Zobrazovače a jejich technologie

Skládání barev (RGB)

Aditivní model

• používá se u monitorů a skenerů

• základem je černé pozadí na němž se skládají ostatní barvy

• všechny barvy mohou vzniknout složením tří základních barev: červené, zelené a modré (Red, Green, Blue = RGB model)

• složením všech barev vzniká bílá

• odstíny všech barev vzniknou různou intenzitou základních složek

Skládání jednotlivých barev je znázorněno na obrázku.

Důležitá věc, která se Vám bude hodit v jiným předmětech než je periferní zařízení je základní znalost některých konkrétních barev například v dekadickém kódu.

Ukázka jednotlivých kódů barev v hexadecimální a dekadické soustavě.

CRT displej

Cathode Ray Tube (Obrazovka s katodovým paprskem). 

Na obrázku je ukázka CRT monitoru velikosti 15" palců a 19" palců.

• v hrdle elektronky jsou tři elektronové trysky, každá pro jednu barevnou složku obrazu (barevný bod jakékoliv barvy vznikne složením světla tří různých vlnových délek)

• mezi stínítkem a elektronovou tryskou se nachází několik dalších elektrod, které pomocí vhodných průběhů napětí elektronový paprsek ostří tak, aby na stínítko dopadl pouze v jediném bodu

Obrázek zachycuje vyobrazení složení CRT monitoru spolu s jeho popisem [22].

• vychylování paprsku tak, aby osvítil body na celém stínítku je provedeno pomocí vychylovacích cívek (horizontální a vertikální)

• těsně před stínítkem se nachází maska, ta má za úkol propustit jen ty elektrony, které míří přesně na daný obrazový bod, zlepšuje se tak ostrost obrazu

• na stínítku jsou naneseny luminofory tří barev. Dopadne-li na vrstvičku luminoforu elektron, vyvolá světelné záření o vlnové délce, která závisí na chemickém složení luminoforu, barvy jsou červená, zelená a modrá

• při emisi světla vzniká i škodlivé rentgenové záření, které se odstiňuje pomocí tlustého čelního skla s příměsí olova

Antiodrazová vrstva

• vznikla z důvodu minimalizace odraženého světla od skla monitoru

• využívá se jevu interference světla

• část světla jedné vlnové délky se nechá antireflexní vrstvou projít, část se odrazí

• světlo, které prošlo, se odrazí na dalším povrchu

• protiodrazových vrstev je několik proto, aby se vyrušilo co nejvíce vlnových délek

• ostrost obrazu

• podání barev

• možnost vysokého jasu, kontrastu

• malá doba odezvy

• dobré pozorovací úhly

• spolehlivé

Nevýhody:

• velké rozměry, hmotnost

• spotřeba elektrické energie

• ovlivnitelnost vnějším magnetickým polem

• vyzařování elektromagnetického záření (škodlivé)

• po několik letech je obraz vysvícený

• vyšší riziko poškození zraku než u klasických LCD panelů

[22] BAAS, Erik. Wikipedie [online]. 8.5.2008 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9b/CRT_color_enhanced.png

Licence - CC BY-SA 3.0

LCD displej

Liquid Crystal Display (Displej z kapalných krystalů).

Ukázka LCD monitoru 32".

• LCD panely využívají technologii kapalných krystalů, objevenou již v roce 1888.

• kapalné krystaly jsou schopny stáčet polarizační rovinu světla, takže umístěné mezi dva polarizační filtry mohou světlo buď propustit, nebo odrazit

• kapalné krystaly se vyskytují ve třech strukturách: smektické, nematické a cholesterické, pro výrobu LCD displejů se využívá nematické struktury

• elektrody se vyrábějí napařováním průhledného vodivého materiálu, jeho tvar je naprosto libovolný, takže je možno vytvořit jak čtvercový bod v matici, segment digitálního čísla, tak i například postavičku v digitální hře

• bez přiloženého napětí stáčí kapalné krystaly polarizační rovinu světla, které druhým polarizačním filtrem (otočeným o 90°) projde

• po přiložení napětí na elektrody (minimálně asi 5V) se struktura srovná tak, že procházející světlo přestane stáčet a to druhým filtrem neprojde

• technologie kapalných krystalů neprodukuje žádné světlo

• při zobrazení barev je nutno (stejně jako u klasické obrazovky) vytvořit světlo tří základních barev, ze kterých se pak každý obrazový bod skládá, k tomu se využívají barevné filtry

• technologie DTN (Dual Twisted Nematic) a DSTN (Dual Super Twisted Nematic)

• pro adresaci jednotlivých buněk se využívala matice vodivých linií, kde se v místě křížení vyvolalo elektrické pole, které narovnalo strukturu kapalných krystalů

• toto vedlo k nepřesnosti a hlavně pomalosti reakce krystalů na napětí a tak tyto displeje měly rozmazaný obraz, velkou dobu odezvy (projevuje se v rozmazání pohybujících se objektů) a nízký kontrast

• používali se hlavně v noteboocích a ještě dnes se mohou objevit u levných mobilních telefonů

• technologie TFT (Thin Film Transistor)

• k řízení obrazového bodu se používá malý, napařený tranzistor, který řídí otevření nebo zavření jednotlivé buňky. U barevných panelů je pro každou barvu určen vlastní tranzistor.

• výhodou je, že tranzistor si dokáže pamatovat svůj předchozí stav a není tedy nutno neustále obnovovat svit jednotlivých bodů. Odpadá zde blikání, které při nižších obnovovacích frekvencích může u klasických monitorů způsobit únavu očí nebo bolesti hlavy

• při nejmenším rozlišení 640×480 bodů je třeba vyrobit 640*480*3=921600 tranzistorů. Při dnes běžném rozlišení 1280×1024 jsou to již 4 milióny tranzistorů

• to představuje velkou náročnost a složitost výroby. Teprve v poslední době se podařilo zmenšit počet špatných tranzistorů a snížit cenu displejů

LED LCD

Označení LED displej nebo TV není přesnou formulací této technologie. Ve skutečnosti se jedná o LED LCD monitory, toto označení především zdůrazňuje druh podsvícení za pomocí LED diod LCD displeje. LED diody neslouží k vytváření obrazu, ale k podsvícení LCD panelu! V současné době existují 3 technologie podsvícení LED.

Technologie EDGE a DIRECT:

Na obrázku můžete vidět rozdíly v podsvícení LED displeje, vlevo EDGE (vznikají při černé barvě barevné podsvity na obrazovce).

• RGB LED – maticové rozmístění diod na ploše za panelem

• červené, modré a dvě zelené LED diody

• Pro docílení skutečnější černé barvy využívá „local dimming“

• Direct LED – stejné jak RGB10 LED, pouze poskytuje bílé diody

• Edge LED – diody rozmístěny po obvodu panelu

• pomocí světlo vodivé desky světlo z diod rozptýleno po celém panelu.

• nelze použít „local dimming“

Local dimming:

• funkce lokálního stmívání jedné nebo malé skupiny LED diod.

• umožňuje ztlumení jednotlivých LED diod u technologií RGB LED a Direct LED

• dosažení skutečnějších tmavých barev (černá, šedá)

IPS technologie

Technologie IPS řeší problematiku pozorovacího úhlu, kde nedochází při bočním pozorování monitoru k zkreslení obrazu a barev. Umožňuje pozorovací úhel až 178°. IPS technologie neslouží pouze jako pozorovací úhel, ale drží zároveň kvalitu a sytost barev a navíc monitor, který má integrovanou IPS technologii má nižší spotřebu oproti běžným LCD TFT panelům. 

Výhody:

• úspora energie (větší účinnost)

• větší jas a kontrast (dosažení skutečné černé barvy)

• rychlejší odezva

• větší životnost

• možnost vyrobit tenké a lehké panely

Nevýhody:

• žádné?

Problémy LCD technologie

Pixelové vady

• pokud dojde ke zničení některého tranzistoru (jeho elektrické proražení nebo přerušení), není žádný způsob jak ovládat daný obrazový bod (nebo spíše jeho jednu barevnou složku)

• výsledek je takový, že při tmavé scéně bude v jednom místě neustále svítit například modrý bod

• u dříve kupovaných panelů se mohlo stát, že i nový panel měl několik vadných pixelů, dnes je ale technologie tak vyspělá, že by se to stávat nemělo

• na výrobci záleží, zda uzná reklamaci takovéto vady. Někteří vyměňují panel při pouhém jednom špatném bodu, někteří až od pěti apod. někdy také záleží na tom, kde se problém nachází (je-li to u středu nebo na kraji)

Doba odezvy

• každému bodu chvíli trvá než přejde z jednoho stavu do druhého

• průměrná doba mezi přechody z bílé na černou a z černé na bílou se označuje jako doba odezvy

• pokud je větší než 35ms, tak za pohybujícími se objekty je vidět jejich stopa (to vadí hlavně při scrollování dokumentu, sledování filmů nebo při hraní počítačových her)

• dnešní panely mají dobu odezvy pod 1-2ms

Pozorovací úhly

• díky své polarizační charakteristice dochází při pohledu na plochu panelu z boku (mimo rozsah stanovený pozorovacími úhly) k ztrátě jasu doprovázené zkreslením barev (v extrémním případě se obraz obrací až do negativu)

• tento jev je více zřetelný v případě levných panelů DSTN (ty se dnes už nepoužívají).

• při zdokonalení technologie se pozorovací úhly zvětšily až na 160° horizontálně i vertikálně (uvádí se většinou součet úhlů na obrázku)

• u některých aplikací nízké pozorovací úhly nevadí a záměrně se dále snižují. Mohou to být displeje v bankách, nebo na bankomatech.

Extrapolace nižších rozlišení

• každý panel má udané nativní rozlišení (fyzický počet obrazových bodů na panelu)

• při zobrazení v nižším rozlišení je nutno přepočítat buňky tak, aby několik buněk vedle sebe zobrazovalo jediný obrazový bod

• může zde dojít k rozmazání nebo ztrátě informace z některých bodů

Plazmový displej

Původně měly být nástupci displejů LCD, využívající jevu emise fotonu při přechodu elektronu z vyšší energetické hladiny na nižší. Bohužel díky jejich pořizovací ceně a spotřebě se tomu tak nestalo a běží souběžně s LCD displeji.

Atom eliminující světlo

Eliminace atomu světla [1].

Nevýhody plazmových displejů:

• větší spotřeba elektrické energie

• vypalování luminoforů tj. delší zobrazení statického obrazu vypaluje světlejší části do stínítka monitoru

OLED displej

Organic Light Emitting Diode (Organická světlo vyzařující dioda). Světlo je zde vyzařováno organickým materiálem mezi průhlednou a kovovou elektrodou.

Ukázka dnešních OLED displejů, displej není problém ohýbat do určitých úhlů [23].

Schematický znázornění principu diody v OLED displeji. 

Princip funkce pixelu OLED displeje [1].

• každý bod svítí vlastním světlem - mají větší kontrast než LCD

• nepotřebují žádné dodatečné podsvícení

• díky tomu mají ještě menší spotřebu než LCD, což je výhoda hlavně u notebooků a přenosných zařízeních

• je zde možnost natisknutí organické vrstvy na pružný podklad, což přináší možnost vyrobit svinutelný displej

• v současnosti se OLED displeje začínají objevovat na prvních fotoaparátech, brzy se také začnou objevovat na mobilních telefonech

• většímu rozšíření technologie zatím brání nízká životnost, která je však neustále prodlužována

• problémem je zatím také velká citlivost na vlhkost a oxidaci

[1] - BUCHA, Pavel. Nové komponenty e-kurzu pro předmět Periferní zařízení : bakalářská práce. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta pedagogická, 2015, 68 l., 2 l. příl., Vedoucí bakalářské práce: Ing. Petr Michalík, Ph.D.

[23] MOLDAR. Wikipedie [online]. 24.9.2009 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f2/OLED_EarlyProduct.JPG

Licence - CC BY-SA 3.0

3D LCD displej

3D zobrazení bohužel nelze zobrazit na počítači jako obrázek, je nutné ho pozorovat vlastníma očima.

 Ukázka japonské 3D televize od společnosti LG [24].

• pro dosažení 3D efektu je nutné zajistit pro každé oko jiný obraz (v mozku se pak složí jako prostorový obraz)

• jedna možnost je umístit před každé oko vlastní malý displej

• jeho výroba by vzhledem k malým rozměrům byla ale velice složitá

• další možnost je zobrazení obrazů pro levé a pravé oko (lichý snímek pro levé oko, sudý pro pravé)

• speciální brýle pak zatemňují to oko, pro které není obraz určen

• obnovovací frekvence se ale zmenší na polovinu, což způsobí blikání obrazu

• nejnovější způsob je klasický 2D LCD monitor, který je schopen zobrazit 3D obraz

• obsahuje navíc jednu vrstvu, která je ve 2D režimu průhledná, ale ve 3D zastíní podsvícení některých sloupců

• umístění paralaxní bariéry je vypočítáno tak, aby levé oko vidělo jen liché sloupce a pravé jen sudé sloupce (každé oko tak může dostat jiný obraz)

• paralaxa je jev, kdy na vzdálenějším pozadí vidíme blízký předmět na různých mistech podle toho, odkud se díváme

• vše funguje jen za podmínky, že oči jsou umístěné v blízkosti osy monitoru

• pokud se oči vodorovně přemístí, neprůhledné sloupce zakryjí špatné sloupce a 3D obraz se ztratí (při vertikálním pohybu vše funguje normálně)

• paralaxní bariéra je zde znázorněna před obrazem, v opačném případě by obrázek byl nepřehledný

      Vyobrazení principu užívání 3D aktivních brýlí.                      Zobrazení efektu vnímání 3D pasivních brýlí.

Princip 3D aktivních brýlí

Díky možnosti snímání vysokého rozlišení a zároveň velmi vysoké vysílací frekvence se obraz pro každé oko střídá tak rychle, že jej oko nezaznamenává a objekt se mu tedy střídáním ze strany na stranu zdá jako opravdivý. Střídavý obraz je způsobený pravidelným zatemňováním oka (pomocí aktivních brýlí - aktivní potřebují baterií - přísun elektrické energie.)

3D aktivní brýle. Vlevo nahoře je zapínací tlačítko. Brýle se po zapnut musí párovat s televizí.

Princip 3D pasivních brýlí

Pasivní technologie zvládne pouze poloviční rozlišení oproti aktivnímu snímání. Brýle nepotřebují žádnou baterií, jsou tedy nezávislé na elektrické energií a mají obarvená skla na modré a červené. Stejně tak televize vysílá zdvojený obraz pro červenou a modrou barvu, kde v centu mozku dochází ke vnímání a obraz se zobrazí jako 3D.

[24] PURAMYUN31. Wikipedie [online]. 2.1.2012 [cit. 1.4.2017]. Dostupný na WWW: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3c/LG%EC%A0%84%EC%9E%90%2C_%EA%B9%9C%EB%B9%A1%EC%9E%84_%EC%97%86%EB%8A%94_55%EC%9D%B8%EC%B9%98_3D_OLED_TV_%EA%B3%B5%EA%B0%9C%282%29.jpg/1200px-LG%EC%A0%84%EC%9E%90%2C_%EA%B9%9C%EB%B9%A1%EC%9E%84_%EC%97%86%EB%8A%94_55%EC%9D%B8%EC%B9%98_3D_OLED_TV_%EA%B3%B5%EA%B0%9C%282%29.jpg

Licence - CC BY-SA 2.0