הקשחת מסך ושיפור תאורה במסכי LCD

מסכי LCD הינם מוצר צריכה באיכויות משתנות המתאים לרוב האוכלוסייה. ישנם יצרני מסכי LCD שאינם מייצרים את המסכים לפי דרישות צרכים מיוחדות של משתמשי הקצה. המענה למשתמשים אלו נעשה על ידי מספר קטן של חברות המתמחות בשיפור נתוני המסך בהתאם לדרישות משתמש הקצה.
במאמר זה נעסוק בשדרוג של מסכי LCD לרמה צבאית הן מבחינת התאורה האחורית והן מבחינת הקשחת/חיזוק מסך ה-LCD תוך התמקדות באלמנט התצוגה והבקרה של מחשב בלבד ולא ניכנס כאן לעמידות בהתאם לתקן MIL-STD של מערכת שלמה.
מאמר זה אינו בא לתת עצות לכיול אופטימלי של מסכי LCD או להדריך איך לשנות בהירות במחשב הנייד.

דרישות
הפנל שבלב מסך ה-LCD הינו פריט מאוד רגיש ושביר. הפנל הינו שכבה של מולקולות גביש נוזלי הנתונה בין שתי אלקטרודות שקופות, כאשר משני צדי הפנל מודבקים מקטבים.
הגביש הנוזלי אינו פולט אור, מתחת למקטב התחתון יש מספר אלמנטים אופטיים שתפקידם לפזר אור בצורה אחידה ולהוביל אותו לכיוון הפנל. האור, שמקורו בשורה של לדים לבנים הממוקמים בצד אחד (או יותר) של המסך, הינם נסתרים מעיני המשתמש אשר צופה למעשה במקטב העליון בלבד.
דרישות המשתמשים הינן מגוונות:
1. הקשחת המסך נגד ונדליזם או תנאי סביבה.
2. הגברת בהירות ואחידות התאורה במסך.
3. הגנה נגד הפרעה אלקטרומגנטית.
4. צורך בהפעלה בכל מזג אוויר (הגביש הנוזלי אינו פועל בטמפרטורה מאוד נמוכה).
5. הוספה של מסך נגיעה.
6. הוספת אטימה וציפויים נגד השתקפות, ברק ועוד.
עקב רגישות ה-LCD נדרשת הקשחת המסך על מנת שיוכל לעמוד בתנאי סביבה קשים ונגד ואנדליזם.

פתרונות
כדי להגיע לביצועים טובים יש צורך בהדבקה בין לוח ההקשחה והמסך בטווח טמפרטורות רחב, בהתאמה בין המקדמים האופטיים של המסך ושל לוח ההקשחה ואטימה איכותית בקצוות.
ישנם שלושה סוגים ידועים של פתרונות הקשחה לדרישה זו:
א. הדבקת זכוכית קשיחה על מסך ה-LCD – תהליך זה מבוצע על ידי הוספת מסגרת פנימית של חומר שמודבק בעזרת דבק דו-צדדי. הבעיה בשיטה זו היא הנחתה בבהירות המסך (בגלל החזרות אור פנימיות) וסכנה של עיבוי פנימי בין השכבות במצבים של הפרשי טמפרטורה קיצוניים.
ב. למינציה יבשה – הדבקה של הזכוכית בעזרת יריעה שלמה של חומר עם דבק דו צדדי אופטי מעל המסך. יש בשיטה זו סכנה של הפרדה (דה-למינציה) במקרים של שינויי טמפרטורה קיצוניים והפרדות בין הדבק לזכוכית ולמסך.
ג. למינציה רטובה – הדבקה של זכוכית בעזרת מסגרת גמישה ואטומה מעל המסך ומילוי החלל ביניהם עם דבק אופטי. שיטה זו עדיפה מפני שאפשר להשתמש בדבקים שנשארים מאוד גמישים ושקופים, גם אחרי שימוש של שנים בתנאי סביבה מגוונים וקיצוניים. היתרון העיקרי והגדול של השיטה הזו הינו שכוחות שקודם היו פועלים ישירות על הגביש הנוזלי, עכשיו מועברים אליו בטווח מאוד רך (SHORE 00 ~20). יתרון נוסף של השיטה הזו הוא הגברת הבהירות והניגודיות של המסך (איור 1).
צריך לדעת שבמסכי נגיעה (Touch screen) אין אפשרות להוסיף זכוכית נוספת לצורך הקשחה ולכן במקרים אלו יש צורך לפרק את מסך הנגיעה מעל הפנל של הגביש נוזלי ומבצעים למינציה כפולה. קודם מדביקים את הזכוכית למסך הנגיעה ולאחר מכן את שניהם לפנל של הגביש נוזלי (LCD).

השבחה (Enhancement)
בנוסף להקשחת המסך יש דרישה גם להשבחת המסך.
השבחת המסך משפרת את הביצועים האופטיים ומאפשרת לראות את המידע המוצג גם בתנאי תאורה ירודים.
תהליך ההשבחה מתבצע תוך בחירת פילטר מתאים בהתאם לדרישות המוצר.
ישנם מספר ציפויים כגון: ציפוי נגד סינוור (AntiGlare), ציפוי נגד החזרת אור (AntiReflection) ע”ג הזכוכית, מה שמוסיף עוד כ-4% תאורה בממוצע, ציפוי שמונע לכלוך ועוד.
יש לציין כי כל פעולות הלמינציה למיניהן מבוצעות בחדרים נקיים (class 100) וכל זאת מכיוון שעין המשתמש מסוגלת לראות כל לכלוך ופגם ולו הקטן ביותר בעת הדלקת המסך במיוחד אם רקע המסך הוא בהיר.
בשדה הקרב המודרני ישנן הפרעות שאינן נראות לעין, אבל הן יכולות לגרום נזק בלתי הפיך לציוד אלקטרוני. הפרעות אלו הן הפעימות (EMP) והקרינה האלקטרומגנטית (EMI).
ניתן להתגבר על תופעות אלו בדרכים הבאות:
א. רשתות מתכת המגינות על הציוד נגד התופעות האלה. הרשתות יכולות להיות מנירוסטה מצופה, כסף או מנחושת מושחרת. לרשתות אלו מעבר אור הגדול מ-85% .
ב. רשתות שמוטמעות כהדפסה בפילם ומודבקות בשיטות למינציה למיניהן.
ג. רשתות שמודפסות על הזכוכית עצמה (EMI mesh).
ניתן למתוח או להדפיס את הרשתות האלו בכל זווית על מנת למנוע אפקט “מוארה” (moiré effect). רשתות אלו יעילות יותר מציפוי ITO.
התערבות נוספת נדרשת כאשר המסך חייב לעבוד בתנאי קור של פחות מ-, למסכים אלו נדרשת הוספת שכבת ציפוי ITO.
חומר זה בהיותו מעביר מתח, יעיל לחימום המסך. השימוש בו נפוץ במסכים שצריכים להתמודד עם טמפרטורות נמוכות וזמני תגובה קצרים.

שיפור בהירות המסך
דרישה נוספת ושכיחה למסכים בעיקר מוטסים הינה שיפור בבהירות ואחידות בתצוגה, כזו המאפשרת לראות אינפורמציה על גבי הצגים, גם במצבים קיצוניים של אור יום.
האור האחורי במסכים (מקורו משורת “לדים” הנמצאים בצדי המסך) עובר דרך מספר אלמנטים אופטיים שטוחים.
אור זה מקוטב על ידי מקטב אחורי והגביש הנוזלי (LCD) “מסובב” חלק מהקיטוב והאור שלא נחסם נפלט דרך המקטב הקדמי.
למעשה בבדיקה פוטומטרית של מסך מתגלה אי אחידות בתאורת “הלדים” האחורית .
במצב זה התאורה הכללית אינה מספיקה כדי להתחרות עם אור היום.
במקרה כזה נדרש להוסיף אלמנט אופטי פריזמתי עם צריבה מיוחדת (פריזמה אחורית) אליו מוצמדים שורה של לדים. מכלול זה משפר את אחידות פיזור האור ועל ידי כך מקבלים עוצמת אור חזקה וטובה יותר (איור 2-3).
הפריזמות לתאורה האחורית של המסך מיוצרות בעיבוד שבבי מדויק עד לרמה אופטית בעזרת טכנולוגיה של עיבוד יהלום (single point diamond turning) ותהליכי מירוק שונים .
חומר הגלם שמעביר אור בצורה טובה הוא אקריל (PMMA), בחומר אקרילי זה יש תוספים של מפזרי אור שונים. לאחר העיבוד וקבלת הצורה הרצויה של הפריזמה, מוסיפים צריבה של תבנית ייחודית שמותאמת לכל סוג של מסך ולדרישות המשתמש.
לעיתים צורת ואופיין צריבת התבנית מפותחת ביחד עם המשתמש, תהליך הפיתוח כולל תכנון אופטי ומספר רב של בדיקות ומדידות בעזרת פוטומטר במספר רב של נקודות על גבי הפריזמה, עד לקבלת תוצאה סופית המספקת את הלקוח.
בסוף התהליך הפריזמות עוברות תהליך טרמי של שחרור מאמצים כדי להבטיח אחידות וביצועים ללא שינוי למשך חיי המוצר.
שיפור ביצועי האלמנט הפריזמתי הוא המפתח לנראות באור יום מלא.