Подсветка
Подсветка жидкокристаллических — это форма освещения, используемая в дисплеях (ЖК-дисплеях), которая обеспечивает освещение сзади или сбоку панели дисплея. ЖК-дисплеи сами по себе не излучают свет, поэтому для создания видимого изображения им требуется освещение ( окружающий свет или специальный источник света). Подсветка часто используется в смартфонах , компьютерных мониторах и ЖК-телевизорах . Они используются в небольших дисплеях для повышения читаемости в условиях низкой освещенности, например, в наручных часах . [1] Типичные источники света для подсветки включают светодиоды (LED) и люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL).
Простые типы ЖК-дисплеев, например те, которые используются в карманных калькуляторах, построены без внутреннего источника света, поэтому для передачи изображения на дисплее пользователю требуются внешние источники света. Однако большинство ЖК-экранов имеют внутренний источник света. Такие экраны состоят из нескольких слоев. Подсветка обычно представляет собой первый слой сзади. Затем световые клапаны изменяют количество света, попадающего в глаз, каким-то образом блокируя его прохождение. Большинство из них используют фиксированный поляризационный фильтр и переключающий фильтр для блокировки нежелательного света.
Многие типы дисплеев, кроме ЖК-дисплеев, генерируют собственный свет и не требуют подсветки, например, дисплеи OLED , дисплеи с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и плазменные дисплеи (PDP).
Похожий тип технологии называется передней подсветкой , которая освещает ЖК-дисплей спереди.
Обзор некоторых ранних схем подсветки ЖК-дисплеев дан в отчете « История техники и технологий» Питера Дж. Уайлда . [2]
Типы источников света
[ редактировать ]Источник света может состоять из:
- Светодиоды (LED)
- Электролюминесцентная ) панель (ЭЛП
- Люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL)
- с горячим катодом Люминесцентные лампы (HCFL)
- с внешним электродом Люминесцентные лампы (EEFL)
- Раньше лампы накаливания
ELP излучает равномерный свет по всей своей поверхности, но в других подсветках часто используется рассеиватель, чтобы обеспечить равномерное освещение от неравномерного источника.
Подсветка бывает разных цветов. Монохромные ЖК-дисплеи обычно имеют желтую , зеленую , синюю или белую подсветку, тогда как в цветных дисплеях используется белая подсветка, охватывающая большую часть цветового спектра .
Использование
[ редактировать ]Цветная светодиодная подсветка чаще всего используется в небольших недорогих ЖК-панелях. Белая светодиодная подсветка становится доминирующей. Подсветка ELP часто используется для больших дисплеев или когда важна даже подсветка; он также может быть цветным или белым. ELP должна стимулироваться относительно высокими [ указать ] напряжение переменного тока , которое обеспечивается инверторной схемой. Подсветка CCFL используется на больших дисплеях, таких как компьютерные мониторы, и обычно имеет белый цвет; они также требуют использования инвертора и диффузора. Подсветка лампами накаливания использовалась в первых ЖК-панелях для достижения высокой яркости, но ограниченный срок службы и избыточное тепло, выделяемое лампами накаливания, были серьезными ограничениями. Из-за тепла, выделяемого лампами накаливания, лампы обычно необходимо устанавливать подальше от дисплея, чтобы предотвратить повреждение.
CCFL-подсветка
[ редактировать ]В течение нескольких лет (примерно до 2010 года) предпочтительная подсветка для больших ЖК-панелей с матричной адресацией, таких как мониторы и телевизоры, была основана на люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL) с использованием двух CCFL на противоположных краях ЖК-дисплея или с помощью массив CCFL за ЖК-дисплеем (см. изображение массива из 18 CCFL для 40-дюймового ЖК-телевизора). Из-за недостатков по сравнению со светодиодной подсветкой (требуется более высокое напряжение и мощность, более толстая конструкция панели, отсутствие высокоскоростного переключения, более быстрое старение), светодиодная подсветка становится все более популярной. [ нужна ссылка ]
Многие модели ЖК-дисплеев, от дешевых TN-дисплеев до цветопробных панелей S-IPS или S-PVA, имеют широкую цветовую гамму CCFL, составляющую более 95% цветовой спецификации NTSC .
Светодиодная подсветка
[ редактировать ]Светодиодная подсветка цветных экранов бывает двух видов: белая светодиодная подсветка и светодиодная подсветка RGB. [3] Белые светодиоды чаще всего используются в ноутбуках и экранах настольных компьютеров, а также составляют практически все мобильные ЖК-экраны. Белый светодиод обычно представляет собой синий светодиод с желтым люминофором широкого спектра , излучающим белый свет. Однако, поскольку пик спектральной кривой приходится на желтый цвет, он плохо соответствует пикам пропускания красных и зеленых цветных фильтров ЖК-дисплея. Это приводит к смещению основных красных и зеленых цветов в сторону желтого, уменьшая цветовую гамму дисплея. [4] Светодиоды RGB состоят из красного, синего и зеленого светодиодов , и ими можно управлять для получения различных цветовых температур белого цвета. Светодиоды RGB для подсветки используются в цветопробных дисплеях высокого класса, таких как монитор HP DreamColor LP2480zx или некоторые ноутбуки HP EliteBook , а также в более поздних дисплеях потребительского класса, таких как ноутбуки серии Dell Studio, которые имеют дополнительный светодиодный дисплей RGB.
огромную цветовую гамму . Светодиоды RGB могут обеспечить на экранах [5] При использовании трех отдельных светодиодов ( аддитивный цвет ) подсветка может создавать цветовой спектр, который точно соответствует цветовым фильтрам в самих пикселях ЖК-дисплея . Таким образом, полосу пропускания фильтра можно сузить так, чтобы каждый цветовой компонент пропускал через ЖК-дисплей только очень узкую полосу спектра. Это повышает эффективность дисплея, поскольку при отображении белого цвета блокируется меньше света. Фактические красные, зеленые и синие точки можно переместить дальше, чтобы дисплей мог воспроизводить более яркие цвета.
Метод дальнейшего улучшения цветовой гаммы ЖК-панелей со светодиодной подсветкой основан на использовании синих светодиодов (таких как светодиоды из нитрида галлия (GaN)), которые освещают слой нанокристаллических люминофоров, называемых квантовыми точками (QD). [6] Квантовые точки преобразуют синие длины волн в желаемые более длинные волны в виде узкополосного зеленого и красного цветов для оптимального освещения ЖК-дисплея сзади. Производитель Nanosys утверждает, что цветопередачу точек можно точно настроить, контролируя размер нанокристаллов. Другими компаниями, использующими этот метод, являются Nanoco Group PLC (Великобритания), QD Vision , 3M (лицензиат Nanosys) и Avantama из Швейцарии . [7] [8] Sony адаптировала технологию квантовых точек от американской компании QD Vision [9] представить ЖК-телевизоры с улучшенной светодиодной подсветкой по краям , продаваемые под названием Triluminos в 2013 году. Благодаря синему светодиоду и оптимизированным нанокристаллам для зеленого и красного цветов перед ним, получаемый комбинированный белый свет обеспечивает эквивалентную или лучшую цветовую гамму. чем тот, который излучает более дорогой набор из трех светодиодов RGB. На выставке Consumer Electronics Show 2015 ряд компаний продемонстрировали QD-усиленную светодиодную подсветку ЖК-телевизоров, в том числе Samsung Electronics , LG Electronics и китайскую TCL Corporation . [10] [11]
Со светодиодной подсветкой есть несколько проблем. Однородности трудно достичь, особенно по мере старения светодиодов, поскольку каждый светодиод стареет с разной скоростью. Использование трех отдельных источников света: красного, зеленого и синего означает, что белая точка дисплея может перемещаться по мере старения светодиодов с разной скоростью; Этому явлению подвержены белые светодиоды, при этом на несколько сотен Кельвинов изменения цветовой температуры регистрируются . Белые светодиоды страдают от синего смещения при более высоких температурах, варьирующихся от 3141K до 3222K в диапазоне от 10 °C до 80 °C соответственно. [12] Энергоэффективность может стать проблемой; Реализации первого поколения потенциально могут потреблять больше энергии, чем их аналоги CCFL, хотя светодиодный дисплей может быть более энергоэффективным. [ нужна ссылка ] В 2010 году светодиодные дисплеи текущего поколения могут иметь значительные преимущества в энергопотреблении. Например, несветодиодная версия 24-дюймового потребительского дисплея Benq G2420HDB потребляет 49 Вт по сравнению с 24 Вт светодиодной версии того же дисплея ( G2420HDBL ).
Чтобы преодолеть вышеупомянутые проблемы с помощью RGB и белой светодиодной подсветки, был использован «усовершенствованный дистанционный люминофор». [13] Светодиодная технология была разработана компанией NDF Special Light Products специально для высококачественных и долговечных ЖК-приложений, таких как дисплеи в кабине , [14] Дисплеи управления воздушным движением и медицинские дисплеи. В этой технологии используются синие светодиоды накачки в сочетании с листом, на котором для преобразования цвета печатаются фосфорно-люминесцентные материалы. Принцип аналогичен квантовым точкам, но применяемые люминофоры гораздо более надежны, чем наночастицы квантовых точек, для применений, требующих длительного срока службы в более сложных условиях эксплуатации. Поскольку лист люминофора расположен на расстоянии (удаленном) от светодиода, он испытывает гораздо меньшую температурную нагрузку, чем люминофор в белых светодиодах. В результате точка белого в меньшей степени зависит от отдельных светодиодов и деградации отдельных светодиодов с течением срока службы, что приводит к более однородной подсветке с улучшенной однородностью цвета и меньшей потерей светового потока.
Использование светодиодной подсветки в ноутбуках растет. Sony использует светодиодную подсветку в некоторых своих тонких ноутбуках VAIO более высокого класса с 2005 года, а Fujitsu представила ноутбуки со светодиодной подсветкой в 2006 году. В 2007 году Asus , Dell и Apple представили светодиодную подсветку в некоторых моделях своих ноутбуков. По состоянию на 2008 год [update] анонсировала Компания Lenovo ноутбуки со светодиодной подсветкой. В октябре 2008 года Apple объявила, что будет использовать светодиодную подсветку для всех своих ноутбуков и нового 24-дюймового дисплея Apple Cinema Display , а год спустя представила новый светодиодный iMac , то есть все новые компьютерные экраны Apple стали дисплеями со светодиодной подсветкой. . Почти каждый ноутбук с дисплеем 16:9, представленный с сентября 2009 года, использует панели со светодиодной подсветкой. Это также относится к большинству ЖК-телевизоров, которые продаются в некоторых странах под вводящим в заблуждение названием LED TV , хотя изображение по-прежнему генерируется ЖК-панелью.
Большинство светодиодных подсветок для ЖК-дисплеев имеют боковую подсветку , т. е. несколько светодиодов размещаются по краям световода (световодной пластины, LGP), который распределяет свет за ЖК-панелью. Преимуществами этого метода являются очень тонкая плоская конструкция и низкая стоимость. Более дорогая версия называется полной матрицей или прямой светодиодной подсветкой и состоит из множества светодиодов, расположенных за LC-панелью (массив светодиодов ), что позволяет равномерно освещать большие панели. Такое расположение обеспечивает локальное затемнение для получения более темных черных пикселей в зависимости от отображаемого изображения.
Затемнение подсветки
[ редактировать ]Светодиодная подсветка часто динамически управляется с использованием видеоинформации. [15] (динамическое управление подсветкой или динамическая светодиодная подсветка с «локальным затемнением», также продаваемая как HDR, телевизор с расширенным динамическим диапазоном, изобретенный исследователями Philips Дугласом Стэнтоном, Мартинусом Струмером и Адрианусом де Вааном [16] [17] [18] ).
Использование ШИМ (широтно-импульсной модуляции, технологии, при которой интенсивность светодиодов поддерживается постоянной, но регулировка яркости достигается за счет изменения временного интервала мигания этих источников света постоянной интенсивности света). [19] ), подсветка затемняется до самого яркого цвета, который появляется на экране, одновременно увеличивая контрастность ЖК-дисплея до максимально достижимого уровня.
Если частота ШИМ слишком мала или пользователь очень чувствителен к мерцанию, это может вызывать дискомфорт и напряжение глаз, аналогично мерцанию ЭЛТ-дисплеев . [20] [21] Пользователь может проверить это, просто помахав рукой или предметом перед экраном. Если при движении объекта кажется, что он имеет четко очерченные края, подсветка включается и выключается с довольно низкой частотой. Если объект выглядит размытым, значит, дисплей либо имеет постоянную подсветку, либо подсветка работает на частоте выше, чем может воспринимать мозг. Мерцание можно уменьшить или устранить, выбрав полную яркость дисплея, однако это может отрицательно повлиять на качество изображения и срок службы батареи из-за увеличения энергопотребления.
Диффузоры
[ редактировать ]Чтобы подсветка без ELP обеспечивала равномерное освещение, что критически важно для дисплеев, свет сначала проходит через световод (световодную пластину, LGP) — специально разработанный слой пластика , который рассеивает свет через ряд неравномерно расположенных выступов. . Плотность выпуклостей увеличивается по мере удаления от источника света в соответствии с уравнением диффузии . Рассеянный свет затем распространяется по обе стороны рассеивателя; передняя часть обращена к фактической ЖК-панели, задняя часть имеет отражатель , который направляет потерянный в противном случае свет обратно на ЖК-панель. Отражатель иногда изготавливается из алюминиевой фольги или простой поверхности с белым пигментом.
Светоотражающие поляризаторы
[ редактировать ]Системы подсветки ЖК-дисплея становятся высокоэффективными за счет применения оптических пленок, таких как призматическая структура, для направления света в желаемых направлениях зрителя, а также отражающих поляризационных пленок, которые повторно используют поляризованный свет, который ранее поглощался первым поляризатором ЖК-дисплея (изобретен исследователями Philips). Адрианус де Ваан и Паулюс Шареман), [22] обычно достигается с использованием так называемых пленок DBEF, производимых и поставляемых компанией 3M. [23] Эти поляризаторы состоят из большой стопки одноосноориентированных двулучепреломляющих пленок, которые отражают прежнюю поглощенную моду поляризации света. [24] Такие отражающие поляризаторы, использующие одноосноориентированные полимеризованные жидкие кристаллы (двулучепреломляющие полимеры или двулучепреломляющий клей), изобретены в 1989 году исследователями Philips Дирком Броером, Адрианусом де Вааном и Йоргом Брамбрингом. [25] Сочетание таких отражающих поляризаторов и светодиодного динамического управления подсветкой. [16] делают современные ЖК-телевизоры намного более эффективными, чем телевизоры на основе ЭЛТ, что приводит к мировой экономии энергии в размере 600 ТВтч (2017 г.), что соответствует 10% потребления электроэнергии всеми домохозяйствами во всем мире или в 2 раза превышает производство энергии всеми солнечными батареями. клетки в мире. [26] [27]
Потребляемая мощность
[ редактировать ]Эволюция энергетических стандартов и растущие ожидания общественности в отношении энергопотребления привели к тому, что системы подсветки стали управлять своей мощностью. Что касается других продуктов бытовой электроники (например, холодильников или лампочек), категории энергопотребления установлены для телевизоров. [28] Стандарты номинальной мощности телевизоров были введены, например, в США, ЕС и Австралии. [29] так и в Китае. [30] Более того, исследование 2008 г. [31] показали, что среди европейских стран энергопотребление является для потребителей одним из важнейших критериев при выборе телевизора, столь же важным, как и размер экрана. [32]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Патент США 4096550 : В. Боллер, М. Донати, Дж. Фингерл, П. Уайлд, Осветительное устройство для полевого жидкокристаллического дисплея, а также изготовление и применение осветительного устройства , подан 15 октября 1976 г.
- ^ «Истории из первых рук: эволюция жидкокристаллических дисплеев - вклад Швейцарии» . Wiki по истории техники и технологий. Архивировано из оригинала 3 июля 2017 года . Проверено 30 июня 2017 г.
- ^ «Что такое светодиодный телевизор?» . Ledtele.co.uk. Архивировано из оригинала 11 февраля 2012 года . Проверено 19 февраля 2012 г.
- ^ Эволюция светодиодной подсветки; Адам Симмонс; ПКМ-мониторы PCM, Статьи Monitor, 12 ноября 2017 г.; «Эволюция светодиодной подсветки | Мониторы ПК» . Архивировано из оригинала 1 декабря 2017 года . Проверено 27 ноября 2017 г.
- ^ Конкурирующие технологии отображения для наилучшего качества изображения; AJSM де Ваан; Журнал общества информационных дисплеев, том 15, выпуск 9, сентябрь 2007 г., страницы 657–666; http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1889/1.2785199/abstract ?
- ^ «КДЕФ» . Пионеры квантовых точек . Архивировано из оригинала 29 мая 2014 года.
- ^ Дисплей с квантовыми точками без кадмия. avantama.com. Проверено 17 августа 2019 г.
- ^ IEEE Spectrum, 2012, 8, стр. 11-12, Квантовые точки стоят за новыми дисплеями
- ^ «Дисплеи QD Vision» . Архивировано из оригинала 2 сентября 2013 года . Проверено 23 июля 2013 г.
- ^ IEEE Spectrum: CES 2015 — Что, черт возьми, такое квантовые точки? , 2 января 2015 г.
- ^ IEEE Spectrum: CES 2015 — Делаем ставки на новые телевизионные технологии. 7 января, 2015 г.
- ^ «Светодиоды белого света — важность эталонов измерений» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 25 февраля 2012 года . Проверено 19 февраля 2012 г.
- ^ «ARPHOS®, революция в подсветке ЖК-дисплеев» . Архивировано из оригинала 19 сентября 2016 года . Проверено 29 июля 2016 г.
- ^ «Разработка технологии дистанционного люминофора для авиационных дисплеев кабины» . Архивировано из оригинала 15 августа 2016 года.
- ^ Светодиодные телевизоры: 10 вещей, которые нужно знать; Дэвид Карной, Дэвид Кацмайер; vrenture.com/новости; 3 июня 2010 г.; «LED-телевизоры: 10 вещей, которые нужно знать» . Архивировано из оригинала 1 декабря 2017 года . Проверено 22 ноября 2017 г. .
- ^ Перейти обратно: а б Способ и устройство для создания изображения, имеющего желаемую яркость; Д.А. Стэнтон; MVC Струмер; AJSM де Ваан; патент США USRE42428E; 7 июня 2011 г.; https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=US&NR=RE42428E
- ^ Объяснение локального затемнения светодиодов; Г. Моррисон; vrenture.com/новости; 26 марта 2016 г.; «Объяснение локального затемнения светодиодов» . Архивировано из оригинала 23 ноября 2017 года . Проверено 20 ноября 2017 г.
- ^ Попиксельное локальное затемнение для жидкокристаллических дисплеев с высоким динамическим диапазоном; Х. Чен; Р. Чжу; МС Ли; С.Л. Ли и С.Т. Ву; Том. 25, № 3; 6 февраля 2017 г.; Оптика Экспресс 1973; https://www.osapublishing.org/oe/viewmedia.cfm?uri=oe-25-3-1973&seq=0
- ^ Параметры затемнения яркости ЖК-дисплея; Дж. Моронски; Электронные продукты.com; 3 января 2004 г.; «Параметры затемнения для управления яркостью ЖК-дисплея» . Март 2004 г. Архивировано из оригинала 28 июля 2017 г. Проверено 20 ноября 2017 г.
- ^ Мерцающий светодиодный экран на моем планшете X200. Архивировано 29 ноября 2010 г. в сообщении Wayback Machine на форуме поддержки Lenovo, 17 марта 2009 г.
- ^ Головные боли от мигрени из-за светодиодной подсветки в x200t. Архивировано 16 июля 2011 г. в сообщении Wayback Machine на форуме поддержки Lenovo, 12 марта 2008 г.
- ^ Система освещения и устройство отображения, включая такую систему; AJSM де Ваан; П.Б. Шареман; Европейский патент EP0606939B1; https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=EP&NR=0606939B1&KC=B1&FT=D&ND=5&date=19980506&DB=EPODOC&locale=en_EP#
- ^ Брошюра «Решения подразделения материалов и систем дисплеев 3M для больших дисплеев: правильный внешний вид имеет значение»; «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2 августа 2017 года . Проверено 20 ноября 2017 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Широкополосные отражающие поляризаторы на основе двулучепреломления формы для ультратонких жидкокристаллических дисплеев; СУ Пан; Л. Тан и Х.С. Квок; Том. 25, № 15; 24 июля 2017 г.; Оптика Экспресс 17499; https://www.osapublishing.org/oe/viewmedia.cfm?uri=oe-25-15-17499&seq=0
- ^ Поляризационно-чувствительный светоделитель; диджей Броер; AJSM Ваан; Дж. Брамбринг; Европейский патент EP0428213B1; 27 июля 1994 г.; https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=EP&NR=0428213B1&KC=B1&FT=D#
- ^ История успеха в области энергоэффективности: потребление энергии телевизором сокращается по мере роста размера экрана и производительности, результаты нового исследования CTA; Ассоциация потребительских технологий; пресс-релиз от 12 июля 2017 г.; «CTA - История успеха в области энергоэффективности: потребление энергии телевизором сокращается по мере роста размера экрана и производительности, результаты нового исследования CTA» . Архивировано из оригинала 4 ноября 2017 года . Проверено 20 ноября 2017 г.
- ^ Тенденции энергопотребления ЖК-телевизоров с 2003 по 2015 год; Б. Урбан и К. Рот; Центр устойчивых энергетических систем Фраунгофера США; Итоговый отчет Ассоциации потребительских технологий; май 2017 г.; «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 1 августа 2017 года . Проверено 20 ноября 2017 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ «Внедрение директивы 2005/32/EC Европейского парламента и Совета в отношении требований к экодизайну телевизоров», 2009 г.; «ЕВР-Лекс-32009R0642-RU-ЕВР-Лекс» . Архивировано из оригинала 17 августа 2017 года . Проверено 22 ноября 2017 г. .
- ^ «Регулирование ЕС, Австралии и США по энергопотреблению телевизоров», 2008 г.
- ^ «Правила Китая по энергопотреблению телевизоров», 2010 г.
- ^ «Международное исследование важности энергоэффективности телевизионной техники», 2008 г.
- ^ Управление энергопотреблением дисплеев с затемнением подсветки; Клэр Мантел и др.; Журнал технологий отображения; Том: 9, Выпуск: 12, декабрь 2013 г.; Мантел, Клэр; Бурини, Нино; Надернежад, Эхсан; Корхонен, Яри; Форчхаммер, Сорен; Педерсен, Йеспер Мельдгаард (2013). «Контроль энергопотребления дисплеев с затемнением подсветки». Журнал дисплейных технологий . 9 (12): 933–941. Бибкод : 2013JDisT...9..933M . дои : 10.1109/JDT.2013.2260131 . S2CID 24082090 .