Публикации: Оптика и электроника (рубрикатор)

Евгений Смирнов продолжает "сеять" семена своей тяги к познанию окружающего нас мира по всей сети. А мы это продолжаем собирать. Очередная "нетленка" опубликована на 3DNews.

Телевизоры, планшеты, мониторы, экраны GPS-приёмников, смартфоны – кажется, что жидкокристаллические дисплеи окружают нас повсюду. C момента их появления было разработано огромное количество подвидов технологии представления информации. Апогеем к сегодняшнему дню стали органические светодиоды OLED (organic light emission diode) и LCD-IPS (in-plane switching, дословно – «переключение в одной плоскости»). Но давайте обо всём по порядку.

Часть теоретическая. Как работает LCD?

В этом разделе в определенной степени я повторю теоретический материал статьи, опубликованной на сайте «ХабраХабр» и посвящённой глубокому и доскональному исследованию устройства LCD- и E-Ink-дисплеев.

Итак, представим, что на дворе 1888 год, один австрийский ботаник по фамилии Рейнитцер заметил, что некоторые вещества имеют две точки плавления, при этом образуется сначала мутный, а затем прозрачный расплав. Спустя 16 лет, в 1904 году, немецкий физик Отто Леманн смог предложить объяснение данному феномену. Он высказал предположение, что кристаллическая и жидкая фаза сосуществуют при одной и той же температуре и, соответственно, это новое агрегатное состояние вещества, пограничное между твердым и жидким, – жидкие кристаллы. Однако мировому научному сообществу потребовалось более 60 лет, чтобы принять идеи учёного и признать их.

Лишь в начале 1960-х годов учёные вернулись к детальному изучению жидких кристаллов, а в 1968 году было предложено первое устройство для отображения информации, использовавшее жидкие кристаллы – нематики, и 1970-е стали временем общедоступности ЖК и широкого распространения технологий отображения информации на их основе. Несмотря на столь грандиозный успех ЖК-технологии в наши дни, ни Рейнитцер, ни Леманн не удостоились Нобелевской премии, лишь французу Пьеру Жиль де Жену в 1991 году была вручена награда с формулировкой «За обнаружение возможности переноса методов изучения явлений упорядоченности в простых системах на жидкие кристаллы и полимеры».

Каким образом работает жидкий кристалл внутри дисплея? Технология LCD имеет несколько основных модификаций: Super LCD, IPS и его разновидности (к этому типу относится эппловский Retina Display). Любой LCD-монитор состоит из нескольких основных частей: активной матрицы – сетки тонкоплёночных транзисторов (пресловутая аббревиатура TFT – thin film transistors), с помощью которых формируется изображение; слоя жидких кристаллов, которые либо пропускают свет от ламп подсветки, либо нет, и светофильтров, формирующих R-, G-, B-субпиксели; и в-третьих, системы подсветки.

Рассмотрим работу отдельного субпикселя. Свет, поступая от источника (белого светодиода или лампы) через специальную прозрачную пластину-волновод, рассеивается таким образом, чтобы вся матрица имела равную освещённость по всей своей площади. Далее фотоны проходят поляризационный фильтр, который пропускает только волны с определённой поляризацией. Проникнув через стеклянную подложку, на которой находится активная матрица из тонкоплёночных транзисторов, свет попадает на тончайший слой жидкого кристалла. Молекулы ЖК получают «команду» от нижележащего транзистора, на какой угол повернуть поляризацию световой волны, чтобы она, пройдя сквозь ещё один поляризационный фильтр, развёрнутый под углом 90 градусов к первому, задала интенсивность свечения отдельного субпикселя. Окраску же субпикселю дают светофильтры (красный, зелёный или синий), нанесённые на поверхность второй стеклянной подложки. Смешиваясь, волны от трёх невидимых глазу человека субпикселей формируют пиксель изображения заданного цвета и интенсивности.

а) Схематическое устройство LCD-дисплея (у каждого субпикселя свой собственный мини-слой с ЖК), б) устройство жидкокристаллической плёнки в деталях

На вышеприведённом рисунке представлена так называемая TN (Twisted Nematic)-технология, когда электроды управления ЖК располагаются сверху и снизу, однако сегодня всё большую популярность набирает технология IPS (in-plane switching, дословно – «переключение в одной плоскости»). Суть её такова, что оба электрода управления находятся в одной плоскости, при этом уменьшаются световые потери и экран выглядит ярче, чем обычный LCD.

Схема работы ЖК-дисплеев, выполненных по технологии IPS

Различие в строении ячеек TFT-матриц сверху вниз: TN (Twisted Nematics); IPS (In Plane Switching); PVA (Patterned Vertical Alignment)

Также, помимо хорошо зарекомендовавшей себя технологии LCD + TFT, существует активно продвигаемая технология органических светодиодов OLED + TFT = AMOLED — active matrix OLED. Основное отличие последней заключается в том, что роль поляризатора, слоя ЖК и светофильтров играют органические светодиоды трёх цветов. По сути это молекулы, способные при протекании электрического тока испускать свет, а в зависимости от количества протекшего тока менять интенсивность окраски, подобно тому, как это происходит в обычных LED. Убрав поляризаторы и ЖК из панели, мы потенциально можем сделать её значительно тоньше (вплоть до долей миллиметра), а самое главное — гибкой! Как известно, за всё надо платить, и ниже я наглядно покажу, к чему приводит «гибель» части OLED-пикселей.

Лабораторные работы

Теория – это одно, а посмотреть на все собственными глазами – совсем другое. Под микроскопом полежали следующие наиболее популярные на сегодняшний день модели смартфонов и планшетов: Apple iPad 2, iPad 3, iPhone 4, HTC Desire HD, Evo 3D, Nokia Lumia 800 , Samsung Galaxy Note , Galaxy Nexus , Galaxy S II , Galaxy S+, Galaxy S c покалеченным жизнью дисплеем и Sony Xperia S.

IPS . Начало

Начнём, пожалуй, с планшетов, а именно iPad. Как второй, так и третий iPad выполнены, по всей видимости, по одной из самых продвинутых технологий – IPS-Pro.

Микрофотографии дисплея Apple iPad 2

Apple iPad 2: слева — все пиксели работают, справа — экран выключен

Обратите внимание, что при выключенном экране продолжают светиться «уши» красного и синего пикселей, во время съёмки эти области мерцали, поэтому есть ненулевая вероятность того, что даже в выключенном состоянии на дисплеи подаётся пусть и совершенно небольшое, не влияющие на продолжительность жизни батарейки питание.

Размеры одного субпикселя (точнее, светящегося субпикселя) у iPad 2 составляют приблизительно 72 на 218 микрометров, а размер одного пикселя, соответственно, около 258 на 258 мкм, что вполне различимо человеческим глазом. Свет испускается примерно с 70% площади дисплея. Здесь и далее все цифры пригодны для расчёта плотности «упаковки» пикселей, а также для оценки доли светящейся площади поверхности экрана.

Apple iPad 3: в сравнении с iPad 2 чувствуется существенный прогресс в уменьшении размера пикселей и увеличении разрешения

Форма субпикселей у нового iPad практически ничем не отличается от оной в iPad 2, что свидетельствует об однотипной технологии исполнения. Впрочем, в матрице планшета третьего поколения ряды пикселей разнесены друг относительно друга. Размер субпикселя равен приблизительно 30 на 74 мкм, а всего пикселя – 132 на 132 мкм. Это в понятии «разрешение экрана» примерно соответствует его увеличению в четыре раза по сравнению с тем, что было в iPad 2. Собственно, более плотную упаковку тех же самых пикселей, выполненных по технологии IPS, маркетологи Apple и называют Retina Display. При этом важно помнить, что в iPad 3 около 35% матрицы вообще не излучает ни одного фотона. Кстати, если верить Интернету, то дисплеи для планшетов Apple поставляет корейская LG.

IPS . Продолжение

Если мы взглянем на дисплей Samsung Galaxy S+, то пиксели в данном устройстве расположены похожим на AS-IPS (см. иллюстрацию в первой части статьи) образом (при желании можно различить отдельные «полосочки» в субпикселе). Размер субпикселя составляет около 40 на 110 мкм, а всего пикселя – 143 на 143 мкм. Этот показатель почти такой же, как у iPad 3, при этом всего лишь пятая часть дисплея не используется по назначению.

Samsung Galaxy S+: вполне достойный конкурент iPad 3

Экран Retina iPhone 4

С выходом iPhone 4, а затем и iPad 3 только и слышно об экранах Retina, которые обладают необычайно маленьким размером субпикселя (около 30 на 72 мкм) и, соответственно, пикселя (около 108 на 108 мкм), что позволяет пользователям данных смартфонов наслаждаться сверхчётким и очень ярким (излучающая площадь занимает до 75% дисплея) изображением.

Apple iPhone 4: один из лучших по размеру пикселя

PenTile и AMOLED – жизнь и смерть органических светодиодов

Как ни странно, но в этом разделе действительно пойдёт разговор о жизни и смерти. Сначала о жизни. Samsung разработала и теперь активно продвигает в массы две технологии, зачастую совмещая их: AMOLED и PenTile. PenTile – это технология расположения субпикселей «оптимальным образом», которая, если не вдаваться в подробности восприятия, вкупе с системой рендеринга изображения позволяет получать яркие и чёткие картинки с хорошим сглаживанием и при этом экономить заряд батареи.

По всей видимости, основным поставщиком дисплеев для смартфонов Nokia является именно Samsung. Пример тому – недавно вышедший Nokia Lumia 800 с AMOLED дисплеем, выполненным по технологии PenTile. Размеры субпикселей сильно отличаются, так, красный – 64 на 46 мкм, зелёный – 95 на 15 мкм, синий – 95 на 49 мкм. Весь же пиксель имеет размер 268 на 138 мкм (или 2 пикселя на площадке 268 на 268 мкм), таким образом, формально пиксель имеет не квадратную, как во всех остальных технологиях, а прямоугольную форму (но система рендеринга это учитывает!). Общая излучающая поверхность составляет около 30%, чего, по мнению инженеров, при высокой яркости OLED должно хватить с лихвой.

Nokia Lumia 800: видимо, экраны закупаются у Samsung

Теперь немного о смерти OLED. OLED – это такая вещь в себе, что сложно представить себе, как она умирает и почему это происходит. Причин может быть много, но результат один – искажённая, причём очень сильно, цветопередача дисплея. Представьте себе, что все пиксели влияют друг на друга, так как от силы тока и напряжения зависит светимость субпикселей (для LCD-технологии светимость зависит исключительно от подсветки и рассеивающих элементов). Если выходит из строя один органический светодиод, то через остальные начинают протекать другие, непредусмотренные при разработке токи. Так, к примеру, зелёный и красный будут светить ярче при смерти синего, при этом на микроуровне не будет ровным счётом ничего необычного. Видимо, где-то в центре (от удара или перепада температуры, например) умер один или несколько пикселей и образовался неработающий ряд, который у краёв дисплея светит, но не в полную силу. В случае обычного LCD это привело бы к чёрной точке, в случае же OLED – к изменению цветопередачи всего дисплея.

Samsung Galaxy S: в центре целый ряд пикселей не работает

Samsung Galaxy S: пример смерти субпикселей, края ещё сопротивляются

Если сравнивать Samsung Galaxy S и Nokia Lumia, можно заметить, что в пределах погрешности размеры субпикселей (красный – 68 на 54 мкм, зелёный – 105 на 14 мкм, синий – 106 на 54 мкм) и пикселя (288 на 142 мкм) сходны. Излучающая площадь – около 30% от площади всей матрицы.

Для сравнения — ещё два дисплея, выполненные по технологии PenTile: Samsung Galaxy Note и Nexus S. В первом случае размеры субпикселей: красный 37 на 52 мкм, зелёный 12 на 85 мкм, синий 37 на 77 мкм, общий размер пикселя 123 на 240 мкм, при доле светоизлучающей поверхности всего лишь в 20%.

Samsung Galaxy Note — по идее, самый высокотехнологичный среди всех представленных AMOLED

Размеры субпикселей в случае Nexus S: красный — 30 на 45 мкм, зелёный 13 на 71 мкм, синий 30 на 70 мкм, общий размер пикселя 105 на 215 мкм, при доле светоизлучающей поверхности ~23%.

Nexus S: Samsung всё уменьшает и уменьшает размеры субпикселей в PenTile

В рассмотренном выше Galaxy S была применена технология PenTile, затем инженеры компании решили поэкспериментировать и установили в Galaxy S II дисплей, выполненный по технологии Real Stripe (аналогичный дисплей установлен, например, в смартфоне Optimus True HD LTE от LG). В результате качество картинки получилось отменным! Тонкие полоски субпикселей (ширина красного и зелёного около 14 мкм, а синего – 28 мкм) при длине в 135 мкм и излучающей площади в 30-35 процентов делают из этой матрицы достойного конкурента всяким PenTile и, в каком-то смысле, даже экранам Retina.

Samsung Galaxy S II: достойный конкурент технологии PenTile

Однако в новом Galaxy S III компания опять вернулась к PenTile-дисплеям, но с приставкой HD. Когда же именно маркетологи свернут мегаакцию «два по цене трех», покажет время.

HTC и Sony : особое мнение

Есть на свете такие компании, которые не распыляются на разработку и внедрение новых технологий, а пытаются по максимуму выжать последние соки из старых и хорошо себя зарекомендовавших. Например, HTC, которая гнёт линию в сторону экранов SuperLCD, и Sony, которая даже во флагманские модели устанавливает пусть и несколько модернизированные, но всё же обычные LCD-матрицы. Обе технологии – это классика LCD: один электрод внизу, другой сверху, а между ними жидкий кристалл…

HTC Desire HD: просто и со вкусом SuperLCD

Размеры субпикселя составляют 40 на 120 мкм, а всего пикселя 153 на 153 мкм, при этом светоизлучающая поверхность занимает 60-65% всей матрицы.

Что же касается Sony, то размеры субпикселей у Xperia S составляют: для красного и зелёного 25 на 100 мкм, для синего 40 на 100 мкм. Общий размер пикселя – 100 на 100 мкм, что на четверть меньше, чем у iPad 3 и даже iPhone 4! При этом свет испускается с 65% поверхности пикселя. Что-то не припоминаем, чтобы Sony восхваляла свою версию Retina как верх чёткости.

Sony Xperia S — по всей видимости, лидер гонки за чёткость!

Так ли хорош 3D?

Говорят, что HTC EVO 3D, выполненный по приевшейся SuperLCD-технологии, не имеет линз для создания 3D-изображения. Так как же это происходит? Очень просто – за счет дополнительного слоя поляризатора, который представляет собой ещё один «аквариум» жидких кристаллов, при этом размер «полосок» соответствует ширине пикселей. При включении 3D-режима этот слой позволяет одному глазу видеть одну картинку, а другому – другую (с чередованием через строку), а за счёт повышения яркости экрана нам кажется, что ничего не изменилось, кроме появления трёхмерности. Недостатком дисплея является то, что у него есть «слепые» зоны, то есть смартфон можно наклонить так по отношению к наблюдателю, что эффекта 3D последний не заметит. Данная модель, насколько известно, большой популярностью не пользуется, однако и Nokia, и Samsung разрабатывают свои планы по уничтожению остатков зрения гиков.

Возвращаясь к цифрам: размеры субпикселя данного дисплея сопоставимы с оными в Desire HD — 35 против 40 и 106 против 120 мкм.

HTC Evo 3D: трёхмерность-трёхмерность, не видим мы никакой трёхмерности, нас и 2D устраивает!

HTC Evo 3D: 3D mode is on

Причудливый мир сенсоров

Чаще всего ёмкостная сенсорная панель представляет собой сетку из тонкого и оттого практически прозрачного и не видимого глазом металла, обычно золота, меди или алюминия. Вот характерные примеры:

Apple iPad 2: толщина проводников составляет всего 42 мкм, при этом сторона квадрата около 1,3 мм

Apple iPhone 4: сенсор аналогичен тому, что используется в iPad 2 (42 мкм толщиной и 1,3 мм между «линиями»)

Samsung Galaxy S+: дела с «нанотехнологичностью» чуть хуже, чем у Apple (толщина около 50 мкм, сторона квадрата 1,3 мм)

А теперь три совершенно необычных сенсора:

Apple iPad 3: всё тоже самое, что и в iPad 2, но только волнисто!

Sony Xperia S (толщина чуть меньше 40 мкм): потрясающий и сложный сенсор — интересно, они его разработали специально для игр?!

Сенсор HTC Desire HD тоже не так прост, как остальные. Возможно, для Xperia S чувствительные слои поставляет тот же производитель...

Послесловие

Резюмировать всё вышесказанное хотелось бы в виде таблицы: