Методы построения светодиодной подсветки цветных LCD-мониторов

Обычно в качестве источника подсветки применялись люминесце­нтные лампы с холодным катодом (CCFL), реже - электролюминесцентные панели (так как их яркость и ресурс невелики). Традиционный метод синтеза цветного изображения на матричных LCD-дисплеях основан на использовании встроенной системы цветных фильтров и источника задней подсветки белого цвета. Подсветка люминесцентной лампой с холодным катодом счи­талась самой экономичной, но с появлением сверхъярких светодиодов синего, красного и зеленого свечения эффективность CCFL уже не кажется очевидной, в дисплеях многих производителей чаще стала ис­пользоваться светодиодная подсветка белого свечения. Появился и ме­тод 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.

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,  обычно составляет 50...60 Гц (период 20-16,7мс).     Источник подсветки включен постоянно. Традиционная схема формирования изображения с использованием цветных фильтров показана на рис. 1.

Рис. 1.

Ме­тод 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%) улуч­шить экономичность подсветки и улучшить качество изображения за счет увеличения апертуры. Число пикселов (точек) в матрице этого типа в три раза меньше по сравнению с тра­диционной матрицей на основе цвет­ных фильтров.

 При этом благодаря сокраще­нию числа операций, связанных с получением цветных фильтров, значи­тельно упрощается и технология изго­товления матрицы LCD-дисплея. Поэтому и апертурное соотношение в новой матрице гораздо выше. Применяя дан­ный метод (метод цветовой модуляции), мож­но получить качество как у обычного дисплея с цветными фильтрами, но имеющих в три раза большее разре­шение при одном и том же уровне тех­нологии. Применение данной техно­логии позволяет увеличить и выход годных LCD-панелей.

Идея поочередной коммутации цветовых источников не нова, но ее практическое использование до не­давнего временя была практически невозможно (для этого требовались коммутируемые источни­ки трех цветов с высокой яркостью и быстродействием, и кадровая развертка должна работать втрое быстрее - 180 вместо 60 Гц). Сначала было не­обходимо было получить ЖК-ячейки с быстродействием на уровне нескольких миллисекунд.

Из-за большой инерционности свечения люминесце­нтные и электролюминесцентные лампы для управляемой подсветки использовать нельзя. Лучше всего на роль коммутируемых быстродействующих источников светового излучения подходят светодиоды. Долгое время не удавалось освоить технологию формирова­ния светодиодов синего свечения, а яркость зеленых и красных была явно не­достаточна. Работы по реализации нового метода подсветки начались лишь после того, как бы­ла освоена технология изготовления сверхъярких светодиодов всех 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 (см. график). 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. Действительно довольно 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 невероятно контрастным, в современных моделях до 1000000:1 и даже выше. Гарантирован глубокий черный цвет – благодаря возможности вовсе отключать отдельные участки. RGB

LED обеспечивает гораздо более богатую цветовую гамму, чем LCD или даже «белый» LED, однако и стоит при этом несоизмеримо 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 – так как она попросту 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 сопоставимых LCD-мониторов (особенно это касается моделей с боковой подсветкой), но среднестатистический LED стоит вдвое дороже, чем LCD, поэтому окупится такая экономия только за очень длительный срок. Кроме того LED использует галлий и мышьяк – это не самые полезные для здоровья элементы таблицы Менделеева.

На рис. 2 показана временная последовательность операций последовательной цве­товой модуляции. Формирование цветного изображения осуществляется следующим образом.

Рис. 2

 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 некоторой 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 не­велика (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.

На рис. 3 показана конструк­ция цветного LCD-дисплея со светодиодной подсветкой. Дисбаланс яркости светодиодов разных цветов можно скомпенсировать подборам числа светодиодов каждого цвета в массиве или регулировкой тока по каждому цвету.

    Рис. 3

 Для получения равномерного распределения света от точечных ис­точников с малыми оптическими по­терями используются рассеиватели 1 и 2 (на рис. 3), 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 (рис. 4).

    Рис. 4

 На рис. 5 по­казаны временные соотношения для фаз последовательной цветовой моду­ляции.

Рис. 5

 На рис. 6 показана структура управления ЖК-дисплеем с последо­вательной цветовой модуляцией. Этот ме­тод подсветки пока имеет серьезный недостаток – фликкер (глаз за­мечает мерцание яркости, возникающее в процессе развертки и импульсной подсветки). Фликкер можно уменьшить, повышая частоту субкадровой развертки, однако для этого необходимо обеспечивать и большее быстродействие ЖК-ячеек. Решение этой проблемы существенно усложняет и удорожает стоимость дисплея. И все это из-за того, что фазы протекают последовательно во времени, а самая важная для нашего зрения фаза, в течение которой и производится полезная модуляция по цвету и яркости, занимает слишком малую долю времени.

Рис. 6        

Поэтому решили увеличить полезное время модуляции за счет совмещения прохождения фаз по времени. Для этого экран разбили на секторы (сектор – это 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 (разверткой) данных изображения по кадру (на рис. 7 показана структура этого варианта динамической светодиодной подсветки LCD-дисплея).

Рис. 7

Так как время релаксации, загрузки данных, скорость развертки, а также порядок выбора цветов известны, то процесс синхронизация включения цвет­ных секций вдоль направления развертки не представляет проблемы (на рис. 8 показаны фазы конвейерной системы развертки с секторной подсветкой).

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, на этот раз связанного с модуляцией но одному цвету в тече­ние одного кадра (поэтому можно обеспечить более однородную по времени под­светку и уменьшить дрожжание яркос­ти и цвета).

Рис. 8

Однако первой на промышленный уровень использования технологий светодиодной подсветки в LCD-мониторах вышла обычная светодиодная подсветка. Фирмы Lumileds Lighting и Mitsubishi Electric Corporation производят линейки мониторов с обычной светодиодной подсвет­кой. Модули светодиодной подсветки по своей новой технологии (Luxeon) производит фирма Lumileds. Собирает и реализует мониторы фирма Mitsubishi. Яркость мо­дулей светодиодной подсветки Luxeon не уступает яркости люминесце­нтных ламп с холодным катодом,  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.

LCD-мониторы  с светодиодной подсветкой в первую очередь востребованы для приме­нения в мультимедийных, меди­цинских и торговых терминалах, например:

 - 7,5-дюймовый цветной мультимедий­ный монитор с яркостью 500 нит (с возможностью раздельной  регулировки яркости светодиодных массивов красного, голубого и зеленого цветов для достижения требуемого баланса бело­го);

 - 15,1-дюймовый   XGA   медицинский монитор яркостью 250 нит (на основе  технологии   IPS   (la   Plane Switching) с пленарной ориентацией ЖК-материала, которая обеспечива­ет максимально широкие углы обзо­Ра). Монитор имеет улучшенную» цветовую гамму и балансировку белого;

 - 12,1-дюймовый   монитор   для торговых или промышленных тepминалов.

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.