Методы построения светодиодной подсветки цветных

LCD-мониторов

Традиционный способ построения цветного изображения на матричных LCD-дисплеях основан на использовании встроенной системы цветных фильтров и задней подсветки белого цвета. С появлением сверхъярких светодиодов синего, красного и зеленого свечения эффективность в дисплеях многих производителей все чаще стала ис­пользоваться светодиодная подсветка, сначала белого свечения, а затем и «трехцветная».

При использова­нии   традиционной  схемы подсветки  на   цветных фильтрах теряется до 70-80% энергии   светового  потока (кроме того, апертура цветного пиксела, состояще­го из трех ячеек-модуляторов света, не   способна  обеспечивать   хорошее разрешение). Поэтому приходится использовать   топологию,   которая   на уровне монохромного пиксела должна иметь утроенное разрешение. Матричный модулятор состоящий из массива ЖК-ячеек обеспечивает разве­ртку изображения во времени.  Частота разверт­ки,  составляет 50...60 Гц (с периодом 20-16,7мс),     а источник подсветки включен постоянно.

Существует способ формировали цветного изобра­жения, в котором цветные фильтры вообще не используются. Вместо них пооче­редно включаются три источника си­него, красного и зеленого цвета и про­водится пространственная модуляция яркости каждой из цветовых фаз. Но­вый метод FSC (Field Sequential Color) позволяет значительно (на 500% !) повысить экономичность подсветки и улучшить качество изображения за счет увеличения апертуры. Число пикселов в матрице этого типа в три раза меньше по сравнению с  матрицей на основе цвет­ных фильтров.

                При этом, значи­тельно упрощается и технология изго­товления матрицы LCD-дисплея. Поэтому и апертурное соотношение в новой матрице гораздо выше. Применяя дан­ный метод цветовой модуляции, мож­но получить качество как и у обычного дисплея с цветными фильтрами, но имеющих в три раза большее разре­шение при одном и том же уровне тех­нологии.

Идея поочередной коммутации цветовых источников подсветки не нова, но для этого требовались коммутируемые источни­ки трех цветов с высокой яркостью и быстродействием, и кадровая развертка должна работать втрое быстрее - 180 вместо 50-60 Гц и было не­обходимо было получить ЖК-ячейки с быстродействием на уровне нескольких миллисекунд.

На роль коммутируемых быстродействующих источников светового излучения подходят только светодиоды. Работы по реализации нового метода подсветки начались после того, как бы­ла освоена технология изготовления сверхъярких светодиодов основных цветов, а также разработаны технологии изготовления быстродействующих ЖК-ячеек.

Основных типов LED-подсветки два. Во-первых, это боковая подсветка. «Белые» LED-элементы (White LED) расположены по бокам либо по периметру LCD-матрицы, а за равномерное распределение света отвечает специальная панель. Второй, более дорогой способ – размещение LED-элементов непосредственно за LCD-субстратом. Производить такие системы с использованием «белых» элементов нерентабельно, поэтому такой тип подсветки обычно использует элементы трех цветов – красного, зеленого и синего (RGB Led). Обе технологии имеют как преимущества, так и недостатки. 

White LED (с боковой подсветкой). Такая система стоит намного дешевле, чем RGB-LED, однако по своим характеристикам она достаточно близка к обычным LCD. Главное ее достоинство – возможность выпуска действительно тонких дисплеев, в некоторых случаях менее 10 мм. Однако возможность регулировать подсветку на разных участках экрана отсутствует, не говоря уже о многоцветной подсветке. 

RGB LED. Интересный вариант, используемый в некоторых моделях (например, от Sony) уже несколько лет. Поскольку система обеспечивает цветную подсветку отдельных фрагментов дисплея, изображение получается чрезвычайно четким и очень контрастным (в современных моделях до 1000000:1 и выше), и глубокий черный цвет (благодаря возможности вовсе отключать отдельные участки).

RGB LED обеспечивает более богатую цветовую гамму, чем LCD или «белый» LED, однако и стоит дороже. Число элементов подсветки ограничено примерно тысячей, причем контролировать каждый элемент сложно и затратно, поэтому управление обычно осуществляется группами. Поэтому многие компании отказываются от RGB LED в пользу боковой подсветки (она лучше продается из-за сравнительно невысокой цены телевизоров).

Все типы LED-подсветки позволяют серьезно экономить электроэнергию – потребление электричества едва ли не вполовину меньше, чем у LCD-мониторов (особенно это касается моделей с боковой подсветкой), но среднестатистический LED стоит вдвое дороже, чем LCD.

Формирование цветного изображения осуществляется следующим образом. Для каждого из цветов производится последовательная загрузка ЖК-матрицы из дисплейного ОЗУ. При загрузке (адреса­ции) матрицы источники подсвети выключены. После завершения заг­рузки данных, определяющих яркость точек матрицы (одного из цветов RGB), перед включением од­ного из источников основного цвета выдерживается пауза для того, чтобы завершился переходной процесс в ЖК-ячейках пространственного матричного модулятора (жидкие кристаллы реагируют на управляющее напряжение с инерцией). Если эту паузу не выдерживать и сразу включать источник подсветки, то получим искажение яркости передачи, поскольку время реакции и релаксации ЖК-ячеек матрицы различно. Процесс ре­лаксации, имеет достаточно большую длительность и зависит от ряда переменных факторов. По­этому продолжительность паузы должна быть больше времени релак­сации. После паузы подсветка вклю­чается подачей питания на массив светодиодов определенного цвета. Длительность цветовой вспышки 1,22 мс, поэтому пиковая яркость светодиодов должна быть в несколько раз выше, чем у постоянно включенного источника традицион­ной подсветки. Яркость современных (сверхъярких) светодиодов близка к яркости белой люминесцентной лампы, работающей на переменном токе.

Дисбаланс яркости светодиодов разных цветов можно скомпенсировать подборам числа светодиодов каждого цвета в массиве или регулировкой тока по каждому цвету.

Для получения равномерного распределения света от точечных ис­точников с малыми оптическими по­терями используются рассеиватели, которые выполнены на основе линз Френеля и позволяют при очень малой толщине конструкции управлять подмассивами светодиодов обычными токовыми транзисторными ключами. Сигналы управления токовыми клю­чами формируются на основе сигналов субкадровой развертки частотой 180 Гц. Этот ме­тод подсветки пока имеет серьезный недостаток – фликкер (глаз за­мечает мерцание яркости, возникающее в процессе развертки и импульсной подсветки). Решение этой проблемы существенно усложняет и удорожает стоимость дисплея.

Поэтому решили увеличить полезное время модуляции за счет совмещения прохождения фаз по времени. Для этого экран разбили на секторы – сектор состоит из несколько строк, и сделали источник подсвета по секторам экрана с возмож­ностью раздельного включения и выключения секторов-линеек. Теперь можно, не дожидаясь, пока закончит­ся полная загрузка кадра, произво­дить посекторное включение той части экрана, для которой процесс релаксации ЖК-ячеек уже завершился. Таким образом создается «волна» подс­вета, бегущая следом за загрузкой данных изображения по кадру.

Время релаксации, загрузки данных, скорость развертки, а также порядок выбора цветов известны, поэтому процесс синхронизация включения цвет­ных секций вдоль направления развертки не представляет проблемы.

Конвейерный ме­тод управления подсветкой дает воз­можность в течение одного кадра последовательно включать источники подсвета всех трех цветов для разных блоков строк, а это дает еще одну воз­можность уменьшения паразитного фликкера, связанного с модуляцией но одному цвету в тече­ние одного кадра, поэтому можно обеспечить более однородную под­светку и уменьшить дрожжание яркос­ти и цвета.

Первой на промышленный уровень использования технологий светодиодной подсветки в LCD-мониторах вышла обычная светодиодная подсветка. Яркость мо­дулей светодиодной подсветки Luxeon не уступает яркости люминесце­нтных ламп с холодным катодом, а долговечность светодиодов значительно выше. Технология Luxeon обеспечивает и бо­лее широкую цветовую гамму и насыщенность цвета LCD-монитора. Это достигается за счет более эффективного согласования спектральных характе­ристик цветных фильтров и спектров излучения цветных светодиодов, а также благодаря уникальной конструкции модуля подсветки.

Особенность конструкции модуля подсветки — в применении прямого метода подсветки. Две линейки светодиодов по 48 шт. располагаются не в торце модуля подсветки, а прямо под ЖК-панелъ; пластиковый све­товод не используется. Вместо него применяется полая коробка с отражающими стенками. За счет этого снижаются потери светового потока в модуле подсветки.

Равномерная яркость и цветовое смешение достигаются благодаря патентованной конструкции светорассеивающих линз светодиодов. Спе­циальная форма линзы обеспечивает распространение светового потока от кристалла светодиода в горизон­тальной плоскости. Пространство над светодиодами блокируется специальным диф­фузным фильтром. За счет многок­ратного прохождения и отражения от боковых стенок «коробки» модуля обеспечивается равномерное переме­шивание цветов и достигается равно­мерность яркости подсветки.

Светодиодная подсветка имеет значительно меньший уровень электромагнитного излучения, поскольку здесь отсутствует высокочастотный преоб­разователь напряжения (частотой 36...60 кГц и амплитудой 250-300 В), отсутствуют и люминисцентные лампы с холод­ным катодом. Использование светодиодной под­светки более экологично и уменьшается утомляемость опе­раторов при работе с такими мони­торами.