В соответствии с классификацией, в светодиодных экранах источник света, модулятор и экран объединены. Такие экраны называются активными, т.е. поверхность экрана сама является как модулятором, так и источником света.
Среди достаточно большого разнообразия ИМЭ систем (плазменные, электролюминесцентные, катодолюминесцентные, полевые и т.д. дисплеи), светодиодные системы отображения стоят особняком. Это связано с тем, что такие системы строятся из отдельных светодиодов, которые группируются сначала в пиксели, а затем в матрицу пикселей. Такой принцип построения приводит к тому, что размер пикселя оказывается достаточно большим (от 5 до 50 мм), поэтому светодиодные системы – это всегда большеэкранные системы.
СВЕТОДИОД
Не останавливаясь на физических принципах действия светодиодов, кратко рассмотрим их основные светотехнические параметры. На рисунке упрощенно показана структура светодиода.
Свет, излучаемый полупроводниковым кристаллом, отражается от рефлектора и проходит через прозрачный или полупрозрачный корпус.
Светотехнические характеристики. Основной светотехнической характеристикой светодиода является сила излучаемого им света I (кандел). К светотехническим характеристикам также относятся длина волны излучаемого цвета и диаграмма направленности.
Современные светодиоды, применяемые в экранах имеют следующие длины волн: синий 430 - 470 нм, зеленый 515 - 530 нм, красный 630 - 670 нм. Разработка синего светодиода позволила создавать полноцветные светодиодные экраны. А разработка зеленого (чисто зеленого или изумрудно-зеленого) светодиода с более короткой длиной волны (ранее использовались диоды с длиной волны 570 нм) позволило значительно улучшить цветовые характеристики изображения. На рисунке показаны спектральные характеристики трех светодиодов.
Выходная диаграмма направленности светового потока формируется как формой рефлектора, так и формой корпуса светодиода. Варьируя параметры рефлектора и корпуса можно создавать различные диаграммы направленности шириной от 4 - 5 до 160°. Более того, возможно создание диаграмм направленности с различной шириной по вертикали и горизонтали, например, 120° по горизонтали и 60° по вертикали (т.н. овальные светодиоды). По аналогии с коэффициентом усиления проекционных экранов (gain), формирование диаграммы направленности можно связать с коэффициентом усиления светового потока.
Для примера на рисунке показана диаграмма направленности светодиодов фирмы "Nichia".
СВЕТОДИОДНЫЙ ЭКРАН
Структура информационного поля экрана. Светодиодные пиксели, которые могут иметь самую различную форму, размещены в поле экрана в узлах прямоугольной сетки. Соответственно, нужно говорить о размере пикселя и шаге пикселей в поле экрана. В зависимости от конструктивных особенностей светодиодных экранов и решаемых задач, соотношение размера пикселя к шагу может составлять (0,5 – 0,9):1. Нужно отметить две особенности структуры светодиодного экрана:
-
Размер пикселя не зависит от размера экрана. Увеличение размера экрана достигается увеличением его информационной емкости.
-
С учетом того, что каждый светодиод является практически точечным источником света (световой поток рассеивается корпусом светодиода в небольшой степени), пикселизация поля светодиодного экрана существенно больше, чем, например изображения на плазменной панели или проекционном экране. Явление иррадиации (зрительное ощущение размывания точечного источника света при его высокой яркости) в некоторой степени снижает пикселизацию. Другим способом уменьшения пикселизации является использование диффузных фильтров и увеличение соотношения размер / шаг пикселя.
Цветообразование. В светодиодных экранах, в отличие от световых табло, в основном используется пространственное цветообразование. В простейшем случае пиксель составлен из трех светодиодов с различным цветом свечения (обычно красный, зеленый, синий). Для больших пикселей используются от 4 светодиодов (два красных, зеленый и синий) и больше. В экранах с размерами пикселей более 20 мм используются т.н. кластеры – конструктивно объединенные группы диодов, например, 8 красных, 6 зеленых, 2 синих и т.д. Количество светодиодов каждого цвета обычно выбирают с учетом максимального приближения к балансу белого цвета.
В экранах с двумя основными цветами (красный, зеленый) часто используется временной принцип цветообразования. В таких экранах пиксель состоит из одного двухцветного светодиода.
Диаграмма направленности и неравномерность яркости. Как уже говорилось, диаграмма направленности формируется каждым светодиодом. Для того чтобы диаграмма направленности экрана в целом соответствовала диаграмме направленности диодов, необходимо использовать светодиоды разных цветов свечения с идентичными конструктивными параметрами. Светодиоды должны устанавливаться в экран с минимально возможными отклонениями по высоте и углам наклона относительно осевой линии. Для овальных светодиодов также важно не допускать поворотов относительно оси. Нарушение этих требований приводит к разбросу диаграмм направленности различных светодиодов. При наблюдении экрана под достаточно большими к нормали углами такой разброс выражается в появлении на изображении аномально ярких точек различных цветов.
Как правило, для экранов, используемых внутри помещений, используются светодиоды с достаточно широкой диаграммой направленности, например, 120 х 60°. Для уличных экранов используют светодиоды с более узкой диаграммой направленности, например, 70 х 30°. Такое различие объясняется разными условиями наблюдения. Возможность обмена ширины диаграммы направленности (путем замены одного типа светодиодов на другой) на яркость является отличительной чертой светодиодных экранов. При прочих равных условиях, сужение диаграммы со 120 х 60° до 70 х 30° позволяет повысить яркость в 3,4 раза.
Если для проекционных систем неравномерность яркости выражается, в основном, в спаде яркости на краях системы, то для светодиодных экранов на первое место выступает пиксельная неравномерность яркости. Это связано с тем, что информационное поле экрана состоит из отдельных светодиодов, в которых всегда существуют технологические разбросы по силе света. Изготовители светодиодов разделяют диоды на ранги, в пределах каждого из которых сила света диодов отличается не более чем на 15 – 30%.
Зрение существенно более чувствительно к детальным нарушениям яркости, чем к общим. Например, спад яркости на краях экрана на 30% малозаметен, а разброс яркости двух соседних участков изображения уже на 5% довольно заметен. Такая детальная неравномерность яркости проявляется в т.н. грануляции изображения, а для более крупных неравномерных участков – в пятнистости изображений. Однако сегодня можно достаточно четко выравнивать яркость отдельных диодов схемотехническими методами с точностью до 2 – 5%.
Вторым источником неравномерности яркости может стать неодинаковая ориентация светодиодов в поле экрана, приводящая к смещению диаграммы направленности.
Яркость и контраст изображения на светодиодном экране. При соблюдении цветового баланса по белому цвету яркость светодиодного экрана можно упрощенно рассчитать по формуле:
L=(aIr+bIg+cIb)/p2 ,
где: L - яркость экрана, кд/м2; a, b, c – число светодиодов в пикселе соответствующего цвета; I – сила света соответствующего светодиода, кд; p – шаг пикселей, м
Например, если пиксель состоит из трех светодиодов со сбалансировованной силой света (Ir =0,3 кд; Ig=0,59 кд; Ib =0,11 кд) и шаг пикселей равен 10 мм, то яркость составит L =10000 кд/м2. Если для пикселей того же состава увеличить шаг до 20 мм, то яркость снизится до 2500 кд/м2.
Собственный контраст светодиодного экрана может быть очень высок, так как при корректном управлении светодиодами паразитная засветка полностью отсутствует.
Для оценки внешнего контраста следует учитывать, что поверхность светодиодного экрана состоит из оптически различных участков: светодиодов с высоким коэффициентом отражения (например, 0,9) и промежутков между ними с низким коэффициентом отражения (например, черная поверхность с коэффициентом 0,1). Тогда, для случая равномерной внешней освещенности, можно получить следующую оценку внешнего контраста:
Cout=(Lmax+Lout)/Lout, Lout=Kmid*Eout/pi, Kmid=0,1+0,8Sled/Spix,
где: Cout - внешний контраст; Lmax - максимальная яркость экрана; Lout - внешняя яркость; Kmid – усредненный коэффициент отражения; Eout - внешняя освещенность; Sled - площадь светодиодов в одном пикселе; Spix - площадь пикселя; pi = 3,14.
Например, при яркости экрана 2500 кд/м2, площади светодиодов в пикселе 38 мм2, шаге пикселей 12 мм, внешней освещенности 1000 лк, получим Cout = 26.
Дополнительно повысить контраст можно при использовании нейтрально серого фильтра, за счет двойного ослабления внешнего света.
