Жидкие кристаллы были открыты, не много, не мало — в 1888 году. «Жидкокристаллическое» — это такое переходное состояние вещества, при котором оно приобретает текучесть, но не теряет кристаллическую структуру. Наибольший практический интерес, представляют оптические свойства жидких кристаллов, так как благодаря сочетанию полужидкого состояния и кристаллической структуры легко меняют способность пропускать свет.
Но при всем этом практическое применение ЖК нашли только 30-40 лет назад. А еще, каких-то лет 15 назад, и не предполагали, что ЖК-экраны (или LCD — Liquid Crystal Display) смогут вытеснить кинескопы. Качество ЖК было низким, а цена слишком высокой.
Так повелось, что первым массовым продуктом с использованием жидких кристаллов стали электронные часы. Монохромный дисплей состоял, из отдельных полей, заполненных жидкими кристаллами. При подаче напряжения, кристаллы упорядочивались, нужные поля препятствуют прохождению света и выглядели черными на светлом фоне. Цветные дисплеи появились, когда размеры ячейки удалось значительно уменьшить и снабдить каждую цветным фильтром.
В ЖК-экранах слой жидкокристаллического вещества «зажат» между двумя направляющими поляризационными пленками с мельчайшими засечками, по направлению которых и выстраиваются кристаллы. Можно сказать, что в основе работы ЖК-панели стоит поляризация света. На пути светового потока эти две пленки имеют перпендикулярное направление поляризации друг к другу. То есть суммарно эти две пленки задерживают весь свет. Расположенные между пленками жидкие кристаллы разворачивают часть потока, поляризованного первой пленкой, и таким образом регулируют свечение экрана. Изменить направление ориентации кристаллов можно, например, с помощью электрического импульса. В современных матрицах каждая ячейка имеет собственный транзистор, резистор и конденсатор. Собственно в цветных матрицах каждый пиксель представляет собой три ячейки: красную, зеленую и синюю.
Типы матриц:
Матрица – старушка TN
Самый старый тип матриц из тех, которые сейчас применяются, это TN. Расшифровывается это как Twisted Nematic, а представляет собой нематические жидкокристаллические субстанции, которые состоят из продолговатых кристаллов с пространственной ориентацией без жесткой структуры. Такое вещество легко поддается внешним воздействиям. В матрицах TN кристаллы выстроены параллельно плоскости экрана, а верхний и нижний слой кристаллов повернуты перпендикулярно относительно друг друга. Все остальные «скручены» по спирали. Таким образом, весь пропущенный свет так же скручивается и беспрепятственно проходит через внешнюю поляризующую пленку. Так что в выключенном состоянии ячейка TN матрицы светится, а при подаче напряжения кристаллы постепенно проворачиваются. Чем выше напряжение, тем больше кристаллов разворачивается, и тем меньше проходит света. Как только все кристаллы развернутся параллельно световому потоку, ячейка закрывается. Но для TN матриц добиться идеально черного цвета очень трудно.
Главная проблема TN матриц в несогласованности поворота кристаллов: одни уже развернуты полностью, другие только начали поворачиваться. Из-за этого происходит рассеивание светового потока и, в конечном счете, картинка под разными углами выглядит не одинаково. Горизонтальные углы обзора современных матриц можно считать приемлемыми, но при повороте по вертикали даже в небольших пределах, искажения существенные. Цветопередача матриц TN далека от идеальной, они в принципе не могут выводить полную палитру цветов. Компенсирую недостаток оттенков с помощью хитрых алгоритмов. Эти алгоритмы с частотой не заметной глазу, воспроизводят в ячейке попеременно оттенки, ближайшие к тому, который воспроизвести не удается. Из преимуществ — технология TN обеспечивает максимальную скорость срабатывания ячейки, минимальное энергопотребление и максимально дешева. Эти два обстоятельства и делают самую старую технологию самой популярной и самой распространенной.
TN+Film-матрицы
Для некоторого улучшения TN-матрицы на ранних этапах своего развития получившие приставку Film, и саму дополнительную пленку для улучшения углов обзора. В настоящий момент все матрицы этого типа имеют такую пленку, то отдельное упоминание о ней давно уже перестало быть обязательным, а потому, говоря о современных матрицах, TN подразумевают TNF.
Второе дыхание к технологии TNF пришло с появлением матриц с временем отклика 16 мс. На тот момент это были единственные матрицы, для которых можно было указать такое время отклика.
К сожалению, на практике, время отклика отнюдь не является показателем качества. Во-первых, время отклика 16 мс для новых матриц было достигнуто за счет трюка, возможного благодаря методике измерения времени отклика, когда оно измеряется только на переключении матрицы с черного на белый и обратно…
Впрочем, и их господство продлится недолго, появились модели с временем отклика 4 — 12 мс во всем диапазоне оттенков.
Контрастность TNF-матриц также оставляет желать лучшего. Несмотря на то, что большинство производителей заявляют контрастность порядка 500:1, реальная контрастность таких матриц редко достигает даже 300:1, и лишь немногим экземплярам мониторов удается добраться до 400:1. На практике это означает, что получить на мониторе с TNF-матрицей качественный черный цвет практически невозможно, а уж в полутемной комнате (например, при просмотре фильмов) черный фон на экране будет отчетливо подсвечиваться.
Электрофотографияи IPS-матрица.
Второй по времени разработки стала технология IPS — In Plane Switch. Как следует из названия технологии, все кристаллы расположены постоянно параллельно плоскости панели и поворачиваются одновременно. Для этого пришлось расположить на нижней стороне каждой ячейки по два электрода. В выключенном состоянии ячейка черная, так что если она умерла, на экране будет черная точка, не постоянно светящаяся, как у TNF. В активном состоянии панель пропускает свет, а в пассивном – нет.
Технология IPS была разработана компанией Hitachi в 1996 году именно для устранения двух проблем TNF-матриц – маленьких углов обзора и низкого качества цветопередачи. Но и существенных недостатков большее, чем у TNF. Главные из них — отстающее время отклика, более заметная пиксельная сетка.
Дальнейшие улучшение матриц: S-IPS и SA-SFT, обеспечило приемлемое время отклика на уровне 16-25 мс. А благодаря хорошей цветопередаче и углам обзора IPS матрицы стали стандартом для графических профессиональных мониторов. По качеству цветопередачи S-IPS матрицы фактически не оставляют шансов другим жидкокристаллическим технологиям – только они демонстрируют настолько приятные и мягкие цвета, очень естественные и близкие к качественным ЭЛТ-мониторам. Благодаря этому все без исключения ЖК-мониторы для профессиональной работы с цветом со встроенными средствами пользовательской аппаратной калибровки.
Впоследствии, на базе IPS было разработано еще несколько технологий с улучшенными характеристиками – Dual Domain IPS (DD-IPS) и Advanced Coplanar Electrode (ACE). Последние две технологии принадлежат IBM (DD-IPS) и Samsung (ACE) и фактически не встречаются в продаже – выпуск ACE-панелей вообще прекращен, а панели по технологии DD-IPS выпускает совместное предприятие IBM и Chi Mei Optoelectronics, компания IDTech; как правило, это весьма недешевые модели с высокими разрешениями, а потому на рынке они занимают особую нишу, мало пересекающуюся с обычным потребительским рынком.
Панели, выполненные по технологии S-IPS (Super-IPS), получили большое распространение, в виде весьма качественных и недорогих 19- и 20-дюймовых матриц.
Единственной действительно хорошо заметной проблемой S-IPS матриц на данный момент является невысокая контрастность – как правило, она составляет всего лишь около 200:1, то есть находится на уровне TNF-матрицы среднего класса.
Компромисс MVA/PVA.
Как компромисс между TN и IPS можно рассматривать технологию VA — Vertical Alignment. В матрицах VA кристаллы в выключенном состоянии расположены перпендикулярно плоскости экрана. Соответственно черный цвет обеспечивается максимально чистый и глубокий. Но при повороте матрицы относительно направления взгляда, кристаллы будут видны не одинаково. Для решения проблемы применяется мультидоменная структура. Технология Multi-Domain Vertical Alignment (MVA) предусматривает выступы на обкладках, которые определяют направление поворота кристаллов. Если два поддомена поворачивается в противоположных направлениях, то при взгляде сбоку один из них будет темнее, а другой светлее, таким образом, для человеческого глаза отклонения взаимно компенсируются. В матрицах PVA, нет выступов, и в выключенном состоянии кристаллы строго вертикальны. Для того, чтобы кристаллы соседних субдоменов поворачивались в противоположных направлениях, нижние электроды сдвинуты относительно верхних. Для уменьшения времени отклика в матрицах Premium MVA и Super-PVA применяется система динамического повышения напряжения для отдельных участков матрицы, которую обычно называют Overdrive. Цветопередача матриц PMVA и SPVA почти так же хороша как и у IPS, время отклика немного уступает TNF, углы обзора максимально широкие, черный цвет наилучший, яркость и контраст максимально возможные среди всех существующих технологий. Однако даже при небольшом отклонении направления взгляда от перпендикуляра, даже на 5–10 градусов можно заметить искажения в полутонах. Для большинства это останется незамеченным, но профессиональные фотографы продолжают за это недолюбливать технологии VA.
Технология MVA была разработана компанией Fujitsu в 1998 году как компромисс между TNF, эта технология позволила обеспечить полное время отклика 25 мс. В течение нескольких лет аналитики прочили MVA-матрицам светлое будущее и большую часть рынка – TNF-матрицы по прогнозам должны были быть вытеснены в нижний сегмент рынка, (а они изначально были дешевле MVA), дорогие S-IPS матрицы – напротив, в верхний, а на основной части рынка должна была восторжествовать MVA. Этим прогнозам не суждено было сбыться – виной тому, помимо описанного выше эффекта от появления дешевых 16 мс TNF-матриц, стала все же сравнительно высокая цена MVA в сочетании с очень маленькой скоростью этих матриц. Долгое время производители обещали 16-миллисекундные MVA-матрицы, якобы призванные успешно конкурировать с «быстрыми» TNF-матрицами, однако и это заявление – не более чем игра на неосведомленности большинства покупателей об особенностях измерения времени отклика.
Также не очень гладко оказалось у MVA и с цветопередачей. Эти панели дают сочные, яркие цвета, однако из-за особенностей доменной технологии при взгляде точно перпендикулярно экрану многие тонкие оттенки (в первую очередь темные), напрочь теряются, а при небольшом отклонении в сторону – появляются вновь. Таким образом, с точки зрения цветопередачи MVA-матрицы занимают промежуточное положение между IPS и TNF.
Впрочем, есть у MVA-матриц и несомненные достоинства. Это и реальная контрастность порядка 400-600:1. С углами обзора у MVA все действительно в порядке – как и у IPS-матриц, заявленные цифры действительно оказываются «реальными» углами обзора.
В целом матрицы получились достаточно неоднозначными. Пожалуй, лучше всего они подходят для работы с текстом и чертежной графикой.
Технология PVA – Patterned Vertical Alignment разработана компанией Samsung в качестве альтернативы MVA. Не совсем верно, что PVA есть копия MVA, созданная лишь с целью ухода от лицензионных выплат Fujitsu. Тем не менее, структура жидких кристаллов в PVA такая же, как и в MVA – домены с различной ориентацией кристаллов позволяют сохранять нужный цвет практически независимо от угла, под которым пользователь смотрит на монитор. Увы, но со временем отклика у PVA-матриц существует ровно та же проблема, что и у MVA, оно растет при уменьшении разницы между начальным и конечным состояниями пикселя.
Samsung весьма активно работает над увеличением контрастности, и эта работа приносит свои плоды, для PVA-матриц типичным значением контрастности является 600-800:1 и даже 1000:1 Иначе говоря, можно сказать, что PVA-матрицы являются улучшенным вариантом MVA – не имея каких-либо недостатков, кроме уже имеющихся и у MVA, они демонстрируют намного более высокую контрастность и имеют значительно более предсказуемое качество изготовления благодаря производству на заводах только одной компании.
Оле! Оле! Матрице OLED!
Сегодня многие крупные компании разрабатывают экраны на основе OLED — органических кристаллов. Сами эти кристаллы испускают свет при подаче напряжения, эти экраны чрезвычайно экономичные, яркие и контрастные. Но пока применяются только малой портативной технике из-за дороговизны и технических проблем, связанных с долговечностью, воспроизведением некоторых цветов.
Уже в самом названии OLED — Organic Light Emitting Diode содержатся два кардинальных отличия от LCD технологии — органический и светоизлучающий. С 1960-хх годов микроэлектроника основывается исключительно на неорганических материалах: кремнии, германии, арсенидегаллия, металлических проводниках из алюминия или меди, различных диэлектриках типа того же диоксида кремния.
Тем не менее, все это время не прекращалась исследовательская работа по органическим материалам — полимерам и олигомерам, а также гибридным органическим — неорганическим соединениям по всему спектру параметров: проводимость, полупроводниковые качества, светоизлучение. Не говоря уже о том что органика обладает рядом интересных качеств вроде более мягких требований к температуре окружающей среды, зачастую выдающейся гибкостью и т. д., что открывает перед производителями электронных устройств ряд совершенно новых применений.
Однако с ростом проблем, встающих сегодня перед традиционной неорганической микроэлектроникой, вероятность того, что производители начнут обращать больше внимания на органику, становится все выше и выше. Пионером в их исследовании стал Eastman Kodak — ученые Чин Тэнг и Стив Ван Слайк еще в 1987 году издали статью Organic electroluminescent diodes, описывающую новый класс тонкопленочных устройств на базе органических материалов, обладающих электролюминесцентными качествами, заметно превосходящими все, что было создано в этой области ранее. Благодаря этому направлению, в перспективе, могут появиться и абсолютно новые технологии, о которых сейчас слышали только специалисты, а экран можно будет свернуть в трубочку или наклеить на стену. А может быть и не будет мониторов в нашем привычном понимании?
Впервые предложенная Kodak схема с двумя слоями органики между электродами вместо одного и сегодня остается основным вариантом, используемым для создания OLED устройств.
Экран, покрытый со стороны OLED тончайшим слоем оксидa олова индия, выступающим в роли анода. Непосредственно к нему прилегает первый органический слой, порядка 750 ангстрем (75 нм) ароматического диамина, выступающего в роли полупроводника р-типа, следом идет основной, светоизлучающий слой из пленки, состоящей из соединения, принадлежащего к классу fluorescent-metal-chelate комплексов. В роли полупроводника n-типа может выступать много органических соединений на основе все тех же ароматических углеводов. И, наконец, последним слоем в этом сэндвиче является катод, состоящий из смеси магния с серебром с атомным соотношением 10:1. Вся эта система имеет толщину менее 500 нм, вместе с задней подсветкой, каковой она, помимо всего прочего, сама и является! При прохождении тока напряжением от 2,5 В базовый слой начинает излучать фотоны, чей поток становится все более интенсивным по мере увеличения силы тока, усиливаясь практически линейно и позволяя при напряжении менее 10 В получить яркость более 1 000 Кд на квадратный метр, что минимум в два раза превышает соответствующий показатель сегодняшних ЖК-экранов.
Пик интенсивности спектра OLED приходится на 550 нм длину волны, что соответствует зеленому цвету. Естественно, кроме явных плюсов были и минусы. Тут и долговечность, точнее, ее отсутствие, в первоначальных опытах светимость при постоянном напряжении падала вдвое уже после 100 часов непрерывной работы, и проблемы с отдельными участками спектра — в частности, с голубым.
Тем не менее, прорыв более чем очевиден, учитывая, что до этого для получения более менее нормальной светимости требовалось напряжение порядка 100 В. К решению оставшихся проблем присоединилось множество фирм, на сегодняшний день OLED занимаются порядка восьмидесяти компаний и университетов, и большинство из них в той или иной мере уже можно считать решенными. Новые OLED материалы представляют куда более сложные комбинации веществ, чем это было на заре их истории. Новые химические формулы базовых слоев, отдельные обогащающие добавки, отвечающие каждая за свою часть спектра — красную, синюю, зеленую. Основные усилия разработчиков направлены в настоящий момент на улучшение характеристик органических полупроводников. Успехи более чем впечатляют: хотя в синем спектре последние перспективные OLED материалы и остаются наименее долговечными, тем не менее, даже в условиях синей светимости их срок жизни достигает 10 тысяч часов. Красный и зеленый цвета дают до 40 тысяч, универсальный белый — 20 тысяч часов. Уже прилично, учитывая, что для тех же цифровых камер, к примеру, среднее время жизни экрана считается нормальным от 1 000 часов. К тому же в коммерческих продуктах речь, очевидно, будет идти о классической схеме, используемой в LCD, когда экран состоит из сплошных белых OLED излучателей с цветными фильтрами, отвечающими за придание цвета конкретным пикселям. Но все же здесь еще есть, над чем серьезно поработать. Ко всему прочему новые основные материалы значительно повышают и физические параметры OLED. В частности, повышая верхнюю планку диапазона рабочих температур более чем до 100 градусов по Цельсию, с прицелом на использование в автомобильной электронике и тому подобных устройствах.
Как и в традиционных ЭЛТ экранах, OLED экран представляет собой матрицу, состоящую из комбинаций ячеек трех основных цветов — красного, синего и зеленого. В зависимости от того, какой цвет от него требуется, регулируется уровень напряжения на каждой из ячеек матрицы, в результате чего смешением трех получившихся оттенков и достигается требуемый результат. Схема до боли знакомая и привычная, но, по видимому, до сих пор ничего более простого и эффективного так и не придумано. В своем развитии OLED экраны полностью повторяют путь, пройденный их предшественниками, — LCD поначалу четко делился на экраны с пассивной и активной матрицей, но потом, по мере совершенствования технологий, пассивная матрица осталась лишь в узком классе устройств с небольшой диагональю, где просто напросто не требуется качественное изображение. OLED экраны также начали с пассивных матриц, которые прекрасно подходят, например, для экранов автомагнитол или дешевых сотовых телефонов. Такая матрица представляет собой простейший двухмерный массив пикселей в виде пересекающихся строк и колонок. Каждое пересечение является OLED диодом. Что бы подсветить его, управляющие сигналы подаются на соответствующие строку и колонку. Чем больше подано напряжение, тем ярче светимость пикселя. Напряжение требуется достаточно высокое, вдобавок подобная схема не позволяет создавать эффективные экраны, состоящие более чем из миллиона пикселей. Когда у первых ноутбуков курсор мыши, двигающийся по экрану, оставлял за собой длинный, угасающий след — вот это и есть пример пассивной матрицы.
Весьма схожи между собой у LCD и OLED принципы работы активной матрицы. Все тот же двухмерный массив из пересекающихся колонок и линий, но на сей раз каждое из их пересечений представляет собой не только светоизлучающий элемент, жидкокристаллическую ячейку или OLED диод, но и управляющий им транзистор. Управляющий сигнал посылается уже на него, он запоминает, какой уровень светимости от ячейки требуется, и, пока не будет дана другая команда, будет исправно поддерживать этот уровень тока. И напряжение в этом случае требуется куда ниже, и ячейка куда быстрее реагирует на изменение ситуации.
LED-подсветка для ЖК
LED-телевизоры являются новым классом ЖК-телевизоров, использующих в качестве источников света светодиоды, а не традиционные лампы с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamps, CCFL). Светодиодная подсветка имеет ряд неоспоримых преимуществ, главные из которых – сверхвысокие значения контрастности, малая толщина дисплеев и очень низкое энергопотребление. Применение инновационного подхода и позволило заявить о новой категории как о совершенно новом классе устройств.
Во-первых, LED-подсветка положительно сказалась на дизайне, дав возможность существенно уменьшить толщину LCD-телевизоров. Во-вторых, благодаря светодиодам эксплуатационный ресурс устройств увеличился, в то время как энергопотребление существенно сократилось: LED-модель потребляет примерно на 40% меньше электроэнергии, чем ЖК-телевизор аналогичной диагонали, оснащенный CCFL-лампами.
В-третьих, изображение на экране LED-телевизоров достигло невероятного уровня реалистичности, благодаря инновационной технологии Mega Contrast, которую также удалось реализовать, используя LED-подсветку. Новая технология, приглушающая светодиодную подсветку в темных областях экрана, позволяет LED-телевизорам Samsung воспроизводить тончайшие переходы от света к тени, повышая значение контрастности до очень высокого уровня, прежде недоступного обычным LCD-телевизорам с подсветкой на основе флуоресцентных ламп, которые передают черные цвета в темных сценах просто как темно-серые.
Ожидалось, что в 2009 году свои модели OLED начнут выпускать вездесущий Samsung и Toshiba – не столько для того, чтобы получить немедленную экономическую выгоду, сколько для того, чтобы «застолбить» место на развивающемся рынке и еще раз заявить на весь мир о своих технических возможностях.
Однако непохоже, что компании будут готовы к производству вовремя. Недавно Toshiba заявила о том, что начало массового производства OLED-телевизоров будет отложено и начнется не раньше 2010 года. По словам представителей компании, в ближайшее время главное внимание будет уделяться производству дисплеев малого размера – для мобильных телефонов, портативных медиаплееров и т. п. Дело в том, что выпуск OLED небольших размеров для портативных устройств действительно окупается. Все OLED, что превышают размеры в пару-тройку дюймов, производить не только сложно, но и просто дорого – т. е. нецелесообразно.
В этих условиях, компании должны быть почти фанатично уверены в тотальном превосходстве технологии, чтобы заниматься организацией сложных и дорогих производств с неясными перспективами. Уже не одна технология канула в небытие лишь из-за того, что нашлись конкурентные, более выгодные варианты.
Трехмерный телевизор.
Третьей, после Sony и Samsung компанией, объявившей дату начала массовых продаж 3D LED-телевизоров, стала корейская LG, которая на данный момент является лидером по продажам ЖК-панелей. В мае производители обещают представить промышленные модели трехмерных телевизоров нового поколения, а также 3D Bluray проигрыватели.
Время отклика
Пожалуй, время отклика является наиболее «популярной» характеристикой любого ЖК-экрана, популярной в том смысле, что именно на него в первую очередь обращают внимание покупатели при выборе. Как известно, состояние пикселя в ЖК-панели меняется за счет изменения угла поворота жидких кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля. Однако жидкие кристаллы – вещество сравнительно вязкое, поэтому поворот происходит не мгновенно, а за достаточно большое время порядка единиц или даже десятков миллисекунд.
Традиционно производители ЖК-матриц и мониторов измеряют время отклика как суммарное время переключения пикселя с черного на белый и обратно, причем измеряется время изменения яркости пикселя от 10% до 90%.
Такое определение, вопреки распространенному мнению, является не уловкой производителей панелей, а скорее необходимостью, дело в том, что момент точного начала загорания пикселя и момент точного достижения им яркости 100% принципиально невозможно определить из-за наличия шумов и конечной точности измерительного оборудования.
К сожалению, такое измерение на самом деле не дает полного представления о том, как будет себя вести экран при работе с динамичной графикой. Дело в том, что измеренное таким образом время отклика является минимальным, какое вообще может показать матрица. Допустим, нас интересует переключение пикселя не с черного на белый, а с черного на темно-серый. Тогда, с одной стороны, кристаллам надо повернуться на меньший угол, но, с другой стороны, скорость их поворота пропорциональна напряженности приложенного электрического поля, а именно им и определяется угол поворота – чем меньший угол нам нужен, тем меньше должно быть электрическое поле. Таким образом, у нас есть две противоборствующие тенденции – уменьшается не только угол поворота, но и его скорость, так что на практике время поворота кристалла будет зависеть от соотношения этих тенденций. Как показывают измерения, время отклика всегда будет больше, чем при переключении с черного на белый, а насколько больше, зависит от типа матрицы.
Углы обзора
Другой традиционной проблемой ЖК-мониторов являются углы обзора – если изображение на ЭЛТ практически не страдает даже при взгляде почти параллельно плоскости экрана, то на многих ЖК-матрицах даже небольшое отклонение от перпендикуляра приводит к заметному падению контрастности и искажению цветопередачи.
В то же время все производители на данный момент заявляют, казалось бы, более чем достаточные углы обзора – у большинства моделей мониторов они составляют не менее 160 градусов как по вертикали, так и по горизонтали. Проблема здесь, как и со временем отклика, в том, как эти углы измеряются.
Согласно текущим стандартам, производители матриц определяют угол обзора как угол относительно перпендикуляра к центру матрицы, при наблюдении под которым контрастность изображения в центре матрицы падает до 10:1.
Считается, что искажения изображения становятся легко заметны при падении контрастности уже в несколько раз, то есть примерно до 100:1 – иначе говоря, используемый производителями критерий весьма и весьма мягок, и уже поэтому в большинстве случаев к заявленным углам обзора стоит относиться скептически, ибо на практике заметно, что картинка отличается от идеальной при намного меньших углах. Более того, некоторые производители указывают углы обзора для предельной контрастности в 10:1, а вдвое меньше — 5:1, в результате чего на свет «легким движением руки» матрица с углами обзора 140 градусов превращается в матрицу с углами уже в 160 градусов.
Во-вторых, измерения контрастности проводятся в центре экрана, в то время как человек, находящийся перед монитором, видит края экрана под другим углом, нежели центр.
В-третьих, еще одна особенность заявляемых производителями углов – как правило, указывается суммарный угол в обе стороны от нормали. То есть, в случае с вертикальным углом обзора суммируются предельные углы при взгляде на матрицу сверху и при взгляде снизу. В то время, как угол обзора сверху существенно больше, да и эффект там проявляется другой – при взгляде сверху нижняя часть изображения сначала выцветает, а потом, по мере увеличения угла, инвертируется. В результате в паспортных характеристиках получаем достаточно большой угол обзора по вертикали, в реальности же малейшее отклонение экрана монитора назад приводит к более чем заметному потемнению верхней части экрана.
При измерении углов обзора учитывается только падение контрастности, но не искажение цветопередачи. И, наконец, производители указывают только вертикальные и горизонтальные углы обзора, Таким образом, получается, что углы обзора по вертикали и горизонтали максимальны, в то время как углы по диагонали существенно меньше.
Яркость и контрастность
Проблема с контрастностью принципиальна для ЖК-матриц в силу самого их принципа действия. В отличие от абсолютного большинства электронных устройств отображения информации (ЭЛТ, электролюминесцентные и светодиодные табло, OLED и так далее), по отношению к свету матрица является не активным, а пассивным элементом – иначе говоря, она не способна излучать свет, а лишь способна модулировать проходящий через нее. Поэтому позади ЖК-матрицы всегда размещается модуль подсветки, а матрица лишь управляет своей прозрачностью, ослабляя свет от модуля подсветки в заданное количество раз. Регулировка прозрачности осуществляется за счет поворота плоскости поляризации – жидкие кристаллы расположены между двумя сонаправленными поляризаторами: сонаправленность означает, что если свет между ними не изменил свою плоскость поляризации, то он проходит через второй поляризатор без потерь. Если же плоскость поляризации была повернута жидкими кристаллами, то второй поляризатор задержит световой поток, и соответствующая ячейка будет выглядеть черной. Однако по различным причинам – из-за неидеальности поляризаторов, не идеально точного расположения кристаллов и так далее – задержать весь свет невозможно, а потому какой-то его процент всегда будет проходить через матрицу, слегка «подсвечивая» черный цвет монитора.
Как я уже отметил выше, эти измерения производятся производителем матрицы, а не монитора, а потому делаются на специальном стенде, где матрица подключается к источнику тестового сигнала, а лампы подсветки питаются током определенной величины – таким образом получаются некие эталонные значения. В реальном же мониторе добавляется влияние его электроники, которая, во-первых, отлична от лабораторного генератора сигналов, во-вторых, еще и в некоторой степени управляется пользователем, регулирующим яркость, контрастность, цветовую температуру и другие параметры, а потому и реальные параметры монитора очень часто не соответствуют заявленным. Например, если электроника монитора дает небольшую «подсветку» черного цвета (разумеется, это дефект, однако на некоторых недорогих моделях он достаточно распространен), то реальная контрастность окажется значительно ниже заявленной.
При этом даже заявляемая многими производителями матриц для своих изделий контрастность 500…700:1, несмотря на кажущуюся высокой цифру, на самом деле все еще далека от идеала – фактически при такой контрастности монитор все еще не может обеспечить действительно глубокого черного цвета, если посмотреть на экран при неярком внешнем освещении, то он будет выглядеть темно-серым, но не черным. При реальной контрастности же 200…300:1 заметить, что сквозь черный цвет просвечивают лампы подсветки, и вовсе не составляет никакого труда.
Как бы в оправдание производителей ЖК-мониторов иногда встречается мнение, что слишком большая контрастность матриц негативно влияет на зрение, излишне утомляя глаза. Это в корне неверно – «слишком низкого» уровня черного не бывает, ибо в идеале он должен быть не просто низким, а нулевым, и именно это будет означать, что монитор может воспроизвести настоящий черный цвет, без каких-либо оговорок. Паспортная контрастность при этом, очевидно, будет бесконечно велика (разумеется, так как поверхность экрана не является абсолютно черным телом, то она будет в той или иной мере отражать падающий на нее внешний свет, однако в данном случае я говорю именно о паспортной контрастности, при измерении которой внешней засветки нет). Существует и еще один миф, пущенный чьей-то легкой рукой и заключающийся в том, что производители увеличивают паспортную контрастность матриц, увеличивая яркость белого цвета при неизменной яркости черного, что приводит к тому, что паспортная-то контрастность увеличивается, а вот реальная – нет, ибо пользователь работает при той яркости, которая для него наиболее комфортна, а не при максимально возможной. Очевидно, что в силу принципа действия ЖК-матриц увеличить яркость можно только увеличением интенсивности подсветки. Пусть яркость подсветки у нас равна L, тогда уровень белого цвета будет равен , где – коэффициент пропускания открытого пиксела (он чуть меньше единицы, так как часть света при проходе через кристаллы и поляризаторы все же теряется), а уровень черного цвета, соответственно, , где – коэффициент пропускания закрытого пиксела (он немногим больше нуля). Соответственно, контрастность будет равна , причем коэффициенты пропускания открытого и закрытого пикселов зависят только от характеристик самой матрицы, но никоим образом не от яркости подсветки, а потому и паспортная контрастность матрицы от яркости подсветки никак не зависит и определяется только внутренними характеристиками самой матрицы. Таким образом, увеличение яркости никак не поможет производителю поднять заявленную контрастность матрицы, а распространенное мнение об обратном не имеет под собой никаких фактических оснований.
Иногда в оправдание существования этого мифа приводят мнение, что в реальных условиях также будет играть роль внешняя засветка матрицы, иногда – например, при нормальном дневном освещении помещения – дающая заметный вклад в уровень черного (в таком случае «визуальная» контрастность будет равна , где – внешняя засветка; в этом выражении, очевидно, с увеличением L увеличивается и ), однако я еще раз подчеркну, что речь идет о паспортной контрастности матриц, которая измеряется их производителями без учета какой-либо внешней засветки.
Помимо того, что контрастность матрицы измеряется в условиях специального тестового стенда, а не готового монитора (то есть без учета особенностей электроники этого монитора), пользователь может сам регулировать яркость и контрастность, что также влияет на многие параметры изображения, причем как именно влияет – зависит от реализации этих регулировок опять же в конкретной модели монитора.
Во-первых, не совсем корректно говорить, что пользователь меняет яркость и контрастность ручками «Brightness» и «Contrast» соответственно, ибо сразу же возникает вопрос – яркость чего он регулирует, и за счет чего меняется контрастность. Как я уже отмечал выше, в идеале яркость пиксела L определяется как L = B + x*C, где B – величина, напрямую зависящая от положения регулятора «Brightness» монитора, C – величина, зависящая от положения регулятора «Contrast», а x – сигнал, подаваемый на данный пиксел с компьютера (x=0 соответствует черному цвету, а максимальное значение x – белому). Отсюда очевидно, что регулировкой «Contrast» пользователь меняет яркость белого цвета (а точнее говоря, и всех оттенков серого, но вот черный цвет остается неизменным), а регулировкой «Brightness» – яркость как черного, так и белого одновременно.
В большинстве мониторов регулировка «Brightness» реализована изменением яркости ламп подсветки – впрочем, это весьма очевидный способ. Используемые в мониторах лампы дневного света с холодным катодом (CCFL – Cold Cathode Fluorescent Lamp) позволяют это делать двумя способами – либо регулируя ток разряда в лампе, либо (так как первый способ позволяет регулировать яркость лишь в сравнительно небольших пределах, при сильном уходе тока от номинала теряется стабильность разряда в лампе) с помощью широтно-импульсной модуляции питания лампы на сравнительно небольшой частоте (сравнительно – потому что она достаточно мала с точки зрения физики разряда в лампе, но при этом достаточно велика, чтобы глаз не замечал мерцания подсветки; на практике частота составляет обычно от 200 до 500Гц). Широтно-импульсная модуляция – это очень распространенный способ регулировки напряжений и токов, заключающийся в том, что в зависимости от нужного напряжения регулируется ширина подаваемых импульсов при их неизменной частоте и амплитуде – и среднее напряжение как раз оказывается пропорционально этой ширине. На практике процесс регулировки показан на осциллограммах ниже:
Этот сигнал снят не с цепей питания ламп, а с помощью фотодатчика уже с экрана монитора, поэтому импульсы сильно сглажены за счет послесвечения люминофора ламп, и на анимированной картинке отчетливо видно, как растет средняя яркость. При этом расстояния между пиками не меняются с изменением яркости, а потому очевидно, что используется именно широтно-импульсная модуляция.
Также встречается регулировка яркости с помощью матрицы – при увеличении яркости пользователем монитор добавляет к подаваемому на матрицу сигналу постоянную составляющую. При таком способе регулировки, увы, заметно страдает контрастность – ведь лампы подсветки всегда работают на мощности, необходимой для обеспечения максимально возможной для монитора яркости, а потому при работе на небольшой яркости, даже если добавляемая к сигналу постоянная составляющая будет уже равняться нулю, такой монитор покажет заведомо более высокий уровень черного, чем модель с регулировкой яркости с помощью ламп подсветки – пусть у нас яркость черного равна , где L – яркость подсветки, а – коэффициент пропускания пиксела в закрытом состоянии. Пусть также у наших мониторов одинаковые матрицы с максимальной яркостью 250 кд/кв.м (соответственно, числа у них также одинаковы), а мы хотим получить яркость экрана 100 кд/кв.м – тогда в мониторе с регулировкой яркости лампами подсветки L снизится в 2,5 раза по сравнению с максимумом, а в мониторе с регулировкой яркости с помощью матрицы она останется неизменной. Очевидно, уровень черного на мониторе с регулировкой яркости лампами подсветки также окажется в 2,5 раза ниже, чем на мониторе с регулировкой матрицей.
Кроме этого, как я уже отмечал в соответствующем разделе, регулировка яркости с помощью матрицы негативно влияет и на время отклика. Наиболее наглядно все эти эффекты можно наблюдать на примерах мониторов Sony, у которых есть возможность регулировки яркости как матрицей (параметр «Brightness» в экранном меню), так и лампами подсветки (параметр «Backlight»).
О самой же величине яркости можно сказать лишь то, что она зависит от конкретных задач и внешнего освещения – если для работы с текстом яркость экрана должна составлять примерно от 70 до 130 кд/кв.м, то для игр и просмотра фильмов комфортная яркость может доходить до 200 кд/кв.м и даже выше. Если сравнивать ЖК-мониторы с ЭЛТ, то у последних типичная рабочая яркость составляет 80…100 кд/кв.м (у моделей, выпускающихся в последние пару лет, есть режимы повышенной яркости – они появились после того, как удалось добиться приемлемой фокусировки луча в таких режимах; впрочем, они все равно по большому счету пригодны только для фильмов и игр – с этой точки зрения ЖК-панели, имеющие идеальную четкость изображения при любой яркости, давно их превзошли), контрастность же хорошего ЭЛТ-монитора легко превышает 1000:1, оставаясь недостижимой для большинства ЖК-мониторов.
Также у ЖК-мониторов часто страдает еще и такой параметр, как равномерность подсветки, причем на практике он обычно сильнее страдает как раз у матриц с невысокой контрастностью. Чаще всего это проявляется в виде светлых или темных полос или пятен (светлые пятна иногда могут соответствовать расположению ламп подсветки), иногда также в виде светлых полос непосредственно у края матрицы – они возникают, если матрицу при сборке модуля слегка пережали в корпусе (имеется в виду именно металлический корпус модуля, а не пластиковый корпус монитора, играющий чисто декоративную роль).
Итак, если делать краткий вывод из сказанного выше, то он в общем-то будет сводиться к тому же, к чему сводились выводы и в предыдущих разделах – если сравнивать два монитора на матрицах одинакового типа по паспортному значению контрастности можно (монитор с большей заявленной контрастностью, как правило, будет иметь и большую реальную контрастность), то сравнивать мониторы на разных типах матриц, а уж тем более делать какие-то выводы о реальной абсолютной (а не относительной, то есть в категориях «лучше-хуже») контрастности по одним только заявленным производителем монитора цифрам, вряд ли стоит.
Цветопередача
С точки зрения цветопередачи производители обычно указывают лишь одну цифру – количество цветов, которое традиционно равняется 16,2 млн. или 16,7 млн. Впрочем, даже здесь уже есть подвох – дело в том, что очень многие из выпускаемых сейчас матриц (а из «быстрых» матриц – все поголовно) не умеют отображать более 262 тысяч цветов (что соответствует 18 битам, или по 6 бит на каждый из трех базовых цветов).
Изображение на 18-битной матрице без дополнительных мер выглядит весьма грустно – фактически такая матрица годится только для офисной работы да еще (и то – в некоторой степени) для игр. По этой причине производители матриц реализуют в них так называемый FRC (Frame Rate Control) – метод эмуляции недостающих цветов, при котором цвет пиксела меняется с каждым кадром в небольших пределах. Допустим, нам надо вывести цвет RGB:{154; 154; 154}, который наша матрица физически не поддерживает, однако она поддерживает два соседних цвета – RGB:{152; 152; 152} и RGB:{156; 156; 156}. Если теперь поочередно (с частотой кадровой развертки) выводить эти два цвета, то, в результате близости их цветов и инерционности как человеческого глаза (очевидно, не воспринимающего мерцание на частоте 60Гц), так и самой матрицы («сглаживающей» момент переключения цветов) мы будем видеть некий усредненный цвет, то есть искомый RGB:{154; 154; 154}. Разумеется, это все же эмуляция, не дотягивающая до полноценной «true color» цветопередачи, а потому в описаниях мониторов с такими матрицами обычно указывают, что он воспроизводит 16,2 млн. цветов – иначе говоря, указание такого количества цветов однозначно говорит о том, что у монитора 18-битная матрица. К сожалению, указание, что монитор воспроизводит 16,7 млн. цветов, еще ни о чем не говорит – многие производители так маркируют модели с теми же 18-битными матрицами.
На практике могут применяться более сложные механизмы FRC, работающие в сочетании с более привычным для пользователей дизерингом (когда нужный цвет формируется несколькими расположенными рядом пикселами с немного различающимися цветами), то есть меняющие на каждом кадре цвет не одного пиксела, а, скажем, группы из четырех пикселов – это позволяет более точно передавать недоступные матрице оттенки цвета, однако суть от этого в общем-то не меняется – «полноцветными» такие матрицы можно называть лишь условно.
Соответственно, качество цветопередачи таких матриц во многом определяется качеством реализации FRC. В основном, встречаются две проблемы – во-первых, это поперечные полосы на плавных цветовых градиентах, в наиболее плачевных случаях выглядящие так, как будто в матрице и нет никакого FRC. Впрочем, этот недостаток скорее относится к первому поколению «быстрых» матриц и на последних моделях мониторов встречается редко, хотя легкая «полосатость» градиентов иногда все же проявляется. Во-вторых, на некоторых сложных картинках (например, на однопиксельной сеточке, а уж тем более если она сочетается с плавным градиентом) алгоритмы FRC могут давать сбои, приводящие к мерцанию изображения – от едва заметного до очень сильного, делающего невозможной работу за монитором. Впрочем, последнее на современных мониторах тоже встречается достаточно редко и обычно оказывается уделом совсем недорогих моделей производителей. Также стоит помнить, что качество работы FRC (и, соответственно, связанные с ним побочные эффекты) может зависеть от установленной на мониторе контрастности и яркости (в случае, если последняя регулируется матрицей, а не лампами подсветки) – в такой ситуации мерцание картинки может возникать только на определенных настройках монитора. Впрочем, во всех случаях мерцание, как правило, возникает только на достаточно специфичных изображениях, не мешая обычной работе с монитором.
Следующая после разрядности матрицы проблема обеспечения качественной цветопередачи – это гамма-компенсация. Выше, говоря про яркость и контрастность, я для простоты писал, что зависимость между входным сигналом и яркостью пиксела линейная (), но на самом деле это не так – зависимость эта степенная и выглядит как , где gamma – некоторое число.
Можно сказать, что гамма-компенсация появилась и существует более по историческим причинам, нежели по техническим – дело в том, что электронно-лучевые трубки сами по себе имеют передаточную характеристику (то есть зависимость между входным и выходным сигналами), близкую к степенной, с показателем около 2,5. На операционных системах для PC долгое время не было никаких средств управления цветом (CMS – Color Management System), а потому gamma=2,5 традиционно считается стандартным значением для Wintel-платформы. На Apple Macintosh, традиционно использовавшихся для полиграфии, обработки фотоизображений, цветокоррекции и подобных задач, значение gamma частично корректировалось – оно уменьшалось до 1,8. Разумеется, чтобы пользователь видел на экране неискаженную картинку, она должна быть предварительно обработана функцией , где i – итоговая яркость, I – исходная яркость картинки, а gamma – то же самое число gamma, как и на системе, для просмотра на которой эта картинка обрабатывается; тогда для пользователя картинка будет описываться формулой , то есть он увидит оригинал I, скорректированный лишь с учетом контрастности C и яркости B монитора. Так как значение gamma отличается для разных платформ, то и изображения требовалось компенсировать по-разному, а потому, например, изображение, подготовленное для Mac’а, на PC выглядело слишком темным, а подготовленное для PC – наоборот, выглядело слишком светлым на Mac’е. Поэтому около десяти лет тому назад при активном участии Microsoft и HP был разработан стандарт sRGB «A Standard Default Color Space for the Internet», в котором значение gamma было определено равным 2,2 (точнее говоря, в sRGB гамма-кривая составлена из двух независимых функций, но она достаточно точно описывается и одной функцией при gamma=2,2) – таким образом, подготовленные в соответствии с sRGB изображения одинаково хорошо (или, как предпочитают говорить скептики, одинаково плохо) выглядели как на Mac’ах, так и на старых PC с gamma=2,5. На данный момент sRGB является стандартом как de jure, так и de facto, и современные мониторы в большинстве своем изначально калибруются на gamma=2,2.
Разумеется, возникает вопрос, а зачем нужна гамма-компенсация с технической точки зрения? Обычно в обоснование необходимости компенсации говорят, что она позволяет увеличить точность передачи темных оттенков (разумеется, за счет уменьшения точности передачи светлых) – ведь человеческий глаз имеет логарифмическую характеристику чувствительности, то есть он намного легче замечает изменение темных тонов, чем такое же по величине изменение светлых, а потому точностью передачи светлых тонов можно и пожертвовать. Теоретический расчет показывает, что при gamma=2,2 точность, эквивалентная 9-битному кодированию, достигается только для 7% наиболее темных оттенков, а эквивалентная 10-битному – лишь для 3% (очевидно, что смысла говорить об 11-битной точности передачи темных оттенков уже нет – те цвета, для которых она достигается, практически неотличимы от черного), но при этом для 75% светлых оттенков точность цветопередачи падает – это сравнимо с потерями при сохранении в JPEG со средним качеством (если, конечно, не учитывать то, что JPEG привносит еще и геометрические артефакты, а не только ухудшение цветопередачи). Казалось бы, все хорошо, и с учетом вышеупомянутых особенностей зрения можно возрадоваться тому, что мы улучшили точность передачи темных цветов и не обращать внимание на ухудшение качества светлых, но, увы, на практике все далеко не так хорошо. Во-первых, изображения имеют не идеальное качество – они ограничены возможностями фотоаппарата (сканера, et cetera), с помощью которого они были получены; если говорить о темных тонах, то точность их передачи в первую очередь определяется уровнем шума CCD или CMOS-матрицы камеры (причин шума может быть много – фотонный дробовой шум, шум считывания, темновой ток матрицы и так далее). Так вот, отношение сигнал-шум даже для высококачественных камер с охлаждаемыми матрицами, применяемыми в научных целях (в астрономии, спектроскопии, микробиологии и так далее), для очень хорошей камеры составляет 60…65 дБ (для достижения таких цифр применяется как минимум двухступенчатое охлаждение элементами Пельтье с активным воздушным охлаждением их радиаторов и итоговой температурой CCD-матрицы порядка -10…-40 градусов) – что соответствует точности около 10 бит (1 бит = 6,2 дБ); обычные же фотокамеры, вплоть до профессиональных, обеспечивают отношение сигнал-шум в лучшем случае 40…50 дБ, что соответствует точности всего лишь 7…8 бит. Иначе говоря, какой смысл в дополнительных битах точности, если даже при стандартной 8-битной точности младший бит фактически передает только шум матрицы?
Более того, гамма-компенсация сама по себе снижает точность цветопередачи – как непосредственно при выполнении этой компенсации за счет ошибок округления, так и при последующей обработке скомпенсированных изображений, причем наиболее заметны эти искажения именно в темных областях изображения, которые гамма-компенсация призвана была как раз передать с большей точностью, чем линейное отображение. Тем не менее, в обозримом будущем отказ от гамма-компенсации нам не грозит – слишком большое количество оборудования рассчитано на работу с ней.
Однако вернемся непосредственно к ЖК-мониторам. Если, как я отмечал выше, у ЭЛТ зависимость изначально близка к степенной, то у ЖК-матриц она по форме ближе к S-образной – иначе говоря, для получения нужной степенной зависимости в ЖК-мониторе жизненно необходимо иметь корректировочную таблицу, приводящую имеющуюся зависимость к искомой. Соответственно, качество цветопередачи монитора с этой точки зрения зависит от того, насколько тщательно производитель пропишет профиль монитора в его прошивку. Во-первых, на практике производители находят некий компромисс между калибровкой каждого монитора (что неприемлемо с точки зрения скорости работы конвейера – калибровка занимает не менее четверти часа) и однократной калибровкой в начале выпуска новой модели (что неприемлемо с точки зрения качества – характеристики матриц из разных партий могут отличаться); во-вторых, даже калибровка, делаемая для каждой партии матриц, еще не гарантирует, что эта калибровка будет сделана добротно и качественно. Ниже на рисунке приведены для примера калибровочные кривые монитора Acer AL1715 (красная, синяя и зеленая линии – расчетные кривые для gamma=2,2, черные – экспериментально измеренные кривые для соответствующих цветов):
На этом графике хорошо видно, что «родная» S-образная характеристика матрицы скомпенсирована не полностью – в середине диапазона яркость «проваливается» вниз, в области светлых оттенков, наоборот, монитор отображает цвета ярче, чем они должны быть. Впрочем, такое отклонение еще не очень критично, а домашний пользователь его и вовсе не заметит, но встречаются и значительно более серьезные случаи.
Это график для монитора Iiyama e-Yama 17JN1S. Как видите, здесь производитель перестарался – и цвета уходят в насыщение несколько раньше крайней правой точки графика. На практике это означает, что, скажем, цвет RGB:{224; 224; 224} будет отображаться не как светло-серый, а как чистый белый – иначе говоря, монитор не будет различать части светлых оттенков, воспроизводя их все как белый цвет. Бывает аналогичная ситуация и с темными оттенками – в таком случае монитор воспроизводит темно-серый цвет как черный (иногда встречается даже парадоксальная ситуация, когда цвет RGB:{5; 5; 5} оказывается темнее чистого черного RGB:{0; 0; 0}). Кроме того, качество настройки цветопередачи также зависит от установленных яркости и контрастности – если хорошо настроенный монитор воспроизводит полный диапазон цветов в достаточно широких пределах пользовательских настроек (скажем, при яркости белого цвета от 50 до 150 кд/кв.м), то в некоторых моделях даже сравнительно небольшое изменение регулировки контрастности или яркости от идеального положения (то есть положения, при котором воспроизводится весь диапазон оттенков) приводит к потере либо темных (при уменьшении яркости), либо светлых (при увеличении контрастности) тонов.
Также на графиках часто можно заметить, что кривые для разных цветов не совпадают – одни проходят ниже, другие выше… Это приводит к отклонению тональности изображения на мониторе (иначе говоря – цветовой температуры) от заданного, причем, так как на разных участках динамического диапазона разница между кривыми различных базовых цветов может быть различна, то и отклонение цветовой температуры будет меняться в зависимости от того, выводим мы светлые или темные оттенки. Это делает невозможным точную корректировку тональности с помощью штатных настроек монитора – то есть раздельных регулировок RGB – так как, настроив точный баланс цветов для одного участка диапазона (скажем, для светло-серого цвета), в другом диапазоне (например, на темно-сером) мы, наоборот, ухудшим этот же баланс. Единственный, по большому счету, выход из этой ситуации – калибровка монитора с помощью аппаратного калибратора, который создает ICC-профиль, учитывающий все особенности цветопередачи монитора. Впрочем, можно попробовать создать профиль и вручную, благо соответствующее ПО поставляется со многими мониторами, однако успеха в таком случае удается достичь не всегда… да что уж говорить о ручной калибровке – в некоторых случаях цветопередача монитора изначально настроена столь плохо, что полностью ситуацию исправить не может даже аппаратный калибратор.
Выше я уже упоминал термин «цветовая температура», так что сейчас самое время к нему и перейти. Цветовая температура определяет тональность изображения на экране монитора – чем ниже температура, тем теплее цвета (таково уж восприятие человека – как более холодный он воспринимает спектр излучения тела, которое на самом деле более горячее). Необходимость в ней возникает потому, что с точки зрения человеческого глаза нет как такового некоего универсального белого цвета, который глаз всегда бы воспринимал как белый – в зависимости от условий глаз подстраивается под некоторый диапазон. Это можно наблюдать, например, взяв мобильный телефон с подсветкой экрана белым цветом, положив его на лист белой бумаги и и посмотрев на него сначала при обычном дневном свете, а потом при свете лампы накаливания – в первом случае экранчик телефона будет выглядеть белым или даже слегка желтоватым, а во втором неожиданно приобретет синеватый оттенок, ибо глаз будет ориентироваться в своей «установке баланса белого» по листу бумаги, на котором лежит телефон, а этот цвет, в свою очередь, определяется спектром источника света, который у лампы дневного света имеет явный уклон в «синюю» область, а у бытовой лампы накаливания – в «желтую». Точно таким же образом и оттенок белого цвета на экране монитора будет слегка меняться в зависимости от внешнего освещения – разве что в меньшей степени, ибо площадь экрана монитора намного больше, чем у телефона, и глаз уже в большей степени подстраивается и по нему тоже. По этой причине рекомендуется устанавливать на экране монитора ту цветовую температуру, при которой – при данном внешнем освещении – белый цвет на экране не имеет каких-то дополнительных оттенков.
Измеряется цветовая температура в Кельвинах (К) и равна температуре абсолютно черного тела, излучающего такой же спектр. Существуют три наиболее распространенных значения – 5500К (в обращение эта температура была введена специалистами компании Kodak под названием «daylight», благодаря чему ходит шутка, что в природе она соответствует цветовой температуре полуденного солнечного света около офисов этой компании), использующееся обычно при печати и в фотографии, 6500К (для сравнения – цветовая температура 6000К соответствует яркому солнечному свету при безоблачном небе, а температуру 6500…7000К имеет небо с легкой облачностью), использующееся при обработке изображений на мониторе, также температура 9300К, соответствующая в природе цветовой температуре легкой тени в ясный день. Если же говорить об искусственных источниках света, то обычная бытовая лампа накаливания имеет цветовую температуру около 2000К, мощные студийные лампы накаливания и лампы дневного света с «теплым» люминофором – около 3000К, лампы дневного света с «холодным» люминофором – 4000К.
В вышеупомянутом стандарте sRGB рекомендуется цветовая температура 6500К (D65), а потому на абсолютном большинстве мониторов именно эта температура и установлена по умолчанию. Впрочем, и здесь не обходится без специфичных для ЖК-мониторов подвохов – во-первых, как я уже отмечал выше, цветовая температура может существенно различаться для разных оттенков серого. Если для отдельных хорошо настроенных мониторов температура белого и 50-процентного серого цветов обычно отличается максимум на несколько десятков градусов, то для большинства (к сожалению) моделей отличие легко может достигать 500К и больше, вплоть до нескольких тысяч градусов для высоких температур – это означает, что, например, если белый цвет будет выглядеть действительно белым, то светло-серый приобретет легкий синеватый оттенок (обычно температура выше именно для серого, хотя изредка встречаются и исключения). Во-вторых, если ЭЛТ-мониторы, как правило, позволяют сравнительно плавно (с шагом 50…100К) регулировать цветовую температуру во всем диапазоне, от 5000К до 9300К, то ЖК-мониторы в абсолютном большинстве имеют три-четыре значения температуры, а пользователю предлагается выбрать из них наиболее подходящий; для ручной же и плавной регулировки температуры можно разве что воспользоваться раздельными регулировками трех основных цветов (R, G, B), что значительно менее удобно и требует больших навыков для достижения хорошего результата. И это даже не говоря о том, что если у ЭЛТ-мониторов температура, как правило, меняется весьма аккуратно, то у ЖК-мониторов очень часто с ее регулировкой связаны различные артефакты – например, при снижении температуры экран приобретает сильный розоватый или даже зеленоватый оттенок, при увеличении серый цвет настолько ударяется в синеву, что калибратор зашкаливает при попытке измерить его цветовую температуру, и так далее…
Еще одним параметром, в некоторой степени определяющим качество цветопередачи, является так называемый цветовой охват. Как известно, человеческий глаз воспринимает свет в диапазоне длин волн примерно от 390 нм до 760 нм, воспринимая различные длины волны как различные цвета – от фиолетового до красного. В то же время различные устройства отображения информации, как правило, воспроизводят существенно меньший диапазон цветов. Наиболее удобно это наблюдать на так называемой цветовой диаграмме CIE. В цветовом пространстве CIE нужный тон задается тремя координатами – две из них задают цвет, а третья – яркость; на диаграмме же присутствуют только две координаты, определяющие цвет, причем там же выделяется пространство цветов, видимое человеческим глазом (границам этого пространства соответствуют чистые цвета, которые можно создать монохроматическим источником света, внутренней области – цвета с более сложным спектром):
На этой диаграмме белым треугольником выделена область, соответствующая цветопередаче устройств, соответствующих стандарту sRGB, а белым кружком в его центре – точка белого цвета при цветовой температуре 6500К. Как видите, диапазон цветов sRGB весьма мал по сравнению с видимым глазом диапазоном, а потому многие цвета на этапе получения изображения оказываются за его пределами (например, sRGB монитор в принципе не способен воспроизвести ни один действительно чистый цвет) – в таком случае они заменяются цветами, лежащими на границе описывающего sRGB треугольника. В некоторых случаях это, разумеется, приводит к достаточно заметным артефактам.
Помимо sRGB, есть также другие цветовые пространства, описывающие значительно больший диапазон цветов – это, в первую очередь, AdobeRGB и NTSC (как наиболее часто встречающиеся при обсуждении мониторов). Если пространство sRGB охватывает всего лишь 35% видимых человеком цветов, то у пространства AdobeRGB этот показатель составляет 50,6%, а у NTSC – 54,2%. Впрочем, на данный момент практически все мониторы соответствуют стандарту sRGB, причем, благодаря тому, что цветовой охват определяется фактически только характеристиками ламп подсветки и цветовых фильтров панели у ЖК-мониторов и характеристиками люминофоров у ЭЛТ, различия между разными моделями (вплоть до различий между ЭЛТ и ЖК-мониторами) не столь велики, чтобы заметно влиять на цветопередачу – ее качество в первую очередь ограничивается другими факторами.
Исключение из этого правила составляют некоторые ЭЛТ-мониторы профессионального уровня – так, не столь давно компания NEC-Mitsubishi представила модель 22-дюймового монитора RDF225WG, имеющую цветовой охват 97,6% от AdobeRGB, за счет улучшенного зеленого люминофора (как видно из приведенной выше диаграммы, именно зеленый цвет является наиболее проблематичным). Впрочем, в следующем году ожидается появление и ЖК-мониторов с цветовым охватом, даже немного превышающим AdobeRGB (правда, всего на 1%) – в отличие от вышеупомянутого ЭЛТ, в них это достигается за счет применения белой светодиодной подсветки вместо привычных ртутных ламп дневного света с холодным катодом. Дело в том, что лампы имеют очень неровный спектр излучения, состоящий из нескольких пиков и полос, в то время как у светодиодов он весьма равномерен и очень хорошо вписывается в полосы пропускания светофильтров матрицы, что и позволяет существенно улучшить изображение. На данный момент такие мониторы находятся в стадии разработки. И, разумеется, это в первую очередь будут профессиональные мониторы с соответствующими ценами – хотя со временем светодиодная подсветка скорее всего доберется и до домашних мониторов, если только раньше ЖК-матрицы не сдадут свои позиции OLED-матрицам, которым подсветка не требуется вообще. Впрочем, я не стал бы придавать этому слишком большого внимания – тот факт, что первый ЭЛТ-монитор с цветовым охватом, приближающимся к AdobeRGB, был выпущен лишь этой весной, в то время как индустрия цветокоррекции существует уже не первое десятилетие, достаточно наглядно свидетельствует, что цветовой охват не является определяющим параметром цветопередачи.
Как видите, обеспечение качественной цветопередачи – весьма сложная и комплексная задача, и если в случае с контрастностью, углами обзора или временем отклика можно было сказать, что заявляемая производителем одна цифра описывает лишь часть характеристик, то здесь же одна лишь надпись «16,7 millions of colors» не говорит вообще практически ни о чем.
Ближайшие мировые перспективы.
Событием 2010 года будет начало производства на самом большом в мире заводе по производству ЖК-матриц десятого поколения и тонкопленочных солнечных модулей компании Sharp.
Приняв решение о строительстве нового производства в городе Сакай, префектура Осака, руководство компании Sharp решило объединить два собственных передовых направления бизнеса, создав уникальный «индустриальный парк XXI века».
Технологии производства ЖК телевизоров и модулей солнечных батарей очень похожи. Использование общего оборудования и материалов, объединяя передовые конструктивные возможности с вертикальным циклом производства, компания создала настоящий шедевр промышленного искусства, подтверждая свое многолетнее лидерство в создании техники будущего: бытовой электроники и возобновляемых источников энергии.
Кроме двух уникальных объединенных производств, в индустриальном парке общей площадью 1,27 миллионов квадратных метров. Благодаря вертикальному производственному циклу будет полностью исключен выброс в атмосферу углекислого газа.
Производство будет первым в мире заводом по производству ЖК матриц десятого поколения, с размером материнской матрицы 8,7 квадратных метра (2850 мм x 3050 мм). Эта материнская матрица будет на 60% больше той, которая сейчас производится в мире. Из такой матрицы можно будет сделать шесть экранов диагональю 60 дюймов или восемь экранов диагональю 50 дюймов.
Наряду с поликристаллическими и монокристаллическими солнечными панелями, японский производитель также выпускает тонкопленочные солнечные модули, которые демонстрируют абсолютно уникальные показатели эффективности и значительно сокращают использование в производстве кремния. С помощью нового завода компания Sharp сможет начать массовое производство тонкопленочных солнечных модулей общей мощностью 1.000 мегаватт в год.
Производство будет запущено в первой половине 2010 года.
Площадь: 1.27 миллионов кв.м.
Объем инвестиций: Около 380 миллиардов йен.
Начало строительства: ноябрь 2007
Окончание строительства: март 2010
Основная продукция: ЖК панели для ЖК телевизоров больших диагоналей (40-, 50 и 60- дюймов)
Производственная мощность: 72,000 материнские матрицы десятого поколения в месяц.