Технологии большого экрана почти полностью вытеснили электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) из продаж телевизоров из-за необходимой громоздкости электронно-лучевых трубок. Диагональ экрана телевизора с ЭЛТ ограничена примерно 100 см (40 дюймами) из-за требований к размеру электронно-лучевой трубки, которая выстреливает тремя пучками электронов на экран для создания видимого изображения. Для телевизора с большим экраном требуется более длинная трубка, что делает телевизор с ЭЛТ с большим экраном размером около 130–200 см (50–80 дюймов) нереалистичным. Новые телевизоры с большим экраном сравнительно тоньше.
Расстояния обзора
Горизонтальное, вертикальное и диагональное поле зрения
Прежде чем принять решение о размере конкретной технологии отображения, очень важно определить, с какого расстояния его будут просматривать. С увеличением размера дисплея увеличивается и идеальное расстояние просмотра. Бернард Дж. Лехнер , работая в RCA , изучал наилучшие расстояния просмотра для различных условий и вывел так называемое расстояние Лехнера .
Как правило , расстояние просмотра должно быть примерно в два-три раза больше размера экрана для дисплеев стандартной четкости (SD). [1] [2] [3] [4] [5]
Характеристики дисплея
Ниже приведены важные факторы при оценке телевизионных дисплеев:
Размер дисплея: диагональ дисплея.
Разрешение дисплея : количество пикселей в каждом измерении на дисплее. В целом, более высокое разрешение даст более четкое и резкое изображение.
Шаг точки : это размер отдельного пикселя, который включает длину субпикселей и расстояния между субпикселями. Его можно измерить как горизонтальную или диагональную длину пикселя. Меньший шаг точки обычно приводит к более четким изображениям, поскольку в данной области больше пикселей. В случае дисплеев на основе ЭЛТ пиксели не эквивалентны фосфорным точкам, как это происходит с триадами пикселей в ЖК-дисплеях. Проекционные дисплеи, использующие три монохромных ЭЛТ, не имеют точечной структуры, поэтому эта спецификация не применяется.
Время отклика : время, необходимое дисплею для ответа на заданный ввод. Для ЖК-дисплея оно определяется как общее время, необходимое пикселю для перехода от черного к белому, а затем от белого к черному. Дисплей с медленным временем отклика при отображении движущихся изображений может привести к размытию и искажению. Дисплеи с быстрым временем отклика могут лучше отображать переходы при отображении движущихся объектов без нежелательных артефактов изображения.
Яркость : количество света, излучаемого дисплеем. Иногда это синоним термина « яркость» , который определяется как количество света на единицу площади и измеряется в единицах СИ как кандела на квадратный метр.
Коэффициент контрастности : отношение яркости самого яркого цвета к яркости самого темного цвета на дисплее. Высокие коэффициенты контрастности желательны, но методы измерения сильно различаются. Его можно измерить, когда дисплей изолирован от окружающей среды, или с учетом освещения помещения. Статический коэффициент контрастности измеряется на статическом изображении в некоторый момент времени. Динамический коэффициент контрастности измеряется на изображении в течение определенного периода времени. Производители могут продавать либо статический, либо динамический коэффициент контрастности в зависимости от того, какой из них выше.
Соотношение сторон : отношение ширины дисплея к высоте дисплея. Соотношение сторон традиционного телевизора составляет 4:3, но оно прекращается; в настоящее время телевизионная индустрия переходит на соотношение 16:9, которое обычно используется в телевизорах с большим экраном и высокой четкостью.
Угол обзора: максимальный угол, под которым дисплей можно просматривать с приемлемым качеством. Угол измеряется от одного направления к противоположному направлению дисплея, так что максимальный угол обзора составляет 180 градусов. За пределами этого угла зритель увидит искаженную версию отображаемого изображения. Определение приемлемого качества изображения может различаться у разных производителей и типов дисплеев. Многие производители определяют это как точку, в которой яркость составляет половину максимальной яркости. Некоторые производители определяют ее на основе коэффициента контрастности и смотрят на угол, при котором реализуется определенный коэффициент контрастности.
Цветопередача/цветовой охват : диапазон цветов, который дисплей может точно воспроизвести.
Технологии отображения
ЖК-телевизор
Пиксель на ЖК-дисплее состоит из нескольких слоев компонентов: двух поляризационных фильтров, двух стеклянных пластин с электродами и молекул жидких кристаллов. Жидкие кристаллы зажаты между стеклянными пластинами и находятся в прямом контакте с электродами. Два поляризационных фильтра являются внешними слоями в этой структуре. Полярность одного из этих фильтров ориентирована горизонтально, в то время как полярность другого фильтра ориентирована вертикально. Электроды обработаны слоем полимера для управления выравниванием молекул жидких кристаллов в определенном направлении. Эти стержнеобразные молекулы расположены так, чтобы соответствовать горизонтальной ориентации с одной стороны и вертикальной ориентации с другой, что придает молекулам скрученную, спиральную структуру. Скрученные нематические жидкие кристаллы естественно скручены и обычно используются для ЖК-дисплеев, поскольку они предсказуемо реагируют на изменение температуры и электрический ток.
Когда жидкокристаллический материал находится в своем естественном состоянии, свет, проходящий через первый фильтр, будет поворачиваться (с точки зрения полярности) закрученной молекулярной структурой, что позволяет свету проходить через второй фильтр. Когда напряжение подается на электроды, жидкокристаллическая структура раскручивается в степени, определяемой величиной напряжения. Достаточно большое напряжение заставит молекулы полностью раскручиваться, так что полярность любого проходящего света не будет поворачиваться и вместо этого будет перпендикулярна полярности фильтра. Этот фильтр будет блокировать прохождение света из-за разницы в ориентации полярности, и полученный пиксель будет черным. Количество света, проходящего через каждый пиксель, можно контролировать, изменяя соответствующее напряжение. В цветном ЖК-дисплее каждый пиксель состоит из красных, зеленых и синих субпикселей, для которых требуются соответствующие цветные фильтры в дополнение к компонентам, упомянутым ранее. Каждым субпикселем можно управлять индивидуально, чтобы отображать большой диапазон возможных цветов для конкретного пикселя.
Электроды на одной стороне ЖК-дисплея расположены в столбцах, в то время как электроды на другой стороне расположены в рядах, образуя большую матрицу, которая управляет каждым пикселем. Каждый пиксель обозначается уникальной комбинацией строк и столбцов, и к пикселю могут получить доступ схемы управления, используя эту комбинацию. Эти схемы посылают заряд вниз по соответствующей строке и столбцу, эффективно прикладывая напряжение к электродам в данном пикселе. Простые ЖК-дисплеи, такие как в цифровых часах, могут работать на так называемой пассивно-матричной структуре, в которой каждый пиксель адресуется по одному за раз. Это приводит к чрезвычайно медленному времени отклика и плохому управлению напряжением. Напряжение, приложенное к одному пикселю, может привести к нежелательному раскручиванию жидких кристаллов в окружающих пикселях, что приведет к размытости и плохому контрасту в этой области изображения. ЖК-дисплеи с высоким разрешением, такие как ЖК-телевизоры с большим экраном, требуют активно-матричной структуры. Эта структура представляет собой матрицу тонкопленочных транзисторов , каждый из которых соответствует одному пикселю на дисплее. Переключающая способность транзисторов позволяет осуществлять индивидуальный и точный доступ к каждому пикселю, не затрагивая соседние пиксели. Каждый транзистор также действует как конденсатор, пропуская очень малый ток, поэтому он может эффективно хранить заряд, пока дисплей обновляется.
Ниже приведены типы технологий ЖК-дисплеев:
Скрученный нематик (TN): Этот тип дисплея является наиболее распространенным и использует скрученные кристаллы нематической фазы, которые имеют естественную спиральную структуру и могут быть раскручены приложенным напряжением, чтобы позволить свету проходить через них. Эти дисплеи имеют низкую себестоимость производства и быстрое время отклика, но также ограниченные углы обзора, и многие имеют ограниченную цветовую гамму, которая не может в полной мере использовать преимущества современных графических карт. Эти ограничения обусловлены изменением углов молекул жидкого кристалла на разных глубинах, что ограничивает углы, под которыми свет может покидать пиксель.
In-Plane Switching (IPS): в отличие от расположения электродов в традиционных дисплеях TN, два электрода, соответствующие пикселю, находятся на одной стеклянной пластине и параллельны друг другу. Молекулы жидкого кристалла не образуют спиральную структуру, а вместо этого также параллельны друг другу. В своем естественном или «выключенном» состоянии молекулярная структура расположена параллельно стеклянным пластинам и электродам. Поскольку в дисплее IPS не используется скрученная молекулярная структура, угол, под которым свет покидает пиксель, не так ограничен, и, следовательно, углы обзора и цветопередача значительно улучшены по сравнению с дисплеями TN. Однако дисплеи IPS имеют более медленное время отклика. Дисплеи IPS также изначально страдали от плохих коэффициентов контрастности, но были значительно улучшены с разработкой Advanced Super IPS (AS – IPS).
Multi-Domain Vertical Alignment (MVA): В этом типе дисплея жидкие кристаллы естественным образом расположены перпендикулярно стеклянным пластинам, но могут вращаться для управления проходящим светом. Также в стеклянных подложках имеются выступы в форме пирамиды для управления вращением жидких кристаллов, так что свет направляется под углом к стеклянной пластине. Эта технология обеспечивает широкие углы обзора, а также хорошие показатели контрастности и более быстрое время отклика, чем у дисплеев TN и IPS. Главным недостатком является снижение яркости.
Шаблонное вертикальное выравнивание (PVA): этот тип дисплея является разновидностью MVA и работает очень похоже, но с гораздо более высоким коэффициентом контрастности.
Плазменный дисплей
Состав плазменной панели
Плазменный дисплей состоит из многих тысяч заполненных газом ячеек, которые зажаты между двумя стеклянными пластинами, двумя наборами электродов, диэлектрическим материалом и защитными слоями. Адресные электроды расположены вертикально между задней стеклянной пластиной и защитным слоем. Эта структура находится за ячейками в задней части дисплея, причем защитный слой находится в прямом контакте с ячейками. На передней стороне дисплея находятся горизонтальные электроды дисплея, которые находятся между защитным слоем из оксида магния (MgO) и изолирующим диэлектрическим слоем. Слой MgO находится в прямом контакте с ячейками, а диэлектрический слой находится в прямом контакте с передней стеклянной пластиной. Горизонтальные и вертикальные электроды образуют сетку, из которой можно получить доступ к каждой отдельной ячейке. Каждая отдельная ячейка отделена от окружающих ячеек, так что активность в одной ячейке не влияет на другую. Структура ячейки похожа на сотовую структуру, за исключением прямоугольных ячеек. [6] [7] [8] [9]
Чтобы осветить определенную ячейку, электроды, которые пересекаются в ячейке, заряжаются схемой управления, и электрический ток протекает через ячейку, стимулируя атомы газа (обычно ксенона и неона ) внутри ячейки. Эти ионизированные атомы газа, или плазмы, затем испускают ультрафиолетовые фотоны, которые взаимодействуют с фосфорным материалом на внутренней стенке ячейки. Атомы фосфора стимулируются, и электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Когда эти электроны возвращаются в свое естественное состояние, энергия высвобождается в виде видимого света. Каждый пиксель на дисплее состоит из трех субпиксельных ячеек. Одна субпиксельная ячейка покрыта красным фосфором, другая покрыта зеленым фосфором, а третья ячейка покрыта синим фосфором. Свет, излучаемый субпиксельными ячейками, смешивается вместе, чтобы создать общий цвет для пикселя. Схема управления может управлять интенсивностью света, излучаемого каждой ячейкой, и, следовательно, может производить большую гамму цветов. Свет от каждой ячейки можно контролировать и быстро изменять, чтобы создавать высококачественное движущееся изображение. [10] [11] [12] [13]
Проекционное телевидение
Проекционный телевизор использует проектор для создания небольшого изображения из видеосигнала и увеличения этого изображения на видимом экране. Проектор использует яркий луч света и систему линз для проецирования изображения на гораздо больший размер. Фронтально -проекционный телевизор использует проектор, который отделен от экрана, которым может быть соответствующим образом подготовленная стена, и проектор размещается перед экраном. Установка обратно-проекционного телевизора похожа на установку традиционного телевизора в том, что проектор находится внутри телевизионной коробки и проецирует изображение из-за экрана.
Телевидение с обратной проекцией
Ниже приведены различные типы телевизоров с обратной проекцией, которые различаются в зависимости от типа проектора и способа создания изображения (до проецирования):
Телевизор с обратной проекцией на ЭЛТ : Небольшие электронно-лучевые трубки создают изображение таким же образом, как и традиционный телевизор с ЭЛТ, то есть, направляя пучок электронов на экран с фосфорным покрытием; изображение проецируется на большой экран. Это делается для того, чтобы преодолеть ограничение размера электронно-лучевой трубки, которое составляет около 100 см (40 дюймов), максимальный размер для обычного телевизора с ЭЛТ с прямым просмотром (см. изображение). Проекционные электронно-лучевые трубки могут быть расположены различными способами. Одно из расположений заключается в использовании одной трубки и трех фосфорных покрытий (красного, зеленого, синего). В качестве альтернативы можно использовать одну черно-белую трубку с вращающимся цветовым колесом. Третий вариант заключается в использовании трех ЭЛТ, по одной для красного, зеленого и синего цветов.
LCD-телевизор с обратной проекцией : Лампа пропускает свет через небольшой ЖК-чип, состоящий из отдельных пикселей, для создания изображения. ЖК-проектор использует дихроичные зеркала для приема света и создания трех отдельных красных, зеленых и синих лучей, которые затем проходят через три отдельные ЖК-панели. Жидкие кристаллы управляются с помощью электрического тока для управления количеством проходящего света. Система линз объединяет три цветных изображения и проецирует их.
DLP-проекционный телевизор : DLP-проектор создает изображение с помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD-чип), на поверхности которого находится большая матрица микроскопических зеркал, каждое из которых соответствует одному пикселю (или субпикселю) изображения. Каждое зеркало можно наклонить, чтобы отражать свет так, чтобы пиксель казался ярким, или зеркало можно наклонить, чтобы направить свет в другое место (где он поглощается), чтобы пиксель казался темным. Зеркала переключаются между светлым и темным положениями, поэтому яркость субпикселя контролируется пропорциональным изменением времени, в течение которого зеркало находится в ярком положении; его широтно-импульсной модуляцией. Зеркало изготовлено из алюминия и установлено на торсионно-поддерживаемом ярме. По обе стороны ярма имеются электроды, которые управляют наклоном зеркала с помощью электростатического притяжения. Электроды подключены к ячейке SRAM , расположенной под каждым пикселем, и заряды от ячейки SRAM перемещают зеркала. Цвет создается вращающимся цветовым колесом (используется с одночиповым проектором) или трехчиповым (красный, зеленый, синий) проектором. Цветовое колесо помещается между источником света лампы и чипом DMD таким образом, что проходящий через него свет окрашивается, а затем отражается от зеркальной матрицы для определения яркости. Цветовое колесо состоит из красного, зеленого и синего секторов, а также четвертого сектора для управления яркостью или включения четвертого цвета. Это вращающееся цветовое колесо в одночиповой компоновке можно заменить красными, зелеными и синими светодиодами (LED). Трехчиповый проектор использует призму для разделения света на три луча (красный, зеленый, синий), каждый из которых направлен на свой собственный чип DMD. Выходные сигналы трех чипов DMD рекомбинируются и затем проецируются.
Лазерно-фосфорный дисплей
В технологии лазерно-фосфорного дисплея, впервые продемонстрированной в июне 2010 года на выставке InfoComm, изображение создается с помощью лазеров, которые расположены на задней панели телевизора, отражаются от быстро движущегося ряда зеркал, чтобы возбуждать пиксели на экране телевизора аналогично электронно-лучевым трубкам . Зеркала отражают лазерные лучи по экрану и таким образом создают необходимое количество строк изображения. Небольшие слои люминофоров внутри стекла излучают красный, зеленый или синий свет при возбуждении мягким УФ-лазером. Лазер можно изменять по интенсивности или полностью включать или выключать без проблем, что означает, что темному дисплею потребуется меньше энергии для проецирования изображений.
Сравнение технологий телевизионных дисплеев
ЭЛТ
Хотя существуют телевизоры/мониторы с ЭЛТ с большим экраном, размер экрана ограничен их непрактичностью. Чем больше экран, тем больше вес и тем глубже ЭЛТ. Типичный телевизор с диагональю 80 см (32 дюйма) может весить около 70 кг (150 фунтов) или больше. Монитор Sony PVM-4300 весил 200 кг (440 фунтов) и имел самый большой из когда-либо существовавших ЭЛТ с диагональю дисплея 110 см (43 дюйма). [14] Телевизоры SlimFit существуют, но не распространены.
ЖК-дисплей
Преимущества
Тонкий профиль
Легче и менее громоздкий, чем телевизоры с обратной проекцией
Менее подвержен выгоранию: выгорание означает, что телевизор отображает постоянное призрачное изображение из-за постоянного, длительного показа изображения. Светоизлучающие люминофоры со временем теряют свою яркость, и при частом использовании области с низкой яркостью становятся постоянно видимыми.
ЖК-дисплеи отражают очень мало света, что позволяет им поддерживать высокий уровень контрастности в хорошо освещенных помещениях и не подвержены бликам.
Потребление энергии немного ниже, чем у плазменных дисплеев эквивалентного размера.
Можно закрепить на стене.
Недостатки
Плохой уровень черного : часть света проходит даже тогда, когда жидкие кристаллы полностью раскручиваются, поэтому наилучший черный цвет, которого можно достичь, — это различные оттенки темно-серого, что приводит к ухудшению коэффициентов контрастности и детализации изображения. Это можно смягчить, используя матрицу светодиодов в качестве осветителя, чтобы обеспечить почти истинную производительность черного.
Более узкие углы обзора, чем у конкурирующих технологий. Практически невозможно использовать ЖК-дисплей без искажения изображения.
ЖК-дисплеи в значительной степени основаны на тонкопленочных транзисторах, которые могут выйти из строя, что приведет к появлению дефектного пикселя .
Обычно имеют более медленное время отклика, чем плазменные панели, что может вызвать ореолы и размытость во время отображения быстро движущихся изображений. Это также улучшается за счет увеличения частоты обновления ЖК-дисплеев. [15]
Плазменный дисплей
Преимущества
Тонкий профиль шкафа
Можно закрепить на стене
Легче и менее объемный, чем телевизоры с обратной проекцией
Более точная цветопередача, чем у ЖК-дисплея; 68 миллиардов (236 ) цветов против 16,7 миллионов ( 224 ) цветов [16]
Обеспечивает глубокий, настоящий черный цвет, обеспечивая превосходную контрастность (+ 1:1 000 000) [16] [17] [18]
Более широкие углы обзора (+178°), чем у ЖК-дисплея; изображение не ухудшается (не тускнеет и не искажается) при просмотре под большим углом, как это происходит с ЖК-дисплеями [16] [17]
Подверженность выгоранию экрана и появлению остаточного изображения; плазменные телевизоры последних моделей оснащены корректирующей технологией, такой как смещение пикселей [13]
Светимость люминофора со временем уменьшается, что приводит к постепенному снижению абсолютной яркости изображения; это корректируется сроком службы современных плазменных телевизоров в 60 000 часов (дольше, чем у технологии ЭЛТ ) [13]
Не производится в размерах менее 94 см (37 дюймов) по диагонали.
Подвержен отражению бликов в ярко освещенном помещении, что затемняет изображение.
Высокий уровень потребления электроэнергии
Тяжелее, чем сопоставимый ЖК-телевизор, из-за стеклянного экрана, содержащего газы
Более дорогой ремонт экрана; стеклянный экран плазменного телевизора может быть поврежден навсегда, и его сложнее отремонтировать, чем пластиковый экран ЖК-телевизора [16] [17]
Качество изображения при фронтальной проекции приближается к качеству изображения в кинотеатре
Телевизоры с фронтальной проекцией занимают очень мало места, поскольку экран проектора чрезвычайно тонкий, и для них можно использовать даже специально подготовленную стену.
Размер дисплея может быть очень большим и обычно ограничен высотой помещения.
Недостатки
Фронтальную проекцию сложнее настроить, поскольку проектор отдельный и должен располагаться перед экраном, как правило, на потолке.
Лампу может потребоваться заменить после интенсивного использования.
Яркость изображения может быть проблемой, может потребоваться затемнение помещения.
Проекторы, не использующие фосфор (LCD/DLP), не подвержены выгоранию.
Обратная проекция не подвержена бликам
Недостатки
Телевизоры с обратной проекцией намного громоздче телевизоров с плоским экраном.
Лампу может потребоваться заменить после интенсивного использования.
Обратная проекция имеет меньшие углы обзора, чем у плоских дисплеев.
Сравнение различных типов проекционных телевизоров
ЭЛТ-проектор
Преимущества:
Обеспечивает превосходный уровень черного и контрастность
Обеспечивает превосходную цветопередачу
ЭЛТ, как правило, имеют очень долгий срок службы
Большие углы обзора, чем у ЖК-дисплеев
Недостатки:
Тяжелый и большой, особенно по глубине
Если один ЭЛТ выходит из строя, два других следует заменить для достижения оптимального баланса цвета и яркости.
Подвержен выгоранию, поскольку ЭЛТ изготовлена на основе люминофора
Необходимо проводить «конвергенцию» (размещение основных цветов таким образом, чтобы они накладывались друг на друга без цветных полос) ежегодно (или после перемещения набора)
Могут появляться цветные ореолы или терять фокус.
ЖК-проектор
Преимущества:
Меньше, чем проекторы с ЭЛТ
ЖК-чип можно легко отремонтировать или заменить.
Не подвержен выгоранию
Недостатки:
Эффект москитной сетки : на большом экране могут быть видны отдельные пиксели, создавая впечатление, что зритель смотрит через москитную сетку.
Плохой уровень черного : часть света проходит даже тогда, когда жидкие кристаллы полностью раскручиваются, поэтому наилучший черный цвет, которого можно достичь, — это очень темный серый, что приводит к ухудшению контрастности и детализации изображения. Некоторые новые модели используют регулируемую диафрагму, чтобы компенсировать это.
Не такой тонкий, как проекционный телевизор DLP
Для освещения используются лампы, возможно, потребуется их замена.
Фиксированное количество пикселей, другие разрешения необходимо масштабировать, чтобы соответствовать этому
Ограниченные углы обзора
DLP-проектор
Преимущества:
Самый тонкий из всех типов проекционных телевизоров
Обеспечивает превосходный уровень черного и контрастность
DMD-чип можно легко отремонтировать или заменить.
Не подвержен выгоранию
Лучшие углы обзора, чем у ЭЛТ-проекторов
Яркость изображения уменьшается только из-за старения лампы.
Использует лампы для освещения, лампы необходимо менять в среднем раз в полтора-два года. [ требуется ссылка ] Текущие модели со светодиодными лампами уменьшают или устраняют это. Расчетный срок службы светодиодных ламп составляет более 100 000 часов.
Фиксированное количество пикселей, другие разрешения необходимо масштабировать, чтобы соответствовать этому. Это ограничение только по сравнению с дисплеями CRT.
Эффект радуги: это нежелательный визуальный артефакт, который описывается как вспышки цветного света, видимые, когда зритель смотрит через дисплей с одной стороны на другую. Этот артефакт уникален для одночиповых DLP-проекторов. Эффект радуги имеет значение только в DLP-дисплеях, которые используют одну белую лампу с «цветовым колесом», синхронизированным с отображением красного, зеленого и синего компонентов. Системы светодиодной подсветки, которые используют дискретные красные, зеленые и синие светодиоды совместно с отображением красного, зеленого и синего компонентов на высокой частоте, уменьшают или полностью устраняют эффект радуги.
