Качество воспроизведения цветов.

 

Известно, что воспроизведение цвета в цветном дисплее любого типа осуществляется за счет аддитивного сложения излучений субпикселей трех первичных цветов (красного, зеленого и синего).

 Любой цвет, наблюдаемый нами в реальном мире, можно охарактеризовать двумя параметрами: яркостью и цветностью. Цветность, в свою очередь, включает в себя цветовой тон (доминирующая длина волны) и насыщенность (колориметрическая чистота цвета или «степень разбавленности белым»).

 Ни один современный дисплей не способен отображать диапазон яркостей, наблюдаемый нами в реальности. Однако, как показывает практика, для создания у наблюдателя ощущения высококачественного изображения передача абсолютных значений яркости объектов не обязательна. Достаточно соблюсти соотношения яркостей между соответствующими точками объектов и максимально точно передать их цветности.

Как было указано ранее, качество воспроизведения цветов, которое обеспечивает дисплей, определяется двумя факторами – точностью цветопередачи и количеством воспроизводимых цветов.

Точность передачи цвета, в свою очередь, определяется:

· цветовым охватом дисплея (площадью треугольника первичных цветов и его расположением на диаграмме МКО 1931);

· точностью динамического баланса белого (для заданной цветовой температуры).

Оценка цветового охвата дисплея обычно производится следующим образом. С помощью специальных приборов, спектроанализаторов, определяются координаты цветности x и y (в системе XYZ) для каждого из трех основных цветов. Далее на диаграмме цветности МКО 1931 (CIE 1931 color space) отмечаются три соответствующие точки. Треугольник, вершинами которого являются указанные точки, обычно называют «треугольником первичных цветов воспроизводящего устройства». Все цветности, расположенные внутри этого треугольника, воспроизводятся дисплеем без искажения насыщенности и цветового тона. Совокупность цветностей внутри треугольника называют цветовым охватом (color gamut).

Для обеспечения максимально точной цветопередачи необходимо выполнение двух условий:

· площадь цветового треугольника должна быть максимально большой;

· цветности хорошо знакомых человеку предметов (кожа лица и рук, трава, небо и т.д.) должны находиться внутри треугольника или как можно ближе к нему.

Таким образом, точность цветовоспроизведения ЖКД определяется положением вершин цветового треугольника, т. е. цветностями трех первичных цветов. В свою очередь, цветность каждого из первичных цветов ЖКД зависит от спектра излучения модуля подсветки дисплея и спектральной характеристики пропускания цветного фильтра ЖК-матрицы. Рассмотрим указанную зависимость подробнее.

Спектр результирующего излучения, испускаемого субпикселем, является произведением спектра излучения модуля подсветки на спектральную характеристику пропускания цветного фильтра. Положение максимума спектра излучения субпикселя определяет цветовой тон излучения, а ширина спектра – насыщенность. Чем уже спектр излучения, тем выше насыщенность и больше цветовой охват, но тем меньше яркость субпикселя (рис. 1.9.).

Рисунок 1. 9. Связь между спектром излучения и его координатами цветности в колориметрической системе XYZ (МКО 1931)

 

Изготовление цветных фильтров с узкой избирательностью представляет собой сложную задачу, и, следовательно, ширина спектра излучения субпикселя определяется преимущественно спектром модуля подсветки. Для достижения высокой точности цветовоспроизведения необходимо, чтобы спектр модуля подсветки имел три максимума с доминирующими длинами волн вблизи 460 … 470 нм (синий), 520 … 550 нм (зеленый) и 600 … 620 нм (красный) и имел минимальные значения между указанными максимумами.

В настоящее время применяется три различных варианта подсветки в ЖК-дисплеях:

· белые светодиоды (white LED или edge LED);

· флуоресцентные лампы (Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL);

· матрицы из красного, зеленого и синего светодиодов (RGB LED).

Белые светодиоды стали применять в качестве подсветки сравнительно недавно. Благодаря компактному расположению светодиодов по периметру экрана удалось добиться «глубины» дисплея в 9 мм.

Такой вид подсветки (Рис.1.10) в настоящее время широко используется в ЖК-телевизорах фирмы Samsung, которые обозначаются производителем как «LED TV». Спектральная характеристика белого светодиода не имеет трех ярко выраженных максимумов излучения, поэтому первичные цвета имеют низкую насыщенность, а цветовой охват дисплея получается небольшим.

Рисунок 1.10. Устройство LCD с модулем подсветки на основе белых светодиодов

 (Edge LED)

 

Подсветка флуоресцентными лампами с холодным катодом (разновидность люминесцентных ламп) использовалась в первых ЖКД и широко используется в настоящее время. Спектр излучения ламп складывается из спектров излучения трех видов люминофоров, нанесенных на внутреннюю поверхность лампы. Суммарный спектр излучения имеет несколько «побочных» максимумов. Нежелательное излучение частично пропускается цветными фильтрами матрицы, поэтому цветовой охват дисплея с CCFL обычно несколько меньше цветового охвата ЭЛТ европейского стандарта (EC).

Общим недостатком двух перечисленных выше видов подсветки является неэффективное использование светового потока, а, значит, и потребляемой электроэнергии. Свет от ламп (светодиодов) распределяется равномерно по всей поверхности экрана независимо от воспроизводимого изображения, т. е. «подсвечиваются» даже те области, которые должны воспроизводиться черными. Указанный недостаток отсутствует в модулях подсветки на основе RGB светодиодов. Такая подсветка представляет собой матрицу из нескольких сотен групп по 3 (R-G-B) или 4 (R-G-G-B) светодиода в каждой группе. Яркость каждой группы и каждого светодиода группы в модуле подсветки определяется в зависимости от требуемой яркости в данной области изображения. Другими словами, яркость различных областей изображения регулируется не только ЖК-матрицей, но и яркостью отдельных элементов модуля подсветки. Указанная технология локального затемнения («local dimming») позволяет не только экономить электроэнергию, но и повысить контраст изображения (рис. 1.11).

Так как каждый из светодиодов имеет достаточно узкий спектр с одним максимумом, цветовой охват ЖКД с модулем подсветки на основе RGB LED получается самым большим и составляет приблизительно 110 … 130% цветового охвата дисплеев на основе ЭЛТ.

 

Рисунок 1.11. Устройство LCD с модулями подсветки на основе CCFL и RGB LED.

 

Поэтому цветовой охват таких ЖКД называют «расширенным» (wide color gamut).

Спектры излучения различных модулей подсветки, а также спектральные характеристики фильтров красного, зеленого и синего субпикселей приведены на рис.1.12.

 

Рис.1.12. Спектральные характеристики излучения различных устройств подсветки LCD и коэффициенты пропускания цветных фильтров ЖК-матрицы

Результирующие спектральные характеристики излучения красного, зеленого и синего субпикселей, полученные перемножением спектра излучения заданного вида подсветки (CCFL, White LED или RGB LED) на значения спектральных коэффициентов пропускания цветных фильтров (K_R, K_G, K_B), приведены в главе 4, посвященной методике расчета цветового охвата воспроизводящих устройств. Здесь же приведем результаты расчета координат цветности (х и y) для полученных указанным образом спектральных характеристик (табл. 1.1).

При оценке цветового охвата отображающего устройства принято сравнивать площадь треугольника его первичных цветов с площадями стандартизованных RGB-пространств, таких как, например, PAL/SECAM (1970) – стандарт для цветностей первичных цветов ЭЛТ-мониторов европейского стандарта. Результаты такого сравнения для ЖКД с различными видами подсветки также приведены в   табл. 1.1  

                                                          Таблица 1.1

Координаты цветности первичных цветов ЖКД с различными видами подсветки

Вид подсветки ЖК-матрицы	R		G		B		S
	x	y	x	y	x	y
White LED	0,63	0,37	0,30	0,59	0,14	0,09	0,63	89
CCFL	0,64	0,35	0,29	0,60	0,15	0,08	0,64	97
RGB LED	0,68	0,31	0,18	0,61	0,13	0,11	0,68	118
Стандартные цветовые пространства
Adobe RGB	0,64	0,33	0,21	0,71	0,15	0,06	0,1512	133
NTSC (1953)	0,67	0,33	0,21	0,71	0,14	0,08	0,1582	140
PAL/SECAM (1970)	0,64	0,33	0,29	0,6	0,15	0,06	0,1134	100

                                         

 

 Как уже говорилось выше, точность цветопередачи определяется не только площадью цветового треугольника, но и его расположением, поэтому, для наглядности, приведенные в табл.1.1 координаты цветности цветовых треугольников указаны на диаграмме МКО 1931 (рис.1.14).

 

Рис.1.13. Координаты цветности первичных цветов ЖКД с различными видами подсветки на диаграмме МКО 1931.

 

    Вторым фактором, влияющим на качество воспроизведения цвета, как было указано выше, является число цветов, воспроизводимых дисплеем. 

Число воспроизводимых цветов, в свою очередь, определяется числом разрядов, используемых при цифровом кодировании первичных цветов. В ЖК-матрицах с 8-битным представлением первичных цветов каждый субпиксель способен принимать 256 значений прозрачности (яркости) и, следовательно, каждый пиксель может передать 256´256´256 = 16,8 млн. цветов. Однако в большинстве матриц, из-за нелинейности модуляционной характеристики и различий в крутизне отдельных ее участков, число воспроизводимых цветов оказывается существенно меньше. Для получения недостающих цветов применяются специальные методы коррекции.

На число воспроизводимых цветов оказывает влияние и площадь треугольника цветового охвата дисплея. Более подробно этот вопрос рассмотрен в главе 4.

.

 

Дисплеи на квантовых точках (QLED).

 

 Следующей перспективной технологией в рамках ЖК являются дисплеи на квантовых точках (Quantum-Dot Light-Emitting Diodes, QD-LED или QLED) [2]. Квантовая точка — фрагмент проводника или полупро-водника, носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х годов Алексеем Екимовым в стеклянной матрице и Луи Е. Брусом в коллоидных растворах. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом. Энергетический спектр квантовой точки дискретен, и расстояние между стационарными уровнями энергии носителя заряда зависит от размера квантовой точки. Вследствие этого электронные и оптические свойства квантовых точек занимают промежуточное положение между объёмным полупроводником и дискретной молекулой. Строго говоря - квантовые точки это микроскопические элементы, способные излучать свет в узком диапазоне волн. В зависимости от их размеров свет может быть зеленым, синим или красным. К примеру, для получения красного цвета используют кристаллы из сплава кадмия, цинка и селена (CdZnSe), размер которых составляет около 10–12 нм. Сплав кадмия и селена подходит для желтого, зеленого и синего цветов, последний можно также получить при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм. Изменяя размер, можно точно регулировать длину волны испускаемого света.

Различают два типа квантовых точек: эпитаксиальные квантовые точки и коллоидные квантовые точки. По сути, они названы так по методам их получения. При помощи коллоидного синтеза можно получать нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул. Таким образом, они растворимы в органических растворителях. Светятся квантовые точки за счёт явления люминесценции, как и известные в технике люминофоры, использовавшиеся, например, в кинескопных и плазменных телевизорах, а также в люминесцентных лампах. При возбуждении соответствующей подсветкой или электрическим током, квантовые точки излучают световой поток, сосредоточенный в узкой спектральной области определенной длины волны.

Таким образом, дисплеи на квантовых точках (QLED) это разновидность ЖК дисплеев, в которых в качестве источника света выступают квантовые точки - кристаллы размером лишь несколько нанометров (от 3 до 7 нм).  

    История полноценных дисплеев началась в феврале 2011 года, когда Samsung Electronics представили разработки полноцветного дисплея на основе квантовых точек QLED. Это был 4-х дюймовый дисплей управляемый активной матрицей. Для создания прототипа на кремневую плату наносят слой раствора квантовых точек и напыляется растворитель. Они не разбиты на субпиксели, а просто смешаны друг с другом. За этим слоем расположены светодиоды синего цвета. При попадании света от диода, квантовые точки обеспечивают излучение в красной и зеленой области.  Такая технология позволяет обеспечить подсветку ЖК матрицы, имеющую спектр  излучения с узкополосными  пиками в зеленой, красной и синей областях спектра. Формирование цветного изображения производится, как было рассмотрено выше, с помощью модуляции светового потока, создаваемого подсветкой, субпикселями ЖК матрицы (рис.1.14) .

 

 

 

 

Рисунок. 1.14. Строение дисплея на квантовых точках

 

    Расчет цветового охвата QLED дисплея и его анализ в сравнении с дисплеями других типов приведен в главе 4.

    Разработчики технологии QLED отмечают следующие достоинства

дисплеев, использующих квантовый механизм:

1. Дисплей на квантовых точках не имеет ограничений по срокам эксплуатации, поскольку нанокристаллы стабильны и сохраняют заданный спектр излучения неограниченное время.

2. Затраты энергии на 30-50% меньше чем у ЖК-дисплеев с другими видами подсветки;

3. Яркость QLED дисплеев может достигать 40000 кд/м², что в 50- 100 раз превышает яркость ЖК-дисплеев с обычными видами подсветки;

4. Квантовые точки растворимы как в водном так и в неводном растворителях, и потому могут применяться в гибких панелях;

5. Маленький размер квантовых точек позволяет производить дисплеи с очень высокой пиксельной плотностью.

 

 

 

Плазменные панели

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: