلك الموجودة في شاشة LCD؛ 68 مليار (236 ⁾ لونًا مقابل 16.7 مليون ( ²²⁴ ) لونًا ^{[ 17 ]}
• ينتج درجات سوداء عميقة وحقيقية، مما يسمح بنسب تباين فائقة (+ 1:1,000,000) ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}
• زوايا رؤية أوسع (+178 درجة) من تلك الموجودة في شاشة LCD؛ لا تتدهور الصورة (تصبح باهتة وتتشوه) عند مشاهدتها من زاوية عالية، كما يحدث مع شاشة LCD ^{[ 17 ] [ 18 ]}
• لا يوجد تشويش في الحركة ؛ يتم التخلص منه بفضل معدلات التحديث العالية وأوقات الاستجابة الأسرع (حتى 1.0 ميكروثانية)، مما يجعل تقنية تلفزيون البلازما مثالية لمشاهدة الأفلام والصور الرياضية سريعة الحركة.

العيوب

• لم يعد يتم تصنيعه
• عرضة لظاهرة احتراق الشاشة واحتفاظ الصورة؛ تتميز أجهزة تلفزيون البلازما الحديثة بتقنية تصحيحية، مثل إزاحة البكسل ^{[ 14 ].}
• يتناقص سطوع الفوسفور بمرور الوقت، مما يؤدي إلى الانخفاض التدريجي في سطوع الصورة المطلق؛ تم تصحيح ذلك بعمر افتراضي يبلغ 60000 ساعة لتكنولوجيا تلفزيون البلازما المعاصرة (أطول من تكنولوجيا CRT ) ^{[ 14 ]}
• غير متوفر بأحجام أصغر من 94 سم (37 بوصة) قطريًا  
• تتأثر بالوهج الانعكاسي في غرفة مضاءة بشدة، مما يؤدي إلى خفوت الصورة
• استهلاك عالٍ للطاقة الكهربائية
• أثقل من جهاز تلفزيون LCD مماثل، وذلك بسبب الشاشة الزجاجية التي تحتوي على الغازات.
• إصلاح الشاشة أكثر تكلفة؛ يمكن أن تتلف الشاشة الزجاجية لجهاز تلفزيون البلازما بشكل دائم، وهي أكثر صعوبة في الإصلاح من الشاشة البلاستيكية لجهاز تلفزيون LCD ^{[ 17 ] [ 18 ]}

المزايا:

• يحقق مستوى ممتازًا للون الأسود ونسبة تباين عالية
• يحقق إعادة إنتاج ألوان ممتازة
• تتميز شاشات CRT عمومًا بعمر افتراضي طويل جدًا
• زوايا رؤية أوسع من تلك الموجودة في شاشات LCD

العيوب:

• ثقيلة وكبيرة، خاصة من حيث العمق
• في حال تعطل أحد أنابيب أشعة الكاثود، يجب استبدال الأنبوبين الآخرين للحصول على أفضل توازن للألوان والسطوع
• عرضة للاحتراق لأن أنبوب أشعة الكاثود مصنوع من الفوسفور
• يجب "توحيدها" (وضع الألوان الأساسية بحيث تتراكب بدون حواف لونية) سنوياً (أو بعد إعادة التموضع المحدد).
• قد تظهر هالات ملونة أو يفقد التركيز

المزايا:

• أصغر من أجهزة العرض CRT
• يمكن إصلاح أو استبدال شريحة شاشة LCD بسهولة
• لا يتأثر بالاحتراق

العيوب:

• تأثير الشاشة الشبكية : قد تكون وحدات البكسل الفردية مرئية على الشاشة الكبيرة، مما يعطي انطباعًا بأن المشاهد ينظر من خلال شاشة شبكية.
• احتمال وجود وحدات بكسل معيبة
• مستوى اللون الأسود ضعيف : يمر بعض الضوء حتى عند انفكاك البلورات السائلة تمامًا، لذا فإن أفضل لون أسود يمكن الحصول عليه هو رمادي داكن جدًا، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة التباين وتفاصيل الصورة. تستخدم بعض الطرازات الأحدث فتحة عدسة قابلة للتعديل للمساعدة في التغلب على هذه المشكلة.
• ليس نحيفًا مثل تلفزيون العرض بتقنية DLP
• تستخدم المصابيح للإضاءة، وقد تحتاج المصابيح إلى الاستبدال.
• عدد ثابت من البكسلات، أما الدقة الأخرى فتحتاج إلى تغيير حجمها لتناسب هذا العدد.
• زوايا رؤية محدودة

المزايا:

• أنحف أنواع أجهزة التلفزيون العرضية
• يحقق مستوى ممتازًا للون الأسود ونسبة تباين عالية
• يمكن إصلاح أو استبدال شريحة DMD بسهولة
• لا يتأثر بالاحتراق
• زوايا رؤية أفضل من تلك الموجودة في أجهزة العرض CRT
• لا ينخفض ​​سطوع الصورة إلا بسبب عمر المصباح
• البكسلات المعيبة نادرة
• لا يعاني من تأثير الشاشة الشبكية

العيوب:

• تستخدم هذه الأجهزة مصابيح للإضاءة، وتحتاج هذه المصابيح إلى الاستبدال بمعدل مرة كل عام ونصف إلى عامين. أما الموديلات الحديثة المزودة بمصابيح LED، فتقلل من هذه الحاجة أو تلغيها تمامًا. ويُقدّر العمر الافتراضي لمصابيح LED بأكثر من 100,000 ساعة.
• عدد البكسلات ثابت، لذا يجب تعديل دقة العرض الأخرى لتتناسب مع هذا العدد. هذا قيدٌ فقط عند مقارنته بشاشات CRT.
• تأثير قوس قزح: هو تشوه بصري غير مرغوب فيه، يتمثل في ومضات ضوئية ملونة تظهر عند النظر عبر الشاشة من جانب إلى آخر. يقتصر هذا التشوه على أجهزة عرض DLP أحادية الشريحة. يظهر تأثير قوس قزح بوضوح فقط في شاشات DLP التي تستخدم مصباحًا أبيض واحدًا مزودًا بـ"عجلة ألوان" متزامنة مع عرض مكونات حمراء وخضراء وزرقاء. أما أنظمة إضاءة LED التي تستخدم مصابيح LED منفصلة حمراء وخضراء وزرقاء بالتزامن مع عرض مكونات حمراء وخضراء وزرقاء بتردد عالٍ، فتُقلل من تأثير قوس قزح أو تُزيله تمامًا.