Цветные жидкокристаллические дисплеи при свете дня. Cовременное состояние технологии

Работа с мобильными устройствами при дневном свете – одна из актуальных проблем с момента начала выпуска (1985 год) фирмой Toshiba первых 9,5" цветных жидкокристаллических мониторов. Сейчас появились технологии, позволяющие получить высокое качество изображения даже при прямом попадании солнечных лучей на экран устройств. В статье Джеффа Уолкера (журнал "Pen Сomputing"), переведённой Андреем Васильевым, описаны уже представленные на рынке Европы и США технологии и представлен прогноз их развития на ближайшее будущее.

Четыре параметра LCD

Существуют четыре ключевых параметра LCD устройства: конструкция, технология, разрешение и размер.

Конструкции LCD

Конструкция характеризуется расположением слоев в LCD (включая и светопроводящий слой) и имеет наибольшее значение для качества изображения на экране при солнечном свете. В настоящее время используются три основных конструкции цветных LCD: transmissive (пропускающий), transflective (полупрозрачный) и reflective (отражающий).

Transmissive LCD

В transmissive-конструкции свет поступает сквозь LCD с задней стороны (подсветка). Большинство жидкокристаллических дисплеев, используемых в карманных компьютерах сегодня, сделаны по этой технологии. Transmissive LCD имеет высокое качество изображения в помещении и обычно очень низкое (черный экран) при солнечном свете. Солнечное освещение в тысячи раз сильнее лампы подсветки, и поэтому отраженные от поверхности экрана солнечные лучи полностью подавляют свет, излучаемый LCD. Однако некоторым производителям удалось разработать transmissive LCD, с которыми можно работать даже при попадании прямых солнечных лучей. Как они этого добились? На сегодняшний день существует два способа: увеличение яркости задней подсветки и уменьшение количества отраженного солнечного света. Кратко опишем эти способы.

Конструкция экрана transmissive LCD

Максимальная яркость экрана у существующих сейчас ноутбуков составляет 100-150 nit (nit – кандела на квадратный метр, cd/m²). LCD с повышенной яркостью обеспечивают от 200 до 1800 nit. Считается, что лампа в 500 nit делает transmissive LCD видимым при дневном освещении в тени, а около 1000 nit – позволяет использовать его при прямом солнечном свете. Яркости в 300 nit можно добиться путем предельного увеличения яркости одной лампы CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) или добавлением второй лампы, расположенной напротив. Модели жидкокристаллических дисплеев с повышенной яркостью используют от 8 до 16 ламп. Однако увеличение яркости подсветки увеличивает расход энергии батарей (одна лампа подсветки потребляет около 30% энергии, используемой устройством). Следовательно, экраны с повышенной яркостью можно использовать только при наличии внешнего источника питания.

Уменьшение количества отраженного света достигается при нанесении антиотражающего покрытия на один или несколько слоёв дисплея, замене стандартного поляризационного слоя на минимально отражающий, добавлении "повышающих яркость пленок", увеличивающих эффективность источника света. Еще одним способом модифицирования LCD, используемым только в устройствах Fujitsu, является заполнение преобразователя жидкостью с коэффициентом рефракции, равным коэффициенту рефракции сенсорной панели. Это значительно сокращает количество отраженного света.

Transflective LCD

Transflective-конструкция похожа на предыдущую, но у transflective-дисплеев между LCD и слоем подсветки имеется так называемый частично отражающий слой. Он может быть либо частично серебряным, либо полностью зеркальным со множеством маленьких отверстий. Когда такой экран используется в помещении, он работает аналогично transmissive LCD, в котором часть освещения поглощается отражающим слоем. При дневном освещении солнечный свет отражается от зеркального слоя и освещает LCD. При этом свет проходит LCD дважды, сначала внутрь, а затем наружу. Это приводит к тому, что качество изображения при дневном освещении ниже, чем при искусственном освещении в помещении, когда свет проходит LCD один раз.

Конструкция экрана transflective LCD

Баланс между качеством изображения в помещении и вне его достигается подбором характеристик пропускающего и отражающего слоев. Например, зеркальный слой может отражать 60% света и поглощать 40%. Если яркость подсветки составляет 130 nit, только 52 nit (40% от 130) поступает на LCD через зеркальный слой. Вне помещения 60% солнечного света отражается от зеркального слоя, но так как свет проходит через LCD, дважды качество изображения снижается.

Transflective LCD является компромиссным вариантом. Изображение на этом экране не будет ярким ни в помещении, ни при солнечном свете.

Reflective LCD

Reflective-конструкция имеет полностью отражающий зеркальный слой. Все освещение, будь то солнечный свет или свет передней подсветки, проходит сквозь LCD, отражается от зеркального слоя и снова проходит сквозь LCD. При дневном освещении свет проходит сквозь LCD и слой передней подсветки дважды. В этом случае качество изображения у reflective LCD обычно ниже, чем у transflective (так как в обоих случаях используются сходные технологии). В помещении передняя подсветка не так эффективна, как задняя, и качество изображения также ниже, чем у transflective.

Конструкция экрана reflective LCD

Технологии LCD

На сегодняшний день в производстве цветных жидкокристаллических дисплеев используются две технологии: активная матрица – TFT и пассивная матрица – STN.

TFT – Thin Film Transistor – активная матрица, в которой каждый субпиксел представляет собой тонкопленочный транзистор (активный элемент). STN – Super Twisted Nematic – пассивная матрица, которая состоит из жидкокристаллических элементов с изменяемой прозрачностью. Разновидности STN – CSTN (Color STN) и DSTN (Double STN) – в этой статье проходят под общим наименованием STN, так как их различия не существенны для условий солнечного освещения.

По сравнению с STN экран TFT более контрастен, имеет более насыщенный цвет, работает быстрее (движущееся изображение не имеет послесвечения). Изображение видно под большим углом. Правда, технология TFT более дорогостоящая, поэтому сейчас наблюдается тенденция к расширению производства TFT за счет сокращения производства STN. Например, Sanyo прекратило производство STN LCD и сейчас выпускает только TFT.

Комбинирование трех конструкций и двух технологий LCD дает шесть типов цветных LCD. Из них все, исключая transmissive STN, могут использоваться при солнечном свете. В таблице приведены оставшиеся пять типов LCD и два дополнительных варианта, количество существующих на рынке устройств и их производители.

Разрешение и размер LCD

Разрешение и размер – связанные между собой характеристики. У выпускаемых сейчас LCD число точек на дюйм (dpi) колеблется от 70 (для 5,7" мониторов) до 150 (для 6,7" SVGA). Наиболее распространены дисплеи со значением dpi от 90 до 125. Ниже приведены стандартные значения разрешений, используемые в компьютерах, PDA и телефонах.

Разрешения

VGA – исторически сложившееся значение разрешения для PC составляет 640*480 точек

1/4 VGA – 240*320 или 320*240 точек

1/2 VGA – 640*240 точек

SVGA – Super VGA – 800*600 точек

XGA – Extended VGA – 1024*768 точек

SXGA – Super XGA – 1280*1024 точек

SXGA+ – Super XGA Plus – 1400*1050 точек

UXGA – Ultra XGA – 1600*1200 точек.

Апертурное соотношение

Этот параметр обычно не указывается в спецификациях, но может быть вычислен из других характеристик. Апертурное соотношение равно отношению площади пиксела (суб-пиксела) к общей площади экрана, которая включает в себя все элементы, составляющие суб-пиксел (например, "транзистор" в TFT). Большое значение апертурного соотношения, при котором на каждый пиксел приходится больше освещения, приводит к увеличению яркости LCD и к уменьшению его разрешения. Поэтому в моделях портативных компьютеров, предназначенных для работы в помещениях и при солнечном свете, используются LCD с разными разрешениями. Например, базовая модель Panasonic Toughbook 28 для работы в помещениях имеет transmissive TFT с разрешением XGA, а аналогичная модель, предназначенная для работы при солнечном свете, имеет transflective TFT с более низким разрешением SVGA.

Так как внешнее освещение проходит transflective и reflective LCD дважды, для достижения яркости, сходной с transmissive LCD, через который свет проходит один раз, апертурный коэффициент для этих экранов должен быть больше. Поэтому, при одинаковых размерах LCD, transflective и reflective LCD обычно производятся с меньшим разрешением, чем transmissive LCD.

Рассмотрим, какая из комбинаций характеристик цветных LCD наиболее подходит для сотовых телефонов, PDA и промышленных КПК (у автора статьи также рассмотрены другие категории устройств, использующие LCD: ноутбуки, планшетные ПК).

Сотовые телефоны

Цветной LCD экран телефона должен работать при солнечном свете (вы можете представить себе нечитаемый вне помещения экран на вашем сотовом телефоне?). Известны только две модели телефонов с цветными LCD, продаваемые в США и Европе. Первый – Sprint (US) PCS phone SCP-5000 от Sanyo, который имеет 2" reflective TFT с передней подсветкой. PC Magazine описывает экран этого телефона как "равномерно яркий при солнечном свете". Второй – Nokia 9210, в котором используется модифицированный transmissive TFT размером 1,3" * 4,2". Один из пользователей Nokia 9210 описал экран этого устройства так: "при солнечном свете экран настолько неярок, что использование любых солнцезащитных очков делает его нечитаемым". Таким образом, reflective TFT является лучшим вариантом для применения в сотовых телефонах. Светодиод (LED) чаще используется в телефонах, чем лампа с холодным катодом (CCFL), так как от телефонов не требуется такой большой яркости, как от портативных компьютеров. Из-за того, что transflective TFT небольших размеров не производятся, transflective STN является вторым вариантом для применения в телефонах. Этот экран мог бы обеспечить лучший баланс между качеством изображения в помещении и при солнечном свете, чем используемый в Nokia 9210 модифицированный transmissive TFT, хотя он не так ярок в помещении.

Карманные компьютеры

Compaq iPAQ 3600 – первый карманный компьютер с цветным LCD, появившийся на рынке США. Он отлично работает при дневном освещении (LCD 3,8" 1/4-VGA, reflective TFT производства Sony). Большой успех, которым пользуется это устройство на рынке, привел к тому, что многие компании (такие как Philips, Sanyo, NEC, Casio и Panasonic) анонсировали или начали поставки сходных LCD (с разрешением 1/4 VGA). Следовательно, можно ожидать появления reflective TFT с передней подсветкой и в других устройствах на системах Pocket PC и Palm OS (например, новый Sony Clie PEG-N710 использует 3,1", 320*320 reflective TFT с передней подсветкой). Вряд ли этот тип LCD будет использоваться в устройствах с большим экраном и разрешением, поскольку современная технология распределения освещения при помощи микронасечек не позволяет равномерно осветить LCD более 6". Технология использования передней подсветки достаточно молода и, возможно, через некоторое время появится возможность решить данную проблему.

IPAQ в действительности не является первым PDA, использующим reflective TFT. В 1999 г. Compaq выпустил устройство Aero 2100 c reflective TFT, в котором в качестве передней подсветки использовался светодиод. В iPAQ используется более яркая лампа CCFL. Сочетание очень тусклого (10-15 nit) источника света и несовершенного reflective LCD от Sharp в Aero 2100 явилось причиной неудачи этого устройства на рынке. Экран был недостаточно ярким как в помещении, так и при солнечном свете.

Рассмотрим другие типы цветных LCD. Transmissive STN (HP Jornada 520/540 серий и Fujitsu PenCentra 200 CTM) не может использоваться при солнечном свете. Transflective STN не может пока конкурировать с reflective TFT. Transflective TFT мог бы использоваться в PDA, но нет производителей экранов 3,8" (доступны экраны от 10,4"). Reflective TFT без подсветки (как в Nintendo) не применяется в PDA, так как требует наличия внешнего источника освещения.

На данный момент reflective TFT с передней подсветкой является единственным вариантом LCD, который работает при солнечном свете и используется в карманных компьютерах.

Промышленные КПК

Cейчас на рынке нет ни одного безклавиатурного (PDA-size) специализированного КПК с цветным экраном для работы при солнечном свете. Основными продуктами в этой категории являются Symbol – монохромные устройства на Palm OS и Windows CE (SPC-1500/1700 и PPT-2700).

Среди специализированных КПК с экранами 5" – 8,2" ситуация очень сложная – доступны только цветные transflective STN экраны, которые могут использоваться при солнечном свете. Такие экраны пока не получили признания на рынке. В этой категории также отсутствуют устройства, имеющие хорошие цветные LCD для работы при солнечном свете. TouchLite от Two Technologies, вероятно, является одним из лучших устройств в этой категории. Он использует исключительно большой 5.7" transflective STN.

Выбор LCD в этой категории ограничен главным образом тем, что производство LCD не окупается на слаборазвитых рынках. По сравнению с рынком PDA и ноутбуков рынок промышленных КПК очень мал. Для производителей, планирующих выпуск нового LCD (например, 6" VGA transflective TFT, который заинтересовал бы многих производителей), минимальный ежегодный объем должен составлять 50-100 тысяч, что вряд ли возможно на слабо развитом рынке промышленных КПК.

Отсутствие в этой категории хороших цветных LCD, работающих при солнечном свете, может привести к изменениям на рынке специализированного программного обеспечения. С распространением цветных LCD 1/4 VGA 3,8" и SVGA 10,4", работающих при солнечном свете, разработчики программного обеспечения будут вынуждены переносить приложения на эти размеры. В результате на рынке будут отсутствовать цветные handheld (работающие при солнечном свете), на которых бы работало специализированное программное обеспечение, написанное для VGA или 1/2 VGA.

Заключение

Перечислим проблемы, ограничивающие производство хороших цветных LCD работающих при солнечном свете.

• LCD является низкоприбыльным и, следовательно, очень чувствительным к цене продуктом
• В большинстве случаев ноутбуки и PDA используются в помещениях, и поэтому они могут быть оснащены transmissive TFT с повышенной яркостью
• Успех производства и продажи продукции, использующей LCD, зависит от субъективного мнения пользователей о качестве работы экрана при солнечном свете
• Рынок принимает новые LCD технологии, такие как transflective TFT, только если производитель системы прикладывает большие усилия к продвижению нового устройства
• Выпуск нового продукта связан с большим риском, поскольку при ограниченном количестве ресурсов стоимость, время разработки и производства нового LCD достаточно велики
• Выбор варианта из трех конструкций, двух технологий (с вариантами, такими как polysilicon и amorphous silicon), 11 разрешений (в среднем 4 размера) очень труден – это более 500 комбинаций!

Статья опубликована на сайте HPC.RU.
Перепечатывается с разрешения редакции.

Источник: Pen Computing, перевод Андрея Васильева.