تطوير جهاز عرض الشرائح لعرض الصور من الوسائط المتعددة

وزارة التعليم العالي

المعهد العالي لتكنولوجيا البصريات

شعبة تكنولوجيا البصريات

تطوير جهاز عرض الشرائح لعرض

الصور من الوسائط المتعددة

مشروع التخرج

إعداد

دفعة 2006

ملخص المشروع

جهاز عرض الشرائح يعمل بطريقة الإسقاط المباشر لشعاع الضوء من خلال  الشرائح الشفافة حاملا الصور التي على الشريحة لتعريض على شاشات العرض

وعدتا ما يتم التحكم أوتوماتيكيا أو يدويا في درجات إظهار الصورة وتوضيح الشرائح في اسطوانات دائرية أو إدراج ليتم عرض الشرائح واحدة بعد الأخرى وتكون الشريحة في حدود 2" × 2 " .

والغرض من هذا المشروع هو تطوير مهارات الطلاب في بناء جهاز عرض شرائح ليعرض البيانات الالكترونية.

وجهاز العرض المعدل يمكن أن يستخدم لعرض الصور من وسائط متعددة مثل جهاز التليفزيون وجهاز الحاسب الآلي وجهاز الفيديو إلى جانب عرض الشرائح الشفافة التقليدية.

الفهرس

الباب الأول

أجهزة العرض الضوئي

• نظم الإسقاط الضوئي في الأجهزة
• جهاز العرض العلوي
• جهاز عرض الشرائح الشفافة
• جهاز عرض الصور المعتمة
• جهاز العرض السينمائي
• الوسائط المتعددة لعرض الصور

الباب الثاني

شاشات عرض البلوري السائلة

• لتطور التاريخي
• فكرة عملها
• فكرة تصنيعها
• أنظمة التشغيل

الباب الثالث

• تطوير جهاز عرض الصور الثابتة لعرض الصور المتحركة من الأجهزة التليفزيون والحاسب الآلي.

الباب الرابع

• التنفيذ العلمي للمشروع

المراجع

الباب الأول

أجهزة العرض الضوئي

مقدمة :-

لأجهزة العرض الضوئي دوراً هاما في النظم التعليمية التي تعتمد على عرض الصور من وسائط التعليمية المتعددة مثل صور أجهزة التليفزيون و أجهزة الفيديو وأجهزة الحاسب الآلي والشرائح والشفافيات.

وفى هذا الباب يتم شرح لنظم إسقاط الضوء في أجهزة العرض الضوئي , لعرض الصور التي تقع في مسار الضوء داخل هذه الأجهزة كما سيتم عرض لأنواع أجهزة العرض الضوئي إلى جانب عرض لأجهزة الوسائط المتعددة المنتجة للصور.

التطور التاريخي للجهاز:-

قد تم تطوير جهاز العرض العلوي قبيل الحرب العالمية الثانية وكان في البداية يستخدم للأغراض العسكرية  والتدريب وفي أعمال الشرطة ثم ما لبث أن دخل في العمل التجاري والتعليم وأصبحت له شركات متخصصة لإنتاجه وهو من أجهزة الإسقاط الغير مباشر ويستخدم في عرض الشفافيات المصورة والمكتوبة وبالتالي فهو بديل جيد جدا عن السبورة والطباشير .

تعريف الجهاز:-

هو جهاز عرض أمامي  من أجهزة العرض الضوئي الغير مباشر

ويعرض الصور والرسوم الشفافة في الضوء العادي دون الحاجة إلى إظلام غرفة العرض.

نظم الإسقاط الضوئي في الأجهزة

        تتبع ثلاثة نظم للإسقاط الضوئي لإظهار الصور على الشاشة وهى :-

1- الإسقاط المباشر                   {  Direct projection  }

2- الإسقاط الغير مباشر        {   Indirect projection  }

3 - الإسقاط بالانعكاس          {  Reficeted projection  }

1- الإسقاط المباشر :-   {  Direct projection  }

وفى هذا النوع من الإسقاط تمر الأشعة الضوئية الصادرة عن المصدر الضوئي في الجهاز مباشرة خلال مكثف ضوئي, فالصورة المراد عرضها على الشاشة , فالعدسة الشيئية ومنها إلى الشاشة وهذا النوع من أكثر استخداما كما في أجهزة عرض الأفلام الثابتة والشرائح الشفافة والأفلام السينمائية المتحركة بأنواعها. 

2- الإسقاط الغير مباشر :-  {   Indirect projection  }

وفيه تسقط الأشعة الضوئية الصادرة عن مصدر ضوئي في الجهاز على مرآة مسطحة تعكسا إلى عدسة مكثفة للأشعة ثم تمر خلال المادة المراد عرضها إلى عدسة الشيئية ثم إلى مرآة مسطحة أخرى ، ثم إلى الشاشة ، وهذا النوع يستخدم في 
أجهزة العارض فوق الرأس.

.




3- الإسقاط بالانعكاس :- {  Reficeted projection  }

وفيه تمر الأشعة الضوئية الصادرة عن المصدر الضوئي على الشيء المراد عرضه وتوجد أعلاه مرآه كبيرة مسطحة تعكس صورة الشيء من خلال العدسة الشيئية , 
ويستخدم في أجهزة عرض الصور المعتمة.

ـ






أنواع أجهزة العرض

1- جهاز العرض العلوي Over Head

يعتبر جهاز العرض العلوي من أهم الوسائل الاتصال البصرية وأكثرها انتشارا

وهو جهاز عرض قادر على إسقاط صورة كبيرة ثابتة وساطعة على شاشة.

 مكونات جهاز العرض العلوي هي :-

الجزء الداخلي :-

1- مصدر ضوئي :-

وهو الجزء الرئيسي في الجهاز الذي يقوم بإرسال الضوء إلى الشفافة.

يكون من مادة التنجستين أو الكوارتز أو هالوجين.

2- مرآة مقعرة :-

وتوجد أسفل المصدر الضوئي و تعمل على تجميع الضوء و أنعكسه إلى أعلى  وهي بذلك تقوم بزيادة كثافة الضوء المتجهة إلى الشفافية( المادة المعروضة).

3- عدسة مجمعة :-

وتوجد فوق المصدر الضوئي لتجميع الضوء وترسله إلى عدسة فرينل.

4- مروحة التبريد :-

وهى للتخفيف من شدة الحرارة المنبعثة من المصدر الضوئي.

الجزء  الأوسط :-

1-   عدسة فرينل  Lens Fresnal :-

وهى عدسة مجمعة ومركزة للضوء.

 وهى  نسبة إلى مخترعها.

2-   الغطاء المعد لحمل الشفافية التي تستخدم في الكتابة .

3-   اللوح الشفاف  لوضع الشفافية المعدة عليه والذي يمر فوقه الورقة الشفافة.

4-    المكثف  (ترموستات ) يعمل على تشغيل المروحة أوتوماتيكياً عندما يكون الجهاز ساخن.

الجزء العلوي :-

1-   عدسة العرض ( الإسقاط ) تعمل على تكوين الصورة على الشاشة.

2-   المرآة العاكسة وهى على وضع مائل والتي تقوم بعكس الصورة على شاشة العرض.

3-   جهاز عرض الشرائح الشفافة ( ( Slide Projector

يعد هذا الجهاز من أجهزة الإسقاط الضوئي المباشر الفعالية الجيدة في إثارة اهتمام الطلاب ومن أنواعه جهاز عرض الشرائح البسيط وجهاز عرض الشرائح الناطق.

ويتميز جهاز عرض الشرائح الناطق انه يحتوى على شاشة عرض ذاتيه شاشة التليفزيون ويستخدم دون الحاجة إلى التعتيم إثناء بالإضافة إلى التسجيل الصوتي 
المتزامن مع العرض.

 مكونات جهاز عرض الشرائح الشفافة هي :-

الأجزاء الداخلي :-

1- مصدر ضوئي :-

وهو مصباح قوى للإضاءة.

ويكون من مادة التنجستين أو الكوارتز أو هالوجين.

2- مرآة مقعرة :-

وتقع خلف المصدر الضوئي مباشرة لتجميع الضوء القادم إليها من المصباح وعكسه.

2-   عدسة مجمعه للضوء ومركزة للضوء على الشريحة الشفافة.

4- مروحة للتبريد نظرا لشدة الحرارة المنبعثة من المصباح.

الأجزاء الخارجية والملحقات :-

1- عدسة أمامية مكبرة للصورة.

2- خزانة لتعبئة الشرائح تتسع لـ 36 أو 50 شريحة مقاس 5×5 سم.

3- مفتاح تشغيل منفصل

 يمكن توصيله بالجهاز , ويمكن بواسطته تشغيل الجهاز من بعد والتحكم في وضوح الصورة عند عرض الشرائح الشفافة.

4- رأس لعرض الأفلام الثابتة على جانبيه بكرات لحمل الفيلم الثابت.

5- وفى الجزء الخلفي من الجهاز يوجد مكان مضيء لمشاهدة الشريحة قبل وضعها في الخزانة.

6- مفتاح التشغيل ، ويوجد في خلف الجهاز.

4- جهاز عرض الصور المعتمة Opaque Projector

هو من الأجهزة الحديثة المخصصة لعرض الصور المعتمة عن طريق الإسقاط الغير المباشر (طريقة المرآة العاكسة ), وهو جهاز واسع الانتشار ويعود ذلك إلى سهولة استعماله في تكبير الرسومات والخرائط والصور المعتمة , أو في عرضها بمساحات كبيرة تسهل مشاهدتها بشكل واضح ,  كما يستخدم أيضا في عرض بعض الأجسام محدودة التجسيم كالعملات المعدنية أو أجزاء من النبات والنسيج.

  مكونات جهاز عرض الصور المعتمة :-

1-  مصباح قوى يعمل كمصدر للإضاءة .

2- مرآة مقعرة لتعكس الضوء الساقط عليها من المصباح على الصورة أو الجسم المطلوب عرضه .

3- حامل الصورة أو الجسم أو الرسم .

4- مرآة مستوية محدبة لزيادة وتركيز الأشعة و تعمل على عكسها.

5- مجموعة عدسات لتفريق الأشعة وإسقاطها على الشاشة حيث تظهر الصورة مكبرة.

6- مروحة لتبريد الحرارة المنبعثة من المصباح.

7- حامل متحرك للصور والرسومات بمساحات معينة.

8- يد لتحريك الحامل.

5- جهاز العرض السينمائي Data Show Projector

عن طريق هذا الجهاز يمكن أن تستخدم جهاز الفيديو لعرض الأفلام على شاشة العرض , كما يمكن توصيل جهاز الحاسب الآلي (Computer ) بهذا الجهاز وعرض ما يحتوى من برامج مخزنة عليه أو مسجلة على أسطوانة مدمجة أو أقرص صلبة.

ويتكون من نظام ضوئي دقيق يحتوى على مصدر قوى للضوء من مجموعة من العدسات لعرض صورة على شاشة عرض السائل البللورى (LCD) والتي تتصل مع أجهزة الحاسب الآلي أو الفيديو.

* ولكن هذه الأجهزة غالية الثمن وتحتاج إلى نظم صيانة خاصة.

§   الوسائط المتعددة لعرض الصور

هناك العديد من الوسائط التي تعرض الصورة الثابتة والمتحركة والأشكال والرسومات وما يصاحبها من أصوات والتي تلعب دورا هام في العملية التعليمية تذكر منها ما يلي :-

1-  جهاز التليفزيون :- TV

منذ ظهور التليفزيون ظهر دوره الواضح كوسيلة تعليمية وتثقيفية فعالة وذلك ما أثبته نتائج البحوث والدراسات التي أجريت على هذا المجال.

ومن ثم أقبلت المؤسسات التعليمية على استخدامه في العملية التعليمية لما يعرض على شاشة الجهاز من معلومات سمعية وبصرية.

سواء كانت تعرض على شاشات تليفزيونية تعتمد على أنبوبة أشعة المهبط (CRT) أو على أشعة السائل البللورى (LCD).

2-  جهاز الفيديو :- Video

ويتمتع الفيديو كوسيلة اتصال وتعلم سمعية وبصرية بمرايا تجعل منه ثورة حقيقية في عالم الاتصالات والمعلوماتية لما يتم عرضه منه على شاشات التليفزيون ونذكر منها :-

ü   تعرض برنامج الفيديو معلومات متنوعة في طبيعتها مثل  المحاضرات والندوات
 وعمل التجارب.

ü   حرية باختيار مكان عرض برنامج الفيديو في العملية التعليمية وزمانه.

ü   إمكانية التخزين عدد كبير من الشرائح والشفافيات والصور والخرائط على فيديو كاسيت واحد.

ü   يمكن ربط الفيديو بالعديد من الأجهزة التعليمية الأخرى.

3-  جهاز الحاسب الآلي :-  Computer

يعد الحاسب الآلي ناتجا من نواتج التقدم العلمي والتقني المعاصر ,كما يعد في الوقت ذاته أحد الدعائم التي تقود هذا التقدم , مما جعله في الآونة الأخيرة محور اهتمام القائمين على العملية التعليمية لما يعرض من معلومات على الشاشة الجهاز سواء كانت من النوع CRT أو من النوع LCD أو على شاشات العرض من خلال جهاز العرض السينمائي Data Show وقد تطورت أساليب استخدام الحاسب في التعليم وأصبح الاهتمام الآن منصباً على تطوير الأساليب المتبعة في التدريس باستخدام الحاسب أو استحداث أساليب جديدة يمكن أن يسهم من خلالها الحاسب في تحقيق ودعم بعض أهداف المناهج الدراسية.

وفى الباب الثاني يتم شرح لشاشات العارض السائل البللورى التي تعتمد عليها أجهزة التليفزيون – الحاسب الالى وأجهزة العرض السينمائي.

الباب الثاني

شاشات عرض البللورات السائلة

مقدمة :-

في هذا الباب سوف يتم عرض للتطور التاريخي وفكرة عمل شاشات عرض السائل البللورى التي تعتمد عليها أجهزة التليفزيون وأجهزة الحاسب الالى وأجهزة العرض السينمائي .

التطور التاريخي للجهاز:-

لم يعد أحد يعير اهتمام يذكر الأحرف و الأرقام التي تومض وتخبو بسرعة لا تتجاوز الأجزاء من الثانية على شاشات العرض وكأنها كتابة أشباح خفية.

ومع أن العالم لم يعرف هذه الظاهرة إلا من حوالي عقد ونصف العقد من الزمن , فإن أتساع انتشارها جعل منها أمرا عاديا بسرعة هائلة , حيث يستخدم ملايين البشر هذه التكنولوجيا يوميا في مجالات عديدة بشكل ساعات يدوية رقمية, أو حاسبات أو لوحات عدادات السيارات, أو ألعاب الجيب الكمبيوترية أو لوحات الإعلام عن المواعيد في المطارات ومحطات السكك الحديدية ...........................الخ.

  

ومع ذلك,فإن كل هذا الذي نراه ليس إلا تطبيقات الجيل الأول من تكنولوجيا تمهد الطريق أمام ثورة وشيكة في عالم التليفزيون.

وقد أطلق العلماء أسم العرض بالبلورات السائلة Liquid Crystal Display على النظام الجديد للعرض الالكتروني للأحرف

ولهذا النظام تاريخ طويل وشاق ,ومنذ زمن بعيد قياسا بتطوير التكنولوجيا الحديثة , وتحديدا في العام 1888 كان عالم النبات النمساوي فريدريك راينيترز  قد اكتشف المادة المسماة ( بنزول الكوليستيريل ).

ولاحظ أن لهذه المادة الغريبة صفة تتسم بالشذوذ, أنها تنصهر في حرارة تبلغ 145 درجة مئوية , ولكنها لا تصبح سائلا لا لون له إلا عندما تصل الحرارة إلى 179 درجة مئوية وفى الحالة الوسيطة تكون المادة حليبيه غير شفافة.

وقام الفيزيائي أوتوليهمان الذي كان آنئذ يعمل في مدينة كارلسروه الألمانية ,بدراسة هذا الشذوذ فاكتشف أن بنزول الكوليستيريل يمر بحالة ثالثة هي بين الحالتين الصلبة (الجامدة) والسائلة, واخترع ليهمان لهذه الحالة تسمية "  البلورات السائلة " مما فجر خلافا عنيفا داخل الأوساط العلمية التي أظهرت اهتماما فوريا بهذه الظاهرة.

وسرعان ما راحت الصناعة الكيميائية الألمانية تعمل على استطلاع حقائق البلورات السائلة من دون أن تكون لديها أي فكرة واضحة عن الطريقة التي يمكن استعمالها بها. وكانت شركة "ميرك" التي تتخذ من دارمشتات مقرا لها هي الرائدة في هذا الميدان، إذ أنزلت ما أسمته بالبلورات السائلة والمائعة إلى الأسواق منذ عام 1904 وفي السنة نفسها نشر أوتوليهمان في كارلسروه دراسة عن هذا اللغز، ولم تمض ثماني سنوات إلا وبدأت مبادرة شركة "ميرك" تعطى ثمارها المربحة، وقد قامت هذه الشركة الرائدة في عالم البلورات السائلة بدراسة خصائص عدة مئات من المواد البلورية السائلة.

وفي عام 1968 اكتشف جورج هيلماير في مدينة برنستون الأمريكية أنه إذا ما تعرضت البلورات السائلة إلى شحنة كهربائية فإنها تكسر الضوء بشكل مغاير لذلك الزى تكسره فيها البلورات نفسها إذا لم تكن واقعة داخل حقل كهربائي، وكانت هذه ملاحظة شكلت نقطة انطلاق عظيمة بالنسبة لفريق أبحاث شركة "ميرك"

وكان هذا الفريق قد درس سلوك الجزئيات في سلسلة كاملة من البلورات السائلة وسرعان ما استطاع التحقق من ماهية المركبات التي تظهر خواص كسر الضوء التي اكتشفها هيلماير أكثر من غيرها.

واستطاع الفريق كذلك بتوجيهه شحنة كهربائية إلى مناطق معينة إيجاد مناطق ضوء وعتمة متناقضة فيما بينها.  وشكلت هذه الخطوة بداية ثورة البلورات السائلة التي يمكن توضيحها كما يلي:

عندما تسخن المواد الصلبة أو معظمها فإن جزئياتها تعيد ترتيب نفسها بأنماط عشوائية، أما جزئيات البلورات السائلة الشبيهة بالعصيات فترتب نفسها على شكل مجموعات منتظمة عندما ترتفع الحرارة إلى درجة الانصهار وعلى العموم، فإن نمطا واحدا من أنماط التشكل هذه يبدو مفيدا للعلم،  أي عندما ترتب الجزئيات أنفسها طوليا بحيث تسمح لأشعة الضوء بالمرور من خلالها.  وعندما تتعرض هذه الجزئيات لشحنة كهربائية فإنما تدور حول نفسها بمقدار تسعين درجة، وهذا يعنى إمكانية التحكم بدرجة نفاذ الضوء عبرها،  مما يؤدى بالتيار الكهربائي إلى أنه ينتج تداعيا سريعا للضوء والعتمة في مناطق على شاشة العرض.

ويمكن للمرء أن يلاحظ هذه الظاهرة على شاشة الساعة الرقمية، مثلا حيث يكون كل رقم مكونا من شريط النقاط المنفصلة أحداها عن الأخرى والمعرضة أفراديا لشحنة كهربائية.

وإذا كان التقدم الذي تحقق أخيرا في ميدان الميكروالكترونيات قد جعل هذا ممكنا فإن فريق أبحاث شركة "ميرك" ما زال يعمل على تحسين نظام العرض الرقمي ، وقد قام بخلط مركبات جزيئية تتألف من 12أو 15 مادة مختلفة أو أكثر لهذا الغرض.

وفي مطلع السبعينات عثر العالمان الألمانيان شتادت وهالفريش على طريقة لتحقيق الكمال في هذا المجال إذ اكتشفا تقنية معقدة ومتطورة لفتل مجموعات أو تكتلات من البلورات السائلة، تماما كما تفعل سيدة البيت عندما تعصر منشفة مبللة لتجفيفها.  وعند كل نهاية من نهايتي مجموع الجزئيات تقوم مرشحات (فلترات) بصرية بصد كل تردد إلى أشعة الضوء باستثناء ترددات معينة. مما يعزز التباين أو التناقض بين الضوء والعتمة.

الجيل الثاني والمستقبل

وأدى هذا الاختراع إلى فتح الطريق مباشرة أمام "الجيل الثاني" من العرض بالبلورات السائلة وهو الجيل الذي أصبح يمتلك اليوم درجة عالية من السرعة ومن إمكانية الاعتماد عليه، وخلال سنوات قليلة أنتجت شركة "ميرك" سلسلة جديدة من العارضات بالبلورات السائلة مستخدمة مركبات مؤلفة من مئات الجزئيات المفضلة على المقاس، وأنزلت هذه العارضات إلى الأسواق.

وهناك شركات ألمانية أخرى تعمل الآن في صناعة أنظمة عرض أكثر فأكثر تعقيدا وطموحا، وقد أدت مشروعات ألمانية-يابانية مشتركة إلى إنتاج أجهزة مذهلة، مثل التلفزيونات التي لا تزيد في حجمها عن حجم ساعة اليد، وإن كانت غير ملونة.

وكذلك فقد تم تطوير مبرقة كاتبه (تلبرنتر) ذات عارض بالبلورات السائلة لرصد البث والاستقبال، ويمكن لهذا الجهاز أن يلحق بآلة طباعة عادية إذا كان المطلوب هو تأمين طباعة منتظمة.

وكان آخر الاختراعات في الثمانينات في مجال العارضات بالبلورات السائلة عبارة عن جهاز تلفزيون ملون غاية في ضآلة الحجم أنتجته شركة "سايكو" اليابانية بالاعتماد على نظام لعرض الألوان حصلت عليه من شركة "ميرك"كما تم أخيرا إطلاق برنامج واسع للأبحاث يهدف على العثور على المواد الكيميائية اللازمة للعرض الملون بواسطة البلورات السائلة، باعتبار أنه قد تم فعلا العثور على طريقة للحصول على عدد من الألوان، منها الأصفر والأحمر والأزرق والأخضر والبرتقالي، فإنه يمكن القول بأن إنتاج الألوان الأخرى الهامشية أصبح ممكنا.

وكانت إحدى العقبات الرئيسية الأخرى هي مشكلة تنظيم الآلاف من نقاط الصورة مرتبة في صفوف أفقية وعمودية على شاشة كبيرة مسطحة. وكان التنظيم الفرادى لهذه النقاط يعنى إضافة كمية هائلة من أسلاك الربط ولكن إحدى المعالجات لتجاوز هذه المشكلة بدأت الآن بالبروز فيما يسمى بالتقنية التعاقبية multiplex technique التي تجعل من الممكن تنظيم ما يصل إلى 128 صفا باستخدام منفذ واحد.  وبالمقارنة مع أنبوب الشعاع المهبط فإن شاشة العرض بالبلورات السائلة تبدو مضغوطة إلى أقصى الحدود، إذ لا تتجاوز سمك الأصبع كما أنها لا تحتاج إلى أكثر من تيار كهربائي لا يزيد من جزء من الواط.

وهذا كله يفتح الباب أمام توقع إمكانية أن تصبح شاشات العرض بالبلورات السائلة أجهزة منزلية في وقت أقصر مما يظن الكثيرون، ولا شك في أن هنالك مسافة من الطريق لا بد للتكنولوجيا من أن تقطعها قبل أن يبدأ إنتاج هذه الشاشات على نطاق واسع وجماهيري، ولكن الخبراء يؤكدون أن البلورات السائلة وشاشاتها هي تقنية تلفزيون المستقبل.

فكرة عمل شاشات البللورات السائلة LCD

تعتبر شاشات العرض الوسيلة التي تمكن الإنسان من الاستفادة من التكنولوجيا وقد نقصد بشاشات العرض هنا الشاشات بمختلف أنواعها فهناك الشاشات التي تعتمد على شعاع الإلكتروني أو الشاشات التي تعتمد شاشات البلازما وكل نوع من هذه الأنواع له فكرة عمل فيزيائية مختلفة ولكن في هذا الموضوع سنركز على شاشات البلورات السائلة.  ولهذا فإن شاشات العرض تحيط بنا من كل جانب وتدخل في تركيب العديد من الأجهزة الإلكترونية وتكون بأحجام صغيرة مثل شاشات الساعات أو شاشات السي دي أو الجوال وقد تكون بأحجام كبيرة مثل شاشات أجهزة الكمبيوتر المحمول أو شاشات التلفزيون التي يصل حجمها إلى 60 أنش.  تنوع أحجام شاشات البلورات السائلة وتميزها بصغر سمكها ساهم على انتشارها بشكل كبير وجعلها تدخل في العديد من التطبيقات التكنولوجية.

شاشة من البلورات السائلة كجزء من آلة حاسبة

 ربما يتسأل القارئ عن مصطلح البلورات السائلة لأنه من الاسم يبدو إن هناك تناقض في كون البلورات صلبة مثل الكوارتز وكونها بلورات سائلة فما هي هذه المادة التي تجمع الخاصيتين معاً؟  في هذه المقالة سوف نقوم بشرح ذلك مع توضيح لفكرة عملها كشاشات تعرض الصور والحروف والكلمات.

البلورات السائلة Liquid Crystals

نعلم أن المواد في الطبيعة إما في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية.  فالحالة الصلبة تكون فيها جزيئات المادة مرتبة باتجاه محدد وفي مواقع محددة بالنسبة لبعضها البعض أي لا تتحرك.  أما في  حالة السائلة فإن جزيئاتها تكون في حالة حركة مستمرة ولا يجمعها اتجاه ترتيب محدد.  ولكن هناك بعض المواد تكون في حالة وسطية أي بين السائل والصلب حيث تحافظ جزيئات المادة في هذه الحالة على اتجاه ترتيبها كما في جزيئات المادة الصلبة ولكن في نفس الوقت تتحرك مثل جزيئات الحالة السائلة، وهذا يعني أن البلورات السائلة هي ليست حالة صلبة وليست حالة سائلة ولكن بين الحالتين معا ومن هنا جاءت التسمية بالبلورات السائلة.

إذا هل يمكن إن نعتبر أن البلورات السائلة تتصرف مثل المواد الصلبة أو المواد السائلة؟  في الحقيقة إن البلورات السائلة اقرب إلى المواد السائلة منها إلى المواد الصلبة.  باعتبار إن ارتفاع بسيط في الحرارة بحولها إلى سائل.  ولهذا فإن البلورات السائلة حساسة للتغيرات في درجان الحرارة.

أنواع البلورات السائلة

كما يوجد العديد من المواد السائلة أو العديد من المواد الصلبة، فإن هناك العديد من أنواع البلورات السائلة،  تتواجد البلورات السائلة في عدة أطوار مختلفة تعتمد على درجة الحرارة وطبيعة المواد التي تصنع منها والنوع المخصص لصناعة الشاشات هو من الطور الدوار أو المتحرك nematic phase، ويمتاز هذا الطور في إن البلورات السائلة تتأثر بالتيار الكهربي.  وهناك نوع محدد من البلورات السائلة ذات الطور الدوار يستخدم في شاشات العرض هو الطور الدوار الملتوي  twisted nematicsويرمز له TN.  وعندما تتعرض البلورات ذات الطور الدوار الملتوي إلى تيار كهربي فإنها تصبح غير ملتوية وتعتمد درجة الالتواء على شدة التيار الكهربي.  تستخدم تكنولوجيا شاشات البلورات السائلة هذه الخاصية (خاصية الالتواء) في التحكم في مرور الضوء خلالها.

صورة توضح البلورات السائلة عند تكبيرها بواسطة ميكروسكوب

فكرة تصنيع شاشة من البلورات السائلة

يختلف الأمر عند الانتقال من تصنيع شريحة لمادة من البلورات السائلة عنه في حالة تصنيع شاشة عرض من البلورات السائلة.  وهناك أربعة حقائق يجب إن تتوفر لإنتاج شاشات عرض من البلورات السائلة.

• الحقيقة الأولى ظاهرة استقطاب الضوء.
• الحقيقة الثانية إن البلورات السائلة تسمح بمرور الضوء وتغير من استقطابه.
• الحقيقة الثالثة طبيعة تركيب البلورات السائلة تتغير بتغير التيار الكهربي.
• الحقيقة الرابعة وجود مواد شفافة موصلة للكهرباء.

شاشات البلورات السائلة LCD هي عبارة عن أداة تستخدم الحقائق الأربعة السابقة لتظهر الصورة!

 لتصنيع شاشة عرض من البلورات السائلة نستخدم لوحين من الزجاج المستقطب للضوء وهو عبارة عن مواد من البوليمر تحتوي على شرائح ميكروسكوبية (لا ترى بالعين المجردة) تغطي احد سطحي لوح الزجاج الذي لا يحتوي على شريحة الاستقطاب. 

 يتم ضبط الشرائح الميكروسكوبية لتكون في نفس اتجاه الاستقطاب الشريحة المثبتة على السطح المقابل.  تتم بعد ذلك إضافة طبقة رقيقة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار. 

 تعمل طبقة الشرائح الميكروسكوبية على توجيه البلورات السائلة لتصطف في اتجاه تلك الشرائح.  يتم وضع الطبقة الأخرى من الزجاج ولكن مع التأكد إن شريحة الاستقطاب عمودية على اتجاه استقطاب الشريحة الأولي. 

 تترتب الطبقات المتعاقبة من البلورات السائلة ذات الطور الدوار الملتوي بعضها فوق بعض من بدوران تدريجي يصل إلى 90 درجة بالنسبة لترتيب الطلقة الأولى.

عندما يسقط الضوء على الشريحة الزجاجية الأولي فإنها تعمل على استقطاب الضوء، ومن ثم تعمل جزيئات البلورات السائلة في كل طبقة على توجيه الضوء إلى الطبقة التي تليها مع تغير مستوى استقطاب الضوء. وعندما يصل الضوء للطبقة الأخيرة من طبقات البلورات السائلة فإنه يكون مستقطب في نفس اتجاء جزيئات تلك الطبقة وبالتالي ينفذ الضوء منها.

عند تطبيق مجال كهربي على جزيئات البلورات السائلة فإنها لا تلتوي وبالتالي فإن الضوء لا يمكن ان ينفذ من الجهة الأخرى. 

• Light Waves شعاع ضوئي.
• Polarized Panels طبقة الزجاج المغطي بشريحة رقيقة من مواد مستقطبة للضوء.
• Electrods طبقة رقيقة من مادة شفافة موصلة للتيار الكهربي.
• Liquid Crystals طبقات جزيئات البلورات السائلة.

بعد إن فهمنا الفكرة الفيزيائية لعلم  شاشات العرض التي تعتمد على البلورات السائلة والتي تتلخص في تمرير الضوء وحجبه عن طريق التحكم في ترتيب البلورات السائلة من خلال مجال كهربي.  إذا كيف يمكن إن نصنع شاشة بلورات سائلة.

نبدأ بتوفير شريحتين متقابلتين من الزجاج بينهما طبقة من البلورات السائلة ويضاف إليهما طبقتين من مادة شفافة موصلة للكهرباء electrodes.  وتكون ترتيب الطبقات كما هو موضح في الشكل التالي:

الطبقة A  عبارة عن القاعدة او الطبقة الخلفية وهي مرآة عاكسة لضوء.

الطبقة B عبارة عن طبقة من الزجاج عليه طبقة رقيقة تعمل على استقطاب الضوء.

الطبقة C عبارة عن طبقة شفافة موصلة من مادة indium-tin oxide لتوصيل التيار الكهربي.

الطبقة D عبارة عن طبقة البلورات السائلة وتكون فوق الطبقة الموصلة تماماً.

الطبقة E طبقة من الزجاج وعليه أيضا طبقة رقيقة من مادة مستقطبة للضوء ولكن في اتجاه عمودي على محور استقطاب الطبقة الأولى.

يوصل الالكترود بمصدر تيار كهربي مثل بطارية وعندما لا يمر تيار فإن الضوء يعبر من الطبقة الأول لشاشة البلورات السائلة سيصل إلى المرآة وينعكس عنها.  

ولكن عندما يمر التيار الكهربي من خلال الالكترود فإن البلورات السائلة الموجودة بين الالكترود والجهة المقابلة لها والتي تشكل مستطيل ستمنع الضوء من الوصول إلى المرآة مما يظهر منطقة معتمة على شاشة العرض.

 لاحظ أن شاشة البلورات السائلة LCD تتطلب مصدر ضوء خارجي.

  حيث أن مادة البلورات السائلة لاتصدر الضوء بنفسها. 

 الشاشات الصغير في الأغلب تكون عاكسة بمعنى انها تعرض الصورة من خلال انعكاس ضوء من مصدر خارجي. 

 فمثلا لو نظرنا إلى شاشة بلورات سائلة في ساعة اليد الرقمية فإن الأرقام تظهر عندما يمر تيار كهربي من خلال الإلكترود إلى مجموعة معينة من البلورات السائلة فتلتف لتعمل على حجب الضوء فتظهر منطقة معتمة تعطينا صورة الرقم كما في الشكل الموضح أدناه.

أما في شاشات الكمبيوتر المحمول أو الشاشات الحديثة من نوع الـ LCD فإنها تستخدم مصابيح فلوريسنت فوقها أو على الجوانب أو في خلف الشاشة نفسها. 

 وتعمل لوحة تشتيت للضوء مثبتة خلف شاشة البلورات السائلة لضمان توزيع منتظم لشدة الضوء على مساحة شاشة العرض.  

وحيث أن الطبقات التي تأتي فوق المصدر الضوئي هي عبارة عن شاشة البلورات السائلة بما تحتويه من طبقات مختلفة مثل طبقة الالكترود وطبقة البلورات السائلة نفسها وغيرها يعمل على امتصاص كمية كبيرة من ضوء المصدر الضوئي قد تصل إلى 50%!

في المثال الموضح في عرض الفلاش أدناه نشاهد لوحة الإلكترود وكيف أن إلكترود مفرد يتحكم في استجابة البلورات السائلة من خلال تمرير شحنة كهربية. 

 وإذا تخيلنا أن هناك من يتحكم في إرسال الشحنات الكهربية التي تمر عبر الالكترود فإنه يمكن تكوين صورة من خلال قيام البلورات السائلة بحجب الضوء ومنعه من الوصول إلى الشاشة الخارجية وبالتالي يمكن أن نعرف الآن لماذا تكون معالم الصورة على شاشة البلورات السائلة تكون سوداء.

أنظمة شاشات البلورات السائلة

النظام البسيط يسمى common-plane-based LCD أي شاشة عرض البلورات السائلة ذات القاعدة المشتركة، وهي تستخدم في الحالات التي تتطلب عرض مكرر للمعلومات مثل شاشات الساعات أو شاشات المثبتة على لوحة تحكم فرن الميكروويف. 

النظام الأكثر تعقيداً وهو المستخدم في شاشات الكمبيوتر وهناك نظامين هما passive matrixوالثاني active matrix.

نظام الـ passive matrix

يستخدم هذا النظام شبكة بسيطة تمثل عناصر الصورة على الشاشة والتي تعرف بالبكسيل pixelلتزويد عنصر صورة محدد بالشحنة الكهربية.  تتركب الشبكة من طبقتين من الزجاج تسمى القاعدةsubstrate.  احد هاتين القاعدتين يحتوي على مجموعة من أعمدة والقاعدة الزجاجية الثانية تحتوي على مجموعة من الصفوف وكلاً من الأعمدة والصفوف عبارة عن مواد موصلة للكهرباء وفي الأغلب هي indium-tin oxide.  يتم توصيل الأعمدة والصفوف بدائرة متكاملة integrated circuitsتتحكم في توقيت إرسال الشحنة الكهربية إلى عنوان محدد برقم العامود ورقم الصف الذي يجب أن تصل له الشحنة الكهربية.  تكون طبقة البلورات السائلة بين هاتين القاعدتين الزجاجيتين وتثبت طبقة الاستقطاب خرج القاعدتين.  ولتشغيل احد عناصر الصورة pixel يتم إرسال شحنة كهربية عبر الدائرة المتكاملة إلى العمود والصف المحددين لعنصر الصورة فيعملان على التأثير على البلورات السائلة بينهما فتعمل تلك البلورات السائلة على منع الضوء من المصدر الخلفي للشاشة عند تلك الـ pixel.

نظام الـ   Active Matrix

تم تطور النظام السابق لتلافي عدة عيوب منها بطء الاستجابة للحركة السريعة خصوصاً إذا قمت بتحريك مؤشر الماوس على الشاشة بسرعة كبيرة فكانت الصورة تظهر حركة المؤشر مع ظهور خيالات لها، ولكن في النظام الجديد الذي يعرف بنظام الـ active matrix فلا يوجد مثل هذا العيب حيث يعتمد نظام العرض هذا على شريحة رقيقة من الترانسيستورات thin film transistors وتختصر بـ TFT، ويظهر هذا الرمز عند وصف مواصفات الشاشة.  وببساطة فإن مجموعة كبيرة من التراتسيستورات والمكثفات المتناهية في الدقة مرتبة على شكل شبكة على قاعدة زجاجيةsubstrate.  يتم توجيه الشحنة الكهربية ايضا من خلال دوائر متكاملة تربط شبكة الترانسيستورات والمكثفات التي تمثل عناصر الصور وتكون وظيفة المكثفات هو الاحتفاظ بالشحنة لحين دورة المسح refresh cycle.  كما انه إذا تم التحكم بدقة بكمية الشحنة التي يجب إن تصل إلى المكثف فيكن التأثير على دورات البلورات السائلة بزاوية محددة مما تعمل على حجب الضوء بنسب متفاوتة وتعتمد على كمية الشحنة المرسلة لمكثف البكسيل المحدد.  مما تستطيع هذه الشاشات من عرض 256 درجة رمادية متفاوتة بين الأبيض والأسود في حين أن النظام السابق لا يظهر مكونات الصورة إلا بلونين هما اللون الأبيض واللون الأسود.

  

كيف تظهر البلورات السائلة الألوان

نحصل على الألوان في شاشات البلورات السائلة من خلال استخدام ثلاثة طبقات مرشحة filterللألوان الأساسية وهي الأحمر والأخضر والأزرق.  وبتحكم دقيق لكمية الشحنة يمكن الحصول على 256 درجة مختلفة لكل لون، وبدمج كافة الدرجات لكل الألوان يمكن أن نحصل على 16.8 مليون لون مختلف وهي عبارة عن حاصل ضرب 256 درجة للون الأحمر في 256 درجة للون الأخضر في 256 درجة للون الأزرق.  كما في الشكل التوضيحي أدناه.
 

كل هذه الألوان تتطلب عدد هائل من الترانسيستورات، وعلى سبيل المثال فإن شاشة جهاز كمبيوتر محمول تدعم دقة عرض resolution تصل إلى 1024x768.  يعني أنها تحتوي على عدد من الترانسيستورات يساوي حاصل ضرب 1024 عمود في 768 صف في 3 لكل لون ليساوي 2,359,296ترانزيستور على مساحة الشاشة!

أي خلل يحدث لواحد من هذه الترانسيستورات يظهر مباشرة على الشاشة في شكل نقطة معتمة ولهذا تخضع الشاشات من هذا النظام لفحص دقيق قبل استخدامها وتسويقها.

مستقبل شاشات البلورات السائلة

لازالت الأبحاث مستمرة لتطوير هذه التكنولوجيا التي من المتوقع خلال السنوات القليلة القادمة ان تستبدل شاشات الكاثود التقليدية لخفة وزنها وقلة سمكها وقلة استهلاكها للطاقة ووضوح صورتها، وتم عمل الأبحاث العلمية على تطوير البلورات السائلة نفسها لتشمل البلورات الدوارة الفائقةsuper twisted nematics (STN) وكذلك البلورات الدوارة المزدوجة المسح dual  scan twisted nematics (DSTN) وغيرها الكثير (اعتمد على التسمية الانجليزية لان الترجمة للمصطلحات غير معربة)، وكذلك يجري البحث العلمي على إنتاج شاشات البلورات السائلة بمساحات عرض كبيرة ويجب على القارئ إن يدرك سبب ارتفاع ثمن شاشات البلورات السائلة التي تزيد مساحة العرض عن 40 أنش وذلك لصعوبة تصنيعها مع العلم إن الشركات المنتجة لتلك الشاشات تتلف 50% منها لفشلها بعد عملية التصنيع ولذلك يتم تحميل ثمن التالف على ثمن السليم، وجدير بالذكر إن زيادة مساحة الشاشة يزيد من عرضت وجود كمية كبيرة من الترانسيستورات لا تعمل مما يسبب في استبعاد تلك الشاشات وإتلافها.

الباب الثالث

تطوير جهاز عرض الصور الثابتة لعرض الصور المتحركة من أجهزة التليفزيون والحاسب الآلي

من الأبواب السابقة يتضح أن هناك صور ثابتة تعرض من خلال الشرائح أو الشفافيات أو صور متحركة لتعرض على شاشات التليفزيون أو الحاسب الآلي .

ويهدف هذا المشروع إلى تطوير عرض شرائحSlide Projector  ليعرض معلومات الحاسب مباشرة بدلا من الطريقة التقليدية التي تستخدم الشرائح الفوتوغرافية ليحاكى جهاز عرض المعلومات الحاسب

جهاز العرض السينمائيData Show Projector باهظ التكاليف.

في السنوات السابقة تم تطوير جهاز العرض العلوي ليعرض من الحاسب الآلي على النحو التالي :-

التطوير الأولى :-

استخدمت شاشة البلورة السائلة لجهاز تليفزيون ووضعت بدلا من الألواح الشفافة على جهاز العرض العلوي والتي كانت متصلة بالحاسب لعرض بياناته وكذلك بيانات جهاز التليفزيون مكبر على شاشة العرض.

وقد استخدمت أيضا كاميرا لإمكانية عرض صورة الأجسام المعتمة بالجهاز.كما هو موضح بالشكل (1)

شكل (1) استخدم عارض بلورات سائلة لجهاز تليفزيون للعرض في الحاسب الآلي على جهاز العرض العلوي.

التطوير الثانية :-

تم إضافة وحدة مكبر صوت لاسلكية داخل جهاز العرض العلوي لتحسين ادائة في العمليات التعليمية.

أيضا تم استبدال الحاسب وجميع ملحقاته بالحاسب المحمول للتقليل من حجم الأجهزة المستخدمة.

كما هو موضح بالشكل (2)

شكل (2) إضافة وحدة مكبر صوت لاسلكية وعارض بلورات سائلة لجهاز العرض العلوي.

التطوير الثالثة :-

يتم تعديل الإسقاط الغير مباشر للصورة والإسقاط المباشر على LCD  لجهاز العرض العلوي.

وتعتمد الفكرة على تصميم وتنفيذ محلى لجهاز عرض البيانات من الحاسب الآلي إلى شاشة العرض دون الملحقات السابق ذكرها مع تحسين أدائه مما متاح لنا في السوق المحلى.

دمج جهاز العرض العلوي ووسيلة العرض من الحاسب (شاشة البلورة السائلة ) في وحدة ليمر الشعاع الضوئي أفقيا إلى شاشة العرض كما في جهاز عرض بيانات الحاسب دون الاحتياج إلى المرايا العاكسة المستخدمة في جهاز العرض العلوي لتحويل مسار الشعاع الرأسي إلى المسار الأفقي كنموذج يحاكى أجهزة عرض بيانات الحاسب باهظة التكاليف.كما هو موضح بالشكل (3).

شكل (3) دمج جهاز العرض العلوي وعارض البلورات السائلة في جهاز عرض واحد ليحول مسار الشعاع الضوئي إلى المسار الأفقي.

ويهدف مشروع هذا العام إلى تطوير جهاز أخر من أجهزة عرض الصور الثابتة وهو جهاز عرض شرائح ويتميز هذا الجهاز بصغر الحجم وخفة الوزن لاعتماد فكرته على الوحدات الكهربية والبصرية لأجهزة عرض شرائح هذا إلى جانب إمكانية استخدام (LCD) لها نفس مساحة شريحة العرض (2 بوصة ) وبتالي يتاح لنا عرض بيانات الحاسب الآلي من خلال ربط هذه الشريحة مع جهاز الجديد بأنه يعمل بمصباح يغذى من مصدر التيار مباشرة 220 فولت بقوة 300 وات .

كما هو موضح بالشكل (4).

شكل (4) دمج عارض البلورات السائلة لتليفزيون 2 بوصة مع جهاز عرض شرائح ليعرض من الوسائط المتعددة.

الباب الرابع

---

جميع الحقوق محفوظة © رفعت تاج