В 2005 году ожидается выпуск в массовое производство LCD телевизоров, использующих светодиоды в качестве источника для подсветки экрана. Если это новшество приживётся на практике, цветовая насыщенность (экспрессия) телевизионного изображения будет значительно повышена.
Как сказал работник фабрики по производству светодиодов (LED): «Один из инженеров фирмы по производству телевизоров жаловался на конкуренцию, которая лишила их компанию продвижения вперёд».
В ноябре 2004 японская корпорация Sony выпустила 40- и 46-ти дюймовые QUALIA 005 – первые телевизоры с жидкокристаллическим дисплеем, в которых для экранной подсветки используются красные, зелёные и синие светодиоды (RGB LEDs). Инженеры, задействованные в этой индустрии, бурно отреагировали на новинку. Как сказал один из производителей LCD панелей: «Sony скакнула далеко вперёд… Я до сих пор не могу поверить, что они смогли так скоро извлечь из этого прибыль!».
Fig1: Стандарты цветопередачи уже задействованы в производстве видео контента |
Светодиоды освещают (подсвечивают) LCD панель с тыльной стороны панели. Основными составляющими частями системы являются источник света и оптические компоненты (разделители или распространители). В LCD-телевизорах большого размера для таких целей используются флуоресцентные лампы с холодным катодом (CCFL), но сейчас Sony переключается на 3-х цветные (RGB) светодиоды.
По всей вероятности, ряд производителей LCD телевизоров, следуя примеру Sony, запустят в продажу модели с LED-подсветкой уже в 2005 году. Например, компания Samsung Electronics Co, Ltd of Korea заявила в Корейской прессе о запуске массового производства такого рода телевизоров в первой половине 2005 года. Многие производители активно собирают данные экспертиз в этой области, стремясь развивать технологию LED-подсветки настолько быстро насколько это возможно. Ключевая причина этого в том, что LED-подсветка способна улучшить многие (дополнительные) показатели LCD телевизоров.
Fig2: LED позволяет существенно улучшить цветопередачу |
Существует ряд причин применять RGB LED в качестве источника света для экранной подсветки. Возможность достигать уровней воспроизведения цвета с избытком удовлетворяющих всем стандартам NTSC, а также свободно регулировать экспрессию белого цвета.
Не только RGB LED предоставляет значительно более широкий спектр воспроизведения цвета по сравнению с обычной CCFL подсветкой. Отображения сложных для воспроизведения цветов можно достичь с помощью катодной лучевой трубки (CRT), плазменной панели (PDP) или электрон-излучающего дисплея с поверхностной проводимостью (SED). Ряд производителей LCD панелей соглашаются с тем, что во всём, что касается цвета, LCD технология обладает существенными преимуществами перед своими конкурентами, и ключевой причиной такого успеха является LED-подсветка.
Sony была первой компанией, которая решила извлечь прибыль из продукта, основанного на такой технологии. Принято считать, что эта фирма не относится к передовым на узком TV рынке, и поэтому многие обозреватели в этой индустрии считают, что выпуск и продвижение технологии LED-подсветки резко поднимет статус брэнда «Sony» на TV рынке. «Довольно легко себе представить, что Sony рассматривает эту LED-подсветку, как новый Trinitron»,- считают некоторые конструкторы LCD панелей.
Sony – не единственный производитель, рассматривающий цвет как ключевую точку в борьбе за тёплое место на TV рынке. До этих пор соперничество в области LCD телевизоров приводило к стремлениям увеличить яркость, чёткость и размер экрана и понизить цену. Но при этом производители не были бы против добавить новый соревновательный показатель к уже существующим. По сведениям из независимых источников фирма Samsung Electronics в последнее время активизировалась в наборе специалистов по цвету, что является доказательством их решимости налечь на цветовые показатели по полной программе. Развернувшаяся жестокая «битва за цвет» уже выходит на арену всеобщего внимания.
Наряду с деятельностью производителей TV, производители сопутствующего оборудования (периферийных компонентов), вовлечённые в сектор LED-подсветки, также проявляют интерес к новинке. Многие инженеры, работающие на производстве подсветки или светодиодов, согласны с мнением, что столь энергичное движение Sony вперёд непременно подстегнёт ход соревнования. Большинство фирм, выпускающих TV на LED подсветке, используют светодиоды компании Lumileds Lighting, LLC of the US. Преимуществом этой компании являются большой объём выпуска светодиодов и их доступность во всех трёх (RGB) цветах.
Соревнуясь, производители светодиодов естественно не сидят, сложа руки. Например, Toyoda Gosei Co, Ltd of Japan уже к 2005 году планирует выпустить подходящие для LED-подсветки светодиоды с высоким уровнем выходного сигнала всех трёх цветов. По словам главы отдела Оптоэлектроники и Интеллектуальной собственности Ота Коиши (Ota Koichi), «рынок LCD телевидения с LED подсветкой является бурно развивающимся, мы предполагаем сделать его одним из основных секторов нашего бизнеса». Showa Denko KK of Japan, производители чипов, лишь недавно открыли производство голубых светодиодов. Выпуск образцов начался в ноябре 2004 года. Лидер проекта и ответственный за сектор электроники Кацухиро Митани (Kazuhiro Mitani) пояснил: «В 2005 году мы планируем добавить зелёный светодиод к линейке выпускаемых продуктов, что позволит нам выпускать все три цвета»
Принятие LED-подсветки приведёт к выпуску TV-приёмников, способных на 100% соответствовать стандартам NTSC во всём, что касается (уровня) воспроизведения цвета. Если это случится, то сами стандарты могут измениться, так как телевизоры будут иметь более богатую цветовую палитру чем эталон (образец).
Стандарт сжатия видео MPEG, был создан с оглядкой на цветовую насыщенность CRT-телевизоров. Другими словами, он содержит стандартную RGB информацию о цвете, что соответствует 70% NTSC стандарта. Sony QUALIA 005 использует собственный алгоритм для преобразования видеосигналов телевещания и других источников, тем самым расширяя диапазон отображаемых цветов по сравнению с существующим RGB стандартом. Появление на рынке большого количества телевизоров с такими возможностями приведёт к желанию сделать диапазон цветов ещё шире.
Этот курс стремительно набирает обороты, что было доказано появлением нового цветового стандарта xvYCC, который в настоящее время обсуждается Японской Ассоциацией Индустрии Электроники и Информационных Технологий (JEITA). Планируется расширить цветовое пространство по сравнению с RGB-стандартом. Сравнение с Munsell Color Cascade, большой серией цветовых образцов (эталонов), показывает, что RGB-стандарты будут составлять всего лишь 55% от нового xvYCC-стандарта. В октябре 2004 JEITA предложила Международной Электротехнической Комиссии (IEC) xvYCC в качестве международного стандарта. Скорее всего, он будет принят не раньше 2006 года. Официальное одобрение нового стандарта фактически означает принятие нового эталона цветовой информации.
В настоящее время использование подсветки на RGB светодиодах является наиболее действенным способом расширить диапазон цветовоспроизведения, но не так уж просто использовать эту технологию эффективно.
Первым препятствием для инженеров в использовании светодиодов, является неравномерность (неустойчивость уровня) их яркости и цвета. По словам одного из изготовителей подсветки, колебания яркости у неё в ~5 раз больше чем у CCFL, а колебания цвета – в 5-7 раз. Один из инженеров, работающих над созданием подсветок, сказал: «Сперва я был шокирован, наблюдая за настройкой (регулировкой) и приведением в рабочее состояние прототипа светодиодов. Я думал, что эта технология никогда не будет пользоваться успехом». Компании Sony ещё предстоит приподнять завесу тайны над некоторыми техническими деталями, но уже известно, что в QUALIA 005 проблема решена с помощью процедуры строгого отбора светодиодов. Lumileds, фирма, которая снабжает Sony светодиодами, сообщила, что сейчас их продукция сталкивается с гораздо более жёсткими требованиями качества, чем ожидалось ранее.
Fig3: Трудности использования подсветки LED |
К несчастью, трудности, связанные с использованием светодиодов, не могут быть полностью решены с помощью строгого отбора и схожих мер. Существуют три основные задачи, которые надо решить фирмам, использующим светодиоды для TV:
При этом большинство инженеров сошлись во мнении, что первая проблема является наиболее сложной. Обычно неравномерность цвета вызвана тем, что используются три (RGB) светодиода. В отличие от устройства CCFL-телевизоров, в которых используется белый цвет в качестве изначального, в LCD-панелях для того чтобы получить однородный белый цвет, нужно прежде смешать три RGB цвета.
Одним из эффективных методов сгладить неравномерность цвета является увеличение расстояния между источником света (светодиодом) и освещаемой им LCD-панелью. Это способствует смешению RGB цветов. Некоторые производители используют двойной световод для увеличения длины пробега и отражающее устройство - для его завершения. Например, NEC-Mitsubishi Electric Visual Systems Corp (NM Visual) of Japan использует этот подход в своих LCD-мониторах для настольных издательских средств (DTP) и других промышленных приложений. Но в одиночку такой метод сглаживания не избавит изображение от неровностей отображения цвета. NEC LCD Technologies, Ltd of Japan, которые разработали подсветку для LCD монитора, показали, что для эффективного использования светодиодов также важны последовательность расположения светодиодов и пробелы между ними.
Решение проблем в ЖК-телевизоре Sony Qualia 005 |
При использовании в световоде эффективного метода повышения чистоты цвета, эффективность использования света падает в процессе распространения по (сквозь) световоду. Когда всё это делается для потребителя телевизионной продукции (телезрителя), в отличие от промышленных мониторов фирмы NM Visual, яркость должна быть как минимум 400-500 cd/m2, и как результат многие люди в этой индустрии приходят к выводу, что телеприемникам необходимо освещение светодиодами, расположенными непосредственно под LCD панелью, без использования световодов. Хироаки Сигуира (Hiroaki Sugiura), менеджер Imaging Color Group of Mitsubishi Electric Corp сказал: «Для телевизионной подсветки будет использоваться «прямые» светодиоды, так как они значительно облегчают задачу по увеличению яркости». Модель QUALIA 005 фирмы Sony относится как раз к этой группе.
Даже с «прямой» (direct) LED подсветкой однородность цвета не перестаёт быть (важной) проблемой. Обычно светодиоды тесно сгруппированы чтобы облегчить процесс смешения цветов. Но чем теснее друг к другу они находятся, тем больше становится концентрация источников тепла (эта ситуация требует сложных структур контроля теплового излучения). Если светодиоды будут отделены друг от друга небольшими промежутками, справляться с появляющимся теплом будет гораздо легче, но при этом неравномерность цветоображения станет ещё большей проблемой. В модели QUALIA 005 попытались достичь баланса между цветом и теплом располагая светодиоды тесно в горизонтальной плоскости, и разреженно – в вертикальной.
Толщина подсветок на «прямых» светодиодах составляет в среднем 50мм из-за необходимости обеспечить достаточную дистанцию между источником светового сигнала (светодиодом) и LCD-панелью в целях лучшего смешения цветов.
Одной из фирм, придающих особое значение ширине светодиода, является фирма Tama Fine Opto Co, Ltd of Japan, которая разработала светодиоды с диаметром 30мм. Это стало известно на FPD International (международная выставка плоскопанельных дисплеев) в октябре 2004. В соответствии с идеей разработчиков многочисленные ячейки с источников света (разработанные японской корпорацией Omron) располагаются на решётке. Свет от RGB-светодиодов в ячейке, толщина которой составляет всего лишь 6мм, отражается внутри самой же ячейки и уже смешанный в необходимой степени выходит из неё, тем самым давая возможность отчасти уменьшить расстояние до LCD панели.
В Tama Fine Opto убеждены, что размеры отражающих зеркал и ячейки с источником света могут быть уменьшены ещё больше. По словам главного менеджера отдела развития фирмы Митцухиро Сузуки (Mitsuhiro Suzuki), «Толщина прототипа – 30мм, но когда объём производства начнёт падать, мы рассчитываем снизить её до 25мм». Фирма также планирует работать над устранением межъячеечных пробелов, которые становятся видны из-за разницы между светом ячейки и яркостью.
Снижение (устранение) цветового сдвига является другой ключевой проблемой светодиодных подсветок. Для её решения, возможно, придётся применять температурные сенсоры и сенсоры цвета.
Цветовой сдвиг получается, когда три светодиода показывают разные эмиссионные характеристики из-за температурных и временных изменений (колебаний). Производители светодиодов отметили, что проблема сдвига эмиссионных характеристик светодиода далеко не тривиальна. Предполагается, что будет необходимо использовать сенсор, способный обнаруживать флуктуации светодиода и автоматически исправлять яркость каждого пикселя. Эта технология используется в LCD мониторах фирм Sony (QUALIA 005)и NM Visual.
Третья проблема - проблема снижения затрат энергии – может быть решена только за счёт улучшения конструкции самих светодиодов, никакие инновации в сопутствующем оборудовании уже не спасут. Это временная проблема, которая будет существовать до тех пор, пока эффективность светодиодного катода не достигнет достаточно высокого уровня. Эффективность катода CCFL составляет примерно 60lm/W, а эффективность светодиодного катода - 30lm/W. С помощью простой арифметики можно увидеть, что светодиодам надо вдвое увеличить свою мощность, чтобы достичь уровня яркости CCFL подсветки.
По всей видимости, необходимо ещё 2-3 года до того момента, когда LED подсветка достигнет уровня мощности CCFL. Компания Lumileds утверждает, что исследования в области внутренних квантовых эффектов и повышение эффективности цветоизвлечения разрешат основные технические проблемы в плане улучшения катода до уровня CCFL к 2006 или 2007 году.
