Local Dimming – doskonalenie wyświetlaczy LCD

Backlight, czyli podświetlenie w wyświetlaczach LCD, ma wpływ na szereg parametrów w końcowej aplikacji. Na rynku dostępne są dwa rodzaje backlightów: edge-lit oraz direct-lit. Na ich wydajność można dodatkowo wpływać poprzez stosowanie dynamicznego dostosowywania jasności w poszczególnych strefach ekranu, czyli technologii local dimming (a w niektórych przypadkach również opcji full-array). Z artykułu dowiesz się, jakie różnice, zalety i wady oferują współczesne technologie podświetlenia. 

Co to jest backlight? 

Próbując klasyfikować wyświetlacze LCD, możemy wyróżnić ich trzy rodzaje w zależności od sposobu, w jaki podświetlane są treści prezentowane na ekranie:  

• rozwiązania typu reflective – wyświetlacze, w których treści podświetlane są za pomocą światła z otoczenia, a efekt uzyskuje się z wykorzystaniem np. lusterka, które je odbija; znajdują zastosowanie m.in. w kalkulatorach;  
• rozwiązania typu transmissive – wyświetlacze, w których treści podświetlane są za pomocą światła emitowanego z backlightu;  
• rozwiązania typu transflective – wyświetlacze łączące obie technologie; wykorzystuje się w nich zarówno np. lusterka, jak i backlighty.  

Z perspektywy tematyki podejmowanej w artykule, interesują nas rozwiązania typu transmissive i transflective, bo to w nich stosowane są backlighty. To dodatkowa „warstwa” wyświetlacza LCD, której zadaniem jest emisja światła. Jest one niezbędne, aby na ekranie pojawił się obraz. Pierwotnie źródłem światła w backlightach były technologie w rodzaju CCFL, jednak zostały one całkiem wyparte przez skuteczniejsze diody LED.  

Rodzaje backlightów w wyświetlaczach LCD-TFT 

Co to jest edge-lit backlight (ELED)? 

W rozwiązaniach edge-lit (ELED) diody LED uszeregowane są w linii przy krawędzi wyświetlacza LCD. W przypadku aplikacji przemysłowych podświetlenie zwykle umieszczane jest przy dolnej krawędzi, niekiedy będąc wzmacniane dodatkowym pasem diod LED, np. przy górnej krawędzi. Rzadkim rozwiązaniem jest wypełnienie wszystkich czterech krawędzi.  

Co to jest direct-lit backlight (DLED)? 

W rozwiązaniach direct-lit (DLED) diody LED rozmieszczone są równomiernie na płaszczyźnie za panelem wyświetlacza LCD. Warto zaznaczyć, że nawet jedna dioda LED umieszczona bezpośrednio za panelem zamiast przy krawędzi, sprawia, że dane rozwiązanie zostaje uznane za typ direct-lit. Oczywiście producenci stosują więcej niż jedną diodę LED w backlightach, ponieważ ich liczba znacząco wpływa na czytelność prezentowanych informacji. 

Edge-lit vs direct-lit 

Tutaj trzeba uczciwie powiedzieć: „to zależy” – przede wszystkim od rodzaju aplikacji, do której dobierany jest wyświetlacz LCD. Obie technologie można porównywać pod względem różnic, które wynikają np. z liczby diod LED zastosowanych w konstrukcji backlightu. To m.in.: 

• zużycie energii – im mniej diod LED, tym niższe zużycie energii, tu przewagę mają rozwiązania edge-lit;  
• koszty produkcji – im więcej diod LED, tym wyższe koszty produkcji, co ponownie daje przewagę rozwiązaniom edge-lit;  
• jakość obrazu – im więcej diod LED, tym lepsza jednorodność podświetlenia, przekładająca się na lepszą jakość obrazu, w tym wyższą jasność i kontrast, jednocześnie niwelowane jest zjawisko występowania poświat wokół jasnych elementów prezentowanych na ciemnym tle; tu przodują rozwiązania direct-lit. 

W przypadku niektórych aplikacji, czynnikiem decydującym może być „kompaktowość” wyświetlacza LCD, a więc jego wymiary, w tym grubość. Tutaj koniecznością może być więc skorzystanie z wariantu z podświetleniem edge-lit, które – ze względu na konstrukcję – są cieńsze.   

W tabeli zestawiliśmy kluczowe różnice: 

Co to jest lightguide? 

W kontekście backlightów, warto również wspomnieć o lightguide’ach, które – w zależności od ułożenia diod – pozwalają na uzyskanie satysfakcjonującego poziomu jednorodności podświetlenia poprzez rozproszenie światła pochodzącego z poszczególnych diod LED. W tym celu stosuje się specjalnie zaprojektowany lightguide (LGP – light guide plate), czyli warstwę półprzezroczystego dyfuzora z tworzywa sztucznego (zwykle wykonanego z PMMA), która rozprasza światło poprzez serię nierównomiernie rozmieszczonych wypustek. Idea polega na tym, aby osiągnąć jak najbardziej równomierny rozkład jasności na całej powierzchni ekranu. 

Luminance uniformity, czyli jednorodność/liniowość podświetlenia 

Jednorodność/liniowość podświetlenia (luminance uniformity) to jeden z parametrów w specyfikacji technicznej wyświetlacza LCD. Mierzona jest poprzez określenie jasności kilku losowo wybranych punktów na ekranie. Na podstawie różnicy pomiędzy najjaśniejszym i najciemniejszym miejscem obliczana jest jednorodność podświetlenia wyrażana w procentach. Im bliżej 100%, tym większa jednorodność podświetlenia, czyli mniejsze różnice w jasności na całej powierzchni ekranu. 

Jak działa local dimming? 

Local dimming to technologia strefowego (definiowanego jako prostokąty, kolumny lub rzędy) dostosowywania podświetlenia ekranu polegająca na dynamicznej kontroli ilości światła w danej części wyświetlacza. Ciemniejsze fragmenty obrazu będą mniej doświetlone, a jaśniejsze będą odpowiednio rozjaśnione, co nie tylko poprawi kontrast, lecz również pozwoli uzyskać prawdziwą głębię czerni.  

Zdarzają się jednak sytuacje, w których local dimming może zniekształcać obraz. Dzieje się tak, gdy mamy do czynienia np. z małymi obiektami na jednorodnym tle. Dobrym przykładem są gwiazdy na nocnym niebie – mogą być gorzej widoczne na wyświetlaczu LCD z funkcją local dimming, ponieważ strefa otrzyma informację, że większość obrazu jest ciemna i zmniejszy ilość podświetlenia niezbędnego do rozświetlenia gwiazd. 

Local dimming można zastosować na różne sposoby zarówno w rozwiązaniach typu edge-lit, jak i direct-lit. Należy pamiętać, że korzystanie z technologii local dimming wiąże się m.in. z koniecznością dostosowania sterowania zarządzającego włączaniem i wyłączaniem poszczególnych diod LED (PWM – Pulse-Width Modulation – modulacja szerokości impulsów zasilania dla wybranych LEDów).  

Co to jest full-array local dimming (FALD)? 

Full-array local dimming to zaawansowane rozwinięcie możliwości podświetlenia direct-lit polegające na indywidualnym sterowaniu jasnością każdej z diod LED tworzących tego typu backlight. Umożliwia – dzięki osiąganemu kontrastowi, a także doskonałemu odwzorowaniu czerni i szarości – uzyskanie jeszcze lepszej jakości obrazu. Jest to jednak rozwiązanie kosztowne w produkcji i implementacji. Jego zastosowanie rekomendowane jest w aplikacjach, które wymagają największej precyzji i dynamiki w zakresie prezentowania obrazów. 

Podświetlenia a żywotność wyświetlaczy LCD 

Żywotność wyświetlacza LCD to – upraszczając – czas bezawaryjnego prezentowania treści na ekranie LCD. Producenci określają dla każdego modelu LCD parametr, który określany jest jako czas życia LED, czyli średni okres bezawaryjnej pracy LED-ów. Jest on wyrażany jako liczba godzin, po której następuje stopniowa degradacja diod LED (wówczas luminancja LED-ów określana jest na 50% w stosunku do pierwotnej wartości). Przy zastosowaniu podświetlenia dynamicznego (i nie musi być to wariant full-array), redukujemy zużycie diod LED. Dowiedz się więcej o żywotności wyświetlaczy LCD.  

OLED alternatywą dla full-array?   

Nad doborem optymalnego rodzaju podświetlenia nie trzeba zastanawiać się w przypadku wyświetlaczy OLED. Podstawowa różnica między tymi technologiami polega na tym, że w wyświetlaczach OLED każdy piksel emituje światło, natomiast w wyświetlaczach LCD z technologią full-array local dimming steruje się strefami podświetlenia. Oznacza to, że w przypadku rozwiązań OLED można uzyskać większy kontrast, głębsze kolory i czernie, a także zmniejszyć zużycie energii. Mimo tego, rozwiązania LCD wciąż będą atrakcyjniejsze pod względem kosztów produkcji.  

Finalny wybór: edge-lit vs direct-lit, a może wariant full-array? 

Przy wyborze odpowiedniej technologii podświetlenia należy kierować się oczekiwanym efektem, czyli kluczowymi parametrami urządzenia końcowego.  

Podsumowując, rodzaj podświetlenia wpływa na m.in.:  

• parametry optyczne, takie jak jasność, kontrast, gamę kolorów, w efekcie przykładając się na uzyskiwaną jakość obrazów (i czytelność prezentowanych treści),  
• pobór energii/energooszczędność, 
• żywotność wyświetlacza LCD,  
• cenę wyświetlacza LCD. 

Znając te zależności, projektant jest w stanie precyzyjnie dobrać rozwiązanie, tak aby jak najlepiej odpowiadało przeznaczeniu aplikacji. 

Jako przykład można podać jedne z najbardziej wymagających zastosowań wyświetlaczy LCD, czyli systemy digital signage. Powinny one zapewniać użytkownikom nie tylko ciągły dostęp do informacji, ale również najlepszy odbiór treści, także w ekstremalnych warunkach, takich jak np. w intensywnie nasłonecznione lokalizacje. To właśnie w takich aplikacjach możliwe będzie dostrzeżenie rzeczywistego potencjału, który drzemie w zaawansowanych wyświetlaczach LCD z np. zaimplementowaną technologią full-array local dimming – mimo niesprzyjających warunków, wciąż nie powinno sprawiać problemu odczytanie treści, które eksponowane są na ekranie.  

Sprawdź, jakie wyświetlacze LCD-TFT dostępne są w naszej ofercie.  

Jeśli masz wątpliwości, czy dany wyświetlacz LCD sprawdzi się w projektowanym urządzeniu, skontaktuj się z nami – chętnie pomożemy w doborze odpowiedniej technologii 🤓