668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

Рис. 7.30. Варианты структур цветных фильтров ЖКЭ:

а) полосковая структура; б) мозаичная структура; в) дельта-структура

Дальнейшее увеличение яркости и цветовой насыщенности изображений, воспроизводимых ЖКЭ, достигается за счет использования новой топологии цветных фильтров RGBW с дополнительным субпикселем белого W (White) света, предложенной специалистами фирмы Samsung (рис. 7.31) [37]. Наличие дополнительного субпикселя W белого света с минимальным коэффициентом поглощения в цветном пикселе расширяет диапазон передачи цветовой гаммы и увеличивает диапазон регулировки яркости.

Новая технология фирмы Samsung отличается порядком следования цветов и специальным алгоритмом, реализованным в микросхеме контроллера, который и обеспечивает минимальные искажения цветов.

Существует и альтернативный механизм формирования ЖКЭ цветного изображения, в котором цветные фильтры не используются. Вместо этого поочередно включаются три источника синего, красного и зеленого цвета (светодиоды RGB-типа) и производится пространственная модуляция яркости каждой из цветовых фаз [38]. Новый метод FSC (Field Sequential Color – последовательность цветовых полей) позволяет значительно улучшить экономичность подсветки наряду с улучшением качества воспроизводимого изображения за счет увеличения апертуры экрана. При этом благодаря сокращению числа технологических операций, связанных с изготовлением цветных фильтров, значительно упрощается процесс изготовления матрицы ЖКЭ. Число пикселей в матрице нового типа в три раза меньше по сравнению с традиционной матрицей на основе цветных фильтров.

Для последовательной коммутации цветов кадровая развертка должна работать втрое быстрее (150 вместо 50 Гц), при этом необходимо обеспечить быстродействие ЖК-ячеек на уровне нескольких мс. На рис. 7.32 приведена временнáя диаграмма, характеризующая процесс воспроизведения цветного кадра ЖКЭ в случае отсутствия цветных фильтров.

Рис. 7.31. Топология цветных фильтров RGBW с дополнительным

субпикселем белого света W

Рис. 7.32. Временнáя диаграмма кадра при последовательной цветовой модуляции

Рис. 7.33. Упрощенная конструкция цветного ЖКЭ со светодиодной подсветкой:

1 – ЖК-матрица; 2 – рассеиватель 2; 3 – рассеиватель 1;

4– массив (36 28) RGB-светодиодов

Вданном случае формирование цветного изображения осуществляется следующим образом. Для каждого из основных цветов производится последовательная загрузка матрицы из дисплейного оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). При загрузке (адресации) матрицы источники подсветки выключены. После завершения загрузки данных перед включением одного из источников основного цвета выдерживается пауза для того, чтобы завершился пе-

реходный процесс в ЖК-ячейках пространственного матричного модулятора. Если паузу не выдерживать и сразу включить источник света, то возникнут яркостные искажения воспроизводимых изображений, поскольку интервалы времени переходов ЖК-ячеек в новое оптическое состояние будут различными в зависимости от предыдущего оптического состояния каждой ЖК-ячейки. Процесс релаксации – перехода ЖК-ячейки из включенного в выключенное состояние имеет большую длительность. Поэтому продолжительность паузы должна быть больше времени релаксации. После паузы подсветка включается подачей питания на массив светодиодов определенного цвета. Длительность цветовой вспышки невелика – 1,22 мс, поэтому пиковая яркость светодиодов должна быть в несколько раз выше, чем у постоянно включенного источника традиционной подсветки.

Дисбаланс яркости светодиодов разных цветов можно скомпенсировать подбором числа светодиодов каждого цвета в массиве или регулировкой тока по каждому цвету (рис. 7.33). Рассеиватели 2, 3 (см. рис. 7.33) выполнены на основе линз Френеля и позволяют при малой толщине конструкции получать равномерное распределение света от точечных источников с малыми оптическими потерями. Управление подмассивами светодиодов производится обычными токовыми транзисторными ключами. Сигналы управления токовыми ключами формируются на основе сигналов субкадровой развертки частотой 150 Гц.

7.4.4. Использование черной решетки в жидкокристаллических экранах

Контрастность воспроизводимого ЖКЭ изображения определяется отношением коэффициентов пропускания для выбранного (рабочего) и нерабочего элементов изображения (пикселей). Контрастность зависит от многих факторов, но в основном от типа жидкокристаллического материала и коэффициента мультиплексирования строк. Самую высокую контрастность (до 100) имеют изображения, воспроизводимые ЖКЭ с активной матричной адресацией.

Одним из параметров, характеризующих оптические свойства пикселей, является апертура – отношение полезной площади жидкокристаллической ячейки (модулятора) S1 ко всей площади пикселя S0 (рис. 7.34, а). Для современных высококонтрастных ЖКЭ TFT-типа значение апертуры для отдельных пикселей может составлять от 40 до 85%.

Для улучшения контрастности изображений, воспроизводимых ЖКЭ просветного типа с учетом реальных значений апертуры элементарных пикселей, используется специальная оптическая структура, которая называется Black Matrix или черная решетка [32]. В ЖКЭ с активной матричной адресацией решетка наносится поверх слоя цветных фильтров. Материалом черной решетки является пленка из композитного металлодиэлектрического материала. Рисунок матрицы получается методом шелкографии. По сути, это оптический фильтр, который блокирует прохождение света через нерабочие и оптические неуправляемые зоны на рабочей площади ЖКЭ (электроды адресации, зазоры между пикселями) (рис. 7.34, б; 7.35). Одновременно черная решетка позволяет снизить

взаимное проникновение световых потоков от соседних элементов изображения вследствие параллакса. Использование маскирующей черной решетки дает возможность значительно уменьшить просачивание света через нерабочие оптические области ЖКЭ на границах раздела между соседними пикселями в выключенном состоянии жидкокристаллической ячейки.

Рис. 7.34. Оптическая структура жидкокристаллического экрана с черной решеткой:

а) структура жидкокристаллических ячеек; б) структура «черной решетки»

Рис. 7.35. Топология цветных фильтров и Black Matrix в цветном жидкокристаллическом дисплее

При изготовлении современных моделей ЖКЭ используется технология COA (Color Filter on Array). Суть этой технологии заключается в том, что цветные фильтры переносятся с верхней подложки экрана на подложку с активной матричной структурой и размещаются поверх транзисторной матрицы. Такой

способ дает уменьшение параллакса, устраняет необходимость в черной решетке с широкими дорожками, увеличивает числовую апертуру и яркость изображения за счет уменьшения ширины дорожек Black Matrix. Коэффициент поглощения излучения задней подсветки также уменьшается.

7.4.5. Смена полярности сигналов управления

Для всех типов ЖКЭ при адресации элементов изображения обязательно используются сигналы переменного напряжения. Делается это для того, чтобы избежать явлений гидролиза и диссоциации сложных органических соединений, входящих в состав жидкокристаллического материала. Жидкокристаллический материал является смесью, состоящей из нескольких компонентов, каждая из которых предназначена для того, чтобы обеспечить определенное качество для композитного материала – вязкость, дипольный момент, определенную ориентацию при взаимодействии со слоями ориентирующих покрытий. Смена полярности может производиться с частотой кадровой развертки или же по более сложным схемам, например, для матричных дисплеев смена полярности управляющих напряжений на выходах драйверов строк и столбцов может производиться с периодом через каждые 15…20 строк.

Необходимость смены полярности напряжений, приложенных к электро-

Рис. 7.36. Методы смены полярности управляющего напряжения для ЖКЭ с активной адресацией:

Значками + и – отмечены пиксели, для которых используется соответственно положительная и отрицательная полярности возбуждающих напряжений

дам адресации, приводит к усложнению формы управляющих сигналов. Для того чтобы синтезировать многоступенчатые сигналы управления, требуется формировать группу опорных напряжений от 3 до 6. Во всех спецификациях на ЖКЭ специально оговаривается допустимый уровень постоянной составляющей в сигнале управления элементами изображения.

Для ЖКЭ с активной адресацией используются три способа смены полярности управляющих напряжений (рис. 7.36) [32]:

покадровая инверсия полярности;

чересстрочная инверсия;

поточечная инверсия.

Последний способ инверсии обеспечивает самую меньшую заметность мерцания элементов изображения с частотой отображения кадров.

7.4.6. Уменьшение кросс-эффекта при адресации матричных жидкокристаллических экранов

Кросс-эффект в той или иной мере проявляется во всех матричных ЖКЭ. Суть этого эффекта проявляется в паразитном влиянии группы пикселей с одним оптическим состоянием на оптическое состояние других пикселей. В ЖКЭ STN-типа кросс-эффект проявляется в виде наблюдаемых горизонтальных или вертикальных теневых полосок от группы выбранных пикселей на светлом фоне, и наоборот.

Кросс-эффект связан с неидеальностью физической среды для адресации жидкокристаллических ячеек. Эта неидеальность обусловлена комбинацией трех основных параметров. С одной стороны, большое влияние оказывает не равное нулю сопротивление полосок электродов. С другой стороны, выходное сопротивление последних каскадов драйверов строк и столбцов (формирователей напряжений) также достаточно велико – около 500 Ом. И, наконец, матричная система электродов с тонким слоем диэлектрика (жидкокристаллического материала) представляет собой распределенную RC-структуру. В результате проявления всех перечисленных факторов форма напряжений сигналов строк и столбцов изменяется на электродах и отличается от той формы, которая генерировалась непосредственно на выходах драйверов. Искажение формы сигналов приводит к появлению частичной паразитной подсветки неадресуемых элементов. Особенно сильно кросс-эффект проявляется на определенных тестовых изображениях, имеющих низкочастотные пространственные составляющие, например, таких, как черный квадрат на светлом фоне, или наоборот. Но даже если характер изображения не носит регулярный характер, контрастность изображения в результате проявления кросс-эффекта будет значительно ухудшена.

С целью нейтрализации кросс-эффекта, в первую очередь, используются прозрачные электроды с низким удельным сопротивлением, например, In2O3. В отдельных случаях для уменьшения сопротивления шин электродов из In2O3 производят шунтирование посредством напыления в промежутках между активными площадками отдельных пикселей непрозрачных полосок из проводя-

щих материалов с лучшими параметрами проводимости, чем, In2O3. Использование методов адресации с одновременной выборкой нескольких строк также позволяет уменьшить проявление кросс-эффекта. Для снижения проявления кросс-эффекта повышается частота кадровой развертки, а смена полярности напряжений на шинах строк и столбцов проводится по специальному закону, который позволяет частично компенсировать проявление паразитной кроссмодуляции [32].

7.4.7. Формирование полутонового изображения на жидкокристаллическом экране

Для синтеза полутонов в изображениях, формируемых ЖКЭ, в основном могут использоваться два метода модуляции – FRC и PWM. Первый из них основан на временнóй модуляции каждого пикселя по кадрам, то есть Frame Modulation, чаще этот метод называется FRC – Frame Rate Control. Для примера рис. 7.37 иллюстрирует принцип формирования шкалы серого за четыре кадра изображения [32].

В данном методе каждый пиксель ЖКЭ может иметь только два состояния – «включен» или «выключен», а полутона получаются посредством усреднения контраста за N кадров, образующих мультикадр. Это объясняется тем, что в процессе восприятия изображений оптическая система глаза человека совместно с зрительными участками коры головного мозга интегрирует последовательность оптических стимулов. Мультикадр может состоять от 16 до 64 кадров. За интервал, соответствующий мультикадру, происходит полный синтез полутонового изображения. Если мультикадр состоит из 16 кадров, то можно получить 16 различных градаций серой шкалы. Такой способ реализуется даже для ЖКЭ с достаточно крутой вольт-контрастной характеристикой. Но для синтеза более широкой шкалы полутонов лучше использовать жидкокристаллический материал, имеющий линейный участок вольт-контрастной характеристики.

Чтобы не получить паразитную модуляцию в процессе синтеза полутонового изображения по методу FRC, используется макроблочное кодирование. Суть метода заключается в том, чтобы в каждом кадре для группы пикселей,

Рис. 7.37. Пример синтеза жидкокристаллическим экраном шкалы серого за четыре кадра

ноцветный ореол как бы «аккомпанирует» демонстрируемому на экране изображению, с ним картинка на экране стала выглядеть гораздо естественней, а сам просмотр оказался при этом более зрелищным.

7.4.8. Увеличение контрастности воспроизводимых жидкокристаллическим экраном изображений

Правильное воспроизведение световых градаций телевизионных изображений возможно лишь в случае отсутствия контрастных искажений в воспроизводящем устройстве, например, когда полностью отсутствует паразитная засветка за счет внешних источников света. Схема возникновения паразитной засветки жидкокристаллических матриц представлена на рис. 7.38.

В случае наличия паразиткой засветки La контраст воспринимаемого изоб-

ражения К оценивается соотношением К = (Lmax + La)/(Lmin + La), где Lmax, Lmin – соответственно максимальное и минимальное значения воспроизводимой ярко-

сти ЖК-панелью. Естественно, что снижение воспринимаемого контраста наиболее сильно сказывается на темных участках изображения, в особенности, если La достигает величины, большей, чем минимальная визуально различимая яркость.

Рис. 7.38. Схема отображения световых лучей внешней засветки от жидкокристаллической матрицы

Один из основных мировых производителей ЖК экранов тайваньская компания Litemax при изготовлении жидкокристаллических дисплеев использует патентованную технологию AOT (Advanced Optoelectronic Technology), приме-

нение которой позволяет улучшить качество воспроизводимых изображений за счет уменьшенной отражательной способности поверхности экрана ЖК панелей. Эффект улучшения достигается путем введения «Оптической связки» (Optical Bonding) вместо воздушного зазора между внешним стеклом панелей и ЖК-матрицей [39]. На рис. 7.38 показаны составляющие отраженного жидкокристаллической панелью света от внешней (R1), внутренней (R2) поверхностей стекла и от поверхности ЖК-матрицы (R3). В традиционных жидкокристаллических экранах значение отраженных составляющих света примерно равны 4,5% от уровня яркости внешнего источника света, а общий уровень отраженного света 13,5% (R1 + R2 + R3), который и определяет величину внешней паразитной засветки La. Нанесение антибликовых покрытий (AR – Anti Re-

flective) на внешнюю и внутреннюю стороны защитного стекла и на поверхность ЖК-матрицы уменьшает уровень отраженного света до 0,9%, введение в

зазор «оптической связки» снижает величину отражения до 0,5%. В качестве «оптической связки» для согласования индексов преломления поверхностей материалов жидкокристаллических панелей, изготавливаемых по технологии АОТ, компания Litemax применяет специальную полимерно-силиконовую пленку (Index-matching Polymer Silicon). Визуально эффект внедрения АОТ проявляется как «протирка запотевшего стекла».

Жидкокристаллические экраны, изготовленные по технологии АОТ, обеспечивают воспроизведение изображений с высоким разрешением при значительных уровнях внешнего освещения. ЖК-панели категории АОТ Optical Bonding обеспечивают контрастность воспроизводимых изображений от 400:1 до 3000:1 с разрешением 1920 1080 пикселей, то есть Full HD.

7.5. Устройства управления жидкокристаллическим экраном

Формирование изображения на экране цветного ЖКЭ TFT-типа производится столбцовыми и строчными драйверами. Строчные драйверы обеспечивают управление выборкой по строкам, а через столбцовые драйверы производится доставка данных в адресуемые пиксели ЖКЭ.

Рис. 7.39. Структура схемы управления матричным жидкокристаллическим экраном

Типовая схема управления ЖКЭ показана на рис. 7.39 [32]. В данной схеме сигналы управления строками и столбцами формируются отдельными функциональными драйверами.