LCD kijelzők működése és típusai Fotonikai eszközök BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY
Alapvető fizikai mennyiségek Teljesítmény: energia adott idő alatt (W) Fényerősség: az a látható (fény)energia (intenzitás), amelyet a fényforrás egy 1m sugarú gömbfelületen átsugároz. Mértékegysége a kandela (cd) SI meghatározása: A kandela az olyan fényforrás fényerőssége, amely 540 10 12 Hz (555 nm) frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki és sugárerőssége ebben az irányban 1/683-ad watt per szteradián. Fényáram: 1 kandela minden irányban egyenletes, pontszerű fényforrás által 1 szteradián térszögbe sugárzott teljesítmény Mértékegysége a lumen (lm) 2/10
Alapvető mennyiségek, V(λ) függvény Megvilágítás: egy négyzetméter felületre eső látható fényáram Mértékegysége a lux (lx) A V(λ) görbe az emberi szem fiziológiai válaszfüggvénye a hullámhossz függvényében Fotopikus (fekete) a nagy intenzitások esetében Szkotopikus (zöld) a kis intenzitások esetében F 683,002 0 J V lm d W 3/10
Világítástechnikai paraméterek Megvilágításra (és candelára) példák: 1 candela kb. egy gyertya fénye, 100W-os izzó kb. 120 cd. 20 lux alatt: gyönge megvilágítás 200 lux: nappali megvilágítás 1000 lux: futballpálya 10000-25000 lux: napfény (ne közvetlen) Kontraszt: C=(B 1 -B 2 )/B 1 B 1 és B 2 a világosabb és a sötétebb pixelek/tartományok fénysűrűsége Mértékegysége nincs, annál jobb a láthatóság, minél inkább az 1-hez van közel Éppen elfogadható láthatóság a C=0,5. Kontrasztarány: C R = B 1 /B 2 pl. LCD paneleknél ezt adják meg. 4/10
Kis nyomdászat - a féltónus (halftone) Szürkeskála szimulálása különböző nagyságú, sűrűségű pontokkal Nem csak a nyomdászatban: WaterCube Kínában
Színes nyomtatásban négy alapszínt használnak. Ha egyikből sem kerül a papírra, láthatjuk a hordozó alapszínét, a fehéret. A három alapszín együttesen nem ad teljes feketét, azért szükséges a kulcsszín (fekete) használata. A CMYK színtérben négy alapszín szerepel. Ezért ezt még hívjuk négyszínnyomásnak, mert négy alapszínt nyomtatnak a papírra. Alapszínei a következők: Cyan, azaz Cián_(szín), Magenta, azaz bíborszín, Yellow, azaz sárga és Key, fekete (kulcsszín). Ezen alapszínek apró pöttyök formájában kerülnek fel a papírra.
A színes féltónus Szubtraktív színkeverés (fehér háttérrel) CYMK színrendszerben nyomtatunk Moiré miatt a színek nyomóformái szöge eltér C 75 15 105 M 15 45 75 Y 0 0 90 K 45 75 15
Dithering a nyomdászatban és kijelzőkben Magasabb színmélységű alacsonyabb színmélységű kijelzőn való megjelenítéséhez szükséges átalakítások sorozata A halftone ennek egy speciális változata Kijelzőkben: 3x6 bites TN-LCD kijelzők 24 bitet ún. temporal ditheringgel (vagy Frame Rate Control) érnek el: pl. 130-as állapot emulálásához 128-132-128-132-es állapotok váltják egymást Vagy spatial dithering (2x2-es csempén emulálják a kieső színeket) Drágább monitorok 3x8 bitesek (pl. S-PVA panelek)
Példa spatial ditheringre Példa spatial ditheringre: A TN panelekre jellemző a dithering zaj forrása lehet! (dithering noise)
Bayer filter
TFT: Thin-film transistor
LCT TFT technológiák összefoglalása Három alapvető fejlődési lépcső, számtalan altípussal: TN: twisted nematic IPS: in-plane switching (S-IPS, H-IPS) VA: vertical alignment (PVA, MVA) A fenti típusok esetében a folyadékkristály alakja, rendeződése, vezérlése eltérő. A folyadékkristály típusán kívül különbség lehet még pl.: felbontásban, háttérvilágításban.
LC orientációja TN és VA panelekben
VA panel működése E tér hatására függőlegesvízszintes átmenet van! Teljesen más dipólusú molekulákat igényel! (itt E merőleges D-re, a TN-nél párhuzamos) Egyebekben hasonló a TN-hez
Láthatóság javítása VA panelek esetében: az MVA multi-domain VA Kihasználjuk a falorientációt A cella belső falát át kell alakítani növekszik a láthatósági szög Speciális: ASV axially symmetric VA Sharp TV
In-plane switching LCD A vezérlő elektródák egy síkban, a panel hátoldalán vannak inhomogén E tér jobban kontrollálható orientáció, csak vízszintes síkban Előnye a jobb láthatósági szög, hátránya a lassú rendeződés
TN vs. IPS láthatósági szöge
Láthatóság demonstrációja (IPS)
IPS altípusok (elektróda elrendezések) jellemzői
Színek jellemzése Több különböző szabvány létezik. A magyar coloroid színrendszer: Színezet (Hue) ez a tulajdonképpeni szín Telítettség (Saturation) Világosság (Brightness) Színrendszerek: RGB (red, green, blue): additív CYMK (cyan, yellow, magenta, black vagy key): szubtraktív Szürkeskála: azonos R,G,B
A színdiagram Három alapszín: R (700nm), G (564,1 nm), B (435 nm) A három színkoordinátát ábrázoljuk egy transzformáció segítségével: x X X Y Z y X Y Y Z
A gamut, vagy színkorlát A monitor típusától függ, hogy a színkorlát mekkora hányadát teszi elérhetetlenné a teljes színtartománynak CRT esetében a foszforok típusa adja meg a gamut három csúcsát LCD esetében a háttérvilágítás spektrumától függ
Háttérvilágítás hidegkatódos fénycső Változatos alakban készülnek. az olcsó LED-ek térhódítása előtt kizárólag ilyet használtak. Kvázivonalas spektrumban sugároz, ami hatással van a gamutra.
Háttérvilágítás LED Direkt háttérvilágítás és reflexiós megvilágítás A reflexiós megvilágítás eloszlását tervezni kell! A használt anyagok elnyelésétől függ a hatásfok
Háttérvilágítás dinamikus LED A háttérvilágítás vezérlése beszállhat a képalkotásba, ezzel drasztikusan javítva a kontrasztarányt és az élethűséget. Full panel NYÁK kell!
Kérdések Definiálja az alábbi fizikai mennyiségeket: optikai teljesítmény, fényerősség, fényáram, megvilágítás! Vázolja a (kétféle) V(λ) görbét! Mit mutatnak ezek? Mi a féltónus, és a színes féltónus? Rajzon mutassa be ezeket a fogalmakat, és fejtse ki jelentőségüket! Mi a dithering? Hol használják, mi a két alapvető típusa, és mi ezek jelentősége? Definitálja a TFT fogalmát, és rajzolja fel a szerkezetét! Milyen típusait ismeri az LCD kijelzők háttérvilágításának? Röviden ismertesse az egyes típusok előnyeit, hátrányait! Milyen LCD paneltípusokat ismer (megkülönböztetés: a folyadékkristály típusa alapján)? Vázolja fel a 3 típus működését, és ismertesse előnyeit, hátrányait! Mi a gamut? A kijelzők esetében mi befolyásolja a gamutot?