Подсветка — это форма освещения, используемая в жидкокристаллических дисплеях (ЖК-дисплеях), которая обеспечивает освещение с задней или боковой стороны панели дисплея. ЖК-дисплеи не производят свет сами по себе, поэтому им необходимо освещение ( окружающий свет или специальный источник света) для создания видимого изображения. Подсветка часто используется в смартфонах , компьютерных мониторах и ЖК-телевизорах . Она используется 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, такие как те, что используются в карманных калькуляторах, построены без внутреннего источника света, требуя внешних источников света для передачи отображаемого изображения пользователю. Однако большинство ЖК-экранов построены с внутренним источником света. Такие экраны состоят из нескольких слоев. Подсветка обычно является первым слоем сзади. Затем световые клапаны изменяют количество света, достигающего глаза, блокируя его прохождение каким-либо образом. Большинство используют фиксированный поляризационный фильтр и переключающийся фильтр, чтобы блокировать нежелательный свет.
Многие типы дисплеев, помимо 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 фронтальной подсветкой , которая освещает ЖК-дисплей спереди.
Обзор некоторых ранних схем подсветки для ЖК-дисплеев дан в отчете « История инжиниринга и технологий» Питера Дж. Уайлда . [2]
Источник света может состоять из: [3]
ELP-лампа равномерно распределяет свет по всей поверхности, но в других моделях подсветки часто используется рассеиватель , обеспечивающий равномерное освещение из неравномерного источника.
Подсветка бывает разных цветов. Монохромные ЖК-дисплеи обычно имеют желтую , зеленую , синюю или белую подсветку, в то время как цветные дисплеи используют белую подсветку, которая охватывает 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 равномерная подсветка; она также может быть цветной или белой. ELP должна питаться от относительно высокого [ указать ] напряжения переменного тока , которое обеспечивается инверторной схемой. Подсветка CCFL используется на больших дисплеях, таких как компьютерные мониторы, и обычно имеет белый цвет; для этого также требуется использование инвертора и рассеивателя. Подсветка лампами накаливания использовалась в ранних ЖК-панелях для достижения высокой яркости, [8] [9], но ограниченный срок службы и избыточное тепло, выделяемое лампами накаливания, были серьезными ограничениями. Тепло, выделяемое лампами накаливания, обычно требует установки лампочек вдали 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, основывалась на люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL) с использованием двух CCFL на противоположных краях ЖК-дисплея или массива CCFL за ЖК-дисплеем (см. изображение массива с 18 CCFL для 40-дюймового ЖК-телевизора). Из-за недостатков по сравнению со светодиодной подсветкой (более высокое напряжение и мощность, более толстая конструкция панели, отсутствие высокоскоростного переключения, более быстрое старение), светодиодная подсветка становится все более популярной. [ необходима цитата ]
Многие модели ЖК-дисплеев, от недорогих TN-дисплеев до цветопробных панелей S-IPS или S-PVA, оснащены CCFL-лампами с широким цветовым охватом, обеспечивающими более 95% цветовой спецификации NTSC .
Светодиодная подсветка в цветных экранах бывает двух видов: белая светодиодная подсветка и RGB-светодиодная подсветка. [10] Белые светодиоды чаще всего используются в ноутбуках и настольных экранах и составляют практически все мобильные ЖК-экраны. Белый светодиод, как правило, представляет собой синий светодиод с желтым люминофором широкого спектра , что приводит к излучению белого света. Однако, поскольку спектральная кривая достигает пика на желтом, она плохо соответствует пикам пропускания красного и зеленого цветовых фильтров ЖК-дисплея. Это приводит к смещению основных цветов красного и зеленого в сторону желтого, что уменьшает цветовую гамму дисплея. [11] RGB-светодиоды состоят из красного, синего и зеленого светодиодов и могут управляться для получения различных цветовых температур белого цвета. RGB-светодиоды для подсветки используются в высококачественных цветопробных дисплеях, таких как монитор HP DreamColor LP2480zx или некоторые ноутбуки HP EliteBook , а также в более современных дисплеях потребительского класса, таких как ноутбуки серии Studio от Dell, которые имеют дополнительный RGB-светодиодный дисплей.
Светодиоды RGB могут обеспечить огромный цветовой охват экранов. [12] При использовании трех отдельных светодиодов ( аддитивный цвет ) подсветка может создавать цветовой спектр, который точно соответствует цветовым фильтрам в самих пикселях ЖК-дисплея . Таким образом, полоса пропускания фильтра может быть сужена так, что каждый цветовой компонент пропускает 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 могут быть перемещены дальше, так что дисплей может воспроизводить более яркие цвета.
Метод дальнейшего улучшения цветовой гаммы ЖК-панелей со светодиодной подсветкой основан на синих светодиодах (таких как светодиоды на основе нитрида галлия (GaN)), которые освещают слой нанокристаллических люминофоров, называемых квантовыми точками (КТ). [13] Квантовые точки преобразуют синие длины волн в желаемые более длинные волны в узкополосные зеленые и красные цвета для оптимального освещения ЖК-дисплея сзади. Производитель Nanosys утверждает, что цветовой выход 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 . [14] [15] Sony адаптировала технологию квантовых точек от американской компании QD Vision [16] для представления ЖК-телевизоров с улучшенной боковой светодиодной подсветкой, продаваемой под названием Triluminos в 2013 году. С синим светодиодом и оптимизированными нанокристаллами для зеленого и красного цветов перед ним, полученный объединенный белый свет обеспечивает эквивалентную или лучшую цветовую гамму, чем та, что излучается более дорогим набором из трех светодиодов RGB. На выставке бытовой электроники 2015 года ряд компаний продемонстрировали светодиодную подсветку ЖК-телевизоров с QD-улучшенной подсветкой, включая Samsung Electronics , LG Electronics и китайскую корпорацию TCL . [17] [18]
С подсветкой светодиодов связано несколько проблем. Сложно добиться однородности, особенно по мере старения светодиодов, поскольку каждый светодиод стареет с разной скоростью. Использование трех отдельных источников света для красного, зеленого и синего означает, что белая точка дисплея может перемещаться по мере старения светодиодов с разной скоростью; белые светодиоды подвержены этому явлению, при этом регистрируются изменения цветовой температуры в несколько сотен кельвинов. Белые светодиоды страдают от смещения в сторону синего при более высоких температурах, варьирующихся от 3141K до 3222K для 10 °C до 80 °C соответственно. [ 19 ] Энергоэффективность может быть проблемой; реализации первого поколения потенциально могли потреблять больше энергии, чем их аналоги CCFL, хотя светодиодный дисплей может быть более энергоэффективным. [ необходима 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).
Для преодоления вышеупомянутых проблем с RGB и белой светодиодной подсветкой компания NDF Special Light Products разработала технологию светодиодов с «усовершенствованным удаленным люминофором» [20] , специально для высококачественных и долговечных ЖК-приложений, таких как дисплеи кабины пилотов , [21] дисплеи управления воздушным движением и медицинские дисплеи. Эта технология использует синие светодиоды накачки в сочетании с листом, на котором напечатаны фосфорные люминесцентные материалы для преобразования цвета. Принцип аналогичен квантовым точкам, но применяемые люминофоры намного прочнее, чем наночастицы квантовых точек для приложений, требующих длительного срока службы в более сложных условиях эксплуатации. Поскольку лист люминофора расположен на расстоянии (удаленно) от светодиода, он испытывает гораздо меньшую температурную нагрузку, чем люминофоры в белых светодиодах. В результате белая точка меньше зависит от отдельных светодиодов и деградации отдельных светодиодов в течение срока службы, что приводит к более однородной подсветке с улучшенной цветовой однородностью и меньшим снижением светового потока.
Использование светодиодной подсветки в ноутбуках растет. Sony использовала 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 анонсировала ноутбуки со светодиодной подсветкой. В октябре 2008 года Apple объявила, что будет использовать светодиодную подсветку во всех своих ноутбуках и новом 24-дюймовом дисплее Apple Cinema Display , а год спустя представила новый светодиодный iMac , что означает, что 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 касается большинства ЖК-телевизоров, которые в некоторых странах продаются под вводящим в заблуждение названием LED TV , хотя изображение по-прежнему формируется ЖК-панелью.
Большинство светодиодных подсветок для ЖК-дисплеев имеют боковую подсветку , то есть несколько светодиодов размещаются по краям световода (световодной пластины, LGP), который распределяет свет за ЖК-панелью. Преимуществами этой технологии являются очень тонкая конструкция плоской панели и низкая стоимость. Более дорогая версия называется полноразмерным или прямым светодиодом и состоит из множества светодиодов, размещенных за ЖК-панелью (массив светодиодов ), так что большие панели могут быть равномерно освещены. Такое расположение позволяет использовать локальное затемнение для получения более темных черных пикселей в зависимости от отображаемого изображения.
Светодиодная подсветка часто динамически управляется с использованием видеоинформации [22] (динамическое управление подсветкой или динамическое «локальное затемнение» светодиодной подсветки, также называемое HDR, телевидение с высоким динамическим диапазоном, изобретенное исследователями Philips Дугласом Стэнтоном, Мартинусом Струмером и Адрианусом де Вааном [23] [24] [25] ).
Используя ШИМ (широтно-импульсную модуляцию, технологию, при которой интенсивность светодиодов сохраняется постоянной, а регулировка яркости достигается путем изменения временного интервала мигания этих источников света постоянной интенсивности [26] ), подсветка затемняется до самого яркого цвета, который появляется на экране, одновременно повышая контрастность ЖК-дисплея до максимально достижимого уровня.
Если частота широтно-импульсной модуляции слишком низкая или пользователь очень чувствителен к мерцанию, это может вызвать дискомфорт и напряжение глаз, аналогично мерцанию ЭЛТ-дисплеев . [27] [28] Пользователь может проверить это, просто помахав рукой или предметом перед экраном. Если объект кажется имеющим резко очерченные края при движении, подсветка включается и выключается с довольно низкой частотой. Если объект выглядит размытым, дисплей либо имеет постоянно включенную подсветку, либо использует подсветку на частоте выше, чем может воспринимать мозг. Мерцание можно уменьшить или устранить, установив дисплей на полную яркость, хотя это может оказать негативное влияние на качество изображения и срок службы батареи из-за повышенного энергопотребления.
Для подсветки не-ELP для равномерного освещения, что имеет решающее значение для дисплеев, свет сначала пропускается через световод (световодную пластину, LGP) — специально разработанный слой пластика , который рассеивает свет через ряд неравномерно расположенных выпуклостей. Плотность выпуклостей увеличивается по мере удаления от источника света в соответствии с уравнением диффузии . Затем рассеянный свет распространяется по обе стороны рассеивателя; передняя часть обращена к фактической ЖК-панели, задняя часть имеет отражатель , чтобы направлять в противном случае теряемый свет обратно к ЖК-панели. Отражатель иногда изготавливается из алюминиевой фольги или простой белой пигментированной поверхности.
Системы подсветки ЖК-дисплеев стали высокоэффективными за счет применения оптических пленок, таких как призматическая структура, для получения света в желаемых направлениях зрителя, и отражающих поляризационных пленок, которые повторно используют поляризованный свет, который ранее поглощался первым поляризатором ЖК-дисплея (изобретен исследователями Philips Адрианусом де Вааном и Паулюсом Шаареманом), [29] обычно достигаемый с помощью так называемых пленок DBEF, производимых и поставляемых компанией 3M. [30] Эти поляризаторы состоят из большого пакета одноосно ориентированных двулучепреломляющих пленок, которые отражают бывшую поглощенную поляризационную моду света. [31] Такие отражающие поляризаторы, использующие одноосно ориентированные полимеризованные жидкие кристаллы (двулучепреломляющие полимеры или двулучепреломляющий клей), были изобретены в 1989 году исследователями Philips Дирком Броэром, Адрианусом де Вааном и Йоргом Брамбрингом. [32] Сочетание таких отражающих поляризаторов и динамического управления подсветкой светодиодов [23] делает современные ЖК-телевизоры гораздо более эффективными, чем телевизоры на основе ЭЛТ, что приводит к общемировой экономии энергии в размере 600 ТВт·ч (2017 г.), что равно 10% потребления электроэнергии всеми домохозяйствами по всему миру или в 2 раза больше выработки энергии всеми солнечными элементами в мире. [33] [34]
Эволюция энергетических стандартов и растущие общественные ожидания относительно потребления энергии привели к необходимости управления питанием систем подсветки. Как и для других потребительских электронных товаров (например, холодильников или лампочек), для телевизоров установлены категории потребления энергии. [35] Стандарты номинальных мощностей для телевизоров были введены, например, в США, ЕС и Австралии [36], а также в Китае. [37] Более того, исследование 2008 года [38] показало, что среди европейских стран потребление энергии является одним из важнейших критериев для потребителей при выборе телевизора, таким же важным, как и размер экрана. [39]
{{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь ){{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )