Zaloguj
Widoczność treści wyświetlacza zależy od różnicy jasności wyświetlacza i światła otoczenia. Oświetlenie stosowane w pomieszczeniach nie jest tak intensywne, jak światło dzienne, dlatego jasność ekranów przeznaczonych do pracy wewnątrz budynków, np. ekranów komputerowych nie jest wysoka i zwykle mieści się w granicach 250...500 cd/m² (cd/m² – jednostka czasami określana jako nity). W aplikacjach wymagających prezentowania informacji lub treści reklamowej w przestrzeni publicznej na zewnątrz budynków, w naturalny sposób narażonej na światło słoneczne wymagane są wyświetlacze o wysokiej jasności, nawet do 2000 cd/m². Jeszcze bardziej wymagające są aplikacje przemysłowe i motoryzacyjne, które muszą odznaczać się wyższą jasnością i specjalnymi powłokami niwelującymi wszelkiego rodzaju odbicia, odblaski i refleksy na powierzchni ekranu.
Czytelność wyświetlacza w świetle słonecznym
Weźmy wyświetlacz o średniej jasności 400 cd/m² i współczynniku kontrastu równym 400, dla łatwego obliczania. Wystawiamy nasz wyświetlacz na zewnątrz, na światło słoneczne, gdzie możemy spodziewać się jasności ok. 10 000 cd. W takich warunkach światło z naszego wyświetlacza będzie nakładało się na światło odbite od wyświetlacza, jak pokazano na rysunku 1.
Możemy założyć ok. 4,5% odbicia, co oznacza, że powierzchnia wyświetlacza będzie odbijać 4,5% padającego światła. W tym przypadku będzie odbijał około 450 kandeli na całej powierzchni, zarówno na jasnych, jak i ciemnych fragmentach treści. Wtedy wartość współczynnika kontrastu wyznacza się w taki sposób:
Wartość 2 oznacza, że treść niemal nie będzie widoczna. Rozsądna czytelność zaczyna się od ok. 5 – to akceptowalny kontrast, przy 10 treść jest dobrze czytelna, a powyżej 20 obraz jest znakomity. Wystarczy, że zwiększymy jasność wyświetlacza do 1000 cd/m² i już mamy wynik ponad 3.
Wyświetlacze LCD typu sunlight readable
Zdecydowana większość wyświetlaczy bazuje na technologii LCD. Głównym komponentem jest wtedy matryca aktywnych pikseli TFT LCD, którymi można sterować tak, aby przepuszczały różną ilość światła w każdej barwie. Za matrycą znajduje się warstwa dyfuzora rozpraszającego równomiernie światło, a ostatnim elementem jest źródło podświetlania ekranu. Zatem jasność obrazu na ekranie LCD nie zależy od matrycy pikseli, ponieważ to nie ona jest źródłem światła.
Istnieją dwie podstawowe metody zwiększania jasności wyświetlacza LCD, a tym samym jego czytelności w bezpośrednim świetle słonecznym. Najprostszą metodą jest zwiększenie jasności podświetlenia. Ekrany LCD o jasności 800 cd/m² lub większej są uważane za wystarczająco widoczne w słońcu, jednak większość wyświetlaczy do takich aplikacji oferuje jasność co najmniej 1000 cd/m². Dlatego typowym zabiegiem mającym na celu dostosowanie panelu LCD do warunków zewnętrznych jest zwiększenie jasności podświetlenia.
Czytelność wyświetlacza LCD w bezpośrednim świetle słonecznym jest również silnie skorelowana z właściwościami odbijania światła przez ekran. Odblaskowa powierzchnia pogorszy czytelność nawet przy dużej jasności. Podobnie zadziała każda dodatkowa warstwa, np. szkło ochronne. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie techniki Optical Bonding.
Techniki podświetlania ekranów LCD
Podświetlanie ekranów LCD jeszcze do niedawna było realizowane głównie poprzez lampy fluorescencyjne z zimną katodą – CCFL. Jednak dynamiczny rozwój technologii LED doprowadził do zdominowania rynku przez podświetlenie tego typu. Zadecydowały o tym dwie ważne cechy. Pierwsza z nich to długi czas działania. Zwykle żywotność diod LED mierzy się z uwzględnieniem 70...80% spadku jasności w porównaniu do pierwotnych parametrów i może wahać się od 20 000 godzin do znacznie ponad 100 000 godzin.
Drugą kluczową cechą jest to, że elementy LED charakteryzują dużą efektywnością, niskim zużyciem energii i wytwarzają znacznie mniej ciepła niż inne rozwiązania. Dzięki temu wydłuża się żywotność i wydajność pozostałych podzespołów, możliwa jest redukcja wymiarów oraz poszerza się zakres zastosowań wyświetlaczy.
Edge LED
Podświetlenie LED można zrealizować jako podświetlenie krawędziowe, boczne (Edge LED), które składa się z rzędu diod LED przymocowanych najczęściej do jednej krawędzi ramy, ale możliwe jest też rozmieszczenie na całym obwodzie. Przykład takiego modułu został pokazany na fotografii 1.
Wytwarzane światło pada na tzw. płytkę światłowodową – LGP, która jest skutecznym i prostym sposobem na bardzo równomierne rozproszenie światła (fotografia 2) z niewielkim prawdopodobieństwem powstawania jasnych punktów.
Panele podświetlane krawędziowo były pierwszymi produkowanymi masowo. Odznaczają się niewielkimi wymiarami oraz relatywnie niskim poborem prądu. To pozwala na dużą elastyczność w projektowaniu i gwarantuje niższy koszt rozwiązania. Główną wadą bocznego podświetlenia jest jego niejednorodność – krawędzie oraz punkty umieszczenia diod LED mogą być widoczne, gdy spojrzymy na ekran pod określonym kątem. Na potrzeby podświetlenia krawędziowego powstały specjalne modele diod LED o smukłej budowie, a nawet przystosowane do montażu pionowego – fotografia 3.
Najlepsze LGP są wykonane z akrylu (PMMA), który ma bardzo wysoką przepuszczalność światła i nie żółknie z wiekiem. Nie są wymagane żadne soczewki, a konstrukcja z podświetleniem krawędziowym działa dobrze z wieloma różnymi wiązkami światła LED. Dodatkowo ciepło z elementów LED jest skutecznie rozpraszane przez metalową ramę, więc tył wyświetlacza może być wykonany z lekkiego materiału i nie nagrzewa się. W razie potrzeby można tu umieścić elektronikę sterującą. Chcąc obniżyć koszty paneli Edge LED, niektórzy producenci wprowadzili tańsze materiały i procesy montażu, które wpłynęły na ich jakość. Głównie dotyczyło to LGP – jeśli nie zostanie odpowiednio zabezpieczony przeciw promieniowaniu UV, to będzie stawał się coraz bardziej żółty wraz z upływem czasu, a panel stanie się matowy.
Array LED
Wprowadzenie podświetlenia rozmieszczonego na całej tylnej ściance ekranu wymagało pewnego postępu technicznego. Działania w tym kierunku nabrały tępa wraz ze zwiększaniem rozmiarów wyświetlaczy. Podświetlenie tablicowe (direct LED lub array LED) jest bardziej jednolite i pozwala uzyskać wielokrotnie większą jasność – fotografia 4.
Z drugiej strony tworzy konstrukcję o większej grubości i wymaga wydajnych diod LED. W zależności od przeznaczenia ekranu stosowane są wersje array LED lub Full array LED – rysunek 2.
Istotnym elementem są soczewki, które stały się tańsze w produkcji i można je pewnie przymocować do każdej diody LED w celu uzyskania równomiernego wypromieniowania światła. Przykłady specjalnych diod LED z soczewkami pokazano na fotografii 5.
Należy uważać na rozwiązania, gdzie zastosowano zbyt mało diod. Wtedy muszą one być zasilane wysokim prądem, aby wygenerowały wymaganą moc świetlną. Jest to mniej wydajne rozwiązanie w porównaniu z konstrukcjami zawierającymi więcej diod – diody LED działają najskuteczniej przy niskim prądzie zasilającym, a dodatkowo generują wtedy mniej ciepła i mają większą żywotność.
Kolejnym problemem są plastikowe korpusy tylne. Podświetlanie tablicowe powinno mieć metalową obudowę, ponieważ spełnia ona funkcję radiatora. Diody LED wytwarzają pewną ilość ciepła, które należy odprowadzić, aby ich żywotność nie uległa skróceniu.
Panele z podświetleniem krawędziowym zawierają LGP o dobrej przepuszczalności światła, lecz nie idealnej. W podświetlaniu tablicowym wystarczy tylko specjalny dyfuzor, zatem nie jest wymagane stosowanie kombinacji LGP + dyfuzor. W efekcie panele podświetlane od tyłu mają reputację bardziej wydajnych, ale też tańszych w produkcji. Porównanie obu konstrukcji zostało pokazane na rysunku 3.
Transflective LCD
Opisane wcześniej techniki są stosowane w wyświetlaczach transmisyjnych, czyli takich, które wymagają stale włączonego podświetlenia, aby były czytelne. Innym rozwiązaniem zapewniającym czytelność w bezpośrednim świetle słonecznym jest transfleksyjny wyświetlacz LCD, który jest wyposażony w podświetlanie, a dodatkowo przepuszcza i odbija światło otoczenia od tylnej ścianki panelu zwiększając w ten sposób poziom jasności wyświetlanej treści. Jednak transfleksyjny wyświetlacz LCD obniża szybkość transmisji i kontrast, ponieważ wymaga dodatkowych warstw optycznych oraz jest relatywnie kosztowny. Wyświetlacze tego typu mogą być stosowane w każdych warunkach oświetleniowych. Podświetlenie można wyłączyć tam, gdzie jest wystarczające oświetlenie zewnętrzne, oszczędzając energię. W ciemniejszym otoczeniu podświetlenie jest włączone, aby zapewnić czytelną treść – fotografia 6.
Istnieją również wyświetlacze korzystające wyłącznie ze światła otoczenia do oświetlania treści. Odblaskowe wyświetlacze LCD (reflective LCD) zawierają odbłyśnik połączony z tylnym polaryzatorem, który odbija światło padające na wyświetlacz. Taka konstrukcja sprawdza się w plenerze lub w dobrze oświetlonym środowisku biurowym i odznacza się wyjątkowo niskim zużyciem energii. Porównanie różnych technologii podświetlania pokazano na rysunku 4.
Optical bonding
Jeśli mamy wyświetlacz LCD montowany na zewnątrz, to potrzebujemy nie tylko warstwy antyrefleksyjnej, która zredukuje odblaski, ale także solidnego zabezpieczenia, które ochroni ekran przed wandalizmem i czynnikami środowiskowymi – wodą, kurzem i wszystkim, czego możemy spodziewać się na zewnątrz. Dokładamy więc dodatkową szybę. Czasami jest to tylko szkło, czasami jest to także odpowiedni panel dotykowy. Przy najprostszym montażu oddziela je niewielka przestrzeń powietrzna. Takie rozwiązanie jest oszczędne i łatwe w montażu, ale z optycznego punktu widzenia ma wiele wad. Jeśli dodatkowe szkło nie jest optycznie połączone z powierzchnią wyświetlacza i pomiędzy nimi mamy powietrze powstaje więcej płaszczyzn refleksyjnych. Przy każdym przejściu światła do ośrodka o innych właściwościach optycznych, część światła się odbija. Mamy zatem odbicia pomiędzy szkłem, panelem dotykowym, ekranem wyświetlacza i powietrzem. Zjawisko zostało zobrazowane na rysunku 5. Czasami może to być nawet 10% energii światła. Odnosząc się do naszych obliczeń z początkowej części artykułu – jeśli mamy współczynnik odbicia na poziomie 10%, to nawet przy zwiększeniu jasności do 2000 cd, otrzymamy współczynnik kontrastu na poziomie 3.
W wyświetlaczach typu sunlight readable stosuje się wiązania optyczne – optical bonding. Jeśli dodamy spajanie optyczne, czyli usuniemy powietrze z przestrzeni pomiędzy wyświetlaczem i szkłem osłonowym, a materiał spajający będzie będzie miał parametry dobrane do materiału szyby i wyświetlacza, to powstanie niemal jednolite środowisko optyczne. Wiązanie optyczne nie tylko redukuje współczynnik odbić, a także poprawia jasność wyświetlacza, ponieważ szczelina powietrzna powoduje odbicia światła z samego wyświetlacza. Jeśli mamy wiązanie optyczne, światło z podświetlenia przechodzi niezakłócone do powierzchni wyświetlacza i obraz będzie znacznie wyraźniejszy.
Optical Bonding jest zatem ważny, aby ekrany były czytelne w świetle słonecznym, ale także sprawia, że ekran jest bardziej wytrzymały fizycznie. Dodatkowa warstwa kleju amortyzuje wstrząsy, zapewniając wysoką trwałość, co jest szczególnie ważne w miejscach o dużym natężeniu użytkowania lub trudnych warunkach. Zapobiega również przedostawaniu się kurzu i cieczy pomiędzy warstwy.
Dodatkowe powłoki
Przednim elementem wyświetlacza przeważnie jest to szkło. Dodatkowa powłoka jest dodawana do szkła zwykle po to, aby zmniejszyć odbijanie światła. Typowy współczynnik odbicia szkła to ok. 4...5%. Jeśli dodamy powłokę AR, czyli powłokę antyrefleksyjną, możemy tę liczbę zmniejszyć do 1...2,5%, a więc daje to dużą różnicę w kontrastu.
Na rynku są dostępne różne powłoki nakładane na moduły, które mogą przysłużyć się użytkownikom urządzeń. Dość powszechnym rozwiązaniem są powłoki anti-glare (AG) i anti-reflective (AR). Redukują one odbicia świetlne docierające do ekranu, światło jest rozpraszane i dzięki temu eliminuje się występowanie efektu tzw. lustra. W wypadku urządzeń zlokalizowanych w przestrzeni publicznej, np. kiosków czy totemów, wskazane może być zastosowanie powłoki anti-shatter (AS), która przy uszkodzeniu ekranu, np. jego rozbiciu, zapobiega rozprzestrzenianiu się odłamków szkła. Istotne znaczenie może mieć także powłoka anti-microbial (AM), która redukuje ilość drobnoustrojów nanoszonych na powierzchnię ekranów przez użytkowników.
Podsumowanie
Dostosowanie parametrów obrazu do oświetlenia słonecznego to nie wszystko, należy również zabezpieczyć wyświetlacz przed uszkodzeniem – fotografia 7.
Światło słoneczne niesie promienie ultrafioletowe (UV), które może uszkodzić panel LCD, jeśli będzie wystawiony zbyt długo na działanie słońca. Właściwa folia ochronna UV ma kluczowe znaczenie dla trwałości wyświetlacza LCD w bezpośrednim świetle słonecznym. Podobnie światło podczerwone (IR) nie jest wskazane, ponieważ powoduje problem z przegrzaniem. Rozwiązania Anti-IR ograniczają działanie promieni IR ale również mają znaczenie w kwestii czytelności w świetle słonecznym. Problem wysokiej temperatury może być rozwiązany również poprzez zastosowanie specjalistycznych materiałów i technologii, takich jak matryce LCD-TFT hi-TNI.
Ich specjalna konstrukcja zapewnia ochronę ciekłych kryształów przed uszkodzeniem pod wpływem promieniowania słonecznego – rysunek 6.
Damian Sosnowski, EP
