HRP-N3 - серия источников питания с максимальной пиковой мощностью в 350% от MEAN WELL
РадиоЛоцман - Все об электронике

Технологии динамического отображения в конкурентной борьбе за наши глаза

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2013

William Wong

Electronic Design

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

Технологии отображения всегда конкурировали друг с другом, но никогда еще в соревновании не участвовало такое большое количество подходов. Например, многие дисплеи теперь имеют сенсорные панели, что расширяет возможное число решений.

Задача заключается в обеспечении наилучшего визуального восприятия при соблюдении ряда зависящих от приложения требований. Современные дисплеи должны отличаться повышенной глубиной цвета, высоким разрешением и большой скоростью обновления. Они также должны быть прочными, тонкими и недорогими. Размер и дистанция обзора также имеют значение. И, наконец, дисплеи не должны потреблять слишком много энергии.

Ситуация на рынке

iPad компании Apple пошел по пути высокого качества (Рисунок 1). Его дисплей Retina с разрешением 264 пикселей на дюйм показывает изображения без видимого различия пикселей при остроте зрения 20/20 и типичном для планшета расстоянии до экрана не менее 15 дюймов. IPhone 5 имеет более высокое разрешение 326 пикселей на дюйм со стандартным расстоянием обзора 10 дюймов.

Технологии динамического отображения в конкурентной борьбе за наши глаза
Рисунок 1. В новом iPad компании Apple (справа) используется дисплей высокой четкости. Приглядевшись, можно увидеть разницу между дисплеем Retina и его предшественником (слева).

Величина, которая учитывает расстояние обзора, выражается в пикселях на градус (pixels per degree – PPD). Для Retina начальное значение этой величины примерно 53 PPD. При достижении этого предела фактическое разрешение экрана становится для мобильных устройств менее значимым параметром.

С другой стороны, большие дисплеи, как правило, ограничены разрешением и стандартами. Сегодня доминируют на рынке дисплеи HDTV с разрешением 720p (1280 на 720 пикселей) и 1080p (1920 на 1080 пикселей). Символ p обозначает прогрессивную развертку, а в старых телевизорах и некоторых HDTV-дисплеях используется чересстрочная развертка, обозначаемая буквой i. В прошлом компьютерные мониторы с разрешением выше, чем у телевизоров были обычным явлением. Сегодня, если они и имеют те же размеры, что и мониторы высокой четкости, то это скорее исключение, чем правило.

Следующим шагом будут экраны 4K Ultra High Def (UHD или Ultra HD) с разрешением 3840 на 2160 пикселей, что в два раза больше формата 1080 (Рисунок 2). Удвойте 4K и получите 8K UHD. Формат 8K Ultra HD с разрешением 7680 на 4320 пикселей отлично подходит для просмотра изображений, снятых на 33.2-мегапиксельную камеру.

Технологии динамического отображения в конкурентной борьбе за наши глаза
Рисунок 2. Разрешение формата 4K Ultra HD более чем вдвое превосходит разрешение используемого в современных дисплеях стандарта 1080p.

Проблемой для дисплеев стандарта 4K и 8K с точки зрения потребителя будет вопрос о предоставлении соответствующих изображений и видео, но это уже другая тема. Напомним, что цифровая камера RED EPIC, используемая для съемки многих новейших фильмов, имеет выход DCI 4K с разрешением 4096 на 2160 пикселей.

Технологии отображения

Жидкокристалические дисплеи (LCD) стали доминирующими в области технологий отображения, хотя у них имеются соперники в лице дисплеев на основе органических светодиодов (OLED). LCD выпускают в различных формах, но им всегда требуется источник света. Отражающие LCD используют внешний источник, например, солнце. Трансфлективные (активно-пассивные) LCD отражают и пропускают свет, поэтому в них может применяться подсветка. Отражающие и трансфлективные дисплеи хорошо подходят для работы при солнечном свете, когда свет от подсветки становится размытым. Подсветка же позволяет работать с дисплеем в темноте и обеспечивает лучшее управление качеством изображения.

Большинство мобильных экранов и ЖК-дисплеев формата HDTV имеет подсветку. Есть несколько способов встраивания источника света, но в основном он помещается позади дисплея. Раньше использовались флуоресцентные лампы с холодным катодом (CCFL), но теперь их вытеснили светодиодные источники. Светодиоды дороже, но зато надежнее. Кроме того, они обеспечивают лучшее управление и широкую цветовую гамму. И они очень малы. Обычно светодиоды располагаются позади дисплея или по краям (Рисунок 3). В зависимости от толщины дисплея могут использоваться различные подходы. Размещение светодиодов по краям хорошо подходит для тонких дисплеев, что часто находит применение в небольших экранах. Большие дисплеи толще, и позволяют расположить светодиоды сзади.

Технологии динамического отображения в конкурентной борьбе за наши глаза
Рисунок 3. Для подсветки LCD обычно используется набор светодиодов, расположенных с задней стороны дисплея (верхний рисунок)
или сбоку (нижний рисунок).

В такой простейшей реализации сохраняется постоянство свечения. Это справедливо для обоих вариантов. Альтернативой является динамическая подсветка, называемая также локальным диммированием. В этом случае светодиоды управляются индивидуально и изменяют яркость в зависимости от отображаемого сюжета. Светодиод подсвечивает определенную область, в отличие от других дисплеев, например OLED, где возможно управлять яркостью отдельного пикселя.

Это является проблемой, поскольку контроллер дисплея должен учитывать освещение со стороны подсветки и со стороны LCD, так как светодиоды влияют на перекрываемые области экрана. Кроме того, контроллер должен учитывать скорость, с которой LCD и светодиоды могут изменять свою яркость. Динамическая подсветка может быть реализована при любом расположении светодиодов.

Динамическая подсветка снижает энергопотребление и улучшает качество цвета, поскольку позволяет отображать более темные области экрана. Однако ей требуется намного более сложный контроллер, и она является источником визуальных артефактов, вроде ореолов вокруг ярких объектов. Тип и влияние артефактов зависят от качества алгоритма управления, аппаратуры и выводимого изображения. Наихудшим случаем будет яркое звездное поле на черном фоне.

LCD становятся все тоньше и легче, при этом их энергопотребление сокращается. Одновременно они становятся все больше, уже доступны дисплеи с диагональю более 80 дюймов.

OLED-дисплеи сами являются источниками света. Возможность индивидуального управления каждым пикселем позволяет получить более яркое и контрастное изображение, чем на обычном LCD. OLED-дисплеи выпускаются с пассивной (PMOLED) или активной (AMOLED) матрицей. Смартфон Galaxy S4 компании Samsung поставляется с 5-дюймовым AMOLED экраном формата 1080p (Рисунок 4).

Технологии динамического отображения в конкурентной борьбе за наши глаза
Рисунок 4. В Samsung Galaxy S4 используется 5-дюймовый AMOLED дисплей.

OLED-дисплеи более энергоэффективны, чем LCD со светодиодной подсветкой. Кроме того, они имеют более широкое поле обзора, превышающее 165°. Они ярче и контрастнее, чем LCD, которые изначально созданы, чтобы не пропускать свет. OLED-дисплеи используются в небольших устройствах с батарейным питанием, например, в смартфонах, поскольку они ярче и требуют меньше энергии.

Кроме того, технология OLED позволяет создавать тонкие и гибкие дисплеи. На международной выставке CES в Лас-Вегасе компания Samsung продемонстрировала большой и маленький гибкие экраны (Рисунок 5). Этих дисплеев еще нет в продаже, но они, без сомнения, расширят возможности разработчиков.

Технологии динамического отображения в конкурентной борьбе за наши глаза
Рисунок 5. Недавно на международной выставке CES Samsung показала гибкие дисплеи.

OLED-дисплеи могут быть изготовлены тремя способами. Первым является метод вакуумного напыления или термовакуумного испарения (VTE), но он дорог и неэффективен. Технология фазового смещения органического пара (OVPD) позволяет получать тонкую пленку, используя камеру реактора с низким давлением и горячими стенками и газ-носитель для переноса выпаренных органических молекул на холодную подложку. Наконец, OLED-дисплеи без больших затрат могут быть созданы с помощью технологии струйной печати, позволяющей создавать большие экраны.

Изготовленные по технологии IGZO (оксид индия, галлия и цинка) OLED-дисплеи компании Sharp имеют размеры от 4 до 32 дюймов. На выставке CES компания показала 32-дюймовый экран 4K IGZO. Как и все OLED-дисплеи, IGZO энергоэффективнее, чем LCD, пиксели имеют лучшую динамику, а создаваемые ими изображения ярче и контрастнее.

В тонкопленочных транзисторах (TFT) компании Sharp используются структуры на основе кристаллов, выровненных по оси C (CAAC). Как правило, кристаллы выравниваются по осям A, B и C. В структурах CAAC выравнивание происходит только по оси C, что позволяет использовать кристаллы в пленках (Рисунок 6). Обычно же кристалл имеет кубическую структуру. Эта технология может применяться не только в производстве дисплеев.

Технологии динамического отображения в конкурентной борьбе за наши глаза
Рисунок 6. В тонкопленочных транзисторах может быть использована планарная структура выровненных по оси C кристаллов (CAAC).

IGZO-дисплеи имеют некоторые черты, присущие старым мониторам на ЭЛТ. Отображаемые на экране данные сохраняются в течение короткого промежутка времени, даже в отсутствие питания. Несмотря на различие физических основ, функционально это схоже с поведением люминофоров ЭЛТ и способствует сокращению энергопотребления. При добавлении сенсорного интерфейса IGZO-дисплеи позволяют значительно снизить шумы, связанные с сенсорным входом, что повышает точность прикосновения.

Прикосновение к дисплею

Сенсорный интерфейс, наряду с набирающим популярность цифровым стилусом, имеет решающее значение для рынка смартфонов и планшетов. Для мобильных устройств подходят тонкие дисплеи, но ключевыми факторами являются точность касания и отклик на манипуляции стилусом. Снижение шума, производимого дисплеем значительно увеличивает точность и скорость, повышая удобство пользования.

Планшет Surface компании Microsoft является примером изделия, в котором дисплей, сенсорная панель и стилус поставляются вместе. В Surface используются обычный LCD, ОС Windows 8 и процессор Intel Core i5. Платформы Surface Pro и Surface RT конкурируют с Apple iPad и множеством планшетов на базе Android, подобных Amazon Kindle Fire.

Системы емкостного сенсорного ввода доминируют в нижнем сегменте дисплеев, применяемых в смартфонах, планшетах и ПК типа «все-в-одном». Такие системы хорошо работают как с LCD, так и с OLED-дисплеями. В Kindle Touch и некоторых других электронных книгах использовались инфракрасные датчики, но теперь они вышли из употребления благодаря снижению стоимости емкостных интерфейсов.

Системы с резистивным сенсорным интерфейсом применяются в дисплеях с диагональю вплоть до 17 дюймов. Эта технология, как правило, используется там, где не всегда функционирует емкостной интерфейс, например, при работе в перчатках. Технология Feather Touch компании Fujitsu позволила решить две проблемы из нескольких, которые препятствовали широкому распространению резистивных сенсорных систем: давление и поддержка одновременного определения координат двух и более точек касания (мультитач).

Четырехпроводная система реагирует подобно емкостным интерфейсам и не требует значительного давления при прикосновении. Она также может распознавать жесты с применением двух пальцев, вроде масштабирования типа «pinch» и «zoom». Резистивные сенсорные системы хорошо подходят для промышленных, медицинских и других ответственных приложений.

В сегменте «high end» представлены платформы типа Alvero компании MyMultitouch, стоящей $43,100 (Рисунок 7). Этот 84-дюймовый дисплей формата 4K Ultra HD имеет мультитач-интерфейс, способный отрабатывать одновременное прикосновение 32 пальцев. Вероятно, он приживется в музеях, высокотехнологичных вестибюлях или, может быть, в последнем полицейском ТВ-шоу. Дисплей подключается к видеокарте 4K Ultra HD и имеет поддержку мультитач на базе ОС Windows 8. Этот монитор может быть повешен на стену или установлен автономно. Мультитач-система выполнена на основе инфракрасных датчиков.

Технологии динамического отображения в конкурентной борьбе за наши глаза
Рисунок 7. Мультитач-монитор Alvero 4K Ultra HD найдет применение в музеях или других публичных местах, где людям нужно взаимодействовать с дисплеями высокого разрешения.

Следующее поколение

Появляются также прозрачные и 3D-дисплеи. Прозрачные дисплеи поставляет компания Planar например, 32-дюймовый бескорпусный LT3200, а Crystal Display Systems предлагает прозрачные экраны на базе компонентов Samsung с диагональю до 70 дюймов. Прозрачные мониторы могут отлично смотреться на ТВ-шоу, но сегодня основное применение они нашли в сфере розничной торговли, на выставках, в пунктах продаж и в музеях. Эти мониторы дороги, но яркость и прозрачность делают их перспективным для общего пользования. Они разработаны с тем, чтобы показывать то, что находится за ними, хотя наблюдение за происходящим позади монитора может отвлекать.

Общедоступны 3D-телевизоры высокой четкости (3D HDTV), использующие активные и пассивные 3D-очки. Незначительный успех технологии 3D связан с ограниченностью 3D-контента. Сказываются также дополнительные затраты на очки, которые, к тому же, хотя и стали легче, но все равно могут раздражать. Это было бы незначительной проблемой, если бы видео было более качественным. Трехмерное видео практически не транслируется по кабельному телевидению, а обычно доступно в качестве товара премиум-класса.

Технологии 3D -отображения, не требующие очков, заметно развились и в течение нескольких лет представляются на выставках. В конечном итоге они могут выйти на потребительский рынок, но для больших экранов, возможно, это произойдет через десятилетие. Сегодня такие технологии более практичны для небольших дисплеев. Будем надеяться, что количество поддерживаемого видео увеличится к тому времени, когда 3D-мониторы станут более распространенными.

Перспективы

На данный момент LCD продолжают преобладать на рынке только из-за их доступности. Показавшиеся на горизонте OLED-дисплеи стали конкурентами LCD, что осложняет выбор разработчикам, поскольку должны рассматриваться различные технологии. Компромиссы не всегда очевидны, и у каждого типа экрана имеются свои сильные и слабые стороны.

Перевод: Mikhail R по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Dynamic Display Technologies Compete For Eyeballs

Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Спасибо,очень полезная статья. PS От 3D через час начинает болеть голова,в кино стараюсь идти на обычный формат.Это тоже очень важный фактор непопулярности.