plik pdf - Serwis Elektroniki

Od ciek³ych kryszta³ów do wyœwietlacza LCD
Od ciek³ych kryszta³ów do wyœwietlacza LCD
(cz.–2)
Karol Œwierc
O jakoœci ekranu decyduje szereg parametrów. Kontrast,
czyli stosunek jasnoœci najjaœniejszego do najciemniejszego
piksela jest jednym z nich. Maksymalna jaskrawoœæ jest kolejnym i zale¿y przede wszystkim od jasnoœci lamp podœwietlaj¹cych. Innym parametrem, rzadko wymienianym w specyfikacji jest charakterystyka i iloœæ stopni gradacji szaroœci. Na
b³êdy zbie¿noœci kolorów i geometrii rastra „p³askie ekrany”
nie cierpi¹. Innym z parametrów jest dynamika okreœlana jako
czas reakcji matrycy. Najistotniejszym jednak parametrem jest
rozdzielczoœæ ekranu. Jeœli mamy 1000 linii i 1000 rzêdów (a
w ekranach High Definition jest ich wiêcej), to daje 3 miliony
elementów (ka¿dy piksel sk³ada siê z trzech subpikseli). Do
Normal Black Mode
ka¿dego z nich trzeba doprowadziæ (co najmniej) dwie elektrody (w matrycy X-Y). Idea wiêc niby prosta, lecz szereg nowych problemów do rozwi¹zania. Na razie zatrzymajmy siê
jeszcze nad charakterystyk¹ sterowania pojedynczego piksela.
Najistotniejsza jest tu zale¿noœæ k¹ta skrêtnoœci ciek³ego kryszta³u od przy³o¿onego napiêcia oraz zale¿noœæ samoistnej skrêtnoœci moleku³ ciek³ego kryszta³u od gruboœci komórki (warstwy ciek³okrystalicznej). Oba interesuj¹ce nas parametry zobrazowane s¹ na rysunkach 3.9 i 3.10.
Jeœli chcemy aby matryca ekranu pracowa³a w trybie TN
(Twisted Nematic) nale¿y tak dobraæ gruboœæ warstwy ciek³ego kryszta³u, aby naturalna skrêtnoœæ da³a k¹t 90°. Na wykresie z rys.3.9 oznacza to pierwsze minimum w charakterystyce
transparentnoœci (przezroczystoœci). To gruboœæ ok. 5mm.
Kolejne minimum uzyskamy dla k¹ta 270°, zaœ dalsze dla wielokrotnoœci 180° (plus 90°). Pierwsze minimum odpowiada
NW-Mode
d~5µm
(1st min.)
TN-Mode
(V10 / V90 ~ 1.6)
T
STN-Mode
(V10 / V90 ~ 1.06)
Transmittance (%)
100
90% Trans.
1st minimum
STN
2nd minimum
50
TN
3rd minimum
Vsat
Vth
10% Trans.
u
3
15
35
0
5µm
14.7µm
Rys.3.9. Funkcja przezroczystoœci komórki od jej
gruboœci (tryb normal black)
4.0
L/C Voltage (V)
Rys.3.10. Charakterystyka napiêciowa komórki ciek³ego kryszta³u; tryby TN i STN
SERWIS ELEKTRONIKI
0
1.0
2.0
3.0
Od ciek³ych kryszta³ów do wyœwietlacza LCD
Trans. (%)
Trans. (%)
100
V8
100
V7
V6
50
V5
50
V4
V3
V2 V1
0
0
1.0
2.0
0
3.0
1
Funkcja napiêcia (V)
2
3
4
5
6
7
8
Skala szaroœci
Rys.3.11a. Nieliniowoœæ transmitancji komórki LCD
Trans. (%)
Trans. (%)
V9
100
100
V8
V7
V6
50
V5
50
V4
V3
V2
0
0
1.0
2.0
V1
3.0
Funkcja napiêcia (V)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Skala szaroœci
Rys.3.11b. Linearyzacja charakterystyki warstwy
ciek³okrystalicznej
trybowi TN, kolejne STN. Aczkolwiek kolejne minimum nale¿y w praktyce rozumieæ jako drugie minimum; dla dalszych
charakterystyka jest jeszcze ostrzejsza, lecz trudniej utrzymaæ
nale¿yt¹ liniowoœæ, jak i nale¿yt¹ czerñ, co przek³ada siê na
stosunek maksymalnej do minimalnej jasnoœci, co oznacza
kontrast. Na wykresie pokazanym na rysunku 3.9 mowa o kolejnych minimach. Dotyczy to przypadku, gdy oba polaroidy
s¹ wzajemnie równoleg³e (czyli tryb normally black). Dla trybu normally white bêd¹ to kolejne maksima. Przyjrzyjmy siê
teraz rysunkowi 3.10 obrazuj¹cemu charakterystykê napiêciow¹. Dla trybu TN jest ona w miarê ³agodna, lecz tak¿e nieli-
niowa. Dla trybu STN jest bardziej stroma, co oznacza, ¿e sama
charakterystyka komórki ciek³ego kryszta³u wykazuje wiêksze wzmocnienie. Sam ten fakt nie by³by cech¹ negatywn¹,
lecz znacznie trudniej jest kompensowaæ nieliniowoœci i utrzymaæ dobr¹ czerñ. Rysunek 3.11 pokazuje jak linearyzowaæ charakterystykê jasnoœci (transparentnoœci). Nale¿y stosowaæ wiêkszy krok napiêcia w zakresie nasycenia, kiedy charakterystyka
sterowania komórki ciek³ego kryszta³y siê sp³aszcza. Do tego
dodaje siê tzw. charakterystykê gamma. Identyczny zabieg realizowa³y monitory i wy¿szej klasy telewizory CRT. Chodzi w
tym przypadku o kompensacjê charakterystyki oka na gradacjê stopni szaroœci (o subiektywne odczucie wzglêdem „obiektywnie” mierzalnych parametrów luminancji). Charakterystykê gamma pokazuje rysunek 3.12.
Osobnym problemem jest liczba stopni szaroœci (ka¿dego
z kolorów podstawowych), a tym samym liczba dostêpnych
kolorów. Ta zale¿noœæ jest funkcj¹ wyk³adnicz¹ liczby bitów,
na których kodowana jest luminancja (poszczególnych kolorów RGB). Dla oœmiu bitów mamy 28 = 256. Ca³kowita liczba
kolorów jest zaœ równa 2563. Na rysunku 3.13a pokazano 3bitow¹ skalê szaroœci. Na rysunku 3.13b stabelaryzowano liczbê
dostêpnych kolorów dla rozdzielczoœci 3-, 4-, 6- i 8-bitowej.
Liczba gradacji szaroœci i dostêpnych kolorów roœnie wyk³adniczo i bardzo szybko mo¿na uznaæ, i¿ skala jest ci¹g³a (analogowa), a paleta kolorów reprezentuje tzw. Full Color.
Jeœli mimo wszystko aplikacja wymaga poszerzenia „palety barw”, có¿ prostszego, zwiêkszyæ szerokoœæ s³owa, przydzieliæ dla kodowania wiêksz¹ liczbê bitów. Jest jednak prostszy zabieg – Dithering lub Frame Rate Control. Jak to dzia³a
pokazano na rysunku 3.14.
Metoda FRC jest dostêpna przy dostatecznie du¿ej czêstotliwoœci odœwie¿ania ramki. Poprawienie rozdzielczoœci o dwa
(111)
White
D2
D1
100
(000)
Transmittance
8 Gray-scale
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
V1
Trans. (%)
(101) (011)
D0
V2
V3
V4
V5
V6
V7
V8
T1
T2
Black
T7
L/C Voltage T8
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
Digital Data
(3-bit)
V1 V2 ... V7 V8
L/C Voltage (V)
3
2 = 8 poziomów szaroœci
Rys.3.13a. 3-bitowa gradacja szaroœci
γ = 1.0
50
Czu³oœæ oka
γ = 2.2
512 colors
8-gray/RGB =
3 bit =
4 096 colors
4 bit = 16-gray/RGB =
262 144 colors
✓ 6 bit = 64-gray/RGB =
8 bit = 256-gray/RGB = 16 777 216 colors
Analog IC = „ci¹g³a” skala szaroœci = full color
γ = 3.0
0
16
32
48
64
Skala szaroœci
Rys.3.12. Korekcja Gamma wprowadzona do skali
szaroœci
6
2 = 64
18
2 = 262 144
Rys.3.13b. Iloœæ kolorów w zale¿noœci od rozdzielczoœci
bitowej
SERWIS ELEKTRONIKI
Od ciek³ych kryszta³ów do wyœwietlacza LCD
gó³y oddalone od siebie o k¹t mniejszy ani¿eli 0.03°. Zogniskowany obraz pada na siatkówkê w odleg³oœci mniejszej ani¿eli jej rozdzielczoœæ. Zale¿noœæ ta daje tak¿e wytyczne dla
wielkoœci pikseli. Ekran którego subpiksele maj¹ rozmiar 0.1
× 0.3 mm powinien byæ ogl¹dany z odleg³oœci nie mniejszej
ani¿eli 30 cm. Tak¿e nie jest bez znaczenia mozaika w jakiej
piksele s¹ u³o¿one. Rysunek 3.16 pokazuje 3 rozwi¹zania w
tym zakresie. „Stripe” jest rozwi¹zaniem najprostszym, zaœ
najkorzystniejszym jest u³o¿enie „Delta”.
a/ Dithering
Makro-piksel
(2×2)
Dodatkowe subiektywne poziomy
6
5 3/4
5 2/4
5 1/4
5
Zredukowana
rozdzielczoϾ
„przestrzenna”
1st
2nd
3rd
4th ramka
Uœrednienie
„czasowe”
5
5
5 1/4
5 2/4
5 3/4
6
5
Dodatkowe subiektywne poziomy
b/ Frame Rate Control (FRC)
4. Parê s³ów na temat backlightu
Rys.3.14. Subiektywne zwiêkszenie liczby stopni
szaroœci
a/ – dithering
b/ – Frame Rate Control
bity wymaga „wspólnego potraktowania” czterech podramek,
i na jednej, dwu lub trzech „dorzucenie” jaœniejszego/ciemniejszego piksela.
Dithering to pojêcie szeroko znane w technice cyfrowego
przetwarzania sygna³ów. To „dr¿enie” maj¹ce zwiêkszyæ subiektywne wra¿enie rozdzielczoœci. W tym przypadku w ramach czterech s¹siednich pikseli (makro-piksela), dodaje siê
1, 2 lub 3 piksele jaœniejsze/ciemniejsze . Narz¹d wzroku uœredni ten stan i odniesie wra¿enie dodatkowych, poœrednich stopni szaroœci. „Uœredni”, gdy piksele s¹ wystarczaj¹co ma³e (i
makropiksel jest postrzegany jako jeden punkt). Rysunek 3.15
pokazuje rozdzielczoœæ k¹tow¹ oka. Nie s¹ rozró¿nialne szcze-
Jeszcze parê uwag odnoœnie backlightu. Nie poruszamy tu
tematu lamp CCFL i ich zasilania. Temu tematowi poœwiêcono dwa obszerne artyku³y w „SE” nr 1/2007 do 5/2007 i „SE”
11/2008 ÷ 1/2009. Warto natomiast zwróciæ uwagê na spektrum podœwietlenia tylnego. To œwiat³o bia³e. Ale czy na pewno? W potocznym rozumieniu œwiat³o bia³e ma ci¹g³y rozk³ad
czêstotliwoœci w paœmie widzialnym. Œwiat³o lamp CCFL takim nie jest. Jest mieszanin¹ trzech barw, co pokazuje rysunek
4.1. To nawet lepiej. Lepiej dla parametrów filtrów. Ich charakterystykê tak¿e pokazano na rysunku 4.1. Widaæ z niego,
¿e uk³ad nie jest wra¿liwy na dok³adny przebieg tej charakterystyki i ka¿dy kolor wycina w¹skie spektrum barwy czerwonej, zielonej i niebieskiej.
We wczesnej dobie telewizji kolorowej znacznie obszerniej ani¿eli obecnie, by³y publikowane charakterystyki postrzegania barw oraz fakt, i¿ widzenie barwne mo¿na prezentowaæ
w przestrzeni trójwymiarowej barw podstawowych. Materia³y
firmy Samsung pokazuj¹ jak to wygl¹da w przypadku ekranów LCD. Rysunek 4.2 zaczerpniêto z tych materia³ów. Widaæ z niego, i¿ zakres barw jest nieco wê¿szy ani¿eli w systemie NTSC (w PAL-u jest podobnie, aczkolwiek nale¿a³oby
uwzglêdniæ „parametry barwne” luminoforu R, G i B).
“Dot per inch”
Tryb
WielkoϾ piksela
– 10.4 inch
VGA
: 0.110 mm × 0.330 mm
(77dpi)
– 12.1 inch
SVGA
: 0.1025 mm × 0.3075 mm
(83dpi)
– 15.0 inch
XGA
: 0.099 mm × 0.297 mm
(177dpi)
– 17.0 inch
SXGA
: 0.090 mm × 0.270 mm
(94dpi)
– 21.3 inch
UXGA
: 0.090 mm × 0.270 mm
(94dpi)
Przek¹tna ekranu
θ < 0.03°
mixed color
Siatkówka
~0.1 mm
θ ∼ 0.02°
~0.3 mm
~0.1 mm
~30 cm
Sub-Pixel
Rys.3.15. RozdzielczoϾ oka
SERWIS ELEKTRONIKI
Od ciek³ych kryszta³ów do wyœwietlacza LCD
Stripe
Mosaic
Rys.3.16a. Struktura (przestrzenna) filtru RGB
„Kanapka” ekranu ciek³okrystalicznego
odpowiedzialna za równomierne podœwietlenie (backlight) jest tak¿e z³o¿ona z wielu
warstw i nie jest taka prosta jak mog³oby siê
wydawaæ. Na rysunku 4.3, 4.4 i 4.5 pokazano kilka rozwi¹zañ w tym zakresie. Regu³¹
jest, i¿ ekrany komputerów laptop oraz monitory o niewielkiej przek¹tnej wykorzystuj¹
lampy CCFL umieszczone jedynie na obrze¿u ekranu (edge light). Telewizory LCD stosuj¹ konstrukcjê top-down. „Kanapka backlightu” jest szczególnie skomplikowana w
pierwszym z wymienionych wy¿ej rozwi¹zañ. Trudniej bowiem zapewniæ równomierne œwiecenie ca³ego ekranu. Rysunek 4.4 pokazuje ciekaw¹ innowacjê z wykorzystaniem
dodatkowej warstwy zwanej prism sheet. Na
rysunku 4.6 zebrano wszystkie warstwy „kanapki” backlightu.
Dalej jednak, zajmujemy siê tylko warstw¹ (kanapk¹) zawieraj¹c¹ ciek³y kryszta³ i
odpowiedzialn¹ za w³aœciwy zakres gradacji
szaroœci i barw.
Delta
Stripe Array
Mosaic Array
Delta Array
Rys.3.16b. Matryca elementów R, G i B w uk³adzie
“STRIPE”, “MOSAIC” i “DELTA”
Backlight
Spectra
400
500
600
700
400
500
600
700
Color Filter
Spectra
Color-Filter
TFT-Array
Transmitted
Lights
600
Backlight
500
400
500
600
600
700
Rys.4.1. Spektrum œwiat³a backlightu i charakterstyki filtrów R, G, B
SERWIS ELEKTRONIKI
700
700
Od ciek³ych kryszta³ów do wyœwietlacza LCD
y
G (0.21, 0.71)
0.7
Top-down
Diffuser
Light
NTSC
(a)
(b)
R
(0.67, 0.33)
0
B
(0.14, 0.08)
0.7
CCFL
(Cold Cathode Fluorescent Lamp)
Reflector
x
! Color Balance
! Color Reproducibility
or Color Saturation
! Color Temperature
Diffuser
Edge-light
Light
Color Reproducibility of Display (a) =
Area of ∆ (a)
Area of ∆ (NTSC)
× 100%
Rys.4.2. Zakres barw dostêpnych
na ekranie jako funkcje
charakterystyki filtrów
Reflector
LGP
CCFL
Rys.4.3. Backlight konstrukcji top-down i edge-light
* BEF:
Brightness Enhancement Film
Prism Effect
Prism Sheetes
(BEF)
CCFL
Diffuser
Lamp Reflector
Reflector Sheet
LGP
Rys.4.4. Poprawa wydajnoœci tylnego podœwietlenia dodatkow¹ warstw¹ Brightness Enhacement Film
SERWIS ELEKTRONIKI
Od ciek³ych kryszta³ów do wyœwietlacza LCD
Note PC (200 nit)
Monitor (350 nit)
TV (600 nit)
Lamp: φ1.6 ~ φ2.4
CCFL
LGP: Wedge Type
1.6 mm ~ 3.0 mm
Lamp: φ2.2 ~ φ3.0
CCFL
LGP: Flat Type
3.0 mm ~ 8.0 mm
Lamp: φ3.0 ~ φ4.0
CCFL
LGP: Flat Diffusing Type
2.0 mm ~ 3.0 mm
Du¿a jasnoœæ
Konstrukcja “slim”
Rys.4.5. System tylnego podœwietlenia z lamp¹ ulokowan¹ wzd³u¿ jednej krawêdzi, dwu krawêdzi oraz top-down
WARSTWA
Structure of Back Light
LCD PANEL
Protector
Top Prism
Bottom Prism
Funkcja
Filtr sterowany sygna³em wizji
Warstwa zabezpieczaj¹ca pryzmat
“top prism”
Ta sama funkcja co “bottom prism”
(×1.33)
Charakterystyka skupiaj¹ca
(zwiêksza luminancjê ×1.55)
Protector
Lamp
Light guide plate
Pomaga w równomiernym
oœwietleniu ca³ego ekranu
Lamp Housing
(Lamp Reflector)
Reflector
Rys.4.6. „Kanapkowa” budowa backlightu
SERWIS ELEKTRONIKI
Warstwa odbijaj¹ca
}
Ci¹g dalszy w nastêpnym numerze