Orbis pictus 21. století Tato prezentace byla vytvořena v rámci projektu

Orbis pictus 21. století Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Obrazovky a zobrazovače Obrazovky a zobrazovače (CRT, LCD, plasmové) – část b Obor:Elektrikář Ročník: 3. Vypracoval:Prof. Ing. Václav Říčný, CSc. OB21-OP-EL-ELZ-RIC-U-3-002

Monolitické zobrazovače - dělení  zobrazovače s kapalnými krystaly LCD (Liquid Crystal Display příp. LCoS (Liquid Crystal on Silicon)  plasmové zobrazovače  elektroluminiscenční zobrazovače,  zobrazovače SED (Surface Conduction Electron Emitter Display)  zobrazovače s maticemi diod LED  zobrazovače OLED (Organic LED) Společné pro všechny typy jsou plochý panel, za- nedbatelné geometrické zkreslení a neprokládané (progresivní) zobrazování. Elementární buňky - tzv. pixely (Picture Element) jsou uspořádány do řád- kových a sloupcových struktur se souřadnicově adresovatelným buzením. Na rozdíl od vakuových obrazovek se celý řádek obrazu zobrazuje najednou. Proto je potřeba, aby řídicí obvody obsahovaly paměť pro uchování vzorkovaného obrazového signálu v každém řádku, která je obvykle realizovaná pomocí kapacitorů MIS.

1 Zobrazovače s kapalnými krystaly LCD 1.1 LCD pasivním buzením (TN – Twist Nematic) Na vodorovně a svisle orientované průhledné páskové elektrody se připojuje postupně superpozice předpětí a obrazového signálu a budí v místě křížení jed- notlivé buňky s tekutými krystaly. Tím se natáčí jejich polarizace a po průchodu vstupními a výstupními polarizačními filtry se vzájemně kolmou polarizací i pro- šlý světelný tok. Mohou využívat vnější osvětlení pomocí zadní zrcadlové vrstvy nebo vnitřní zadní prosvětlení zdrojem bílého světla (výbojky). Vlastnosti Tyto zobrazovače dosahuji, vzhledem ke krátké době aktivace každé buňky, malý jas i kontrast a dlouhou dobu odezvy (až 300 ms). Pro TV aplikace se neužívá !! Pasivní buzení LCD s páskovou strukturou elektrod a) b) Princip průchodu světla panelem LCD a) buzení zapnuto - LCD světlo neprochází, b) buzení vypnuto - LCD světlo prochází

1.2 LCD s aktivním buzením TFT (Thin Film Tranzistors) Princip – řez částí struktury barevného zobrazovače LCD TFT 1 vstupní s výstupní skleněná desky 2,3 vstupní a výstupní polarizační filtry s polarizací otočenou o 90° 4 RGB barevný filtr 5,6 H a V spoje řízení TFT tranzistorů 7 vrstva polymeru 8 rozpěrky prostoru tekutých krystalů 9 tranzistory TFT 10 přední řídicí elektrody 11 zadní řídicí elektrody

Řízení zobrazovačů LCD s aktivním buzením TFT Buzení každé buňky se uskutečňuje p ř es tenké tranzistory TFT (tloušťka < 1 μm). Obrazový signál v řádku je vzorkován sig- nálem o kmitočtu f vz = M /t ař a je ukládán do řádkové paměti tvořené kapacitory MIS. Přes spínací tranzistory T 1, jejichž počet odpovídá počtu M bodů v řádku, se obra- zový signál přepíná na kolektory tranzis- torů T 2 (body X i ). Všechny tranzistory T 1 se spínají najednou v době t zř řádkového zpětného běhu. Tranzistory T 2 se spínají také společně v aktivní době t ař řádku a přivádí obrazový signál na jednotlivé buň- ky LCD. Celý řádek se zobrazuje najednou. Kapacitor C LC každé buňky po uzavření T 2 uchovává náboj, úměrný velikosti vzorku obrazového signálu, po celou dobu snímku - tedy 20 ms pro 50 Hz, 10 ms pro 100 Hz, případně 5 ms pro 200 Hz opakování snímků (tzv. refresh). Rychlejší opakování snímků se projevuje jasově klidným obrazem a věrnější reprodukci i velmi rychlého pohybu ve scéně.

Současné technologie LCD LCD zobrazovače se vyrábí v mnoha technologiích tekutých krystalů LC - - Liquid Crystal). K základním patří ● TN, STN- (Super) Twisted Nematic – molekuly LC v nematických krystalech v klidovém stavu (bez napětí na budících elektrodách) tvoří spirálu, která otáčí rovinu polarizovaného světla až o 90°. Polarizace světelného toku tedy souhlasí s polarizací výstupního polarizátoru a světlo prochází. Vlivem bu- dicího napětí se LC orientují ve směru procházejícího proudu, k polarizaci nedochází a světelný tok neprojde výstupním polarizátorem. Nejhorší technologie – malý kontrast - uzavření světelného toku je nedokonalé, dlouhá doba odezvy (přechodu z otevřeného do uzavřeného stavu). ● VA (Vertical Alignment) – molekuly LC jsou orientované vertikálně. Natáčí se jen o 45 ° pro dosažení kratší doby odezvy. Technologie umožňuje také dosažení vyššího kontrastu obrazu. Další zlepšení vlastnosti LCD zobrazovačů umožňují novější technologie MVA a IPS a) b) c) Struktury tekutých krystalů: a) smektická, b) nematická, c) cholesterická

● MVA (Multi-Domain VA) – molekuly LC jsou rozděleny do domén orientova- ných prostorově tak, aby došlo k optické kompenzaci. Firma Samsung má zlepšenou technologii PVA (Patterned VA). ● IPS (In Plane Switching) – velmi kvalitní technologie. Elektrody jsou umístěny spodní straně. Molekuly LC jsou v klidovém stavu orientovány souběžně s polarizátory a budicí elektrody TFT leží ve stejné rovině. Bez budicího napětí světelný tok neprochází. Po přiložení napětí se molekuly LC otáčí až o 90° a propouští tedy světlo s různou intenzitou. Tato technologie vykazuje lepší Tato technologie vykazuje lepší podání barev, větší kontrast, kratší dobu odezvy a pozorovací úhel až 178° Zlepšené verse: S - IPS (Super IPS), která je dnes nejrozšířenější a další verse ES - IPS (Enhanced S - IPS) AS - IPS (Advanced S - IPS) Principy technologií TN a IPS

Typické vlastnosti současných LCD zobrazovačů dobrá rozlišovací schopnost až 2, bodů s roztečí 0,1mm v obraze. Vyrábí se v rastrech (s tzv. nativním rozlišením) HD Ready (1366 x 768 bodů), Full HD (1920 x 1080 bodů). Současnou špičku v této oblasti představuje velkoplošný zobrazovač LCD firmy Samsung Electronic formátu 4k, označovaného také QUAD HD, který je odvozen z filmového formátu s vysokým rozlišením Digital Cinema 4k (4096 x 2160 bodů), dobré barevné podání, dostatečný jas (dle zdroje zadního prosvětlení až 600 cd/m 2 ), statický kontrast až 1000:1, pozorovací úhel až 175 ° (dle technologie LC), doba odezvy (přechod z černé na bílou a naopak) – dnes již kratší než 4 ms (tato doba je závislá na použité technologii tekutých krystalů). K základním nevýhodám zobrazovačů LCD patří relativně malý kontrast (LCD není primární zářič a buňku LC nelze dokonale uzavřít) a poměrně dlouhá doba odezvy, která se projevuje nedokonalou reprodukcí rychlého pohybu ve scéně. Tyto nevýhody výrobci eliminují jak vhodným hardware, tak i software při počítačovém zpracování videosignálů před zobrazením.

Metody pro zlepšení parametrů LCD zobrazovačů Zvýšení kontrastu a) Zadní prosvětlovací zdroj levnějších LCD tvoří soustava několika výbojek CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) generujících přibližně bílé a rovnoměrně rozptýlené světlo. Kontrast lze zvýšit řízenou změnou jejich jasu v závislosti na okamžitých jasových poměrech v obraze. Lepší, ale také dražší, je jeho náhrada řízenou maticí diod LED, jejichž osvětlení se mění místně i časově dle okamžité jasové distribuce v obraze. Z důvodů úspory příkonu někteří výrobci umisťují prosvětlovací řízené LED pouze kolem panelu LCD (tzv. LED Edge) a rovnoměrné zadní prosvětlení je zajišťováno opticky. b) Kromě zmíněných hardware technologií existuje také softwarové řešení – tzv. dynamická regulace kontrastu. Video-procesor on-line analyzuje jasovou distribuci jednotlivých bodů (pixelů) v obraze a seřadí je do několika skupin odstínu šedi. Podle tohoto rozložení se vytvoří korekční nelineární funkce, která změní původní jasová úroveň pixelů tak, že světlejší body tmavého obrazu se posunou směrem k bílé a naopak tmavší body světlého obrazu směrem k černé). Takto lze také dosáhnout zvýšení kontrastu. Výrobci proto uvádějí rovněž tak zvaný dynamický kontrast, který bývá až o řád vyšší než statický kontrast.

Zlepšení dynamiky reprodukce obrazu v LCD a) Zkvalitnění reprodukce rychlých změn scény lze dosáhnout jednak zkráce- ním doby odezvy LC – tedy vhodnou technologií (např. IPS,ES-IPS, AS-IPS). b) Použitím rychlejšího obnovování obsahu LC buněk (100 Hz, 200 Hz techno- logie). Ty snižují i kolísání jasu obrazu ve velkých plochách Poznámka: Kvalitu obrazu významně ovlivňuje zobrazovací video-procesor. V něm se, kromě řady jiných funkcí (např. změny stranového formátu obrazu funkcí ZOOM) uskutečňuje především přepočet rozlišení vstupního obrazu (zatím častěji nižší) na nativní rozlišení zobrazovače i převod prokládaného řádkování obrazu na kvalitnější neprokládané. Přitom procesor musí uskuteč- ňovat v reálném čase velmi složité a výpočetně náročné matematické operace související s generováním nových obrazových bodů (příp. celých snímků u 100/200 Hz technologií), které nejsou v původním obraze vůbec obsaženy. Videoprocesor i odpovídající software, významně ovlivňují také reprodukce pohybu v obraze. K nejkvalitnějším patří např. systémy MOVIE PLUS, V-real, Perfect Pixel HD-Engine, Clear LCD, Mo- tión Picture. Struktura těchto procesorů a použitých algoritmů představují přísně chráněné know-how renomovaných výrobců

Technologie LCoS (Liguid Crystal on Silicion) se používá především v projekčních systémech. Tyto čipy osvětlované zpředu zepředu obsahují jediný vstupní polarizátor, kterým světlo prochází dvakrát po odrazu od zrcadlově lesklých hliníkových elektrod. Každá elektroda ovládá po- tenciál a tedy polarizaci jednoho obrazového bodu. Řídící elektronika je umís- těna v čipu LCOS za odraznou plochou a k projekci lze tudíž využít téměř celou jeho plochu. Princip čipu LCoS Princip projekčního systému využívajícího technologie LCoS – užívá se např. v projekčních televizorech

Děkuji Vám za pozornost Václav Říčný Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Střední průmyslová škola Uherský Brod, 2010