Сұйық кристалды дисплейлердегі артқы жарықтандыру

Кіріспе

сұйық кристалды дисплейлердегі артқы жарық сұйық кристалды дисплейлерде қолданылатын жарықтандыру түрі

Артқы жарық – сұйық кристалды дисплейлерде (ЖКД) дисплей панелінің артынан немесе бүйірінен жарық беру арқылы қолданылатын жарықтандыру түрі. ЖКД өздігінен жарық шығармайды, сондықтан көрінетін кескінді жасау үшін жарықтандыру (сыртқы жарық немесе арнайы жарық көзі) қажет. Артқы жарықтар көбінесе смартфондарда, компьютер мониторларында және ЖК-теледидарларда қолданылады. Олар кішкентай дисплейлерде, мысалы, сағаттарда, жарық аз болғанда оқу мүмкіндігін арттыру үшін қолданылады. Артқы жарық үшін әдетте жарықдиодтар (ЖД) және суық катодты люминесцентті лампалар (СКЛЛ) қолданылады. Мысалы, калькуляторларда қолданылатын қарапайым ЖКД-лерде ішкі жарық көзі болмайды, сондықтан дисплей кескінін пайдаланушыға жеткізу үшін сыртқы жарық көздері қажет. Дегенмен, көптеген ЖК-экрандар ішкі жарық көзімен жабдықталған. Мұндай экрандар бірнеше қабаттан тұрады. Артқы жарық әдетте артқы жағынан бірінші қабат болып табылады. Содан кейін жарық клапандары жарықтың мөлшерін өзгертіп, оның өтуін белгілі бір жолмен шектейді. Көбінесе қажетсіз жарықты тоқтату үшін тұрақты поляризациялық және ауыспалы сүзгілер қолданылады. ЖКД-ден басқа көптеген дисплей түрлері өз жарығын шығарады және артқы жарыққа мұқтаж болмайды, мысалы, OLED дисплейлері, катодты сәулелі түтік (КСТ) және плазмалық (PDP) дисплейлері. Ұқсас технология – фронталды жарық, ол ЖКД-ні алдыңғы жағынан жарықтандырады. Питер Дж. Уайлдтың «Инженерлік және технология тарихы» еңбегінде ЖКД-нің алғашқы жарықтандыру схемаларына шолу жасалған.

Қолданылуы

Түсті LED артқы жарықтандыру көбінесе кішкентай, арзан LCD панельдерде қолданылады. Ақ LED жарықтандыру басымдыққа ие болып келеді. ELP артқы жарықтандыру көбінесе үлкен дисплейлерде немесе біркелкі жарықтандыру қажет болғанда қолданылады; ол түсті немесе ақ болуы мүмкін. ELP инвертор схемасымен қамтамасыз етілетін салыстырмалы түрде жоғары кернеулі айнымалы токпен басқарылуы тиіс. CCFL артқы жарықтандыру компьютер мониторлары сияқты үлкен дисплейлерде қолданылады және көбінесе ақ түсті болады; оларға да инвертор мен диффузор қажет. Алғашқы LCD панельдерінде жоғары жарықтыққа қол жеткізу үшін шамдық артқы жарықтандыру қолданылды, бірақ шамдардың қысқа қызмет ету мерзімі және шамадан тыс жылу шығаруы елеулі кемшіліктер болды. Шамдардың бөліп шығаратын жылуы дисплейге зақым келтірмеу үшін оларды дисплейден алшақ орнатуды талап етеді.

CCFL артқы жарықтары

Бірнеше жыл бойы (шамамен 2010 жылға дейін) мониторлар мен теледидарлар сияқты матрицалық басқарылатын үлкен ЖК-экрандар үшін ең көп қолданылатын артқы жарықтандыру қызыл катодты люминесценттік шамға (CCFL) негізделген. Бұл ЖК-экранның қарама-қарсы жиектерінде орналасқан екі CCFL немесе ЖК-экранның артындағы CCFL массиві арқылы іске асырылды (40 дюймдік ЖК-теледидарға арналған 18 CCFL массивінің суретін қараңыз). LED жарықтандырумен салыстырғанда кемшіліктері болғандықтан (жоғары кернеу және қуат талаптары, қалың панель дизайны, жылдам ауысу мүмкін емес, тез тозу), LED артқы жарықтандыру көбірек танымал болып келеді. Көптеген ЖК-модельдер, арзан TN дисплейлерінен бастап түс туралы ақпаратты дәл беруге арналған S IPS немесе S PVA панельдеріне дейін, NTSC түс стандартының 95% -дан астамын қамтитын кең спектрлі CCFL шамдарын қолданады.

LED артқы жарықтары

Түсті экрандардағы LED артқы жарықтандыру екі түрге бөлінеді: ақ LED артқы жарықтандыру және RGB LED артқы жарықтандыру. Ақ LED-тер көбінесе ноутбук компьютерлері мен үстел экрандарында қолданылады және барлық мобильді LCD экрандарды құрайды. Ақ LED әдетте ақ жарық шығаратын, кең спектрлі сары фосформен жабдықталған көк LED болып табылады. Дегенмен, спектральді қисықтың сары түстегі ең жоғары нүктесі болғандықтан, ол LCD-ның қызыл және жасыл түсті сүзгілерінің тарату ең жоғары нүктесімен нашар сәйкес келеді. Бұл қызыл және жасыл түстердің сарыға қарай ығысуына әкеледі, соның салдарынан дисплейдің түс гаммасы төмендейді. RGB LED-лер қызыл, көк және жасыл LED-терден тұрады және оларды ақ түстің әртүрлі температураларын шығару үшін басқаруға болады. RGB LED-тер артқы жарықтандыру үшін HP DreamColor LP2480zx мониторы немесе HP EliteBook ноутбуктері сияқты жоғары сапалы түсті дисплейлерде, сондай-ақ Dell Studio сериялы ноутбуктердегі RGB LED дисплейі бар кейбір тұтынушылық дисплейлерде қолданылады. RGB LED-тер экранға өте кең түс гаммасын жеткізе алады. Үш жеке LED (қосымша түс) қолданғанда, артқы жарық LCD пикселдеріндегі түс сүзгілеріне жақын түс спектрін шығарады. Осылайша, сүзгі өткізу жолағын тарылтуға болады, нәтижесінде әр түс компоненті LCD арқылы өте тар спектр жолағын ғана өткізеді. Бұл дисплейдің тиімділігін арттырады, себебі ақ түс көрсетілгенде жарық аз тосқауылға түседі. Қызыл, жасыл және көк түстердің нүктелерін алыстату арқылы дисплейге көбірек жарқын түстерді шығаруға болады. LED артқы жарықтандырылған LCD панельдерінің түс гаммасын одан әрі жақсарту әдісі көк LED-терді (мысалы, галлий нитриді (GaN) LED-тері) пайдалануға негізделген, олар нанокристалл фосфорларының қабатын жарықтандырады, оларды кванттық нүктелер (QD) деп атайды. Кванттық нүктелер көк толқын ұзындықтарын қажетті ұзын толқын ұзындықтарына айналдырады, LCD-ді артқы жағынан оңтайлы жарықтандыру үшін тар жолақты жасыл және қызыл түстерді шығарады. Өндіруші, Nanosys, нанокристаллдардың мөлшерін бақылау арқылы нүктелердің түсін дәл реттеуге болады деп мәлімдейді. Бұл әдісті қолданатын басқа компаниялар: Nanoco Group PLC (Ұлыбритания), QD Vision, 3M (Nanosys компаниясының лицензиары) және Avantama (Швейцария). Sony 2013 жылы Triluminos деген атпен сатылатын, шеттерінен жарықтандырылатын LED артқы жарығы бар LCD телевизорларын енгізу үшін АҚШ-тың QD Vision компаниясының кванттық нүкте технологиясын пайдаланды. Көк LED және оның алдындағы жасыл және қызыл түстер үшін оңтайландырылған нанокристалдардың нәтижесінде пайда болған ақ жарық үш RGB LED-тің қымбат жиынтығынан шығарылатын түс гаммасына тең немесе одан да жақсы болады. 2015 жылғы Тұтынушы Электроникасы Көрмесінде бірқатар компаниялар QD-мен күшейтілген LED артқы жарықтандыруды LCD телевизорларында көрсетті, олардың ішінде Samsung Electronics, LG Electronics және қытайлық TCL Corporation бар. LED артқы жарықтандыруда бірнеше қиындықтар бар. Біркелкілікке қол жеткізу қиын, әсіресе LED-тер қартайған сайын, әр LED әртүрлі жылдамдықпен қартайып, ақ түстің нүктесі LED-тердің жасы әртүрлі жылдамдықпен өзгеруіне себеп болады. Ақ LED-тер осы құбылысқа ұшырайды, түс температурасының бірнеше жүз Кельвинге дейін өзгеруі тіркелген. Ақ LED-тер жоғары температурада көк түске қарай ығысады, 10 °C-тан 80 °C-қа дейін 3141K-ден 3222K-қа дейін өзгереді. Энергия тиімділігі де қиындық тудыруы мүмкін; бірінші буынның іске асырылуы CCFL-ге қарағанда көбірек энергияны пайдалануы мүмкін, бірақ LED дисплейінің энергия тиімділігі жоғары болуы мүмкін. 2010 жылы қазіргі буын LED дисплейлері энергияны тұтынуда маңызды артықшылықтарға ие. Мысалы, 24" Benq G2420HDB тұтынушылық дисплейінің LED емес нұсқасы 49W тұтынады, ал сол дисплейдің (G2420HDBL) LED нұсқасы 24W тұтынады. Жоғарыда аталған қиындықтарды жеңу үшін RGB және ақ LED артқы жарықтандыру үшін NDF Special Light Products компаниясы "жетілдірілген қашықтан фосфор" LED технологиясын әзірледі, әсіресе жоғары сапалы және ұзақ қызмет ету мерзімі бар LCD қолданбалары үшін, мысалы, пилот кабинасындағы дисплейлер, әуе қозғалысын басқару дисплейлері және медициналық дисплейлер. Бұл технология көк насос LED-терін бояу түрін түрлендіру үшін фосфорлы люминесцентті материалдар басылған парақпен біріктіреді. Принцип кванттық нүктелерге ұқсас, бірақ қолданылатын фосфорлар кванттық нүктелер нанобөлшектерінен әлдеқайда берік, олар ұзақ қызмет ету мерзімін қажет ететін қосымшалар үшін. Фосфор табағы LED-дан қашықтықта орналастырылғандықтан, ол ақ LED-дегі фосфорларға қарағанда температуралық стреске аз ұшырайды. Нәтижесінде, ақ түстің нүктесі жеке LED-терге аз тәуелді болады және олардың қызмет ету мерзімі ішінде жеке LED-тердің тозуына байланысты ақ түстің өзгеруіне себеп болмайды, бұл жарықтандырудың біркелкілігін арттырады, түс тұрақтылығын жақсартады және люменнің азаюын төмендетеді. Ноутбук компьютерлерінде LED артқы жарықтандырудың қолданылуы артып келеді. Sony 2005 жылдан бері жоғары сапалы, жұқа VAIO ноутбуктерінің кейбірінде LED артқы жарықтандыруды пайдаланған, ал Fujitsu 2006 жылы LED артқы жарықтандырылған ноутбуктерді ұсынды. 2007 жылы Asus, Dell және Apple өздерінің ноутбук моделінің кейбіріне LED артқы жарықтандыруды енгізді. 2008 жылға қарай Lenovo LED артқы жарықтандырылған ноутбуктерді жариялады. 2008 жылдың қазан айында Apple барлық ноутбуктері мен жаңа 24 дюймдік Apple Cinema Display үшін LED артқы жарықтандыруды қолданатынын хабарлады, ал бір жылдан кейін жаңа LED iMac-ты ұсынды, яғни Apple-дың барлық жаңа компьютер экраны LED артқы жарықтандырылған дисплейлерге айналды. 2009 жылдың қыркүйегінен бері енгізілген 16:9 дисплейі бар дерлік барлық ноутбуктер LED артқы жарықтандырылған панельдерді пайдаланады. Бұл көптеген LCD теледидар жиынтықтарына да қатысты, олар кейбір елдерде шатастыратын "LED TV" деген атпен сатылады, бірақ кескін әлі де LCD панелімен жасалады. LCD-лер үшін көптеген LED артқы жарықтандырулары шеттік жарықтандыру болып табылады, яғни бірнеше LED-тер жарық таратушы пластинаның (LGP) шеттеріне орналастырылған, ол LC панелінің артында жарықты таратады. Бұл техниканың артықшылықтары өте жұқа, жалпақ панельді құрылым және төмен құн. Көбірек қымбат нұсқасы толық массивті немесе тікелей LED болып табылады және LC панелінің артында орналасқан көптеген LED-терден тұрады (LED массиві), бұл үлкен панельдерді біркелкі жарықтандыруға мүмкіндік береді. Бұл конфигурация дисплейдегі кескінге байланысты қара пикселдерді қарарту үшін жергілікті димдеуге мүмкіндік береді.

LED backlighting in color screens comes in two varieties: white LED backlights and RGB LED backlights. White LEDs are used most often in notebook computers and desktop screens, and make up virtually all mobile LCD screens. A white LED is typically a blue LED with broad spectrum yellow phosphor to result in the emission of white light. However, because the spectral curve peaks at yellow, it is a poor match to the transmission peaks of the red and green color filters of the LCD. This causes the red and green primaries to shift toward yellow, reducing the color gamut of the display. RGB LEDs consist of a red, a blue, and a green LED and can be controlled to produce different color temperatures of white. RGB LEDs for backlighting are found in high end color proofing displays such as the HP DreamColor LP2480zx monitor or selected HP EliteBook notebooks, as well as more recent consumer grade displays such as Dell's Studio series laptops which have an optional RGB LED display. RGB LEDs can deliver an enormous color gamut to screens. When using three separate LEDs (additive color) the backlight can produce a color spectrum that closely matches the color filters in the LCD pixels themselves. In this way, the filter passband can be narrowed so that each color component lets only a very narrow band of spectrum through the LCD. This improves the efficiency of the display since less light is blocked when white is displayed. The actual red, green, and blue points can be moved farther out so that the display is capable of reproducing more vivid colors. A method to further improve the color gamut of LED backlit LCD panels is based on blue LEDs (such as gallium nitride (GaN) LEDs) that illuminate a layer of nanocrystal phosphors, called quantum dots (QDs). The quantum dots convert the blue wavelengths to the desired longer wavelengths as narrow bandwidth green and red colors for optimal illumination of the LCD from behind. The manufacturer, Nanosys, claims that the color output of the dots can be tuned precisely by controlling the size of the nanocrystals. Other companies pursuing this method are Nanoco Group PLC (UK), QD Vision, 3M a licensee of Nanosys and Avantama of Switzerland. Sony has adapted quantum dot technology from the US company QD Vision to introduce LCD TVs with an improved edge lit LED backlight marketed under the term Triluminos in 2013. With a blue LED and optimized nanocrystals for green and red colors in front of it, the resulting combined white light allows for an equivalent or better color gamut than that emitted by a more expensive set of three RGB LEDs. At the Consumer Electronics Show 2015, a number of companies showed QD enhanced LED backlighting of LCD TVs, including Samsung Electronics, LG Electronics, and the Chinese TCL Corporation. There are several challenges with LED backlights. Uniformity is hard to achieve, especially as the LEDs age, with each LED aging at a different rate. The use of three separate light sources for red, green, and blue means that the white point of the display can move as the LEDs age at different rates; white LEDs are affected by this phenomenon, with changes of several hundred kelvins of color temperature being recorded. White LEDs suffer from blue shifts at higher temperatures varying from 3141K to 3222K for 10 °C to 80 °C respectively. Power efficiency may be a challenge; first generation implementations could potentially use more power than their CCFL counterparts, though it is possible for an LED display to be more power efficient. In 2010, current generation LED displays can have significant power consumption advantages. For example, the non LED version of the 24" Benq G2420HDB consumer display has a 49W consumption compared to the 24W of the LED version of the same display (G2420HDBL). To overcome the aforementioned challenges with RGB and white LED backlights an 'advanced remote phosphor' LED technology has been developed by NDF Special Light Products, specifically for high end and long life LCD applications such as cockpit displays, air traffic control displays, and medical displays. This technology uses blue pump LEDs in combination with a sheet on which phosphorous luminescent materials are printed for colour conversion. The principle is similar to quantum dots, but the phosphors applied are much more robust than the quantum dot nano particles for applications that require long lifetime in more demanding operational conditions. Because the phosphor sheet is placed at a distance (remote) of the LED it experiences much less temperature stress than phosphors in white LEDs. As a result, the white point is less dependent on individual LEDs, and degrading of individual LEDs over lifetime, leading to a more homogenous backlight with improved colour consistency and lower lumen depreciation. The use of LED backlights in notebook computers has been growing. Sony has used LED backlights in some of its higher end slim VAIO notebooks since 2005, and Fujitsu introduced notebooks with LED backlights in 2006. In 2007, Asus, Dell, and Apple introduced LED backlights into some of their notebook models. as of 2008, Lenovo has announced LED backlit notebooks. In October 2008, Apple announced that it would be using LED backlights for all of its notebooks and new 24 inch Apple Cinema Display, and one year later it introduced a new LED iMac, meaning all of Apple's new computer screens became LED backlit displays. Almost every laptop with a 16:9 display introduced since September 2009 uses LED backlit panels. This is also the case for most LCD television sets, which are marketed in some countries under the misleading name LED TV, although the image is still generated by an LCD panel. Most LED backlights for LCDs are edge lit, i. e. several LEDs are placed at the edges of a lightguide (Light guide plate, LGP), which distributes the light behind the LC panel. Advantages of this technique are the very thin flat panel construction and low cost. A more expensive version is called full array or direct LED and consists of many LEDs placed behind the LC panel (an array of LEDs), such that large panels can be evenly illuminated. This arrangement allows for local dimming to obtain darker black pixels depending on the image displayed.

Диффузерлер

Дисплейлер үшін өте маңызды жарықты тең бөлу үшін ELP емес артқы жарық, жарық алдымен жарық жетекші арқылы (жарық жетекші пластинасы, LGP) өтеді – бұл жарықты бір-бірінен әртүрлі арақашықтықта орналасқан дөңгелектер арқылы таратып беретін арнайы жасалған пластик қабат. Диффузия теңдеуіне сәйкес, дөңгелектердің тығыздығы жарық көзінен алшақтаған сайын артады. Таралған жарық содан кейін диффузордың екі жағына да жетеді; алдыңғы жағы нақты LCD панеліне қаратылған, ал артқы жағында жарық панельге қайта бағыттау үшін рефлектор орналасқан, осылайша ысырапқа кететін жарық азаяды. Рефлектор кейде алюминий фольгасынан немесе қарапайым ақ пигменттелген беттен жасалады.

Жарық түсіретін поляризаторлар

LCD артқы жарық жүйелері оптикалық пленкаларды қолдану арқылы, мысалы, призмалық құрылымды пайдалану арқылы жарықты қажетті бағытта бағыттауға және LCD-нің бірінші поляризаторы бұрын сіңірген поляризацияланған жарықты қайта пайдалануға мүмкіндік беретін шағылыстыратын поляризациялық пленкалар арқылы жоғары тиімділікке ие болады (бұл технологияны Philips зерттеушілері Адриан де Ваан мен Паулюс Шаареман ойлап тапқан), әдетте 3M компаниясы өндірген және жеткізген DBEF пленкалары арқылы іске асырылады. Бұл поляризаторлар жарықтың бұрын сіңірілген поляризациялық режимін шағылыстыратын бір осьті бағытталған екі қырлы пленкалардың көп қабатты жиынтығынан тұрады. Мұндай шағылыстыратын поляризаторлар, бір осьті бағытталған полимерленген сұйық кристалдарды (екі қырлы полимерлер немесе екі қырлы желім) пайдалана отырып, 1989 жылы Philips зерттеушілері Дирк Бройер, Адриан де Ваан және Йорк Брамбринг ойлап тапты. Мұндай шағылыстыратын поляризаторлардың және LED динамикалық артқы жарықты басқарудың үйлесімі.

Электр қуатын тұтыну

Энергия стандарттарының эволюциясы және қуат тұтынуға қатысты халықтың күтінімдерінің артуы артқы жарықтандыру жүйелерінің қуатын басқаруын қажет етті. Басқа тұтынушы электроникасы сияқты (мысалы, тоңазытқыштар немесе шамдар), теледидарлар үшін де энергия тұтыну санаттары енгізілді. Теледидарлардың қуат рейтингтеріне қатысты стандарттар АҚШ, ЕО, Австралия және Қытай сияқты елдерде қолданысқа енгізілді. Сонымен қатар, 2008 жылғы зерттеу көрсеткендей, еуропалық елдерде теледидар таңдағанда қуат тұтыну тұтынушылар үшін экран мөлшерімен бірдей маңызды критерийлердің бірі болып табылады.