LCD senden polarisiertes Licht aus
Liquid Crystal Displays (LCDs) senden linear polarisiertes Licht aus. Dies kannst du ganz einfach zeigen, indem du einen linearen Polarisationsfilter vor einen LCD-Bildschirm von einem Laptop oder einem Taschenrechner hältst. Drehst du den Polfilter vor dem Bildschirm, so kannst du eine Position finden, in der der Bildschirm schwarz erscheint. In anderen Positionen kannst du den Bildschirm auch durch den Polfilter sehen.
Die Richtung der Polarisationsachse von LCDs unterscheidet sich von Typ zu Typ. Häufig ist die Achse schräg ausgerichtet, seltener waagerecht. Bei Displays, die ein Touch-Funktion besitzen, kann der Effekt meist nicht gezeigt werden, da hier über dem eigentlichen Display noch weitere Schichten verbaut sind, die die Polarisation des Lichtes aufheben.
Flüssigkristalle
Liquid Crystals, also Flüssigkristalle, sind ein wichtiger Bestandteil von LCDs. Flüssigkristalle sind fast transparente Stoffe, die einige Eigenschaften von Flüssigkeiten aufweisen, aber auch einige Eigenschaften von fester Materie. Besonders wichtig ist die Eigenschaft, dass sie die Polarisationsrichtung von Licht, welches durch sie hindurchgeht, verändern können. Du kannst dir Flüssgikristalle zunächst als längliche Molküle vorstellen. Meist ist in Displays zwar eine Mischung verschiedenster Flüssigkristalle zu finden, aber dies ist für die grundlegenden Funktionsweise nicht von Bedeutung.
Funktionsweise einer einfachen LCD-Zelle
Eine einfache LCD-Zelle (Twisted Nematic) besteht zunächst aus zwei um 90° zueinander verdrehten linearen Polarisationsfilter. Zwischen den Filtern befinden sich zwei durchsichtige Elektroden (bspw. Glasplatten mit sehr dünner Metallbeschichtung). Zwischen den beiden Elektroden befinden sind nun die längliche Flüssigkristalle. Die Flüssigkristalle ordnen sich hier entlang der beiden Orientierungsschichten an, die auf die Elektroden aufgebracht ist. Diese Orientierungsschichten sind wie die Polfilter um 90° zueinander verdreht. Daher ordnen sich die Flüssigkristalle auch verdreht.
Nun fällt unpolarisiertes Licht der Hintergrundbeleuchtung (meist von LEDs) auf den ersten Polfilter. Das Licht wird linear polarisiert. Anschließend passiert es die durchsichtige Elektrode und trifft auf die Flüssigkristalle. Diese sorgen durch ihre verdrehte Anordnung dafür, dass auch die Polarisationsebene des sie passierenden Lichtes um 90° gedreht wird, da die Polarisationsebene der Ausrichtung der Moleküle folgt. Somit kann das Licht nun auch den zweiten Polfilter passieren, da seine Polarisationsebene gerade der Durchlassrichtung dieses Filters entspricht. In diesem Zustand ist die LCD-Zelle lichtdurchlässig.
Legt man jedoch an die beiden Elektroden eine Spannung \(U\) an, so entsteht zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches Feld. Dieses Feld sorgt dafür, dass sich die Flüssigkristalle nicht mehr entlang der Orientierungsschicht anordnen, sondern entlang der elektrischen Feldlinien. Trifft nun linear polarisiertes Licht auf die Flüssigkristalle, so wird die Polarisationsebene des Lichtes nicht verdreht. Das Licht passiert die Flüssigkristalle unverändert, trifft auf den zweiten Polfilter und wird von diesem absorbiert. Die Zelle lässt also bei angelegter Spannung kein Licht durch.
Zwischen der durchlässigen Zelle bei keiner angelegten Spannung und der komplett lichtundurchlässigen Zelle bei angelegter Spannung \(U\) kann der Lichtdurchgang quasi stufenlos über die Höhe der angelegten Spannung geregelt werden. Je kleiner die Spannung wird, desto mehr Licht kann die Zelle passieren.
Aufbau eines Farbdisplays
Mit den bisher beschriebenen Zellen könnte nur ein Graustufendisplay realisiert werden. Für ein Farbdisplay werden zusätzlich noch rote, grüne und blau Farbfilter benötigt, die dafür sorgen, dass jeweils nur Licht dieser Farbe durch eine Zelle gelangt. Eine solche rote, grüne oder blaue Zelle bildet ein Subpixel des Display. Drei dieser Subpixel, jeweils eines jeder Farbe, bilden gemeinsam ein Pixel. Da diese Subpixel sehr nahe beieinander liegen, kann dein Auge sie nicht mehr als einzelne Lichtquelle wahrnehmen, sondern es entsteht ein gemischter Farbeindruck des Pixels durch additive Farbmischung. Dabei kann ein Farbdisplay jedes Subpixel einzeln ansteuern und jeweils regulieren ob bzw. wieviel Licht diese eine LCD-Zelle passieren kann. So können sehr viele verschiedene Farben erzeugt werden.
Viele einzelne Zellen bilden ein Display
Viele einzelne, sehr eng beieinanderliegende Pixel bilden dann gemeinsam einen LCD-Farbbildschirm. Die weiße Hintergrundbeleuchtung passiert die verschiedenen Flüssigkristallzellen in unterschiedlicher Intensität und erzeugt so das für uns wahrnehmbare Bild. Wenn du mit einer Lupe ganz nahe an den Bildschirm herabgehst, kannst du vielleicht die einzelnen Pixel oder die Subpixel erkennen. Das Bild zeigt einen Ausschnitt des LEIFI-Schriftzuges mit entsprechender Vergrößerung fotografiert. Du kannst die leuchtenden Subpixel erkennen, während in den schwarzen Bereichen der Schrift nichts zu erkennen ist, da hier kein Licht die Zellen passiert.