Wyświetlacze LCD i OLED w telewizorach

Wyświetlacz jest jednym z najważniejszych elementów w telewizorze. W dużej mierze zależy od niego jakość odtwarzanego obrazu, mniej ważne jest, jaka firma jest producentem telewizora. Rynek telewizorów jest zdominowany przez wyświetlacze lCD z podświetleniem leD o różnej konstrukcji. powoli zaczynają z nimi konkurować wyświetlacze oleD. największe zmiany dotyczą podświetlenia w wyświetlaczach lCD Ultra HD. mają one na celu zwiększenie zakresu odtwarzanych kolorów i dynamiki obrazu, co spowoduje, że stanie się on bardziej szczegółowy.

Wyświetlacze LCD różnią się rodzajem matryc ciekłokrystalicznych. W telewizorach są stosowane trzy rodzaje: VA, IPS i TN w różnych wersjach. Praktycznie w telewizorach średniej i najwyższej klasy są stosowane matryce VA i IPS. Pierwsze są produkowane przez firmy: AU Optronics, ChiMei/Innolux, Samsung, Sharp, TCL, drugie przez LG i Panasonica. Dobór rodzaju matrycy zależy od serii telewizorów. Niestety, producenci telewizorów rzadko podają jej rodzaj. Nie zagłębiając się w budowę matryc ciekłokrystalicznych, można powiedzieć, że różnią się one budową cząsteczek ciekłokrystalicznych i ich ułożeniem, co wpływa na ich parametry optyczne, a w konsekwencji na jakość obrazu. Od rodzaju użytej przez producenta matrycy LCD w dużej mierze będzie zależeć jakość obrazu, na którą wpływają takie parametry jak kontrast, poziom czerni, kąty widzenia i szybkość reakcji piksela (smużenie). Mniej ważne jest, jakiej firmy jest telewizor. Należy mieć świadomość, że różnice w obrazie dostrzeże wyrobione oko w odpowiednich warunkach oświetleniowych, a także aparatura pomiarowa. Różnice w kontraście obrazu będą widoczne w ciemnym pomieszczeniu, w sklepie kontrast obu rodzajów matryc będzie porównywalny. Najlepsze telewizory IPS z podświetleniem Direct LED z miejscowym wygaszaniem będą miały kontrast porównywalny z VA.

Na zakup TV z matrycą VA powinny decydować się osoby, które lubią oglądać telewizję tak jak w kinie, w mocno zaciemnionym pokoju.

W wypadku dynamicznego ruchu obiektu na ekranie jego smużenie jest zależne nie tylko od matrycy, ale także skuteczności działania układów eliminujących to zjawisko. Matryca VA charakteryzuje się mniejszym smużeniem i jest polecana lubiącym transmisje sportowe i filmy akcji.

Zdecydowane większe kąty odtwarzania obrazu bez pogorszenia jasności i barw mają matryce IPS. W praktyce oznacza to, że warto kupować telewizor z takim wyświetlaczem, jeżeli oglądamy telewizję całą rodziną.

Matryce IPS w wersji S-IPS (Super In Plane Switching) zapewniają bardzo dobre odwzorowanie barw, mają ponadto największe kąty widzenia, które zapewniają oglądanie obrazu bez utraty barw i kontrastu. Równomierne podświetlenie oraz stałość kolorów na całej powierzchni matrycy w czasie to dodatkowe zalety. Często są stosowane także w monitorach komputerowych najwyższej klasy. Matryce IPS są zalecane do oglądania telewizji w oświetlonym pokoju. Odwzorowanie barw w dużej mierze zależy od kalibracji telewizora. Równomierność podświetlenia matrycy jest zależna od jasności LED i elementu rozpraszającego światło po ekranie (dyfuzora). Najlepsze matryce mają na powierzchni warstwę antyrefl eksyjną (np. Philips, Samsung, TCL), której zadaniem jest zmniejszenie niepożądanych odbić światła, Zapobiega ona np. oglądaniu na ekranie TV świateł lamp, odbić przedmiotów lub własnego odbicia widza, jeśli siedzi on blisko ekranu.

Podświetlenie krawędziowe w telewizorach LCD

W wyświetlaczach LCD stosuje się różne rodzaje podświetlenia. Najbardziej rozpowszechnioną odmianą jest podświetlenie diodami LED rozmieszczonymi na krawędziach matrycy (tzw. krawędziowe – Edge). Zazwyczaj jest to jedna krawędź, najczęściej dolna. Światło z LED jest rozprowadzane na cały ekran specjalną cienką optyczną warstwą rozpraszającą, tzw. dyfuzorem. Trudno przy takim rozwiązaniu uzyskać równomierne podświetlenie – obraz będzie jaśniejszy przy krawędzi podświetlającej. Ze względu na koszty produkcji diody LED nie są sortowane pod względem wytwarzanego strumienia światła, przez co różnią się jasnością. W rezultacie jasność podświetlenia może być niejednakowa na całej powierzchni ekranu (zjawisko to jest nazywane cloudingiem). Podświetlenie LED umożliwiło znaczne zmniejszenie grubości samego wyświetlacza LCD, nawet poniżej 10 mm (najcieńsze mają ok. 4 mm). Zmniejszony został pobór energii przez telewizor. Podświetleniem można sterować na dwa sposoby:

• regulować jasność wszystkich LED jednocześnie,
• wyłączać LEDy dynamiczne strefowo.

W droższych telewizorach stosowane jest podświetlenie krawędziowe LED ze strefowym wygaszaniem, co poprawia kontrast dynamiczny, czyli chwilową różnicę jasności między bielą a czernią w miejscach wymagających silnego podświetlenia obszarów, na których w danym momencie są wyświetlane jasne partie obrazu, przy jednoczesnym przygaszeniu podświetlenia w segmentach ekranu odpowiadających ciemniejszym obszarom danego ujęcia. Ten sposób sterowania eliminuje zjawisko halo, spowodowane przez nadmiernie rozproszone światło emitowane przez segment diod.

Podświetlenie matrycowe bezpośrednie Full LED

Największą poprawę kontrastu uzyskuje się, stosując białe diody za matrycą (tzw. direct light), lecz dodatkowa warstwa powoduje, że wyświetlacz nie jest tak cienki jak z podświetleniem krawędziowym. Panel podświetlenia tworzy klastry np. (256 bloków po 8 lub 16 diod LED), sterowane osobno. Analiza sygnału wizyjnego pod kątem intensywności (jasności) przez procesor pozwala na uzyskanie informacji o tym, które fragmenty obrazu mają być ciemniejsze, a które jaśniejsze. Dynamiczne sterowanie jasnością, nawet wygaszanie poszczególnych grup LED odpowiedzialnych za dane obszary, powoduje zwiększenie dynamicznego kontrastu. W podświetleniu LED ważny jest także ekologiczny aspekt, ponieważ diody te nie zawierają rtęci ani szkodliwych luminoforów, które zawarte są z kolei w lampach jarzeniowych. Istotną zaletą diod LED jest możliwość regulacji jasności „białych” diod w dużym zakresie, aż po zupełne ich wyłączenie, co przekłada się na oszczędność energii elektrycznej – nawet do 50 proc. w porównaniu z podświetleniem jarzeniowym. Wydawać by się mogło, że wyświetlacze LCD mają swój rozwój techniczny zakończony. Jednak dzięki najnowszym materiałom fluorescencyjnym – kropkom kwantowym, wykorzystywanym do poprawy barw odtwarzanych przez wyświetlacz – ich obraz może konkurować z obrazem ekranów OLED.

Porównanie budowy podświetlenia bocznego zwykłego i Color IQ firmy QD Vision.

Wyświetlacze LCD z podświetleniem z kropkami kwantowymi

Według wymagań dla telewizji 4K obraz oprócz zwiększonej szczegółowości powinien znacznie lepiej odtwarzać barwy. Dotychczasowe konstrukcje były w stanie odtworzyć zaledwie 35 proc. barw, jakie potrafi rozróżnić nasz wzrok. Wymagania normy rec. 2020 zakładają odtwarzanie 75 proc. barw. Jest to możliwe dzięki najnowszej generacji materiałów fl uorescencyjnych, nazywanych kropkami kwantowymi, które zostały zastosowane w wyświetlaczach LCD. Jakość barw, jakie widzimy w rzeczywistości, jest zależna od światła, które je oświetla. Za wzorcowe przyjmuje się światło słoneczne, które zawiera barwy określone fizycznie przez zakres długości fal elektromagnetycznych od 400 (fioletu) do 700 nm (czerwieni). W rzeczywistości sztuczne źródła światła, czyli LED-y, stosowane w podświetleniu wyświetlaczy LCD nie zawierają wszystkich barw potrzebnych do wytworzenia światła białego. Za widzenie barwne w naszych oczach odpowiedzialne są czopki, a za widzenie w odcieniach szarości pręciki. Występują trzy rodzaje czopków, których czułość zależy od długości fali odpowiadającej barwie czerwonej (R), zielonej (G) i niebieskiej (B). Różny stopień pobudzenia trzech rodzajów czopków daje wypadkowe wrażenie barwy. Tę zasadę wykorzystano do tworzenia obrazu w wyświetlaczach stosowanych w telewizorach. Punkt obrazu (piksel) składa się z trzech subpikseli (RGB). Wypadkowa barwa piksela powstaje w wyniku mieszania barw składowych (tzw. addytywne mieszanie barw).

Budowa wyświetlacza LCD LED z warstwą podświetlenia QDEF z kropkami kwantowymi.

W wyświetlaczach LCD źródłem światła są LED-y wykonane z materiałów półprzewodnikowych. Właściwości ich światła są jednym z czynników decydujących o jakości barw obrazu w wyświetlaczach stosowanych w telewizorach, monitorach, smartfonach czy tabletach. Aby urządzenia jednakowo odtwarzały barwy, opracowano normy określające zakres odtwarzanych barw, tzw. gamut (trójkąt barw), w urządzeniach wideo: rec. 709 (HDTV), rec. 2020 (Ultra HD) i DCI-P3 (kino). Analizując wielkość trójkąta dla danej normy i jego położenie na wykresie, łatwo można zobaczyć, jakie barwy powinny być odtwarzane przez urządzenie. Krótko mówiąc, im większy jest trójkąt, tym więcej barw będzie odtwarzanych. Przestrzeń kolorów DCI-P3 jest większa niż rec. 709 i została opracowana przez Hollywood Studios do stosowania w projektorach kina cyfrowego. Dotychczas w telewizorach przestrzeń barw była zgodna z normą rec. 709, opracowaną dla telewizji HDTV w 1990 r. Barwy te pokrywają niewielki fragment przestrzeni kolorów – jedynie 35 proc. możliwości naszych oczu. Daje to spektrum barw bogate w odcienie niebieskie, żółte, pomarańczowe, znacznie mniej jest odcieni zieleni i czerwieni. Najnowszą przestrzeń kolorów – rec. 2020 opracowano dla telewizji 4K (Ultra HD). W celu spełnienia wymagań przestrzeni barw według normy rec. 2020 i DCI-P3 w wyświetlaczach LCD zaczęto stosować nowy rodzaj podświetlenia, zawierający kropki kwantowe, wytwarzające światło o szerszym spectrum barw.

Podświetlenie krawędziowe WCG w TV TCL serii S7900

Konstrukcję wyświetlacza w TV TCL serii S7900 wyróżnia krawędziowa technika podświetlenia z szerokim zakresem odtwarzania kolorów (UHD LED Edge Wide Color Gamut). Dzięki temu osiągnięto 90-proc. pokrycie trójkąta barw według normy DCI. Za skalowanie obrazu materiałów wideo odpowiada funkcja Super resolution EX. W nowym trybie sport mode można zobaczyć, jak naprawdę wygląda kolor murawy. W trybie tym wzmocniono także efekty dźwiękowe podkreślające emocje na boisku i przekazywane przez komentatora. Wyświetlacz ma tylko 9.9 mm grubości i pokryty jest antyrefl eksyjną warstwą, zapobiegającą odbijaniu się światła padającego na ekran, np. z lampy ustawionej w pokoju. Jest to także panel 10-bitowy, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie lepszych kolorów, więcej odcieni szarości, co ma wpływ na ostateczną jakość obrazu. Telewizory wyposażono w czterordzeniowy procesor.. Łącza Bluetooth i Wi-Fi zastosowano do komunikacji z urządzeniami mobilnymi. Telewizory są zgodne ze standardem telewizji hybrydowej HbbTV 1.5 i Smart TV 2.0. Liczba dostępnych aplikacji jest zależna od kraju sprzedaży. Telewizory odtwarzają pliki wideo zgodne ze standardami H.265/ HEVC i DivX. Telewizory serii S7900 mają duże przekątne: 50, 55, 65 cali i są wyposażone w złącza: HDMI 2.0 × 4 (w tym HDMI Arc) oraz HDMI MHL, USB × 2 (1 × 2.0, 1 × 3.0), SCART i YPbPr. Złączem HDMI 2.0 można przesyłać sygnały zgodne z formatem 2160p/60 Hz. Mają tunery do odbioru telewizji DVB-T2/ DVB-C/ DVB-S2. System dźwiękowy stanowią dwa głośniki o mocy 2 × 10 W z systemem Dolby Digital +.

Jak jest zbudowany wyświetlacz LCD z kwantowymi kropkami?

Wyświetlacze LCD z podświetleniem LED zdominowały rynek telewizorów. Stosuje się w nich dwa rodzaje podświetlenia: tylne i krawędziowe. Różnica polega na rozmieszczeniu LED-ów: z tyłu wyświetlacza LCD lub na krawędzi ekranu. Najlepsze telewizory mają podświetlenie tylne, zawierające zestaw kilkudziesięciu białych LED. Poszczególne barwy RGB są tworzone po przejściu światła przez filtry RGB. To, jakie barwy obrazu widzimy, zależy od parametrów światła LED, barwnych filtrów RGB i panelu LCD. W wyświetlaczach LCD kropki kwantowe znalazły zastosowanie w postaci folii Quantum Dot Enhancement Film (QDEF), opracowanej przez firmy takie jak Nanosys i 3M. Zastępuje ona warstwę dyfuzora, rozpraszającego równomiernie światło LED. Matryca tylnego podświetlenia (backlight unit) zamiast białych LED-ów zawiera niebieskie LED-y, które oświetlają warstwę QDEF, zawierającą kwantowe kropki. Warstwa QDEF zawiera biliony (!) kropek emitujących czerwone i zielone światło pod wpływem niebieskiego. W wyniku mieszania się barw czerwonej (R) i zielonej (G) oraz niebieskiej (B) z LED jest tworzone białe światło.

Według producentów wyświetlaczy z kropkami kwantowymi jakość barw jest porównywalna z wyświetlaczami OLED przy mniejszych kosztach wytwarzania.

Firma Sony jako pierwsza wprowadziła na rynek w 2012 r. telewizory Ultra HD z wyświetlaczami Triluminos, zawierające podświetlenie z kropkami kwantowymi Color IQ, opracowane przez amerykańską firmę QD Vision, dzięki któremu lepiej odtwarzane są odcienie błękitu, zieleni i czerwieni. Swoje rozwiązania podświetlenia z kropkami kwantowymi mają firmy LG i Samsung. Jednak modele z 2015 i 2016 r. nie zawierają warstwy kropek kwantowych. Kwantowe kropki amerykańskiej firmy QD Vision (technika Color IQ) w swoich wyświetlaczach zaczęły stosować także chińskie firmy, takie jak TCL, Thomson, Hisense czy THTF. Pojawiły się pierwsze monitory z kropkami kwantowymi marki Philips.

Niebieskie LED emitują białe światło o szerszym zakresie barw?

Innym sposobem wytworzenia białego światła o poszerzonym zakresie barw jest stosowanie hybrydowych LED. Źródłem białego światła jest niebieska LED pokryta częściowo żółtym luminoforem tak, że w wyniku konwersji światła dioda emituje jednocześnie światło żółte, które miesza się z jej światłem niebieskim. Takie rozwiązanie stosuje firma Panasonic w najnowszych telewizorach Ultra HD. Emitowane białe światło zawiera znacznie szersze spektrum barw, dzięki czemu uzyskano pokrycie 90–98 proc. przestrzeni barw zgodnej z normą DCI, co jest porównywalne z kropkami kwantowymi.

LED-y zwiększające dynamikę obrazu

Technika zwiększania dynamiki kolorów HDR wymaga znacznie większej jasności, np. w telewizorach premium zamiast LED o jasności 300 – 400 nt wymagana jest jasność do 1000 nt i odpowiednie sterowanie impulsowe, aby uzyskać chwilowy efekt rozjaśnienia w określonych miejsc na obrazie.

Wyświetlacz OLED – obraz doskonały

Przyszłość należeć będzie do telewizorów z matrycami OLED (Organic Light Emitted Diode). Mimo że LED w nazwie sugeruje związek z telewizorami LCD LED, działają one na innej zasadzie. Diodom LED wyrósł nowy konkurent – diody OLED, wykonywane ze związków organicznych – polimerowych półprzewodników emitujących światło. Polimery kojarzą się przede wszystkim z tworzywami sztucznymi nieprzewodzącymi prądu. Tak jak LED polimery OLED mogą przetwarzać energię elektryczną w światło dzięki zjawisku elektroluminescencji. Struktura OLED ma budowę warstwową. Zawiera jedną lub kilka warstw o grubości ok. 400–500 nm, (co odpowiada jednej setnej grubości ludzkiego włosa), napylonych na szklane lub przezroczyste elastyczne podłoże foliowe. Zasilanie diody jest doprowadzone przez anodę i katodę. Przezroczystą anodę wykonuje się ze szkła o grubości poniżej 1 mm pokrytego warstwą tlenku indowo-cynowego (ITO), katodę zaś z dobrze przewodzących metali, np. stopu magnezu i srebra. Dioda OLED jest pobudzana do świecenia napięciem z tranzystora TFT (Thin Film Transistor, technika AMOLED). Tranzystory te są nanoszone bezpośrednio na metalową katodę i znajdują się bezpośrednio pod warstwą organicznego świecącego polimeru. Tranzystor TFT przez zmianę wartości prądu płynącego przez pojedynczy subpiksel steruje jego intensywnością świecenia. Te zalety sprawiają, że sam ekran ma grubość 4 mm, jest bardzo lekki oraz pobiera znacznie mniej mocy. Aby nadać produktowi odpowiednią sprężystość i wytrzymałość, tylną obudowę wykonuje się z tworzywa sztucznego zbrojonego włóknem węglowym (używanym m.in. do produkcji samolotów i supersamochodów). Warstwa OLED musi być chroniona przed działaniem tlenu i wilgoci. Wrażliwość polimerów na wilgoć i tlen to główny problem przy produkcji diod OLED i wyświetlaczy. Najnowsze telewizory z linii 2016 realizują koncepcję Picture-On-Glass. Panel OLED ma grubość tylko 2,57 mm oraz wykonany ze szkła przeźroczysty tył obudowy. Obraz jest zgodny z wymaganiami HDR Dolby Vision, a dzięki technikom Pixel Dimming czy ColorPrime Pro zapewnia pokrycie barw zgodnie ze standardem DCI-P3 w 99 proc. Telewizory z ekranami OLED mają wiele zalet. Pierwsza to jakość obrazu, którego czerń osiąga poziom większy niż w wypadku LCD LED, a nasycenie kolorów jest wzorcowe. W telewizorach LG wykorzystano jeszcze czwarty subpiksel – biały, co ma zwiększać zakres tonalny i wierność odwzorowania kolorów. Czas reakcji matrycy OLED jest znacznie krótszy niż w LCD. Zjawisko smużenia obrazu szybko poruszających się obiektów na ekranie jest znacznie mniejsze, ale występuje. Kąt patrzenia na ekran może być dowolny bez pogorszenia jakości obrazu. Ekrany nie wymagają podświetlenia LED lub świetlówkowego, jak jest to w telewizorach LCD, które wiąże się z niejednorodnością światła i wpływa na jakość obrazu. Źródłem światła jest sam materiał piksela – dioda organiczna LED (a nie półprzewodnikowa), którą można nanosić na różne materiały, nawet folię przezroczystą, i tworzyć zwijane ekrany. Największą wadą wyświetlaczy OLED jest ich mniejsza trwałość niż LCD i wypalanie się pikseli z czasem (zjawisko podobne jak w wyświetlaczach plazmowych). Wynika to z ciągłego świecenia pikseli (wypalenie luminoforu). Producent informuje w instrukcji obsługi o tym zjawisku. Wyświetlanie przez długi czas nieruchomego obrazu (np. logo kanału, menu ekranowego, sceny z gry wideo lub ekranu komputera) może spowodować uszkodzenie ekranu w postaci pozostałości nieruchomego obrazu. Należy unikać wyświetlania na ekranie telewizora nieruchomych obrazów przez dłuższy czas (powyżej 1 godziny na ekranach OLED). Również długotrwałe oglądanie telewizji w formacie 4:3 może spowodować utrwalenie pozostałości obrazu przy krawędziach ekranu. Takie zmiany mogą mieć długotrwały lub nieodwracalny charakter. Gwarancja produktu nie obejmuje zjawiska utrwalenia nieruchomego obrazu. Technologia nanoszenia pikseli na elastyczne podłoże stwarza możliwość tworzenia elastycznych wyświetlaczy. Firma LG ma już prototypy zwijanych ekranów TV, które prezentuje na różnych targach.