Подсветка в жидкокристаллических дисплеях

Введение

подсветка в жидкокристаллических дисплеях
Форма освещения, используемая в жидкокристаллических дисплеях

Подсветка – это форма освещения, используемая в жидкокристаллических дисплеях (ЖКД), обеспечивающая освещение сзади или сбоку от панели дисплея. ЖКД сами по себе не излучают свет, поэтому для создания видимого изображения им необходимо освещение (окружающий свет или специальный источник света). Подсветка часто используется в смартфонах, компьютерных мониторах и ЖК-телевизорах. Она применяется в небольших дисплеях для повышения читаемости при слабом освещении, например, в наручных часах. Типичными источниками света для подсветки являются светодиоды (LED) и лампы с холодным катодом (CCFL). Простые типы ЖКД, такие как используемые в карманных калькуляторах, изготавливаются без внутреннего источника света и требуют внешних источников света для отображения изображения пользователю. Однако большинство ЖК-экранов оснащены внутренним источником света. Такие экраны состоят из нескольких слоев, при этом подсветка обычно является первым слоем сзади. Затем световые клапаны изменяют количество света, достигающего глаза, блокируя его прохождение. Большинство используют фиксированный поляризационный фильтр и управляемый, чтобы блокировать нежелательный свет. Многие другие типы дисплеев, помимо ЖКД, генерируют собственный свет и не требуют подсветки, например, OLED-дисплеи, дисплеи с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и плазменные (PDP) дисплеи. Существует также схожая технология – фронтальная подсветка, которая освещает ЖК-дисплей спереди. Обзор некоторых ранних схем подсветки для ЖКД представлен в отчете "История инженерии и технологий" Питера Дж. Уайлда.

Использование

Цветная светодиодная подсветка наиболее часто используется в небольших и недорогих ЖК-панелях. Белая светодиодная подсветка становится преобладающей. Подсветка ELP часто применяется для больших дисплеев или когда требуется равномерная подсветка; она может быть как цветной, так и белой. Для питания ELP требуется относительно высокое переменное напряжение, которое обеспечивается схемой инвертора. Подсветка CCFL используется в больших дисплеях, таких как компьютерные мониторы, и обычно имеет белый цвет; для её работы также необходимы инвертор и рассеиватель. В ранних ЖК-панелях использовалась подсветка лампами накаливания для достижения высокой яркости, но ограниченный срок службы и избыточное тепловыделение ламп накаливания были серьезными недостатками. Тепло, выделяемое лампами накаливания, обычно требует их установки на расстоянии от дисплея для предотвращения повреждений.

Задние фонари CCFL

В течение нескольких лет (до примерно 2010 года) предпочтительной подсветкой для матричных ЖК-панелей, используемых в мониторах и телевизорах, служили лампы с холодным катодом (CCFL). Подсветка осуществлялась либо двумя CCFL, расположенными по противоположным краям ЖК-панели, либо массивом CCFL за панелью (см. изображение массива из 18 CCFL для 40-дюймового ЖК-телевизора). В связи с недостатками по сравнению со светодиодной подсветкой (более высокое требуемое напряжение и мощность, большая толщина панели, отсутствие быстрого переключения, более быстрый износ), светодиодная подсветка становится все более распространенной. Многие модели ЖК-дисплеев, от недорогих TN-дисплеев до профессиональных S-IPS или S-PVA панелей с расширенным цветовым охватом, используют CCFL, обеспечивающие более 95% цветовой спецификации NTSC.

Светодиодные подсветки

Светодиодная подсветка в цветных экранах представлена двумя разновидностями: подсветка белыми светодиодами и подсветка RGB-светодиодами. Белые светодиоды наиболее часто используются в ноутбуках и настольных мониторах и составляют практически все мобильные ЖК-экраны. Белый светодиод обычно представляет собой синий светодиод с широким спектром желного фосфора, что приводит к излучению белого света. Однако, поскольку спектральная кривая достигает пика в желтом цвете, она плохо соответствует пикам пропускания красных и зеленых цветовых фильтров ЖК-дисплея. Это приводит к смещению основных цветов красного и зеленого в сторону желтого, уменьшая цветовую гамму дисплея. RGB-светодиоды состоят из красного, синего и зеленого светодиодов и могут управляться для получения различных цветовых температур белого. RGB-светодиоды для подсветки используются в высококлассных дисплеях для цветокоррекции, таких как монитор HP DreamColor LP2480zx или некоторые модели HP EliteBook, а также в более современных дисплеях потребительского класса, таких как ноутбуки серии Dell Studio, которые предлагают опциональную RGB-светодиодную подсветку. RGB-светодиоды способны обеспечить огромную цветовую гамму экрана. При использовании трех отдельных светодиодов (аддитивное смешение цветов) подсветка может создавать цветовой спектр, который тесно соответствует цветовым фильтрам в самих пикселях ЖК-дисплея. Это позволяет сузить полосу пропускания фильтра, так что каждый цветовой компонент пропускает только очень узкую полосу спектра через ЖК-дисплей. Это повышает эффективность дисплея, поскольку при отображении белого цвета блокируется меньше света. Фактические координаты красной, зеленой и синей точек можно сместить дальше, чтобы дисплей мог воспроизводить более насыщенные цвета. Метод дальнейшего улучшения цветовой гаммы ЖК-панелей с LED-подсветкой основан на использовании синих светодиодов (например, светодиодов на нитриде галлия (GaN)), которые освещают слой нанокристаллических фосфоров, называемых квантовыми точками (КТ). Квантовые точки преобразуют синие длины волн в желаемые более длинные длины волн, создавая узкополосные зеленые и красные цвета для оптимальной подсветки ЖК-дисплея сзади. Производитель, Nanosys, утверждает, что цветовые характеристики точек можно точно настраивать, контролируя размер нанокристаллов. Другие компании, работающие над этой технологией, включают Nanoco Group PLC (Великобритания), QD Vision, 3M, лицензиат Nanosys, и Avantama из Швейцарии. Sony адаптировала технологию квантовых точек от американской компании QD Vision для создания ЖК-телевизоров с улучшенной светодиодной подсветкой по краю, представленных под брендом Triluminos в 2013 году. Благодаря синему светодиоду и оптимизированным нанокристаллам для зеленого и красного цветов, расположенным перед ним, полученный комбинированный белый свет обеспечивает цветовую гамму, эквивалентную или превосходящую цветовую гамму, излучаемую более дорогостоящим набором из трех RGB-светодиодов. На выставке Consumer Electronics Show 2015 года ряд компаний продемонстрировали LED-подсветку LCD-телевизоров с улучшенными квантовыми точками, включая Samsung Electronics, LG Electronics и китайскую корпорацию TCL. Существует несколько проблем, связанных с LED-подсветкой. Достижение равномерности затруднено, 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 смещаться по мере старения светодиодов с разной скоростью; белые светодиоды подвержены этому явлению, при этом регистрируются изменения цветовой температуры в несколько сотен кельвинов. Белые светодиоды подвержены синему сдвигу при более высоких температурах, изменяющемуся от 3141K до 3222K при изменении температуры от 10°C до 80°C соответственно. Энергоэффективность может быть проблемой; реализации первого поколения потенциально могли потреблять больше энергии, чем их аналоги CCFL, хотя LED-дисплей может быть более энергоэффективным. В 2010 году современные LED-дисплеи могут иметь значительные преимущества в энергопотреблении. Например, не-LED версия 24-дюймового потребительского дисплея Benq G2420HDB потребляет 49 Вт по сравнению с 24 Вт LED-версии того же дисплея (G2420HDBL). Для решения вышеупомянутых проблем, связанных с RGB и белыми светодиодными подсветками, компания NDF Special Light Products разработала технологию LED-подсветки с "продвинутым удаленным фосфором", специально для высококлассных и долговечных ЖК-дисплеев, таких как дисплеи кабины пилотов, дисплеи управления воздушным движением и медицинские дисплеи. Эта технология использует синие накачивающие светодиоды в сочетании с листом, на котором напечатаны люминесцентные материалы на основе фосфора для преобразования цвета. Принцип работы аналогичен квантовым точкам, но используемые фосфоры гораздо более устойчивы, чем наночастицы квантовых точек, для применений, требующих длительного срока службы в более сложных условиях эксплуатации. Поскольку фосфорный лист расположен на расстоянии (удаленно) от светодиода, он испытывает меньшее термическое напряжение, чем фосфоры 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 консистенцией и меньшим снижением светового потока. Использование LED-подсветки в ноутбуках растет. Sony использовала LED-подсветку в некоторых своих высококлассных тонких ноутбуках VAIO с 2005 года, а Fujitsu представила ноутбуки с LED-подсветкой в 2006 году. В 2007 году Asus, Dell и Apple представили LED-подсветку в некоторых своих моделях ноутбуков. По состоянию на 2008 год Lenovo объявила о выпуске ноутбуков с LED-подсветкой. В октябре 2008 года Apple объявила, что будет использовать LED-подсветку для всех своих ноутбуков и нового 24-дюймового Apple Cinema Display, а год спустя представила новый LED iMac, что означает, что все новые компьютерные экраны Apple стали оснащаться LED-подсветкой. Почти каждый ноутбук с 16:9 дисплеем, представленный с сентября 2009 года, использует панели с LED-подсветкой. То же самое относится и к большинству ЖК-телевизоров, которые в некоторых странах продаются под вводящим в заблуждение названием LED TV, хотя изображение по-прежнему генерируется ЖК-панелью. Большинство LED-подсветки для ЖК-дисплеев являются подсветкой по краю, то есть несколько светодиодов расположены по краям световодов (световодной пластины, LGP), которые распределяют свет за ЖК-панелью. Преимуществами этой технологии являются очень тонкая плоская конструкция и низкая стоимость. Более дорогая версия называется полноматричной или прямой LED-подсветкой и состоит из множества светодиодов, расположенных за ЖК-панелью (массив светодиодов), что позволяет равномерно освещать большие панели. Эта компоновка позволяет осуществлять локальное затемнение для получения более темных черных пикселей в зависимости от отображаемого изображения.

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.

Диффузоры

Для того чтобы неэлектрическая подсветка обеспечивала равномерное освещение, что критически важно для дисплеев, свет сначала пропускается через световодную пластину (Light guide plate, LGP) – специально разработанный слой пластика, который рассеивает свет посредством серии неравномерно расположенных выпуклостей. Плотность выпуклостей увеличивается по мере удаления от источника света в соответствии с уравнением диффузии. Рассеянный свет затем направляется к обеим сторонам рассеивателя; передняя сторона обращена к самой ЖК-панели, а задняя оснащена отражателем для направления света, который в противном случае был бы потерян, обратно к ЖК-панели. Отражатель иногда изготавливается из алюминиевой фольги или простой поверхности, пигментированной белым цветом.

Отражающие поляризаторы

Системы подсветки ЖК-дисплеев становятся высокоэффективными благодаря применению оптических пленок, таких как призматические структуры, для направления света в нужные направления обзора, и отражающих поляризующих пленок, которые рециркулируют поляризованный свет, ранее поглощавшийся первым поляризатором ЖК-дисплея (изобретенным исследователями Philips Адрианусом де Вааном и Паулюсом Шаареманом). Обычно это достигается с помощью так называемых пленок DBEF, производимых и поставляемых компанией 3M. Эти поляризаторы состоят из большого количества одноосно ориентированных бирефракционных пленок, которые отражают ранее поглощенную поляризацию света. Такие отражающие поляризаторы, использующие одноосно ориентированные полимеризованные жидкие кристаллы (бирефракционные полимеры или бирефракционные клеи), были изобретены в 1989 году исследователями Philips Дирком Броером, Адрианусом де Вааном и Йоргом Брамбрингом. Комбинация таких отражающих поляризаторов и динамического управления подсветкой на основе светодиодов.

Потребление электроэнергии

Развитие энергетических стандартов и растущие ожидания общественности в отношении энергопотребления сделали необходимым управление энергопотреблением в системах подсветки. Подобно другим потребительским электронным устройствам (например, холодильникам или лампам), для телевизоров установлены категории энергопотребления. Стандарты для показателей мощности телевизоров были введены, например, в США, ЕС, Австралии и Китае. Более того, исследование 2008 года показало, что в европейских странах энергопотребление является одним из важнейших критериев для потребителей при выборе телевизора, наряду с размером экрана.