Подсветка — это форма освещения, используемая в жидкокристаллических дисплеях (ЖК-дисплеях). Поскольку ЖК-дисплеи сами по себе не излучают свет — в отличие, например, от дисплеев с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), плазмы (PDP) или OLED — для создания видимого изображения им требуется освещение ( внешний свет или специальный источник света). Подсветка освещает ЖК-дисплей сбоку или сзади панели дисплея, в отличие от передней подсветки , которая расположена перед ЖК-дисплеем. Подсветка используется в небольших дисплеях для повышения читаемости в условиях низкой освещенности, например, в наручных часах [1], а также в смартфонах , компьютерных дисплеях и ЖК-телевизорах для генерации света аналогично ЭЛТ-дисплеям. Обзор некоторых ранних схем подсветки ЖК-дисплеев дан в отчете « История техники и технологий» Питера Дж. Уайлда . [2]
Простые типы ЖК-дисплеев, такие как карманные калькуляторы , 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.
Источник света может состоять из:
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 .
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 должен питаться от сети переменного тока с относительно высоким [ укажите ] напряжением , 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.
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 цитата ]
Светодиодная подсветка цветных экранов бывает двух видов: белая светодиодная подсветка и светодиодная подсветка RGB. [3] Белые светодиоды чаще всего используются в экранах ноутбуков и 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 в некоторых ноутбуках HP EliteBook , а также в более поздних дисплеях потребительского класса, таких как ноутбуки серии Dell Studio, которые имеют дополнительный светодиодный дисплей RGB.
Светодиоды RGB могут обеспечить на экранах огромную цветовую гамму . [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. Кроме того, реальные красные, зеленые и синие точки можно сдвинуть дальше, чтобы дисплей мог воспроизводить более яркие цвета.
Новый [ уточнить ] метод дальнейшего улучшения цветовой гаммы ЖК-панелей со светодиодной подсветкой основан на использовании синих светодиодов (таких как GaN), освещающих слой нанокристаллических люминофоров, так называемых квантовых точек (QD) , [6] которые преобразуют от синего цвета до желаемых более длинных волн, а также 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 американской компании QD Vision [9] для выпуска ЖК-телевизоров с улучшенной светодиодной подсветкой по краям , продаваемой в 2013 году под названием Triluminos. С синим светодиодом и оптимизированными нанокристаллами для зеленого цвета. и красный цвет перед ним, результирующий комбинированный белый свет обеспечивает эквивалентную или лучшую цветовую гамму, чем та, которую излучает более дорогой набор из трех светодиодов RGB. На выставке Consumer Electronics Show 2015 компании Samsung Electronics , LG Electronics , китайская корпорация TCL и Sony продемонстрировали QD-усиленную LED-подсветку ЖК-телевизоров. [10] [11]
Подсветка CCFL также улучшилась в этом отношении. 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 .
Со светодиодной подсветкой есть несколько проблем. Однородности трудно достичь, особенно по мере старения светодиодов, поскольку каждый светодиод стареет с разной скоростью. Кроме того, использование трех отдельных источников света: красного, зеленого и синего означает, что белая точка дисплея может перемещаться по мере старения светодиодов с разной скоростью; Белые светодиоды также подвержены этому явлению, при этом регистрируются изменения в несколько сотен Кельвинов . Белые светодиоды также страдают от синего смещения при более высоких температурах, варьирующихся от 3141K до 3222K в диапазоне от 10 °C до 80 °C соответственно. [12] Энергоэффективность также может стать проблемой; Реализации первого поколения потенциально могут потреблять больше энергии, чем их аналоги CCFL, хотя светодиодный дисплей может быть более энергоэффективным. [ нужна цитата ] 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 RGB и белой светодиодной подсветкой, компания NDF Special Light Products разработала «усовершенствованную светодиодную технологию с дистанционным люминофором» [13] специально для высококачественных и долговечных ЖК-приложений, таких как дисплеи в кабине пилотов , [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. С 2008 года [обновлять]Lenovo также анонсировала ноутбуки со светодиодной подсветкой. В октябре 2008 года Apple объявила, что будет использовать светодиодную подсветку для всех своих ноутбуков и нового 24-дюймового Apple Cinema Display , а год спустя представила новый светодиодный iMac , а это означает, что все новые компьютерные экраны Apple теперь светодиодные. 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.
Светодиодная подсветка часто динамически управляется с использованием видеоинформации [15] (динамическое управление подсветкой или динамическая светодиодная подсветка с «локальным затемнением», также продаваемая как HDR, телевидение с расширенным динамическим диапазоном, изобретенное исследователями Philips Дугласом Стэнтоном, Мартинусом Струмером и Адрианусом де Вааном [15] . 16] [17] [18] ).
Используя ШИМ (широтно-импульсную модуляцию, технологию, при которой интенсивность светодиодов поддерживается постоянной, а регулировка яркости достигается за счет изменения временного интервала мигания этих источников света с постоянной интенсивностью света [19] ), подсветка затемняется до самый яркий цвет, который появляется на экране, одновременно повышая контрастность ЖК-дисплея до максимально достижимого уровня.
Если частота ШИМ слишком низкая 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.
Чтобы подсветка без ELP обеспечивала равномерное освещение, что имеет решающее значение 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.
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 Шаареман) [22] обычно достигались с использованием так называемых пленок DBEF, производимых и поставляемых компанией 3M. [23] Эти поляризаторы состоят из большого пакета одноосноориентированных двулучепреломляющих пленок, которые отражают прежнюю поглощенную моду поляризации света. [24] Такие отражающие поляризаторы, использующие одноосно-ориентированные 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] делает современные ЖК-телевизоры гораздо более эффективными, чем телевизоры на основе ЭЛТ, что приводит к мировой экономии энергии в размере 600 ТВтч (2017 г.), что соответствует 10% потребление электроэнергии всеми домохозяйствами во всем мире или в 2 раза превышает производство энергии всеми солнечными батареями в мире. [26] [27]
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] , а также в Китае. [30] Более того, исследование 2008 года [31] показало, что среди европейских стран энергопотребление является одним из наиболее важных критериев для потребителей при выборе телевизора, столь же важных, как и размер экрана. [32]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )